أين وصلنا وإلى أين نتجه في مجال الطاقة الشمسية؟

solar-cell-1

دكتور حازم فلاح سكيك   –   جامعة الأزهر – غزة

يتفق معظم الخبراء ان لدينا اخر محاولة للحد من التأثيرات السلبية المؤثرة على المناخ وإننا بحاجة إلى ان نتخلص من الوقود الاحفوري للحفاظ على البيئة والاعتماد على الطاقة المتجددة. في السابع من شهر يوليو من هذا العام 2015 أعلن الرئيس الأمريكي أوباما عن مبادرة جديدة لزيادة الاعتماد على الطاقة الشمسية لكل الأمريكيين. ان الجهود المبذولة في مجال الطاقة المتجددة سوف تساعد الولايات المتحدة في تطوير برامج الطاقة الشمسية حيث تم تثبيت 300 ميجاوات من الطاقة المتجددة في المساكن الاتحادية المدعومة، كما تم إقامة أكثر من 260 مشروعا للطاقة الشمسية في 20 ولاية من الولايات الامريكية، بالإضافة إلى توفير التدريب اللازم للمهندسين والطواقم الفنية للعمل في مجال الطاقة الشمسية.
ان طاقة الشمس غير محدودة ومصدر للطاقة النظيفة والمجانية، ومقدار الطاقة التي تصل الأرض من الشمس في الساعة الواحدة تساوي مقدار الطاقة المستخدمة على الكرة الأرضية في عام واحد. حتى الان ومع ازدياد سعة الخلايا الفوتوفولتية وانخفاض تكلفة تصنيعها بشكل كبير في الفترة من 2008 إلى 2013 الا ان 1% من الطاقة المنتجة في الولايات المتحدة تعتمد على الطاقة الشمسية حسب اخر تقرير صدر عن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT.

لكي تلعب تكنولوجيا الخلايا الفوتوفولتية دورا رئيسيا ومنافسا في سوق انتاج الطاقة فانه يجب ان توفر الطاقة الكهربية بشكل وفير وبسعر معقول، مع أدني مستوى من التلوث البيئي مقارنة مع محطات توليد الطاقة الكهربية التقليدية.

اين تقف الطاقة الشمسية في يومنا هذا، وإلى اين يجب ان تتجه لكي نتمكن من الانتقال إلى الطاقة المتجددة؟ دعنا نلقى نظرة على تكنولوجيا الخلايا الفوتوفولتية الشمسية حيث انها توفر معظم الطاقة الكهربية المعتمدة على الطاقة الشمسية في الولايات المتحدة والعالم اجمع.

SolarPanels-303x202هناك ثلاثة اجيال مختلفة تعتمد عليها توليد الطاقة الكهربية باستخدام الخلايا الفوتوفولتية. الجيل الاول من الخلايا الشمسية يتكون من شريحة من السليكون البلورية وهي تشكل ما يقارب 90% من السعة الشمسية المثبتة والمستخدمة حاليا.

تتكون الالواح الشمسية من خلايا شمسية متصلة مع بعضها البعض ومحمية بواسطة الزجاج ومواد أخرى. تصنع الخلايا الشمسية من مواد شبه موصلة تمتص الضوء، مثل السليكون البلوري والذي يحرر الالكترونات عندما تصطدم به فوتونات اشعة الشمس. تجبر الالكترونات لتتدفق خارج الخلية كتيار كهربي مستمر. يستخدم بعد ذلك جهاز عاكس يعرف باسم inverters يقوم بتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد وهو نفس التيار الذي تعمل عليه شبكات تغذية الكهرباء. عدد الخلايا الشمسية وحجمها يحدد مقدار الطاقة الكهربية المتولدة عنها. ولمزيد من المعلومات حول كيف تعمل الخلايا الشمسية اضغط هنا.

تعتبر شريحة السليكون البلورية التي تعتمد على الفوتوفولتيك شريحة غير خطيرة ومتوفرة بكثرة ويمكن الاعتماد عليها، الا انها لا تمتلك قدرة عالية على امتصاص الضوء، ولذلك فان شريحة السليكون يجب ان تكون سميكة وهذا يعزز صلابتها. ان عملية صناعة الالواح الشمسية عملية معقدة ومكلفة نسبيا، وتبلغ كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربية ما يعادل 25% وهي اعلى نسبة تحويل متوفرة للتطبيقات التجارية.

في الخلايا الشمسية المصنعة من طبقة شبه موصلة واحدة يتوقع ان نحصل منها على كفاءة تصل لـ 30% كأقصى حد. هذا لان كل نوع من أنواع اشباه الموصلات يعمل حسب فجوة الطاقة الخاصة به والتي تحدد مقدار الطاقة التي يمكن ان يمتصها ويحولها إلى كهرباء. إذا توفرت طاقة أكثر من ذلك فإنها تفقد على شكل حرارة وهذا يعمل على تقليل كفاءة تحويل الفوتونات إلى إلكترونات. اما إذا كانت الطاقة الممتصة اقل من فجوة طاقة المادة لن نحصل على أية إلكترونات. لذلك فان الثلث يفقد على شكل حرارة وثلث الطاقة تكون اقل من الطاقة المطلوبة لهذا يتبقى 33% بعض منها يفقد على شكل انعكاس ولهذا فان أفضل كفاءة يمكن ان نحصل عليها من هذا النوع من الخلايا الشمسية هو 30%.

