مصباح شمسي

تاريخ

وفي السياق ذاته، في الوقت الحاضر، تصنع الألواح الشمسية من بلورات أصغر وأرخص. مثلا، النحاس، إنديوم، غاليوم، سيلينيد. تستعمل هذه البلورات الحديثة لتكوين غشاء رقيق مرن. ولكن هذه البلورات أقل فعالية في تحويل الضوء إلى كهرباء. ولذلك هناك مشاريع دائمة للبحث عن مادة سيلكون بديلة أرخص وأكثر فعالية يمكن أن نصنع منها بكميات كبيرة وبسهولة.

من جانب آخر، أول من لاحظ التأثير الكهرضوئي في الخلايا الشمسية هو إدموند بيكيريل، فيزيائي فرنسي، في سنة 1839، ربح ألبرت أينشتاين جائزة نوبل في عام 1922 لشرحه طبيعة الضوء وتقنية كهرضوئية اعتماد على تأثير الكهرضوئي. أول جهاز كهرضوئي صنع في عام 1954 من قبل مختبرات بل.

كذلك، قديما استعملت الألواح الشمسية بلورات كبيرة الحجم صنعت بشكل أساسي من السيلكون والتي تنتج الكهرباء عند تعرضها للضوء. عند تعرض الإلكترونات في السيلكون للضوء، تبدأ بالاهتزاز من أماكن مختلفة يتبعها دور الديناميكا الحرارية. وبعدها، تنتج الحرارة من الاهتزاز والحركة. ولذلك، يحول السيلكون كمية كبيرة من الضوء إلى كهرباء. على أي حال، كانت صناعة السيلكون ووضعه كجزء من المصباح الشمسي مكلفة جداً.

العاكس الكهربائي

وفي السياق ذاته، تعطي الطاقة الشمسية تيار مستمر وذلك تحتاج إلى عاكس من التيار المستمر إلى التيار المتناوب 110 فولط أو 220 فولط ليعمل المصباح.

المكونات

البنية الكلية للمصباح الشمسي مبينة في الصورة 1

الألواح الشمسية/الخلايا الشمسية

إضافةً إلى ذلك، تصنع الألواح الشمسية من طبقات ذات معادن مختلفة، كما هو موضح في الصورة 2، بالترتيب، زجاج، طبقة تغليف، خلايا بلورية، طبقة تغليف، صفيحة خلفية، صندوق الوصل وأخيرا الإطار. يمنع المغلف الرطوبة والأوساخ التي تسبب الأعطال.

وعلى صعيد آخر، تملك الخلية الشمسية طبقتين مختلفتين من سيلكون. لدى الطبقة السفلى إلكترونات أقل ولهذا السبب تملك شحنة موجبة ضعيفة بسبب طبيعة الشحنة السالبة للإلكترونات. ولدى الطبقة العليا إلكترونات أكثر وتملك شحنة سالبة جزئية.

من جهة ثانية، تصنع الألواح الشمسية من البلورات التي تصنع من الرابطة التساهمية بين الإلكترونات على الهيكل الخارجي لذرة السيلكون. السيلكون هو شبه موصل أي ليس من المعادن الموصلة التي تمرر الكهرباء بشكل كامل وليس من العوازل التي تعزل الكهرباء بشكل كامل. عادة لاتمرر المعادن شبه الموصلة الكهرباء لكن تمررها تحت طروف معينة مثلا التعرض للضوء.

ومن ناحية أخرى، يصنع حاجز بين الطبقتين وعندما تمر ذرات الضوء التي تسمى فوتونات الداخلة تعطي طاقة للذرات في السيلكون. ترفع الطاقة الإلكترون في الرابطة التساهمية إلى مستوى طاقة التالي من مستوى طاقة أعلى إلى المستوى الأسفل. تسمح هذه الترقية للإلكترون بالحركة الحرة داخل البلورات والتي تولد التيار. وكلما دخلت أشعة ضوء إضافية، تحركت الإلكترونات وبالتالي يعطي المزيد من تدفق التيار بين الطبقتين. تسمى هذه العملية بالكهرضوئية أو التأثير الكهرضوئي. تعني الأنظمة الكهرضوئية حرفيا الجمع بين الضوء والقوة المحركة الكهربائية ويتم استخدام الخلايا الكهرضوئية للتحويل المباشر من الضوء إلى الكهرباء.

