انواع الالواح الشمسية

الطاقة الشمسية الكهربائية

مقدمة:

الطاقة الشمسية الكهربائية تعتمد على الالواح والتي تسمى فوتوفولتايك (Photovoltaic) والتي تعني الكهرباء الضوئية.

اكتشاف الطاقة الشمسية الكهربائية بداء في عام 1839 م حين اكتشف العالم ألكسندر انه عند تعرض مادة معينة لأشعة الشمس تؤدي الى حركة الالكترونات في هذه المادة مما يعطى المجال لإنتاج تيار كهربائي.

انتظر العالم تقريبا 100 سنه ليحاول تطبيق هذه النظرية، في عام 1883 م  قام أحد العلماء بمحاولة تطبيق هذه النظرية ثم اتي اينشتاين ليثبت بطريقة عملية حركة الالكترونات عند تعرض مواد معينة لأشعة الشمس.

كانت هذه العملية تنتج كهرباء قليل وانتظر العالم أيضا ما يقارب 50 سنة أخرى لتطبيق هذه التجربة.

أول استخدام لها بشكل عملي في الفضاء عندما احتاج الانسان ان يحصل على الطاقة بعيدا عن مصادر الطاقة المعروفة، ففي عام 1950 م استخدمت ناسا شركة الفضاء الامريكية الواح طاقة شمسية لتشغيل أجهزة الاتصالات مع الأقمار الصناعية.

لم يبدأ استخدام الطاقة الشمسية بشكل تجاري الا في عام 1975 م. من بعدها بدأت صناعة الواح الطاقة تتطور.

خلايا الواح الطاقة الشمسية:

تعمل خلايا الواح الطاقة الشمسية عن طريق وضع طبقتين من مادة السليكا احداها مدمج مع مادة الفسفور مما ينتج خليط به زيادة بعدد الالكترونات وطبقة من سبيكة سليكا مدمجة بمادة البورون يكون بها نقص بعدد الالكترونات وعند وضع موصل بين هاتين الطبقتين وتعرضها لأشعة الشمس تتحرك الالكترونات ما بين الطبقتين لأخذ او طرد الالكترونات والذي بدوره ينتج الكهرباء.

في البداية كان تصنيع هذه الخلايا مكلف لان انتاج مادة السليكا مكلف، هبطت أسعارها خلال العشر سنوات الماضية أكثر من النصف.

منذ عام 2014 م وأسعار الواح الطاقة الشمسية بهبوط مستمر، مما ساعد على انتشارها فأسعارها تهبط بمعدل الثلث سنويا.

العائد الاقتصادي للطاقة الشمسية الكهربائية:

ان استخدام الطاقة الشمسية ينتشر في العالم انتشار سريع فقد وصلت بعض الدول الى نسبة تصل الى اكثر من 30% من انتاج طاقتها من خلال الطاقة الشمسية ومازال السباق محموم في اتجاه استخدام الطاقة الشمسية بشكل اكبر.

مع انخفاض أسعارها كثير من المنازل حول العالم تستخدم الطاقة الشمسية اما بشكل مستقل او كداعم لاستخدام الطاقة المنزلية.

اجرى مركز أبحاث الطاقة الأمريكي (IRE ) دراسة عن المساحة المطلوبة من الالواح لتغطي كل احتياج الولايات المتحدة الامريكية من الطاقة فاظهرت نتيجة هذا البحث ان مساحة بحجم اصغر ولاية أمريكية وهي روود ايلاند والتي تقدر بي 3140 كم مربع مع ولاية نيوهامشير ومساحتها تقريبا 24217كم مربع لو استغلت مساحه بحجمهما معا اي 27357 كلم مربع لزرع الواح الطاقة الشمسية تستطيع ان تغطي جميع احتياج الولايات المتحدة الامريكية من الطاقة ومن جميع المصادر ولوقت طويل , ومساحة الولايات المتحدة الامريكية تقريبا 9629091 كلم مربع. تبلغ مساحة الجزائر ما يقارب الـ2,38 مليون كيلومتر مكعب، وهو ما يجعلها أكبر دولة إفريقية والعاشرة عالميا من حيث المساحة. تمثل الصحراء منها ما يقارب 80% من المساحة الإجمالية. علاوةً على ذلك، تمتلك البلاد إمكانات ضخمة في مجال الطاقة الشمسية، إذ أن إشراق الشمس في الأراضي الجزائرية يتجاوز2000 ساعة سنوياً ليصل إلى 3000 ساعة سنوياً، مما يجعلها خزاناً هائلاً للطاقة الشمسية، فهي تمثل أكبر حقل للطاقة الشمسية في حوض البحر الأبيض المتوسط. وإذا ما تم استغلالها، سيمكنها من إنتاج ما يفوق 169400 تيراواط/ساعة، أي ما يعادل 5000 مرة من الاستهلاك السنوي الوطني للكهرباء.

