ما هي الخلية الضوئية وكيف تعمل؟

هل تساءلت يومًا كيف أضواء في الهواء الطلق هل تُضاء جميع المساحات التجارية أو الشوارع المظلمة دفعةً واحدة؟ على الأرجح، تم تشغيلها آليًا باستخدام الخلايا الضوئية.

تُسهّل الخلايا الضوئية أو أنظمة التحكم الضوئي حياتك عند دمجها مع الإضاءة الذكية. حينها لن تقلق بشأن استهلاك الطاقة الزائد! تُشغّل هذه الخلايا الضوئية الأضواء أو تُطفئها تلقائيًا حسب الإضاءة المحيطة المتوفرة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام هذا الملحق في: اضاءة المزاج، وأجهزة إنذار ضد الدخلاء، وأبواب أوتوماتيكية لخدمتك بأقصى قدر من الراحة. 

لذا، استمر في القراءة واكتشف بعض خيارات التحويل الرائدة للعثور على الخلية الضوئية المناسبة لإعدادك.

ما هي الخلية الضوئية؟ 

الخلية الضوئية وحدة صغيرة، منخفضة الطاقة، وسهلة الاستخدام، حساسة للضوء. وهي مستشعر يُغيّر مقاومة الدائرة الكهربائية بناءً على كمية الضوء في البيئة المحيطة. وبالتالي، تُساعد على التحكم تلقائيًا في المصابيح الذكية والأجهزة الأخرى. كما أنها متوفرة بأشكال وأحجام مختلفة لتناسب مختلف وحدات الإضاءة.

من ماذا تتكون الخلية الضوئية؟

مادة أشباه الموصلات

المادة شبه الموصلة هي المكون الرئيسي للخلية الضوئية. تعتمد آلية عمل الخلية الضوئية على نوع المادة شبه الموصلة التي تتغير مقاومتها الكهربائية استجابةً لشدة الضوء.

يُستخدم كبريتيد الكادميوم (CdS) بشكل شائع في الخلايا الضوئية. في الواقع، تُسمى هذه الخلايا أحيانًا خلايا CdS. يتميز هذا العنصر بحساسيته للضوء المرئي وسعره المنخفض نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم عناصر سيلينيد الكادميوم (CdSe)، والسيليكون (Si)، والجرمانيوم (Ge)، والسيزيوم (Cs) في تطبيقات متخصصة. 

التغليف

يُستخدم غلاف أو غلاف لتغليف مادة أشباه الموصلات الحساسة من العوامل البيئية القاسية. يُطيل هذا التغليف عمر الخلية الضوئية ويزيد من أدائها.

الأقطاب الكهربائية

يتصل قطبان كهربائيان بشبه الموصل لتسهيل تدفق التيار عند تعرضه للضوء. أحدهما مصنوع من مواد موصلة مثل المعادن، والآخر مصنوع من موصلات شفافة مثل أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO).

أسلاك التوصيل

توجد أسلاك تُسمى أسلاك التوصيل متصلة بالأقطاب الكهربائية. وكما يوحي اسمها، فهي تُنشئ اتصالاً بين الخلية الضوئية ونظام الإضاءة. تنتقل الإشارة الكهربائية عبر هذه الأسلاك.

طلاء واقية

أحيانًا، تُغطى مادة أشباه الموصلات بطبقة واقية لتوفير حماية إضافية، فهي تحميها من العوامل الخارجية وتزيد من متانتها.

السكن

الغلاف هو الغلاف المتين أو العلبة التي تُحفظ فيها الخلية الضوئية. وهو ضروري لسهولة تركيبها وتركيبها في تركيبات الإضاءة وأنظمة التحكم.

مرشح بصري (اختياري)

في بعض الحالات، يُستخدم مُرشِّح ضوئي في الخلية الضوئية للحد من أطوال موجات الضوء التي قد تصل إلى شبه الموصل. يتحكم هذا المُرشِّح في استجابة الخلية الضوئية لمصادر ضوء مُحددة أو ظروف مُحيطة.

كيف تعمل الخلية الضوئية؟ 

تحاكي الخلية الضوئية أو مستشعر الضوء مبدأ عمل التأثير الكهروضوئي الذي وصفه ألبرت أينشتاين عام ١٩٠٥. هنا، تستخدم الخلية الضوئية مقاومة ضوئية (LDR) تحتوي على مادة شبه موصلة. عادةً ما يُستخدم كبريتيد الكادميوم لهذه المادة.

