صناعة الواح الطاقة الشمسية : اللوح الشمسي هو عبارة عن جهاز يستخدم لتوليد الطاقة الكهربائية من أشعة الشمس، وذلك عن طريق تحويل الطاقة الضوئية إما إلى طاقة كهربائية، أو إلى طاقة حرارية، أو بتحفيز ضوء الشمس على إحداث تفاعلات كيميائية معينة، والطاقة الناتجة عن الألواح والخلايا الشمسية تعتبر طاقة طبيعية متجددة؛ فمصدرها الشمس التي لا تنضب عملياً، وهي نظيفة وصديقة للبيئة.
والخلية الشمسية هي أداة لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء وتصنع من أكسيد النحاس الأحادي – أكسيد كيوبروس بدلا من سيليكون أكسيد كيوبروس واحد من أوائل المواد التي عرفت بتأثرها الكهروضوئي، الذي يسبب فيه الضوء لتدفق الكهرباء في المادة.
ويزداد الطلب مؤخراََ على مصادر بديلة للطاقة بعد إدراك مساوئ مصادر الطاقة الأحفورية، مثل: النفط والفحم التي تلوّث البيئة وتسبب الاحتباس الحراري، كما أنها معرضة للنفاذ بعد فترة من الاستهلاك.
تعد الطاقة الشمسية (Solar power) إحدى مصادر الطاقة المتجددة؛ أي أنها غير قابلة للنفاذ، فالشمس تشرق كل صباح وتزودنا بما نحتاجه من ضوء ودفء، كما يمكن استغلال الطاقة الشمسية باستخدام الخلايا الشمسية التي تحول أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية يمكن الاستفادة منها في كثير من المجالات.
اقرا المزيد.. تايلاند : تقنية جديدة لتخزين الطاقة الشمسية باستخدام المنصات العائمة
المواد المطلوبة لتصنيع الخلية الشمسية:
* صفيحة نحاسية لامعة مساحتها حوالي نصف قدم .
* عدد 2ماسك فك التمساح
*جهاز أميتر حساس يمكن أن يقرأ التيارات بين 10 – 50مايكرو أمبير.
* سخان كهربائي أو مسخن القرص حارصغير
* قنينة بلاستيكية شفافة سعة 2 لتر .
*ملح المائدة _ماء حنفية
* ورقة رمل (صنفرة)
*مقص معادن لقص اللوح المعدني (لقطع الصفحة النحاسية).
كيفية بناء الخلية الشمسية
الخطوة الأولى:
هو قص قطعة من النحاس بمساحة حوالي قرص المشعل والتأكد من نظافتها وخلوها من إي زيوت أو شحوم يستعمل ورق الصقل لتأكد من خلوها من أي تأكل أو كبريتيد وأن وجد فالتأكد من أزالته.
الخطوة الثانية:
توضع الصفيحة النحاسية المنظفة والمجففة جيدا على المشعل ويوقد المشعل لأعلى درجة و النحاس يبدأ بالسخونة، يلاحظ تشكيل أنماط الأكسدة البرتقالي، أرجواني، والأحمر والتي ستغطي النحاس.
الخطوة الثالثة:
تزداد درجة حرارة النحاس تستبدل الألوان بطبقة سوداء من أكسيد كيوبروس هذا ليس الأكسيد الذي نريده لكنه سيتقشر فيما بعد وسنرى الألوان الأحمر، البرتقالي، الوردي، والأرجواني طبقة أكسيد كيوبروس وسيختفي اللون الأخير عندما يبدأ المشعل بالتوهج بالون الأحمرو عندما يتوهج المشعل لسخونته العالية ستكسى القطعة النحاسية بطبقة من أكسيد كيوبروس الأسود تترك لتسخن لمدة نصف ساعة لذا ستسمك الطبقة السوداء وهذا مهم لأنه سيساعد بتقشير الطبقة المتكونة بشكل سهل لأنه في حالة أن تكون الطبقة خفيفة فستبقى ملتصقة بقطعة النحاس.
