اضاءة المنزل بواسطة اشعة الشمس يتضح لنا من الجزء الأول الفكرة الأساسية من انتاج الطاقة الكهربية باستخدام خلايا الفوتوفولتيك والتي تشكل ما يعرف بالخلايا الشمسية وان هذه الخلايا تصنع من مواد اشباه الموصلات مثل السيليكون.

في هذه الجزء سوف نقوم بشرح الصعوبات والتحديات لاستخدام الخلايا الشمسية لتزود منازلنا بالكهرباء من اشعة الشمس.  ولكن قبل ذلك سوف نوضح كم مقدار الطاقة الشمسية التي تمتصها خلية الفوتوفولتيك؟  حيث انها لا تمتص اكثر من 25% من اشعة الشمس.  والسؤال المهم لماذا كمية امتصاص الطاقة صغيراً إلى هذا الحد؟

اسباب فقد الطاقة في الخلايا الشمسية

(1) نوع المادة المستخدمة وطاقة الفوتونات الضوئية الضوء المرئي هو جزء من الطيف الكهرومغناطيسي.  وكما نعلم ان الطيف الكهرومغناطيسي مكون من العديد من الامواج الكهرومغناطيسية المختلفة في الأطوال الموجية.  والضوء المرئي ايضا مكون من اطوال موجية مختلفة وهي التي تعرف بالوان الطيف (الاحمر والبرتقالي والاصفر والاخضر والازرق والنيلي. ويمكن فصل الوان الطيف هذه حسب اطوالها الموجية باستخدام المنشور.

يمثل كل لون من الوان الطيف طول موجي محدد ولكل طول موجي طاقة محددة يحملها الفوتون، وهذا الفوتون عندما يسقط على خلية الفوتوفولتيك المكونة من p-type و n-type كما هو موضح في الجزء الأول من هذا الموضوع فإن بعض هذه الفوتونات لا تمتلك الطاقة الكافية لتحرير الكترون وفجوة في الخلية، حيث تنفذ هذه الفوتونات عبر الخلية ولا يتم امتصاصها.  وعدد بسيط من فوتونات الضوء تمتلك الطاقة الكافية والتي تصل طاقتها 1 الكترون فولت (1eV) وهي الطاقة اللازمة لتحرير الكترونات من ذرات مادة السليكون.

ولتوضيح ذلك اكثر دعنا نتحدث الان عن المادة فالمادة مكونة من ذرات وهذه الذرات موزعة على مستويات طاقة مختلفة وعد تزويد الالكترون بطاقة خارجية فإنه ينتقل من مستوى طاقة الى مستوى طاقة اعلى والمسافة بين المستويين تسمى فجوة الطاقة band gap energy وهي مميزة لكل مادة وهي التي تحدد اذا ما كانت المادة موصلة او عازلة او شبه موصلة للتيار الكهربائي، وفي مادة السيليكون تقدر قيمة فجوة الطاقة بـ 1eV، لذلك لو كانت الطاقة الخارجية التي نزود بها الإلكترون اقل من هذه القيمة فإن الالكترون لن يستفيد منها ولن يمتصها لكي ينتقل إلى مستوى طاقة اعلى، اما اذا كانت قيمة الطاقة الخارجية الساقطة على الالكترون اكبر من 1eV فإنها سوف تنقل الالكترون من مستوى طاقة الى مستوى طاقة اعلى وهذا ما نريده في الخلية الشمسية حيث ان الطاقة الخارجية هي الضوء.

نعود الأن إلى الطاقة الشميسة التي تسقط على خلية الفوتوفولتيك وبمعلومية ان هذه الطاقة يحملها عدد من الفوتونات بطاقات مختلفة، والفوتونات ذات الطاقة العالية فقط هي التي تستخدم لتوليد تيار كهربي بينما باقي الفوتونات تنفذ دون ان تستفيد منها الخلية.

والسؤال الذي يتبادر إلى اذهاننا الان لماذا لا نستخدم مادة أخرى تكون فيها فجوة الطاقة اقل حتى نشرك اكبر قدر من فوتونات الضوء في توليد التيار الكهربي؟

وهذا تفكير سليم ومنطقي ولكن لم نفكر في الامور الأخرى التي ترتبط بفجوة الطاقة، حيث ان فرق الجهد  الكهربي بين طرفي خلية الفوتوفولتيك يعتمد على مقدار فجوة الطاقة فكلما قلت فجوة الطاقة كلما زاد عدد الالكترونات المتحررة وهذا يؤدي إلى زيادة التيار الكهربي ولكن في نفس الوقت يقل فرق الجهد. وتذكر ان القدرة الكهربية للخلية يساوي التيار الكهربي مضروباً في فرق الجهد الكهربي.  لذا فإن افضل فجوة طاقة لنوازن بين فرق الجهد الكهربي وقيمة التيار الناتج هي في حدود 1.4eV، وهي قريبة من فجوة الطاقة لذرات السليكون.