عندما يسقط الضوء على الخلية الضوئية، تُحفّز طاقة الضوء الإلكترونات للتحرك وتوليد تيار كهربائي. في الوقت نفسه، تنخفض مقاومة الخلية الضوئية، مما يسمح بتدفق أكبر للإلكترونات. هذا التدفق للإلكترونات يُطفئ الضوء. يستطيع المستشعر استشعار شدة الضوء. خلال النهار، يسمح بتدفق الإلكترونات، وينطفئ الضوء.

عند حلول الظلام، تزداد مقاومة الخلية الضوئية، ويتوقف التيار الكهربائي، ويُشغّل المستشعر الضوء. يوفر هذا التشغيل التلقائي تحكمًا في الإضاءة موفرًا للطاقة دون الحاجة إلى تشغيل يدوي.

أنواع الخلايا الضوئية

بناءً على معيار الصناعة والتطبيق

1. الخلايا الضوئية NEMA

الخلايا الضوئية NEMA هي اختصار لـ "الجمعية الوطنية لمصنعي الأجهزة الكهربائية"، وهي مزودة بأنظمة تحكم ضوئي سلكية وأنظمة تحكم في الإضاءة بقفل لولبي. تُستخدم هذه الخلايا عادةً لتشغيل وإطفاء الأضواء. تُستخدم مقابس NEMA ثلاثية وخماسية وسبعية الدبابيس عادةً في إنارة الشوارع أو الاضواء الكاشفةومع ذلك، فإن وظائفه محدودة من حيث التوافق مع أضواء ذكية.

2. الخلايا الضوئية زاجا

تتكون خلايا زاغا الضوئية من مقبس زاغا ومستشعر. تُستخدم أيضًا في أنظمة إضاءة LED الحديثة والذكية. تتميز بمرونتها وتوفر وظائف متعددة مثل التعتيم، ودمج المستشعرات، والتحكم المتقدم، وغيرها. علاوة على ذلك، لا حاجة لأي أسلاك أثناء تركيبها. 

بناءً على مبدأ التشغيل

1. الخلايا الموصلة للضوء

يعمل هذا الجهاز الكهربائي كمقاوم حساس للضوء. يُعرف أيضًا باسم المقاوم الضوئي (LDR). يُغيّر هذا الجهاز شبه الموصل مقاومته الكهربائية تبعًا لتغيرات شدة الضوء. فمع زيادة الضوء على الخلية، تنخفض المقاومة ويتدفق تيار كهربائي أكبر. في المقابل، تزداد المقاومة في وجود ضوء خافت وتدفق تيار كهربائي أقل.

2 الخلايا الضوئية

تُحوّل الخلايا الكهروضوئية الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. وللتوضيح، تمتص المادة شبه الموصلة للخلايا فوتونات ضوء الشمس وتولد تدفقًا من الإلكترونات. ونتيجةً لذلك، يتولد تيار كهربائي يُعرف بالكهرباء الشمسية.

3. الخلايا الضوئية

تُعرف الخلايا الباعثة للضوء بالأنابيب الضوئية، وهي تتبع آلية التأثير الكهروضوئي. إضافةً إلى ذلك، تُصدر مادة هذه الخلية إلكترونات عند تزويدها بالطاقة. أولًا، تُثار الإلكترونات داخل المادة وتقفز إلى مدارات أعلى. بعد ذلك، تُطلق الطاقة وتعود إلى مداراتها الأصلية.

4. خلايا جولاي

تعمل خلايا جولاي عن طريق استشعار الأشعة تحت الحمراء. على سبيل المثال، تُملأ أسطوانة معدنية مُسودّة بغاز الزينون من أحد طرفيها. بعد ذلك، تسقط طاقة الأشعة تحت الحمراء على الصفيحة المُسودّة وتُسخّن الغاز. يُثني الغاز المُسخّن الغشاء المرن في الطرف الآخر من الأسطوانة. تُنظّم هذه الحركة مستوى الطاقة المُخرَجة.

