[أم كلثوم]

I.1 الطاقة المتجددة
I.1.1 تعريفها:
الطاقات المتجددة هي عبارة عن مصادر طبيعية دائمة وغير ناضبة ومتوفرة في الطبيعة سواء أكانت محدودة أو غير محدودة ولكنها متجددة باستمرار، وهي نظيفة لا ينتج عن استخدامها تلوث بيئي
I.1.2 أنواعها:
ب) طاقة الرياح :
استخدمت طاقة الرياح منذ اقدم العصور في دفع السفن الشراعية , وفي إدارة طواحين الهواء التي استعملت في كثير من البلدان في رفع المياه من الآبار لاستخدامها في طحن الغلال والحبوب , كما استخدمت في أغراض التدفئة وفي عمليات الري.
إلا انه نظرا إلى عدم ثبات سرعة الرياح وعدم استمرارها فقد تأخر استخدامها كوسيلة رئيسية من وسائل توليد الطاقة الكهربائية



الشكل I.1 :طاقة الرياح
ب) الطاقة المائية
تعتبر طاقة المياه من الطاقات المتجددة , فقد أمكن الاستفادة من حركة الماء من إنتاج الطاقة في العصر الحديث, وهي ثلاثة أنواع : الطاقة الكهرومائية , طاقة المد والجزر, طاقة الأمواج البحرية
1) الطاقة الكهرومائية
هي الطاقة الناجمة عن سقوط الماء على التوربينات بحيث يتم عن طريقها تحويل الطاقة الميكانيكية الناتجة من هذا السقوط إلى تيار كهربائي باستخدام المولد الكهربائي






2) طاقة المد والجزر
هي الطاقة الناجمة عن تأثير قوة جذب الشمس والقمر على كوكب الأرض فالمد هو ارتفاع ماء البحر واندفاعه نحو الشاطئ, والجزر هو ارتداد الماء إلى الشاطئ وانخـفاض مستواه. ويمكن الاستفادة من هذه الظاهرة عن طريق بناء سدود مائية يتم التحكم فيها بواسطة بوابات. فعند ارتفاع الماء تقفل هذه البوابات
في حالة أقصـى مدّ، ثم يعاد الماء إلى البحـر عبر عنفات تولـيد الطـاقة عند انحـسار الماء وانـخفاض منسوبة وقت الجزر
3) طاقة الأمواج الحيوية
هي مصدر هائل من مصادر الطاقة وتنشأ نتيجة حركة الرياح . وتنتج الأمواج في الأحوال العادية طاقة بين عشرة إلى مائة كيلواط لكل متر من الشاطئ في المناطق متوسطة البعد عن خط الاستواء , لذا فان الاستغلال الاقتصادي لطاقة الأمواج الميكانيكية يتطلب وجود عدد كبير من أجهزة أو وسائل لجمع هذه الطاقة من ثم تحويلها إلى طاقة كهربائية على سبيل المثال
طاقة الكتلة الحيوية
هي الطاقة الناتجة من المخلفات العضوية الصلبة والسائلة , الحيوانية والنباتية كالمخلفات الصناعية ومياه المجاري والمخلفات الزراعية , أي بمعنى آخر هي الطاقة الناجمة من جراء تدوير المخلفات السالفة الذكر أما عن طريق حرقها أو تخميرها , حيث نصل بعد معالجتها على منتجات هامة كالكهرباء , والأسمدة الكيميائية , والوقود مثل الاثونيل.
وتشكل الكتلة الحيوية مصدرا هاما للطاقة تستخدم في الصناعات التقليدية , ويمكن استخدام الغاز الحيوي الناتج عن النفايات العضوية في الاستهلاك المنزلي كالإنارة وتسخين الماء , وتدفئة البيوت الزجاجية والبلاستيكية



الشكل I.2:طاقة الكتلة الحيوية






د) الطاقة الشمسية:
تعتبر الشمس هي المصدر المتجدد للطاقة اللازمة للحياة حيث أن مقدار الإشعاعات التي تصل إلى الأرض كل (40) دقيقة تعادل طاقة الوقود الباطني التي تستعملها البلدان الرئيسية المستهلكة للطاقة لمدة سنه كاملة, وتعتبر الطاقة الشمسية الطاقة الرئيسية في تكوّن مصادر الطاقة.كما أن تطوير
استخداماتها في المجالات المختلفة للتنمية يحظى باهتمام متزايد في كافة أنحاء العالم.



