نظرة عامة على تقنية الألواح الشمسية وتوليد الطاقة الكهروضوئية (QUENENG)

1. تاريخ تطور وحالة توليد الطاقة الكهروضوئية الحالية

منذ اختراع أول خلية كهروضوئية عملية في عام 1954،الطاقة الشمسيةحققت تكنولوجيا توليد الطاقة الكهروضوئية تقدمًا ملحوظًا. ومع ذلك، كان تطوير الطاقة الشمسية أبطأ مقارنةً بالتطورات السريعة في مجالات مثل الحواسيب والألياف الضوئية. ويعود ذلك جزئيًا إلى الطلب القوي على المعلومات، وكون مصادر الطاقة التقليدية كافية لتلبية الاحتياجات البشرية. وقد ساهمت أزمة النفط عام ١٩٧٣ وقضايا التلوث البيئي في التسعينيات في تسريع تطوير الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل كبير. فيما يلي أهم المحطات في تاريخ تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية:

• 1893:اكتشف العالم الفرنسي بيكريل "التأثير الضوئي".
• 1876:اكتشف آدامز وآخرون تأثيرات الخلايا الضوئية الصلبة على المعادن والسيلينيوم.
• 1883:تم تصنيع أول "خلية ضوئية من السيلينيوم" واستخدامها كجهاز استشعار.
• 1930:اقترح شوتكي نظرية "التأثير الكهروضوئي" في حواجز Cu2O.
• 1954:نجحت مختبرات بيل في تطوير أول خلية شمسية عملية من السيليكون أحادي البلورة بكفاءة تصل إلى 6%.
• 1962:بلغت كفاءة التحويل الكهروضوئي لخلايا الزرنيخيد الغاليوم الشمسية 13%.
• 1978:قامت الولايات المتحدة ببناء محطة طاقة شمسية ضوئية بقدرة 100 كيلو وات على الأرض.
• 1990:أطلقت ألمانيا برنامج "الطاقة الشمسية على الأسطح 2000".
• 1995:وصلت كفاءة الخلايا الشمسية عالية الكفاءة المصنوعة من الزرنيخيد الغاليوم المركز إلى 32%.
• 1997:اقترحت الولايات المتحدة برنامج "مليون سقف شمسي"، بهدف تركيب الخلايا الشمسية في مليون منزل.

2. مقدمة عن الخلايا الشمسية

الخلايا الشمسية، المعروفة أيضًا باسم الرقائق الشمسية أو الخلايا الكهروضوئية، هي أغشية رقيقة من أشباه الموصلات تُحوّل ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء باستخدام التأثير الكهروضوئي. لا يمكن استخدام خلية شمسية واحدة كمصدر للطاقة؛ بل يجب توصيل عدة خلايا على التوالي أو بالتوازي وإغلاقها معًا لتكوينلوحة شمسية. تعتبر الألواح الشمسية المكون الأساسي لأنظمة توليد الطاقة الشمسية والجزء الأكثر أهمية.

أنواع الطاقة الشمسية

• استخدام الطاقة الشمسية الحرارية:يتم تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية، والتي يمكن استخدامها لتوليد الطاقة الحرارية.
• توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية:يتم تحويل الإشعاع الشمسي إلى كهرباء من خلال أجهزة التحويل الكهروضوئي، والتي تعتمد بشكل أساسي على مبدأ التأثير الكهروضوئي.

3. مبدأ عمل الخلايا الشمسية

تعمل الخلايا الشمسية على مبدأ التأثير الكهروضوئي. عندما يسقط ضوء الشمس على المادة شبه الموصلة، تُثير الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق الإلكترونات وتُكوّن أزواجًا من الإلكترونات والفجوات. ينفصل عن هذه الناقلات غير المتوازنة المجال الكهربائي المدمج عند الوصلة PN، حيث تتحرك الإلكترونات نحو المنطقة N والفجوات نحو المنطقة P. يُولّد هذا جهدًا كهربائيًا عبر الوصلة PN. عند توصيل أسلاك معدنية بطبقتي P وN وتوصيلها بحمل خارجي، يتدفق التيار عبر الدائرة الخارجية، مولدًا الطاقة الكهربائية.

