الاسم: معتز خالد محمد حسان
الدكتور:
نبيل ونس

هل يجب أن نضيع وقتنا بالحفر لإخراج النفط و الفحم من الأرض ونحن نمتلك مصدر طاقة عملاق في السماء فوقنا، يرسل لنا طاقة مجانية دون توقف ؟

إنها الشمس، وهي كرة خارقة من الطاقة النووية، لديها ما يكفي من الطاقة الحرارية و الضوئية التي يمكنها دفع نظامنا الشمسي إلى خمسة مليارات سنة أخرى ويمكننا تحويل هذه الطاقة إلى إمدادات لا نهاية لها من الكهرباء عن طريق ما يعرف باسم (الألواح الشمسية).

Photo: NASA’s solar-powered Pathfinder airplane. The upper wing surface is covered with lightweight solar panels that power the plane’s propellers. Picture courtesy of NASA Armstrong Flight Research Center.

ومع تقدم التكنولوجيا تتوسع استخدامات الطاقة الشمسية بشكل ملحوظ ، فقد يكون لديك ساعة كوارتز (quartz watch) تعمل بالطاقة الشمسية في معصمك أو آلة حاسبة (calculator) تعمل بالطاقة الشمسية , وسفن الفضاء وأقمار البث (satellites) مزودة بألواح الطاقة الشمسية أيضا. وقد صنعت وكالة الفضاء الأمريكية ناسا (NASA) طائرة تعمل بالطاقة الشمسية ومع استمرار الإحترار العالمي( global warming) الذي يهدد بيئتنا، يبدو أن الطاقة الشمسية ستصبح أكثر شيوعا وأكثر أهمية من الطاقة المتجددة (renewable energy) في المستقبل.

ما مقدار الطاقة الشمسية التي تصلنا وكيف يمكننا الاستفادة منها ؟

إن للطاقة الشمسية قدرة هائلة جدا؛ ففي المتوسط فإن كل متر مربع من سطح الأرض يتلقى 164 واط من الطاقة الشمسية وبعبارة أخرى، يمكنك تشغيل مصباح قوي جدا (150 واط) في كل متر مربع من سطح الأرض وتضيء الكوكب كله بالطاقة الشمسية ,ولكن الطاقة التي ترسلها الشمس تصل إلى الأرض كخليط من الضوء(light) والحرارة(heat), وكلاهما مهم بشكل لا يصدق فالضوء يجعل النباتات تنمو لتوفر لنا الطعام، في حين أن الحرارة تبقي لنا الأرض دافئة بما يكفي للبقاء على قيد الحياة، ومع استمرار البحث عن طريقة لتحويل الطاقة الشمسية إلى شكل أخر من أشكال الطاقة التي تمكننا من الاستفادة منها واستخدامها بسهولة أكبر, تم التوصل إلى الألواح الشمسية التي تقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية ويمكن استخدامها بشكل مباشر في المنزل عن طريق تركيبها على سطح المنزل وهي الفكرة التي أصبحت الكثير من دول العالم تدعمها، بالإضافة إلى إمكانية عمل حقول من ألواح الطاقة الشمسية التي تعمل على تغذية مدينة بأكملها أو ما شابه، وبالإمكان بعد تحويل الطاقة الشمسية تخزينها في بطاريات خاصة وذلك لتكون الطاقة الكهربائية متوفرة في حال عدم سطوع الشمس إذ إن التصاميم تعمل على تخزين الطاقة الكهربائية لمدة خمس أيام من انقطاع الطاقة الكهربائية، وتعتبر ألواح الطاقة الشمسية من أهم المصادر التي يتم التخطيط للاعتماد عليها كمصدر متجدد وبديل لإنتاج الطاقة في الوطن العربي على وجه الخصوص وذلك لتوافر أشعة الشمس بشكل كبير جداً في الوطن العربي.

ما هي الألواح الشمسية ومما تتكون ؟

هي ألواح سوداء مزرقة تتكون من عدد كبير من الخلايا الشمسية لكل لوح وهذه الخلايا عبارة عن جهاز إلكتروني(electronic) ثماني الشكل يستقبل ضوء الشمس ويحوله مباشرة إلى كهرباء وغالبا ما يتم تجميع الخلايا الشمسية معاً لجعلها وحدات أكبر تسمى وحدات الطاقة الشمسية، وتجمع هذه الوحدات معا لتشكل ما يعرف باسم الألواح الشمسية.

