آفاق تطوير الطاقة الشمسية
إن
الشمس ( Sun ) نجم متوسط الكتلة ودرجة الحرارة كأعداد
هائلة من النجوم الموجودة فى الكون الواسع وتعود أهمية الشمس بالنسبة للأرض يعود
للتناغم بين درجة حرارة سطحها التى تقدر بحوالى ( 5800 كلفن ) وابتعادها عن الأرض
بمسافة تقدر بحوالى ( 150 مليون كم ) وإن تناغم درجة الحرارة وبعد الأرض عن الشمس
يناسب تكون الماء بصورته السائلة الضرورية للحياة أما إذا تغيرت درجة حرارة سطح
الشمس أو تغير بعد الأرض عنها فإن الماء السائل إما أن يتجمد ويتحول لجليد أو
يتبخر ويتحول لبخار ماء مما يحول دون استمرار الحياة على سطح الأرض فإن كمية
الطاقة الشمسية التى تصل لسطح الأرض حرجة ومهمة جدا .
إن
أهمية طاقة الشمس وحرارتها إذ تخرج من المبانى الباردة فى الشتاء إلى حيث أشعة
الشمس التى تبعث الدفء فى الجسم البشرى ويمكن أن تعمل الحرارة أو الطاقة الشمسية
على تسخين الماء البارد كما فى استخدام السخانات الشمسية .
وإن
تحويل الطاقة الشمسية لكهرباء يمكن أن تستخدم فى تشغيل مختلف أنواع الأجهزة كالكمبيوتر
المحمول ( اللاب توب ) والسخانات وجميع الأجهزة المنزلية يمكن ادارتها باستخدام
الطاقة الشمسية وكذلك وسائل المواصلات كالسيارات والطائرات والسفن والقطارات .
وتم كشف
العلاقة بين أشعة الشمس والكهرباء ( الإلكترونات ) وإن صدور الإلكترونات من المواد
بفعل سقوط أشعة الشمس عليها ( الظاهرة الكهروضوئية ) وبالرغم من الظاهرة منطقية
ومقبولة فإن علم الفيزياء فى ( ق / 19 ) فشلت فى تفسير تفاصيلها الدقيقة وقد تمكن
( ألبرت آينشتاين )
من
تفسير ظاهرة الكهروضوئية مستخدما النظرية الكمية للضوء فى بداية ( ق / 20 ) وكذلك
قام ( آينشتاين ) بتقديم النظريتين النسبية ( الخاصة والعامة ) وقد أكدت الأبحاث
والتجارب العملية صحة ودقة النظريات الحديثة ( النسبية الخاصة / النسبية العامة /
النظرية الكمية للضوء المستخدمة فى تفسير ( الظاهرة الكهروضوئية ) ) .
الطاقة
الشمسية والسيلكون :
إن
الخصائص الكهربية لعنصر السيلكون شبه الموصل مختلفة عن الخاصية المتعلقة بالمواد
الموصلة كالمعادن وإن الخاصية بالمواد العازلة كالزجاج المطاط جعلت الخصائص من
السيلكون العنصر الأساسى فى صناعة الترانزستورات والصمامات التى قامت عليها
الصناعات الإلكترونية الحديثة كأجهزة الكمبيوتر واللاب توب والهواتف المحمولة وقد
جعلت الخواص من عنصر السيلكون أساس صناعة الخلايا الشمسية ( Solar Cells ) أو الخلايا الكهروضوئية
( Photovoltaic ) التى تحول أشعة الشمس أو طاقتها لطاقة كهربية فإلكترونات ذرة
السيلكون تتحول لتيار كهربى بعد امتصاصها لفوتونات أشعة الشمس .
