ألواح الطاقة الشمسية هي مجموعة الخلايا الشمسية التي تتصل جميعاً مع بعضها البعض داخل إطار مُحدد، كما يمكن التواصل بين تلك الخلايا إما من خلال طريقة التوالي أو التوازي ، و تقوم بتحويل الضوء الذي يتساقط من خلال الأشعة الشمسية إلى فروق في الجهد مما يتسبب في مرور التيار الكهربائي من خلال الأسلاك.
وعندما يتم تجميع بعض من الألواح الشمسية مع بعضها في إطار محدد و أكبر و تعرف تلك الحالة باسم المصفوفة الخاصة بالألواح الشمسية ، و هناك عنصر أساسي و رئيسي يدخل في عملية تكوين تلك الألواح و هو عنصر السيليكون و الذي يضاف إليه عدد من العناصر المختلفة الأخرى و ذلك لكي تكسبه بعض من الخصائص الكهربائية.
لماذا تُطلى ألواح الطاقة الشمسية بمادتي الفسفور و البورون ؟
توجد طبقة خارجية لتلك الألواح ، و تكون مشبعة بعنصر الفسفور و التي تكسب هذه الألواح أحد المميزات و هي قيامها بضخ كمية من الكهرباء و ذلك في حالة اصطدامها بأشعة الضوء ، حيث يوجد البورون ، الذي يُعتبر المُكون الرئيسي و الأساسي لتلك الطبقة التي تقع في أسفل هذه الألواح ، كما أن هذه الطبقة السفلية يمكنها أن تساعد بشكل أساسي في عملية امتصاص قدر كبير من الطاقة الكهربائية التي تم توليدها ،و عندما يتم اصطفاف مجموعة من الألواح لكي تكون مجموعة بشكل أكبر فيُعرف ذلك باسم المصفوفة الخاصة بالألواح الشمسية ويُرمز لها بالرمز pv
أنواع ألواح الطاقة الشمسية
أولاً : الألواح الشمسية من نوع ( mono cristalin )
و ذلك النوع من الألواح معروف بالألواح الأحادية ، و من أهم مميزاته أن كريسالات مادة السيليكون و التي يتم من خلالها صنع هذه الخلايا نقية جداً فهذا النوع من الخلايا الشمسية يتكون من سبائك مادة السيليكون و التي تكون مُقطعة بحيث تأخذ شكل الشرائح ، كما أن ذلك النوع هو الأغلى من حيث السعر ، حيث تعطي تلك الخلايا كفاءة مرتفعة جداً. و ذلك يقلل جداً من عدد تلك الألواح التي يحتاج لها لكي تعطي الكمية نفسها من الكهرباء بخلاف غيرها من الأنواع ، و من مميزاتها أنها لديها القدرة الكافية على العمل بأعلى كفاءة و ذلك في الضوء خاصة الخافت و ذلك بالإضافة إلى طول عمرها الافتراضي .
ثانياً : ألواح الطاقة الشمسية من نوع ( poly cristalin)
و هذا النوع من الألواح يُعرف باسم الألواح المتعددة بالكريستالات ، و تختلف في شكلها عن نوع الألواح الأحادية ، ففيها تأخذ الخلايا شكل المربعات و التي تكون متراصة بجوار بعضها ، و تُعد كفاءة تلك الألواح متوسطة، مما يجعلها تحتاج إلى عدد كبير عن غيرها ، لكي نحصل على كمية الكهرباء نفسها كما أنها تقل في ثمنها عن الألواح الأحادية ، و هي ذات عمر افتراضي كبير مقارنة بغيرها من الألواح الأخرى.
