كيفية تحويل الطاقة الشمسية الى طاقة كهربائية

تحويل الطاقة الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسية تقنية جديدة ومتطورة

تحويل الطاقة الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسية تقنية جديدة ومتطورة

http://2.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...D8%A9+copy.jpg
إن أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبر التحويلالحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسيةتقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة إستراتيجية باعتبارها مصدراً للطاقة فى المستقبل و سيكون له الأثر الأكبر في المحافظة على مصادر الطاقة التقليدية بالاضافة الى أنه مصدر مجاني ونظيف للطاقةولا ينتج منه أى مخلفات أو أخطار ولا ينضب

تعريف الخلايا الشمسية :

http://2.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...D8%A9+copy.jpg
إن الخلايا الشمسية هي عبارة عن محولات فولتضوئية تقوم بتحويل ضوء الشمسالمباشر إلي كهرباء ، وهي شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلافأمامي وخلفي موصل للكهرباء

http://4.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...ht-diagram.gif

هي أحد أشهر تطبيقات استخدام الطاقة الشمسية، ويرجع تاريخها إلى عام 1839م عندما اكتشف الفرنسي "إدموند بكوريل" أن الضوء الواقع على قطب كهربي مُنْغَمِس في محلول مُوَصِّل قد ينتج تيارًا كهربيًّا، وفي عام 1941م اخترع الأمريكي "روسل أوهل" الخلية الشمسية المصنوعة من السليكون.
تصنع الخلايا الكهروضوئية عادة من السليكون المعالج كيميائيًّا( السليكون هو نفس مادة الرمل الموجودة على الشواطئ والصحاري في جميع أنحاء العالم)، وهي تعمل على تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية، فعندما يقع الضوء الشمسي على الخلية الكهروضوئية يتحرر منها الكترون، وتُجْمَع الالكترونات المحررة في أسلاك موصلة بالخلية فتنتج تيارًا كهربيًّاً .

وتوضيحاً لما سبق فالخلايا الشمسية تتكون من شريحة رقيقة من السليكون النقي، الذي يحتوي على آثار من عنصر الزرنيخ، ويطلق على هذه الشريحة، السيليكون السالب Negative Sillicon لأنها تحتوي على إلكترونات طليقة، فالمدار الخارجي لذرة الزرنيخ يحتوي على خمسة ألكترونات في المدار الخارجي.

http://4.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...9%8A%D8%A9.gif
ويحيط بهذه الشريحة إطار من السليكون المحتوي على آثار من عنصر البورون، ويطلق على هذا الإطار، السليكون الموجب Positive Sillicon بإعتبار أن المدار الخارجي لذرة البورون يحتوي على ثلاثة إلكترونات وعندما تسقط أشعة الشمس –على هيئة طاقة ضوئية- فإن بعض الإلكترونات تكتسب طاقة زائدة فتبدأ في التحرك، الأمر الذي سوف يخل بحالة الإتزان القائمة بين شريحتي السيليكون، حيث يحدث فرق في الجهد بين هاتين الشريحتين مما يؤدي إلى حدوث تيار كهربائي عبر هذه الدائرة المكونة من شريحتي السيليكون.

http://1.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...320/s_cell.gif

لــقد تم تطوير تقنيات كثيرة لإنـتــاج الخلايـا الشمسيـــة عبرعــــمــليات متسلسلة من المعالجات الكيميائية والفيزيائيةوالكهربــائيـــة ،كمـــا تـم تطوير مــــواد مختلفـــة من أشبــاه الموصلات لتصنيعالخلايـــا الشمسية على هيئة عناصر كعنصر السيليكون أو على هيئة مركباتكمركب الجاليوم زرنيخ وكربيد الكادميوم وفوسفيد الأنديوم وكبريتيد النحاسوغيرها من المواد الواعدة لصناعة الفولتضوئيات .

ميكانيكية تيار الخلايا الشمسية:

http://1.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...D8%A9+copy.jpg
الخلية الشمسية للتطبيقات الأرضية هي رقاقة رفيعة من السيليكون مضاف اليها كمية صغيرة من الشوائب لإعطاء جانب واحد شحنة موجبة والجانب الآخر شحنةسالبة مكونة ثنائياً ذا مساحة كبيرة .