ولصناعة
أجهزة الكمبيوتر والخلايا الشمسية لمضاعفة سعره ( 8 مرات ) خلال عامين فى
( ق /
19 ) وصحيح أن السيلكون متوفر بكثرة فى رمال الصحراء إلا إن عملية استخلاصه
وتنقيته مكلفة جدا فقد استخدم السيلكون فى صناعة الخلايا الشمسية على صورة بلورة
مفردة
( Single Crystal ) عام ( 1954 ) وتم التطبيق بصورة عملية لأول مرة فى رحلات الفضاء
عام ( 1958 ) حيث زودت مركبة فضاء بخلايا شمسية لتحويل أشعة الشمس لطاقة كهربائية
وإن أول محطة لإنتاج الطاقة الكهربائية بواسطة الخلايا الشمسية وبقدرة ( 1 ميجاواط
) عام
( 1982
) وتتراوح كفاءة الخلايا الشمسية المفردة المستخدمة فى التجارة ما بين
( 14 :
18 % ) وقد وصلت فى الوقت الحاضر فى مختبرات البحث العلمى لحوالى ( 24 % )
وتحتاج
إنتاج الخلايا الشمسية ( Solar
Cells ) أو
الخلايا الكهروضوئية لطرق معقدة لإستنفاذ
الكثير
من عنصر السيلكون النقى الغالى الثمن فهى هشة سهلة التلف وغير عملية وتغلف بالزجاج
والألمنيوم مما يزيد فى ثقلها وقد تم عدة محاولات لخفض تكلفة الإنتاج للخلايا
الشمسية من خلال استخدام سيلكون متعدد التبلور ( Polycrystalline Silicon ) ونتيجة لذلك خفضت كفاءة الخلايا الشمسية الجديدة .
إن
الطريقة الجديدة تحتاج لعدد أكبر من الخلايا الشمسية مفارنة مع الخلايا المفردة
وتستخدم فى حالة المبانى التجارية كبيرة المساحة وقد تطورت صناعة الخلايا الشمسية بصورة كبيرة عند استخدام
سيلكون غير متبلور ( Amorphous ) لعمل خلايا شمسية رقيقة جدا والطريقة
تستخدم مقدارا صغيرا جدا من السيلكون النقى ( 1 % ) مقارنة مع الخلايا البلورية
وإن الخلايا الشمسية رقيقة الطبقات وإن صناعة الطاقة الشمسية فالخلايا قليلة
التكلفة نسبيا وقوية ومقاومة للصدمات وخفيفة جدا ويمكن استخادامها بسهولة فى جميع
الأمكنة وإن صناعة الخلايا الشمسية
سوف تحل
محل الخلايا البلورية وتعانى الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) من الكفاءات
المنخفضة وعدم الاستقرار والثبات فى العمل .
خلايا
شمسية رقيقة جدا :
قام
العلماء بمحاولات كثيرة لتحضير خلايا شمسية على صورة خلايا رقيقة من مواد مختلفة
غير عنصر السيلكون واستخدم الكربون بديلا عن السيلكون فوجود الخلايا الشمسية
الكربونية أفضل فى إنتاج الطاقة الكهربية بدلا من الخلايا الشمسية السيلكونية حيث
تم استخدام تكنولوجيات كثيرة مختلفة واستخدم كثير من المواد ولكن الخلايا عانت من
ضعف الكفاءة ويحاول الباحثون تحضير خلايا شمسية بهذه الطريقة ولكن بكفاءة عالية
فعن طريق العمل فى المختبرات لعلوم المواد والتكنولوجيا عام ( 2012 ) فى تصنيع
خلايا شمسية رقيقة بكفاءة عالية حيث تكونت الخلايا الجديدة من ( 4 عناصر ) أشهرها
( النحاس / Cigs ) وقد وصلت كفاءة الخلايا لحوالى
( 20.4
% ) وتمتاز الخلايا الجديدة بخفة الوزن وسهولة التركيب والاستخدام مقارنة مع خلايا
السيلكون ذات الكفاءة المشابهة ويمكن أن تصنع الخلايا على رقائق من البلاستيك والبوليمر
المرن وقد صنعت لأغراض البحث العلمى من خلال تكنولوجيا التبخير الحرارى فى الفراغ
وهى تكنولوجيا دقيقة ومعقدة وتؤثر فيها عوامل كثيرة جدا يصعب التحكم فيها خاصة فى
حالة إنتاجها بصورة كبيرة من أجل التجارة .