ثالثاً : ألواح الطاقة الشمسية من نوع ( thin film )
و ذلك النوع من الألواح يتميز بأنه سهل التركيب و أيضاً مرن ، بالإضافة إلى انسيابيته و رِقّته كما يمتاز بمظهره المتألق و المتناسق ، كما يتميز برخص سعره مقارنة بجميع أنواع الألواح الأخرى ، و لا يتأثر بالغيوم أو بالتغيرات التي تحدث في المناخ و لكنه ذو كفاءة ليست عالية ، لذلك يلزم استخدام أكبر عدد ممكن من الخلايا لكي تغطي مساحات كبيرة ، حتى نحصل على المقدار الكافي و المحدد من هذه الطاقة الكهربية لتتساوى مع الألواح الأخرى ، و عمره الافتراضي قصير .
تصنيع ألواح الطاقة الشمسية
يتطلب تصنيع ألواح الخلايا الشمسية لعدة عمليات معالجة حرارية تتضمن ما يلي:
- عملية نشر الألواح.
- التجفيف.
- عملية المعالجة الحرارية لصنع اللدائن.
- تجميع الرواسب.
- طلاء الخلايا الشمسية.
يوجد ما يسمى بجهاز قياس الحرارة البريطاني، والذي ينظم العمليات الحرارية خلال عمليات التصنيع للخلايا الشمسية، حيث تتضمن أيضاً عمليات التصنيع على إنتاج ما يسمى بالشرائط الضوئية الرقيقة ومادة السيليكون، وتعمل هذه الأشرطة الضوئية على توليد الطاقة الكهربائية بطاقة استيعابية معتمدة على مادة السليكون الموجودة ضمن الخلايا الشمسية، ومن الجدير بالذكر أنّ تقنية إنتاج الخلايا/الأشرطة الضوئية هي تقنية انتاج للطاقة النظيفة تخلو من انتاج عنصر الكربون السام، حيث وبالمقارنة فإنّ الوقود الأحفوري يخلف آثاراً سلبية في البيئة وتكلفة استخدامه في تزايد.
أنواع الخلايا الشمسية الشائعة
تصل أنواع الخلايا الشمسية إلى مئات الأنواع والتي تُدعى بالخلايا الضوئية المسؤولة عن تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية، يمكن استخدامها لتشغيل الأجهزة الكهربائية، وهذه الخلايا الشمسية تحتوي على مواد شبه موصلة للكهرباء بحيث تتحفز الإلكترونات فيها لتقوم بعملية التوصيل الكهربائي حينما تتعرض لأشعة الشمس، وبينما يوجد الكثير من انواع الخلايا الشمسية، إلا أن أشهر نوعين منهم يتم تصنيعهما من مادة الكريستالين سيليكون، ومن أبرز تلك الأنواع.
- خلايا السيليكون.
- خلايا المونوكريستال سيليكون.
- خلايا البوليكريستال.
- خلايا الألياف الضوئية الرقيقة.
- خلايا الأموروفوس سيليكون.
تاريخ نشأة فكرة
الخلايا الشمسية تعود فكرة بناء أول خلية شمسية لعام 1883م عن طريق المخترع الأمريكي تشارليس فريتس الذي استخدم مادة السلينيوم ذات شبه الموصلية كمادة مغطية للوصلات مع رقائق أشرطة ذهبية، أما في عام 1941م فقام المخترع روسيل أوهيل بابتكار نظام تحويل الطاقة من الخلايا الشمسية المصنوعة من مادة السيليكون وبنسبة 1%، أما في عام 1954م فقام ثلاثة باحثين أمريكيين (جيرالد بيرسون، كالفين فولر، داريل تشابين) بتصميم خلية شمسية من السيليكون بقدرة تحويلية تصل لـ 6%.
العوامل المؤثرة في كفاءة الألواح الشمسية
تمتلك معظم الألواح الشمسية اليوم معدل كفاءة في استخدام الطاقة من 11 إلى 15٪ ، وهي النسبة المئوية للطاقة الشمسية المحولة إلى كهرباء قابلة للاستخدام.
في حين أن هذه قد تبدو نسبة صغيرة ، إلا أن التقدم في تقنيات الطاقة الشمسية يتم إحرازه باستمرار ، ويمكن للألواح الحديثة أن تلبي أكثر من متطلبات الطاقة لمعظم الاحتياجات السكنية والتجارية.
