اللوح الشمسي
هو عبارة عن جهاز يستخدم لتوليد الطاقة، وذلك عن طريق تحويل الطاقة الضوئية -وليست الحرارية- إمّا إلى طاقة كهربائية أو إلى طاقة حرارية، والطاقة الناتجة تعتبر طاقة طبيعية متجددة، وهي نظيفة صديقة للبيئة.
الطاقة الضوئية: هي عبارة عن جدول من جزيئات الطاقة والتي تسمى الفوتونات.
الطاقة الكهربائية يتم توليدها عن طريق إحداث فرق جهد أو مجال كهربائي في المادة، وذلك بسبب تحرر الإلكترونات فيها نتيجة تعرضها للضوء واكتسابها الطاقة، أما الطاقة الحرارية يتم توليدها عن طريق امتصاص الطاقة الضوئية، واستخدامها في تسخين المادة مباشرة كما في السخانات الشمسية.
يتم استخدام المواد شبه الموصلة لإنتاج الخلايا الشمسية. وتعبر مادة السيليكون الأكثر شيوعاً في الاستخدام، وذلك لأن السيليكون من المواد الموصلة للحرارة ولديها قدرة على الثبات والحفاظ على خصائصها في الظروف الجوية المحيطة ولها قدرة عالية، بالإضافة إلى توفر السيليكون بكميات كبيرة في الطبيعة وكلفته المنخفضة مقارنة بالمواد الأخرى.
مكونات الخلايا الشمسية
- رقائق من عنصر قائمة مرقمةن المواد شبه الموصلة، أحدهما يحمل شحنة موجبة والآخر يحمل شحنة سالبة، هنا تجدر الإشارة إلى أن المواد شبه الموصلة يتم معالجتها كيميائياً قبل استخدامها.
- أسلاك لنقل التيار الكهربائي.
- حمل كهربائي أو بطاريات لتخزين الطاقة.
- غلاف زجاجي، بهدف حمايتها من العوامل الجوية المحيطة والعوامل الخارجية مثل الحيوانات.
آليه عملها
عندما تتعرض الخلايا الشمسية إلى أشعة الشمس، تعمل الفوتونات الضوئية إلى تحميل وتنزيل طاقتها إلى الإلكترونات في القطب الموجب للسيليكون مما يؤدي إلى تآينها (أي تحررها عن طريق كسر الرابط الذري بالشبكة للمادة)، تتحرك الإلكترونات بين الأقطاب محدثة تياراً كهربائياً مستمراً، يصل إلى الحمل الكهربائي الذي قد يكون مصباحاً كهربائياً ويعمل على تشغيله.
أول خلية شمسية
يعود اكتشاف الطاقة الضوئية إلى العام 1839 إلى العالم الكسندر ايدموند بكويلير، ومن ذلك التاريخ بدأت تجارب متسلسة للتوصل إلى إنتاج الطاقة الكهربائية والاستفادة منها بشكل عملي، استمرت التجارب إلى أن تحقق فعليا إنتاج خلايا شمسية بالعام 1941 عن طريق العالم روسيل أوهل، واستمرت عمليات التطوير ولا تزال حتى يومنا هذا لإنتاج خلايا شمسية بكفاءة أعلى على توليد الكهرباء وبكلفة أقل، وأحدث الأبحاث تجري حالياً باستخدام تكنولوجيا النانو.
صناعة خلية شمسية من مواد أولية بسيطة
المواد
- قطعتين من الزجاج المصقول بنفس الحجم.
- قلم رصاص.
- كحول أبيض.
- محلول يود.
- أكسيد القصدير.
- ثاني أكسيد التيتانيوم.
- آفوميتر.
- صبغة (عصير توت مثلا).
- لاصق شفاف.
- سخان كهربائي Heater.
طريقة الإعداد
- يتم تنظيف اللوحين الزجاجيين بالكحول لإزالة أي شوئب عن سطحها.
- يستخدم الآفوميتر لفحص الوجه الموصل للحرارة في كل لوح.
- يتم وصل القطعتين وجعل الوجهين الموصلين للخارج، ولصقها بلاصق على الأطراف فقط ولا يتم تغطية السطح بأكمله.
