مبدأ عمل الخلايا الشمسية لتوليد الكهرباء

الخليَّة الشمسيّة هي عبارةٌ عن جهاز مهمته تحويل الطّاقة الموجودة في أشعّة الضّوء إلى طاقة كهربائية يُمكن استخدامها بإمداد المُنازل والمُنشآت الصناعيّة بما تحتاجُه. وتتمُّ صناعة الغالبيّة العُظمى من الخلايا الشمسيّة حاليا من عُنصر السّيليكون. ويتمُّ تعديلُ المواد الدّاخلة في تركيبها باستمرارٍ لزيادة كفاءتها وقُدرتها على إنتاج الطّاقة بالنّسبة لمساحتها، وكذلك تخفيض تكاليفَ صناعتها وتوزيعها. ومن أهمِّ الميزات التي تُفرّق الخلايا الشمسيّة عن غيرِها هي مخازن الطّاقة، مثلَ البطاريّات، وخلايا الوقود الأحفوريّ؛ أنَّها لا تجري في داخلها أيّ تفاعلاتٍ، وهي لا تحتاجُ إلى أيّ كميّة من الوقود لتكونَ قادرةً على إنتاج الكهرباء، ممَّا يجعُلها صديقة جدّاً للبيئة، وعدا عن كلِّ ذلك فهي تتميَّزُ عن المُولّدات الكهربائية بعدمِ حاجتها لأيّ أجزاءٍ ميكانيكيّة مُتحرّكة، أي أنها لا تصدر ضَّجيجا.

طريقة عمل الخلايا الشمسيّة
يقوم مبدأ عمل الخلايا الشمسيّة على امتصاص أشعة الشّمس وتحويل الطّاقة الشمسيّة إلى طاقة كهربائيّة تُمكّن الاستفادة منها عبر هذه العمليّة، وفي هذه الحالة تكون الشّمس قد أدَّت دور المُولِّدات الكهربائيّة؛ ففي كل يومٍ تُشرق فيه الشّمس تُطلق طاقة كبيرة على شكل فوتونات تُغطّي كل جزءٍ من سطح الأرض، وتصلُ كميَّة هذه الطّاقة إلى أكثر من ألف واطٍ لكلِّ مترٍ مُربَّع من الأرض المَكشُوفة، وتقوم الألواح الشمسيّة باستقطاب هذه الطّاقة. ويحتوي كل لوح من ألواح الطّاقة الشمسيّة على مجموعة من الصّفوف، وكلّ صفّ يحتوي على خلايا شمسيّة، ويتمُّ تجميع هذه الألواح في مصفوفاتٍ كبيرة جدّاً لتشكيل المحطَّات الشمسيّة التي تمدُّ المُدُن والمَصانع بالطّاقة في العديد من أنحاء العالَم.

الخليَّة الشمسيّة عبارةٌ عن أداةٍ شبه مُوصلة ذات بناءٍ بسيط، وظيفتُها تحويل الفُوتونات الموجودة في أشعّة الضّوء إلى أشكالٍ من الطّاقة يستطيعُ الإنسان الاستفادة منها، والطّريقة الأساسيّة للقيام بهذا التّحويل هي السَّماحُ للخليَّة الشمسيّة بامتصاص الفُوتونات وإسقاطِها على سطحِ كريستاليّ مُكوَّنٍ من أحد العناصر. والخاصيَّةُ الكريستاليّة أو البلوريَّة تُشير إلى أنَّ ذرّات هذا العُنصر مُرتَّبة على المُستوى الجُزيئيّ بنمطٍ ثابت دقيق جدّاً، ويُعتَبر السّيليكون العُنصر الأكثر رواجاً لاستعماله في هذه الوظيفة بسبب امتلاكه خواصّاً مُشتركةً ما بين المعادن المُوصلة للكهرباء، والعوازل المانعة للكهرباء، وبالتّالي يُؤدّي دوراً جوهريّاً في تكوين الخليَّة.
عندما تصطدمُ الفوتونات بالسَطحِ المُكوّن من السّيليكون فهي تُؤدّي إلى تأيينِ ذرَّاتِه (تنقلُ إليها شحنة كهربائيّة) ممَّا يُؤدّي إلى تحرُّر بعضِ الإلكترونات منها، وبالتّالي تبقى بعضُ الذرّات الكريستاليّة ذات الشّحنة الإيجابيّة، وتستطيعُ الشّحنة الانتقالَ من ذرّة إلى الأُخرى بحُريَّة كبيرة، وتُصبح هي الأساس للطّاقة التي سوفَ تُنتجها الخلية الشمسيّة من الضَّوء. ويُمكن تبسيط هذا التّفاعلِ بأنَّه يُؤدّي إلى توليد طاقة كهربائيّة داخل السّيليكون بمُجرَّد اصطدام أشعة الشّمس به.
بعد ذلك، تبدأ الإلكترونات الموجودة داخل الخليَّة الشمسيّة في الحركة نتيجةً لاكتسابها للشّحنة الكهربائيّة، فتقومُ بتشكيل حقلٍ كهربائيّ، وتنطلقُ الإلكترونات من كريستالة السّيليكون (أو أياً ما كان نوعُ المادة المُستعملة في صناعة الخليّة الشمسيّة) وتتجمَّع على شكل طاقة كهربائيّة تُرسلها الخليّة الشمسيّة إلى جهازٍ المُحوّل. وعندَ هذه المرحلة تنتج كهرباء في حالة التيّار المُباشر DC؛ وهي كهرباء يمكن إنتاجها من تفاعل الحموض مع المعادن، ومن أمثلتها كهرباءُ البطاريّات، ولكن لا يمكن الاستفادة منها وهي في شكلها الحالي في الأمور الحياتيّة اليوميّة للإنسان، ولذلك تلزم الاستعانةُ بمُحوِّل من نوع خاصّ ليقوم بتحويل هذه الكهرباء من حالة التيّار المُباشر DC إلى التيّار المُتردِّد AC، وبالتّالي تُصبح الطّاقة الكهربائيّة جاهزةً لتشغيل المنازل والمُنشآت البشريَّة.
تُعتمد كميّة الطّاقة المُنتَجة على حجم اللّوح الشمسيّ وما يحتويه من خلايا شمسيّة؛ ففي الألواح الشمسيّة العاديّة، تكون القدرة الإنتاجيّة للوح الواحد في المُتوسّط 250 واط تقريباً، ويمكن معرفةُ القدرة الإنتاجيّة للوح الواحد من ورقة البيانات Data Sheet التي تكون مُرفقة مع الألواح عندَ شرائها من شركةٍ تجاريَّة. وقد اتّخذ هذا النّوع من إنتاج الطّاقة النّظيفة من المصادر المُتجدِّدة مَنحىً كبيراً وحصل على أهميّة كبيرة في الحفاظ على نظافة البيئة، ويبلغ عمر الإنتاج للألواح الشمسيّة ما يُقارب الخمسة وعشرين عاماً، كما أنّ تكلفته في الآونة الأخيرة باتت مَقبولة وفي مُتناول الأيدي مع تطوُّر نوعيَّة صناعته وإنتاجه، ويمكن مَعرفة الجدوى الاقتصاديّة لها عن طريق مَعرفة مُدّة الاسترداد له التي سيُعيد خلالها تكاليفه؛ فكلما قلَّت هذه المدّة كان المشروع أجدى من النّاحية المالية.