مصر من أنسب الدول لاستخدام الطاقة الشمسية، حيث يتراوح عدد ساعات سطوع الشمس بين ما يقرب من 2300 إلى4000
من
دراستنا المتواضعة سوفنحاول الابتعاد عن الطاقة التقليدية "البترول"
ومشكلاتها ونتطرق في بحثنا عن الطاقة البديلة الحديثةونفرد موضوع مستقل عن الطاقة
الشمسية.
2
2
أن مصر
من أنسب الدول لاستخدام الطاقة الشمسية، حيث يتراوح عدد ساعات سطوع الشمس بين ما
يقرب من 2300 إلى4000 ساعة سنويا، ولكن لم نستغل تلك الميزة بصورة كبيرة بدليل أن
أكثر من 84% من الكهرباء فى مصر مولدة باستخدام الغاز الطبيعى بينما 15% فقط مولدة
من السد العالى.
نفكر فى
تطبيق نداءاتنا باستخدام الطاقة الشمسية بشكل عملى حتى يعلم الجميع بأهمية هذه
الطاقة من خلال منتج عصرى وعملى يعمل بالطاقة الشمسية وفى نفس الوقت يخدم شريحة
كبيرة من المجتمع، وبعد دراسة السوق المصرى واحتياجاته وجدنا أنه يوجد أكثر من
58.97 مليون مستخدم للتليفون المحمول فى مصر ومع ظهور أنواع جديدة من تليفونات
المحمول مثل i-phoneblackberry، والتى تحتوى على العديد من التطبيقات والبرامج
ظهرت مشكلة أن شحن التليفون ينتهى سريعا، بالإضافة لصعوبة شحن التليفون خارج
المنزل تعريف الخلايا الشمسية
:
أنواع
الخلايا الشمسية:
أنتاج
الطاقة الكهربائية بأستخدام الخلايا الشمسية:
من يفكر
في الطاقة الشمسية
لمن يخطط لتنفيذ مشروع طاقة شمسية
لمن يخطط لتنفيذ مشروع طاقة شمسية
المقدمة...
نبض النهضة و التقدم قد بدء ينفذ وكلنا فيمحاولة إدراك هذا القلق,
وكل منا يسعى في حلول يدرك بها العالم من بدائل تعوضنا أوتأخر نفاذ الذهب الأسود منا وهو البترول. ويتبادر للذهن سؤال هام وهو هل يكون هناكنفط سنة2050م ؟. إن النفط ثروة قابلة للتجديد , فهو في تشكل مستمر في الأحواضالرسوبية إلى أن وتيرة الاستهلاك الحالي والتي تقدر بمقدار3.5 مليار طن سنويا وهيأكبر بألف مرة من وتيرة التجديد . والنفط الذي نستهلكه الآن تشكل في عصور غابرة) ما قبل 500 مليون سنة ) وإذا استمر هذا الاستهلاك في الارتفاع فإن أقصى حد لانتهاءهذه الثروة هي سنة 2060م. ومنذ أكثر من 50 عاما والبحوث جادة لإيجاد بدائل للطاقةتقوم مقام النفط. تعلو وتيرة الحديث عن البدائل حينا أو تختفي أحيانا أخرى, ومايحرك هذا الحديث أو يقصيه هو غالبا المجال السياسي, ففي تعقيدات الدبلوماسيةوعلاقات الدول حينما تنزلق العلاقات إلى مأزق سياسي بفعل ظرف طارئ اقتصادي أو سياسيأو عسكري ترتفع وتيرة بدائل النفط, بل تدخل هذه المسألة مزايدات الساسة في حملاتهمالانتخابية أو في تأسيس مسارات جديدة للعلاقات البينية أو التكتلية بين دولة وأخرى. في الوقت الذي كان الإنتاج يرتفع بنسبة سنوية عالية لتلبية الطلب العالمي المتزايد،ما أدى إلى الوصول إلى ما يسمى الذروة، وهي في نظرنا، "تَسَاوي كمية الإنتاج معكمية الاستهلاك"، وبعدها يحافظ الإنتاج على مستوى ثابت لفترة زمنية قصيرة قبل أنيبدأ رحلة الهبوط، مع استمرار تنامي الطلب، وهو ما سيثير الهلع والارتباك عندالمستهلكين الذين لن يستطيعوا الحصول على ما يحتاجون إليه من الطاقة. إن القلق منتلوث هواء المدن ومن المطر الحمضي وتسرب النفط والمخاطر النووية وارتفاع حرارةالأرض يحث على إعادة تفحص بدائل الفحم والنفط والطاقة النووية ، وعلى الرغم من أنمصادر الطاقة البديلة ليست خالية من التلويث عموماً ، فإنه يوجد مجال واسع منالخيارات التي يكون ضررها البيئي أقل بكثير من مصادر الطاقة التقليدية . إذاً نحنالآن على أبواب عصر جديد، يحتاج فيه العالم إلى مصادر أخرى لتوليد الطاقة، إلى جانبالمصادر النفطية الحالية، التي من المؤكد أنها ستظل المصدر الأهم لسنوات طويلة. إنطاقة
1
الشمس تعتبر المصدر الرئيسي للطاقة في كوكب