(2) المقاومة الكهربية لمادة السليكون

من العوامل التي تساهم في زيادة الفقد في الطاقة ايضا هو مرور التيار الكهربي الناتج من الخلية الشمسية في دائرة خارجية مما يتطلب ان نقوم بتغطية الطبقة السفلى من الخلية بمادة موصلة للتيار الكهربي، في حين السطح الخرجي الذي يتعرض للضوء لو تم تغطيته ايضا فلن يصل الضوء للخلية وبالتالي لن تعمل، ولهذا يتم في بعض الاحيان وضع طبقة رقيقة جداً من مادة موصلة على اجزاء من السطح الخارجي للخلية. وفي بعض الاحيان يتم وضع وصلات على اطراف الخلية وهذا يجعل الالكترونات تتحرك مسافة كبيرة في خلية الفوتوفولتيك قبل ان تصل لاطراف التوصيل وهذا يزيد قيمة المقاومة (تذكر ان الاكترونات تتحرك في مادة السليكون وهي مادة غير جيدة التوصيل للتيار الكهربي) مما يعمل على زيادة قيمة الفقد في الطاقة.

وبهذا تكون فكرة عمل الخلايا الشميسة مع الصعوبات التي تجعل كفاءتها قليلة، والان سوف نقوم بتوضيح فكرة استغلال الخلايا الشمسية في تزويد المنازل بالطاقة.

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 الي يجب مراعاتها.

في البداية، ليس كل سطح منزل لها الاتجاه الصحيح والزاوية المطلوبة لافضل استغلال لاشعة الشمس.  كما ان هناك اختلاف لافضل زاوية وافضل توجيه للخلايا الشمسية بين فترتي الصباح والمساء وكذلك بيين 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.

شكل يوضح افضل زاوية لالواح الخلايا الشمسية في الصيف والشتاء

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 تغير 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 الغبوم والرطوبة.  ومن هذه البيانات يتم اتخاذ اسوء الحالات التي تؤثر على مقدار الطاقة الشمسية اللازمة لتوليد الطاقة الكهربية.  وبحساب مقدار الطاقة الكهربية اللازمة للمنزل من خلال تقدير استهلاك الاجهزة الكهربية التي تعمل عادة في نفس الوقت. يمكن ان نقوم بحساب عدد خلايا الفوتوفولتيك اللازمة لتوفير الكهرباء للمنزل.

من الطبيعيى ان يتبادر إلى ذهنك عزيزي القارئ سؤال هام وهو ماذا يحدث عندما تكون السماء ملبدة بالغيوم واشعة الشمس محجوبة ولا تصل للخلايا الشمسية أو حتى خلال فترة الليل؟

حل المشكلة بالتأكيد، لا أحد يقبل أن تتوفر الكهرباء فقط أثناء اليوم، وفي الايام المشرقة فقط، لذا اتجه التفكير إلى تخزين الطاقة الكهربية في بطاريات. ولكن من الطبيعي اننا سوف نحتاج إلى عدد كبير من البطاريات والتي سوف تضيف اعباء مالية للحصول عليها بالاضافة إلى صيانتها مع صيانة الخلايا الشمسية.

ولذلك قامت شركات الكهرباء في بعض الدول المتقدمة بتقديم حل لهذه المشكلة يكمن في ان تقوم بتوصيل شبكة الكهرباء في المنزل مع شبكة الكهرباء المزودة للكهرباء بالطرق التقليدية، فعندما تكون الشمس مشرقة تشغل منزلك على الطاقة الشمسية وتشحن البطاريات الاحتياطية وكذلك تغذي شركة الكهرباء بالفائض الذي يزيد عن حاجتك اي بمعنى انك تبيع كهرباء للشركة، وفي الليل او في اجواء الطقس الغير مناسبة تحصل على الكهرباء من الشركة وفي نهاية الشهر يتم عمل تسوية لمقدار الطاقة التي زودت بها الشركة مع مقدار الطاقة التي استخدمتها.

