كيف تصنع لوح شمسي

اللوح الشمسي هو جهاز ينتج الكهرباء من ضوء الشمس، عن طريق تحويل الطاقة الضوئية إلى كهرباء أو طاقة حرارية، أو عن طريق تحفيز ضوء الشمس لإحداث تفاعلات كيميائية معينة، وتعتبر الطاقة من الألواح والخلايا الشمسية طاقة طبيعية متجددة؛ مصدرها هو الشمس التي لا تنضب عمليا، وهى نظيفة وصديقة للبيئة.

تعد الشمس أكبر مصدر للطاقة بالقرب من الأرض، لكن قوة أشعتها عند وصولها إلى سطح الأرض صغيرة جدًا مقارنة بطاقتها الأصلية، نظرًا لانتشارها في الفضاء وامتصاصها لبعض طاقة الأرض، الغيوم، والغلاف الجوي.

 ومع ذلك، تظل كمية الطاقة التي يتلقاها سطح الأرض من الشمس كافية (إذا تم إدارتها واستخدامها بشكل صحيح) لتلبية احتياجات الطاقة لجميع الناس.

الضوء عبارة عن موجات من الكهرباء والطاقة المغناطيسية مكونة من جسيمات صغيرة جدًا تسمى الفوتونات، ويمكن استخدام تقنيات وأنواع معينة من المادة لاستخدام الفوتونات في إنتاج الكهرباء أو الحرارة ويسهل تحويلها إلى حرارة مباشرة، ولكن التطبيقات المطلوبة قد لا تكون كذلك.

 و يمكن أن يكون الحصول على الحرارة عن طريق وضع طبقة من الزجاج على مادة معدنية، وباستخدام خصائص المعادن الموصلة للحرارة، فمن السهل تجميع الحرارة من الشمس واستخدامها لتسخين الهواء المنزلي أو الماء، كما هو الحال في السخانات الشمسية. 

تُستخدم مواد أشباه الموصلات في تصنيع الخلايا الشمسية التي تحصل على الكهرباء، حيث أن السيليكون هو المادة الأكثر استخدامًا في إنتاجه، حيث أن السيليكون مادة موصلة للحرارة لها القدرة على الثبات والاحتفاظ بخصائصها في الظروف الجوية المحيطة ولكن في المقابل لا يعتبر موصل قوي للغاية مما يجعله موصل قوي للغاية ومثالي للاستخدام في الخلايا الشمسية، بجانب توافر السيليكون بكميات كبيرة في الطبيعة وتكلفته المنخفضة مقارنة بالمواد الأخرى والفرق المحتمل الذي يخدمه الحصول على إلكترونات مشحونة من شرائح السيليكون النقية عند سقوط ضوء الشمس عليها.

آلية عمل الألواح الشمسية 

عندما تتعرض الخلايا الشمسية لأشعة الشمس، تقوم الفوتونات بشحن طاقتها على إلكترونات في القطب الموجب للسيليكون، مما يؤدي إلى التأين، أي أن ذراتها تكتسب شحنة كهربائية، ثم الإلكترونات – التي تغادر الذرات المشحونة – تحرك نفسها، و تمر عبر الأسلاك إلى مصباح كهربائي (على سبيل المثال) وتقوم بتشغيله.

المواد

 يمكن استخدام العناصر التالية: 

• رقائق عنصر من مادة شبه موصلة،  أحدهما يحمل شحنة موجبة والآخر سالبة، وهنا تجدر الإشارة إلى أن مواد أشباه الموصلات يتم معالجتها كيميائيًا قبل استخدامها. 

فعادةً ما تكون المادة الأساسية لبناء الألواح الشمسية هي رقائق السيليكون البلورية، وهي أحادية أو متعددة البلورات.

• جهاز التحكم في الشحن (بالإنجليزية ( Charge controller 

• كابلات نقل الكهرباء.

• الحمل الكهربائي أو بطاريات تخزين الطاقة. 

• العاكس الكهربائى (لتحويل التيار المتردد إلى التيار المتناوب).

• غلاف زجاجي للحماية من العوامل الجوية المحيطة والعوامل الخارجية، مثل الحيوانات.

• قطعتين من الزجاج المصقول من نفس الحجم. 

• قلم رصاص. 

• أفوميتر (أداة لقياس الجهد والتيار). 

• لاصق شفاف.

طريقة الأعداد

 لتصنيع الألواح الشمسية، يمكن اتخاذ الخطوات التالية:

1. يتم تجميع الألواح الشمسية عن طريق لصق الألواح الزجاجية بغشاء سيليكون، الأمر الذي يتطلب مواد خاصة.

2. يتم توصيل العاكس بالبطارية عبر مجموعة من الكابلات بحيث يتم توصيل الأسلاك السالبة بالأطراف السالبة والعكس صحيح.

3. يتم توصيل جهاز التحكم في الشحن بالبطارية من جهة وباللوحة الشمسية من جهة أخرى بواسطة مجموعة من الأسلاك. 

4. يمكن تمديد الكابلات الإضافية لتوصيل البطارية بأجهزة معينة في المنزل. يتم وضع الألواح الشمسية في الخارج حيث يوجد الكثير من ضوء الشمس لبدء العمل.

أول خلية شمسية في التاريخ 

 يعود اختراع الخلايا الشمسية إلى عام 1839، عندما قام الفيزيائي الفرنسي ألكسندر إيدموند بكويلير باكتشاف مهم عندما كان شابًا في سن التاسعة عشرة، لكنه تمكن من اختراع الإلكترود.

 إنه جهاز قادر على تحويل أشعة الضوء إلى كهرباء عن طريق إسقاطها على بقع من عناصر معينة. 

منذ ذلك الحين، بدأت التجارب المتسلسلة في توليد الكهرباء واستخدامها عمليًا من الطاقة الشمسية؛ في عام 1888، حصل إدوارد ويستون على أول براءة اختراع في الولايات المتحدة لإنتاج الخلايا الشمسية، وتستمر عملية التطوير وحتى يومنا هذا ينتج خلايا شمسية ذات كفاءة أعلى في توليد الكهرباء بتكلفة أقل، ويتم حاليًا إجراء أحدث الأبحاث في الخارج باستخدام تقنية النانو.

مزايا استخدام الخلايا الشمسية

 من مزايا الطاقة الشمسية ما يلى:

• إنتاج الطاقة من خلال ضوء الشمس، وهو مصدر لا ينضب للطاقة.

• الطاقة المولدة صديقة للبيئة؛ فهي نظيفة ولا تترك بقايا أو آثار جانبية بيئية.

• بمجرد تثبيت الخلايا الشمسية وتوصيلها، تبدأ في العمل ولا تحتاج إلى مشغل. 

• لا تتطلب الخلايا الشمسية صيانة إلكترونية. 

• يمكنه نقل الطاقة مباشرة إلى مكان استخدامها دون الحاجة إلى تخزينها أو نقلها لمسافات طويلة (في حالة الاستخدام المنزلي).

أنواع الخلايا الشمسية حسب تركيبتها 

هناك أنواع عديدة من الخلايا الشمسية يتم تصنيعها لتلبية متطلبات محددة، وأشهرها:

 خلايا السيليكون أحادية التبلور: وهي الخلايا الأكثر كفاءة، والتي يشيع استخدامها على الأسطح، وتحتوي على كميات كبيرة من السليكون وذات نقاوة عالية جدًا، يتم خلطها بنسبة قليلة فقط من العناصر الأخرى، وكفاءتها هي الأعظم من بين جميع أنواع الخلايا الشمسية، ولكنها تعتبر باهظة الثمن نسبيًا.

 لها شكل مربع، كفاءة العمل من 16٪ إلى 20٪، تشغل مساحة صغيرة ولها عمر خدمة طويل.

خلايا السيليكون متعددة التبلور: تعتبر أرخص، لكن كفاءة توليد الكهرباء أقل أيضًا، وللخلية شكل منحني إلى مستطيل طويل، وتتراوح كفاءة العمل من 13٪ إلى 16٪، وتحتاج إلى سطح أكبر للعمل فيها.

كيف تصنع لوح شمسي

حيث كانت أول خلية شمسية تم إنتاجها بكميات تجارية وكان ذلك عام 1981.

الخلايا الشمسية الحرارية (السخانات الشمسية): تستخدم لتسخين المياه مباشرة للاستخدام المنزلي أو في حمامات السباحة، كما يمكن استخدام المياه المنتجة في المكيفات من خلال ربط الدائرة بتلك الخلايا التي تسخن مباشرة أو تنقل حرارة الألواح المعدنية من الهواء إلى الماء.

مكونات لوح الطاقة الشمسية

على الرغم من اختلاف أحجام وأنواع الألواح الشمسية إلا أنها تشترك في مكون أساسي وهو السيليكون، حيث تتكون الألواح الشمسية من مزيج من خلايا السيليكون التي تولد الكهرباء وتختلف في طريقة تشكل السيليكون ودرجة نقاءه  فبعضها مصنوعة من أحادي السيليكون وغيرها من البولي سيليكون.

 يتم إنتاج الألواح الشمسية من خلال عملية تعرف باسم التبخير المشترك للمواد الكيميائية في إنتاج الألواح الشمسية، حيث ظهرت مؤخرًا مواد أخرى تتنافس مع السيليكون من حيث الكفاءة والتكلفة، مثل خلايا  الكادميوم تيلورايد وخلايا الإنديوم و خلايا سيلينيد إنديوم الجاليوم.

مكونات النظام الشمسي:

 تتكون الخلايا الشمسية من عدة مكونات أساسية وهي: 

الألواح. 

أجهزة التثبيت والتركيب. DC 

محولات التيار المتردد. 

محددات الطاقة الشمسية التي تحرك الألواح الشمسية تلقائيًا أثناء النهار بحيث تكون دائمًا في مواجهة الشمس مباشرة.

 مفاتيح الفصل للمستخدمين. 

التوصيلات السلكية وقواطع الدائرة.

 عدادات الطاقة.

المواد التي تُصنع منها الخلايا الشمسية

هناك العديد من مواد أشباه الموصلات المختلفة المستخدمة في الخلايا الشمسية، بما في ذلك ما يلي: (السيليكون)؛كما ذكرنا من قبل السيليكون هو المادة الأكثر استخدامًا في الخلايا الشمسية.

 فاليوم، توفر خلايا السيليكون الشمسية كفاءة عالية وتكلفة منخفضة وعمر خدمة طويل.

 تتمتع هذه الخلايا بعمر تشغيلي يبلغ 25 عامًا أو أكثر وستنتج أكثر من 80 ٪ من طاقتها الأولية بعد ذلك الوقت.
رقائق الخلايا الشمسية: (طبقة ضوئية رقيقة)؛ تتكون الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة عن طريق وضع طبقة رقيقة أو أكثر من المواد الكهروضوئية على مادة داعمة مثل الزجاج أو البلاستيك أو المعدن.

 الخلايا الكهروضوئية العضوية: (الضوئيات العضوية)؛ يمكن تصميم الخلايا الكهروضوئية العضوية (OPVs)، المصنوعة من البوليمرات الغنية بالكربون، لتحسين وظيفة معينة للخلية، مثل الحساسية لنوع معين من الضوء.

فيكون عمر الخدمة أقصر من السيليكون، ولكن تكلفة أقل إذا تم إنتاجها بكميات كبيرة.

دراسة جدوى مشروع استثمار الطاقة الشمسية 2020

مبدأ عمل لوح الطاقة الشمسية

مبدأ تشغيل الألواح الشمسية هو تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، حيث تستقبل الخلايا الكهروضوئية التي تتكون منها لوحة الطاقة الشمسية  لاستقبال  فوتونات الضوء التي تحرك الإلكترونات التي تولد الكهرباء من حركتها. 

تتكون الخلايا الكهروضوئية من لوحين سيليكون متعارضين، بينهما يتشكل الحقل بسبب الأقطاب المختلفة، ينشأ هذا المجال لأن كل لوحة سيليكون مزودة بإلكترونات موجبة أو سالبة، وعندما تمتص الخلية الكهروضوئية فوتونات الضوء وتسلمها إلى الإلكترونات، فإنها تدفع الإلكترون للابتعاد عن رقاقة السيليكون التي تم تجميعها في ألواح معدنية بجوار رقاقة السيليكون ليتم نقلها عبر الأسلاك.

حيث إنها تولد كهرباء مماثلة لتلك التي يولدها أي مصدر للطاقة. 

فوائد الطاقة الشمسية 

• يجلب استخدام الألواح الشمسية العديد من الفوائد، المادية والبيئية، مثل: 

• توفير كبير في فاتورة الكهرباء.

• تساعد في تقليل التلوث حيث أن الطاقة المولدة من الألواح الشمسية هي طاقة نظيفة لا تتطلب حرق الزيت في عملية إنتاجها.

• تقوم بزيادة القيمة المادية لمنزلك أو منشأتك التي تعمل بالطاقة الشمسية.

• استثمار آمن.

• الطاقة الشمسية هي مصدر للطاقة المتجددة.

 الخلايا الشمسية واستخداماتها

مشروع محل نظارات طبية و شمسية
الخلايا الشمسية: هي جهاز يحول الطاقة الضوئية مباشرة إلى كهرباء باستخدام التأثير الكهروضوئي، وتسمى أيضًا الخلية الكهروضوئية، وتملك أي أجزاء متحركة. 

يمكن أن تأتي الخلايا الشمسية على شكل تكوينات صغيرة تسمى ألواح الخلايا الشمسية، والتي تستخدم في المنازل لتحل محل مصادر الطاقة التقليدية، وتستخدم هذه الألواح أيضًا في العديد من المواقع الجغرافية البعيدة حيث يصعب توفير مصادر الطاقة التقليدية فيها.

يمكن أن تأخذ الخلايا الشمسية شكل مجموعات كبيرة تسمى (المصفوفات) تتكون من عدة آلاف من الخلايا الفردية وتستخدم لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء لتوزيعها على المناطق الصناعية والسكنية والتجارية عبر محطات كهربائية مركزية وتستخدم الخلايا الشمسية أيضًا في تشغل معظم المركبات والأجهزة الفضائية مثل المحطات الفضائية والأقمار الصناعية لأنها لا تستهلك الوقود، ولأنها مستقرة ولا تتطلب صيانة مستمرة، وتستخدم أيضًا في إنتاج الألعاب الإلكترونية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الراديو المحمولة وغيرها من الأجهزة.

تركيب الخلايا الشمسية

تحتوي الخلايا الشمسية على مواد شبه موصلة (مثل السيليكون وفوسفيد الإنديوم والنحاس وسيلينيد الإنديوم) التي تحول طاقة ضوء الشمس إلى كهرباء، وتحتوي بشكل أساسي على طبقة مضادة للوهج لتقليل فقد الضوء، وعادة ما تتكون الطبقة المضادة للوهج من السيليكون أكسيد أو تنتالوم أو تيتانيوم، والذي يتشكل على سطح الخلية عن طريق طلاء الدوران أو تقنية الترسيب بالفراغ، وهناك ثلاث طبقات رئيسية تحت الطبقة المضادة للانعكاس: الطبقة الموصلة العلوية، الطبقة الممتصة،

والطبقة الخلفية.

 تحتوي الخلية أيضًا على طبقتين كهربائيتين موجبتين وسالبين، طبقة تلامس كهربائية (موجبة) تقع على سطح الخلية وتتكون من قطعة مأخوذة من بلورات سيليكون واحدة وبعض الشوائب من عنصر ثلاثي التكافؤ مثل البورون وملامس كهربائي خلفي طبقة (سالبة)، وتتكون من السيليكون النقي وتضيف إليها بعض الشوائب من عنصر خماسي التكافؤ مثل الفوسفور، وتعمل الطبقتان معًا لنقل الكهرباء من وإلى الخلية الشمسية.

تطور الخلايا الشمسية

 قام العالم (بيكرل) عام 1839 بدراسة تأثير الضوء على بعض المعادن والمحاليل وخصائص التيار الكهربائي الناتج عنها، حيث لاحظ التأثير الكهروضوئي عليها، واثنين من العلماء (آدم وسميث) في عام 1877 أظهر لأول مرة مفهوم الناقل الكهروضوئي، و في عام 1883 تمكن عالم (فريتز) من تثبيت أول خلية شمسية من السيلينيوم، ومع تطور نظرية ميكانيكا الكم، تمكن العلماء من شرح الظواهر المتعلقة بالكهرباء الضوئية، كظاهرة الحساسية الضوئية لمواد مثل السيليكون وأكسيد النحاس وكبريت الرصاص والكبريت الثاليوم، وفي عام 1941 تم إنتاج أول خلية شمسية من السيليكون بكفاءة أقل من 1٪، وتم إنتاج بطارية في منتصف الخمسينيات.

فقد تم تصنيع بطارية شمسية فعالة بنسبة 6٪، وتم اختراع خلايا شمسية رقيقة من كبريتيد الكادميوم وكبريتيد النحاس، وتتراوح الطاقة التي تنتجها الخلايا من ملي واط إلى كيلوواط، وحدث تطور الخلايا الشمسية في السبعينيات والثمانينيات؛ بفضل تطور العلوم، أصبحت البنية المجهرية لأشباه الموصلات والخلايا الشمسية (الكهروضوئية) من أهم الأساليب العلمية وأكثرها طموحًا في هذه الفترة، والتي بفضلها يمكن توليد الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة في الطبيعة (طاقة شمسية). 

ومع زيادة استهلاك الطاقة تم إنشاء مجمعات الخلايا الشمسية (المصفوفات( والتي ساهمت بشكل كبير في خفض تكاليف الطاقة بشكل معقول، وبلغ إنتاجها عشرات الميجاوات.

كيف تصنع لوح شمسي

كيفية تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء

 تبعث الشمس ما يقرب من 3.846 × 1026 وات من الطاقة الموزعة على سطح الأرض كضوء أو إشعاع آخر، ويتم استخدام الطاقة المنقولة عن طريق تجميع الضوء المشع وتحويله مباشرة إلى حرارة أو كهرباء من خلال التحويل الكهروضوئي .

حيث يمكن تعريف التحويل الكهروضوئي على أنه قدرة المادة على إصدار إلكترونات عند تعرض الضوء لها، حيث تُستخدم هذه العملية في الخلايا الشمسية. 

 كيفية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية 

يمكن استخدام حرارة أشعة الشمس من خلال تغطية الأسطح الساخنة بألوان داكنة أو سوداء لزيادة امتصاص السطح لأشعة الشمس، وتستخدم هذه الطريقة في البلدان ذات درجات الحرارة المنخفضة، وعملية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية   كما هو الحال في  جهاز السخان الشمسي  حيث يوجد الكثير من الحرارة، حيث يحتفظ السخان الشمسي بالطاقة الشمسية، ويمتص الماء الموجود في الأنابيب الحرارة وبالتالي يتم تسخينه. 

تطبيقات الخلايا الشمسية

 أدى التقدم في الخلايا الشمسية إلى جعل العديد من التطبيقات ممكنة، بما في ذلك: إضاءة الشوارع: حيث يتم استخدام ضوء الشمس أثناء النهار ويتم شحن البطاريات الخلوية للعمل في الليل.

 مبردات الأدوية واللقاحات: تم تصميم هذه التكنولوجيا للسماح للعاملين في مجال الرعاية الصحية في المناطق النائية التي لا حول لها ولا قوة لإدارة الأدوية للمحتاجين. 

الأفران: تعكس هذه الأفران أشعة الشمس المستخدمة في طهي الطعام.

شواحن الهواتف المحمولة: يتم شحنها من خلال التعرض لأشعة الشمس لعدة ساعات، والتي يمكن بعد ذلك شحن أجهزة متعددة بالكهرباء.

الطلاء: باستخدام الخلايا الكهروضوئية ذات سماكة الضوء، يمكن طلاء المنازل أو السيارات حيث ينتج الجزء المعرض لأشعة الشمس طاقة. 

الخيام: تحتوي الخيام على خلايا شمسية ضوئية تمكنها من توليد الكهرباء وتزويد الخيمة بالطاقة ليلاً لإضاءتها وشحن الأجهزة الكهربائية الصغيرة.

حقائب الظهر: هذه الحقائب مزودة بخلايا شمسية تعيد شحنها من ضوء الشمس عند المشي، وتستخدم هذه الطاقة لشحن أجهزتك المحمولة والكاميرات وغير ذلك.