استخدمت خلايا فوتوفولتية تحتوي على عدة طبقات من اشباه الموصلات لها فجوات طاقة مختلفة بشكل ترادفي وقد بلغت كفاءة هذا النوع 65% لان لها القدرة على امتصاص مدى أوسع من الطاقة الا ان هذا النوع مكلف جدا.

Thin-film-303x203يتكون الجيل الثاني من الخلايا الفوتوفولتية من خلايا شميسة في صورة أفلام رقيقة تصنع بالأساس من cadmium telluride (CdTe) و copper indium gallium selenide(CIGS)، وكلا التركيبين يحتوي على معادن نادرة وخطيرة. تصنع هذه الخلايا الشمسية بطريقة الترسيب طبقة فوق الأخرى في صورة أفلام رقيقة من مواد فوتوفولتية على شريحة من الزجاج او البلاستيك او المعدن. تمتص هذه الخلايا الضوء بكفاءة تصل لـ 10 مرات وحتى 100 مرة من السليكون لذا يمكن ان تصنع بسمك رقيق جدا في حدود بضعة ميكرون (سمك شعرة الانسان تبلغ 90 ميكرون)، وبالتالي فهي مرنة وخفيفة. تبلغ كفاءتها حوالي 20% ولكن كفاءتها تساوي كفاءة النوع الأول من الخلايا الشمسية. انها تستخدم تجاريا وتثبت على الأرض او الاسقف مثل خلايا السلكيون الفوتوفولتية.

يعتقد الخبراء في مجال الطاقة الشمسية اننا بحاجة إلى ان نحسن كفاءة الخلايا الشمسية حتى يمكن استخدامها على نطاق واسع خصوصا في الدول التي لا تشرق فيها الشمس بصورة كبيرة.

1-whereissolar
خلايا شمسية عضوية قد تكون هي أحد مصادر الطاقة الصديقة للبيئة تثبت على أسطح منازلنا وعلى شاشات الكمبيوتر والأجهزة الذكية.

ان الهدف من الجيل الثالث من أبحاث الخلايا الفوتوفولتية الان هو تحسين كفاءتها وتقليل تكلفتها. تحتوي خلايا الجيل الثالث على مواد عضوية صبغية في داخل الخلايا الشمسية الفوتوفولتية، وتحتوي أيضا على نقاط كمومية او خلايا شمسية تحتوي على معدن بلوري يعرف باسم بروفسكيت perovskite وأكثر من مادة شبه موصلة ومركزات.

الخلايا الشمسية الصبغية عبارة عن خلايا شمسية من أفلام رقيقة تحتوي على جسيمات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم مغطاة بالصبغة التي تمتص اشعة الشمس. انها نوع من الخلايا الشمسية سهلة التصنيع وتستخدم مواد رخيصة الثمن ويمكن ان تعمل في ظل ظروف اضاءة منخفضة وقد بلغت كفاءتها حوالي 12.3%.

الخلايا الشمسية العضوية والتي تعرف أيضا باسم الخلايا الشمسية البلاستيكية تستخدم جزيئات من الكربون من مواد تمتص الضوء. يمكن ان تصنع في صورة فيلم رقيق وبلغت كفاءتها حوالي 11.1%.

اما الخلايا الشمسية من النقاط الكمومية تستخدم بلورات نانوية من مواد شبه موصلة تستفيد من قوانين ميكانيكا الكم. حيث انه يمكن التحكم في حجم الجسيمات النانوية يمكن ان تمتص الطاقة الضوئية من أجزاء مختلفة من الطيف الشمسي تصل لمناطق الاشعة تحت الحمراء والتي تشكل نصف طاقة الشمس. بلغت كفاءة خلايا النقاط الكمومية الفوتوفولتية حوالي 9.2% الا ان تكلفة تصنيعها غير مكلف ويمكن ان تصنع بطرق الرش او الطلاء.

تصنف الخلايا الشمسية البروفسكيت Perovskite من تراكيب بلورية معينة. انها رخيصة وتصنيعها بسيط وبلغت كفاءتها حوالي 20.1% ويمكن ان تصل إلى 31% مما يجعلها واحدة من أكثر التقنيات الواعدة في مجال تقنيات الخلايا الشمسية.

تمتلك خلايا شمسية من النحاس والزنك والقصدير والكبريت نفس خصائص خلايا شمسية من النحاس والانديوم والجاليوم والسلينيد (CIGS) الا انها تستخدم فقط عناصر متوفرة بكثرة وغير سامة. لقد بلغت كفاءتها حوالي 12%.