تولد الخلايا الشمسية قدرة كهربائية عندما تتعرض لضوء الشمس حيث الضوئيات ( الفوتونات ) والتي يحمل كل منها كماً محدداً للطاقة يكسب الإلكتروناتالحرة طاقة تجعلها تهتز حرارياً وتكسر الرابط الذري بالشبكة بالمادة الشبهموصلة ويتم تحرير الشحنات وإنتاج أزواج من الإلكترون في الفراغ . تنطلقبعد ذلك حاملات الشحنة هذه متجهة نحو وصلة الثنائي متنقلة بين نطاقيالتوصيل والتكافؤ عبر الفجوة الطاقوية وتتجمع عند السطح الأمامي والخلفيللخلية منتجة سريان تيار كهربي مستمر عند توصيل الخلية بمحمل كهربي وتبلغالقدرة الكهربية المنتجة للخلية الشمسية عادة واحد وات.

أنواع الخلايا الشمسية التجارية :

تم تصنيع خلايا شمسية من مواد مختلفة إلا أن أغلب هذه المواد نادرة الوجودبالطبيعة أو لها خواص سامة ملوثة للبيئة أو معقدة التصنيع وباهظة التكاليفوبعضها لا يزال تحت الدراسة والبحث وعليه فقد تم تركيز الاهتمام على تصنيعالخلايا الشمسية السيليكونية وذلك لتوفير عنصر السيليكون في الطبيعة بالاضافة الى أن العلماء والباحثين تمكنوا من دراسة هذا العنصر دراسة مستفيضةوتعرفوا على خواصه المختلفة وملاءمته لصناعة الخلايا الشمسية المتبلرةومتصدعة التبلر .
1- الخلايا الشمسية السيليكونية المتبلرة :
تصنع هذه الخلايا من السيليكون عبر إنماء قضبان من السيليكون أحادي أوعديد التبلر ثم يؤرب إلي رقائق و تعالج كيميائياً وفيزيائياً عبر مراحلمختلفة لتصل إلي خلايا شمسية .

كفاءة هذه الخلايا عالية تتراوح بين 9 – 17 % والخلايا السيليكونية أحاديةالتبلر غالية الثمن بسبب صعوبة التقنية واستهلاك الطاقة بينما الخلاياالسيليكونية عديدة التبلر تعتبر أقل تكلفة من أحادية التبلر وأقل كفاءةأيضاً .
2- الخلايا الشمسية السيليكونية الأمورفية متصدعة التبلر :
مادة هذه الخلايا ذات شكل سيليكوني حيث التكوين البلوري متصدع لوجود عنصرالهيدروجين أو عناصر أخرى أدخلت قصداً لتكسبها خواص كهربية مميزة وخلاياالسيليكون الأمورفي زهيدة التكلفة عن خلايا السيليكون البلوري حيث ترسبطبقة شريطية رقيقة باستعمال كميات صغيرة من المواد الخام المستخدمة فيعمليات قليلة مقارنة بعمليات التصنيع البلوري . ويعتبر تصنيع خلاياالسيليكون الامورفي أكثر تطويعاً وملاءمة للتصنيع المستمر ذاتي الآلية .

تتراوح كفاءة خلايا هذه المادة ما بين 4 – 9 % بالنسبة للمساحة السطحيةالكبيرة وتزيد عن ذلك بقليل بالنسبة للمساحة السطحية الصغيرة وإن كانيتأثر استقرارها بالإشعاع الشمسي .

تطبيقات الخلايا الشمسية:

http://3.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...k_big+copy.jpg

تركز الاهتمام على إدخال الفولتضوئيات كمصدر للطاقة المتجددة في التطبيقاتالأرضية بقصد تطوير التقنية ووسائل الاستخدام في قطاع السكن والصحةوالتعليم والصناعة والزراعة والنفط وغيرها من الاستخدامات
http://2.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...+lamp+copy.jpg

الفولتضوئيات الجذابة اقتصادياً وخصوصا في المناطق المعزولة والنائية حيث تنقصشبكات الكهرباء العامة و بذلك تساعد في الإنماء الاقتصادي والتطويرالاجتماعي المحلي.

http://3.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...mages+copy.jpg

والمسطحات الفولتضوئية هي مصدر القدرة الكهربية لهذه التطبيقات ، حيثيتكون المسطح من عدة خلايا (متصلة معاً بصفائح سلكية معدنية ) مغطاة بملفمن البلاستيك الحراري مثل أسيتات فينيل إيثيل أو غيره وآخر من التدلارلحمايتها من الأشعة فوق البنفسجية ومغلقة بصفيحة زجاجية من الأمام وطبقةواقية تعمل كقاعدة إنشائية من الزجاج أو من الألياف الزجاجية أو الخزفالصيني عند الخلف مركب عليها صندوق وصلة كهربائية ومحاط بإطار معدني .

