إضاءات
الخلايا الشمسية ..
البديل الهادئ والرخيص
الأعتماد على الطاقة الشمسية كمصدر للطاقة الكهربائية
هو الحل الأمثل للحصول على طاقة مجانية وغير ضارة للبيئة
ظّل المواطن العراقي لعقود
طويلة من الزمن يعاني الكثير من الصعوبات في حياته اليومية ..فكانت سلسلة
معاناته تزداد حلقاتها يوما بعد اخر في مشوار لايبدو فيه بصيص امل في نهاية
الطريق..!!
الكهرباء واحدة من تلك المعاناة التي عصفت بالعراقيين والتي مر ّعلى ظهورها
لحد ألان اكثر من 17 عاما دون ان يوضع حد لهذه المعاناة.
وكان المواطن يبحث عن مصادر بديلة لتوليد هذه الطاقة ..فكانت مولدات الديزل
والتي تفاوتت احجامها ووقودها والتي تعمل جاهدة بكل قوتها الحصانية لتلبية
هذه الحاجة على حساب البيئة و جيب المواطن..!!
يتميز العراق كسائر دول المنطقة بطول فترة فصل الصيف
او لنكن دقيقين اكثر يتميز العراق بخاصية وجود سماء صافية لما يقارب
الثماني اشهر فضلا عن طول ساعات النهار التي تصل لاكثر من اربع عشر
ساعة..ولهذه الميزة اهمية كبرى في موضوعنا اليوم ..اذ اننا نحاول كغيرنا من
العراقيين ان نجد بدائل ناجحة والتى ارى ان الخلايا الشمسية هي من انجح
الطرق لوضعنا الحالي..اذ انها اقتصادية ولا تحتاج إلى وقود وهي خالية من
اية أصوات مزعجة..ولغرض الاطلاع على كيفية عمل هذه الخلايا وكيفية الحصول
على الطاقة الكهربائية منها سوف اقوم بشرح فكرة عمل الخلايا الشمسية وكيف
تقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. كما سنعرف اخر المستجدات
والتطورات التي تسهل علينا استخدام الخلايا الشمسية كمصدر للطاقة وما هي
اهم العقبات التي تواجه العلماء الان.
الحل الامثل
إن الاعتماد على الطاقة الشمسية كمصدر للطاقة الكهربية هو الحل الامثل
للحصول على طاقة مجانية وغير ضارة للبئية. إن كمية الطاقة التي تصل إلى
الارض من الشمس في يوم مشرق تقدر بـ 1000 وات لكل متر مربع وبالتالي لو تم
تزويد اسطح منازلنا بمجموعة من الالواح الشمسية المتراصة يمكن ان نحصل على
طاقة كهربائية مجانية كافية لمتطلبات الحياة اليومية. حيث تعمل خلية
الفوتوفولتيك photovoltaic cells المستخدمة في تقنية الخلايا الشمسية
لتوليد الكهرباء من اشعة الشمس كما في الآلات الحاسبة وفي الأقمار الصناعية
عن طريق مجموعة من الخلايا الكهربائية موصلة مع بعضها البعض في إطار واحد
على شكل لوحة. وكلمة فوتوفولتيك هو اسم مشتق من طبيعة عمل الخلية فكلمة
فوتو photo تعني ضوء وكلمة فولتيك voltaic تعني كهرباء، وهذا يعني تحويل
ضوء الشمس إلى كهرباء. في البداية كانت خلايا الفوتوفولتيك تستخدم في
الأقمار الصناعية ومحطات الفضاء للحصول على الكهرباء من أشعة الشمس مباشرة
وألان بدأت تدخل في العديد من الأجهزة الالكترونية وفي السيارات وقريباً
سوف نستخدمها كمصدر للطاقة الكهربائية في منازلناً. وتصنع خلية
الفوتوفولتيك من المواد أشباه الموصلات semiconductors مثل السليكون وكل
خلية فوتوفولتيك مكونة من بلورة واحدة من السيلكون وتشكل مجموعة كبيرة من
خلايا الفوتوفولتيك الخلية الشمسية. وببساطة عندما تسقط أشعة الضوء على
الخلية فإن جزء من الضوء يتم امتصاصه من قبل ذرات السيليكون، أي إن طاقة
الضوء قد امتصت من قبل مادة الخلية. تعمل هذه الطاقة على إثارة الالكترونات
الغير مرتبطة في المادة وتجعلها تتحرك بحرية داخل المادة. وعندما تتعرض هذه
الالكترونات الحرة لمجال كهربائي فإنها سوف تتحرك كلها في اتجاه واحد وهذا
يعني تيار كهربائي، وعند ربط طرفي خلية الفوتوفولتيك بنقطتي توصيل على
السطح العلوي والسطح السفلي للخلية نحصل على تيار كهربائي طالما استمر سقوط
الضوء على خلية الفوتوفولتيك. وهذا التيار الكهربائي هو الذي يشغل الآلة
الحاسبة وبمعلومية قيمة التيار الكهربائي المار في الدائرة وفرق الجهد
الكهربائي المتولد على طرفي خلية الفوتوفولتيك يمكن أن نحصل على قيمة
الطاقة الكهربائية (الطاقة الكهربائية (وات) = التيار الكهربائي (أمبير) x
فرق الجهد الكهربائي (فولت)) التي يمكن أن تولدها الخلية الشمسية. هذا
الشرح المبسط في الحقيقة يخفي تفاصيل أكثر وأعمق ولكن كان بهدف إعلامك
عزيزي القارئ المبدأ الرئيسي لفكرة عمل الخلية الشمسية، وألان سوف نقوم
بتفصيل الموضوع اكثر من خلال تكبير خلية الفوتوفولتيك والتي هي كما ذكرنا
خلية من بلورة واحدة من السليكون.