5. أجهزة اقتران الشحنة (CCD)

تتمتع أجهزة اقتران الشحنة بأقصى دقة مقارنةً بالخلايا الضوئية الأخرى. عندما يعكس الجسم الفوتونات، يلتقطها هذا الجهاز ويُقسّم الصورة إلى بكسلات.

6. مضاعف ضوئي 

إنه كاشف حساس للغاية. يستطيع هذا المضاعف الضوئي مضاعفة الضوء غير الواضح 100 مليون مرة. 

بناءً على نوع الإخراج

1. الخلايا الضوئية التناظرية

تُولّد الخلايا الضوئية التناظرية جهدًا أو تيارًا مستمرًا يتغير تناسبًا مع كمية الضوء المُستقبَلة. تُوفّر هذه الخلايا الضوئية قياسًا دقيقًا لشدة الضوء. ولذلك، تُستخدم في الكاميرات والأجهزة العلمية للتحكم في وقت التعريض ومستويات الضوء. يُعدّ المقاوم الضوئي مثالًا على الخلايا الضوئية التناظرية.

2. الخلايا الضوئية الرقمية

عادةً ما تُولّد الخلايا الضوئية الرقمية مُخرجات ثنائية بناءً على عتبة الضوء المُحددة. تُستخدم هذه الخلية في تشغيل أو إطفاء الأضواء عند انخفاض مستوى الضوء عن مستوى مُحدد. كما تُستخدم هذه الخلية الضوئية في إنارة الشوارع الآلية وأجهزة الإنذار. 

تطبيقات الخلايا الضوئية

إضاءة خارجية

تُستخدم الخلايا الضوئية عادةً للتحكم في الأضواء الخارجية للحديقة والفناء والممر والممر والباب وما إلى ذلك. سيؤدي استخدام الخلايا الضوئية في هذه المناطق إلى زيادة الرؤية والأمان تلقائيًا وفقًا لـ الإضاءة المحيطة . 

إنارة الشوارع

تُسهم الخلايا الضوئية المُستخدمة في إنارة الشوارع في ترشيد استهلاك الطاقة. على سبيل المثال، تُشغّل هذه الخلايا الأضواء عند الغسق وتُطفأ عند الفجر دون الحاجة إلى تشغيل يدوي. 

إضاءة داخلية

يمكنك دمج الخلايا الضوئية في نظام الإضاءة الداخلية لضبط مستوى السطوع تلقائيًا. 

أنظمة الأمن

تُستخدم الخلايا الضوئية أيضًا في أنظمة أمنية مختلفة، مثل أجهزة إنذار السرقة، لتشغيل الإنذار عن طريق اكتشاف أي انقطاع في شعاع الضوء. كما تُستخدم لمراقبة الدخول إلى الغرف أو المباني، حيث تسجل عمليات الدخول والخروج عند انقطاع أشعة الضوء. 

أبواب أوتوماتيكية

استخدام واسع آخر للخلايا الضوئية هو أتمتة فتح وإغلاق الأبواب بها. عندما شعاع ضوء عند انقطاع التيار، تُفتح دائرة كهربائية، ويُفعّل مُرحّل. يُوفر هذا الحدث طاقة كافية لفتح الباب أو إغلاقه تلقائيًا. بمعنى آخر، تضمن الخلايا الضوئية للأبواب الأوتوماتيكية التشغيل بدون استخدام اليدين. 

كاميرا مراقبة

تُستخدم الخلايا الضوئية في عدادات التعريض الضوئي بالكاميرات لتحسين جودة التصوير. يساعد تحديد وقت التعريض الضوئي الصحيح على التقاط صورة جيدة.

ضوء متر 

تقيس الخلايا الضوئية الموجودة في أجهزة قياس الضوء شدة الضوء. تعمل هذه الخلايا كمستشعرات تحوّل شدة الضوء إلى إشارات كهربائية، تُساعد بعد ذلك في التحكم بأنظمة الإضاءة تلقائيًا. 

المدد الزمنية

باستخدام الخلايا الضوئية داخل المؤقتات، يتم حساب توقيت وسرعة المتسابقين في السباقات. 

كيف يمكن تجاوز الخلية الضوئية؟ 

إذا كنت تريد إبقاء الضوء مضاءً باستمرار أو التحكم فيه من خلال المفتاح أو المؤقت الموجود، فتجاوز الخلية الضوئية باستخدام الطرق التالية. 