وتجدر الإشارة إلى أن الجزائر تنتج 98% من الكهرباء حالياً باستعمال الغاز الطبيعي. ويؤكد الخبراء أن الطاقة الشمسية التي تزخر بها الصحراء الجزائرية ستشكل مستقبل التنمية فيها ومن المنتظر أن تلقى إقبالاً استثمارياً كبيراً، بالنظر لزيادة الطلب عليها

إنشاء محطات للطاقة الشمسية يعتبر مكلف مقارنه مع الاخريات , لكنه على المدى البعيد له مردود كبير , الناس غالبا لا ترغب ان تدفع مقدما لأشياء حتى لو كان مردودها مفيد على المدى البعيد.

تخيل ان يطلب منك ان تدفع فواتير جوالك لعشر سنوات بثلاث ارباع السعر وبعد عشر سنوات يصبح مجاني . هذا ما تواجهه الطاقة الشمسية بالوقت الحالي تكلفة انشائها مرتفع مقارنه بمولد كهربائي مع ان المولد يحتاج صيانة ووقود وإصلاح اما أنظمة الطاقة الشمسية لا تحتاج الى صيانة كمثيلاتها والوقود مجاني، كما ان العمر الافتراضي لألواح الطاقة الشمسية هو 25 سنه هذا هو الضمان المصنعي مع انها تستمر لفتره أطول.

الأجزاء الرئيسية لأنظمة الطاقة الشمسية الكهربائية:

الواح الطاقة الشمسية ( Solar Panel ).

منظم التحكم بشحن البطاريات ( Charge Controller ).

محول الكهرباء من تيار مستمر الى تيار متردد ( Inverter ).

البطاريات ( Battery ).

ادوات تثبيت الالواح ( Panel Mounting System )

الواح أنظمة الطاقة الشمسية (Solar Power Panel):

الطاقة الشمسية الكهربائية بدأت عندما ظهرت الواح الطاقة الشمسية فهي أساس أنظمة الطاقة الشمسية

يوجد ثلاث أنواع رئيسية لألواح الطاقة الشمسية الكهربائية.

الواح مونو كرستلين (Monocrystalline).

الواح بولي كرستلين (Polycrystalline).

الواح مسحوق السيلكون الرقيقة (Thin Film Amorphous Silicon).

افضل هذه الأنواع هو مونو كرستلين (Monocrystalline) , وهي عباره عن شرائح سيلكونية تصمم بطريقه معقدة لهذا سعرها اعلى من الاخريات , ولها مقدره اكبر على تحمل الحرارة , كما ان فعاليتها اعلى تصل إلى 25% في المختبر عمرها الإفتراضي يصل إلى 25 سنة.

النوع الثاني بولي كرستلين (Polycrystalline) وهي اقل فعالية بشيء بسيط عن المونو كرستلين وصناعته اسهل بدون تقطيع لشرائح السيلكون بل اذابتها ودمجها لهذا يكون لها لون ازرق كرستالي وتصل كفائتها إلى %16.9 و عمرها الإفتراضي إلى 25 سنة.

النوع الثالث والأخير هو مايعرف بمسحوق السيلكون الرقيق (Thin Film Amorphous Silicon) , من مسماه هو عباره عن مسحوق كرستلين السيلكا يتم نشره على جميع الاجسام , وهو مرن يستخدم عند الحاجه الى الواح مرنه ويمكن رشه على الاسطح المختلفة , هو اقل الالواح فعالية وكفائه حيث تصل مردوديته إلى %12 وعمرها الإفتراضي أقل من سابقيها ويصل إلى 15 سنة.

