كيف تصنع لوح شمسي

الألواح الشمسيّة

اللّوح الشمسيّ هو عبارة عن جهاز يُستخدم لتوليد الطّاقة الكهربائيّة من أشعّة الشّمس ، وذلك عن طريق تحويل الطّاقة الضوئيّة إمّا إلى طاقة كهربائيّة، أو إلى طاقة حراريّة، أو بتحفيز ضوء الشّمس على إحداث تفاعُلات كيميائيّة مُعيّنة، والطّاقة النّاتجة عن الألواح والخلايا الشمسيّة تُعتبر طاقةً طبيعيّةً مُتجدّدةً؛ فمصدرُها الشّمس التي لا تنضبُ عمليّاً، وهي نظيفة وصديقة للبيئة.

الشّمس أكبرُ مصدر للطّاقة موجودٍ قُرب الأرض، إلا أنَّ قُوّة أشعتها عندما تصلُ إلى سطح الأرض تكون صغيرةً جدّاً مُقارنةً بطاقتها الأصلية، وذلك بسبب تشتُّتها في الفضاء وامتصاص سُحب الأرض والغلاف الجوي لجُزءٍ منها، فقد يتشتَّتُ أكثر من نصف أشعة الشّمس أثناء عُبورها من أعالي الغلاف الجوي إلى السّطح فحسبْ، ومع ذلك، تبقى كميّة الطّاقة التي يستقبلُها سطح الأرض من الشّمس كافيةً (عند إحسان إدارتها واستخدامها) لتغطية احتياجات الطّاقة لجميع بني البشر.

الضّوء عبارةٌ عن أمواجٍ من الطّاقتين الكهربائيَّة والمغناطيسيَّة، تتكوَّن من جُسيماتٍ صغيرة جداً تُسمّى الفوتونات، ويُمكن استخدام تقنياتٍ وأنواع مُحدّدة من المادة للاستفادة من الفوتونات في إنتاج الطّاقة الكهربائيّة أو الحراريّة، ومن الأسهل تحويلُها إلى حرارة مُباشرة، إلا أنّ ذلك قد لا يَفي الاستخدامات المطلوبة لها. ويُمكن الحصول على الحرارة بوضع طبقةٍ زُجاجيّةٍ فوق مادّة معدنيَّة، وبالاستفادة من خواص الفلزّات النّاقلة للحرارة يمكن بسهُولة تجميع حرارة الشّمس والاستفادةُ منها في تسخين الهواء أو المياه للاستعمالات المنزليَّة، كما في السّخانات الشمسيّة.

تُستخدم المواد شبه المُوصلة لإنتاج الخلايا الشمسيّة التي تحصلُ على الكهرباء ، إذ تُعتبر مادة السّيليكون الأكثر شيوعاً في صناعتها، وذلك لأنّ السّيليكون من المواد المُوصلة للحرارة والتي لديها قدرةٌ على الثّبات والحفاظ على خصائصها في الظّروف الجويّة المُحيطة، ولكنَّه بالمُقابل ليس مُوصلاً قويّاً جدّاً، ممَّا يجعلهُ مثاليّاً للاستخدام في الخلايا الشمسيّة، وذلك بالإضافة إلى توفر السّيليكون بكميّات كبيرة في الطّبيعة، وكلفته المُنخفضة مُقارنةً بالمواد الأُخرى، وتتمُّ الاستفادة من فرق الجُهد للحصول على إلكتروناتٍ مشحونةٍ من شرائح السّليكون النقيّة عندَ إسقاط ضوء الشّمس عليها.

صناعة خليّة شمسيّة من موادّ أوليّة بسيطة

آلية عمل الألواح الشمسيّة

عندما تتعرّض الخلايا الشمسيّة إلى أشعّة الشّمس تعمل الفوتونات الضوئيّة إلى تحميل طاقتها إلى الإلكترونات في القطب المُوجب للسّيليكون ممّا يُؤدّي إلى تأيُّنها، أي اكتساب ذرّاتها لشحنة كهربائيّة، وعندها تتحرك الإلكترونات - التي تتركُ الذرّات المشحونة - بين الأقطاب مُحدثةً تيّاراً كهربائيّاً مُستمرّاً، فينتقلُ عبر الأسلاك إلى مِصباحٍ كهربائيٍّ (مثلاً) ويعمل على تشغيله.

المواد

يُمكن الاستفادة من المُكوّنات الآتية:

• رقائق من عنصر من مادّة شبه مُوصلة؛ إحداها تحملُ شحنةً موجبةً والأخرى تحمل شحنةً سالبةً، هنا تجدر الإشارة إلى أنّ المواد شبه المُوصلة تُعالَج كيميائيّاً قبل استخدامها. في العادة، المادّة الأساسيّة لبناء اللّوح الشمسيّ هي رقائق السّيليكون المُبلورة، وإمّا أن تكونَ أحاديّة أو مُتعدّدة التّبلور.
• جهازٌ ضابط للشُّحنة (بالإنكليزية: Charge controller).
• أسلاك لنقل التيّار الكهربائيّ.
• حِمل كهربائيّ أو بطّاريات لتخزين الطّاقة.
• عاكسٌ كهربائيّ (لتحويل التّيار من المُتردّد إلى المُتناوب).
• غلاف زجاجيّ بهدف حمايتها من العوامل الجويّة المُحيطة والعوامل الخارجيّة، مثل الحيوانات.
• قطعتان من الزّجاج المصقول بنفس الحجم.
• قلم رصاص.
• آفوميتر (أداة لقياس الجُهد والتيّار الكهربائيَّيْن).
• لاصق شفّاف.