الأرض ومنها توزعت وتحولت إلىمصادر الطاقة الأخرى سواء ما كان منها مخزون في طاقة الرياح والطاقة الحرارية فيجوف الأرض والطاقة المولدة من مساقط المياه أو غيرها من مصادر الطاقة كالفحم الحجريوالأخشاب ، وبما أن الطاقة الشمسية هي أهم مصادر الطاقة المتجددة فإن جهود كثير منالدول تتوجه لها بمختلف صورها وترصد لها المبالغ اللازمة لتطوير المنتجات والبحوثالخاصة باستغلال الطاقة الشمسية كإحدى أهم مصادر الطاقة البديلة للنفط والغاز , وقدأعطى النصيب الأوفر في البحوث والتطبيقات لمجال تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباءوهو ما يعرف باسم Photovoltaic وهذا المصدر من الطاقة هو أمل الدول النامية فيالتطور حيث أصبح توفر الطاقة الكهربائي من أهم العوامل الرئيسية لإيجاد البنىالأساسية فيها . إن أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبرالتحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسيةتقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة إستراتيجية باعتبارها مصدراً طاقوياً مستقبلياًسيكون له الأثر الأكبر في المحافظة على مصادر الطاقة التقليدية ولأغراض أهمواستغلال أثمن علاوة على أن مصدر طاقته مجاني ولا ينضب ونظيف ودون مخلفات أو أخطار. إن مشكلة نضوب مصادر الطاقة التقليدية وتلوث البيئة الناشئ عن شراهة الدول الصناعيةفي حرق النفط والفحم, ناهيك عن ارتفاع أسعارها وما ترتب على ذلك من مشاكل اقتصاديةوخيمة لدول العالم النامي لمن أهم ما يدعونا إلى ضرورة الالتفات إلى ما انعم اللهعلى بلادنا من مصادر للطاقة المتجددة وضرورة استغلالها وإن أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبر التحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسية تقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة إستراتيجية باعتبارها مصدراً طاقوياً مستقبلياً سيكون له الأثر الأكبر في المحافظة على مصادر الطاقة التقليدية ولأغراض أهم واستغلال أثمن علاوة على أن مصدر طاقته مجاني ولا ينضب ونظيف ودون مخلفات أو أخطار,
ومن دراستنا المتواضعة سوفنحاول الابتعاد عن الطاقة التقليدية "البترول" ومشكلاتها ونتطرق في بحثنا عن الطاقة البديلة الحديثةونفرد موضوع مستقل عن الطاقة الشمسية.
2
1-2 تعريف الخلايا الشمسية :
إن الخلايا الشمسية هي عبارة عن محولات فولتضوئية تقوم بتحويل ضوء الشمس المباشر إلي كهرباء ، وهي نبائظ شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء .
لــقد تم إنــماء تقنيات كثيرة لإنـتــاج الخلايـا الشمسيـــة عبر عــــمــليات متسلسلة من المعالجات الكيميائية والفيزيائية والكهربــائيـــة عـــلى شكــل متكاثف ذاتي الآليــــة أو عالي الآلية ، كمـــا تـم إنماء مــــواد مختلفـــة من أشبــاه الموصلات لتصنيع الخلايـــا الشمسية على هيئة عناصر كعنصر السيليكون أو على هيئة مركبات كمركب الجاليوم زرنيخ وكربيد الكادميوم وفوسفيد الأنديوم وكبريتيد النحاس وغيرها من المواد الواعدة لصناعة الفولتضوئيات .
1-3 ميكانيكية تيار الخلايا الشمسية :
الخلية الشمسية للتطبيقات الأرضية هي رقاقة رفيعة من السيليكون مشابة بمقادير صغيرة من الشوائب لإعطاء جانب واحد شحنة موجبة والجانب الآخر شحنة سالبة مكونة ثنائياً ذا مساحة كبيرة .
تولد الخلايا الشمسية قدرة كهربائية عندما تتعرض لضوء الشمس حيث الضوئيات ( الفوتونات ) والتي يحمل كل منها كماً طاقوياً محدداً يكسب الإلكترونات الحرة طاقة تجعلها تهتز حرارياً وتكسر الرابط الذري بالشبكة بالمادة الشبه موصلة ويتم تحرير الشحنات وإنتاج أزواج من الإلكترون في الفراغ . تنطلق بعد ذلك حاملات الشحنة هذه متجهة نحو وصلة الثنائي متنقلة بين نطاقي التوصيل والتكافؤ عبر الفجوة الطاقوية وتتجمع عند السطح الأمامي والخلفي للخلية محدثة سريان تيار كهربائي مستمر عند توصيل الخلية بمحمل كهربي وتبلغ القدرة الكهربائية المنتجة للخلية الشمسية عادة واحد وات.
