الطاقة الشمسيّة هي الضوء المنبعث والحرارة الناتجة عن الشمس، وتم تسخير تلك الطاقة منذ زمن قديم ويتم تطوير التكنولوجيا باستمرار للاستفادة من تلك الطاقة بأفضل شكل على الرغم من عدم وصول الإشعاع الشمسي كلّه الصادر من الشمس إلي الأرض. تنتشر اليوم الألواح الشمسية التي تولد الكهرباء وتقلل من استخدام المصادر السامة. إليك اليوم ما تحتاجه إن تساءلت عن مكونات نظم الخلايا الشمسية.
بنية الخليّة الشمسيّة
الخليّة الشمسيّة هي عبارة عن نصف ناقل ذراته تحتوي على أربعة الكترونات في مدارها الخارجي هي إلكترونات التكافؤ، ومن أنصاف النواقل المستخدمة في الخلايا الشمسيّة:
- السليكون silicon (si).
- الجرمانيوم Germanium (Ge).
- غاليوم أرزنيد Gallium arsenide (GaAs).
تزويد بلورة السيلكون بطاقة كافية من حرارة أو ضوء ساقط قد يخرج الإلكترون من حزمة التكافؤ إلى حزمة النقل. وبالتالي يتحول إلى إلكترون يتحرك بشكل حر في شبكة البلورة، وخروج الإلكترون من مكانه الأصلي يحدث ما يُسمّى بالثقب، ويكون في حزمة التكافؤ.
إن الإلكترونات الحرّة والثقوب دوماً مرتبطة ارتباطاً مباشراً وتسمّى أزواج (إلكترون-ثقب) ولزيادة عدد الإلكترونات الحرّة في نصف الناقل وبالتالي زيادة التيار الناتج عن الأثر الفوتوني.
تتم إشابة السيليكون بمواد ذات ذرّات بخمسة إلكترونات في المدار الخارجي لها ويرمز حينها للشائبة (n) وتدعى هذه المواد بالمعطيّة. وفي حال تمت إشابة نصف الناقل بمواد ذات ثلاثة الكترونات تكافؤ. يتم ترميز الشائبة حينها (P)وتسمّى حينها بالآخذة.
إذا تم ربط المادتين n و p بشكل مباشر فسوف تتشكّل وصلة p-n ذات فجوة كبيرة كما في GaAs. أمّا إذا تم الاتصال بين n و p بشكل غير مباشر تتشكل لدينا وصلة p-i-n غير مباشر كما في si.
إذا كانت المادتان من نوع واحد كانت طاقة الفجوة واحدة وسميّت الوصلة المتجانسة، وفي حال اختلاف المادتان تكون الوصلة غير متجانسة نتيجة اختلاف طاقة الفجوة.
مكونّات الخليّة الشمسيّة
- الحماية: تكون عادة مصنوعة من الزجاج، ويمكن أن تكون من البلاستيك الشفّاف.
- ناقلة جبهيّة: يجب أن تكون شفافة ليصل الضوء إلى الخليّة.
- الامتصاص: تمتص الضوء وتحّوله لتيار كهربائي، وهي الطبقة الحاوية على السليكون الشائب.
- طبقة ناقلة خلفيّة، تكمل الدارة.
- فيلم رقيق: لتأمين العزل الحراري وتكون مقاومة للماء.
- زجاج خلفي أو ألمنيوم أو بلاستيك لحماية الجزء الخلفي من الخليّة.
- نواقل لنقل التيار.
النظم الكهروشمسية
للاستفادة بشكل أكبر من الخلايا الشمسيّة، يتم ربط العشرات من الخلايا الشمسيّة معاً في حزمة مغلقة مقاومة للماء تسّمى الوحدة Module. عندما ترتبط وحدتان تسلسليّاً يتضاعف جهداهما ويبقى تيارهما ثابتاً، وعندما ترتبطان على التفرّع فإن تيارهما يتضاعف وجهدهما يبقى ثابتاً. ويتم ربط الوحدات معاً لتشكيل ما يُسمّى نسق Array.
أجزاء نظم الخلايا الشمسيّة
إليك أهم مكونات نظم الخلايا الشمسية:
- الوحدة الشمسيّة module: هي مجموعة من الخلايا الشمسيّة تجمع وتوصل معاً على التوالي للحصول على وخدة خلايا شمسيّة.
- التجمّع (اللوح): هي مجموعة من الوحدات التي تجمع وتوصل معاً.
- النسق array: وهي الشكل النهائي المتكون لاستقبال أشعة الشمس وهي مجموعة من التجمعات للحصول على الطاقة الكهربيّة.
- البطاريات Battery: وهي وحدات التخزين للطاقة الكهربيّة وذلك للاستفادة من الطاقة أثناء الليل وأثناء الإشعاع الشمسي الضعيف. فيمكن تخزين طاقة تكفي للاستهلاك من 2-5 يوم حسب قدرة استيعاب كل بطاريّة للتخزين. ومن الضروري إدخال دارة تحكم بالشحن في النظام فهي المسؤولة عن الشحن طول فترة الإشعاع الشمسي، وأثناء فترات الاستهلاك الضعيف.
- القالبة Inverter: تقوم بتحويل التيار المستمرDC إلى تيار متردد AC يمكن استخدامه. حيث معظم الأجهزة تعتمد في تشغيلها على التيار المتردد.
أنواع نظم الخلايا الشمسيّة
- النظام المعزول (Off-grid system): يستخدم في الجزر الصغيرة أو المناطق النائيّة حيث من غير الممكن ربط الشبكة من أجل تجنّب هدر الطاقة وحيث تكون تكاليف نقل الوقود كبيرة.
- النظام الهجين المعزول off grid hybrid system
هنا يتم استخدام العديد من مصادر الطاقة المتجددة، ففي الجزء الجنوبي من الكرة الأرضيّة توجد أدلة على علاقة بين الرياح وضوء الشمس. فيتم استخدام الطاقة الريحيّة عند وجود قليل لأشعة الشمس والعكس صحيح.
- النظام المتصل مع الشبكة Grid-connected
يتم ذلك وفق معيارين:
المعيار الصغير: حيث ترتبط الخلية الشمسية مع قالبة لتحويل التيار المستمر للخلية الشمسية إلى تيار متناوب للاستفادة منه في بعض التطبيقات المختلفة. والسبب الآخر هو قلب التوتر من النوع الموجود في الخلية الشمسية إلى النوع المراد الحصول عليه وهنا ثنائي الطور في هذا المعيار. وخرج القالبة يتصل مع الشبكة عن طريق مقياس، وهذا شائع الاستخدام في المنازل.
المعيار الكبير: يتم ربط العديد من النماذج عبر علبة وصل تؤمن حماية من الموجات، وفي هذا النوع يستخدم مفتاح تيار مستمر DC من أجل عمليات الصيانة العامة والإصلاح، حيث يتم وضعه بالقرب من القالبة. و ويجب أن يؤمن حماية من تيارات الدارة القصيرة وتوترات الدارة المفتوحة.
القالبة المستخدمة في هذا النوع من الربط تنتج تيار متناوب ثلاثي الطور يستخدم في التطبيقات المصنوعة> ويتم استخدام محولة اختيارية لزيادة الجهد إلى الجهد المطلوب في الشبكة.
