كيفية تصنيع و عمل الخلايا الشمسية

 الخلايا الشمسية أو الضوئية أو الكهروضوئية وكان يطلق عليها في الأيام الأولى لصناعتها بطارية شمسية ولكن أصبح ذلك يحمل معنى مختلف تماما الآن،.

هي جهاز يحوِّل الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية مستغلا التأثير الضوئي الجهدي.

تتكون من طبقة سيليكون يضاف لها بعض الشوائب لتعطيها بعض الخواص الكهربائية، فالطبقة العليا المقابلة للشمس يضاف إليها عنصر الفسفور، لتعطيه خاصية ضخ إلكترونات عند ارتطام الضويئات بها وتسمى هذه الطبقة بالطبقة N بينما يضاف عنصر البورون للطبقة السفلى ويعطيه خاصية امتصاص الإلكترونات وتسمى هذه الطبقة P.

عند ارتطام ضويئات الشعاع الشمسي بالطبقة العلوية تمنح الإلكترونات طاقة تعتمد على شدة الإشعاع الشمسي، وعند وجود موصل كهربائي بين الطبقتين تنتقل الإلكترونات من الطبقة العليا إلى الطبقة السفلى وهكذا يتكون تيار وجهد كهربائيان.

تعتبر الخلايا الشمسية مصدر هام لتزويد المركبات الفضائية والأقمار الصناعية بما تحتاجة من طاقة كهربائية، وتعتبر من البدائل المساعدة لمصادر الطاقة التقليدية من البترول والفحم والغاز ومشتقاته المحدودة في الطبيعة والقابلة للنضوب بسبب الاستنزاف الهائل لها.

فالخلايا الشمسية تحول طاقة الأشعة الشمسية مباشرة إلى كهرباء وتتميز بإنتاج كهرباء دون أن تؤدي لتلوث البيئة، وعمرها الأفتراضي يصل إلى 30 سنة.

الخلايا الشمسية

ما هي الخلايا الشمسية؟

الخلية الشمسية هي الجهاز الذي يقوم بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة
كهربائية ذات تيار مباشر. تصنع الخلايا الشمسية من مادة السيلكون (الرمل) التي
يدخل في تركيبها بعض الشوائب.
عند سقوط أشعة الشمس على سطح الخلية الشمسية، يتم امتصاص جزء من الأشعة
بواسطة مادة الخلية الشمسية حيث تتحول طاقة هذه الأشعة إلى الإلكترونات داخل
الخلية مما يجعلها تتحرك عند التوصيل الخارجي لطرفي الخلية مولدة تياراً كهربائياً
مباشراً.
يتناسب طردياً مقدار التيار الكهربائي المتولد بواسطة الخلية الشمسية، مع شدة
الضوء الساقط على سطح الخلية.
أيضاً تتناسب الطاقة الكهربائية المتولدة بواسطة الخلية عكسياً مع درجات الحرارة
حيث تقل الكفاءة عند ارتفاع درجة الحرارة.

الخلايا الشمسية (أو الخلايا الكهرضوئية)

1. الخطوة الأولى:تصنيع الخلايا الشمسية

تبدأ بصهر المادة الأولية للسليسيوم – وهي الرمل – بغرض تنقيتها من أي شوائب تحتوي عليها، ثم تحويلها إلى سليسيوم نقي في شكل مادة متبلورة، سواء أكان سليسيوم ذا بلورة واحدة( Monocrystalline ) أم سليسيوم ذا بلورات
متعددة ( Polycrystalline ). و هي تعتبر مادة شبه موصلة للكهرباء.

 

كيفية تصنيع الخاليا الشمسية
الخلايا الشمسية

2. الخطوة الثانية:

هي إ ضافة قليل من ذرات مادة الفسفور التي تزيد من عدد الإلكترونات
الحرة، وبالتالي تزيد من قابلية بلورة السليسيوم على التوصيل عن طريق
حركة الإلكترونات. و تسمي مادة السليسيوم في هذه الحالة بالنوع السالب:

نوع N.