الخطوة الرابعة:
بعد نصف ساعة من التسخين يطفئ المشعل ويترك النحاس الحار على المشعل ليبرد ببطءواذا كان تبريد القطعة بسرعة، فستبقى طبقة الأكسيد الأسود ملتصقة وستتمسك بالنحاس بينما تبرد قطعة النحاس، سينكمش الأكسيد النحاسي الأسود أيضا. لكن بنسبة انكماش مختلفة، وهي التي ستساعد على تقشير رقاقة الأكسيد النحاسية السوداء ستتفرقع الرقائق السوداء الصغيرة من النحاس بالقوة الكافية لتجعلها تطير لبضعة بوصات هذا يعني لزوم جهد أكثر بعض الشيء لتنظيف المنطقة حول الموقدوعندما يبرد النحاس إلى درجة حرارة الغرفة (وهذا يأخذ حوالي 20 دقيقة)، أغلب الأكسيد الأسود سيذهب بالحك الخفيف باليد تحت الماء الجاري وهذا سيزيل أغلب القطع الصغيرة, قاوم الإغراء للإزالة كل البقع السوداء بالحك الشديد أو بثني النحاس الناعم, وهذا قد يتلف طبقة أكسيد كيوبروس الحساسة الحمراء والتي سنحتاجها لصنع الخلية الشمسية التي نعمل عليها..
الخطوة الخامسة:
أقطع صفيحة أخرى من النحاس بنفس حجم الصفيحة الأولى, أحن (قوس) كلتا القطعتين بلطف، بحيث تلاءمان شكل الداخلي للقنينة البلاستيكية و بدون أن تلامس أحدهما الآخر, ومن الأفضل أن تكون طبقة أكسيد كيوبروس) التي حصلنا عليها من فوق المشعل) أن تواجه الجانب الخارجي من الجرة، لأن لها السطح الأنظف والأنعم ثم أربط ماسكي فك التمساح، واحد إلى الصفيحة النحاسية الجديد، وواحد إلى الصفيحة المكسية بأكسيد كيوبروس ثم أوصل سلك من الصفيحة النحاسية النظيفة إلى النقطة الطرفية الموجبة لجهاز الملتي ميتر المايكرو ميتر ثم أوصل السلك من الصفيحة ذات طبقة أكسيد كيوبروس إلى النقطة الطرفية السالبة الملتي ميتر ثم مزيج ملعقتي طعام من الملح إلى قليل من ماء الحنفية ثم حرك الماء حتى يذوب كل الملح ثم يصب الماء المالح بعناية في المكانن المحدد له لذلك يجب مراعاة الحذر حتى لا تتبلل ماسكات فك التمساح الماء المالح يجب أن لا يغطي الصفحتين بالكامل حيث يجب ترك حوالي بوصة واحدة من الصفحتين فوق مستوى الماء, بحيث يمكن أن تحرك الخلية الشمسية بدون أن تتبلل ماسكات فك التمساح.
الخطوة السادسة:
هى الخلية الشمسية في الظل بينما أخذت الصورة لاحظ قراءة التيار في الملتي ميتر هي 6 مايكرو أمبير و الخلية الشمسية هي عبارة عن بطارية تعمل حتى في الظلام وتعطي تيار كهربائي مقداره بضعة مايكرو أمبيرات عادة ولاحظ الصورة للخلية الشمسية عند شروق الشمس فقراءة الملتي ميتر ستقفز إلى حوالي 33 مايكرو أمبير وأحيانا تصل إلى 50 مايكرو أمبير.
إن الخلايا الشمسية المستخدمة في العالم حاليا ليست فعالة بدرجة كافية، فهي لا تستطيع تحويل كل الطاقة الشمسية التي تمتصها إلى كهرباء، وليست قريبة حتى من تحقيق هذا الهدف، وأكبر سلبياتها هو ثمنها المرتفع، فهذه الخلايا مصنوعة من مادة السيليكون الباهظة الثمن، حتى أن سعر الطاقة الشمسية أغلى من طاقة الرياح أو الطاقة المائية.
اقرا ايضا..باحثون:تقنية حديثة لتوليد الطاقة الشمسية بكفاءة عالية
كما إن تحويل هذه الطاقة إلى كهرباء أمر مكلف للغاية من الناحية المادية، لأن التكنولوجيا المستخدمة حاليا في هذه العملية باهظة الثمن، وهو ما يجعل هذه الطاقة محصورة في فئة قليلة من البشر، على الأقل إلى وقت قريب جدا.
