ألواح الطاقة الشمسية (PV Panels)

طلب زبون من فني الطاقة المتجددة اختيار لوحات شمسية مناسبة لمشروع نظام طاقة شمسية لمزرعة دواجن.

العمل الكامل:

§ أناقش: تُستخدم الطاقات المتجددة منذ القدم. § أُناقش: هل يَعُد خشب الموقد من الطاقات المتجددة؟

الخلية الشمسية أو الكهروضوئية، كما في الشكل (1): هي عنصر يحوّل الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية، مستغلاً ظاهرة التأثير الكهروضوئي، حيث تتكون الخلية الشمسية من طبقة سيليكون، يضاف إليها بعض الشوائب؛ لتعطيها بعض الخواص الكهربائية، وتكون على النحو الآتي:

1. الطبقة السالبة (N): هي الطبقة العلوية القابلة للشمس من الخلية الشمسية، وتكون مشوبة بعنصر خماسي مثل الفسفور، لتعطيه خاصية ضخ إلكترونات عند اصطدام الفوتونات بها، حيث إنّ الفوتونات هي الجسيمات متناهية الصغر حاملة للطاقة، وتنقل الطاقة الضوئية من الشمس إلى سطح الخلية.
2. الطبقة الموجبة (P): هي الطبقة السفلى من الخلية الشمسية، وتكون مشوبة بعنصر ثلاثي مثل البورون، ليعطيه خاصية امتصاص الإلكترونات.

فعند اصطدام فوتونات الإشعاع الشمسي بالطبقة العلوية، تمنح الإلكترونات طاقة تعتمد على شدة الإشعاع الشمسي، وعند وجود موصل كهربائي بين الطبقتين تنتقل الإلكترونات من الطبقة العليا إلى الطبقة السفلى، وهكذا يتكون تيار وجهد كهربائيان، وهذا ما يوضح مبدأ عمل الخلية الشمسية الموضحة في الشكل (2).

تعلمنا سابقاً أن جهد الخلية الشمسية يتراوح بين (0.5 - 0.6 فولت)، ولذلك جُمّعت الخلايا الشمسية معاً في لوح واحد، فتكونت الألواح الشمسية، وهي المكون الأهم في الأنظمة الشمسية، وتتكون من عدة طبقات، كما في الشكل (3)، وأهمها:

1. الخلايا الشمسية.
2. الإطار المعدني.
3. الزجاج الأمامي.
4. مادة الظهر الداعمة.

1. تتميّز الألواح الشمسية وفق عدد الخلايا، وطريقة ربطها، والتكنولوجيا المستخدمة في تصنيع الخلايا.
2. إنّ الألواح التجارية المنشرة في فلسطين هي ألواح مكونة من 60 أو 72 خلية شمسية، وبالمنطق فإن مساحة الألواح تزداد كلما زاد عدد الخلايا الشمسية، كما في الشكل (4) الآتي؛ لتصور حجم الألواح الشمسية:

يوجد عدة تكنولوجيات مستخدمة لتصنيع الخلايا الشمسية، منها:

1. الخلايا متعددة التبلور (PolyCrystaline).
2. خلايا أحادية التبلور (MonoCrystalline).
3. خلايا عديمة التبلور (Amorphorous)، وهي غير دارجة في فلسطين.

   والفرق بين الخلايا عديدة وأحادية التبلور هو في طريقة التصنيع، والشكل (5) يوضح مقارنة في الشكل بينهما.

مؤخراً طُوّرت سلسلة من التكنولوجيات الجديدة للألواح الشمسية أدّت إلى زيادة كفاءتها زيادة ملحوظة، منها: (خلايا MONO-PERC، وخلايا POLY PERC، وخلايا TOPCon)، وجميع هذه التكنولوجيات إمّا أن تكون (خلية كاملة full cell) أو (نصف خلية half Cut Cell)، وقد يعتمدون قياسات مختلفة لمساحة الخلايا، وهناك مصنّعون يصنعون الألواح مزدوجة الزجاج؛ ما يعني أن هناك تشكيلة واسعة جداً من التكنولوجيات المتوفرة في الأسواق؛ ما يعكس المنافسة الحادة، والبحث المستمر عن طرق لتحسين كفاءة الألواح الشمسية، والشكل (6) الآتي يوضح أهم التكنولوجيات المنتشرة عالمياً للألواح الشمسية:

1. يتم الحصول على أنصاف الخلايا الشمسية من خلال قطع خلايا السيليكون الكهروضوئية من المنتصف.
2. وتقدم تقنية نصف الخلية الشمسية فوائد عدة بالمقارنة مع الخلايا الشمسية العادية الكاملة، وأهمها الزيادة في الأداء والتحمل، بالإضافة الى أن تقنية أنصاف الخلايا تؤدي إلى زيادة في كفاءة الألواح الشمسية من خلال تقليل الخسائر، وبالتالي تحسّن قيمة الإنتاج.