وهذه المسطحات الفولتضوئية تعتبر مصدر للطاقة الكهربائية و ليس لها أجزاءمتحركة وذات عمر طويل يتراوح من 15 إلي 35 سنة و أمان للبيئة ، كما تضفيعلى المباني شكلاً معمارياً جميلاً

ويمكن تصنيف وتحديد التطبيقات الأرضية وفق القدرة الكهربائية علي النحو التالي :-

* تطبيقات ذات قدرة منخفضة :

http://1.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...0x318+copy.jpg

- الحاسبات والألعاب الإلكترونية والساعات .
- أجهزة الإذاعة المسموعة وشاحنات وسائط القدرة المنخفضة

* تطبيقات ذات قدرة متوسطة :

http://1.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...D8%B1+copy.jpg
http://1.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D..._ri5y+copy.jpg

http://3.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...hting+copy.jpg
الإنارة – أجهزة الإذاعة المرئية – ثلاجات اللقاح والأمصال – إشاراتالمرور والإنذار – مراوح الأسقف ( التهوية ) – هواتف الطوارئ – شاحناتالسياج الكهربي .
حيث يشحن السياج المحاط بالمزارع وأماكن تربية الحيوانات لمنعها من الاقتراب منها

تطبيقات ذات قدرة متوسطة وعالية :

http://1.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...solar+copy.jpg
ضخ المياه – محطات اتصالات الموجات السنتيمترية – محطات الأقمارالصنـــــاعية الأرضية – الوقاية المهبطية لحماية أنابيب النفط والغازوالمنشآت المعدنية من التآكل – تغذية شبكة الكهرباء العامة .

http://1.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...D8%A9+copy.jpg
كلفة كهرباء الخلايا الشمسية :

http://3.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...lar_2+copy.jpg
تتراوح تكلفة الوات ذروة في الأسواق العالمية ما بين 8 إلي 10 دولاراتبـــالنسبة للــدول المستوردة بينما تصل تكلفة الوات ذروة بالنسبةللتطبيقات ذات القدرة المتوسطة والقدرة المتوسطة و العالية إلي 30 دولار وتزيد هذه التكلفة وفق التصميم و أجهزة التحكم والتخزين الساكن والإلكترونـات المساعدة إلا أن تكلفة الـوات ذروة بالنسبة للقدرة العاليــة(المحطات الكهـروشمسية ذات سعة الميجاوات) تقل قليلاً عن 20 دولار .

إن الاقتصاديات الحالية لتطبيقات ومنظومات الخلايا الشمسية بعضها فعالالتكلفة وبعضها الآخر غير ذلك وهي صورة ديناميكية تماماً حيث الأسعار وانخفضت خلال العقد الماضي.

الشركات العالمية المصنعة للخلايا الشمسية :
الشركات العالمية العاملة في هذا المجال كثيرة من بينها شركة سولارالألمانية – الفواتوات الفرنسية – اتيار سولار في إيطاليا – كرونار فييوغسلافيا – استروبور في كندا – وهيليودينايكا في البرازيل .
وشركات عديدة في الولايات المتحدة واليابان وهناك شركات متعددة الجنسيات أيضاً .

الاستثمارات العالمية في مجال الطاقة الشمسية :

http://2.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...E/s320/k6.jpeg
أكبر حائط شمسى فى العالم
تستثمر الدول المصنعة أموالاً طائلة في مجال الخلايا الشمسية وذلك علىمستوى البحث والتطوير والتطبيق بغية الوصول إلي تخفيض أسعارها وزيادةكفاءتها وتسهيل طرق إنتاجها وجعلها واعدة للإنتاج والتطبيق الموسع .

http://3.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...cells+copy.jpg
كما تسعى هذه الدول الصناعية جادة من خلال مراكز البحث والتطوير إلي تخفيضتكلفة الوات ذروة إلي 0.5 أو 1 دولار مع سنة 2000 ولا غرابة في ذلك فقدكانت تكلفة الوات ذروة 300 – 350 دولار في الخمسينــات حين كـان هذاالمجـال مقصوراً على أبحاث الفضاء .

