كل ما تريد معرفته عن الخلايا الشمسية

كل ما تريد معرفته عن الخلايا الشمسية 

إن إستخدام مصادر الطاقة المتجددة قد إزداد في السنوات الأخيرة بشكل مطرد، سواء كانت تلك الطاقة المستمدة من الموارد الطبيعية "المتجددة" أو الطاقة التى لا تنفد "الطاقة المستدامة" مثل إستخدام طاقة الرياح والطاقة الكهرومائية من إندفاع الأنهار عبر السدود وطاقة المد والجزر وطاقة الأمواج وطاقة الرياح وطاقة حرارة الأرض والطاقة الشمسية والوقود النووي.

حيث أن إنخفاض مخزون الوقود الأحفوري مثل الفحم والبترول والغاز الطبيعي هو الذي أدي إلي الإهتمام بهذه الموارد في الأساس، ولكن مع الوقت قد بدأت الدول النامية أيضا في الإهتمام بمصادر الطاقة المتجددة، سواء كان السبب هو ترشيد الموارد الطبيعية التى تمتلكها مثل البترول والغاز الطبيعي أو للإستفادة من الظروف الطبيعية الموجودة في تلك البلدان في توليد طاقة نظيفة لا تلوث البيئة وسنحاول في هذا المقال التركيز على أكثر تلك الطاقات المتجددة وهي الطاقة الشمسية.

الطاقة الشمسية:
لقد وهبنا الله الشمس منذ ملايين السنين ليس فقط لتشع نورها وتضئ نهارنا، بل لنستفيد منها بأكثر من صورة مختلفة سواء كانت طريقة طبيعية أو صناعية.

أولا - الطريقة الطبيعية:
وهي مساعدة كل الكائنات الحية من خلال تدفئة الجو والمحيطات واليابسة وتوليد الرياح وضمان إستمرار حلقة توليد المياه من خلال تبخر المياه والأمطار والتقليل من تكون الثلوج كما أنها تساهم في إبقاء حياة البشر من خلال الحيوانات التى تتغذي على النباتات التى تنمو على عملية البناء الضوئي الخاصة التى بدورها كذلك تمتص غاز ثاني أكسيد الكربون وتخرج غاز الأكسجين الضروري للحياة على كوكب الأرض.

ثانيا - الطريقة الصناعية:
عن طريق إستخدام الطاقة الشمسية سواء بشكل مباشر بالإعتماد على الخلايا الشمسية، أو بشكل غير مباشر عن طريق تركيز أشعة الشمس، وسنركز في حديثنا القادم هنا على الطريقة المباشرة.

ما هي الخلايا الشمسية Solar Panels ؟
هي عبارة عن لوحات داكنة اللون تقوم بإمتصاص الفوتونات الساقطة من أشعة الشمس وتحويلها إلي طاقة كهربائية مستمرة (DC) وتسمي أحيانا بالخلاية الكهروضوئية (photovoltaics (PV والتي تعتمد على أشباه الموصلات التى تقوم بعمل التأثير الكهروضوئي حيث أن هناك العديد من المواد الحالية المستخدمة لهذا الغرض مثل السليكون الأحادي والثنائي والسليكون الغير متبلور وتيلورايد الكادميوم ... إلخ، وتلك الطاقة المتولدة يتم تخزينها في بطاريات مختلفة السعة بحيث يمكن إستخدامها إثناء فترة زوال الشمس.

وقد تم إكتشاف ظاهرة الـ photovoltaic لأول مرة في عام 1839 من قبل الفيزيائي الفرنسي ألكسندر إدموند بيكريلعندما لاحظ أنه في حالة تعرض قطب كهربائي إلي الضوء بحيث يكون مغموس في محلول موصل فإنه ينتج تيارا كهربائيا.

وفي عام 1941 تمكن المخترع الأمريكي روسل أوهل من تقديم الخلية الشمسية في شكلها الحديث – ولكن بكفاءة قليلة – حيث أدي إكتشافه لوصلة PN المعروفة بإسم P-N junction إلي المساهمة في إبتكار الترانزستور بعد حوالي 30عاما من هذا التاريخ ,ولكن كان الإستخدام العملي الأول لهذه الخلايا هو تشغيل الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية.