3
1-4 أنواع الخلايا الشمسية:
تم تصنيع خلايا شمسية من مواد مختلفة إلاأن أغلب هذه المواد نادرة الوجود بالطبيعة أولها خواص سامة ملوثة للبيئة أو معقدةالتصنيع وباهظة التكاليف وبعضها لا يزال تحت الدراسة والبحث وعليه فقد تركزالاهتمام على تصنيع الخلايا الشمسية السيليكونية وذلك لتوفير عنصر السيليكون فيالطبيعة علاوة على أن العلماء والباحثين تمكنوا من دراسة هذا العنصر دراسة مستفيضةوتعرفوا على خواصه المختلفة وملاءمته لصناعة الخلايا الشمسية المتبلرة ومتصدعةالتبلر .
-1 الخلايا الشمسية السيليكونية المتبلرة :
تصنع هذهالخلايا من السيليكون عبر إنماء قضبان من السيليكون أحادي أو عديد التبلر ثم يؤربإلي رقائق و تعالج كيميائياً وفيزيائياً عبر مراحل مختلفة لتصل إلي خلايا شمسية .
كفاءة هذه الخلايا عالية تتراوح بين 9 – 17 % والخلايا السيليكونية أحاديةالتبلر غالية الثمن حيث صعوبة التقنية واستهلاك الطاقة بينما الخلايا السيليكونيةعديدة التبلر تعتبر أقل تكلفة من أحادية التبلر وأقل كفاءة أيضاً .
-2 الخلايا الشمسية السيليكونية الأمورفية ( متصدعة التبلور(
مادة هذهالخلايا ذات شكل سيليكوني حيث التكوين البلوري متصدع لوجود عنصر الهيدروجين أوعناصر أخرى أدخلت قصداً لتكسبها خواص كهربية مميزة وخلايا السيليكون الأمورفي زهيدةالتكلفة عن خلايا السيليكون البلوري حيث ترسب طبقة شريطية رقيقة باستعمال كمياتصغيرة من المواد الخام المستخدمة في عمليات قليلة مقارنة بعمليات التصنيع البلوري. ويعتبر تصنيع خلايا السيليكون الامورفي أكثر تطويعاً وملاءمة للتصنيع المستمر ذاتيالآلية .
تتراوح كفاءة خلايا هذه المادة ما بين 4 – 9 % بالنسبة للمساحة السطحيةالكبيرة وتزيد عن ذلك بقليل بالنسبة للمساحة السطحية الصغيرة وإن كان يتأثراستقرارها بالإشعاع الشمسي.
4
تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي :-
1. إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى .
2. توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم.
وقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة ، وهي لا تستهلك وقوداً ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة . ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية ) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه . كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها .
موصفات:
الخلايا الشمسية أحادية السليكون كفاءة عالية، كفاءة التحويل عالية، الاستخدام إلى 25 سنوات أكثر، تخفيف الطاقة لا يتجاوز %20.
5
1-5 أنتاج الطاقة الكهربائية بأستخدام الخلايا الشمسية:
ان الفكرة الأساسية من انتاج الطاقة الكهربية باستخدام خلايا الفوتوفولتيك(pv) والتي تشكل ما يعرف بالخلايا الشمسية وان هذه الخلايا تصنع من مواد اشباه الموصلات مثل السيليكون.
سوف نقوم بشرح الصعوبات والتحديات لاستخدام الخلايا الشمسية لتزودينا 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؟
لسوء الحظ إن أكبر كميةتستطيع الخلية إمتصاصها هي حوالي 25% وعلى الأرجح 15% أو أقل .