4. خصائص الخلايا الشمسية

تشمل الخصائص الرئيسية للخلايا الشمسية ما يلي:

• جهد الخرج المقدر:في ظل ظروف الإضاءة القياسية (إشعاع 1000 واط/م²، درجة حرارة 25 درجة مئوية)، يكون جهد الخرج حوالي 0.48 فولت.
• معامل درجة الحرارة السالب:لكل ارتفاع في درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية، ينخفض ​​الجهد بحوالي 2 ميلي فولت.
• انتاج الطاقةتختلف قدرة الخلايا الشمسية المُخرَجة باختلاف شدة ضوء الشمس، والظروف المناخية، والوقت، والموقع. في الأيام المشمسة قرب الظهر، تكون قدرة الخلايا مُخرَجة قريبة من القيمة المُصنَّفة.

5. اختيار الخلايا الشمسية

عند اختيار الخلايا الشمسية، تُعدّ طاقة الخرج عاملاً أساسياً. شروط الاختبار القياسية هي:

• الإشعاع: 1000 واط/م²
• كتلة هوائية: AM1.5
• درجة حرارة الخلية: 25 درجة مئوية

تُحاكي هذه الظروف تقريبًا ضوء الشمس عند الظهيرة في يوم صافٍ. في الواقع، تتذبذب طاقة الخلايا الشمسية المُخرَجة تبعًا لاختلاف ظروف الإضاءة والعوامل البيئية.

6. التأثير الكهروضوئي

يشير التأثير الكهروضوئي إلى ظاهرة يُحدث فيها الضوء فرق جهد بين أجزاء مختلفة من شبه موصل أو مزيج من شبه موصل ومعدن. في الخلايا الشمسية، يُستخدم هذا التأثير لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء. يعتمد المبدأ الأساسي للخلايا الشمسية على الوصلة PN، التي تُنشئ مجالًا كهربائيًا يفصل الإلكترونات عن الفجوات، مُولِّدًا الجهد، وبالتالي التيار.

7. أنظمة توليد الطاقة الشمسية

يمكن تقسيم أنظمة الطاقة الشمسية إلىخارج الشبكةومتصل بالشبكةالأنظمة. تختلف مكونات هذه الأنظمة قليلاً:

أنظمة توليد الطاقة الشمسية خارج الشبكة

تُستخدم هذه الأنظمة في المناطق التي لا تتوفر فيها إمكانية الوصول إلى الشبكة، وتشتمل عمومًا على المكونات التالية:

• مجموعة الخلايا الشمسية:وحدات الألواح الشمسية المتعددة مرتبة ومتصلة بنمط محدد.
• بطارية تخزين الطاقة:تستخدم لتخزين الكهرباء لاستخدامها عندما لا تكون الشمس مشرقة.
• وحدة التحكم:يتحكم في عملية شحن بطارية تخزين الطاقة ويتضمن وظائف حماية مختلفة لضمان التشغيل الآمن والمستقر.
• العاكس:يقوم بتحويل الكهرباء المستمرة المخزنة إلى كهرباء مترددة.
• صندوق التوزيع وأسلاك التوصيل:يستخدم لتوصيل وإدارة مكونات النظام ومخرجات الطاقة.

أنظمة توليد الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة

تُستخدم هذه الأنظمة في المناطق المتصلة بشبكة الكهرباء، ويمكنها إعادة الكهرباء الفائضة إلى الشبكة. تشمل مكوناتها الرئيسية ما يلي:

• مجموعة الخلايا الشمسية:وحدات الألواح الشمسية المتعددة متصلة ببعضها البعض.
• بطارية تخزين الطاقة:تستخدم لتخزين الكهرباء.
• عاكس متصل بالشبكة:يقوم بتحويل الكهرباء المستمرة من التخزين إلى كهرباء مترددة مناسبة للشبكة.
• صندوق التوزيع وأسلاك التوصيل:يستخدم لتوصيل وإدارة مكونات النظام ومخرجات الطاقة.