مكونات نظم الخلايا الشمسية :

(1) الألواح الشمسية Solar Panels
عبارة عن خلايا شمسية مجمعة مع بعضها البعض تنتج كهرباء تيار مستمر DC يمكن أن تستخدم لتشغيل بعض المعدات أو تخزينها في بطاريات يعاد شحنها وإستخدامها أكثر من مرة وتقاس قوة تلك الخلايا بوحدة الواط، فهناك لوحات صغيرة تبدأ من 5 واط أو 15 واط حتي تصل إلي بلايين من الواطات (Giga Watts) للأبنية الكبيرة والمصانع.

وبالنسبة لغير المتخصصين فأحب أن أوضح قانونان فقط - مشهوران جدا - دون الدخول إلي معادلات معقدة في علم الكهرباء يسموا بقانون أوم وقانون حساب القدرة وينصوا على التالي:

الجهد الكهربائي (V) = التيار الكهربي (A) × المقاومة (ohm) ---> (1)
القدرة (W) = الجهد الكهربائي (V) × التيار الكهربائي (A) ---> (2) 

ويمكنكم إستخدام دائرة القوي التالية لمعرفة أي صيغة تحويل تريدونها 

توصيل الألواح الشمسية

ولها أكثر من طريقة للتوصيل حسب طبيعة الإستخدام :
1) توصيل على التوازي Parallel
وهي عن طريق توصيل البدايات مع البدايات والنهايات مع النهايات – موجب مع موجب وسالب مع سالب مثل السلم - من أجل الحفاظ على نفس الجهد ولكن مع جمع قيم التيارات المختلفة لجميع الخلايا الشمسية من أجل زيادة التيار الكلي وبالتالي رفع القدرة الكلية كالتالي

2) توصيل على التوالي Series
وتتم عن طريق توصيل النهايات مع البدايات – موجب مع سالب وسالب مع موجب مثل القطار - من أجل الحفاظ على نفس التيار ولكن مع جمع قيم الجهود المختلفة لجميع الخلايا الشمسية من أجل رفع فرق الجهد الكلي كالتالي

(3) الدمج بين الطريقتان
وهي في الغالب الطريقة المستخدمة في المنظومات الضخمة للتمتع بكل ميزة موجودة في توصيل التوازي أو التوالي وشكلها كالتالي

(2) منظمات الشحن Charger Controllers

وهي المرحلة الثانية في النظام الشمسي، وتقوم بالعديد من الوظائف كالتالي:

أ- تحتوي على قاطع داخلي (fuse) يقوم بحماية الخلية الشمسية من التلف في حالة تلامس أطرافها معا وحدوث قصر في الدائرة (short circuit) بحيث يقوم الفيوز بالتلف ومنع الضرر الكبير من الحدوث علي الخلايا الشمسية، ويمكن إستبداله بعد ذلك والعمل مرة أخري وهو رخيص الثمن.

ب- تعمل على تنقية وتثبيت الفولت الخارج من الخلية الشمسية إلي الجهاز الذي يعمل على الجهد المستمر DC لأن قوة أشعة الشمس تزيد وتقل طوال نهار اليوم إما بسبب السحب أو بسبب تغير زاوية الشمس حتي تزول تماما عند الغروب.

ج- تقوم بتنظيم عملية شحن البطاريات حيث أن عملية الشحن تختلف في آليتها عن مجرد توفير مصدر للطاقة المستمرة موصل بالبطارية، حيث تكون قيمة جهد الشحن مساوي لقيمة البطارية وقيمة تيار الشحن تساوي تقريبا 15% من التيار الذي تسعه البطارية، وإذا زادت تلك النسبة بكثير فستحدث عملية شحن سريع للبطارية تؤدي إلي إضعافها وإستهلاكها بسرعة مع مرور الوقت، وإذا قلت تلك النسبة بدرجة كبيرة فسيتم شحن البطارية في وقت طويل وبشكل بطئ جدا.

