الخلية الكهروضوية ومجالات استخدامها
ضوء الشمس شكل من اشكال الطاقة المهمة جدآ. كلّ يوم تصبّ الشمس كمّيات هائلة من الطاقة في الفضاء تتمثل هذ الطاقة باشكال مختلفة منها على شكل أشعة تحت الحمراء و الاخر على شكل ضوء فوق البنفسجي، ولاكن أغلبه على شكل ضوء مرئي. فالضوء المرئي هذا هوا الذي يمكن أن يستخدم ويحوّل مباشرة إلى الكهرباء من خلال الخلية الكهروضوئية.
مكونات الخلية الكهروضوئية:
اليوم اغلب الخلاية الكهروضوئية المستخدمة تكون مصنعة من مادة بلّورية تدعى سيليكون، وهي احدي مواد الارض شيوعآ. تتكون الخلية الضوئية من طبقة رقيقة من مادة السيلكون هذه المادة هي احدا مواد اشباه الموصلات المعروفة التي تندرج خواصها الفيزيائية بين الموصلات و العوازل.
يتم تصنيعها من خلال خلط كمّية صغيرة جدا من البورون مع مادة السيلكون الصافي ثم تسخن الى درجة حرارة 850 درجة مئوية اثنا التسخين يرش سطح الخلية بطبقة الفسفور وذلك لخلق طبقتين مختلفتين من نوع n-type ومن نوع p-type. بمعني اخر تتكون وصلة ال pn junctions قرب السطح بين غلاف الفسفور وخليط البورون. عموما يستعمل الفسفور لخلق الطبقة n-type وخليط السيليكون بالبورون لخلق طبقة من نوع p-type بهذا نكون قد حصلنا على الماخذ الموجب و الماخد السالب للخلية. شكل 3 يوضح التركيب الاساسي للخلية.
طريقة عمل الخلية الكهروضوئية:
من الشكل 4 نلاحظ انه عند سقوط ضوء الشمس على الخلية يمر هذ الضوءمن خلال سطح الخلية ويمتص جزء منه بواسطة الطبقة الاولي للخلية وهي الطبقة التي تحتوي علي فسفور اما اغلبية الضوء الساقط على هذه الخلية فيقوم بامتصاصه الجزء الخاص بذلك وهي الطبقة التي تحتوي علي خليط السيلكون بالبورون حيث يتكون من خلال هذه العملية الكترونات حرة الحركة يمكنها السريان خلال الموصل الكهربائي في اطراف الخلية وتذداد هذه الحركة بزيادة كثافة الضوء الساقط علي هذه الخلية من هنا يمكننا توصيل حمل كهربائي على اطراف هذه الخلية والاستفادة من حركة الالكترونات الناتجة من تسليط ضوء الشمس علي الخلية. الخلية الكهروضوئية حالها حال الدايود في عدم وجود الضوء تكون موصل اي في الضلام وتبدا توليد الطاقة الكهربائية بسقوط ضوء الشمس عليها.
تأثير درجة الحرارة على منحنيات خواص الجهد و التيار للخلية:
تتفاوت كفاءة أداء الخلية الكهروضوئية عادة عكسيا بدرجة حرارة التشغيل بمعني اخر ينخفض اداء الخلية بارتفاع درجة حرارة الجو المحيط للخلية ، هذا يعني ان الطاقة الكهربائية الناتجة من الخلية تنخفض بارتفاع درجة الحرارة. الشكل 5 يوضح تاثير درجة الحرارة على منحني خواص الجهد و التيار وكيف يكون لدرجة الحرارة التاثير المباشر في الطاقة الكهربائية المتولدة و الشكل 6 يعزز هذ التاثير في كمية الطاقة الكهربائية المتولدة.
درجة الحرارة من العوامل المؤثرة في الخرج و هناك عوامل اخري تلعب دور في انخفاض اداء هذه الخلية من هذه العوامل سرعة الهواء و كثافة الضوء الساقط على الخلية. اما سرعة الهواء فتاثيرها ليس كبير مثل درجة الحرارة او كثافة الضوء لذا لم ادرج اي شكل يتعلق بتاثير سرعة الهواء ولاكن في حساب الطاقة المتولدة رياضيا يوخد في الحسبان الشكل 7 يوضح تاثير كثافة الضوء الساقط علي الخلية في الطاقة المتولدة.
ان كفائة اداء الخلاية الكهروضوئية تتراوح من 14% الى 21 % حسب نوع مواد الخلية المصنعة منها وباضافة المؤثرات الخارجية ناخذ على سبيل المثال ارتفاع في درجة الحرارة سوف تنخفض هذه الكفائة اكثر وسوف توثر ذلك في التكلفة الكلية في انشاء مشروع. عموما البحث قائم في هذا المجال اولا لتحسين اداء الخلاية الكهروضوئية ثانيا لتخفيض اسعارها.
مجالات استخدام الخلاية الكهروضوئية:
تستخدم الخلاية الكهروضوئية اليوم في مجالات عديده من اهم هذه المجالات هي تغذية المناطق المعزولة في العالم بالطاقة الكهربائية والمقصود بالمعزولة هنا هي المناطق التي تكون بعيدة عن محطات الطاقة الكهربائية التقليدية هناك 2 بليون من سكان الارض يعيشون في مناطق بعيدة عن محطات توليد الطاقة المحلية لبلادهم وتكون تكلفة توصيل الطاقة لهم باهظة جدآ او مستحيلة احيانآ في هذه الحالات يكون البحث عن البدائل هوا الوسيلة السليمة واحدي هذه الوسائل هي توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة الشمسية عن طريق الخلاية الكهروضوئية
باختصار مجالات استخدمها كما يلي:
• المناطق المعزلة او البعيدة عن المحطات المحلية.
• محطات ضخ المياه الجوفية و محطات التحلية.
• منظمة الصحة العالمية ( برادات المراكز المتنقلة للحفاظ علي اللقاح )
• الاتصالات
• خدمات الطرق السريعة مثل تلفونات الاسعافات لوح الاعلانات
• نظم الحماية بانواعها
• كهربة الاقمار الصناعية
• وبعض الاجهزة المنزلية ذات الاحمال الصغيرة
الصور التالية عبارة عن استخدامات عديدة للخلية الكهروضوئية:
كل ما ذكرناه في الاعلي عبارة عن استخدمات للخلية الكهروضوئية هذ الاستخدمات يجب ان تكون منخفضة القدرة لكي تكون تكلفتها معقولة ومساحة بنائها ليست بالكبيره. اما اذا كانت الاجهزة المراد تغذيتها بالتيار الكهربائي من الاحمال الكبيرة مثل الاجهزة التي تنتج حرارة كبيرة كالفرن الكهربائي واجهزة التكييف و ماشابه ذلك فان النظام هنا سوف يكون اكبر اي نحتاج مساحة اكبر وذلك حسب الحمل المراد تغذيته وسوف ارفق مثال بسيط على تصميم نظام ذو احمال صغيرة سوف يحتوي هذا المثال على تحديد مكونات الدائرة وطريقة اختيار العناصر ومن ثم تكلفة النظام.
هناك ثلاث تطبيقات للخلية الكهروضوئية وهي كما يلى:
1. نظام الخلاية الكهروضوئية القائم بذاته ويسمي(Stand Alone Systems)
2. النظام المتصل بشبكة الطاقة المحلية ويسى (Grid Connected Systems)
3. النظام المتعدد المصادر ويطلق عليه .(Hybrid Systems)
الشكل 8a,b,c يوضح التطبيقات الثلاثة للخلاية الكهروضوئية ومكونات كل تطبيق علي حدا:
