لقد شرحنا الكثير عن أشعة الشمس،
وعن شبه الموصلات، ولكن متى سنبدأ بالحديث عن تقنية عملية لتحويل الطاقة؟
سنبدأ الآن!
وصلنا إلى تقنية الخلايا الكهروضوئية،
هذه خلية كهروضوئية مصنوعة من السيليكون،
وهي المادة الأوسع استخدامًا في صناعة الخلايا الكهروضوئية اليوم.
وتعمل هذه الخلية تمامًا وفق المبادئ التي عرضناها سابقًا.
ضوء الشمس الذي يضيء الخلية يضيف طاقة للإلكترونات الموجودة في المادة،
بنية وصلة البي إن الموجودة داخل الخلية تدفع الإلكترونات باتجاه واحد،
حتى نتمكن من إخراج الإلكترونات هناك نقطتا تماس كهربائيتان من المعدن،
النقطة الخلفية هي عبارة عن طبقة معدنية على سطح الخلية، أما النقطة الأمامية فقد صنعت من شبكة من الخيوط المعدنية الرفيعة.
لماذا شبكة؟
لماذا لم نستخدم سطحًا معدنيًا كاملاً؟
لأنه يجب أن نسمح لأشعة الشمس بالدخول إلى شبه الموصل، ولذا فتتم تغطية
سطح الخلية بأقل عدد ممكن من الخيوط المعدنية. نقطتا التماس
تقومان بوصل الخلية بالعالم الخارجي.
وعندها يمكن الحصول على تيار كهربائي يخرج من الخلية ويذهب إلى مستهلك الكهرباء أو إلى شركة الكهرباء.
يمر الكهرباء عادة في دارة مغلقة، أي أن مقابل كل إلكترون
يخرج من الخلية هناك إلكترون آخر يعود إلى الخلية من خلال نقطة التماس الأخرى.
كيف يمكننا كسب الطاقة إذن إن كان كل إلكترون يخرج يعود فيما بعد؟
يخرج الإلكترون من الخلية محملاً بطاقة عالية ويعود بكمية منخفضة من الطاقة،
وعندها نحصل على صافي الطاقة التي تم نقلها للمستهلك.
الفرق بين الإلكترونات التي تخرج وتلك التي تعود يتمثل في الجهد الكهربائي للخلية.
يمكن حساب القدرة التي تنتجها خلية كهروضوئية إن قمنا بقياس التيار
والجهد الكهربائي في نقطتي التماس الكهربائي.
ما هو التيار في الجهد؟
إن المقصود بالتيار هو عدد الإلكترونات التي قمنا
بتحريرها بواسطة ضوء الشمس وإخراجها من الخلية عبر نقطة التماس في وحدة زمن.
أما المقصود بالجهد فهو كمية الطاقة التي يمكن لكل واحد من هذه الإلكترونات
تزويد المستهلك الخارجي بها.
وهكذا فإن القدرة الكهربائية تساوي حاصل ضرب التيار في الجهد.
ولكن هناك علاقة بين التيار والجهد.
لنأخذ مثالاً بسيطًا يكون فيه الجهد لدى المستهلك الخارجي مساويًا لحاصل ضرب التيار في الثابت.
يعرف هذا السلوك بالمقاوم الكهربائي أما الثابت فهو خاصية للمقاوم تسمى المقاومة الكهربائية.
يجب أن تتوصل الخلية الكهروضوئية والمقاوم الآن لاتفاق حول
ائتلاف الجهد والتيار المناسب لكليهما.
إن قمنا بوصل الخلية بمقاومات مختلفة فسنحصل على أزواج مختلفة من الجهد والتيار،
يمكن تمثيل جميع الأزواج الممكنة في رسم بياني يقارن التيار بالجهد،
وهكذا نحصل على منحنى تيار جهد الخلية.
يتم عادة تعليم النقطتين النهائيتين على على هذا المنحنى، في أحد الطرفين هناك جهد لا حمل،
ويحدث هذا عندما نضع مقاومًا مقاومته عالية جدًا وعندها فإن التيار سيكون 0 تقريبًا.
أما الطرف الثاني للمنحنى فيسمى تيار قصر،
إن قمنا بوصل مقاوم مقاومته 0 فسنحصل على أشد تيار ممكن.