هناك نوع اخر يوجد في مراكز الأبحاث الامريكية ويتعامل معه بسرية ويسمى ملتي جنكشن (Multi Junction) وهذا النوع متعدد الربط وليس كخلايا الألواح الأخرى رابط واحد، فعاليته تصل الى 47%وهذا الرقم كبير اكثر من ضعف ما هو موجود في الأسواق حاليا. والرسم البياني التالي يوضح فعالية الالواح منذ عام 1975 م , الخط البنفسجي هو مايعرف بملتي جنكشن بنل , اللون الأزرق والاخضر والاحمر هي الالواح الأخرى المتوفرة تجارياً.

منظمات الشحن (Charge Controller):

مهمة منظم الشحن الرئيسية هي التنظيم والتحكم بشحن البطاريات، فمن أكبر الأشياء التي تضر البطاريات وتنقص من عمرها الافتراضي او تسبب في تلفها هو اما بشحنها زيادة عن حدها الأعلى او انخفاض الشحن أدني من حدها الأدنى.

للمحافظة على البطاريات واعطائها الشحن المناسب في الوقت المناسب مع تنظيم وتحكم بشحنها من الضروري استخدام منظم الشحن (Charge Controller).

منظم الشحن في نظام الطاقة الشمسية الكهربائية يقع بين الألواح والبطاريات كما هو موضح بالشكل ادناه

بطاريات أنظمة الطاقة الشمسية (Solar Power Batteries):

البطاريات تستخدم لتخزين التيار الكهربائي المستمر (DC) ، بطاريات أنظمة الطاقة الشمسية تختلف عن البطاريات التي تستخدم للسيارات، هي بطاريات تسمى بطاريات الشحن العميق (Deep Cycle) وهذا يعني انها قابلة للشحن لفتره طويلة.

من المهم معرفة ان البطاريات هي لتخزين الطاقة الكهربائية الذي تنتجه الالواح اثناء النهار ومن ثم استخدامها لإعطاء الكهرباء اثناء غياب الشمس.

بطاريات أنظمة الطاقة الشمسية تحتاج الى عناية خاصة ويجب ان تبقى مشحونة طوال الوقت بما لا يقل عن 50% ، ان تخفيض نسبة شحنها الى اقل من هذه النسبة ينقص من عمرها الافتراضي، غالبا بطاريات الشحن العميق يصل عمرها الافتراضي من سبع الى عشر سنوات او أكثر إذا تم العناية بها اما في حالة تخفيض نسبة شحنها الى اقل من هذه النسبة باستمرار ربما يجعل البطاريات لا تستمر أكثر من سنه.

نظام الطاقة الشمسية يحتاج عدد من البطاريات يسمى بنك البطاريات، معرفة عدد البطاريات التي يحتاجه النظام له طريقة حساب بسيطة

تنقسم بطاريات أنظمة الطاقة الشمسية الى نوعين رئيسيين.

بطاريات اسيد الرصاص المغمورة (Flooded Lead Acid).

بطاريات اسيد الرصاص المغلقة (Sealed Lead Acid).

 محولات أنظمة الطاقة الشمسية (Solar Power Inverter):

من اهم مكونات أنظمة الطاقة الشمسية هو المحول فغالبا مقاس وفعالية النظام بأكمله يدور حول كفاءة وحجم المحول.

من الضروري اختيار المحول المناسب لنظام الطاقة الشمسية الكهربائية ذو الكفاءة والجودة العالية.

يوجد في الأسواق كثير من المحولات الرخيصة والرديئة والخطرة ذات فعالية منخفضة. إن معرفة ماهي المحولات وطرق عملها ومواصفاتها وانواعها ودرجات كفاءتها وجودة صناعتها مهم.

مهمة المحول الرئيسية في نظام الطاقة الشمسية الكهربائية هو تحويل التيار المستمر (DC) القادم من الالواح او البطاريات الى تيار متردد (AC) , ومن المعلوم ان اغلب الأدوات والأجهزة الكهربائية تعمل على التيار المتردد .

الشكل التالي يوضح الفارق بين موجات التيار المستمر والتيار المتردد.

 موقع المحول في نظام كهرباء الطاقة الشمسية هو ما بعد الالواح او البطاريات وذلك على حسب نوعية النظام المستخدم .

 أنظمة الطاقة الشمسية الكهربائية:

أنظمة الطاقة الشمسية الكهربائية تصمم بطرق مختلفة، يمكن حصرها بثلاث طرق رئيسية ، وهي كالتالي:

النظام المتصل بالشبكة ( Grid Tied System ).