تكلفة مادية عالية:
وفي الواقع، فإن 98% من الخلايا الشمسية في العالم مصنوعة من السيليكون، وهي التكنولوجيا الأكثر شيوعا لإنتاج الطاقة من الشمس، وقد شهدت هذه المادة ارتفاعا كبيرا في سعرها مؤخرا، حيث وصل ثمن الكيلوغرام الواحد منها إلى نحو 28 دولارا، وهو في ارتفاع مستمر.
ويحتاج صنع لوح شمسي واحد إلى 1.3 كلغم من السيليكون بتكلفة تصل إلى 36.4 دولارا أميركيا، فإذا كان النظام الشمسي الواحد مكونا من 27 لوحا، فإن الثمن يبلغ 982 دولارا، فإذا أضفنا الضرائب وأجرة العمالة وتكاليف الإنتاج الأخرى فإن السعر سيصل إلى نحو 1500 دولار أميركي، وهذه كلفة عالية بكل المقاييس ولا يقدر عليها معظم البشر.
تقنية جديدة لصنع الخلايا الشمسية من النانوتكنولوجي:
لحل هذه المشكلة، أعلن باحثون من جامعة كوينزلاند للتكنولوجيا الأسترالية مؤخرا عن توصلهم لتقنية جديدة لصنع خلايا شمسية رخيصة ومستدامة وفعالة وفي متناول الجميع، وذلك كما ذكرت منصة الجامعة التي نشرت الدراسة العلمية مؤخرا.
يقول العلماء إن هناك حاجة ملحة لتطوير بدائل أرخص وأكثر فعالية وصديقة للبيئة كذلك، ولتحقيق ذلك ابتكر العلماء مادة نانوية تجعل الخلايا الشمسية أكثر فعالية من الخلايا القائمة على السيليكون، وقد أطلق العلماء على هذه الخلايا الجديدة اسم “خلايا البيروفسكايت الشمسية” (Perovskite solar cells (PSCs)).
وهذه الخلايا الجديدة فعالة للغاية وسهلة الإنتاج، وقد تطورت بسرعة كبيرة خلال الفترة الماضية، إلا أنه لم يتم إنتاج كميات ضخمة منها قادرة على تغطية حاجة السوق بسبب بعض المشاكل التقنية التي كانت تعاني منها، ولكن العلماء الآن توصلوا لابتكار مادة نانوية متناهية الصغر قادرة على حل هذه المشاكل التي تعترض تطوير خلايا البيروفسكايت الشمسية، وتمكن من إنتاج كميات كبيرة منها قادرة على تغطية السوق خلال وقت قريب.
وقد وجد العلماء أن حقن هذه الخلايا بالمادة النانوية الجديدة -التي تعمل كمحفز لها- قد حقق الاستقرار الحراري لهذه الخلايا، وتقنية الحقن هي طريقة متقدمة لتحسين الخصائص الكهربائية للخلايا الجديدة.
كفاءة عالية للتقنية الجديدة:
وأوضح البروفيسور جو شابتر الأستاذ المشارك في الدراسة أن “الخلايا المحقونة قد أظهرت كفاءة عالية في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، بنسبة تجاوزت 21% مقارنة بالخلايا التي لم يتم حقنها بالمحفز النانوي، وهو الأمر الذي يعطي دفعة قوية لإنتاج ألواح شمسية مستدامة وفعالة، والأهم من ذلك أنها رخيصة الثمن وفي متناول الجميع.
كم خلية في اللوح الشمسي الواحد؟
يتعلق عدد خلايا اللوح الشمسي باستطاعة اللوح بشكل أساسي، حيث
يتكون اللوح ذو الطاقة 225-285 واط من 60 خلية (6*10) بقياس (99*164 سم).
بينما يتكوّن اللوح ذو الطاقة 315-335 واط يتكون من 72 خلية (6*12) بقياس (99*196 سم).
وفي حال تجميع عدة ألواح يتشكّل مصفوفة تسمّى مصفوفة شمسية.
