الخلايا الكهرو ضوئية

الخلايا الكهروضوئية

تستخدم الخلايا الشمسية (الكهروضوئية ) في عملية تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى الكهرباء ، وتعرف هذه الآلية بالتحويل الكهروضوئية أو التحويل الفوتوفلطائي ( Photovoltaic Conversion ) الطاقة الشمسية . ويتوقع أن يساهم تحويل الطاقة الكهروضوئية عملياً في تقليل استهلاك الوقود الاحفوري وإلى خفض التلوث البيئي وقد بدأت نظم الخلايا الكهروضوئية تنتشر تدريجيا في تطبيقات الإنارة والاتصالات وضخ المياه وغيرها .
يعود اكتشاف الأثر الكهروضوئية إلى القرن الماضي الميلادي عندما قام العالم بكيرل (Becquerel ) في عام 1839 م بدرسه تأثير الضوء على بعض المعادن والمحاليل وخصائص التيار الكهربائي الناتج عنها . كما أدخل العالمان أدم و سميث ( Adams & Smith ) مفهوم الناقلية الكهربائية الضوئية لأول مرة عام 1877م وتم تركيب أول خلية شمسية من مادة السيلينيوم ( Se) من قبل العالم فريتز (Fruits) عام 1883م حيث توقع لها أن تساهم في إنتاج الكهرباء مستقبلاً ، من جهة أخرى فقد ساعد تطوير نظريات ميكانيكا الكم ( Quantum Mechanics) على تفسير الكثير من الظواهر الفيزيائية وخاصة المرتبطة بالكهرباء الضوئية في فترة الثلاثينيات والأربعينيات من القرن الحالي ، وذلك عند ماتم تفسير ظاهرة الحساسية الضوئية المواد السيليكون وأكسيد النحاس وكبريت الرصاص وكبريت الثاليوم ، وقد سجل عالم 1941م تصنيع أول خلية شمسية سيليكونية بكفاءة لا تتجاوز (1%) ، ثم لحق ذلك إنجاز مختبرات بل الأمريكية ( Bell Lab ) في تصنيع البطارية الشمسية ( Solar Battery ) في منتصف الخمسينيات بكفاءة بلغت (6% ) استخدمت آنذاك في التطبيقات الفائية . كما تم في نفس الفترة تركيب أول خلية شمسية من مواد كبريت الكاديوم وكبريت النحاس أطلق عليها فيما بعد الخلايا الشمسية ذات الأفلام الرقيقة ( Thin –Film Solar) . بعد تلك الفترة ازداد تسارع بحوث التطوير في العلوم الفيزيائية والهندسة لاشتباه الموصلات ( Semiconductors) وخاصة ما يرتبط بدراسة التبادلات الكهربائية الضوئية مما ساعد على تطور الخلايا الكهروضوئية وتقنياتها باتجاه تحسين كفاءتها وخفض تكلفتها . وقد أدى ذلك إلى ازدياد مستوى إنتاج الخلايا الكهروضوئية بقدرات تتراوح بين الميلي وات إلى الكيلوات . أما الفترة الهامة للخلايا الكهروضوئية فقد حدثت في عقدي السبعينيات والثمانينات وخاصة بعد تطور علوم التركيب المجهرية الدقيقة لأشباه المواصلات وقد اعتبرت الخلايا الكهروضوئية حينئذ بأنها إحدى الطرق العلمية الطموحة لتوليد الكهرباء في المصادر المتجددة للطاقة . وقد ساعد ازدياد الطلب على استخدام مجمعات الخلايا الكهروضوئية حيث انخفضت نسبياً تكلفة إنتاجها بصورة معقولة ووصل إنتاجها إلى عشرات الميجاوات .
تشغيل الخلايا الكهروضوئية
تعرف الخلية الكهروضوئية بأنها أداة إلكترونية مصنوعة من أشباه المواصلات يتشكل عبرها فرق في الجهد عند تعرضها للضوء ، ويتولد عنها تيار كهربائي ترتبط قيمته بمعامل امتصاصها للضوء ، وعند توصيل حمل كهربائي ما ( مصابيح إنارة مثلاً .. ) بين طرفيها فإن التيار الكهروضوئية المار وبالتالي الطاقة الكهربائية الناتجة تستطيع تشغيل المصباح .
أمثلة لأهم الاستخدامات الخلايا الكهروضوئية
الاستخدامات الأمثلة
الفضائية إنارة المركبات والأقمار الصناعية
البحرية الإنارة والإرشادات الضوئية والإرشادية وأجهزة الرصد
الاتصالات الأرضية محطات الاتصالات والاستقبال
البترولية حماية أنابيب النفط والغاز الطبيعي من التآكل المعدني
التبريد الثلاجات المتنقلة ي المدن والمناطق النائية لحفظ الأدوية ، والأطعمة
تحلية وضخ المياه للشرب والزراعة والصناعة
الحماية والأمن الأجهزة التحذيرية المدنية والعسكرية في الإنارة وكهربة السياج المعدنة
الطاقة إنتاج الهيدروجين

الخلايا الكهروضوئية في المملكة
قامت هيئات وجهات عديدة في المملكة باستخدام نظم الخلايا الكهروضوئية في تطبيقات عالية ومتوسطة القدرة يستفاد من بعضها ميدانيا بعد أن ثبت جدواها والعض الآخر ما يزال تحت الدراسة . ومن التطبيقات في هذا لمجال ما يلي :
1. إنارة الأنفاق .
2. تشغيل الإشارات المرورية والتحذيرية .
3. تشغيل العدادات وأجهزة قياس السرعة في السيارات .
4. الاتصالات الهاتفية والمترية ( Micro Wave) والألياف البصرية ز
5. حماية الأنابيب نقل النفط من الصدأ .
6. حماية الأنابيب المائية من الصدأ .
وتعد مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية من أهم المؤسسات العلمية البحثية التي اهتمت في العالم بأعمال الطاقة والأولى في العالم العربي حيث بدأ نشاطها في هذا المجال منذ عام 1400هـ وتتمثل بعض نشاطاتها البحثية والتطبيقية في مشاريع تطبيقات الخلايا الكهروضوئية في المناطق النائية أهمها القرية الشمسية وإنتاج الهيدروجين بالخلايا الكهروضوئية بقدرة 350 كيلو وات ، ومشاريع الاختبارات المختلفة وضخ وتحلية المياه وبعض المشاريع المتفرقة في مجال استخدام الخلايا الكهروضوئية بقدرات صغيرة وتعد مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية أول من أدخل تطبيقات التقنية الكهروضوئية إلى المملكة حيث قامت وبالتعاون مع جهات حكومية مختلفة بتنفيذ مشاريع ميدانية وخدمية عديدة .
تشكل التطبيقات والأمثلة السابقة جزءا ضئيلاً من إنتاج الإجمالي للطاقة الكهربائية في المملكة ولا تتجاوز قدرة التوليد الكهروضوئية 2 ميجاوات . فإذا أخذنا في الاعتبار أن القدرة الكهربائية المركبة في المملكة تعادل 20 آلف ميجاوات فإن قدرة التوليد الكهروضوئية لا تتجاوز 01ر0% وهي قلية جداً بالمقارنة مع بعض دول العالم كالولايات المتحدة وألمانيا واليابان وغيرها . وقد أشارت دراسة حدية قام بها معهد بحوث الطاقة في مدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية إلى توقع ازدياد النظام الكهروضوئية وغيرها من الطاقات المتجددة في إنتاج الكهرباء في الملكة خلال العقد القادم