وعليه فإن الأرقام المشار إليها في ميزانية الإنفاق ومبالغ الاستثماراتإنما تدل على ما توليه الدول المتقدمة من اهتمام بالغ لامتلاكالفولتضوئيات لها خاصة وأن المصادر التقليدية آخذة في النضوب بالإضافة إليضمان استحواذها على الأسواق العالمية لمنتجات الفولتضوئيات .

استثمارات الطاقة الشمسية في الوطن العربي :

http://3.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...9%8A%D8%A9.jpg
يدرك العاملون في مجال الطاقة أن الأراضي العربية هي من أغنى مناطق العالمبالطاقة الشمسية ويتبين ذلك بالمقارنة مع بعض دول العالم الأخرى ولو أخذنامتوسط ما يصل الأرض العربية من طاقة شمسية وهو 5 كيلو وات – ساعة / مترمربع / اليوم و افترضنا أن الخلايا الشمسية بمعامل تحويل 5 % وقمنا بوضعهذه الخلايا الشمسية على مساحة 16000 كيلو متر مربع في صحراء العراقالغربية ( وهذه المساحة تعادل تقريباً مساحة الكويت ) و أصبح بإمكانناتوليد طاقة كهربائية تساوي 10 4 × 400 ميجا وات – ساعة في اليوم ، أي مايزيد عن خمسة أضعاف ما نحتاجه فى اليوم في حالة فترة الاستهلاك القصوى .
ومن البديهي أيضاً أن طاقتنا النفطية ستنضب بعد مائة عام على الأكثر وهوأحسن المصادر للطاقة وذلك لعدم وجود كميات كبيرة من مادة اليورانيوم فيبلداننا العربية بالإضافة إلي تكلفة أجهزة الطاقة وتقدمها التكنولوجى خلالالسنوات الخمسين الماضية و إمكانية عدم اللحاق بها وهو ما جعلنا مقصرين فياستثمارها و نأمل أن لا تفوتنا الفرصة في خلق تكنولوجيا عربية لاستغلالالطاقة الشمسية وهي لا زالت في بداية تطورها .
إن لاستعمال بدائل الطاقة فائدتين أولهما جعل فترة استعمال الطاقةالنفطية طويلة وثانيهما تطوير مصدر آخر للطاقة بجانب مصدر النفط الحالي .
ومن التجـارب المحدودة لاستخدامات الطاقة الشمسية في البلاد العربية ما يلي :

1- تسخين المياه والتدفئة وتسخين برك السباحة بواسطة الطاقة الشمسية أصبحتطريقة اقتصادية في البلدان العربية وخاصة في حالة تصنيع السخانات الشمسيةمحلياً.

http://4.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...D8%A9+copy.jpg

2- تعتبر الطاقة الشمسية أحسن وسيلة للتبريد حيث أنه كلما زاد الإشعاعالشمسي كلما حصلنا على التبريد وكلما كانت أجهزة التبريد الشمسي أكثركفاءة ، ولكن تكلفة التبريد الشمسي تكون أعلى من السعر الحالي للتبريدبثلاثة إلي خمس أضعاف تكلفته الاعتيادية ويعود السبب لارتفاع التكلفةلمواد التبريد الشمسي ومعدات تجميع الحرارة وتوليد الكهرباء .كما أننا نستخدمها فى التدفئة

http://4.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D..._Full+copy.jpg

http://2.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...9%8A%D8%A9.gif
ولو استعرضنا البحث والتطبيقات الحالية للطاقة الشمسية في الوطن العربيلتبين لنا أن استخدام السخانات الشمسية أصبح شيئاً مألوفاً في بعض البلدانالعربية بينما بقيت صناعة الخلايا بصورة تجارية متأخرة في جميع البلدانالعربية بسبب تكلفة إنشاء المصنع الأولية و إتباع سياسة التأمل القائلةيجب الانتظار ريثما تنخفض الكلفة .
http://1.bp.blogspot.com/_bBexTnBU0D...ircuit_001.gif

إن معظم التجارب الميدانية والمختبرية لاستغلال الطاقة الشمسية في الوطنالعربي لا تزال في مراحلها الأولى ويجب تنشيطها و الإكثار منها و لواستعرضنا ما تقوم به دول العالم في هذا المجال و بخاصة الدول المتقدمةصناعياً والتي لا تملك خمس ما تملكه الدول العربية من الطاقة الشمسيةلوجدنا أن بريطانيا وحدها تنفق على مشاريع الطاقة الشمسية ما يعادل جميعما تنفقه الدول العربية مجتمعة وينطبق هذا على عدد العاملين في مجالاتالطاقة المتجددة حيث يعمل في فرنسا ضعف اللذين يعملون في جميع الدولالعربية في هذه المجالات .