الشكل I.3:الالواح الشمسية
ه) طاقة المياه الجوفية :
عندما يثور بركان نلاحظ أنة يقذف في الجو حمما ساخنة جدا قوامها الصخر المنصهر ودرجة حرارتها عالية جدا وتسيل هذه الحمم على جوانب الفوهة البركانية لتسبب احتراقا وموتا لكل الكائنات المحيطة بها. وهذا دليل على أن باطن الأرض يحوي من الحمم والصهير الكثير مما يمكن أن يكون مصدرا جيدا للحرارة لو أمكن تطويعه واستخدامه لمنفعة البشر. ومن الظواهر التي تساعد في ذلك ما يسمى الفوارات الساخنة، وهي ينابيع مياه ساخنة تقع في مناطق الصدوع
الأرضية حيث تتسرب المياه الجوفية عبر الصدوع الأرضية والشقوق إلى أعماق كبيرة بحيث تلامس مناطق شديدة السخونة فتسخن وتصعد إلى أعلى فوارة وبقوة، نافثة بخار الماء. وبعض هذه الينابيع يثور ويهمد عدة مرات في الساعة وبعضها يتدفق باستمرار وبشكل انسيابي حاملا معه المعادن المذابة
من طبقات الصخور العميقة. ويقصد الناس هذا النوع من الينابيع للاستشفاء والاستمتاع بحمامات ساخنة من المياه الطبيعية. غير أن هناك مشاريع تقوم على استغلال حرارة المياه المنطلقة من الأرض في توليد الكهرباء










الشكل I.4:طاقة المياه الجوفية
I.2 لماذا الطاقة الشمسية ؟
الشمس هي مصدر الحياة ومصدر الطاقات على الأرض , فالطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض تتحول إلى شكلين رئيسين: طاقة كيميائية , وطاقة حرارية وكل منها يتجلى بعدة مظاهر تؤدي لنشوء عدد من الطاقات , فعند سقوط أشعة الشمس على أوراق النباتات تدخر في النبات على شكل طاقة كيميائية عضوية وتشكل هيكلا للنباتات ومصدرا لغذائه ولغذاء الكائنات الحية بشكل عام . ان تراكم الكميات الكبيرة من هذه العضويات الحية عبر السنين وخضوعها لظروف مناسبة من الأكسدة والإرجاع حولت الطاقة الكيميائية المختزنة فيها إلى مصادر أخرى للطاقة مثل النفط والغاز والفحم.أما الأثر الحراري للطاقة الشمسية فيتجلى ظاهراً عند سقوط الأشعة الشمسية على الغلاف الجوي فيؤدي لتسخينه تسخيناً متفاوتاً وبالتالي لحدوث التيارات الهوائية وبالتالي ظهور طاقة الرياح ، وعندما تتبخر الكميات الهائلة من مياه البحار والمحيطات فهي تشكل مصدر للطاقة المائية على الأرض والتسخين المباشر لسطح البحار والمحيطات يؤدي لارتفاع درجة حرارة السطح مع المحافظة على درجة الحرارة منخفضة في القاع .فالطاقة الناتجة من هذه الظاهرة تعرف بالطاقة الحرارية في البحار والمحيطات ، وطاقة المد والجزر ترتبط مباشرة مع الشمس ولو بشكل ضئيل أي بمدى قربها أو بعدها عن الأرض ، ويعتقد أن الطاقة الكامنة الجوفية في سطح الأرض هي طاقة مستمدة من الشمس لأن معظم النظريات الحديثة تؤكد أن الأرض تعود في منشئها إلى الشمس فهي انفصلت عن الشمس( الكوكب الأم ) وبردت قشرتها الخارجية أما أعماقها فما زالت ملتهبة تشع الحرارة إلى كافة الجهات.إذن فالطاقة الشمسية هي الطاقة ألام فوق كوكبنا حيث تنبض من أشعتها كل الطاقات , فهذه الطاقة تتميز بمواصفات تجعلها الأفضل دون منازع بالنسبة تجميع الطاقات الأخرى ومن هذه المواصفات:

• طاقة هائلة يمكن استغلالها في أي مكان
• تشكل مصدرا مجانيا للوقود الذي لا ينضب
• طاقة لا تنتج أي نوع من أنواع التلوث
وربما كان لهدوء الشمس الزائد دور كبير في إهمال الناس لها ونسيانها إلا أن أزمة الطاقة الحالية والتحديات المطروحة أمام الحضارة الحديثة في حال نضوب مصادر الطاقة الغير المتجددة أعاد إلى الأذهان التفكير باستغلال الطاقة الشمسية , حيث نرى إن الأبحاث اليوم جادة لتطوير هذا المصدر الطاقوي ووضعه قيد الاستثمار الفعلي على نطاق واسع.
نبذة تاريخية 1.2.I
خلق الله الشمس والقمر كآيات دالة على كمال قدرته وعظمة سلطانه وجعل شعاع الشمس مصدراً للضياء على الأرض وجعل الشعاع المعكوس من سطح القمر نوراً . قال الله تعالى في كتابه العزيز ( هو الذي جعل الشمس ضياء والقمر نوراً وقدره منازل لتعلموا عدد السنين والحساب ما خلق الله ذلك إلا بالحق يفصل الآيات لقوم يعلمون ) سورة يونس الآية(5) فالشمس تجري في الفضاء الخارجي بحساب دقيق حيث يقول الله سبحانه وتعالى في سورة الرحمن ( الشمس والقمر بحسبان ) الآية(5) . أي أن مدار الأرض حول الشمس محدد وبشكل دقيق ، وآي اختلاف في مسار الأرض سيؤدي إلى تغيرات مفاجئة في درجة حرارته وبنيتها وغلافها الجوي ، وقد تحدث كوارث إلى حد لا يمكن عندها بقاء الحياة فوق سطح الأرض فقدرة الله تعالى وحدها جعلت الشمس الحارقة رحمة ودفئاً ومصدراً للطاقة حيث تبلغ درجة حرارة مركزها حوالي(-840)10 درجة ثم تتدرج حرارتها في الانخفاض حتى تصل عند السطح إلى5762 درجة. وقد استفاد الإنسان منذ القدم من طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى وردت في كتب العلوم التاريخية فقد أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الروماني في حرب عام 212 ق م عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من الدروع المعدنية . وفي العصر البابلي كانت نساء
الكهنة يستعملن آنية ذهبية مصقولة كالمرايا لتركيز الإشعاع الشمسي للحصول على النار . كما قام علماء أمثال تشر نهوس وسويز ولافوا زييه وموتشوت وأر يكسون وهاردنج وغيرهم باستخدام الطاقة الشمسية في صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير الماء وتسخين الهواء . كما أنشئت في مطلع القرن الميلادي الحالي أول محطة عالمية للري بواسطة الطاقة الشمسية كانت تعمل لمدة خمس ساعات في اليوم وذلك في المعادي قرب القاهرة .ولقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية.[1]


