الخلايا الشمسية
تحويل الطاقة الشمسية
تحويل الطاقة الشمسية
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ، ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ، وكما هو معلوم هناك بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم وغيرها . وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا . وقد نال العالم اينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة .
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 .
أما التحويل الحراري للطاقة الشمسية فيعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية .فإذا تعرض جسم داكن للون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص لإشعاع وترتفع درجة حرارته . يستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها . وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية . يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها كذلك يمكن الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام ، حيث أن هناك أبحاث تجري في هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس تحت أشعة الشمس أثناء الطهي .
ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة ، إلا أن مدى الاستفادة منها يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية. وعليه يبدو أن المطلوب من تقنيات بعد تقنية وتطوير التحويل الكهربائي والحراري للطاقة الشمسية هو تقنية تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي . وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي . وتعد بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع ، حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها متوفرة إلا نها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعني المفهوم . فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية . وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة . ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها أخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية .
ألواح الطاقة الشمسية أصبحت أخف وزناً وبأشكال دائرية وكروية
دخلت ألواح الخلايا الضوئية حيز انتاج الطاقة البديلة من ضوء الشمس منذ سنوات طويلة في مختلف بقاع العالم. وشهدت هذه الألواح، وكذلك الخلايا، تطورات كبيرة على صعيد طاقتها الإنتاجية ومساحتها إلا أنها بقيت ثابتة الشكل واللون بسبب صعوبة انتاجها من مواد مرنة وقابلة للتلون. ويبدو أن عصر الألواح الضوئية (ذات زوايا في الأغلب) التي تواجه الشمس مثل زهرة عباد الشمس سيشهد نهايته لأن شركة "سون نوفيشن" نجحت في إنتاج ألواح الخلايا الضوئية بأشكال وألوان مختلفة وأهلتها بالتالي لاقتناص ضوء الشمس من كافة الزوايا. كما نجحت شركة ألمانية أخرى في تقليل انعكاس الضوء عن الألواح وزادت بذلك قدرة الخلايا على تحويل ضوء الشمس إلى تيار كهربائي.
وطبيعي أن تأمل الشركة المنتجة من خلال تصنيع ألواح الخلايا الكهروضوئية القابلة للطي في تسهيل عملية نقل، نشر واستخدام الطاقة الشمسية، وتخطي محدودية استخدامها في القرى المنقطعة عن الكهرباء والمناطق النائية. وذكرت مصادر الشركة من مدينة كلينغنبيرغ (جنوب) أن العلماء صنعوا ألواح الخلايا الضوئية المحدبة والمقعرة والكروية من مادة بولي كاربونات ماكرولون بعد ادخال تحسينات خاصة عليها. وكانت الألواح المصنعة من هذه المادة أخف 50% من ألواح الخلايا الضوئية التقليدية المصنعة من السيليكون، قابلة للإنتاج بأي شكل وبأي لون يحبذه الزبون. أي انتاج الألواح بالأشكال والألوان المناسبة للأبنية والشوارع والجدران وبشكل لا يتعارض مع جماليات المدن.
والمهم هو أن الألواح المرنة ثابتة جداً ضد عوامل الطقس والتخرش ومقاومة لأعمال التخريب. وذكر المتحدث الصحافي باسم الشركة أن الخلايا الضوئية في الألواح المرنة الجديدة "تسبح" في مادة الماكرولون وليست ثابتة. كما أتاحت الطريقة للشركة إنتاج الألواح بسمك بسيط جداً يجعل أمر تطويعها بأشكال أخرى ممكناً.
وتفكر الشركة حالياً بصناعة سقف أحد مواقف محطات الحافلات بميونخ من ألواح الماكرولون المحدبة بهدف تجربتها. وستعمل الألواح بالطبع على تحول الطاقة الضوئية إلى الكهربائية وتوظيفها في إضاءة الموقف وتشغيل أجهزة شراء البطاقات الأوتوماتيكية ومصابيع المرور القريبة. عدا عن ذلك فإن ألواح الماكرولون أكثر مقاومة للعوامل الطبيعة من ألواح السيليكون وأكثر قدرة على حفظ الحرارة من التسرب، الأمر الذي يجعلها مناسبة جداً لبناء سقوف البيوت الزجاجية الزراعية ومظلات النوافذ والشرفات.
وفي مشروع مشترك بين جامعة كلاوستال التقنية وشركة "شوت رور غلاس" تم التوصل إلى طريقة جديدة لتغليف الخلايا الضوئية يحافظ عليها من العوامل الطبيعية ويرفع طاقتها الإنتاجية في ذات الوقت. وذكرت مصادر جامعة كلاوستال أن علماءها صمموا طبقة غاية في الرقة من مادة ثاني أوكسيد السيليسيوم تحمي الخلايا الضوئية وتعبر المزيد من ضوء الشمس إليها.
وتتميز هذه الطبقة الرقيقة بأنها من سمك لا يتجاوز واحد من عشرة آلاف من المليميتر، بمعنى أنها لا تعكس سوى نسبة لا تذكر من ضوء الشمس. إذ من المعروف أن طبقة السيليكون التي تغلف بها الألواح الضوئية التقليدية تعكس 8% في الأقل من ضوء الشمس الساقط عليها، وهي طاقة مفقودة حسب تقدير العلماء. وبالتالي فإن طبقة ثاني أوكسيد السيليسيوم الرقيقة تضمن رفع طاقة انتاج الخلايا الضوئية بنسبة 7%.
وستتم تجربة الألواح الضوئية المكسية بثاني أوكسيد السيليسيوم في مناطق من كاليفورنيا (الولايات المتحدة) قبل البدء بإنتاجها للسوق.
تقنية تزيد الاستفادة من الطاقة الشمسية
أكد علماء غربيون امكانية زيادة قدر الاستفادة من الطاقة الشمسية وذلك عن طريق مادة تقوم بامتصاص وتشرب الطاقة المنبعثة من معظم عناصر الطيف الشمسي. فالخلايا الشمسية تستخدم طبقات من اشباه الموصلات لامتصاص فوتونات ضوء واشعة الشمس وتحويلها الى تيار كهربائي غير ان شبه الموصل الواحد لا يستخدم الا الفوتونات التي تتمتع بنسبة طاقة معينة.
اما الآن فان الخلايا الافضل تمتلك طبقات تتكون من شبه موصلين تم توصيلهما لامتصاص الضوء على مستويات مختلفة من الطاقة، ولكنها تتمكن على الرغم من وجود شبه الموصلين من استخدام 30% من طاقة الشمس.
وقد استطاع العالم ولاديك والوكيويز وفريق بحثي من معمل لورنس بيركلى الوطني في كاليفورنيا ان يجد هذه المادة الجديدة التي يمكن من خلالها زيادة قدر الاستفادة من الطاقة الشمسية وهذه المادة عبارة عن شبه موصل يعرف باسم «انديوم جاليوم نيتريد، واكد العلماء ان هذه المادة يمكنها زيادة كفاءة الخلايا الشمسية ويمكنها ايضا اطالة عمر الخلايا الشمسية في الفضاء حيث تتعرض هذه الخلايا الى عوامل كثيرة تؤدي الى تناقص قدرتها على البقاء مثل درجات الحرارة المتقلبة والاشعة الكونية.
ويأمل فريق البحث حاليا ان يتعاون مع معمل الطاقة المتجددة الوطني في كولورادو لمحاولة تصنيع خلايا شمسية من هذا النوع بسعر غير باهظ .
منقول