- يتم طلي السطح الخارجي للزجاج بطبقة من أكسيد القصدير وإضافة محلول ثنائي أكسيد التيتانيوم.
- بعدها يتم إزالة اللاصق وفصل القطعتين، ليتم معالجة كل قطعة على حِدَة.
- القطعة العلوية يتم وضعها على السخان الكهربائي لمدة 12 ساعة ليتم خبز ثاني أكسيد التيتانيوم.
- أما القطعة السفلية يتم تنظيف طبقة ثاني أكسيد التيتانيوم عنها بدون حرارة، ومسحها بالكحول بعد ذلك. وتغطية السطح بطبقة من الكربون عن طريق الرسم بقلم رصاص عليه. وهنا نكون أنهينا تجهيز الأنود أي القطب الموجب للخلية الشمسية.
- بعد مرور 12 ساعة يتم أخذ القطعة العلوية عن المصدر الحراري، وغمسها بالصبغة تقريباً لمدة 15 دقيقة. (بدون الصبغة لن تعمل الخلية إلى على الأشعة الفوق بنفسجية وهذا يجعلها غير مفيدة).
- الآن القطعة العلوية يتم غسلها مرتين، الأولى بماء والثانية بالكحول وتنشيفها بمنديل نظيف. وهنا نكون أنهينا تجهيز الكاثود أي القطب السالب للخلية الشمسية.
- يتم جمع القطعتين بحيث تلامس الأسطح المعالجة بالتيتانيوم والكربون بعضها، لكن يتم ترك مسافة من أحد الأطراف غير متطابقة وذلك لنتمكن من وصل كل من الكاثود والأنود مع الآفوميتر لاحقاً.
- يتم وضع طبقة من محلول اليود على سطح القطعتين وتغطيتها به، وهذه الطبقة تسمى الإلكترولايت وهي تساعد على حركة الإلكترونات بين طبقتي ثاني أكسيد التيتانيوم والكربون على الأسطح، ويمسح المحلول الزائد عن السطحين بمنديل.
- هنا تصبح الخلية الشمسية جاهزة.
فحص الخلية
يتم وصل الخلية من الأطرف مع الآفوميتر وأخذ قرائتين أحدهما في الظل والأخرى تحت أشعة الشمس وملاحظة الفرق بين القرائتين.
أهم إيجابيات استخدام الخلايا الشمسية
- إنتاج الطاقة من خلال أشعة الشمس والتي تعتبر مصدر لا ينضب للطاقة.
- تعبر الطاقة المنتجة صديقة للبيئة فهي نظيفة بدون مخلفات أوآثار جانبية على البيئة.
- بساطة الخلايا الشمسية.
بمجرد تركيب الخلايا الشمسية وتوصيلها تبدأ عملها، لا تحتاج إلى مشغل.
- الخلايا الشمسية لا تحتاج إلى صيانة إلكترونية.
أنواع الخلايا الشمسية حسب تركيبها
- خلايا السيلكيون أحادي التبلور: وهي الخلايا الأعلى كفاءة، شائعة الاستخدام على أسطح المنازل، تحتوي على كميات سيليكون عالية وإنتاجها للطاقة جيد لكنها تعبر غالية الثمن نسبياً، الشكل لها رباعي، وكفاءة العمل تصل من 16%إلى 20%، تحتاج إلى مساحة قليلة، والعمر الافتراضي لها طويل وقد تصل الكفالة التي تمنحها الشركات المصنعة لها لمدة 25 عام.إذا تعرضت الخلايا للغبار أوالظل فان كفاءة عملها تقل بشكل كبير.
- خلايا السيليكون عديد التبلور: تعتبر أقل كلفة ولكن الكفاءة في إنتاج الكهرباء أيضاّ هي أقل، شكل الخلية منحينة في مستطيل طويل، وكفاءة العمل تصل إلى 9-13% ، تحتاج إلى مساحات أكبر لتعمل فيها.
- الخلايا الشميسة الحرارية (السخانات الشمسية) تستخدم لتسخين الماء مباشرةً للاستخدام المنزلي أو في برك السباحة وأيضا يمكن استخدام الماء الناتج في المكيفات بربط الدارة بهذه الخلايا.