2.2.Iمراحل تطور تكنولوجيا توليد الطاقة الكهربائية من الشمسية:
بما أن الطاقة الشمسية تعتبر من المجالات والتخصصات العلمية الحديثة إلا أنها مرت بعدة مراحل للتطور نميز منها ما يلي:
المرحلة الأولى:
حيث يعود تاريخ الاهتمام بالطاقة الشمسية كمصدر للطاقة في بداية الثلاثينات حيث تركز التفكير حين ذاك علي إيجاد مواد وأجهزة قادرة على تحويل طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية وقد تم اكتشاف مادة تسمى السيلينيوم التي تتأثر مقاومتها الكهربائية بمجرد تعرضها للضوء وقد كان هذا الاكتشاف بمحض الصدفة حيث أن أساس البحث كان لإيجاد مادة مقاومتها الكهربائية عالية لغرض تمديد كبلات للاتصالات في قاع المحيط الأطلسي.
المرحلة الثانية:
في هذه المرحلة اخذ الاهتمام بهذه الظاهرة يتطور حتى بداية الخمسينات حين تم تطوير شرائح عالية القوة عن مادة السليكون تم وضعها بأشكال وأبعاد هندسية معينة وقادرة على تحويل أشعة الشمس إلى
طاقة كهربائية بكفاءة تحويل (6%) ولكن كانت التكلفة عالية جداً ، هذا وقد كان أول استخدام للألواح الشمسية المصنعة من مادة السليكون في مجال الاتصالات في المناطق النائية ثم استخدامها لتزويد الأقمار الصناعية بالطاقة الكهربائية حيث تقوم الشمس بتزويد الأقمار الصناعية بالطاقة الكهربائية حيث تكون الشمس ساطعة لمدة (24) ساعة في اليوم ولازالت تستخدم حتى يومنا هذا ولكن بكفاءة تحويل تصل إلى ( 16%) وعمر افتراضي يتجاوز العشرون عاماً.
المرحلة الثالثة:
ثم تلت فترة الخمسينات والستينات فترة مهمة أخرى في مجال الاهتمام بالطاقة الشمسية كمصدر بديل للطاقة وفي النصف الثاني للسبعينات حينما أعلن العرب حضر تصدير النفط إلى الغرب بدأت دول عديدة تعطي اهتمام بالغ بالطاقة الشمسية واستخدامها وقد أثمرت هذه الفترة في نشر وتطور تكنولوجيا الطاقة الشمسية حيث انتشر استخدامها في مجالات عديدة مثل: الاتصالات - والنقل - والإنارة ...
وغيرها ، وقد أصبحت الطاقة الكهربائية المولدة من الشمس في المناطق التي تكون فيها الطاقة الشمسية عالية تنافس المصادر التقليدية للطاقة من ناحية التكلفة الاقتصادية ويتطلب ذلك تصميم أنظمة
الطاقة الشمسية المتكاملة لتوليد وخزن الكهرباء ومن ثم تحويلها من تيار مستمر إلى تيار متناوب مثل الكهرباء التي نستخدمها في منازلنا جميعاً .





المرحلة الرابعة:
أما في مرحلة الوقت الراهن فإنها عرفت تطورا كبيرا حيث وصلت فيه كفاءة التحويل عند بعض الدول في حدود (%40) حيث لم يخلوا أي مجال من المجالات من استخدام الطاقة الشمسية , وقد تنافست الدول الصناعية الكبرى على امتلاك تقنية التصنيع وتطويرها فنجد من الدول الأوربية الرائدة
في هذا المجال:ألمانيا,إسبانيا,إيطاليا.ومن الدول الآسيوية نجد: اليابان , الصين .بالإضافة إلى الو- م- ا. وقد أبقت هذه الدول تكنولوجيا الصنع محتكرة .[2]
3.Iتحويل الطاقة الشمسية
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية
التحويل الحراري 1.3.I
يعتمد على تحوي ل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية .فإذا تعرض جسم داكن للون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص لإشعاع وترتفع درجة حرارته . يستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها . وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية . يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها كذلك يمكن الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام ، حيث أن هناك أبحاث تجري في هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس تحت أشعة الشمس أثناء الطهي .
التحويل الكهروضوئي : 2.3.I
ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ، وكما هو معلوم هناك بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم وغيرها . وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حيث وجدوا أن الضوء
يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا فقد نال العالم اينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م
لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة .
وقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة ، وهي لا تستهلك وقوداً ولا تلوث الجو وحياتها طويلة




ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة . ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية ) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 40% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه . كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها.
دراسة الخلايا الشمسية: 1.2.3.I
تعريفها أ)
الخلية الشمسية هي عنصر مركب كيميائي تتوسط مقاوميته مقاومية النواقل الجيدة ومقاومية العوازل , وتعتبر عنصر لاقط من اللواقط البصرية الأكثر حساسية وتكمن أهميتها في نسبة تحويلها الساكنة وحساسيتها المرتفعة , وهي محاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء.


الشكل I.5: خلية كهروضوئية
ب) أنواعها
تم تصنيع خلايا شمسية من مواد مختلفة إلا أن أغلب هذه المواد نادرة الوجود بالطبيعة أولها خواص سامة ملوثة للبيئة أو معقدة التصنيع وباهظة التكاليف وبعضها لا يزال تحت الدراسة والبحث وعليه فقد تركز الاهتمام على تصنيع الخلايا الشمسية السيليكونية وذلك لتوفير عنصر السيليكون في الطبيعة علاوة على أن العلماء والباحثين تمكنوا من دراسة هذا العنصر دراسة مستفيضة وتعرفوا على خواصه المختلفة وملاءمته لصناعة الخلايا لشمسية المتبلورة ومتصدعة التبلور.
الخلايا الشمسية السيليكونية المتبلورة: (1
تصنع هذه الخلايا من السيليكون عبر إنماء قضبان من السيليكون أحادي أو عديد التبلور ثم يؤرب إلي
رقائق و تعالج كيميائياً وفيزيائياً عبر مراحل مختلفة لتصل إلي خلايا شمسية .
كفاءة هذه الخلايا عالية تتراوح بين 9 – 17 % والخلايا السيليكونية أحادية التبلور غالية الثمن حيث


صعوبة التقنية واستهلاك الطاقة بينما الخلايا السيليكونية عديدة التبلور تعتبر أقل تكلفة من أحادية التبلور وأقل كفاءة أيضا

شكل I.5:خلية سيليكونية أحادية البلورة شكلI.6:خلية سيلسكونية ثنائية البلورة
الخلايا الشمسية السيليكونية الأمورفية ( متصدعة التبلور): (2
مادة هذه الخلايا ذات شكل سيليكوني حيث التكوين البلوري متصدع لوجود عنصر الهيدروجين أو عناصر أخرى أدخلت قصداً لتكسبها خواص كهربية مميزة وخلايا السيليكون الأمورفي زهيدة التكلفة عن خلايا السيليكون البلوري حيث ترسب طبقة شريطية رقيقة باستعمال كميات صغيرة من المواد الخام المستخدمة في عمليات قليلة مقارنة بعمليات التصنيع البلوري . ويعتبر تصنيع خلايا السيليكون الامورفي أكثر تطويعاً وملاءمة للتصنيع المستمر ذاتي الآلية .
تتراوح كفاءة خلايا هذه المادة ما بين 4 – 9 % بالنسبة للمساحة السطحية الكبيرة وتزيد عن ذلك
بقليل بالنسبة للمساحة السطحية الصغيرة وإن كان يتأثر استقرارها بالإشعاع الشمسي.[1]
جـ) مميزاتها:
تعتبر الخلايا الشمسية أحد أهم الأساليب المعروفة والأكثر تفضيلاً في المستقبل القريب ، ويتصف هذا الأسلوب بمزايا عديدة مقارنة مع الأسلوب الترموديناميكي ، أهمها :
-1بنية محطات
2 - عدم الحاجة إلى تنظيم المراحل والعمليات الحرارية اللازمة .
3- تعتبر القدرة العاملة بهذا الأسلوب أبسط بكثير حيث أنها تحتوي ألواحاً ثابتة مما يعطي إمكانية إنقاص وأحياناً الاستغناء كلياً عن صيانة مثل هذه المحطات ، وبالتالي سيكون استثمارها سهلاً في المناطق البعيدة حيث لا يتوفر الكادر الفني المختص وبالتالي فإن مصاريف التشغيل والصيانة قليلة .