 

 

3. الخطوة الثالثة:

هي إضافة قليل من ذرات مادة البورون التي تجعل عدد الإلكترونات متناقصاً مما يؤدي إلى زيادة عدد الشحنات الموجبة، و من ثَمّ تزيد من قابليةبلورة السليكون على التوصيل عن طريق حركة الشحنات الموجبة. و تسمي مادة السليكون في هذه الحالة بالنوع الموجب:

نوع P .

 4. الخطوة الرابعة :تركيب الخلية الشمسية

  إذا قمنا بجمع أو لصق هذين النوعين السالب والموجب من بلورات السليسيوم فسوف يتكون لدينا ثنائي من هاتين المادتني بينهما فاصل عند نقطة الإلتقاء وحول هذا الفاصل يتكون مجال كهرومغناطيسي

(P-N Junction ).

هذا الثنائي يمثل – ببساطة – تكوين الخلية الشمسية.

 

5. الخطوة الخامسة :

عند تعرض سطح الخلية لأشعة الشمس، تقوم بامتصاص الأشعة ذات القدرة العالية خاصة فوق البنفسجية فتكتسب الشحنات السالبة والشحنات
الموجبة – بمادتي السليسيوم السالب والموجب – هذه الطاقة مما يزيد من قابليتها للحركة.

و يقوم المجال الكهرومغناطيسي بتسريع حركة هذه الشحنات في اتجاهين متعاكسين حول الفاصل(Junction)، مما يؤدي إلى مرور تيار كهربائي – عند الدائرة – ناتج من سقوط أشعة الشمس على سطح الخلية الشمسية.

 

6.الخطوة السادسة :طريقة عمل الخلايا الشمسية

عند سقوط أشعة الشمس على سطح الخلية الشمسية والدائرة مفتوحة، يظهر فرق جهد عند طرفي الخلية، نتيجة لنقص قيمة المجال الكهرومغناطيسي حول الفاصل عند حركة الشحنات السالبة والموجبة.

 

توليد الخلايا الكهروضوئية للطاقة الشمسية
كيف تولد الخلايا الشمسية الكهرباء؟

أنواع الخلايا الشمسية

رقاقة خلية شمسية- الخلايا الشمسية
شريحة رقيقة من مادة نصف موصلة بلورة أحادية من السيليكون النقي

متعددة التبلور (Poly-crystalline):

تتكون من خلايا متعددة التبلور (تحتوي على بلورات مختلفة في الشكل والإبعاد وتتفاوت في الخصائص البصرية والفيزيائية).

 

الخلايا الشمسية سيليكون متعددة التبلور
تتكون تلك الألواح من مقاطع السيليكون إلا إنه يتم تشكيلها لتصبح في هيئة كتل، وتتميز خلاياها الشمسية بأنها مكونة من عدة أجزاء من البلورة النقية، ونظرًا لأن البلورات الفردية ليست بالضرورة في محاذاة تمامًا مع بعضها البعض، فهي ليست فعالة تمامًا.

مقارنة بين المونو و البولي

الميزة

أحادية التبلور (مونو)

متعددة التبلور (بولي)

الشكل الخارجي

خلايا مربعة

(ذات حواف دائرية)

قاتمة السطح

خلايا مربعة

فاتحة السطح

ومتعددة الانعكاسات

التكلفة

إنتاجها مكلف

نوعا ما

إنتاجها أرخص

 

الكفاءة

أعلى كفاءة

أقل كفاءة

 

درجة الحرارة

يفضل استخدامها

في المناطق الباردة

يفضل استخدامها

في المناطق الحارة

الظل

تأثير الظل والغيوم

عليها قليل

(تقل الأمبيرية 50%)

تتأثر جدا بالظل

والغيوم

(تقل الأمبيرية 70%)

الأتربة والغبار

تراكم الغبار على

اللوح يقلل جدا

من أدائها

تأثير تراكم الغبار

على اللوح قليل

العمر الحياتي

يقل أداءها

بمقدار 3% بعد

السنة الأولى

يقل أداءها

بمقدار 2.5% بعد

السنة الأولى

الفولت

تنتج فولتية

أعلى من

متعددة التبلور

تنتج فولتية

أقل من

الأحادي التبلور

الأمبير

تنتج أمبير

أقل من

متعددة التبلور

تنتج أمبير

أعلى من

أحادي التبلور

 


 

الخلايا الشمسية خلايا سيليكون أحادية التبلور
خلايا سيليكون أحادية التبلور تصل كفاءتها التحويلية إلى 25 % وعمرها الافتراض يظل لأكثر من خمسة وعشرين عاماً.