يعمل الباحثون باستمرار على تحسين أداء تكنولوجيا الطاقة الشمسية اليوم.
حقق العلماء الآن أداءً قياسيًا بنسبة 40٪ باستخدام خلايا متعددة الوصلات تم ضبطها لتجميع أطوال موجية مختلفة من الضوء على الطيف الكهرومغناطيسي.
إذا كان لديك سقف أصغر ومساحة محدودة ، فقد تكون الألواح الشمسية الأكثر كفاءة هي الخيار الأفضل لك.
قد تكون هذه الألواح أغلى قليلاً بسبب كفاءتها العالية ، لكنها ستظل تلبي احتياجاتك من الطاقة.
ومع ذلك ، إذا كان لديك مساحة أكبر ، فقد تتمكن من تلبية احتياجاتك من الطاقة باستخدام لوحات أقل كفاءة وأقل تكلفة ، مما يوفر لك المال عند التثبيت.
يمكن أن تساعدك التكلفة الإجمالية للألواح بالإضافة إلى خرج الكيلووات في تحديد الأفضل لتركيبك.
لا يتم تحويل كل طاقة الشمس التي تصطدم بالخلية الكهروضوئية إلى كهرباء.
الغالبية العظمى منه ضاع.
تساهم مجموعة متنوعة من العوامل في تصميم الألواح الشمسية في قدرة الخلية على تحويل ضوء الشمس الذي تجمعه.
يمكن تحقيق زيادة الأداء من خلال وضع هذه العوامل في الاعتبار:
تكرار
يتكون الضوء من الفوتونات ، أو حزم الطاقة ، مع نطاق واسع من الأطوال الموجية والطاقات.
تتراوح ترددات ضوء الشمس التي تصل إلى سطح الأرض من الأشعة فوق البنفسجية إلى المرئية إلى الأشعة تحت الحمراء.
تنعكس بعض الفوتونات عندما يضرب الضوء سطح لوح شمسي ، بينما يمر الآخرون من خلاله.
بعض الفوتونات الممتصة تتحول طاقتها إلى حرارة.
يحتوي الباقي على طاقة كافية لفصل الإلكترونات عن روابطها الذرية ، مما ينتج عنه إلكترونات حرة وتيار كهربائي.
إعادة التركيب
يمكن أن يتدفق “حامل الشحنة” ، مثل الإلكترون سالب الشحنة ، عبر أشباه الموصلات للسماح للتيار الكهربائي بالتدفق.
“الثقب” هو نوع آخر من حامل الشحنة يشير إلى عدم وجود إلكترون داخل المادة ويعمل كحامل شحنة موجبة.
عندما يصطدم إلكترون بفتحة ، فإنه قد يتحد وبالتالي يلغي مساهمته في التيار الكهربائي.
إعادة التركيب المباشر ، حيث تتصادم الإلكترونات والثقوب المتولدة من الضوء ، وتعيد توحيدها ، وتولد فوتونًا ، مما يؤدي إلى عكس عملية توليد الطاقة الكهربائية في الألواح الشمسية.
إنه من بين العوامل الأساسية التي تحد من الكفاءة.
تحدث إعادة التركيب غير المباشر عندما تتلامس الإلكترونات أو الثقوب مع شوائب ، أو عيب في التركيب البلوري ، أو واجهة تسمح لها بإعادة الاتحاد وإطلاق الطاقة الحرارية.
درجة حرارة
عادة ، تعمل الألواح الشمسية بشكل أفضل في درجات الحرارة المنخفضة.
تؤدي الزيادات في درجة الحرارة إلى تحول خصائص أشباه الموصلات ، مما يؤدي إلى زيادة طفيفة في التيار ولكن انخفاض أكبر في الجهد.
يمكن أن يؤدي ارتفاع درجات الحرارة أيضًا إلى إتلاف الخلية ومواد الوحدة الأخرى ، مما يؤدي إلى عمر تشغيل أقصر.