4- إمكانية تصميم خلايا كهر وضوئية ( خلايا شمسية ) بأحجام مختلفة ومهام متنوعة والتي يمكن أن تتألف من أقسام مستقلة وبمردود عمل يتطابق مع مردود الخلية بكاملها .
5- وجود إمكانية كبيرة لتطوير وتصنيع الخلايا الكهروضوئية العنصر الرئيسي في المحطات الكهروضوئية وذلك بهدف إنقاص حجمها وكلفتها وزيادة استطاعتها .
د) ميكانيكية تيار الخلايا الكهروضوئية
تشغيل الخلايا الكهروضوئية: تعرف الخلية الكهروضوئية بأنها أداة إلكترونية مصنوعة من أشباه الوصلات يتشكل عبرها فرق في الجهد عند تعرضها للضوء وينتج عنها تيار كهربائي ترتبط قيمته
بمعامل امتصاصها للضوء ، وعند توصيل حمل كهربائي ما( مصابيح إنارة مثلا.....)بين طرفيها فان التيار الكهروضوئي المار وبالتالي الطاقة الكهربائية الناتجة تستطيع تشغيل المصباح ويوضـــح الشكل دارة كهربائية مبسطة لخلية سيليكونية كهروضوئية من النوع n/p)) حيث تمثل n مادة السيليكون التي يكون فيها عدد الإلكترونات الغالبة و p تمثل مادة السيليكون التي يكون فيها عدد الفجوات هي الغالبة ، ويدعى سطح الالتماس بين p و n بنقطة الملتقى الرئيسية ( العبور) لحاملات الشحنة الإلكترونية (السالبة) و الثقوب(الموجبة) وعادة تضاف إلي السطح الأمامي ( الماص) للخلية طبقة عاكسة للضوء وذلك لزيادة شدة امتصاص الضوء بعدها تضاف إلي سطحي الخلية الأمامي و الخلفي طبقة معدنية (الألمنيوم مثلا) تشكل أقطاب الخلية الكهروضوئية ، ويراعى عند إضافة الطبقة المعدنية لسطح الخلية الأمامي عناية خاصة بحيث لا تحجب الضوء وهي تشكل مساحة لا
تتجاوز 5% من سطح الخلية في حين يغطي الجزء الخلفي كاملا بالطبقة المعدنية.[3]


الشكل I.7:خلية سيليكونية



هـ) تشغيل أو عمل الخلية الشمسية من الناحية الفيزيائية:
يمكن تفسير آلية عمل الخلية كما يلي :"فيزيائيا": عند امتصاص الخلية كمية كافية من فوطونات الضوء أو الإشعاع الشمسي تتحرر بعض الإلكترونات وثقوب الشبكة البلورية من مادة السيليكون ويرافق ذلك تغيرا في الطاقة الداخلية الحركية للخلية وعند اقترابها من الملتقى الإلكتروني الثقبي(منطقة العبور) فان الألواح الإلكترونية (إلكترون-ثقب) تنتجه بشكل جماعي حسب شحنتها إلى الطريق المناسب في الخلية n أو الخلية p على الترتيب وبذلك تستطيع عبور المجال الكهربائي الداخلي( فرق الجهد) وينتج عن ذلك تدفق تيار كهر وضوئي ويمثل حاصل ضرب قيمة فرق الجهد في التيار الناتج عن خلية الطاقة الكهربائية المقيدة والتي تقاس بوحدة الواط إما كفاءة الخلية الكهروضوئية فتتمثل في النسبة المؤيدة لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهربائية مباشرة وتربط قيمتها بالخصائص الفيزيائية الإلكترونية للخلية ، ومن أهم القياسات المعروفة التي تساعد على حسب كفاءة الخلية الكهروضوئية هي إيجاد تغيير شدة التيار i مع الجهد v .
و) الدارة الكهربائية المكافئة للخلية شمسية :
يمكننا اعتبار الخلية الشمسية في حالة اشتغال كمولد تيار ضوئي(iph) والذي يجب أن نطرح منه تيار الثنائية في حالة الاستقطاب المباشر(Id) عمليا ، نضيف مقاومة Rchعلى التفرع والتي تتعلق بالتأثيرات كتأثير الضياع من طرف نهايات الخلية ومقاومة Rs على التسلسل والتي تترجم ظواهر مقاومات الاتصال بالمنطقة الأساسية وبالمنطقة الأمامية للخلية الشمسية