نبض النهضة و التقدم قد بدء ينفذ وكلنا فيمحاولة إدراك هذا القلق,
وكل منا يسعى في حلول يدرك بها العالم من بدائل تعوضنا أوتأخر نفاذ الذهب الأسود منا وهو البترول. ويتبادر للذهن سؤال هام وهو هل يكون هناكنفط سنة2050م ؟. إن النفط ثروة قابلة للتجديد , فهو في تشكل مستمر في الأحواضالرسوبية إلى أن وتيرة الاستهلاك الحالي والتي تقدر بمقدار3.5 مليار طن سنويا وهيأكبر بألف مرة من وتيرة التجديد . والنفط الذي نستهلكه الآن تشكل في عصور غابرة) ما قبل 500 مليون سنة ) وإذا استمر هذا الاستهلاك في الارتفاع فإن أقصى حد لانتهاءهذه الثروة هي سنة 2060م. ومنذ أكثر من 50 عاما والبحوث جادة لإيجاد بدائل للطاقةتقوم مقام النفط. تعلو وتيرة الحديث عن البدائل حينا أو تختفي أحيانا أخرى, ومايحرك هذا الحديث أو يقصيه هو غالبا المجال السياسي, ففي تعقيدات الدبلوماسيةوعلاقات الدول حينما تنزلق العلاقات إلى مأزق سياسي بفعل ظرف طارئ اقتصادي أو سياسيأو عسكري ترتفع وتيرة بدائل النفط, بل تدخل هذه المسألة مزايدات الساسة في حملاتهمالانتخابية أو في تأسيس مسارات جديدة للعلاقات البينية أو التكتلية بين دولة وأخرى. في الوقت الذي كان الإنتاج يرتفع بنسبة سنوية عالية لتلبية الطلب العالمي المتزايد،ما أدى إلى الوصول إلى ما يسمى الذروة، وهي في نظرنا، "تَسَاوي كمية الإنتاج معكمية الاستهلاك"، وبعدها يحافظ الإنتاج على مستوى ثابت لفترة زمنية قصيرة قبل أنيبدأ رحلة الهبوط، مع استمرار تنامي الطلب، وهو ما سيثير الهلع والارتباك عندالمستهلكين الذين لن يستطيعوا الحصول على ما يحتاجون إليه من الطاقة. إن القلق منتلوث هواء المدن ومن المطر الحمضي وتسرب النفط والمخاطر النووية وارتفاع حرارةالأرض يحث على إعادة تفحص بدائل الفحم والنفط والطاقة النووية ، وعلى الرغم من أنمصادر الطاقة البديلة ليست خالية من التلويث عموماً ، فإنه يوجد مجال واسع منالخيارات التي يكون ضررها البيئي أقل بكثير من مصادر الطاقة التقليدية . إذاً نحنالآن على أبواب عصر جديد، يحتاج فيه العالم إلى مصادر أخرى لتوليد الطاقة، إلى جانبالمصادر النفطية الحالية، التي من المؤكد أنها ستظل المصدر الأهم لسنوات طويلة. إنطاقة
1
الشمس تعتبر المصدر الرئيسي للطاقة في كوكب
الأرض ومنها توزعت وتحولت إلىمصادر الطاقة الأخرى سواء ما كان منها مخزون في طاقة الرياح والطاقة الحرارية فيجوف الأرض والطاقة المولدة من مساقط المياه أو غيرها من مصادر الطاقة كالفحم الحجريوالأخشاب ، وبما أن الطاقة الشمسية هي أهم مصادر الطاقة المتجددة فإن جهود كثير منالدول تتوجه لها بمختلف صورها وترصد لها المبالغ اللازمة لتطوير المنتجات والبحوثالخاصة باستغلال الطاقة الشمسية كإحدى أهم مصادر الطاقة البديلة للنفط والغاز , وقدأعطى النصيب الأوفر في البحوث والتطبيقات لمجال تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباءوهو ما يعرف باسم Photovoltaic وهذا المصدر من الطاقة هو أمل الدول النامية فيالتطور حيث أصبح توفر الطاقة الكهربائي من أهم العوامل الرئيسية لإيجاد البنىالأساسية فيها . إن أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبرالتحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسيةتقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة إستراتيجية باعتبارها مصدراً طاقوياً مستقبلياًسيكون له الأثر الأكبر في المحافظة على مصادر الطاقة التقليدية ولأغراض أهمواستغلال أثمن علاوة على أن مصدر طاقته مجاني ولا ينضب ونظيف ودون مخلفات أو أخطار. إن مشكلة نضوب مصادر الطاقة التقليدية وتلوث البيئة الناشئ عن شراهة الدول الصناعيةفي حرق النفط والفحم, ناهيك عن ارتفاع أسعارها وما ترتب على ذلك من مشاكل اقتصاديةوخيمة لدول العالم النامي لمن أهم ما يدعونا إلى ضرورة الالتفات إلى ما انعم اللهعلى بلادنا من مصادر للطاقة المتجددة وضرورة استغلالها وإن أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبر التحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسية تقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة إستراتيجية باعتبارها مصدراً طاقوياً مستقبلياً سيكون له الأثر الأكبر في المحافظة على مصادر الطاقة التقليدية ولأغراض أهم واستغلال أثمن علاوة على أن مصدر طاقته مجاني ولا ينضب ونظيف ودون مخلفات أو أخطار,
ومن دراستنا المتواضعة سوفنحاول الابتعاد عن الطاقة التقليدية "البترول" ومشكلاتها ونتطرق في بحثنا عن الطاقة البديلة الحديثةونفرد موضوع مستقل عن الطاقة الشمسية.