النظام المنفصل عن الشبكة ( Off Grid ).

النظام الهجيني المتعدد ( Hybrid System ).

كل نظام له طرق ومواصفات مختلفة حتى الأجهزة المستخدمة ومنها الألواح تصمم مصنعيا ًلكي تعمل على أحد هذه الأنظمة. 

النظام المتصل بالشبكة ( Grid Tied System ).

هو النظام المتصل بشبكة الكهرباء الخارجية القادمة من شركة الكهرباء , هذا النظام يستخدم غالبا في المنازل التي ترغب بتخفيض فاتورة الكهرباء ويستخدم كثيرا في دول العالم بل هو النظام الأكثر استخداما وهو مفيد خصوصا ان شركة الكهرباء في كثير من الدول عندما ينتج المستخدم كهرباء اثناء النهار فوق حاجته يستطيع ان يبيع الفائض على شركة الكهرباء او ان عداد المنزل يدور بالسالب مما يسمح استخدام كهرباء الشبكة ليلاً بدون تكلفة .

يحتاج هذا النظام بالإضافة الى الالواح محولات (Inverter) من نوع خاص تسمح بتزامن الموجات الكهربائية القادمة من المحول والقادمة من الشبكة , كذلك الالواح غير مقيدة كالأنظمة التي تعمل بالبطاريات فبإمكانها ان تكون بقوه عالية لهذا يوجد محولات والواح مخصصة للعمل وفق هذا النظام.

كثير من شركات الكهرباء تفرض على مستخدمي هذا النظام ان يتم فصل التيار عن المنزل عندما تنقطع الكهرباء في الشبكة وذلك لسلامة عاملي صيانة الشبكة حتى لا يمر التيار القادم من المنازل الى أماكن الأعطال اثناء الصيانة. 

النظام المنفصل عن الشبكة ( Off Grid ).

هو النظام المنفصل عن شبكة الكهرباء الخارجية القادمة من شركة الكهرباء، هو نظام مستقل تماما عن الشبكة وهذا النظام هو أساس أنظمة الطاقة الشمسية او بمعنى اصح هو اول تصميم لأنظمة الطاقة الشمسية الكهربائية.

مكونات هذا النظام هي الالواح والبطاريات ومنظم الشحن والمحول، تقريبا جميع عناصر أنظمة الطاقة الشمسية متواجدة في هذا النظام , تكلفة هذا النظام هي الأعلى وذلك لتعدد عناصره خصوصا البطاريات ذات القدرات المحدودة والتكلفة العالية.

النظام الهجيني المتعدد ( Hybrid System ).

هذا النظام يستخدم طريقتين او أكثر من الطاقة المتجددة لتوليد الكهرباء بالإضافة الى الألواح يستخدم توربينات الهواء او توربينات المياه.

من أكثر الأنظمة فعالية إذا توفرت هذه العناصر وهذ النوع غالبا يستخدم بشكل ضخم وصناعي او من قبل شركات الكهرباء ويمكن ان يصمم مثله على شكل مصغر هذا النظام يتطلب مضاعفة منظمات الشحن وكذلك له محولات خاصة تعمل وفق هذا النظام.

الشكل التالي يوضح كيفية تصميم هذا النظام.

اتجاه الواح أنظمة الطاقة الشمسية:

اللواح الطاقة الشمسية لابد ان توجه الى زاوية واتجاه الشمس، دائما اتجاه الالواح في جميع الدول التي تقع شمال خط الاستواء جنوباً والجزائر تقع شمال خط الاستواء إذا اتجاه الالواح يكون جنوبا.

تبقى الزاوية وهي تختلف من مدينة الى أخرى وذلك على حسب موقع الشمس وهي تختلف من فصل الى فصل في الشتاء لها زاوية والصيف زاوية أخرى والخريف كذلك، ايضاً الزاوية السمتية وهي شروق وغروب الشمس من الشرق الى الغرب.

تتبع الشمس طوال الوقت غير عملي مع انه الأفضل لهذا غالبا يتم تثبيت الالواح جنوبا بزاوية معدل تحرك الشمس ونحن في الجزائر أفضل زاوية 45 درجة وهي المعدل بين الصيف والشتاء.

الشكل التالي يوضح حركة الشمس واختلاف زواياها وارتفاعها من فتره الى أخرى.