اقتصاديات الطاقة الشمسية :
تعتبر تكلفة المواد الأولية لأجهزة استخدام الطاقة الشمسية أهم عائق يحولدون استخدامها بالإضافة إلي المساحة الكبيرة المطلوبة لوضع هذه الأجهزةالمجمعة لأشعة الشمس غير المركزة و بالرغم من كل هذه العوامل فهناك بعضالاستخدامات للطاقة الشمسية تعتبر اقتصادية في الوقت الحاضر ، منها تسخينالمياه والاستعمالات الأخرى في المناطق النائية مثل توليد الكهرباء وضخالمياه وتحلية المياه والإشارات الضوئية والبث اللاسلكي والحمايةالكاثودية وغيرها .
ومن الضروري قبل احتساب تكلفة واقتصاديات الطاقة الشمسية أن نعلم نوعالتطبيق الشمسي بالإضافة إلي مواصفات المكان أي هل منطقة نائية أو قربمدينة أو في داخل المدينة ؟ ويجب معرفة فترة التشغيل اليومية وهل هناكحاجة إلي تخزين الطاقة أم لا ؟ وهل هناك حاجة إلي الصيانة ومدى تكرارها ؟ .
ومن المعلوم بأن معظم البلدان العربية تدعم أسعار الكهرباء المولدةبالمشتقات النفطية لمواطنيها ولا بد من أخذ هذا الدعم في الاعتبار عندمقارنة تكلفة توليد الكهرباء باستخدامالطاقة الشمسية .

و إذا أخذت جميع هذه العوامل في الحسبان و اتبعت الطرق الصحيحة لاستغلال واستخدام هذا النوع من الطاقة بشكل اقتصادي ومحاولة تطويرها إلي الشكلالأفضل قد يؤدي إلي انخفاض تكلفة الوات الواحد المنتج منها .

بعض مشاكل استخدام الطاقة الشمسية :

إن أهم مشكلة تواجه الباحثين في مجالات استخدام الطاقة الشمسية هي وجودالغبار ومحاولة تنظيف أجهزة الطاقة الشمسية منه وقد برهنت البحوث الجاريةحول هذا الموضوع أن أكثر من 50 % من فعالية الطاقة الشمسية تفقد في حالةعدم تنظيف الجهاز المستقبل لأشعة الشمس لمدة شهر .

إن أفضل طريقة للتخلص من الغبار هي استخدام طرق التنظيف المستمر أي علىفترات لا تتجاوز ثلاثة أيام لكل فترة وتختلف هذه الطرق من بلد إلي آخرمعتمدة على طبيعة الغبار وطبيعة الطقس في ذلك البلد .

أما المشكلة الثانية فهي تخزين الطاقة الشمسية والاستفادة منها أثناء الليلأو الأيام الغائمة أو الأيام المغبرة ويعتمد تخزين الطاقة الشمسية على طبيعةوكمية الطاقة الشمسية ، و نوع الاستخدام وفترة الاستخدام بالإضافة إليالتكلفة الإجمالية لطريقة التخزين ويفضل عدم استعمال أجهزة للتخزين لتقليلالتكلفة والاستفادة بدلاً من ذلك من الطاقة الشمسية مباشرة حين وجودها فقطويعتبر موضوع تخزين الطاقة الشمسية من المواضيع التي تحتاج إلي بحث علميأكثر واكتشافات جديدة .

ويعتبر تخزين الحرارة بواسطة الماء والصخور أفضل الطرق الموجودة في الوقتالحاضر . أما بالنسبة لتخزين الطاقة الكهربائية فما زالت الطريقة الشائعةهي استخدام البطاريات السائلة ( بطاريات الحامض والرصاص ) وتوجد حالياًأكثر من عشر طرق لتخزين الطاقة الشمسية كصهر المعادن والتحويل الطوريللمادة وطرق المزج الثنائي و غيرها .

والمشكـلة الثـالثة في استخدامات الطاقة الشمسية هي حدوث التـآكل فيالمجمعـات الشمسيــة بسبب الأمـلاح الموجودة في الميــاه المستخدمــة فيدورات التسخــين وتعتبر الــدورات المغلقـة واستخـــدام مــاء خـال منالأملاح فيها أحسن الحلول للحد من مشكلة التآكل والصدأ في المجمعاتالشمسية