أنواع الألواح الشمسية:
1. أنواع الألواح الشمسية الحديثة
يٌقسم اللوح الشمسي إلى ثلاثة أنواع رئيسة:
– لوح السيليكون أحادي البلورة: يمتاز اللوح الشمسي أحادي البلورة بنقاء كريستالات السيليكون الموجودة فيه، وتكون الخلايا الشمسية فيه ذات اللون الأسود غير متلاصقة. تُقدّر الكفاءة الفعلية للوح الشمسي من هذا النوع 22.5%، ولكن المتداول في الأسواق يعطي كفاءة تصل 17.5% كحد أقصى، وتدوم لمدة 25 سنة كحد أدنى. كما أنَّها الأغلى سعراً بين الأنواع الثلاثة التي نذكرها في مقالنا.
– لوح السيليكون متعدد البلورات: تكون الخلايا الشمسية فيه عبارة عن مربعات متراصّة، وهي أقل تكلفة من النوع الأول. تُقدَّر كفاءتها ب 16.9%، وعمرها الافتراضي هو 25 عاماً كحد أدنى، كما يكون لون الخلايا فيها أزرق.
– لوح سيليكون بشكل رقاقة: تكون الخلايا رقيقة وانسيابية، وتأخذ شكل السطح الذي تُثبت عليه، وهي الأقل كفاءة بكفاءة لا تزيد عن 12%، والأقل عمراً لمدة تصل 15 عاماً كحد أقصى؛ ولذلك تعد غالية السعر بالنسبة إلى عمرها.
2. أنواع الألواح الشمسية القديمة
يتوفر أيضاً الألواح الشمسية التقليدية القديمة تقنياً نذكر منها:
ألواح شمسية بتقنية الخلية الكاملة: تتألف من صفوف من الخلايا الشمسية المتصلة ببعضها البعض على التسلسل (صفوف متسلسلة) بعدد (10*6)، وعند تعرض أحد الخلايا للتظليل، يتوقف الصفّ المرتبط بها عن إنتاج الطاقة؛ يعني ذلك فقدان ثلث إنتاجية اللوح الشمسي من الطاقة.
ألواح شمسية بتقنية النصف خلية: يتكون اللوح الشمسي من صفوف من الخلايا الشمسية تكون مقسومة مناصفةً؛ يحوي كل نصف العدد ذاته من الخلايا. تتصل الخلايا ببعضها في الصف الواحد على التسلسل وفي نصفين على التوازي، وعند تظليل إحدى الخلايا، يتوقف الجزء المتصل بها فقط عن إنتاج الطاقة، أي فقدان طاقة أقل.
كيفية صناعة الواح الطاقة الشمسية يدويا:
خطوات عمل لوح طاقة شمسية:
الخطوة الأولى إنشاء قالب ووضع الإطار
أولاً ، تريد عمل قالب للخلايا الشمسية، ما استخدمته كان قطعة احتياطية من الخشب الرقائقي العادي ، وقطعة من الورق المقوى العادية بحجم الخلية الشمسية ، وبعض الفواصل والبلاط ، ومسدس رئيسي لإنشاء قالب، أردت استخدام المباعدة الفاصلة للبلاط للمساعدة في الحفاظ على الخلايا الشمسية الخاصة بي، وقد ساعد استخدام المسطرة في الحفاظ على كل شيء محاذيًا ، ومن السهل قطع الخشب الرقائقي باستخدام بانوراما ، لكن المنشار اليدوي العادي سيكون جيدًا أيضًا.
بعد ذلك ، بمجرد انتهائي من القالب ، بدأت في تجميع الإطار معًا، ما استخدمته كان قطعة من الخشب الرقائقي 1x2x8 ، وقطع ذلك لتناسب إطاري الخارجي من الخشب الرقائقي، أردت أن أتأكد من أن الإطار الخارجي لم يكن مرتفعًا جدًا بحيث لا يمكن منعه من فقد أي أشعة الشمس التي أستخدمها، لذا وضعت قطع الخشب الرقائقي أعلى الخشب الرقائقي المعالج 2×4 بالضغط ، وقمت بلفها لأسفل ورملت الإطار بأكمله بعد ذلك، وبعد الترميل وتنظيف أي غبار إضافي خلفه ، قمت بتطبيق طلاء السطح والجانب الجانبي على الإطار، أردت أن أعطيها وجه طلاء لجعلها مقاومة للماء، لذا كنت أيضا بحاجة لوضع 2 من أوجه الطلاء على السطح .