طريقة الإعداد

يُمكن اتّباع الخطوات الآتية لصناعة لوحٍ شمسي:

• يتمّ تركيب اللّوح الشمسيّ بإلصاق الألواح الزجاجيّة مع رقائق السّيليكون، ويتطلَّبُ ذلك استعمال موادٍّ خاصّةٍ.
• يُوصَل العاكس الكهربائيّ مع البطاريّة بمجموعةٍ من الأسلاك، بحيثُ يتمّ وصل الأسلاك السلبيّة مع الأقطاب السلبيّة والعَكْس.
• يُوصَل جهاز ضبط الشّحنة مع البطاريّة من جهة ومع اللّوح الشمسيّ من الجهة الأُخرى، وذلك بمجموعة من الأسلاك.
• يُمكن تمديد أسلاكٍ إضافيّةٍ لربط البطاريّة بأجهزة مُحدّدة داخل المنزل.
• يوضع اللّوح الشمسيّ في الخارج بمكانٍ تتوفَّرُ فيه الكثير من أشعة الشّمس، بحيث يُمكن أن يبدأ بالعمل.

أوّل خليّة شمسيّة في التّاريخ

يعود ابتكار الخلايا الشمسيّة إلى العام 1839 عندما توصَّل عالم الفيزياء الفرنسي ألكسندر إيدموند بكويلير إلى اكتشافٍ مُهمّ، وكان وقتها شابّاً صغيراً في التّاسعة عشر من العُمر، إلا أنَّه تمكّن من اختراع الإلكترود؛ وهو أداةٌ قادرةٌ على تحويل أشعّة الضّوء إلى طاقة كهربائيّة بإسقاطها على شرائحَ من عناصرَ مُعيّنةٍ. ومن ذلك التّاريخ بدأت التّجاربُ المُتسلسة للتوصّل إلى إنتاج الطّاقة الكهربائيّة والاستفادة منها بشكل عمليّ من طاقة الشّمس؛ ففي عام 1888 حصلَ إدوارد ويستون على أول براءة اختراعٍ في الولايات المُتّحدة لصناعة الخلايا الشمسيّة، واستمرّت عمليّات التّطوير ولا تزال حتّى هذا اليوم لإنتاج خلايا شمسيّة بكفاءةٍ أعلى على توليد الكهرباء وبكلفةٍ أقلّ، وأحدث الأبحاث تجري حاليّاً باستخدام تكنولوجيا النّانو .

إيجابيات استخدام الخلايا الشمسيّة

من مزايا الطّاقة الشمسيّة ما يأتي:

• إنتاج الطّاقة من خلال أشعة الشّمس والتي تُعتبر مَصدراً لا ينضب للطّاقة.
• تُعتبر الطّاقة المُنتَجة صديقة للبيئة؛ فهي نظيفة بدون مُخلّفات أو آثار جانبيّة على البيئة.
• بمُجرّد تركيب الخلايا الشمسيّة وتوصيلها تبدأ عملها، ولا تحتاج إلى مُشغّل.
• الخلايا الشمسيّة لا تحتاج إلى صيان إلكترونيّة.
• يُمكنها نقلُ الطّاقة مُباشرةً إلى مكان استعمالها دُون الحاجة لتخزينها أو نقلها لمسافاتٍ طويلة (في حالة الاستعمالات المنزليّة).

أنواع الخلايا الشمسّية حسب تركيبها

تُوجد العديد من أنواع الخلايا الشمسيّة التي تُصنَّع لمُلاقاة مُتطلَّبات مُعيّنةٍ، ومن أشهرها:

• خلايا السّيلكيون أُحادي التّبلور: وهي الخلايا الأعلى كفاءة، شائعة الاستخدام على أسطح المنازل، تحتوي على كميّات سيليكون عالية وذات نقاءٍ كبير جدّاً، فهو لا يكونُ مخلوطاً سوى بنسبٍ صغيرةٍ من عناصرَ أُخرى، وكفاءتها هي الأكبر بين جميع أنواع الخلايا الشمسيّة ، لكنها تُعتبر غالية الثّمن نسبيّاً. شكلها رباعيّ، وكفاءة العمل تصل من 16%إلى 20%، وتحتاج إلى مساحة قليلةٍ، والعمر الافتراضيّ لها طويل.
• خلايا السّيليكون مُتعدّد التّبلور: تُعتبر أقلّ كُلفة ولكن الكفاءة في إنتاج الكهرباء أيضاً هي أقل، شكل الخليّة مُنحينة في مستطيل طويل، وكفاءة العمل تصل من 13% إلى 16%، تحتاج إلى مَساحات أكبر لتعمل فيها. وقد كانت أول خلايا شمسيّة بدأ تصنيعُها بكميّات تجاريّة، وكان ذلك في عام 1981.
• الخلايا الشمسيّة الحراريّة (السّخانات الشمسيّة): تُستخدم لتسخين الماء مُباشرةً للاستخدام المنزليّ أو في بِرَك السّباحة ، وأيضاً يُمكن استخدام الماء النّاتج في المُكيّفات بربط الدّارة بهذه الخلايا، وهي تُسخّن ألواحاً من الفلزّات مُباشرةً وتنقلُ الحرارة منها إلى الماء أو الهواء.