تعتبر الخلايا الكهروضوئية من أبرز الوسائل المستخدمة في توليد الطاقة، حيث تعمل على تحويل الإشعاع الشمسي إلى كهرباء باستخدام أشباه الموصلات. وتعتمد هذه التقنية على الألواح الشمسية التي تتكون من عدد من الخلايا الشمسية. في هذا المقال، سنستعرض أهم استخدامات الخلايا الكهروضوئية وأنواعها، لذا تابعوا معنا.
تعريف الخلايا الشمسية:
- الخلايا الشمسية، والمعروفة أيضاً بالخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الضوئية، تعتبر من أفضل الطرق لتوليد الطاقة الكهربائية.
- تعتمد هذه الخلايا على اثر فوتونات الضوء لتحفيز التحولات الطاقية.
- تتمثل هذه العملية في انتقال الفوتونات من مستوى طاقة أقل إلى مستوى طاقة أعلى.
مكونات الخلايا الشمسية:
- تُصنع الخلايا الشمسية من مجموعة متنوعة من المواد، وغالباً ما تكون هذه المواد نادرة.
- يعتبر السيلكون هو العنصر الأساسي المستخدمة، لكونه متوافراً بكثرة في الطبيعة.
- لقد أجرى العلماء دراسات دقيقة حول خصائص السيلكون وملاءمته كعنصر أساسي في الخلايا الشمسية.
- تتكون الخلايا الشمسية إما من مادة بلورية مثل السليكون البلوري، أو من مادة غير بلورية كالسليكون اللا بلوري، أو من مواد مترسبة على هيئة طبقات.
- تشمل مكونات الخلايا الشمسية أيضاً إطاراً من الألمنيوم وبطارية سائلة وفولتميتر، بالإضافة إلى أسلاك التوصيل.
كيفية عمل الخلايا الشمسية:
- فعند سقوط الأشعة الشمسية على الخلية، تعمل الطبقة المضادة للانعكاس على لجذب الضوء.
- تقوم الطاقة الناتجة عن الفوتونات بتحفيز الإلكترونات في منطقة التكافؤ، مما يمكّنها من الانتقال إلى منطقة التوصيل في الشريحة السالبة.
- يمكن للفجوات الموجبة الانتقال إلى منطقة التوصيل في الشريحة الموجبة، مما يحدث فرقاً في الجهد بين سطحي الوصلة الثنائية.
- تتم عملية توصيل السطحين بواسطة موصل كهربائي للحصول على تيار كهربائي في الدائرة.
- تنتقل الإلكترونات من الوصلة السالبة إلى الموجبة، وعند فتح الدائرة الخارجية، تنتج الخلية تياراً بقيمة 0.07 أمبير وجهد 0.6 فولت.
- تنتج الخلايا المصفوفة قدرة كهربائية تصل إلى 0.04 واط، حيث إن المتر المربع يوفر تياراً مقداره 4 أمبير وقدرة كهربائية تبلغ 48 واط، مما يتطلب 4 مصفوفات لتشغيل المضخة.
أهم استخدامات الخلايا الكهروضوئية وأنواعها:
- تستخدم الخلايا الكهروضوئية في العديد من التطبيقات، مثل تجفيف الأطعمة والمواد الغذائية.
- وتجد تطبيقها أيضاً في مجال الإسكان والزراعة.
- تساهم في تقطير المياه وتحلية المياه المالحة.
- تساعد على تدفئة الجو وتخفيف البرودة.
- تستخدم في صهر المواد وطهي الطعام.
- تستخدم لتوليد الكهرباء للألعاب التي تحتاج إلى طاقة منخفضة، مثل الألعاب الإلكترونية والساعات.
- تستخدم بعض الدول لتشغيل إشارات المرور الضوئية.
- تشمل أنواع الخلايا الشمسية خلايا تعتمد على السيليكون أحادي التبلور بكفاءة تبلغ 16%، وخلايا تعتمد على السيليكون متعدد التبلور بكفاءة 13%، بالإضافة إلى خلايا ذات كفاءة تصل إلى 6%.
توقعات مستقبلية للطاقة الشمسية:
- تشير التوقعات إلى أن ألمانيا تنتج حوالي 32.4 غيغا واط من الطاقة الشمسية، مما يجعلها في مقدمة الدول المنتجة.
- تليها إيطاليا وإسبانيا، بينما توسع الولايات المتحدة الأمريكية والصين واليابان وأستراليا إنتاجها في هذا المجال.
التحديات المرتبطة بالخلايا الشمسية:
- يمكن أن يؤثر وجود الغبار على كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية، مما يستدعي ضرورة تنظيفها بشكل دوري.
- من المستحسن ألا تتجاوز فترة التنظيف ثلاثة أيام حسب الظروف المناخية.
- عدم القدرة على تخزين الطاقة الشمسية لاستخدامها ليلاً أو في الأيام الغائمة يمثل تحدياً كبيراً.
- يتعرض العديد من المجمعات الشمسية للتآكل والصدأ بسبب الأملاح الموجودة في الماء.
- تستمر الخلايا الشمسية في كونها إحدى تقنيات تحويل الطاقة الحديثة والمستدامة، حيث تتحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء نظيفة دون أي ملوثات.
- يجري تطوير هذه التكنولوجيا للاستفادة منها في مجالات متعددة، مثل الصحة والإسكان والتعليم والزراعة والصناعة.