د- تعمل على ضمان عدم رجوع تيار كهربي من البطارية إلي الخلية مرة أخري لأنه في حالة فصل الحمل وفي ظل عدم وجود منظم للشحن، فإن الخلايا الشمسية يمكن إعتبارها حمل يعمل على سحب التيار من البطارية إلي الخلايا بشكل عكسي مرة أخري مما يعمل على إتلافها .

مكونات نظم الخلايا الشمسية :

تكلمنا فى الجزء الثانى عن بعض من مكونات نظم الخلايا الشمسية وهى -  الألواح الشمسية Solar Panels  - منظمات الشحن Charger Controllers  والان سوف نكمل الحديث :

(3) البطاريات Batteries
وهي الوحدة المسئولة عن تخزين الطاقة وتفريغها عند الحاجة – أي أن لها وظيفة مزدوجة - ويمكن أن نشبهها بالبالونة التى تستطيع إدخال الهواء بداخلها لتعبئتها تحت ضغط خارجي أو فتح فوهتها ليخرج الضغط الداخلي إلي الخارج مرة أخري. 

وبالطبع هناك العديد من أنواع البطاريات ولكن غالبية البطاريات المستخدمة مع الأنظمة الشمسية تكون من النوعية ذات الحمض والألواح الرصاصية Lead-Acid ، وغالبية البطاريات المستخدمة لهذا الغرض تكون في حدود 12 فولت أو24 فولت. وللتعامل مع البطارية تحتاج لمعرفة متغيران على الأقل من أصل ثلاثة متغيرات هم الجهد الكهربائي ويقاس بالفولت (Volts) والتيار ويقاس بالأمبير (Amps) والقدرة وتقاس بالواط (Watts) كما تم ذكرهم من قبل.

ويمكن توصيل البطاريات مثل نفس طريقة توصيل الخلايا الشمسية للحصول على قيم جهد وتيار مختلفة.

ويتم الإشارة إلي البطارية بعدد الأمبيرات في الساعة (Ampere-Hours (Ah وتسمي بسعة البطارية Battery Capacity فعلي سبيل المثال إذا قرأتم البيانات على البطارية كالتالي 12 volt 19Ah فإن هذا يعني أن تلك البطارية تستطيع توفير 19 أمبير لمدة ساعة واحدة أو 1 أمبير لمدة 19 ساعة قبل الحاجة إلي إعادة شحنها مرة أخري كما يمكنك - من الناحية النظرية- أن تشحنها في ساعة واحدة إذا أعطيتها 19 أمبير أو شحنها في ساعتان إذا أعطيتها 9.5A وهكذا ...

تحديد مواصفات الشاحن الذي سيعمل على البطارية :
لقد ذكرنا سابقا أن منظم الجهد يقوم بإعطاء جهد للبطارية مساوي لقيمتها الفعلية بينما التيار يكون في حدود 15% من سعة تيار البطارية، فلماذ تحديدا تلك النسبة؟

حسنا، إن شركات تصنيع البطاريات تنصح بصفة عامة أن يتم شحن البطارية في فترة لا تقل عن 6 ساعات ولا تزيد عن24 ساعة لضمان أفضل أداء للبطارية، مما يعني أننا إذا كنا نريد أن نشحن البطارية في أسرع وقت دون أن نلحق الضرر بالبطارية فعلينا أن نشحنها في 6 ساعات.

فمثلا إذا كانت لدينا بطارية بقيمة 12V وسعة 100 Ah فمعني هذا أن أقل وقت وأعلي تيار يمكن أن تشحن فيه هذه البطارية هو :  Current (A) = 100 Ah / 6h = 16.6 A

ويتم تقريبها إلي 15% لزيادة الوقت قليلا لكي لا تصل إلي أقل من الحد الأدني الحرج، لأننا إذا قمنا بشحن البطارية في وقت أقل من 6 ساعات فإننا سنشحنها بتيار أعلي من النسبة المسموح بها مما سيعرض البطارية للتلف على المدي البعيد أو المتوسط – حسب مقدار إرتفاع التيار – بسبب التحميل الزائد. وفي نفس الوقت فإذا قمنا بشحن البطارية في وقت أكثر من 24 ساعة أو أقل من حوال 4 أمبير – في المثال السابق- فإن شحن البطارية سيتم في وقت بطئ للغاية ولن يكون مفيدا من الناحية العملية.

