أساسيات تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

تقوم الخلايا الشمسية، والتي تسمى أيضًا الخلايا الكهروضوئية، بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء، في المقال التالي أساسيات تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

الطاقة الشمسية.

إشعاع من الشمس قادر على إنتاج الحرارة، والتسبب في تفاعلات كيميائية، أو توليد الكهرباء. إن المقدار الإجمالي لحوادث الطاقة الشمسية على الأرض يفوق بشكل كبير متطلبات الطاقة الحالية والمتوقعة في العالم. إذا تم تسخيره بشكل مناسب، فإن هذا المصدر عالي الانتشار لديه القدرة على تلبية جميع احتياجات الطاقة المستقبلية، من المتوقع أن تصبح الطاقة الشمسية جذابة بشكل متزايد كمصدر للطاقة المتجددة بسبب إمداداتها التي لا تنضب وطابعها غير الملوث، في تناقض صارخ مع الوقود الأحفوري المحدود الفحم والبترول والغاز الطبيعي.

تعتبر الشمس مصدر طاقة قوي للغاية، وضوء الشمس هو إلى حد بعيد أكبر مصدر للطاقة تتلقاها الأرض، لكن شدته على سطح الأرض منخفضة جدًا في الواقع. هذا بشكل أساسي بسبب الانتشار الشعاعي الهائل للإشعاع من الشمس البعيدة. تحدث خسارة إضافية طفيفة نسبيًا بسبب الغلاف الجوي للأرض والسحب التي تمتص أو تشتت ما يصل إلى 54 بالمائة من ضوء الشمس الوارد. يتكون ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض من حوالي 50 في المئة من الضوء المرئي، و45 في المئة من الأشعة تحت الحمراء، وكميات أصغر من الأشعة فوق البنفسجية وأشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

أساسيات تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

تحصل الخلايا الكهروضوئية (غالبًا ما يتم اختصارها باسم PV) على اسمها من عملية تحويل الضوء (الفوتونات) إلى كهرباء (الجهد)، وهو ما يسمى التأثير الكهروضوئي. تم استغلال هذه الظاهرة لأول مرة في عام 1954 من قبل العلماء في مختبرات بيل الذين قاموا بإنشاء خلية شمسية عاملة مصنوعة من السيليكون والتي تولد تيارًا كهربائيًا عند تعرضها لأشعة الشمس. سرعان ما تم استخدام الخلايا الشمسية لتشغيل الأقمار الصناعية الفضائية وعناصر أصغر مثل الآلات الحاسبة والساعات. اليوم، أصبحت الكهرباء من الخلايا الشمسية تنافسية من حيث التكلفة في العديد من المناطق ويتم نشر الأنظمة الكهروضوئية على نطاقات كبيرة للمساعدة في تشغيل الشبكة الكهربائية.

أنواع الخلايا الشمسية.

• خلايا السيليكون الشمسية

الغالبية العظمى من الخلايا الشمسية اليوم مصنوعة من السيليكون وتقدم أسعارًا معقولة وكفاءة جيدة (المعدل الذي تحول فيه الخلية الشمسية ضوء الشمس إلى كهرباء). عادة ما يتم تجميع هذه الخلايا في وحدات أكبر يمكن تثبيتها على أسطح المباني السكنية أو التجارية أو نشرها على رفوف مثبتة على الأرض لإنشاء أنظمة ضخمة على نطاق المرافق.

• الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

تُعرف تقنية كهروضوئية أخرى شائعة الاستخدام بالخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة لأنها مصنوعة من طبقات رقيقة جدًا من مادة أشباه الموصلات، مثل تيلورايد الكادميوم أو نحاس إنديوم غاليوم ديسلينيد. سمك طبقات الخلايا هذه لا يتجاوز بضعة ميكرومترات - أي عدة أجزاء من المليون من المتر.

يمكن أن تكون الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة مرنة وخفيفة الوزن، مما يجعلها مثالية للتطبيقات المحمولة - مثل حقيبة ظهر الجندي - أو للاستخدام في منتجات أخرى مثل النوافذ التي تولد الكهرباء من الشمس. تستفيد بعض أنواع الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة أيضًا من تقنيات التصنيع التي تتطلب طاقة أقل وأسهل في التوسع من تقنيات التصنيع التي تتطلبها خلايا السيليكون الشمسية.

• III-V الخلايا الشمسية

يتم تسمية نوع ثالث من التكنولوجيا الكهروضوئية على اسم العناصر التي تتكون منها. يتم إنشاء الخلايا الشمسية III-V بشكل أساسي من عناصر في المجموعة III - على سبيل المثال، الغاليوم والإنديوم - والمجموعة V - مثل الزرنيخ والأنتيمون - في الجدول الدوري. هذه الخلايا الشمسية عادة ما تكون أغلى بكثير في التصنيع من التقنيات الأخرى. لكنهم يحولون ضوء الشمس إلى كهرباء بكفاءات أعلى بكثير. لهذا السبب، غالبًا ما تُستخدم هذه الخلايا الشمسية على الأقمار الصناعية والمركبات الجوية غير المأهولة والتطبيقات الأخرى التي تتطلب نسبة عالية من الطاقة إلى الوزن.

• خلايا شمسية من الجيل التالي

يتابع باحثو الخلايا الشمسية العديد من التقنيات الكهروضوئية الجديدة - مثل الخلايا الشمسية المصنوعة من المواد العضوية، والنقاط الكمومية، والمواد العضوية غير العضوية الهجينة (المعروفة أيضًا باسم البيروفسكايت). قد توفر تقنيات الجيل التالي هذه تكاليف أقل أو سهولة أكبر في التصنيع أو مزايا أخرى. سوف يرى المزيد من البحث ما إذا كان يمكن تحقيق هذه الوعود.

الموثوقية وبحوث تكامل الشبكة

تعد الأبحاث الكهروضوئية أكثر من مجرد صنع خلية شمسية عالية الكفاءة ومنخفضة التكلفة. يجب أن يكون أصحاب المنازل والشركات على ثقة من أن الألواح الشمسية التي يقومون بتركيبها لن تتدهور في الأداء وستستمر في توليد الكهرباء بشكل موثوق لسنوات عديدة. تريد المرافق والمنظمون الحكوميون معرفة كيفية إضافة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية إلى الشبكة الكهربائية دون زعزعة التوازن الدقيق بين العرض والطلب على الكهرباء.

يعمل علماء المواد والمحللون الاقتصاديون والمهندسون الكهربائيون والعديد من الآخرين على معالجة هذه المخاوف والتأكد من أن الخلايا الكهروضوئية الشمسية هي مصدر نظيف وموثوق للطاقة.