أحادية التبلور (Mono-crystalline):

تتكون من خلايا أحادية التبلور (تحتوي على بلورات متماثلة في الشكل والإبعاد وتمتلك نفس الخصائص البصرية والفيزيائية).

أنواع الخلايا الشمسيةبتصنيف جيل التصنيع 

أنواع الخلايا الشمسية تتمثل بتصنيف الخلايا الشمسية إلى ثلاثة أجيال رئيسية:

الجيل الأول

يمثل خلايا شرائح السليكون الشائعة الاستخدام بشكلها التقليدي وتحتل القطاع الأكبر في عالم صناعة الخلايا الكهروضوئية، وتتوفر بنوعين أحادي التبلور (مونو) ومتعددة التبلور (بولي) وتتميز الخلية الأحادية التبلور بأنها أعلى كفاءة من الخلية المتعددة التبلور.

الجيل الثاني

  1. يدعى بشرائح الأغشية الرقيقة وتتضمن السليكون الغير متبلور وتريليد الكادميوم (CdTe) وخلايا (CIGS)، وتعتبر الأكثر فعالية من سابقتها في استخدامات مشاريع الطاقة الكبيرة وأنظمة المباني المتكاملة أو الأنظمة الصغيرة المستقلة.

الجيل الثالث

  1. يتضمن العديد من تقنية الأغشية الرقيقة (متعدد الوصلات) الحديثة النشء والظهور ولا زالت في مرحلة البحث والتطوير ولم يتم إنتاجها بصورة تجارية.

الدائرة الكهربائية للخلية الشمسية

طريقة توصيل الخلايا الشمسية

الدائرة الكهربائية للخلية الشمسية عبارة عن ثنائي ( أو ديود ) متصل بالتوازي مع
مولد تيار يمثل التيار المتولد من الخلية عند تعرضها لأشعة الشمس.

الجهد الكهربائي:

 

عند سقوط أشعة الشمس على سطح خلية شمسية تنتج الخلية الشمسية الواحدة جهدا كهربائيا بمقدار 0.6 – 0.7 فولت تقريبا في الظروف القياسية ودرجة حرارة الغرفة،

 

ويعرف ذلك الجهد بجهد الدائرة المفتوحة Voc وهو يعبر عند الجهد الكهربائي للخلية عندما تكون غير موصلة للأحمال الكهربائية (دائرة مفتوحة) وتكون قيمة التيار الكهربائي مساوية للصفر،

 

وعند توصيل حمل كهربائي ينقص الجهد بتزايد التيار الكهربائي الناتج من الخلية الكهربائية والمار في الحمل لتصل قيمة الجهد الكهربائي إلى ما يعرف بجهد أقصى قدرة Vmp وتتراوح قيمته بمقدار  0.5 – 0.6 فولت،

 

لذلك فإن توصيل 36 خلية على التوالي تجعل إنتاجية اللوح الشمسي تصل إلى 18 فولت.

 

على الرغم من أن تناقص قيمة جهد اللوح التشغيلية إلى 15 – 16 فولت بسبب سخونة الخلية الشمسية عند تعرضها لأشعة الشمس إلا أن ذلك التناقص لا زال كافيا لشحن بطارية بفولتية 12 فولت.

لذلك فإن الألواح ذات 36 خلية تعتبر المعيار القياسي لشحن بطاريات 12 فولت.