2
1-2 تعريف الخلايا الشمسية :
إن الخلايا الشمسية هي عبارة عن محولات فولتضوئية تقوم بتحويل ضوء الشمس المباشر إلي كهرباء ، وهي نبائظ شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء .
لــقد تم إنــماء تقنيات كثيرة لإنـتــاج الخلايـا الشمسيـــة عبر عــــمــليات متسلسلة من المعالجات الكيميائية والفيزيائية والكهربــائيـــة عـــلى شكــل متكاثف ذاتي الآليــــة أو عالي الآلية ، كمـــا تـم إنماء مــــواد مختلفـــة من أشبــاه الموصلات لتصنيع الخلايـــا الشمسية على هيئة عناصر كعنصر السيليكون أو على هيئة مركبات كمركب الجاليوم زرنيخ وكربيد الكادميوم وفوسفيد الأنديوم وكبريتيد النحاس وغيرها من المواد الواعدة لصناعة الفولتضوئيات .
1-3 ميكانيكية تيار الخلايا الشمسية :
الخلية الشمسية للتطبيقات الأرضية هي رقاقة رفيعة من السيليكون مشابة بمقادير صغيرة من الشوائب لإعطاء جانب واحد شحنة موجبة والجانب الآخر شحنة سالبة مكونة ثنائياً ذا مساحة كبيرة .
تولد الخلايا الشمسية قدرة كهربائية عندما تتعرض لضوء الشمس حيث الضوئيات ( الفوتونات ) والتي يحمل كل منها كماً طاقوياً محدداً يكسب الإلكترونات الحرة طاقة تجعلها تهتز حرارياً وتكسر الرابط الذري بالشبكة بالمادة الشبه موصلة ويتم تحرير الشحنات وإنتاج أزواج من الإلكترون في الفراغ . تنطلق بعد ذلك حاملات الشحنة هذه متجهة نحو وصلة الثنائي متنقلة بين نطاقي التوصيل والتكافؤ عبر الفجوة الطاقوية وتتجمع عند السطح الأمامي والخلفي للخلية محدثة سريان تيار كهربائي مستمر عند توصيل الخلية بمحمل كهربي وتبلغ القدرة الكهربائية المنتجة للخلية الشمسية عادة واحد وات.
3
1-4 أنواع الخلايا الشمسية:
تم تصنيع خلايا شمسية من مواد مختلفة إلاأن أغلب هذه المواد نادرة الوجود بالطبيعة أولها خواص سامة ملوثة للبيئة أو معقدةالتصنيع وباهظة التكاليف وبعضها لا يزال تحت الدراسة والبحث وعليه فقد تركزالاهتمام على تصنيع الخلايا الشمسية السيليكونية وذلك لتوفير عنصر السيليكون فيالطبيعة علاوة على أن العلماء والباحثين تمكنوا من دراسة هذا العنصر دراسة مستفيضةوتعرفوا على خواصه المختلفة وملاءمته لصناعة الخلايا الشمسية المتبلرة ومتصدعةالتبلر .
-1 الخلايا الشمسية السيليكونية المتبلرة :
تصنع هذهالخلايا من السيليكون عبر إنماء قضبان من السيليكون أحادي أو عديد التبلر ثم يؤربإلي رقائق و تعالج كيميائياً وفيزيائياً عبر مراحل مختلفة لتصل إلي خلايا شمسية .
كفاءة هذه الخلايا عالية تتراوح بين 9 – 17 % والخلايا السيليكونية أحاديةالتبلر غالية الثمن حيث صعوبة التقنية واستهلاك الطاقة بينما الخلايا السيليكونيةعديدة التبلر تعتبر أقل تكلفة من أحادية التبلر وأقل كفاءة أيضاً .
-2 الخلايا الشمسية السيليكونية الأمورفية ( متصدعة التبلور(
مادة هذهالخلايا ذات شكل سيليكوني حيث التكوين البلوري متصدع لوجود عنصر الهيدروجين أوعناصر أخرى أدخلت قصداً لتكسبها خواص كهربية مميزة وخلايا السيليكون الأمورفي زهيدةالتكلفة عن خلايا السيليكون البلوري حيث ترسب طبقة شريطية رقيقة باستعمال كمياتصغيرة من المواد الخام المستخدمة في عمليات قليلة مقارنة بعمليات التصنيع البلوري. ويعتبر تصنيع خلايا السيليكون الامورفي أكثر تطويعاً وملاءمة للتصنيع المستمر ذاتيالآلية .
تتراوح كفاءة خلايا هذه المادة ما بين 4 – 9 % بالنسبة للمساحة السطحيةالكبيرة وتزيد عن ذلك بقليل بالنسبة للمساحة السطحية الصغيرة وإن كان يتأثراستقرارها بالإشعاع الشمسي.
4
تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي :-
1. إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى .
2. توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم.
وقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة ، وهي لا تستهلك وقوداً ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة . ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية ) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه . كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها .
موصفات:
الخلايا الشمسية أحادية السليكون كفاءة عالية، كفاءة التحويل عالية، الاستخدام إلى 25 سنوات أكثر، تخفيف الطاقة لا يتجاوز %20.
5
1-5 أنتاج الطاقة الكهربائية بأستخدام الخلايا الشمسية:
ان الفكرة الأساسية من انتاج الطاقة الكهربية باستخدام خلايا الفوتوفولتيك(pv) والتي تشكل ما يعرف بالخلايا الشمسية وان هذه الخلايا تصنع من مواد اشباه الموصلات مثل السيليكون.
سوف نقوم بشرح الصعوبات والتحديات لاستخدام الخلايا الشمسية لتزودينا 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؟
لسوء الحظ إن أكبر كميةتستطيع الخلية إمتصاصها هي حوالي 25% وعلى الأرجح 15% أو أقل .
6
*إن الضوء المرئي هو فقطجزء من المجال الكهرومغناطيسي وإن الطيف الكهرومغناطيسي ليس أحادي اللون إنما يتكون من أطوال موجية مختلفة ولذلك فإن الطاقة تكون على مستويات فتقوم النسبيةالخاصة بعمل دراسة جيدة للطيف الكهرومغناطيسي ويمكن أن يجزء الضوء إلى أطوال موحبةمختلفة ونستطيع أن نراهم على شكل قوس قزح طالما أن الضوء الذي يضرب الخلية لديه مدىواسع من طاقة الفوتونات ويظهر بأن البعض منهم ليس لديهم طاقة كافية لتشكيل فتحاتإلكترونية مزدوجة وسيعبرون ببساطة عبر الخلية كأنهم شفافون ولكن لازالت الفوتوناتالمتبقية لديها الكثير من الطاقة فقط كمية معينة من الطاقة قيست في فولطاتالإلكترونات (ev) وحددت بمادة الخلية بحوالي (1.1 فولط إلكتروني Ev-- للسيليكونالبللوري) تتطلب لخسارة الإلكترونات وإننا ندعو هذا ربط فجوة طاقة المادة, إذا كانلدى الفوتونات طاقة أكثر من الكمية المطلوبة فإن الطاقة الزائدة ستفقد( مالم يكونيكون لدى الفوتونات طاقة ضعف الكمية المطلوبة ويمكن أن يحدث أكثر من زوج واحد منفتحة الإلكترون ولكن تأثيرها لن يكون بهذه الأهمية) وهذين التأثيرين يقومان بتفسيرخسارة حوالي 70% من طاقة الإشعاع الذي يحدث في الخلية, لماذا لا نستطيع أن نختارمادة ذات ربط فجوة منخفض وبذلك نستطيع إستخدام أكثر من فوتون؟
ولكن لسوءالحظ إن ربط الفجوة يحدد قوة الجهد الكهربائي للحقل المغنطيسي وإذا كانت منخفضةجداً ماذا سنختلق عندها مع تيار زائد (بإمتصاص فوتونات أكثر) وسنفقد التيار بإمتلاكجهد كهربائي قليل وإن الجهد الكهربائي (القوة الفولطية) تؤقت تياراً, إن ربط الفجوةالمثالي يوازن هذان التأثيران بحوالي (1.4 Ev) لخلية صنعت من مادة وحيدة ولديناأيضاً خسائر أخرى يجب على الإلكترونات أن تتدفق من جهة واحدة إلى جهة أخرى فيالخلية من خلال دائرة خارجية, نستطيع تغطية القاع بالمعدن لكي نسمح بالإتصال الجيدولكن إذا غطينا القمة بالكامل عندها لن تستطيع الفوتونات العبور بالموصل المعتموعندها نخسر كل التيار (في بعض الخلايا تستخدم الموصلات الشفافة على السقف العلويوليس على الخلية كلها(
7
إذا وضعنا الموصلات فقط على جوانب الخلية عندها يجبعلى الإلكترونات أن تجتاز مسافة طويلة جداً حتى تصل إلى الموصلات وتذكر بأنالسيليكون شبه موصل وهو ليس ناقل جيد للتيار كالمعدن ومقاومته الداخلية(سلسلةالمقاومة) عالية جداً والمقاومة العالية تعني خسائر عالية ولتقليل الخسائر غطيتالخلية بشبكة إتصال معدنية التي تقوم بتقصير المسافة التي تجتازها الإلكتروناتعندما تغطي جزء بسيط من سطح الخلية ورغم ذلك فإن بعض الفوتونات مسدودة بالشبكة التيلايمكن أن تكون صغيرة جداً وإلا ستكون مقاومتها الخاصة عالية جد,
عندما يضرب ضوء على شكل فوتونات الخلية تقوم طاقتهبتحرير أزواج من الفجوات الإلكترونية و سيقوم كل فوتون مع طاقته الكافية بشكل طبيعيبتحرير إلكترون واحدة بالضبط والذي سيؤدي إلى إقامة فجوات أيضاً وإذا حدث هذابالقرب الكافي من حقل الإلكترونات أو إذا حدث أن تجولت الإلكترونات الحرة والفتحاتالفارغة باتجاه مدار تأثيرها سيقوم الحقل بإرسال الإلكترون إلى الجهة السلبيةوالفتحات إلى الجهة الإيجابية وسيتسبب ذلك أيضاً بتمزيق الحياد الكهربائي, وإذاقمنا بتزويد طريق تدفق خارجي ستتدفق الإلكترونات من خلال الطريق إلى جهتها الأصلية (الجهة الإيجابية) لتتخذ الفجوات التي قام بإرسالها الحقل الكهربائي إلى هناك لتقومبعملها على طول الطريق.