مؤخرا حصل علماء في السلاح الأمريكي على براءة اختراع لخلية شمسية رقيقة تشتمل على طبقات من الفضة والذهب بين طبقات من اشباه الموصلات، لكن بسمك لا يزيد عن بضعة مئات من النانومتر (شعرة الانسان تبلغ حوالي 80000 نانومتر). انها ارق بمقدار 1000 مرة من الخلايا الشمسية المتوفرة حاليا واقل تكلفة وأكثر تحملا. علاوة على ان الفضة والذهب يمكن الخلية من امتصاص وتحويل طيف فوق بنفسجي وطيف تحت احمر ويسمح الشكل الهندسي للخلية بامتصاص ضوء الشمس بأي زاوية.

باستخدام العديد من العدسات والمركزات لتركيز اشعة الشمس على خلية شمسية صغيرة يمكن ان يعمل على زيادة الكفاءة. وقد بلغت الكفاءة باستخدام المركزات حوالي 46% في تجارب أجريت في المختبر. حيث ان المادة المستخدمة في تصنيع الخلية الشمسية سيكون اقل فان تكلفة المركزات سوف يعمل على تقليل تكلفة الخلايا الشمسية. وتعمل المركزات على تركيز اشعة الشمس بمعدل يصل إلى 300 مرة وقد يصل إلى 1000 مرة على خلية شمسية صغيرة، وهذه الخلية الشمسية تصنع باستخدام عدة مواد شبه موصلة لاقتناص أكبر مدة من الاطوال الموجية مما يجعل هذا النظام مكلف جدا. يستخدم هذا النوع من الخلايا الشمسية في المركبات الفضائية والاقمار الصناعية حيث لا يكون للتكلفة أي حساب ولكن على الأرض فان الهدف تقليل التكلفة إلى اقل قدر ممكن.

باستثناء المركزات فان الجيل الثالث من تقنية الخلايا الشمسية لا يزال في المختبر ويتوقع الخبراء اننا بحاجة إلى 10 إلى 20 عاما حتى تصل تقنيات الجيل الثالث إلى التسويق التجاري.

2-whereissolar

لزيادة استخدام الطاقة الشمسية يجب العمل على تقليل تكلفة التثبت والتركيب وزيادة كفاءة تحويل الطاقة والاعتماد على مواد متوفرة بكثرة وتبسيط طرق التصنيع وتقليل التكلفة.

تطبيقات مختلفة باستخدام الخلايا الشمسية
في رحلتها حول العالم تمكنت طائرة امبلس Solar Impulse اول طائرة تعمل بالطاقة الشمسية حيث أكملت مؤخرا رحلة مدتها 118 ساعة من اليابان إلى هاواي. تعتمد طائرة امبلس على 17 ألف خلية شمسية لتشغيل محركها الكهربي وشحن بطاريات الليثيوم التي تشغل الطائرة في الليل. بدأت رحلتها من ابوظبي مرورا بعمان والهند والصين واليابان. وسوف تكمل رحلتها إلى فونيكس ونيويورك وأوروبا والعودة إلى ابوظبي.

3-whereissolar

تمكن المهندس سكوت بروسوي Scott Brusaw في ولاية ساندبوينت الامريكية من تطوير طريق شمسي يحتوي على سطح زجاجي معالج بشكل خاص بشرائح شمسية وعناصر تسخين واضواء ليد LED. يمكن من خلال هذا الطريق انتاج طاقة شمسية لتبقى الشارع دافئ حتى لا يسمح للثلوج ان تتراكم عليه ويعطي تعليمات واشارات على الطريق لتوجيه السائقين بواسطة مصابيح الليد، وتوفير وسيلة شحن لاسلكية للسيارات الكهربية.

كما تم تطوير طريق للدراجات الهوائية في أمستردام مزود بخلايا شمسية تنتج ما يقارب من 3 ألاف كيلووات ساعة من الطاقة الكهربية ويتوقع من هذا الطريق ان يقوم بتشغيل اضاءة الشارع واشارات المرور والمنازل والسيارات الكهربية.

4-whereissolar

تجدر الإشارة في هذا المقام ان نقول انه ليس من العدل ان نقارن تقنيات الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والرياح مع التقنيات التقليدية الملوثة للبيئة، فإذا اخذنا في الحسبان التكلفة الكلية للتلوث الذي تحدثه الطاقة الناتجة عن الفحم مثلا لوجدنا ان تكلفة انتاج الكهرباء من الفحم أغلي بكثير من توليد الكهرباء بطاقة الرياح او بالطاقة الشمسية.

وفي النهاية ارجو ان أكون قدمت شرحا مختصرا ومفيدا حول تقنيات الطاقة الشمسية وأين تتجه الأبحاث العلمية حاليا للوصول إلى الحل العملي من خلال تطوير تقنيات الجيل الثالث من الخلايا الشمسية.

مجلة الفيزياء العصرية العدد السابع عشر

للتحميل من ميديا فاير من هنا

التحميل من الموقع مباشرة

اشترك في بريد المجلة

 

تعليقات

تعليقات