الطريقة 1: استخدام غطاء البيع على المكشوف

عند تركيب الخلايا الضوئية خارجيًا عبر مقابس أو محولات ذات قفل لولبي، استبدل الخلية الضوئية بغطاء ماس كهربائي. بعد ذلك، يمكنك ضبط الإضاءة على وضع التشغيل الدائم مع إبقاء دائرة إضاءة LED مغلقة. كما يمكنك التحكم في الإضاءة خارجيًا باستخدام خلية ضوئية مركزية أو نظام مفاتيح.

الطريقة الثانية: استخدام مفتاح DIP أو مفتاح الشريحة

ستجد مفتاح DIP أو مفتاحًا منزلقًا في أضواء المظلة وإضاءة الحظيرة من الغسق إلى الفجر. باستخدامهما، يمكنك تشغيل مستشعر الخلية الضوئية أو إيقافه حسب احتياجاتك. في الواقع، لا حاجة لإعادة توصيل أو استبدال أي مكون بهذه الطريقة.

الطريقة 3: فصل الأسلاك

يمكن تجاوز الخلايا الضوئية الموجودة في وحدات الإضاءة الجدارية بسهولة عن طريق فصل الأسلاك. لذا، افصل الخلية الضوئية وتحكم في الإضاءة كما يحلو لك.

الطريقة الرابعة: تغطية المستشعر مؤقتًا

بدلاً من التجاوز الدائم، يمكنك تجاوز الخلية الضوئية مؤقتًا بتغطية المستشعر. أولًا، ابحث عن المستشعر الأسود الصغير، الدائري أو المربع، على وحدة الإضاءة. ثم استخدم شريطًا كهربائيًا أسود أو قطعة قماش سميكة لتغطيته. بهذه الطريقة، سيعتقد المستشعر أن الليل قد حل، وستُضاء الأضواء.

كيفية اختيار الخلية الضوئية المناسبة؟ 

تصاعد أنواع

عند اختيار الخلية الضوئية، عليك مراعاة كيفية تركيبها. على سبيل المثال، يختلف نوع الخلية الضوئية باختلاف موضع تركيبها على عمود أو جدار أو داخل تركيبات الإضاءة. لذا، اختر الخلية الضوئية المناسبة بناءً على مكان التركيب.

نوع الإضاءة

يتغير تصميم الخلية الضوئية بناءً على أنواع المصباحلذا، فكر في نوع الضوء الذي تعمل به، على سبيل المثال، LED، أو المصباح المتوهج، أو غيره، قبل تحديد الخلية الضوئية.

الطيفية الاستجابة

لكل خلية ضوئية مادة موصلة ضوئية خاصة بها، تتميز باستجابتها الطيفية الفريدة. لذلك، يجب مراعاة الاستجابة الطيفية عند اختيار خلية ضوئية لتطبيق محدد.

متطلبات التوافق والجهد 

يجب التأكد من توافق الخلايا الضوئية مع نظام الإضاءة الحالي لديك قبل شرائها. على سبيل المثال، تأكد من أن الخلية الضوئية تلبي متطلبات الجهد لنظامك لتجنب التلف أو الأعطال.

التقييمات البيئية

هناك تصنيفات مقاومة للأشعة فوق البنفسجية (UV) و تصنيفات الحماية من دخول الماء والغبار (IP) تندرج تحت فئة التصنيفات البيئية للخلايا الضوئية. أولًا، تشير تصنيفات IP إلى مدى حماية الخلية الضوئية من الغبار والماء. تتكون هذه التصنيفات من رقمين، حيث يُحدد الرقم الأول الحماية من المواد الصلبة كالغبار والحطام، إلخ. بالإضافة إلى ذلك، يُشير الرقم الثاني إلى الحماية من السوائل كالماء. كلما زاد التصنيف، ارتفع مستوى الحماية. على سبيل المثال، يعني تصنيف IP65 أن الخلية الضوئية محمية من الغبار ونفثات الماء منخفضة الضغط من أي اتجاه. علاوة على ذلك، يعني تصنيف IP67 أنها محمية من الغبار والغمر في الماء لمدة تصل إلى 30 دقيقة. 