8
1-6 متطلبات استخدام الطاقة الشمسية كمصدر للكهرباء:
في البداية، ليس كل لسطح خلية له 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 والشكل (1-1) يبين افضل زاوية لالوح لخلايا الشمسية في الصيف والشتاء.
شكل رقم (1-1)
9
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 من خلال تقدير استهلاك الاجهزة الكهربية التي تعمل عادة في نفس الوقت. يمكن ان نقوم بحساب عدد خلايا الفوتوفولتيك اللازمة لتوفير الكهرباء.
1-7 تخزين الطاقةالشمسية:
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
وأن الطاقة الكهربية التي تحصل عليها من الخلايا الشمسية او من البطاريات التي اختزنت الطاقة الكهربية تزودك بتيار مستمر وهذا التيار لا يصلح لتشغيل الأجهزة المختلفة. لذا يتوجب تحويل التيار الكهربي المستمر إلى تيار كهربي متردد وهذا يتم من خلال دائرة الكترونية تسمى inverter
10
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.
1 -7-1البطاريات ذات المدار العميق:
ما هو نوع البطاريات الذي يستعمل في أنظمةالـ(PV) ؟.
بالرغم من أن هناك أنواع مختلفة من البطاريات تستخدم عادةً ولكن هناكميزة واحدة يجب أن تكون مشتركة بينهم كلهم وهي البطاريات ذات المدار العميق وهيليست كبطارية السيارة التي تتميز بأنها ذات مدار سطحي, إن البطاريات ذات المدارالعميق تستطيع أن تفرغ أكثر من طاقتها المخزونة وأيضاً لديها حياة طويلة أما بطاريةالسيارة تطلق تياراً كبيراً في وقت قصير ـ لكي تشغل السيارة ـ وثم تعيد الشحنفورا ًعندما تسير السيارة.
إن بطاريات الـ(PV) يجب عليها أن تطلق تياراً أصغرفي فترة أطول بشكل عام (مثلاً طوال الليل) بينما تقوم بالشحن خلال النهار, وإنبطاريات المدار الطويل الأكثر إستخداماً هي بطاريات حمض الرصاص وأيضاً بطارياتكاديوم ***ل, وبطاريات كاديوم ***ل أغلى ولكنها تبقى لمدة أطول ويمكن أن تفرغ طاقةبدون أذى وحتى بطاريات حمض الرصاص ذات المدار العميق لا تستطيع إفراغ 100% منالطاقة بدون إختصار حياة البطارية وبشكل عام إن أنظمة الـ(PV) صممت لإفراغ التيارعن طريق بطاريات حمض الرصاص وليس أكثرمن 40 أو 50 %.
11
يتطلب إستخدامالبطاريات تركيب عنصر أساسي آخر يدعى المتحكم بالشحن, وستعيش البطاريات أكثر إذاتلقت العناية وذلك بعدم الإفراط بشحن البطارية أو عدم إفراغها كثيراً, وهنا يأتيعمل المتحكم بالشحن, عندما تشحن البطاريات بالكامل فإن المتحكم بالشحن لا يدعالتيار في وحدات الـ(PV) يستمر بالتدفق إلى البطاريات وأيضاً عندما تفرغ البطارياتإلى مستوى قد حدد مسبقاً تحت سيطرة قياس الجهد الكهربائي (الفولطية) للبطارية فمعظمالمتحكمين بالشحن لن يسمحوا بإفراغ المزيد من التيار من البطاريات حتى تشحنالبطارية مرة أخرى, فجهاز التحكم بالشحن ضروري لضمان حياة البطارية الطويل.