نظرًا لأن جزءًا كبيرًا من ضوء الشمس الذي يضرب الخلايا يتحول إلى حرارة ، فإن المقاومة الحرارية المناسبة تعمل على تحسين الأداء والعمر.
انعكاس
يمكن تحسين أداء الألواح الشمسية عن طريق تقليل كمية الضوء المنعكس بعيدًا عن سطحها.
السيليكون غير المعالج ، على سبيل المثال ، يعكس أكثر من 30 في المائة من الضوء الوارد.
تساعد الطلاءات المضادة للانعكاس والأسطح المنسوجة في تقليل الانعكاس.
ستكون الخلية عالية الكفاءة باللون الأزرق الداكن أو الأسود.
التظليل الشمسي
الألواح الشمسية معرضة بشدة للتظليل الشمسي.
التظليل الكامل أو الجزئي له تأثير كبير على قدرة توصيل الطاقة وقد يؤدي إلى تقليل الكفاءة وفقدان الطاقة.
عادة ما يتم توصيل الخلايا الموجودة في الألواح الشمسية في سلسلة لإنتاج جهد أعلى وبالتالي كمية كافية من الكهرباء.
ومع ذلك ، عند حدوث التظليل ، فإن هذه البنية لها بعض القيود.
عندما تكون خلية شمسية واحدة مظللة ، فإن تيار السلسلة بأكملها تمليه الوحدة التي تنتج أقل تيار.
عندما تكون الخلية مظللة ، يتم تظليل السلسلة بأكملها بشكل فعال.
تُستخدم الثنائيات الالتفافية بشكل شائع في التركيبات لمنع فقد الطاقة.
يتم توصيل الخلايا الشمسية بالتوازي مع الثنائيات الالتفافية.
عندما تكون خلية شمسية مظللة ، يوفر الصمام الثنائي الالتفافي مسارًا للتيار يمكّن التسلسل المتكامل للخلايا الشمسية من إنتاج الكهرباء بجهد أقل.
تحديد كفاءة الألواح الشمسية
يقيس الباحثون كفاءة الخلية الشمسية للتنبؤ بكمية الطاقة التي ستولدها الخلية.
ناتج التيار والجهد هو الكهرباء.
يتم قياس الخواص الكهربائية للألواح الشمسية باستخدام علاقات التيار والجهد.
عندما يتم توصيل مقاومة “حمل” محددة بين طرفي خلية أو وحدة ، يتم ضبط التيار والجهد المنتج (التيار من خلال موصل بين نقطتين يتناسب طرديًا مع فرق الجهد عبر النقطتين).
يتم تقييم الكفاءة من خلال تعريض الخلية لكمية أساسية ثابتة من الضوء مع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة للخلية وقياس التيار والجهد المتولد لمقاومات الحمل المختلفة.
حساب أداء الألواح الشمسية
عندما يتعلق الأمر بالطاقة الشمسية لمنزلك ، فأنت تريد الحصول على أكبر عائد على الاستثمار.
ومع ذلك ، ما هي الألواح الشمسية التي تولد أكبر قدر من الطاقة؟
يتم تحديد الإجابة من خلال مجموعة متنوعة من العوامل ، بما في ذلك حجم اللوحة ، والكفاءة التي تحول بها اللوحة ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية ، وكمية ضوء الشمس التي تتلقاها اللوحة ، ومحاذاة اللوحة بالنسبة للشمس ، ومجموعة متنوعة من متغيرات أخرى.
شروط الاختبار القياسية للوحات
يتم تحديد المقياس القياسي لإنتاج كهرباء الألواح الشمسية عن طريق اختبار الألواح في ظل الظروف العادية ، والمشار إليها بشروط الاختبار القياسية (STC).
تحسب شركة الاتصالات السعودية (STC) توليد الطاقة من الألواح الشمسية بناءً على الظروف الشائعة مثل التعرض للضوء والاتجاه ودرجة حرارة اللوحة.