حساب التيار في الدائرة الكهربائية للخلية الشمسية
الدائرة الكهربائية للخلية الشمسية

I photo  : يمثل التيار المتولد في الخلية الشمسية
I Diode : يمثل تيار الانحياز الأمامي للخلية الشمسية عندما تكون مظلمة،
I : يمثل التيار الكلي للخلية
V : يمثل فرق الجهد

 

التيار الكهربائي:

عند سقوط ضوء الشمس على سطح الخلية في حالة الجهد المفتوح Voc فإن التيار الناتج من الخلية يكون صفر

 

ولكن عند توصيل القطب الموجب للخلية مع القطب السالب مباشرة فان الجهد يهبط للصفر بسب ما يعرف بقصور الدائرة الكهربائية ويكون التيار أقصى ما يمكن ويعرف

 

بتيار القصر Isc

 

وعند توصيل حمل كهربائي بمقاومة تعمل على المحافظة على الجهد الكهربائي من الهبوط وتضمن الحصول على جهد أقصى قيمة للقدرة نحصل بالمقابل على ما يعرف

 

بتيار أقصى قدرة كهربائية تنتجها الخلية Imp،

 

وتعتمد قيمة التيار الكهربائي الناتج من الخلية الشمسية على مساحة الخلية الشمسية

 

حيث توجد الخلايا الشمسية بمساحات متفاوتة مما يشكل صعوبة في الربط بين مساحة الخلية وقيمة التيار الناتج منها،

 

فمثلاً لوح شمسي قدرته W 100 وعدد خلاياه 36 خلية بمساحة الخلية الواحدة 124 x 124 mm2 تنتج تيار قيمته 5.26 أمبير، بينما لوح شمسي قدرته W 150 وعدد خلاياه 36 خلية بمساحة الخلية الواحدة 156 x 156 mm2 تنتج تيار قيمته 8.33 أمبير.

 

منحنى التيار-الجهد والقدرة

Power and I-V Curve، وقيمة أقصى نقطة للقدرة

Maximum Power Point (Pmp)

للخلايا الكهروضوئية (أو الخلايا الشمسية)

منحني الجهد والتيار- الخلايا الشمسية
منحني الجهد والتيار- الخلايا الشمسية

تقاس القدرة القصوى للخلية الشمسية (واط أقصىWp) عندما تسقط عليها أشعة شمسية مقدارها
1 كيلوواط على المتر المربع عند درجة حرارة 23 درجة مئوية .

 

أداء الخلية الشمسية

يعتمد أداء الخلية الشمسية على مدى واسع من إنتاج كلا من التيار الكهربائي I والجهد الكهربائي V.

 

حيث بزيادة مقاومة الحمل المراد تشغيله بالخلية الشمسية ترتفع قيمة الجهد الكهربائي من الصفر بالتزامن مع انخفاض قيمة التيار (تيار القصر Isc) لتصل إلى أعلى قيمة للجهد تعرف بجهد الدائرة المفتوحة Voc والتي يكون عندها قيمة التيار الكهربائي مساويا للصفر.

 

من خلال هذا المدى والذي يسمى بمنحنى التيار-الجهد يمكننا تحديد أعلى قيمة للقدرة الكهربائية للخلية والذي يجب أن يكون أعلى قيمة ناتجة من حاصل ضرب قيمة التيار في قيمة الجهد لكل نقطة من المنحنى الموضح بالشكل (23) (Pmp = Vmp × Imp

تلك النقطة تعتبر القدرة الكهربائية المثالية التي يمكن للحمل الحصول عليها من الخلية الشمسية كما هو واضح من المنحنى  بالشكل (3  2).

 

وتقاس القدرة القصوى للخلية معمليا في حالة الظروف القياسية (Standard Test Condition STC) (إشعاع شمسي 1000 وات على المتر المربع ودرجة حرارة 25 °C)

تعتبر المعيار الرئيسي لحساب متوسط الطاقة لخرج النظام الشمسي بعد الأخذ بالاعتبار خط العرض والمناخ. فخلية شمسية ذات كفاءة 20% بمساحة 1 سم مربع ستنتج طاقة كهربائية مقدرها 200 ملي وات في حالة الظروف القياسية (Standard Test Condition STC) (إشعاع شمسي 1000 وات على المتر المربع ودرجة حرارة 25 °C). وتحسب كفاءة الخلية رياضيا من خلال المعادلة التالية:

حيث (Area) يقصد بها مساحة الخلية

كفاءة الخلية الشمسية

.

الخلايا الشمسية
واصل أنت تعلم اليوم أكثر 22%