ميزات تقنية النصف خلية شمسية للألواح الشمسية:

تُعطى الخسائر الكهربائية بالعلاقة الرياضية الآتية: خسائر القدرة الكهربائية = (التيار المار)² × المقاومة

ونتيجة لقطع الخلايا إلى أنصاف؛ فإن التيار الكهربائي ينخفض إلى النصف، فيما يحافظ على فرق الجهد على القيمة نفسها؛ ما يعني أن التيار الذي يسري في أي نصف خلية هو نصف التيار الذي يمر في الخلية الكاملة، ووفقاً للمعادلة السابقة، فهذا يتسبب بتقليل الخسائر إلى الربع، وما يتبع ذلك من تقليل مساحات مقطع الأسلاك اللازمة للتوصيلات الداخلية، وعليه يتحسن إنتاج المحطة، وتزداد كفاءتها، الشكل (7).

تتميّز الألواح الشمسية ذات أنصاف الخلايا بقدرة عالية على مقاومة تأثير الظل؛ وذلك ليس فقط بسبب كون الخلية مقطوعة في المنتصف، إنّما بسبب طريقة التوصيل الداخلي للخلايا. في الألواح ذات الخلايا الكاملة تكون جميع الخلايا موصولة على التوالي، وإذا تعرّضت خلية واحدة من الصف للتظليل الكامل (أي لا تنتج طاقة) فيتوقف إنتاج اللوح توقفاً كاملاً، لذلك يضع المصنّعون ديودات حرف مسار (Bypass diodes)؛ ما يتسبّب بتقسيم اللوح الشمسي إلى ثلاث مناطق مستقلة من ناحية تأثير الظل، بحيث يتسبّب وقوع الظل على خلية واحدة لتوقف ثلث اللوح عن الإنتاج. أما في الألواح ذات أنصاف الخلايا، فإن العملية السابقة نفسها تحصل مع فارق أن اللوح الشمسي مقسم إلى قسمين، كل منهما يحتوي على العدد نفسه من أنصاف الخلايا بدلاً من الخلايا، وهي بعد ذلك موصولة على التوازي؛ ما يضاعف قدرة اللوح الشمسي على مقاومة تأثير الظل؛ لأن أي تظليل سيؤثّر على نصف اللوحة؛ ما يعني أن اللوح الشمسي المحمي بديودات حرف المسار ستتمكّن من تقسيم اللوحة إلى (6) مناطق مستقلة بدل (3)؛ ما يضاعف مقاومة اللوح للظل، الشكل (8).

يوجد لكل لوح شمسي مجموعة من القيم التي تصف الخصائص الكهربائية والميكانيكية للوح الشمسي، والتي عادة ما تدرجها الشركات الصانعة للألواح الشمسية مع اللوح، فيما يعرف بنشرة بيانات Data sheet اللوح الشمسي، كما في الشكل (9)، وتوفّر نشرة البيانات كافة المعلومات اللازمة؛ لتمكّن المختص من الاستفادة من اللوح الشمسي استفادة فعالة وسليمة، ويبيّن الشكل المجاور نشرة بيانات خاصة بلوح شمسي:

إنّ فهم الخصائص الكهربائية والميكانيكية الواردة في نشرة بيانات الألواح الشمسية أمر بالغ الأهمية؛ ليتمكّن المختص من التعامل من اللوح الشمسي بالشكل السليم والفعال، وفيما يأتي شرح لأهم خصائص الألواح الشمسية: Ÿ تيار دائرة القصر (Short Circuit Current) (ISC): هو التيار الناتج من وصل طرفي اللوح الشمسي دون وجود مقاومة؛ ما يتسبّب في تدفّق أعلى تيار كهربائي يمكن للوح الشمسي توليده، إلا أن هذا التيار يحدث في حالة من انعدام فرق الجهد؛ ما يعني أن القدرة الناتجة تكون صفراً، وهذه القيمة مهمة لضرورة التحوط منها عند التصميم، والتوصيل، وهو تيار مستمر (DC)، ويُقاس بوحدة (A). Ÿ جهد الدارة المفتوحة (Open Circuit Voltage) (VOC): هو الجهد الذي ينتجه اللوح الشمسي بين طرفيه في حال عدم وجود اتصال بينهما، وبسبب عدم وجود اتصال فإن التيار يكون صفراً، وبالتالي القدرة المنتجة تكون صفراً، وهو جهد مستمر (DC)، ويقاس بوحدة (V). Ÿ قدرة اللوح الشمسي القصوى (Maximum Power Point (MPP)) (Pmax): تُقاس بوحدة الـ (Wp)، وهي أعلى قدرة يمكن للوح الشمسي إنتاجها في ظروف الفحص المعياري (STC)، ويتم الحصول على هذه القيمة من القدرة عند تزامن فرق جهد وتيار معينين يُسمّيان بتيار القدرة القصوى (Impp)، وفرق جهد القدرة القصوى (Vmpp)، وضمن الظروف نفسها لا يمكن لأي توليفة أخرى من فرق جهد وتيار من إنتاج قدرة مساوية أو أكبر من (Pmax). وفي الشكل (10) يمكن مشاهدة العلاقة بين التيار وفرق الجهد من جهة (I-V Curve) والعلاقة فرق الجهد والقدرة من ناحية أخرى (P-V Curve):