الخطوة الثانية تجميع الخلايا الشمسية
بعد ذلك ، أثناء تجفيف الوجه الأول من الطلاء ، بدأت العمل على تجميع الخلايا الشمسية، أفضل طريقة لتعلم كيفية تجميع الخلايا الشمسية هي ببساطة مشاهدة فيديو عن الأمر، وكشرح سريع : الجزء السفلي من الخلية الشمسية هو الجانب الإيجابي ، وأعلى الخلية الشمسية هي الجانب السلبي، وقد أردت توصيل الخلايا الشمسية في سلسلة ، مع ما مجموعه 36 خلايا شمسية ، والتي ستمنحني 63 واط، وقد استخدمت سلك الجدولة مع مكواة لحام لتوصيل الخلايا الشمسية معًا، وكان لدي لوحة ولدي 3 سلاسل من الخلايا الشمسية، ولتوصيل هذه السلاسل من الخلايا الشمسية ، استخدمت ما يسمى سلك ناقل .
اقرأ كذلك…أفضل اختراعات تم ابتكارها في عام 2022.
الخطوة الثالثة إنشاء ثقوب للاتصالات
بعد ذلك ، بمجرد أن تحتوي ألواح الخشب الرقائقي والخشب الرقائقي على 2 طبقة من طلاء السطح و الطلاء الجانبي ، كنت بحاجة إلى تثبيت لوح الخشب أسفل الإطار (الخشب الرقائقي)، ما فعلته هو وضع الخلايا الشمسية داخل إطاري أولاً للحصول على فكرة عن المكان الذي أحتاج إلى وضع المسامير فيه ، ثم أخرجت الخلايا الشمسية مرة أخرى بمجرد وضع علاماتي ، ثم ثبتت اللوحة الأمامية لأسفل، بعد ذلك ذهبت إلى الأمام وحفرت ثقوبًا في نهاية إطاري لتنفد روابطي السلبية والإيجابية .
الخطوة الرابعة إلتصاق الخلايا الشمسية بالأسفل
بعد ذلك ، حان وقت لصق خيوط الخلايا الشمسية وصولاً إلى لوحة التحكم بالسيليكون، بعد ذلك أكملت السلسلتين وتمكنت من المضي قدمًا في لحام السلك في أحد طرفي ترابط سلسلتي الخلايا الشمسية معًا .
الخطوة الخامسة لحام السلك
بعد ذلك ، بعد تثبيت جميع السلاسل الثلاث للخلايا الشمسية في سلسلة ، كنت مستعدًا لإعداد 22 مقياسًا من الأسلاك (الأحمر والأسود) جاهزة للحام، على نهايتي خيوطي من أسلاك القياس ، قمت بتوصيل بعض الموصلات لجعل عملية لحامها لأسلاك الناقل أسهل كثيرًا .
الخطوة السادسة رؤية الجانب الكهربائي
ما تحتاجه هو وحدة تحكم شحن وبطارية دورة عميقة وعاكس، وربط تلك الأشياء معًا بسيط إلى حد ما ،قمت أولاً بتوصيل توصيل الألواح الشمسية حتى الجانب الشمسي من وحدة تحكم الشحن ، ومن جانب توصيل البطارية بجهاز التحكم بالشحن ، قمت بتوصيل ذلك ب بطارية الدورة العميقة، ومن البطارية ، قمت بربط العاكس .
الخطوة السابعة إضافة الضغط المتساوي على الزجاج
بعد ذلك ، اكتشفت أنه لتأمين قطعة زجاج شبكي مقاس 2 × 4 ، سأحتاج إلى توفير ضغط متساوٍ حول جميع الحواف، ولتحقيق ذلك ، استخدمت مجموعة أخرى من قطع الخشب الرقائقي ذات الإطار الخارجي الذي كان لدي في أسفل زجاج شبكي ، وقمت بتركيب تلك الموجودة أعلى زجاج شبكي لتوفير الضغط المتساوي الذي احتاجه .