وعلى الرغم مما سبق فمعظم البطاريات تقوم بكتابة الوقت المثالي لشحن البطارية – مثل 12V 7.2Ah/ 20HR - مما يحدد التيار المثالي لشحن تلك البطارية، والذي في هذا المثال يساوي
Charging Current = 7.2Ah / 20HR = 0.36A = 360 mA

وبالطبع فإن وقت الشحن يختلف من مصنع لآخر، ولكنك بصفة عامة في أمان طالما تتحرك في النسبة المسموح بها من 6 – 24 ساعة.

(4) العواكس Power Inverters
وتأتي أهمية تلك المرحلة عند الحاجة إلي إستخدام تلك الخلايا لتوليد كهرباء عالية متغيرة تستطيع لتشغيل الأجهزة الكهربية والإلكترونية الكبيرة في المنازل أو المصانع. فهنا علينا بإستخدام أجهزة تسمي عواكس (Inverters) والتى تقوم بتحويل التيار المستمر سواء كان 12 فولت أو 24 فولت أو أي قيمة أخري إلي تيار متغير عالي (110V AC or 220V AC) لتشغيل الأجهزة التى تعمل على التيار المتغير وللأجهزة الثقيلة.

وهو آخر مرحلة وبدونه لن تكون هناك قيمة حقيقية للألواح الشمسية، وهو نفس الجهاز الذي يستخدم في السيارات لتوصيله على ولاعة السيارة لتحويل الجهد المستمر سواء كان 12 فولت أو 24 فولت إلي جهد متغير 220V ACيستطيع تشغيل أجهزة مثل التليفزيون أو ثلاجة صغيرة أو كمبيوتر شخصي داخل السيارة.

وتقاس قوة هذا الجهاز بالواط الذي يستطيع تحمله لتشغيل حمل ما عليه.

الأنواع : يوجد العديد والعديد من الأنواع ولكن أهمهم نوعين رئيسيين :

أ- عواكس لتشغيل الإضائة والأجهزة الإلكترونية (modified sine wave inverters)
ب- عواكس لتشغيل أي شئ بما فيها المواتير (pure sine wave inverters)

كما أن توجد هناك بعض العواكس التي تحتوي على شواحن داخلية بحيث يمكن توصيلها بمصدر التغذية الرئيسية (220V AC or 110V AC) وشحن البطارية دون الإنتظار إلي شحنها عن طريق الخلايا الشمسية أو لشحن بطاريات أخري إحتياطية.

كما أنها يمكن أن تقوم بعمل أجهزة الـ UPS التى تكون عبارة عن أجهزة تحتوي على بطاريات داخلية لتشغيل الأجهزة عند إنقطاع الكهرباء كمصدر تشغيل مؤقت للطوارئ.

وفيما يلي مثال لصورة نظام متكامل بسيط :

وفي النهاية أحب أن أقول أن أنظمة الخلايا الشمسية هي مجرد لبنة بسيطة في تقنيات الطاقة النظيفة التى لم يعد بالإمكان التغاطي عنها، لأنها بالرغم من أنها تكلف كثيرا من الأموال في بداية إنشائها إلا أن عائداتها على المدي البعدي تعطي ثمارها الحقيقية سواء من ناحية التوفير أو من ناحية الحد من تلوث البيئة، إذ تعتبر صديقة مثالية للبيئة.

ونتمني أن نري قريبا مشروعات ضخمة سواء في منطقة الشرق الأوسط أو في الجزيرة العربية تعتمد على الخلايا الشمسية لأنها بغض النظر من كونها أكثر الأماكن في العالم وفرة في الطاقة الشمسية إلا أنها ستوفر الكثير من الأموال المهدرة على مصادر الطاقة الأخري وأهمها البترول والغاز الطبيعي.

لأننا إذا أستمرينا في إستهلاك تلك الطاقات فسيأتي اليوم الذي تنفد منا تلك الطاقات القديمة وسنضطر إلي البدأ من جديد في الوقت الذي سيكون قد سبقنا فيه الدول المتقدمة بعشرات وعشرات السنين، بل ولن نستطيع تحمل التلوث الذي سببه أجدادنا في هذا الوقت.