تركيب الخلية الشمسية
تنتقل الالكترونات الى الفجوات وتتحد معها ولكن لا تستمر عملية الانتقال
هذه إلى ان تتحد كل الالكترونات مع كل الفجوات وتتوقف العملية لان ما يحدث
هو ان بعد ان تنتقل المجموعة الأولى من الالكترونات وتتحد مع الفجوات يشكل
حاجز عند المنطقة التي تصل النوع الموجب عن النوع السالب ويمنع هذا الحاجز
المزيد من الالكترونات الاخرى في النوع السالب الاتحاد مع فجوات في النوع
الموجب ويتكون عن المنطقة بين النوعين مجال كهربائي. هذا المجال الكهربائي
يعمل عمل الديود diode حيث يسمح بمرور الالكترونات من الجزء الموجب إلى
الجزء السالب ولكن ليس العكس. وبهذا يكون لدينا في كل خلية فوتوفولتيك مجال
كهربائي يحدد اتجاه حركة الالكترونات. عندما يسقط الضوء المكون من فوتونات
عند طاقة معينة على خلية الفوتوفولتيك فإنه يعمل على تحرير الكترون وفجوة
بالقرب من الحاجز حيث المجال الكهربائي فيتم تمرير هذا الالكترون في اتجاه
الجزء السالب تحت تأثير المجال في حين تنتقل الفجوة إلى الجزء الموجب تحت
تأثير المجال. وعندما يتم توصيل طرفي الخلية (النوع السالب طرف والنوع
الموجب طرف) بدائرة خارجية فإن هذه الالكترونات سوف تتحرك لتعود إلى موضعها
الاصلي وكذلك الفجوات وهذه الحركة هي التيار الكهربائي الذي نريده. يتم وضع
طبقة رقيقة جداً على سطح شريح السليكون لتمنع انعكاس الضوء وبعدها يتم وضع
شريحة زجاجية لحماية الخلية. وعمليا يتم دمج ما يقارب 36 خلية فوتوفولتيك
على التوالي والتوازي لنحصل على مستوى فرق الجهد والتيار الكهربائي المطلوب
وتوضع هذه الخلايا في اطار من الزجاج لحمايته مع وضع نقطتي توصيل موجبة على
السطح الامامي وسالبة على السطح الخلفي.
الطاقة الشمسية مصدر الكهرباء للمنازل
ما هي المتطلبات التي يجب ان تحصل عليها لتستطيع ان تستخدم الطاقة الشمسية
لتوليد الكهرباء لمنزلك؟ هذا ما سوف نتحدث عنه الان حيث انه ليس من الصعب
ان تقوم بذلك وليس من السهل ايضا فهناك بعض الملاحظات التي يجب مراعاتها.
في البداية، ليس كل سطح منزل له الاتجاه الصحيح والزاوية المطلوبة لافضل
استغلال لاشعة الشمس. كما ان هناك اختلافاً لافضل زاوية وافضل توجيه
للخلايا الشمسية بين فترتي الصباح والمساء وكذلك بين فصلي الصيف والشتاء
لتستطيع استغلال اكبر قدر من اشعة الشمس طوال العام. كما انه لايجب ان
يعترض سطح الخلايا الشمسية اي نوع من الظلال الناتجة عن المباني المجاورة
او الاشجار او خلافه.لنفترض انك قمت بتحديد افضل توجيه للخلايا الشمسية
يبقى لك ان تعرف مساحة الخلايا الشمسية المطلوبة، مع العلم بان الطاقة
الكهربائية التي سنحصل عليها سوف تعتمد بشكل اساسي على المناخ والذي لايمكن
باي حال من الاحوال التنبؤ به ولهذا فإن هناك تغيراً في مقدار الطاقة
الكهربائية حسب المناخ ولكن بامكاننا ان نستعين بالبيانات المتوفرة لدى
محطات الارصاد الجوية التي يكون لديها معلومات عن حالة الجو خلال العام بما
في ذلك حالة الغيوم والرطوبة. ومن هذه البيانات يتم اتخاذ اسوء الحالات
التي تؤثر على مقدار الطاقة الشمسية اللازمة لتوليد الطاقة الكهربائية.