تولد اللوحة 250 وات 250 وات من الكهرباء عندما يكون ضوء الشمس على اللوحة 1000 وات لكل متر مربع أثناء التشغيل عند 25 درجة مئوية ، وفقًا لشركة الاتصالات السعودية.
بموجب شركة الاتصالات السعودية ، يجب على شركات الطاقة الشمسية تصنيع الخلايا الشمسية التي تلبي أو تتجاوز إنتاجها من الطاقة المسوقة.
عامل آخر يؤثر على كمية الطاقة التي تنتجها الألواح الشمسية هو كفاءتها.
على سبيل المثال ، لوحة بكفاءة 20٪ ستحول 20٪ من كل الضوء الذي يضربها إلى كهرباء.
سيتم تحويل المزيد من ضوء الشمس إلى طاقة من خلال لوحة ذات تصنيف أداء أعلى.
غالبية الألواح الشمسية لها معدلات كفاءة تتراوح من 15٪ إلى 18٪.
ومع ذلك ، نظرًا لاختلاف ظروف العالم الحقيقي عن STC ، نادرًا ما تولد اللوحة القياسية خرج الطاقة الأمثل المسوق.
على سبيل المثال ، نادرًا ما تكون درجة حرارة اللوح الشمسي 25 درجة مئوية.
غالبية الألواح الشمسية أكثر سخونة بمقدار 20 درجة مئوية من الهواء المحيط.
بمعنى آخر ، إذا كانت درجة الحرارة بالخارج 20 درجة مئوية ، فمن المحتمل أن تكون درجة حرارة اللوح الشمسي حوالي 40 درجة مئوية.
درجة الحرارة لها تأثير على كفاءة الألواح الشمسية.
درجة حرارة خلية التشغيل الاسمية (NOCT) ومعامل درجة الحرارة لأقصى معامل درجة حرارة الطاقة (Pmax) هما رقمان رئيسيان يجب مراعاتهما عند تحديد مقدار الطاقة التي ستحصل عليها من الألواح الشمسية.
NOCT هي درجة الحرارة التي تصل إليها اللوحة عند تعرضها لـ 800 واط / م 2 من النشاط الشمسي (الطاقة المكافئة للشمس المعتدلة) عند درجة حرارة 20 درجة مئوية.
معامل درجة حرارة Pmax هو النسبة المئوية للطاقة المفقودة بواسطة الألواح الشمسية لكل درجة مئوية فوق درجة حرارة STC البالغة 25 درجة مئوية.
لتقييم مستويات الأداء (على عكس الكفاءة المثالية) لألواحك الشمسية ، اطرح درجة حرارة اللوح الشمسي من درجة حرارة STC البالغة 25 درجة مئوية ، ثم اضرب هذا الرقم في معامل درجة حرارة Pmax.
سينتج عن هذا التقدير نسبة مئوية سلبية ، والتي يمكنك بعد ذلك خصمها من تقييم الأداء الأولي الخاص بك.
ستاندرد مقابل بريميوم سولار بانل
عند تحديد مكان وضع الألواح الشمسية ، ضع في اعتبارك تقييمات الكفاءة.
على نحو مفضل ، ستتمكن من الحصول على ألواح شمسية عالية الكفاءة وتثبيتها في مكان مشمس.
ومع ذلك ، قم بتثبيت الألواح في منطقة عالية الشمس.
قد تكون قادرًا على التخلص من تركيب الألواح بمعدل كفاءة متوسط أو منخفض نسبيًا لأنها ستحصل على أقصى قدر من التعرض.
افترض أنك تقوم بتركيب الألواح في مكان لا تتعرض لأشعة الشمس الكافية.
في هذه الحالة ، سترغب في الاستثمار في لوحات ذات تصنيف أداء أعلى لتحسين كمية الكهرباء التي تحصل عليها ، خاصةً إذا كانت مساحة سطحك محدودة.
معدل تدهور اللوح الشمسي الخاص بك هو عامل آخر يؤثر على أدائها.
تولد الألواح الشمسية كهرباء أقل بمرور الوقت.
معدل التحلل هو المعدل الذي يفقدون به قدرتهم على توليد الطاقة.
التدهور والوقت وكفاءة الألواح الشمسية
كان هناك العديد من التطورات التي ساهمت في جعل الألواح الشمسية أكثر كفاءة.
لقد تطورت هذه التطورات بشكل كبير لدرجة أن الطاقة الشمسية النظيفة أصبحت الآن خيارًا قابلاً للتطبيق لعدد أكبر بكثير من الناس مما كانت عليه في السابق.
نظرًا لأن كل شركة مصنعة للألواح الشمسية تقوم بتصنيع لوحاتها بشكل مختلف قليلاً ، فإن كل لوحة لها معدل تدهور مختلف.
وفقًا للأبحاث ، انخفض أداء الألواح الشمسية بحوالي 0.8٪.
بمعنى آخر ، بعد عام واحد ، ستولد لوحتك الشمسية 99.2٪ من الطاقة الكهربائية التي كانت تنتجها عندما كانت جديدة ؛ بعد عشر سنوات ، ستولد 92٪ من الكهرباء التي كانت تنتجها عندما كانت جديدة ؛ وهكذا.
من المرجح أن تتحلل الألواح الشمسية المتطورة بمعدل أبطأ بكثير.
حتى أن البعض يدعي أن معدلات تدهور منخفضة تصل إلى 0.3٪.
تؤثر البيئة التي تضع فيها الألواح الشمسية أيضًا على إنتاج الطاقة.
كلما زاد ضوء الشمس الذي تجمعه الألواح الخاصة بك ، زادت الكهرباء التي يمكن أن تولدها.
إذا تم وضع الألواح الشمسية في منطقة مظللة بأشجار عالية أو هياكل أخرى ، فلن تولد قدرًا من الكهرباء بقدر ما تستطيع.
وفقًا للبحث ، يمكن أن يؤدي التظليل بنسبة 20 إلى 30٪ إلى تقليل إنتاج الطاقة بنسبة 30 إلى 40٪.
وبالمثل ، إذا كانت الألواح الشمسية متسخة أو مغبرة أو مغطاة بالثلوج أو الأوراق أو غيرها من الحطام ، فلن تولد الكثير من الكهرباء كما لو كانت نظيفة.
العاكس هو عنصر أساسي آخر من مكونات الألواح الشمسية التي تؤثر على إنتاج الكهرباء.
يقوم العاكس بتحويل التيار الكهربائي المباشر (DC) إلى التيار المتردد (AC) (النوع الذي تستخدمه في المنزل).
تحدد كفاءة العاكس مقدار طاقة التيار المستمر التي يتم تحويلها إلى كهرباء التيار المتردد.
النوع الأكثر كفاءة هو العواكس غير المحولات.
ومع ذلك ، فإن المحولات الدقيقة الجديدة ومحسنات الطاقة التي تتصل بالعديد من الألواح الشمسية بدلاً من المجموعة بأكملها تساعد في زيادة الطاقة على أساس كل لوحة ، مما يجعلها خيارًا أفضل للصفيفات الكبيرة متعددة اللوحات.
يتأثر توليد الطاقة أيضًا بمدى توافق اللوحات داخل النظام.
إذا كانت لوحات الجهد المختلفة مترابطة ، فستستخدم المجموعة بأكملها اللوحة ذات الجهد المنخفض ، مما يقلل من كفاءة النظام.
هناك العديد من العوامل التي يجب مراعاتها عند تحديد مقدار الطاقة التي ستولدها من الألواح الشمسية.
أفضل طريقة لضمان النجاح هي الشراء من شركة معتمدة معروفة بإنتاج لوحات عالية الكفاءة ووضع الألواح الخاصة بك بحيث تتلقى أكبر قدر من ضوء الشمس.
المصادر: مواقع إلكترونية عربية