الألواح الشمسية الكهروضوئية

مقدمة

يتجه العالم اليوم للاستفادة بقدر الإمكان من الطاقة المتجددة النظيفة لعدة أسباب، منها: قابليتها للتجدد، وكذلك حماية للبيئة من أضرار الغازات المنبعثة الناتجة من أغلب مصادر الطاقة التقليدية.

أحد أشهر مصادر الطاقة المتجددة هي الطاقة الشمسية والتي يتم الاستفادة من الإشعاع الشمسي الساقط عن طريق تحويلها إلى كهرباء بواسطة ألواح شمسية كهروضوئية (PV Solar Panels)، دعونا نتعمق ونلقي الضوء على هذه الألواح ونتعرف على مكوناتها وطريقة عملها.

نبذة عن الألواح الشمسية الكهروضوئية:

هي عبارة عن ألواح تحتوي على مجموعة خلايا موصلة على التوالي مصنوعة غالباً من مادة شبه موصلة _السيليكون غالبا_ تعمل على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية، وكل خلية تنتج تقريبا (0.5V)، أي في حال إن كان لدينا ٢٤ خلية موصلة على التوالي فإنها ستنتج (12V)، والصورة (1) تبين مثال آخر على ذلك:

series connected photovoltaic panel — صورة (1): توصيل 4 خلايا كهروضوئية على التوالي قيمتها 0.5 فولت للحصول على جهد 2 فولت. [1]

أنواع الألواح الشمسية الكهرووضوئية:

يوجد منها أكثر من نوع، وأشهر أنواعها والمصنوعة من السيليكون والمبينة بالصورة (2) هي :

١- أحادية التبلور (Monocrystaline) : وسميت بذلك لأن الخلية المصنوعة من السيليكون تتكون من بلورة واحدة، مما تتيح للإلكترونات للتحرك في مساحة أكبر وبالتالي ذو كفاءة أعلى.

٢- عديدة التبلور (Polycrystaline) :وسميت بذلك لأن الخلية المصنوعة من السيليكون تتكون من عدة بلورات، وبالتالي كفاءة أقل وبالطبع سعر أقل.

Solar Panel Types – Save Energy with SunTech Energy! Discover How Much You Can Save — صورة (2): أشهر نوعين من أنواع الألواح الكهروضوئية. [2]

بنية الألواح الشمسية الكهروضوئية:

كما بالصور (3) و (4)، تتكون الألواح من طبقتين شبه موصلة، أحدهم يحتوي على إلكترون حر (N-type) ويتم تكوينها عن طريق تطعيم مادة شبه موصلة _السيليكون غالباً_ والذي يحتوي على ٤ إلكترونات بالمدار الأخير بذرة تحتوي على ٥ إلكترونات بالمدار الأخير كالفوسفور مثلا لينتج عن ذلك إلكترون حر أي شحنة سالبة؛ ولذلك سمي بـ N-type.

والآخر يحتوي على فراغات (وتسمى بالشوائب) (P-type) ويتم تكوينها عن طريق تطعيم مادة شبه موصلة والذي يحتوي على ٤ إلكترونات بالمدار الأخير بذرة تحتوي على ٣ إلكترونات بالمدار الأخير كالبورون لينتج عن فراغ (Hole) أي شحنة موجبة؛ ولذلك سمي بـ P-type.

Photoelectrochemical devices for solar water splitting – materials and challenges - Chemical Society Reviews (RSC Publishing) DOI:10.1039/C6CS00306K — صورة (3): تطعيم مادة السليكون بذرة مادة أخرى. [3]

P-N Junction of Solar Cell — صورة (4): P-type و N-type للألواح الكهروضوئية. [4]

مبدأ العمل

عندما يتم دمج P-type مع N-type تقوم بعض الإلكترونات الموجودة في N-type بملء الفراغات الموجودة P-type مكونة منطقة بينهما تسمى Depletion Region والتي تكون مجال كهربائي يمنع الإلكترونات من التحرك، أي يعتبر حالة من الاستقرار كما بالصورة (5).

Depletion Layer — صورة (5): طريقة تكوين المجال الكهربائي في الخلية الكهروضوئية. [5]

وعند تسليط ضوء الشمس الكافي على اللوح تنكسر منطقة Depletion Region، مما يزيد تركيز الإلكترونات في N-type وبالمثل P-type مما يسمح بالإلكترونات بالتحرر متوجها لتغذية الحمل كما هو مبين بالصورة (6).

Current Flow — صورة (6) :تحرر الإلكترونات عند تسليط ضوء الشمس عليها. [6]

منحنى القدرة-التيار-الجهد:

عند النظر إلى الصورة (7)، سنجد أنه يحتوي على منحنيين وهما:

1- منحنى التيار-الجهد (المنحنى الأحمر) ويتم فيه توضيح علاقة تغيير الجهد على التيار، وأبرز القيم الموجودة بالمنحنى هي:

أعلى قيمة للتيار والذي يكون في حالة دائرة القصر (Short Circuit) والذي يرمز له بالرمز (Isc).
أعلى قية للجهد والذي يكون في حالة فتح الدائرة (Open Circuit) والذي يرمز له بالرمز (Voc).
قيمتي الجهد (Vm) والتيار (Im) عند أقصى قيمة للقدرة.

2- منحنى القدرة-الجهد (المنحنى الأزرق) ويتم فيه توضيح علاقة تغيير الجهد على القدرة الناتجة، و أبرز قيمة موجودة بالمنحنى هي القيمة القصوى للقدرة الناتجة (MPP)، والتي عن طريقها يتم تحديد Vm و Im وذلك عن طريق أخذ النقطة المتقاطعة عاموديا مع نقطة MPP كما هو موضح بالصورة (7):

Variations of PV module parameters with irradiance and temperature — صورة (7): منحنى القدرة- التيار- الجهد للألواح الكهروضوئية. [7]

وجميع تلك القيم يتم قياسها تحت معايير وشروط معينة وفي الغالب تكون معيار STC والذي يختصر لـ (Standard Test Condition)، ومعيار STC تشترط أن يتم أخذ القيم المذكورة أعلاه تحت الشروط الآتية:

1- قيمة الإشعاع الشمس (Solar Irradiance) تساوي 1000 واط للمتر المربع (1000W/m^2).

2- قيمة الكتلة الهوائية (Air Mass) تساوي 1.5 .

3- درجة حرارة الخلية (Cell Temperature) تساوي 25 درجة مئوية.

بعض المصطلحات الهامة المتعلقة بالألواح الكهروضوئية:

ختاما هناك بعض المصطلحات المهمة التي تتعلق بالألواح الشمسية الكهروضوئية، والتي نجدها كثيرا في الأوراق والمقالات العلمية والتي يستوجب على القارئ والباحث فهمها لكي يستوعب عن كل ما يتعلق بالألواح الشمسية الكهروضوئية من أوراق علمية وكتب ومقالات وغيرها، والمصطلحات هي :

1- Cell : ويقصد بها الخلية الواحدة من خلايا اللوح.

2- Module : ويقصد بها مجموعة خلايا موصلة معا.

3- String : وهي عبارة عن مجموعة من Modules موصلة معا على التوالي.

4- Array : وهي عبارة عن مجموعة من Strings موصلة معا على التوازي، أيضا تطلق على مجموعة من Modules موصلة معا على التوازي.

والصورة (8) توضح كل ما تم ذكره من المصطلحات أعلاه.