وبحساب مقدار الطاقة الكهربائية اللازمة للمنزل من خلال تقدير استهلاك
الاجهزة الكهربائية التي تعمل عادة في نفس الوقت. يمكن ان نقوم بحساب عدد
خلايا الفوتوفولتيك اللازمة لتوفير الكهرباء للمنزل .
ما المكونات المطلوبة لتصنيع نظام تحويل الطاقة الشمسية .؟
ان المكونات ليست كثيرة رغم تكلفتها العالية واهمها الخلايا الشمسية"
الالواح الشمسية " الوحدات الاساسية في نظام التحويل وهي عبارة عن الواح
زجاجية حرارية مصنوعة خصيصا لهذا الغرض وقد ظهرت حديثا انواع جديدة من
الالواح الشمسية التي تعطي قدرة عالية على تحويل الطاقة الشمسية من اشعة
الشمس الى طاقة كهربائية في اقل مساحة ممكنة اذ ان مساحة الالواح الشمسية
المطلوبة لبيت مساحته على سبيل المثال 200 متر مربع هو 85 مترا مربعا وهو
ما يوازي 35% من مساحة سطح المنزل وهنا يجب ان اشير الى ضرورة ان تكون
الالواح الشمسية بزاوية ميل 35-40 من الشمال الى الجنوب وهي تختلف طبعا
باختلاف الموقع الجغرافي للمكان أو البلد اذ يجب أن تؤخذ بنظر الاعتبارخطوط
الطول والعرض الخاصة بالمكان ومنها يجب ان تأخذ تلك الزاويا وايضا بمراعاة
زاوية سقوط اشعة الشمس للالواح الزجاجية ومن المكونات ايضاً منظمات الشحن
وهي عبارة عن اجهزة تقوم بعملية تنظيم الطاقة الناتجة من الالواح الشمسية
وتنظيمها من حيث الزيادة والنقصان وكذلك البطاريات وهي من العناصر الاساسية
التي تقوم بتخزين الطاقة الناتجة عن تحويل الطاقة الشمسية الناتجة من
الالواح الشمسية الى طاقة كهربائية ويتم تخزينها في بطاريات الشحن التي
تقوم بدورها بتزويد الاجهزة الكهربائية بالتيار الكهربائي اللازم لعملها
بالاضافة الى المحولات فتقوم بدور تحويل التيار المستمر الذي ينتج من
الطاقة الشمسية الى تيار متردد تعمل جميع الاجهزة الكهربائية عليه اما موحد
الاتجاه فهو عبارة عن مجموعة من الاجهزة التي تقوم بتوحيد الاتجاه للتيار
الكهربائي ففي حالة امتلاء بطاريات الشحن قد ينعكس اتجاه التيار وهو ما قد
يؤثر في عمل الاجهزة الكهربائية او في حالة وصول اشعة الشمس الى بعض
الالواح وعدم وصولها للبعض الاخر تقوم هذه الاجهزة بدور توحيد الاتجاه.
تكلفة نظام الخلايا الشمسية لتوليد التيار
الكهربائي
تكلفة الخلايا الشمسية تكون حسب النوعية فمثلا شركة كيوسرا الأمريكية تبدأ
الأسعار من 20 دولار إلى 800 دولار حسب الحجم والقدرة اما المنظم فسعره ضمن
سعر الخلية كما يبلغ سعر المحول أو الكونفيرتر converter حوالي 200 دولار
وهو أيضا حسب القدرة أي يوجد قدرات أكبر وأعلى بالسعر كذلك البطاريات فهي
متنوعة الاسعار حسب الحجم فالكبير الجيد منها يصل سعره حوالي 120 دولار .
الشركات العالمية المصنعة للخلايا الشمسية
هناك شركات عالمية كثيرة عاملة في هذا المجال ومنها مثلاً شركة أتيار سولار
في أيطاليا ، وشركة سولار في ألمانيا ، وشركة هيليودينايكا في البرازيل ،
وشركة إستروبور في كندا ، وشركة كرونار في يوغسلافيا القديمة ، وهناك شركات
عديدة أخرى في الولايات المتحدة وفي اليابان ... ألخ .
بعض مشاكل استخدام الطاقة الشمسية
إن أهم مشكلة تواجه الباحثين في مجالات استخدام الطاقة الشمسية هي وجود
الغبار ومحاولة تنظيف أجهزة الطاقة الشمسية منه وقد برهنت البحوث الجارية
حول هذا الموضوع أن أكثر من 50 % من فعالية الطاقة الشمسية تفقد في حالة
عدم تنظيف الجهاز المستقبل لأشعة الشمس لمدة شهر. إن أفضل طريقة للتخلص من
الغبار هي استخدام طرق التنظيف المستمر أي على فترات لا تتجاوز ثلاثة أيام
لكل فترة وتختلف هذه الطرق من بلد الى آخر معتمدة على طبيعة الغبار وطبيعة
الطقس في ذلك البلد ، أما هذا فهو لا ينطبق على معظم مناطق عراقنا الحبيب.