Photo: The roof of this house is covered with 16 solar panels, each made up of a grid of 10×6 = 60 small solar cells. On a good day, it probably generates about 4 kilowatts of electricity.

إن الخلايا في البطارية (battery) تشبه الخلايا في لوحة شمسية مصممة لتوليد الكهرباء ولكن الخلايا في البطارية تولد الكهرباء من المواد الكيميائية، وخلايا الألواح الشمسية تولد الطاقة الكهربائية عن طريق التقاط أشعة الشمس بدلا من ذلك. وتسمى أحيانا الخلايا الضوئية لأنها تستخدم أشعة الشمس (ضوء) لتولد الكهرباء منها.

كيف يتم صنع ألواح الطاقة الشمسية؟

تتكون ألواح الطاقة الشمسية من أشباه الموصلات والتي في العادة ما يتم استخدام السيليكون فيها ويتم تصميمها بعد ذلك بعدة تصميمات، فبعض التصميمات تكون مجهزة لتحمل أشعة الشمس التي تصل إلى سطح الأرض بينما يتم تصميم أخريات لتحمل أشعة الشمس في الفضاء كالتي يتم تركيبها على المحطات الفضائية، ويتم البدء في صناعة الخلايا الضوئية بشبه الموصل النقي جداً كالسيليكون المتعدد الكريستالات وهي المواد التي تم تصنيعها من الكوارتز، بحيث يتم تسخين السيليكون إلى درجة الانصهار ويتم إضافة البورون إليه بعد ذلك لتكوين القطب الموجب من الخلية الشمسية ويتم بعد ذلك تشكيل سبيكة السيليكون عن طريق زراعة سبيكة السيليكون النقية عن طريق وضع بذرة كريستالية في المادة المنصهرة أو عن طريق صبها في قالب، ثم بعد ذلك يتم قطع السبائك إلى شرائح رقيقة باستخدام مناشير الأسلاك ومن ثم يتم تنظيف سطوح الرقائق. ثم يتم نشر الفوسفور على السبائك عن طريق وضعها في أقران خاصة لنشر الفوسفور وبذلك يتم صناعة أقطاب سالبة للخلية الشمسية حول السطح الخارجي للسبيكة، أمّا بعد ذلك يتم طلاء الأسطح الخارجية للسبيكة بمادة مضادة للانعكاس لتخفيف أشعة الشمس المنعكسة عن سطح السبيكة وزيادة امتصاصيتها، ثم يتم طباعة موصلات كهربائية على أعلى الجزء السالب من الخلية ويتم ترسيب مادة موصلة من الألمنيوم على الجزء الموجب من الخلية ومن ثم يتم اختبار كل خلية ووصلها ببعضها البعض لتكوين ألواح الطاقة الشمسية.