خلايا
شمسية من الطلاء :
تم
استخدام مادة ( النحاس / Cigs ) بصورتها السائلة للتخلص من مشاكل تصنيع
الطبقات الرقيقة المعقدة حيث استخدم النحاس كطلاء أو دهان على أسطح مختلفة ليكون
استخدامها سهلا وعمليا وغير مكلف فإن كفاءة الخلايا صغيرة جدا مقارنة بالخلايا السيلكونية
ولا تتعدى فى أحسن الأحوال ( 9 % ) ويعمل العلماء على رفع كفاءة الخلايا لتنافس
الخلايا الأخرى ويصبح استخدامها اقتصاديا فعن طريق رفع كفاءة الخلايا الشمسية
الجديدة ستنتشر بصورة كبيرة نتيجة لبساطتها .
خلايا
شمسية من المواد العضوية :
يعود
أصل المواد العضوية للكائنات الحية وتتكون بصورة أساسية من عدة عناصر الكربون
والاكسجين والهيدروجين والنيتروجين التى تدخل فى تركيب الخلايا الحية ويدرس
العلماء والباحثين خواص كثير من هذه المواد التى يمكن أن تحول إلى طاقة الشمس
لكهرباء حيث تمتاز الخلايا الشمسية المصنعة من المواد العضوية برخصها ومرونتها
وسهولة التركيب والاستخدام وإن كفاءة الخلايا الشمسية المصنعة من المواد العضوية
منخفضة حاليا وتتراوح ما بين
( 5 :
10 % ) لصعوبة تحرير وتحريك الإلكترونات فيها والخلايا تكون غير مستقرة وتتأثر
بالحرارة وعمرها الافتراضى أقصر من عمر الخلايا الشمسية التقليدية المعتمدة فى
الأساس على عنصر السيلكون المستخرج من رمال الصحارى حيث يتم استخدام السيلكون عن
طريق التفاعلات الكيميائية ودراسة الخواص الفيزيائية لعنصر السيلكون مما يساعد فى
تنقيته من الشوائب .
ويحاول
العلماء حاليا رفع كفاءة الخلايا وخاصة من خلال مزج عدة مواد عضوية واستخدامها معا
لامتصاص فوتونات بطاقات مختلفة لزيادة الكفاءة ويمكن استخدام الخلايا الشمسية
العضوية على صورة طبقات رقيقة جدا حيث تحضر بواسطة عمليات تبخير حرارى فى الفراغ
وعن طريق رفع كفاءة الخلايا الشمسية العضوية وحل بعض المشاكل الفنية التى توجهها
حيث يتم انتشارها فى المستقبل بعد تطويرها .
ويمكن
وضع الخلايا الشمسية واستخدامها على أسطح واجهات المبانى لامتصاص الطاقة الشمسية
وتحويلها لطاقة كهربية .
الخلايا
الشمسية بتكنولوجيا النانو :
إن
تحسين كفاءة الخلايا الشمسية من خلال زيادة عدد الإلكترونات التى تؤدى لزيادة شدة
التيار الكهربى الناتج فإن امتصاص فوتون واحد فى حالة خلايا السيلكون البلورى يؤدى
لصدور إلكترون واحد يساهم فى شدة التيار الكهربائى ويختلف الأمر فى حالة نقاط الكم
التى تعتبر مجموعة صغيرة من الذرات ( عدة ذرات من مادة معينة ) فالنقاط تخضع
لقوانين ميكانيكا الكم التى تعالج الذرات وتصدر من نقطة الكم عدة إلكترونات عند
امتصاص فوتون واحد .
وتقدر
الكفاءة النظرية لنقاط الكم بحوالى ( 44 % ) وهى أعلى من الخاصة ببلورات السيلكون
فإن النقاط الكمومية تمتاز بإمكانية امتصاص أطوال موجية مختلفة إذ أن طول موجة
الفوتون الممتص تعتمد أساسا على حجم أو نصف قطر نقطة الكم وتمكن الخاصية عند
استخدام نقاط كمية مختلفة الحجم من امتصاص فوتونات على مدى واسع من طول الموجة أو
الطاقة لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية المعتمدة على تكنولوجيا النانو (
النانوتكنولوجى ) حيث تبشر النانوتكنولوجى بمستقبل واعد للخلايا الشمسية عن طريق
التخلص من الكثير من المشاكل الفنية .
فخرى حسن
تنقيح / أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف
مجلة
العربى العلمى
19 / 5 / 2016
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق