تحديد كمية الطاقة التي يمكن لسطح إنتاجها من الألواح الشمسية

طلب زبون من فني الطاقة الشمسية تقدير كمية الطاقة التي يمكن لسطح مصنعه إنتاجها باستخدام الألواح الشمسية.

26

• أناقش: تثبت الألواح الشمسية تثبيتاً مائلاً.
• هل يمكن للخلايا الشمسية العمل في الظلّ؟

تختلف كمية الطاقة الشمسية الواصلة للأرض تبعاً لاختلاف المكان على سطح الكرة الأرضية وَفق دوائر العرض والغيوم، لذلك نلاحظ أنّ بعض المناطق تكون حارّة ومشمسة، وبعضها الآخر تكون باردة وغائمة؛ لذلك يختلف إنتاج الخلية الشمسية من مكان لآخر، فاللّوح الشمسي الذي يُنتج (2kWh) يومياً في فلسطين قد لا يُنتج أكثر من (1kWh) في بلاد أوروبا الشمالية، الشكل (1): خريطة توضيحية.

1. ولمعرفة كمية الطاقة التي يمكن للألواح الشمسية إنتاجها؛ نحن بحاجة لمعرفة كمية الطاقة الواردة من الشمس في المكان موضع الدراسة، كما علينا معرفة ميل الألواح واتجاهها.
2. وفي الجدول (1) الآتي يمكن أن نجد متوسط كمية الطاقة الواردة على الأرض بالكيلوواط.
3. ساعة في اليوم الواحد، ولكلّ شهر، على المتر المربّع الأفقي، ويرمز لهذه القيمة بالرمز (H).

28 الجدول (1): كمية الوارد الشمسي بالكيلوواط. ساعة للمتر المربّع في اليوم في مدن فلسطينية

1. هناك مصادر مختلفة لمعرفة كمية الطاقة الواردة على الأرض.
2. هناك تباين قليل جداً لكمية الطاقة الواردة بين المدن الفلسطينية المختلفة.
3. بيان كمية الطاقة الواردة على 1 متر مربّع أفقي من الأرض.
4. شهر كانون الثاني يُعَدّ أقلّ الأشهر استقبالاً للطاقة الشمسية، وشهر حَزيران أكثرها.

تجدر ملاحظة بأنّ الجدول السابق يزوّدنا بالطاقة الواقعة على السطح الأفقي، إلّا أنّنا لا نركّب الألواح الشمسية أفقياً؛ من أجل تحسين الإنتاج، ولمنع تراكم الأوساخ على الألواح، وتسهيل تنظيفها، لكن بتغيير ميل الألواح الشمسية فإنّ كمية الطاقة الملتقطة لكلّ متر مربّع ستختلف زيادة أو نقصاناً؛ لذلك نلجأ إلى جداول معاملات التصحيح وَفق موقع المحطة الشمسية، ودائرة العرض.

في الجدولين (2) و(3) الآتيين يمكن التعرف إلى معاملات ميل الألواح الشمسية، التي يُرمز لها بالرمز (k)، وكما هو مبيّن فإنّ لكلّ خطّ عرض جدولاً مختلفاً؛ ما يعني أنّ تأثير درجة الميل تختلف من بلد لآخر، كما أنّها تختلف باختلاف الأشهر. وفي حالة فلسطين، فإنّ صغر المِساحة الجغرافية تجعل التباين في خطوط العرض طفيفاً للغاية، وأهمّ خطَّي عرض هما 31° (Latitude) و 32°، على الرغم من أنّ فلسطين تمتدّ من خطّ عرض (Latitude) 29° و 33°: 29 الجدول (2): معاملات تصحيح الإشعاع عند دائرة عرض $31^{\circ}$

الجدول (3): معاملات تصحيح الإشعاع عند دائرة عرض $32^{\circ}$

30 والمعادلة الآتية توضّح كمية الطاقة الواردة على السطح المائل وَفق درجة الميل:

مثال: أجد كمية الطاقة الواردة على لوح شمسي، مِساحتها $2م^2$ في مدينة القدس خلال شهر حَزيران، إذا كان ميل اللّوح الشمسي 30 درجة، ثمّ أجد كمية الطاقة التي ينتجها اللّوح الشمسي لو كانت كفاءته 16.5%.

الحلّ: في مدينة القدس، ووَفق معلومات الجدول (1) السابق، فإنّ متوسط الوارد اليومي على المتر المربّع الواحد في شهر حَزيران = 8.57 كيلوواط. ساعة/م²، ولأنّ مِساحة اللّوح 2 متر² = 8.57 × 2 = 17.14 كيلواط. ساعة، هذه كمية الطاقة الواردة على اللّوح الشمسي عند تركيبها أفقياً، لكنّ اللّوح الشمسي مثبت على درجة ميل 30°، وبالرجوع إلى الجدول (2): جدول خط عرض (latitude) 31°، نجد أنّ (k = 0.91)؛ ما يعني أنّ ميل اللّوح الشمسي سيقلّل إنتاجها بواقع 9% في هذا الشهر.

• كمية الطاقة الواردة على اللّوح في اليوم الواحد:

• كمية الطاقة الواردة في شهر حَزيران 30 يوماً = 15.6 × 30 = 468 كيلوواط. ساعة

وهذه كمية كهرباء كبيرة جداً، وهي كمية واصلة إلى اللّوح الشمسي، وليست الكمية الناتجة. ولتحديد كمية الطاقة الناتجة؛ يجب تحديد كفاءة اللّوح الشمسي.

إذا كانت كفاءة اللّوح الشمسي = $16.5\% \times \frac{16.5}{100} = 0.165$

• كمية إنتاج اللّوح الشمسي = كمية الطاقة الواردة × كفاءة اللّوح

إنتاج اللّوح الشمسي = 468 × 0.165 = 77.22 كيلوواط. ساعة خلال شهر حَزيران.

في ضوء المثال السابق، أجيب عن الآتي:

1. أحسب كمية الطاقة الواردة في شهر تمّوز على ألواح محطة شمسية مِساحتها 32 متراً مربّعاً في مدينة الخليل إذا كان ميل الألواح الشمسية 25 درجة.
2. ما كمية الطاقة المُنتَجة من الألواح إذا كانت كفاءتها 18%؟

   31 نشاط عملي (1): أحضر لوحاً شمسياً، وباستخدام أجهزة قياس مناسبة (بوصلة، ومقياس ميلان، ...) أُجري القياسات المناسبة، وأملأ الجداول الآتية؛ لدراسة تأثير زاوية ميل اللّوح الشمسي على كمية الإنتاج، وأناقشها مع زملائي:

نشاط عملي (2): أحضر لوحاً شمسياً، وباستخدام أجهزة قياس مناسبة (بوصلة، ...) أُجري القياسات المناسبة، وأملأ الجدول الآتي؛ لدراسة تأثير زاوية التوجيه مع الجنوب شرقاً ثمّ غرباً على كمية الإنتاج للّوح الشمسي عند درجة ميل ثابتة 25 درجة له، وأناقش النتائج مع زملائي:

ملاحظة: الجهود المقيسة هنا يكون التيار عندها مساوياً للصفر، والتيارات المقيسة يكون الجهد عندها صفراً؛ لأنّه لا يمكن قياس جهد الدارة المفتوحة وتيار الدارة المغلقة في اللّحظة نفسها، علماً أنّ القدرة التي نحصل عليها هي القدرة النظرية، وليس القدرة التي يعمل عندها اللّوح الشمسي.

32

أرسم كلّاً من المنحنيات الآتية

1. زاوية الميل مع التيار.
2. زاوية الميل مع الفولتية.
3. زاوية الميل مع القدرة.

1. لماذا نوجّه الألواح الشمسية في فلسطين نحو الجنوب؟
2. هل تعديل زاوية ميل اللّوح يزيد من كمية الطاقة الساقطة على اللّوح الشمسي دائماً؟
3. أوضّح كيفية إيجاد أفضل توجيه للوح شمسي في يوم ما من أيام السنة.
4. إذا وضعنا مقاومة على طرفي اللوح الشمسي، فما معنى قيم الجهد والتيار والقدرة الناتجة؟