ثانيًا، تعني تصنيفات مقاومة الأشعة فوق البنفسجية ما إذا كانت الخلايا الضوئية قادرة على الصمود ضوء الأشعة فوق البنفسجية التعرض في منطقة خارجية. تستطيع الخلايا الضوئية ذات المقاومة الكافية للأشعة فوق البنفسجية تحمل التعرض لأشعة الشمس لفترات طويلة دون تدهور في الأداء. 

تحليل السعر والتكلفة والفائدة

يتعين عليك مراعاة سعر الشراء الأولي والتكاليف الأخرى طويلة الأجل المرتبطة بالخلايا الضوئية، بما في ذلك تكاليف الصيانة وتكاليف الاستبدال المحتملة وما إلى ذلك. ثم حدد ما إذا كان هذا المبلغ من التكلفة يستحق القيمة والفوائد التي توفرها. 

تجيهز المنصة و تسليمها

تُستخدم أنواع مختلفة من الطلاءات، مثل الطلاء الزجاجي أو المعدني أو البلاستيكي، في تغليف الخلايا الضوئية. قيّم إيجابيات وسلبيات جميع أنواع التغليف، ثم اختر الأنسب لك. على سبيل المثال، اختر طلاءً معدنيًا للحصول على أقصى حماية. أما إذا كانت ميزانيتك محدودة وتحتاج إلى خلايا ضوئية لإضاءة الشوارع، فاختر الطلاء البلاستيكي. 

نطاق درجة حرارة

تعمل المواد الموصلة للضوء بشكل أفضل في نطاق درجات حرارة يتراوح بين -40 و75 درجة مئوية. لذا، يُرجى مراعاة درجة حرارة الموقع قبل شراء الخلايا الضوئية.

كيفية تركيب الخلية الضوئية؟ 

فيما يلي الدليل الاحترافي حول كيفية تثبيت الخلية الضوئية بسهولة وأمان: 

الخطوة 01: اختيار موقع تركيب الخلية الضوئية 

تُركَّب الخلايا الضوئية في مواقع مختلفة لأغراض مختلفة. على سبيل المثال، تُركَّب الخلايا الضوئية المثبتة على الحائط للإضاءة الخارجية، والخلايا الضوئية المثبتة على السقف للأماكن الداخلية، والخلايا الضوئية المثبتة على الأعمدة لإضاءة الشوارع. لذا، فإن اختيار موقع تركيب الخلايا الضوئية هو مهمتك الأولى. تأكد أيضًا من أن الموقع بعيد عن درجات الحرارة العالية أو الرطوبة أو أشعة الشمس المباشرة.

الخطوة 02: اختيار الارتفاع والزاوية للتثبيت

اختر الارتفاع والزاوية المناسبين لتركيب الخلية الضوئية. يُنصح عادةً بتركيبها على ارتفاع يتراوح بين 6 و8 أقدام. كما يجب أن تتوافق زاوية الخلية الضوئية مع المساحة المطلوبة للإضاءة.

الخطوة 03: إيقاف تشغيل قاطع الدائرة 

الآن، قم بإيقاف تشغيل قاطع الدائرة لإيقاف تشغيل مصدر الطاقة لنظام الإضاءة الخاص بك. 

الخطوة 04: تفكيك الغطاء الذي يحتوي على الأضواء

في هذه المرحلة، فكّك أجزاء الهيكل الذي يحمل المصابيح. افصل السلك الأسود الذي يربط المنزل بوحدة الإضاءة.

الخطوة 05: توصيل الخلية الضوئية 

يوجد سلكان أسودان على الخلايا الضوئية. الآن، وصّل أحد هذين السلكين بالأسلاك السوداء القادمة من المبنى. لفّ السلك النحاسي المكشوف لضمان إحكام التوصيل. بعد ذلك، وصّل السلك الثاني للخلية الضوئية بالسلك الأسود لوحدة الإضاءة. 

الخطوة 06: تغطية الاتصالات الجديدة

الآن، استخدم أغطية كهربائية لتغطية التوصيلات الجديدة. وللتأكد من سلامتك، تأكد من عدم وجود أي سلك نحاسي مكشوف. ثم اختبر الخلية الضوئية بإعادة توصيل الطاقة من القاطع. استخدم يديك لتغطية الخلية الضوئية. إذا أضاءت الأضواء، فهي تعمل بشكل صحيح. وأخيرًا، أكمل العمل بإعادة تركيب وحدة الإضاءة.