ما آلية عمل الخلايا الشمسية ؟

الخلية الشمسية عبارة عن أداة شبه موصلة ذات بناء بسيط، وظيفتها تحويل الفوتونات الموجودة في أشعة الضوء إلى أشكال من الطّاقة يستطيع الإنسان الاستفادة منها، والطريقة الأساسية للقيام بهذا التحويل هي السماح للخلية الشمسية بامتصاص الفوتونات وإسقاطها على سطح كريستالي مكون من أحد العناصر الكيميائية والخاصية الكريستالية أو البلورية تشير إلى أن ذرات هذا العنصر مرتبة على المستوى الجزيئي بنمط ثابت دقيق جدا، ويعتبر السيليكون العنصر الأكثر رواجا لاستعماله في هذه الوظيفة بسبب امتلاكه خواصا مشتركة ما بين المعادن (الموصلة للكهرباء) والعوازل (المانعة للكهرباء)، وبالتالي يؤدي دورا جوهريا في تكوين الخلية وعندما تصطدم الفوتونات بالسطح المكون من السيليكون فهي تؤدي إلى تأيين ذراته (تنقل إليها شحنة كهربائية) مما يؤدي إلى تحرر بعض الإلكترونات منها، وبالتالي تبقى بعض الذرات الكريستالية ذات الشحنة الإيجابية، وتستطيع الشحنة الانتقال من ذرة إلى الأُخرى بحرية كبيرة، وتصبح هي الأساس للطّاقة التي سوف تنتجها الخلية الشمسية من الضوء ويمكن تبسيط هذا التفاعل بأنه يؤدي إلى توليد طاقة كهربائية داخل السيليكون بمجرد اصطدام أشعة الشمس به، بعد ذلك تبدأ الإلكترونات الموجودة داخل الخلية الشمسية في الحركة نتيجة لاكتسابها للشحنة الكهربائية، فتقوم بتشكيل حقل كهربائي، وتنطلق الإلكترونات من كريستالة السيليكون (أو أيا ما كان نوع المادة المستعملة في صناعة الخلية الشمسية) وتتجمع على شكل طاقة كهربائية ترسلها الخلية الشمسية إلى جهاز المحول وعند هذه المرحلة تنتج كهرباء في حالة التيار المباشر (DC)؛ وهي كهرباء يمكن إنتاجها كيميائيا، ومن أمثلتها كهرباء البطاريات، ولكن لا يمكن الاستفادة منها وهي في شكلها الحالي في الأمور الحياتية اليومية للإنسان، ولذلك تلزم الاستعانة بمحول من نوع خاص ليقوم بتحويل هذه الكهرباء من حالة التيار المباشر (DC) إلى التيار المتردد (AC)، وبالتالي تصبح الطاقة الكهربائية جاهزة لتشغيل المنازل والمنشآت البشرية.

ما مدى كفاءة الخلايا الشمسية ؟

إن الخلايا الشمسية لا يمكن أن تنتج طاقة كهربائية أكثر مما تتلقاه من ضوء الشمس فوفقاً لقانون حفظ الطاقة (law of conservation of energy) الذي يقول أننا لا يمكن أن نخلق الطاقة أو نجعلها تتلاشى في الهواء , كل ما يمكننا القيام به هو تحويلها من شكل إلى آخر ففي الممارسة العملية معظم الخلايا تحول من10-20 في المائة من الطاقة التي نحصل عليها من الأشعة الشمسية وتتميز الخلايا الشمسية السليكونية ذات الوصلات النموذجية، بكفاءة عالية حيث تحول حوالي 30 في المائة من طاقة الأشعة الشمسية والسبب الأساسي حول عدم قدرة الألواح على تحويل الطاقة الشمسية كاملة هو أن أشعة الشمس تحتوي على مزيج واسع من الفوتونات من أطوال موجية مختلفة ولا يمكن ضبطها على طول موجي واحد وأفضل الخلايا الشمسية المطورة في المختبرات يمكنها العمل بكفاءة 46 في المائة في ظروف مثالية باستخدام تقاطعات متعددة للقبض على الفوتونات من الأطوال الموجية المختلفة.

اكتشف المزيد على هذه المواقع:

Climate change and global warming

Electronics

Energy

Passive-solar energy

Photoelectric cells

Pyranometers

Renewable energy

Wind turbines

:مقالات أخرى

When Solar Panels Became Job Killers by Keith Bradsher. The New York Times, April 8, 2017. How China’s solar panel manufacturers are conquering the world.

Tesla Ventures Into Solar Power Storage for Home and Business by Diane Cardwell. The New York Times. May 1, 2015. How the pioneering electric car maker plans to revolutionize home energy storage as well.

Solar Energy Isn’t Always as Green as You Think by Dustin Mulvaney, IEEE Spectrum, August 26, 2014. Photovoltaics might sound environmentally friendly, but they’re sometimes produced by processes that harm workers and the environment.

Can Solar Power Go Truly Transparent? by Dave Levitan, IEEE Spectrum, August 25, 2014. Could we convert transparent windows into effective solar power producers?

Perovskites: the future of solar power? by Bernie Bulkin, The Guardian, March 7, 2014. Most solar cells are currently manufactured using silicon semiconductors, but perovskites (minerals based on calcium titanium trioxide) could ultimately offer greater efficiency.

Hot summer bestows solar power bounty on Britain by John Vidal, The Guardian, July 26, 2013. Even a dull northern area like the UK has great solar potential. Around half a million British buildings now have solar panels installed.