الشكل I.8:الشكل المكافئ للخلية الشمسية










لحساب التيار المار في الحمولة نطبق قانون العقد على الدارة فنجد :
I= Iph-Id-Irch
مع :Id معطى بالشكل :
[ 1-(+4.Vj/n)exp] .Is =Id
حيث :
Is :تيار تشبع الثنائية
N :المعامل الذي يعطي الخاصية الثنائية( عامل النوعية للوصلة)
إذا كانت الوصلة مثالية 1=n، وإذا كانت غير ذلك فان : 1<H
Ut : الجهد الديناميكي الحراري.(9/KT =Ut).
I : تيار الحمولة
Iph : التيار الضوئي
IRch :التيار الذي يعبر مقاومة التوازي
عمليا : معادلة تيار الحمولة يمكن تبسيطها في حالة خلية شمسية ذات نوعية جيدة حيث تقبل ان :
Rch ذات قيمة كبيرة جدا
IRch=Vj /Rch
ينتهي إلى الصفر ومنه لا نأخذه بعين الاعتبار
Rs ذات قيمة مهملة
Vj=V+Rs.I=Vj=v
مما ينتج أن
I=Iph-Id
ومنه
I=Iph-Is(exp(v/n*Ut)-1)

ز) الخصائص الأساسية للخلية الشمسية
إن سلوك الخلية الشمسية يتميز بأربع خصائص هي :
• جهد الدارة المفتوحة (Vco): وهو توتر المخرج لما تكون ممانعة الحمولة اكبر بكثير من ممانعة الخلية نفسها و يعطى بالعبارة التالية: Vco=nV+Log(1+Icc/It)
• تيار الدارة القصيرة (Icc) وهو التيار المحصل عليه لما ممانعة الحمولة اقل من ممانعة الخلية نفسها ويعطى بالعلاقة التالية :Icc=Iph
• عامل الشكل: وهو النسبة بين الاستطاعة العظمى للمخرج pm و الجداء Vco.Iccويعطى بالعلاقة التالية: [Vm.Im)/(Vco.Icc) ) ]FF=


• مردود التحويل) m): هو النسبة بين الاستطاعة العظمى المعطاة من طرف الخلية الشمسية و الاستطاعة الضوئية التي تستقبلها ويعطى بالعلاقة التالية: M=FF.Vco.Icc/pi=M=Pm/Pi
ي) الخصائص العامة للخلايا الشمسية
الخاصية(V) F= I
لقد لوحظ من خلال دراسة خصائص الخلية الشمسية في الظلام أنها تمثل خصائص ثنائية عادية , وعندما تضاء هذه الأخيرة تتحرر الإلكترونات وتصبح نشيطة بفعل الحقل الداخلي الذي يوجهها في اتجاهه وينتج عنه حدوث ما يسمى بالتيار الضوئي الذي يتدفق في الاتجاه المعاكس لاتجاه تيار الضياع في الظلام , حتى لو لم يطبق أي توتر خارجي فان هذا التيار الضوئي يستمر في العبور ويعتبر كتيار دارة قصيرة , هذا التيار يتعلق خطيا بالإضاءة لانه إذا كان الامتصاص للضوء كبير فان الإلكترونات الضوئية تصبح تحت تأثير قوة الحقل الداخلي.
التيار الضوئي لا يتعلق بالتوتر المطبق , أن شرط توتر الدارة المفتوحة يتحقق لما يعوض التيار الضوئي بتيار الضياع للظلام المضم إلى التوتر الضوئي الذي ينتج تيارا مباشرا مماثلا تماما لتوتر الخارجي.[3]