نصائح صيانة الخلايا الضوئية

التنظيف المنتظم

يجب تنظيف سطح الخلية الضوئية بقطعة قماش ناعمة وجافة لإزالة الأوساخ السطحية. تجنّب استخدام مواد كيميائية قاسية قد تُلحق الضرر بالمستشعر. 

إزالة العوائق

تحقق من عدم وجود أي أجسام مادية تعيق عمل الخلية الضوئية. أزلها لضمان عملها بكفاءة عالية في كشف الضوء. 

فحص التوصيلات الكهربائية

تأكد من سلامة جميع التوصيلات الكهربائية وخلوها من التآكل. أصلح الوصلات المفكوكة فورًا لمنع أي ضرر إضافي.

ضمان المحاذاة الصحيحة

إذا كان نظام الإضاءة لديك يحتوي على وحدات إرسال واستقبال منفصلة، ​​فقم بمحاذاتها بشكل صحيح لتحقيق أداء أفضل للخلية الضوئية.

المشاكل الشائعة ونصائح استكشاف الأخطاء وإصلاحها

لا تقلق إذا واجهت مشاكل في الخلية الضوئية. ما عليك سوى اتباع نصائح استكشاف الأخطاء وإصلاحها أدناه لتحصل على حل فوري! 

المشكلة 01: الأضواء لا تضيء ولا تنطفئ

حل: أولاً، تحقق مما إذا كان هناك أي شيء يحجب رؤية الخلية الضوئية لمصدر الضوء. أزل العائق وتحقق مرة أخرى. استخدم مقياسًا متعددًا للتأكد من سلامة توصيلات الأسلاك. بالإضافة إلى ذلك، تحقق من عدم وجود أي شقوق أو تلف ناتج عن الماء. في حالة التلف الشديد، قد يلزم استبدال الخلية.

المشكلة 02: الأضواء الوامضة

حل: افحص الأسلاك بحثًا عن أي تلف أو تلف، وأصلحها وفقًا لذلك. بالإضافة إلى ذلك، تأكد من أن الخلية الضوئية لا تستشعر الضوء من مصادر أخرى. وفي المناطق ذات الإضاءة المتذبذبة، استخدم خلية ضوئية مزودة بخاصية تأخير مدمجة.

المشكلة 03: الخلايا الضوئية لا تستجيب لتغيرات الضوء

حل: اضبط حساسية الخلايا الضوئية حسب البيئة. وتجنب توجيهها مباشرةً نحو مصدر الضوء الذي تتحكم به أثناء التركيب. 

المشكلة رقم 04. ضوضاء النقر المفرطة

حل: إذا كانت الخلية الضوئية تُصدر صوت طقطقة زائد، فتحقق من وجود أي عطل داخلي وأصلحه. كما يُمكن حل هذه المشكلة عن طريق تأمين مصدر الطاقة والحمل المتصل.

المشكلة رقم 05: تشغيل الأضواء في الوقت الخطأ

حل: تجنب الضوء الاصطناعي المباشر أثناء تركيب الخلية الضوئية. يُفترض أن تتعرض فقط للضوء المنعكس. لذا، اختر مكانًا محميًا من مصادر الضوء المباشر.

الأسئلة الشائعة

الخط السفلي

تُعدّ الخلايا الضوئية إضافةً أساسيةً لنظام الإضاءة الآلي في أي مكان. كما أنها مناسبة للاستخدام الداخلي والخارجي. الآن وقد تعرفتَ على مزايا استخدام الخلايا الضوئية في مصابيح LED الذكية، اختر خيارات إضاءة LED، بدءًا من قضبان خطية حديثة, الشرائط التي تقودها، إلى الصمام النيون فليكس من إضاءة LEDYi. 

بالإضافة إلى ذلك، ستحصل على المنتجات التي تناسب احتياجاتك، مع خيارات تخصيص متنوعة. كما نقدم لك ضمانًا من 3 إلى 5 سنوات على تجهيزاتنا. تواصل معنا في أقرب وقت ممكن لوضع طلبك!