الفوائد

• انظر كذلك
• أعمدة الإنارة باستخدام الطاقة الشمسية
• مجمع الطاقة الشمسية الحرارية

وفي هذا السياق، تعتمد كمية الطاقة الشمسية على حالة الطقس وتقل إذا كان غائما أو ماطرا.

من جهة ثانية، تعتبر المصابيح الشمسي سهلة الاستخدام والصيانة كما أنها لا تتطلب أي شريط كهربائي. توفر المصابيح الشمسية تكاليف الصيانة وتقلل من فاتورة الكهرباء. يمكن أن تستعمل المصابيح الشمسية في الأماكن غير متصلة بالشبكة الكهربائية أو المناطق النائية التي تفتقر إلى مصدر كهربائي يعتمد عليه. ويقابل انعدام الضوء في الليل إحساس بالفقر المتواصل حول العالم.

من جانب آخر، استفادت المنازل التي تحولت من مصابيح الكاز إلى المصابيح الشمسية صحيا لأن انبعاثات المرافقة مع احتراق الكاز تؤثر على صحة الرئتين.

مبادئ العمل

من جهة ثانية، تستعمل أضواء إل أي دي بسبب إضاءتها العالية وطول حياتها. بمتحكم تيار مستمر، تعمل دارة بشكل ألي على إطفاء الضوء نهاراً وتشغيله ليلاً. في بعض الأحيان يوجد موقت زمني لتشغيل الضوء في وقت معين ألياً سواء إطفاء أو تشغيل.

المتحكم بالتيار

ومن ناحية أخرى، يضاف إلى هذا القسم أجزاء إضافية مثل متحكم بالضوء، موقت زمني، ومتحكم بالصوت ومُعدل الحرارة والحماية من الصواعق وحماية من عكس القطبية.

وفي هذا الصدد، يتحكم هذا بأنظمة العمل كلها لحماية البطارية، بحيث لا يتأثر شحن البطارية بحيث تُشحن أو تعمل بشكل زائد تحت أي ظرف طارئ مثل أحوال الطقس السيئة ودرجات الحرارة العالية.

البطارية

من جانب آخر، الفعالية للتحويل الكهرضوئي محدودة لأسباب فيزيائية. لايمتص من أشعة الشمس إلا قرابة 24% من الموجة الطويلة ويفقد 33% على شكل حرارة، ويكون الفقد الآخر بحوالي 15-20%. يمتص 23% فقط مما يعني أن البطارية مكون أساسي في المصباح الشمسي.

علاوةً على ذلك، يأخذ هذا الجزء من المصباح الطاقة من اللوح الشمسي في النهار ويعطيها عند الليل.

وعلى صعيد آخر، تستعمل البطاريات داخل المصباح الشمسي تقنية سائل الجل الكهربائي وهي ذات أداء عالي، وتستطيع العمل تحت درجات مختلفة من الحرارة. يمكن أن تستعمل بطارية الرصاص، نيكل هيدريد-معدن، نيكل كادميوم أو ليثيوم.

إضافةً إلى ذلك، توضع البطارية عادة داخل صندوق بلاستيك أو معدن. يوجد داخل الصندوق قطب كهربائي ويتضمن القطب الكهربائي السالب والقطب الكهربائي الموجب حيث تحدث التفاعلات الكيميائية. يوجد فاصل كذلك بين القطبين ليمنع التفاعل بينهما في الوقت نفسه والسماح للشحنة الكهربائية بالمرور بينهما. ويمرر المجمع الشحنة من البطارية إلى الخارج.