مكونات نظام تزويد المنازل بالطاقة الكهربية من خلال الخلايا الشمسة: Solar Modules الخلايا الشمسية التي تغطي سطح المنزل، Utilty Grid شبكة الكهرباء التي تزود المنطقة بالكهرباء، Inverter لتحويل الطاقة الكهربية من تيار مستمر إلى تيار متردد مناسب لتشغيل الأجهزة، وElectric Panel اللوحة الالكترونية لتي تنظم وتتحكم بالكهرباء.

ملاحظة: يبلغ العمر الافتراضي للخلايا الشمسية حوال 20 سنة وهذا امر مشجع ولكن البطاريات المستخدمة لتخزين الطاقة بالاضافة إلى حاجتها للصيانة الدورية الا انها بحاجة إلى ان تستبدل كل عام هذا بالاضافة الى ضرورة الاحتفاظ بالبطاريات في مكان خاص ومحاطة بجدار غير معدني وجيد التهوية.

البطاريات المستخدمة مع الخلايا الشمسية تختلف عن بطارية السيارة لان بطارية السيارة تفقد التيار بكمية كبيرة خلال وقت قصير لتوفير الطاقة اللازمة لتشغيل السيارة ولكن بطارية الخلايا الشمسية تفقد التيار بكميات اقل وتعمل لمدة اكبر، وهناك نوعان من البطاريات: بطاريات اسيد الرصاص lead-acid وبطاريات النيكل-كادميم nickel-cadmium، والنوع الاخير باهظ الثمن ولكن يدوم لفترة كبيرة ويمكن ان ان تفرغ البطارية طاقتها بالكامل بدون ان يحصل لها ضرر في حين ان بطاريات اسيد الرصاص تزودك بـ 40% من الطاقة المخزنة فقط.

ويتم تثبيت دائرة كهربية تعمل مع البطارية تسمى المتحكم في الشحن charge controller ووظيفته ان يقوم بايقاف مرور التيار الكهربي في البطارية اذا تم شحنها بالكامل، وفي حالة نقصان الشحن في البطارية فإن دائرة التحكم تسمح للتيار باعادة الشحن مرة اخرى وهكذا.

ومن المهم ايضا عزيزي القارئ ان تعلم ان الطاقة الكهربية التي تحصل عليها من الخلايا الشمسية او من البطاريات التي اختزنت الطاقة الكهربية تزودك بتيار مستمر وهذا التيار لا يصلح لتشغيل اجهزة المنزل المختلفة.  لذا يتوجب تحويل التيار الكهربي المستمر إلى تيار كهربي متردد وهذا يتم من خلال دائرة الكترونية تسمى inverter.

مخطط توضيحي لفكرة استغلال الخلايا الشمسية لتزويد المنزل بالطاقة الكهربية وتخزينها في بطاريات

فوائد ومضار طاقة شمسية

لعلك عزيزي القارئ وبعد هذا الشرح المفصل عن استخدام الطاقة الشمسية لتزود المنازل بالكهرباء ليس بالامر السهل بالرغم من اننا نعلم ان الاشعة الشمسية مجانية ولا تكلف ولكن تكاليف التجهيزات والتركيب تعتبر باهظة اذا ما قورنت بالكهرباء التي تزودنا بها شركة الكهرباء، حيث تقدر تكلفة تركيب نظام كهرباء بالطاقة الشمسية ما يقارب 30,000 دولار.  ولهذا فإن استخدام الخلايا الشمسية لتوليد الطاقة الكهربية يستخدم في الاماكن البعيدة عن شبكة الكهرباء المحلية او في المركبات الفضائية.

وبالرغم من ان الابحاث العلمية التي تجرى لتطوير الخلايا الشمسية لا يمكن ان تنتج بطاقة كهربية بتكلفة تنافس ما هو متوفر من مصادر الطاقة المعروفة، الا ان المخاوف البيئية الناتجة عن مصادر الطاقة التقليدية تدفع بقوة في اتجاه استخدام الخلايا الشمسية مما يجعل من تقنية خلايا الفوتوفولتيك هي مستقبل الطاقة.

لمزيد من المعلومات استعن بالرابط التالية:

http://www.eia.doe.gov/kids/energyfacts/sources/renewable/solar.html

http://www.ucsusa.org/clean_energy/renewable_energy_basics/

http://www.borregosolar.com/government/how-solar-power-works.ph