لكل نقطة على منحنى التيار/الجهد هذا يمكننا حساب القدرة الكهربائية التي تخرج
من الخلية وذلك بضرب التيار في الجهد وهكذا نحصل على منحنى القدرة
حسب الجهد ويمكننا أن نرى أن هناك نقطة واحدة على هذا المنحنى تعطينا القدرة القصوى.
وتسمى هذه النقطة بالإنجليزية ״ماكسيموم باور بوينت״ ويرمز لها باختصار: MPP.
نحن نريد أن نعمل دائمًا في نقاط القدرة القصوى.
في هذه النقطة نحصل على أعلى منفعة من الخلية.
يمكننا الآن تعريف كفاءة الخلية،
كفاءة الخلية تساوي القدرة القصوى ضرب قدرة الأشعة الشمسية الساقطة على الخلية.
ماذا سيحدث إن كان هناك اختلاف في فيض الشمس الساقط على الخلية.
في هذه الحالة فإن كل منحنى الجهد والتيار يجب أن يتحرك اعتمادًا على ذلك،
مثلاً، إذا انخفض فيض أشعة الشمس إلى نصف الكمية التي كان عليها سابقًا فإن جميع التيارات
ستنخفض بالنصف تقريبًا كما أن الجهد سينخفض قليلاً مقارنة بما كان عليه.
أي أن نقطة القدرة القصوى يمكن أن تتغير ولذا فإن اختيار المقاوم
الأفضل سيكون مختلفًا.
هذا صحيح، وعندها لا يمكن تشغيل الخلية الكهروضوئية بحد ذاتها إذ لا بد من
نظام ضبط ما يقوم بمواءمة الاتصال بالحمل الكهربائي.
تحدثنا عن الخلايا المصنوعة من السيليكون، وينبغي أن نذكر أن هناك أنواعًا مختلفة من السيليكون.
السيليكون أحادي البلورية، كهذه الخلية،
والسيليكون متعدد البلورية والسيليكون اللا بلوري، كهذا.
ويبدو كل نوع من أنواع السيليكون مختلفًا عن الأنواع الأخرى كما أن خواصه مختلفة.
ولكن بالإضافة للسيليكون فإن هناك مواد أخرى يتم استخدام بعض منها في
صناعة الطاقة الشمسية وهناك خلايا كهروضوئية مصنوعة من مواد أخرى.
كما أن بعض هذه المواد لا زال قيد التطوير وربما تم في المستقبل
إدخالها لهذه الصناعة.
الخلايا الأكثر تطورًا اليوم تسمى الخلايا ״متعددة الوصلات״ كما هي هذه الخلية.
في خلية كهذه هناك عدد من الوصلات المصنوعة من مواد مختلفة.
وتقوم كل وصلة بالتقاط فوتونات تحتوي على طاقة معينة ثم تقوم بنقل الطاقة المتبقية إلى الوصلة التالية.
إن كفاءة الخلايا متعددة الوصلات مرتفعة جدًا لأن كل فوتون
يجد المادة الملائمة لإنتاج إلكترون ولإنتاج تيار.
وقد وصلت كفاءة هذه الخلايا اليوم إلى 46%، وهي نسبة عالية جدًا،
أما كفاءة خلايا السيليكون فلا زالت حوالي 20%.
ولكن تكلفة هذه الخلايا متعددة الوصلات لا زالت مرتفعة جدًا ولذا
فإنها ملائمة فقط لأنظمة التركيز التي تحتاج إلى سطح صغير نسبيًا من الخلايا.
إن أجرينا مقارنة بين كفاءة الخلايا المختلفة لوجدنا أن هناك تحسنًا في كفاءة الخلايا المصنوعة من كل المواد،
وبعض المواد كالسيليكون قد كادت تصل إلى الحد الأقصى الممكن من الأداء.
ولكن هناك مواد أخرى لا زالت هناك الإمكانية لإحداث تحسن كبير في كفاءتها.
وعدا عن ذلك يتم العمل باستمرار على تطوير مواد جديدة ربما كانت قادرة على القيام بأداء
أفضل مما لدينا الآن.
نحن في مختبر أنظمة الطاقة التابع لكلية الهندسة الميكانيكية.
سنقوم اليوم بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.
ولكن للقيام بذلك نحتاج إلى ضوء شمس.
ماذا نفعل إذن فليس هناك ضوء شمس في المختبر؟
لدينا مصدر ضوء يحاكي ضوء الشمس.