1-7-2 قلب التيار المباشر إلى تيار متناوب:
إن المشكلة الأخرى هي إذا أردتإستخدام الكهرباء المولدة من وحدات الـ(PV) التي استخرجت من البطاريات وهو تيارمباشر بينما الكهرباء التي تؤمنها المؤسسة (والنوع الذي يستخدم في كل أدوات المنزل) هو تيار متناوب فأنت في هذه الحالة تحتاج إلى محولة وهي أدات تقوم بقلب التيارالمباشر إلى تيار متناوب والشكل (1-2) يبين الدائرة لتوليد وخزن وتحويل الطاقة الناتجة من الخلايا الشمسية تحتوي على محول للتيار inverter) )
12
يجب أن تتبع التعليمات الكهربائية في الأجهزة المتزايدةوتوزيع الأسلاك وصناديق التوصيل ومعدات الأرضية والحماية في التيار وعدم اتصالالتيار المباشر والتيار المتناوب وملحقات أخرى, وهي توصي إلى حد كبير بأن التركيبيجب أن ينفذ من قبل كهربائي ذو رخصة وأن يكون لديه خبرة في أنظمة الـ(PV), وعندمايركب النظام فإن متطابات الصيانة في نظام الـ(PV) قليلة جداً (خاصة إذا لم تستخدمأية بطارية) وستقوم بتزويدك بالكهرباء بشكل نظيف وبهدوء لمدة 20سنة أو أكثر.
إن بعض الناس لديهم مفهوم ضعيف عنالطاقة الشمسية( صحيح أن ضوء الشمس مجاني ولكن الكهرباء التي ولدت بأنظمة الـ(PV) ليست كذلك) وكما رأيت من شرحنا حول نظام الـ(PV)البيتي فإنك تحتاج إلى القليل منالأدوات.
13
الشكل رقم (1-2) للدائرة الكهربائية لتوليد وخزن وتحويل الطاقة الكهربائية المتولدة من الخلايا الشمسية
14
إن النجاح في استخدام الطاقة الشمسية يعتمد على العديد من العوامل المتكاملة،نذكر منها:
1- الموقع الجغرافي (قوة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة وسرعة
الرياح.
2- ملائمة النظام الشمسي مع حجم التطبيق.
3- نوعية المنتج (النظام الشمسي(
4- التقنية المستخدمة في تصنيع المنتج (النظام الشمسي) 5- جودة وكفاءة المكوناتالمستخدمة.
6- طريقة التركيب والتشغيل.
7- خدمة الصيانة والمتابعة
1-8 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 والشكل (1-3)يمثل استخدام المنشور لفصل الوان الطيف وحسب أطوالها الموجيه,
15
الشكل (1-3)يمثل استخدام المنشور لفصل الوان الطيف وحسب أطوالها الموجيه
يمثل كل لون من الوان الطيف 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.
16
(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.
17
1-9 طريقة عمل الخلايا الشمسية:
الشكل (1-4)يمثل طريقة عمل الخلايا الشمسية
· تسقط الطاقة القادمة من الشمس على شريحة رقيقة من مادة السليكون .. مما يؤدي الى اكتسابها طاقة بسبب حركة الالكترونات
· حركة الالكترونات تولد فرق جهد كهربائي على طرفي الخلية ..
الطاقة الحرارية تحرر التيار الكهربائي مما يؤدي الى سريانه ..
كلما زادت كمية الإشعاع الساقط على شريحة السيلكون كلما تم أنتاج كمية اكبر من الطاقة ..
يمكن ضبط زاوية سقوط الشمس على الخلية للحصول على اكبر قيمة للتيار .
تتأثر قيمة التيار الكهربائي المتولد بالحرارة المحيطة بالخلية الضوئية .
18
1-10 مميزات الخلايا الشمسية:
· هادئة حيث انها لا تصدر أي صوت
· لا تحتوى على أي عناصر ميكانيكية
· عديمة التلوث
· عمرها طويل ولا تتلف
· يمكنها انتاج الطاقة في اي مكان ولا تحتاج الى تمديدات كهربائية
0 تعمل بشكل جديد حتى مع وجود الغيوم .. او برودة الطقس ..
الشكل (1-5) يمثل شكل خلية شمسية
19
1-11 اقتصاديات الطاقة الشمسية :
تعتبر تكلفة المواد الأولية لأجهزة استخدام الطاقة الشمسية أهم عائق يحول دون استخدامها بالإضافة إلي المساحة الكبيرة المطلوبة لوضع هذه الأجهزة المجمعة لأشعة الشمس غير المركزة و بالرغم من كل هذه العوامل فهناك بعض الاستخدامات للطاقة الشمسية تعتبر اقتصادية في الوقت الحاضر ، منها تسخين المياه والاستعمالات الأخرى في المناطق النائية مثل توليد الكهرباء وضخ المياه وتحلية المياه والإشارات الضوئية والبث اللاسلكي والحماية الكاثودية وغيرها .
1-12 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 إلي آخر معتمدة على طبيعة الغبار وطبيعة الطقس في ذلك البلد .
تعليقات
إرسال تعليق
لا تشاهد وترحل اترك بصمتك
سيتم الرد عليك خلال 24 ساعة كاقصى حد للرد