بعد أن تعرفنا إلى منحنى الخصائص الكهربائية للوح الشمسي؛ أي العلاقة بين التيار والجهد، وبالتالي تغيّر الخصائص الكهربائية من تيار اللوح الشمسي وجهده مع اختلاف الحمل، فإن هناك عدة عوامل تؤثّر على هذه العلاقة، من هذه العوامل:

درجة الحرارة لا تتسبّب بإنتاج الألواح الشمسية، إنّما تؤثّر عكسياً على قيمة فرق الجهد الذي ينتجه اللوح الشمسي؛ أي كلما زادت درجة الحرارة يقل فرق جهد اللوح الشمسي بوضوح، فيما تزداد قيمة التيار ازدياداً طفيفاً لا يعوّض عن خسائر الجهد؛ ما يؤدي في النتيجة إلى تقليل القدرة الناتجة من اللوح الشمسي، والشكل (11) الآتي يوضح أثر درجة الحرارة على اللوح الشمسي:

2 - كمية الإشعاع الشمسي الواصل إلى سطح اللوح الشمسي: يتسبّب الإشعاع الشمسي في إنتاج القدرة في الألواح الشمسية من خلال تأثيرها الطردي والمباشر، بحيث إنّه كلما زاد الإشعاع الشمسي الواصل يزداد التيار بالنسبة نفسها، والشكل (12) الآتي يوضح تأثير كمية الإشعاع الشمسي على منحنى الجهد والتيار للوح الشمسي:

22 والجدول الآتي يوضّح بعض دلالات هذه البيانات الموجودة على الملصق الخاصّ باللّوح الشمسي:

23 مع ملاحظة أنّ كلّ القيم الواردة في الجدول السابق، التي تكون موضّحة في نشرة البيانات، هي الناتجة في (ظروف الفحص المعيارية STC) التي تتضمّن ما يأتي:

• إشعاع شمسي بقدرة (1000 وات للمتر المربّع).
• وزن الهواء (Air Mass-AM)، ويساوي (1.5).
• درجة حرارة الخلايا (25) درجة مئوية.

وتجدر الإشارة إلى أنّ هذه الظروف يصعب الوصول إليها في الحياة العملية؛ لأنّ حدوث إشعاع شمسي قدره $1000W/m2$ يترافق مع درجة حرارة خلايا تتجاوز الـ (60) درجة مئوية.

هو العلاقة بين القدرة الواردة على اللّوح إلى الناتجة منه:

وعند الظروف المعيارية تصبح المعادلة كالآتي فيما يتعلق بالخلايا:

أمّا في الظروف الأخرى، فإنّ قيمتَي قدرة اللّوح والإشعاع الشمسي الواردتين تتغيّران؛ ما قد يغيّر من كفاءة اللّوح:

$\mu = \frac{\text{قدرة اللّوح المقيسة}}{\text{شدة الإشعاع}\ (\frac{W}{m^2}) \times \text{مِساحة اللّوح}\ (m^2)} \times 100\%$ 24

1. أعدّد أنواع الخلايا الشمسية وَفق طرقة تصنيعها.
2. أكمل الفراغ بما يناسب: تتناسب قيمة الإشعاع الشمسي تناسباً _ مع قيمة التيار الذي نحصل عليه من اللّوح الشمسي.
3. أوضّح تأثير درجة الحرارة على القيم الخارجة من اللّوح الشمسي.
4. أوضّح ميزتين من ميزات الألواح المصنّعة من أنصاف الخلايا.
5. لوح شمسي قدرته الاسمية (320Wp)، إذا علمت أنّ أبعاد اللّوح الشمسي هي (طول = 2م، عرض = 1م)، وكمية الإشعاع الشمسي الذي قيسَ على سطح اللّوح الشمسي هو ($1000W/m^2$)، أحسب كفاءة اللّوح الشمسي.