يتكون مصدر الضوء من سطر من مصابيح ״LED״، ينتقل الضوء
عبر العدسة التي تقوم بتنظيم الضوء بحيث يتركز في شعاع موازٍ مشابه لأشعة الشمس المباشرة.
حسنًا، دعينا نشغل الشمس إذن.
نرى الآن أن الضوء منتظم في شعاع موازٍ مشابه
لأشعة الشمس المباشرة وهذا غير خطير لأن الفيض أشد انخفاضًا بكثير.
هذا مكون واحد من مكونات تجربتنا، مصدر الضوء الذي يحاكي ضوء الشمس.
المكون الثاني هو سطر من الخلايا الكهروضوئية المركبة
هنا على هذا اللوح وقد تم توصيلها كهربائيًا على التوالي بواسطة هذه الموصلات المصنوعة من المعدن.
نذكر الآن أن التوصيل على التوالي يعني أن التيار مشترك،
أي أن التيارات التي تتنقل في النظام
تنتقل من خلية لخلية وفي كل خلية تقوم بجمع المزيد من الطاقة
ولذا فإن الجهد يساوي مجموع جهد جميع الخلايا.
حسنًا، سنقوم إذن بتركيب الخلايا داخل الشعاع الضوئي.
المكون التالي في هذه التجربة هو هذا الجهاز.
هذا جهاز قياس يتم وصله بسطر الخلايا وهو قادر على قياس التيار في الجهد كما أنه
قادر على القيام بشيء آخر جميل في الداخل هناك مقاوم قادر على التغير وعندها وفي إحدى
النقاط في الجهاز يمكن مسح عدد من قيم المقاومة الكهربائية من أجل الحصول على أزواج من التيار والجهد
وبواسطة هذه الأزواج نحصل على كامل منحنى الجهد والتيار الذي يميز هذا الجهاز.
وبمجرد الحصول على ذلك يمكننا حساب القدرة وتحديد القدرة القصوى.
فلنقم بتوصيل جهاز القياس بالخلايا.
نقطتا اتصال، واحدة في كل طرف.
نقوم بتشغيل جهاز القياس ونطلب منه
مسح جميع قيم المقاومة الكهربائية ورسم منحنى جهد وتيار.
يحتاج الجهاز إلى عدة ثوانٍ للقيام بالمسح.
حصلنا إذن على منحنيين في جهاز القياس هذا.
المنحنى الأول يعطينا العلاقة بين التيار والجهد.
أما المنحنى الثاني فيعطينا القدرة مقارنة بالجهد.
في المنحنى الثاني يمكننا أن نرى نقطة القدرة القصوى.
وحتى لا نحتاج لإجراء الحساب بأنفسنا فإن النتيجة مكتوبة هنا، القدرة القصوى هي 20.4 ميليواط.
أي 20.4 جزءًا من الألف من الواط.
هذه هي القدرة القصوى للخلايا في ظروف الإضاءة هذه.
والآن سنضيف شيئًا آخر للتجربة، سنضيف عدسة تقوم بتركيز الأشعة.
لقد قمت بتركيب العدسة، يمكن تشغيل الشمس.
العدسة التي أضفناها تقوم بتركيز الأشعة ولذا فالأشعة الآن
أشد بكثير في البؤرة التي توجد فيها الخلايا.
حسنًا، دعينا نرى ما هي كمية القدرة الكهربائية التي يمكننا الحصول عليها من الخلايا عندما يكون الضوء مركزًا.
سنطلب من الجهاز ثانية أي يقوم بمسح منحنى تيار/ جهد،
وننتظر لحظة للحصول على النتيجة.
يمكننا رؤية نتائج القياس،
مرة أخرى لدينا منحنى تيار/ جهد ومنحنى قدرة/ جهد،
على منحنى القدرة /الجهد يمكننا أن نرى القدرة القصوى ويمكن أن نرى هنا
في الجانب أن القدرة القصوى تبلغ 157 ميليواط.
دون تركيز الأشعة أعطتنا الخلايا قدرة قدرها 20 ميليواط.
أما بعد أن قمنا بتركيز الأشعة فقد أصبحت قدرة الأشعة أعلى بكثير – 160 ميليواط تقريبًا.
أي أننا بواسطة تركيز الطاقة حصلنا على قدرة طاقة أعلى بكثير داخل الخلايا،
ولذا فقد حصلنا على قدرة كهربائية أعلى عند الخروج.