الخطوة الثامنة تثبيت مربع التقاطع
قم بتوصيل قطع الخشب الرقائقي الخلفية التي كانت ستدعم اللوحة الشمسية بالكامل، أيضًا قم بتثبيت صندوق الوصلات على الجزء الخلفي من اللوحة الشمسية نظرًا لأن معظم الألواح الشمسية تشتمل على صندوق الوصلات، أخيرًا ، خذ السليكون وقم بوضعه على جميع حوافي اللوحة الشمسية ، وكذلك صندوق الوصلات الموجود على ظهره .
من اخترع الألواح الشمسية؟ وما آلية عملها في توليد الكهرباء؟
تعد تكنولوجيا الخلايا الشمسية قديمة للغاية حيث يرجع تاريخها إلى أوائل القرن التاسع عشر، وأول من ابتكرها هو الفيزيائي الفرنسي “ألكساندر بيكيريل” عام 1839 وكان حينها يبحث تأثير الضوء الجهدي واعتبر ذلك أساسا للخلية الشمسية من خلال اكتشاف انبعاث طاقة عند سقوط أشعة الشمس على قطب كهربائي.
بناء على تلك الفكرة، تم تطوير أول خلية شمسية بواسطة العالم “تشارلز فريتس” باستخدام مركبات السلينيوم على طبقة رقيقة من الذهب، ولكن هذه الخلايا لم تتسم بالكفاءة في توليد الطاقة حتى اخترع “راسل أول” خلية شمسية من السليكون عام 1941.
آلية العمل:
– تتكون الخلية الشمسية من طبقة سليكون يضاف لها بعض الشوائب المتميزة ببعض الخواص الكهربائية، ويضاف للطبقة العليا المستقبلة لأشعة الشمس عنصر الفوسفور.
– في الطبقة السفلية للخلية الشمسية، يوجد عنصر البورون لامتصاص الشحنات الكهربائية وتسمى الطبقة “P” – لكنه يضم عددا قليلا من الإلكترونات بعكس طبقة السليكون التي تسمى “N”.
اقرا الان:ماهو الاحتباس الحراري الذي يحكم قبضته على العالم
– عند ارتطام أشعة الشمس بالطبقة العلوية ذات السليكون وعنصر الفوسفور، يتم شحن الإلكترونات وتزود بالطاقة، ومع وجود موصل كهربائي بين الطبقتين، يتولد تيار كهربائي ينتقل من الطبقة العليا إلى السفلى.
استخدامات متعددة:
– أصبحت الطاقة الشمسية من أبرز مصادر الطاقة المتجددة التي توسعت استخداماتها في العديد من المجالات، وأصبح من السهل ربط إنتاجها بالشبكات الكهربائية الوطنية لتوفير احتياجات الشركات والمنازل من الكهرباء.
– كانت تكلفة صناعة الألواح الشمسية تمثل عقبة رئيسية في طريق الاعتماد بشكل أكبر على الطاقة الشمسية، ولكن مع ضخ استثمارات كبيرة وتطور في صناعتها، قلت هذه التكاليف.
– تتميز الألواح الشمسية بحاجتها الأقل للصيانة وقلة أعطالها الفنية، كما يمكن تخزين الطاقة الناتجة عنها في بطاريات لإمكانية استغلالها في غياب أشعة الشمس.
مميزات عامة لمحطات الطاقة الشمسية:
محطات الطاقة الشمسية مصدراً نظيفًا للكهرباء وآمن على البيئة.
مقارنة بالحلول التي تقدمها محطات الطاقة الشمسية فتكلفة التركيب فى متناول يد الطبقة المتوسطة.
يمكن من خلالها الاستغناء تماماً عن الكهرباء الحكومية، مما يعني أنه يمكن توفير طاقة أي منزل أو نظام ري أو شبكة إنارة الشوارع من خلال الشمس.
لا يحتاج مراقبة
صيانة منخفضة
سهل في تشغيله واستعماله.
عمره الافتراضي طويل.
لا توجد تكاليف شهرية ولا تكلفة للوقود.
من الممكن أن تكون متنقلة.
فترة استرداد التكلفة الأولية من 3 الي 5 سنوات.
