الخلايا الضوئية أو الخلايا الشمسية

التعريف

خلية الكهروضوئية (PV) هي جهاز شبه موصل يحول الضوء إلى طاقة كهربائية. يعتمد الجهد الذي تسببه الخلية الكهروضوئية على شدة الضوء الساقط. مصطلح "الكهروضوئي" ينبع من قدرتها على إنتاج جهد ("voltaic") عبر الضوء ("photo").

في المواد شبه الموصلة، تكون الإلكترونات مرتبطة بروابط تساهمية. تتكون الإشعاعات الكهرومغناطيسية من جسيمات طاقة صغيرة تسمى الفوتونات. عندما تصطدم الفوتونات بالمواد شبه الموصلة، تصبح الإلكترونات متحمسة وتبدأ في الانبعاث.

تُعرف هذه الإلكترونات المتحمسة باسم الإلكترونات الضوئية، والظاهرة التي يتم فيها انبعاث الإلكترونات تسمى التأثير الكهروضوئي. تعتمد عملية الخلية الكهروضوئية على التأثير الكهروضوئي.

بناء الخلية الكهروضوئية

تستخدم المواد شبه الموصلة مثل الأرسينيد والإنديوم والكادميوم والسيليكون والسيلينيوم والجاليوم لصنع خلايا PV. يستخدم السيليكون والسيلينيوم بشكل أساسي لبناء الخلايا.

خذ بنية الخلية الكهروضوئية من السيليكون الموضحة أدناه كمثال:

• تكون السطح العلوي للخلية من طبقة رقيقة من المادة p-type بحيث يمكن للضوء أن يدخل المادة بسهولة.

• يتم وضع حلقات معدنية حول المواد p-type و n-type والتي تعمل كمخارجها الإيجابية والسالبة على التوالي.

تُصنع الخلايا الكهروضوئية الواحدة من مواد شبه موصلة أحادية البلور أو متعددة البلور.

تُقطع الخلايا الأحادية البلور من إنغوت بلوري واحد، بينما تُنتج الخلايا متعددة البلور من مواد تحتوي على هياكل بلورية متعددة.

يكون الجهد والإنتقال الخارجيين للخلية الواحدة منخفضين للغاية، عادة حوالي 0.6V و 0.8A على التوالي. لتعزيز الكفاءة، يتم دمج الخلايا في تكوينات مختلفة. هناك ثلاثة طرق رئيسية لربط خلايا PV:

التركيب المتوازي لخلايا PV

في التكوين المتوازي، يبقى الجهد عبر الخلايا ثابتًا، بينما يتضاعف التيار الكلي (أو يزداد بنسبة عدد الخلايا). يظهر منحنى الخاصية لخلايا PV المتصلة بالتوازي أدناه.

التركيب المتسلسل المتوازي لخلايا PV

في التكوين المتسلسل المتوازي، يزداد الجهد والتيار بشكل تناسبي. يتم بناء الألواح الشمسية عادة باستخدام هذا التركيب من الخلايا لتحقيق أعلى إخراج للطاقة.

يتم إنشاء الوحدة الشمسية عن طريق ربط الخلايا الشمسية الفردية. يُشار إلى تجميع الوحدات الشمسية المتعددة باسم اللوحة الشمسية.

عمل الخلية الكهروضوئية

عندما يسقط الضوء على مادة شبه موصلة، فإنه يمكن أن يمر عبرها أو يعكس. تُصنع خلايا PV من مواد شبه موصلة - مواد ليست موصلاً مثاليًا ولا عازلًا. تجعل هذه الخاصية منها فعالة للغاية في تحويل طاقة الضوء إلى طاقة كهربائية.

عندما تمتص المادة شبه الموصلة الضوء، تبدأ إلكتروناتها في الانبعاث. يحدث ذلك لأن الضوء يتكون من حزم طاقة صغيرة تسمى الفوتونات. عندما تمتص الإلكترونات الفوتونات، تصبح متحمسة وتبدأ في التحرك داخل المادة. يجبر المجال الكهربائي الداخلي هذه الجسيمات على التحرك في اتجاه واحد، مما يولد تيارًا. تسمح الأقطاب المعدنية على المادة شبه الموصلة للتيار بالتدفق.

يوضح الشكل أدناه خلية PV من السيليكون متصلة بحمل مقاوم. تتكون الخلية من طبقات شبه موصلة من النوع P والنوع N متصلة لتشكل مفصل PN.

المفصل هو الواجهة بين المواد p-type و n-type. عندما يسقط الضوء على المفصل، تبدأ الإلكترونات في التحرك من منطقة إلى أخرى.
كيف يتم تركيب الخلايا الشمسية في محطة الطاقة الشمسية؟
يتم استخدام أجهزة مثل متعقب نقطة القوة القصوى (MPPTs)، والمقلبات، ومراقبات الشحن، والبطاريات لتحويل الإشعاع الشمسي إلى جهد كهربائي.

متعقب نقطة القوة القصوى (MPPT)

متعقب نقطة القوة القصوى هو متحكم رقمي متخصص يتعقب موقع الشمس. نظرًا لأن كفاءة خلايا PV تعتمد على شدة ضوء الشمس، والتي تتغير خلال اليوم بسبب دوران الأرض، يقوم متعقب نقطة القوة القصوى بتعديل اتجاه اللوحة لتوفير امتصاص الضوء وإخراج القوة الأقصى.

مراقب الشحن

مراقب الشحن ينظم الجهد القادم من اللوحة الشمسية ويمنع شحن البطارية الزائد أو زيادة الجهد، مما يضمن تخزين الطاقة بأمان وكفاءة.

المقلب

المقلب يقوم بتحويل التيار المستمر (DC) من الألواح إلى التيار المتردد (AC) للاستخدام مع الأجهزة القياسية، والتي تتطلب عادةً طاقة AC.