الشكلI.9:الخاصية I=F(V)





الخاصية (V)F= P
الاستطاعة المنتجة من خلية شمسية نحصل عليها بالجداء( V.I ) حسب العلاقةP=I.V) فان الخاصية تتغير حسب قيم التيار (I) والتوتر(V) ,خاصية الاستطاعة تبدا من الصفر عندما يكون Icc =I وV=0 ثم تبدأ في الزيادة إلى أن تصل إلى القيمة العظمى (Vm,Im ), ثم ترجع للتناقص حتى تنعدم من جديد عندما يكون Vco=VوI=0 .التوتر الاعظمي Vm يعتبر ضعيفا بالنسبة لـ Vco,يمكننا تشغيل الخلية الشمسية عند نقطة الاستطاعة العظمى , أما بتطبيق توتر Vm,أو بربط الخلية بمقاومة حمل


الشكلI.10:الخاصيةP=F(V)

ك) ربط الخلايا الشمسية:
يتم ربط الخلايا الشمسية بعدة طرق ولكل طريقة هدف معين , فلرفع الطاقة اللازمة وجب علينا ربط الخلايا الأساسية على التفرع أو التسلسل , فالربط على التفرع يسمح بالحصول على شدة تيار مرتفعة , أما الربط على التسلسل فيسمح بالحصول على فرق كمون مرتفع بالنسبة للحمولة.













) ربط الخلايا الشمسية على التسلسل :1
التوتر الذي تعطيه الخلية يكون جد ضعيف لذا يلزم ربط عدد من الخلايا على التسلسل للحصول على توترات مناسبة للحمولة.
نفرض أن التيار المولد بواسطة الخلايا هو نفسه في كل الفروع وأيضا في الحمولة مع الأخذ بعين الاعتبار أن الخلايا متماثلة وليكنNs عدد الخلايا المربوطة على التسلسل إذن الجهد المحصل عليه يكون:
U=Ns.Vi

الشكلI.11:ربط الخلايا على التسلسل
ربط الخلايا الشمسية على التفرع: (2
لرفع التيار المار في الحمولة نقوم بجمع عدد من الخلايا على التفرع نأخذ في هذه الحالة نفس الجهد في جميع الخلايا , كما أن جميع الخلايا تكون متماثلة وليكن Np هو عدد الخلايا المربوطة على التفرع ,وIm هو التيار المحرر من طرف خلية واحدة , فالتيار الكلي يكون :
It=Np .Ii


الشكلI.12:ربط الخلايا على التفرع






ربط الخلايا الشمسية على التسلسل و التفرع (المجمعات الشمسية): (3
الطاقة المستهلكة من طرف الحمولة تستوجب دائما شدة تيار وفرق كمون اكبر من التي تنتجها الخلية الضوئية القاعدية . فالاستطاعة الكهربائية القاعدية للتجمعات الكهروضوئية الموجودة في السوق تكون بين بضعة عشرات من الواط وعدة من الكيلواط للحصول على استطاعة كبيرة يجب علينا ربط الخلية بالطرق المناسبة.[3]

خلاصة
لقد عرضنا في هذا الفصل الطاقة المتجددة بأنواعها المتمثلة في : طاقة الرياح , الطاقة المائية , طاقة الكتلة الحيوية .فالطاقة الشمسية . هذه الأخيرة التي تمحور عليها بحثنا والتي قمنا بالتفصيل فيها مبتدئين بسبب اختيارها ومراحل تطورها , ثم دراسة الخلية الشمسية (تعريفها , أنواعها , ومميزاتها , مرورا بمكانيكية التيار المنتج , ثم تشغيلها من الناحية الفيزيائية, وخصائصها العامة , انتهاء بطرق ربطها)