رأينا أيضًا من خلال منحنى الجهد/ القدرة أن القدرة تتغير بشكل كبير ولذا فمن
الأهمية بمكان اختيار المقاومة الملائمة من أجل الحصول على قدرة قصوى.
لدينا خلية كهرضوئية مربعة طول ضلعها 15 سم، أجريت عليها تجربة
بفيض أشعة قدره 1,000 واط للمتر المربع.
البيانات التي تم حسابها مسجلة في هذا الجدول،
سلسلة من قيم الجهد والتيار.
لكل نقطة عمل هناك زوجان من الجهد والتيار.
ما نريد حسابه هو نقطة القدرة القصوى في الخلية.
ما هي درجة الكفاءة في نقطة القدرة القصوى
بطبيعة الحال وما هو حجم المقاوم الذي يتعين تركيبه حتى تتمكن الخلية من العمل في نقطة القدرة القصوى؟
لتحديد القدرة القصوى علينا أن نأخذ أولاً كل من هذه الأزواج
أي نقاط القياس وحساب القدرة التي نحصل عليها في كل من هذه النقاط.
تساوي القدرة حاصل ضرب الجهد، ويقاس بالفولت، في التيار، ويقاس بالأمبير، والناتج هو القدرة، وتقاس بالواط.
هذه هي القدرة بوحدة قياس واط وهكذا فبإمكاننا
إيجاد حاصل ضرب كل زوجين لحساب القدرة.
سأقوم بتسجيل حاصل ضرب كل زوجين هنا.
عادة عندما نقوم بإجراء قياس كهذا فإننا نأخذ عددًا أكبر بكثير من النقاط،
كما رأينا في تجربة المختبر، أما هنا فقد أخذنا عددًا قليلاً من النقاط لتبسيط المثال.
والآن يمكننا تأمل الجدول وطرح السؤال التالي: أين حصلنا على قدرة قصوى؟
نرى أن هذه هي نقطة القدرة القصوى.
القدرة في هذا الجدول تعطينا القيمة الأعلى: 3.9 واط.
حتى نجعل الخلية تعمل في نقطة القدرة القصوى يتعين علينا
توصيلها بمقاوم ملائم لهذا الزوج من الجهد والتيار يمكن
أيضًا أن نرى في منحنى التيار/ الجهد، قمنا هنا بتحديد جميع نقاط القياس ومن بين
هذه النقاط هذه هي نقطة القدرة القصوى.
والآن يمكننا أن نتساءل عن نوع المقاوم الذي نحتاجه حتى تعمل الخلية بالفعل بنقطة الطاقة القصوى.
كما تعلمنا، يمكن تمثيل المقاوم بخط مستقيم يمر في نقطة الشغل، ثنائي الجهد والتيار.
يمكن حساب مقاومة المقاوم بتقسيم الجهد على التيار في نقطة الشغل .
في هذه الحالة 0.65 فولت تقسيم
6 أمبير لنحصل على قيمة المقاومة وهي 0.108 أوم.
هذا هو إذن حجم المقاوم الذي نحتاجه لكي تعمل الخلية الكهروضوئية بنقطة القدرة القصوى.
والآن يمكننا حساب الكفاءة.
الكفاءة تساوي القدرة التي حصلنا عليها من الخلية
وقد قمنا بحسابها تقسيم قدرة الأشعة التي تدخل إلى الخلية ولم نقم بحسابها بعد.
يتعين علينا أولاً حساب مساحة الخلية وبناءً عليه نقوم بحساب القدرة.
ولكون الخلية مربعة فإن المساحة هي
مربع ضلع الخلية بالمتر، حتى لا نواجه صعوبة في الوحدات،
لنجد أن المساحة تساوي 0.0225 متر مربع.
والآن يمكننا حساب القدرة الداخلة إلى الخلية، أي قدرة الأشعة الساقطة على الخلية.
وهذا هو فيض الأشعة: 1,000 واط للمتر المربع ضرب
مساحة الخلية التي قمنا بحسابها قبل لحظات، لنجد أن القدرة الداخلة
إلى الخلية قدرها 22.5 واط والأن نصل أخيرًا إلى الكفاءة.
الكفاءة تساوي القدرة الكهربائية التي حصلنا عليها من الخلية وتساوي 3.9 واط تقسيم
قدرة الأشعة الساقطة على الخلية وتساوي 22.5 واط والنتيجة هي 17% تقريبًا.
هذه هي الكفاءة التي حصلنا عليها من الخلية.