الخلايا الشمسية هي أجهزة غير ميكانيكية تستخدم أشباه الموصلات لتحويل ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء من خلال التأثير الكهروضوئي. قد يظن البعض، بشكل بديهي، أن الخلايا الشمسية تعمل بكفاءة عالية تحت أشعة الشمس القوية، ولكن هل هذا صحيح فعلاً؟
لطالما استغلت البشرية الطاقة الشمسية، بثلاث طرق رئيسية لتحويلها: التحويل الكهروضوئي، والتحويل الحراري الضوئي، والتحويل الكيميائي الضوئي. ويُعد توليد الطاقة الكهروضوئية، الذي يحول ضوء الشمس إلى كهرباء، من أكثر استخدامات الطاقة الشمسية كفاءة.
رُصدت الظاهرة الكهروضوئية لأول مرة عام 1839 على يد العالم الفرنسي إدموند بيكريل، وهي عبارة عن توليد جهد كهربائي عند سقوط الضوء على مادة شبه موصلة. وفي وقت لاحق، فسّر أينشتاين هذه الظاهرة باستخدام نظرية الكم للضوء، وهو ما أهّله لنيل جائزة نوبل في الفيزياء عام 1921.
على عكس التأثير الكهروضوئي، الذي يحدث عندما يسقط الضوء على موصل واحد، يحدث التأثير الكهروضوئي عند الحد الفاصل بين لوحين من أشباه الموصلات. عند توصيلهما بسلك، يُنشئ هذا الحد مجالًا كهربائيًا، مما يسمح بمرور التيار.
إذن، كيف تحوّل الخلايا الشمسية ضوء الشمس إلى كهرباء؟ ضوء الشمس عبارة عن طيف واسع من الإشعاع الكهرومغناطيسي. عندما يصطدم بالخلية الشمسية، يمكن أن ينعكس الإشعاع أو يُمتص أو يمر عبرها. الإشعاع الممتص فقط هو الذي يتحول إلى طاقة كهربائية.
بالنسبة لأشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون، يلزم طاقة مقدارها 1.11 إلكترون فولت (eV) لتحرير إلكترون من ذرته. ولا يمكن توليد الكهرباء إلا بواسطة الفوتونات التي تتجاوز طاقتها هذا الحد. مع ذلك، تُفقد الطاقة الزائدة من الفوتونات ذات الطاقة العالية على شكل حرارة، مما يُسهم في تسخين اللوحة الشمسية، الأمر الذي قد يرفع درجة حرارتها فوق درجة حرارة الهواء المحيط.
خلافاً للاعتقاد الشائع، تفضل الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البيئات الباردة، رغم أنها لا تزال بحاجة إلى ضوء الشمس. ومع ارتفاع درجات الحرارة، تنتج الألواح الشمسية طاقة أقل، على الرغم من تلقيها نفس كمية ضوء الشمس.
تؤدي درجات الحرارة المرتفعة بشكل رئيسي إلى انخفاض جهد الدائرة المفتوحة (الجهد عند عدم مرور تيار كهربائي)، بينما يظل تيار الدائرة القصيرة (التيار عند حدوث قصر في الدائرة الكهربائية) مستقرًا نسبيًا. وهذا يعني أن ارتفاع درجات الحرارة يؤدي إلى انخفاض الكفاءة وانخفاض القدرة الناتجة.
تُختبر الخلايا الشمسية عادةً عند درجة حرارة قياسية تبلغ 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت). وعندما تصل درجة حرارة اللوحة إلى 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت) أو أعلى، ينخفض إنتاجها للطاقة بشكل ملحوظ. فمقابل كل درجة مئوية زيادة في درجة الحرارة، يزداد تيار الدائرة القصيرة بنسبة 0.04% فقط، بينما ينخفض جهد الدائرة المفتوحة بنسبة 0.4%.
على الرغم من انخفاض الكفاءة في فصل الصيف، إلا أن وفرة ضوء الشمس خلال هذا الموسم لا تزال تؤدي إلى إنتاج طاقة إجمالي أعلى مقارنة بالفصول الأخرى.
كيفية تبريد الألواح الشمسية
كغيرها من الأجهزة الإلكترونية، تعمل الألواح الشمسية بكفاءة أفضل في درجات الحرارة المنخفضة. ولأنها تعتمد على ضوء الشمس بدلاً من الحرارة لتوليد الطاقة، فإنها تعمل بأفضل شكل في ظروف الإضاءة الساطعة والباردة.
لتبريد الألواح الشمسية خلال فصل الصيف، هل يجب وضع مظلة؟ بالطبع لا! حجب أشعة الشمس يُفقد الألواح الشمسية جدواها. ماذا عن استخدام واقي الشمس؟ لا، وضع حواجز مادية سيقلل من امتصاص الضوء، والطرق الكيميائية لن تُساعد في خفض درجة الحرارة.
بالنسبة لألواح الطاقة الشمسية المثبتة على الأسطح، يُعدّ التهوية الطبيعية وسيلة فعّالة واقتصادية لتبريدها. يسمح تركيب الألواح مع ترك مسافة بينها وبين السطح بتدوير الهواء وتبريدها. مع ذلك، من المهم إزالة الأوراق والحطام من هذه المسافة للحفاظ على تدفق الهواء ومنع ارتفاع درجة الحرارة.
درس الباحثون أيضاً طرق تبريد متنوعة لتحسين كفاءة الألواح الشمسية. فبالإضافة إلى التهوية الطبيعية، تم استكشاف التبريد بالهواء القسري والتبريد الكهروضوئي الحراري، مما يوفر رؤى قيّمة حول خفض درجة حرارة الألواح وزيادة إنتاج الطاقة.
مع استمرار اندماج الخلايا الشمسية، وهي رسل الطاقة النظيفة، في حياتنا، فإنها تجلب معها موجة جديدة من الحلول منخفضة الكربون والصديقة للبيئة.
