لقد توقفت الطاقة الشمسية عن كونها وعدًا للمستقبل وأصبحت حلاً للطاقة في الحاضر والواقع. بفضل الجهود المبذولة لتحقيق الاستدامة والتحسينات التكنولوجية، يختار عدد متزايد من المنازل والشركات تركيب أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية لتقليل استهلاكها للطاقة. أجراس كهربائية و البصمة البيئية.
ولكن للاستفادة القصوى من هذا المصدر للطاقة النظيفة، من الضروري فهم مكونات النظام الشمسي وكيف يعمل كل منها. من الألواح الشمسية المرئية على الأسطح إلى المستثمرين, بطاريات, أنظمة التركيب وعلاوة على ذلك، يلعب كل واحد منهم دورًا استراتيجيًا داخل منشأة فعالة.
ما هو نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية؟
النظام الشمسي الكهروضوئي هو عبارة عن مجموعة من المكونات المصممة لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء قابلة للاستخدام.، سواء للاستخدام المنزلي أو الصناعي أو التجاري. يتكون قلبه من الألواح الشمسية، على الرغم من أن النظام الكامل يتضمن أجزاء أخرى لا تقل أهمية عن تشغيله، مثل المنظمين, المستثمرين, الهياكل وفي بعض الحالات ، بطاريات.
هناك نوعان رئيسيان من أنظمة الطاقة الشمسية: الأنظمة المتصلة بالشبكة (الاستهلاك الذاتي) والأنظمة المعزولة (خارج الشبكة). يسعى كلاهما إلى تسخير طاقة الشمس، لكنهما يفعلان ذلك بطريقة مختلفة اعتمادًا على ما إذا كانا مرتبطين بالشمس أم لا. الشبكة الكهربائية التقليدية.
المكونات الأساسية للنظام الشمسي
يتكون تركيب الطاقة الشمسية الكهروضوئية من سلسلة من العناصر التي تعمل معًا لالتقاط وتخزين وتوزيع الطاقة الشمسية وتحويلها إلى كهرباء. وفيما يلي، نقوم بتحليل كل واحدة منها بعمق.
1. الألواح الشمسية
الألواح الشمسية مسؤولة عن التقاط الإشعاع الشمسي وتحويله إلى كهرباء. يتم تشكيلها من خلال مصفوفة من الخلايا الضوئية هذا العمل بفضل تأثير ضوئي، وهي ظاهرة فيزيائية تسمح لبعض المواد شبه الموصلة بتوليد تيار كهربائي عند تعرضها للضوء.
المواد الأكثر شيوعا المستخدمة في صنع هذه الخلايا هي السيليكون أحادي البلورة، والسيليكون متعدد البلورات، والسيليكون غير المتبلور. هناك أيضًا تقنيات متقدمة مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) و تيلورايد الكادميوم (CdTe).
الخلايا هي مرتبة في وحدات مغلفة ومحمية بعدة طبقات (كما سنرى لاحقًا)، مما يجعلها العنصر الأكثر تعرضًا للخطر ولكن أيضًا الأكثر وضوحًا في النظام.
2. منظم الشحن
يعمل جهاز التحكم في الشحن كوسيط بين الألواح الشمسية والبطاريات. وظيفتها الرئيسية هي منع بطاريات من الإفراط في الشحن أو الإفراط في التفريغ، مما يسمح لك بتعظيم مدة الصلاحية وتأمين أ عملية موثوقة من النظام. للحصول على الأداء الأمثل، يمكنك استشارة دليل فني لتركيب الألواح الشمسية.
هناك نوعان من الجهات التنظيمية:
- PWM (تعديل عرض النبض):أكثر اقتصادا، ومثالية للأنظمة الصغيرة، على الرغم من أنها أقل كفاءة في إدارة الطاقة.
- MPPT (الحد الأقصى لتتبع نقطة الطاقة): فهي تسمح لك بالاستفادة القصوى من الطاقة التي تولدها الألواح، وتكييف تشغيلها لتحقيق نقطة الطاقة القصوى.
التوصية المعتادة: استخدم منظمات MPPT للتركيبات التي تزيد عن 500 واط وبالتالي ضمان الأداء الأمثل.
3. المستثمر
يقوم محول الطاقة الشمسية بتحويل التيار المستمر (DC) الذي تولدها الألواح ويتم تخزينه في البطاريات إلى تيار متناوب (AC)، وهو ما نستخدمه في المنزل في المنافذ الشائعة. في الأنظمة المتصلة بالشبكة، يقوم العاكس أيضًا بمزامنة التيار الناتج مع الشبكة الكهربائية، وفي الأنظمة المعزولة يمكن أن يتضمن وظائف إضافية مثل إدارة استخدام مولدات احتياطية أو السيطرة على النظام بأكمله.
حتى أن بعض العاكسات الحديثة تسمح مراقبة الاستهلاك و توليد الطاقة المتنقلةوبالتالي تحسين استخدام الطاقة المنتجة. بالإضافة إلى ذلك، فمن المستحسن مراجعة مزايا الألواح الشمسية الدوارة والتي يمكن أن تعمل على تحسين كفاءة منشأتك.
4. البطاريات الشمسية
تعتبر البطاريات ضرورية في المنشآت المعزولة، لأنها تسمح بتخزين الكهرباء المولدة للاستخدام عندما لا يكون هناك ضوء شمس (في الليل أو في الأيام الغائمة). في الأنظمة المتصلة بالشبكة، يعد استخدام التخزين اختياريًا، ولكنه شائع بشكل متزايد في المنشآت التي تسعى استقلال الطاقة.
أنواع البطاريات الأكثر استخدامًا:
- حمض الرصاص (AGM أو الجل):اقتصادية، على الرغم من عمرها الافتراضي وكفاءةها الأقصر.
- Litio: أكثر تكلفة ولكن أيضًا أكثر متانة وكفاءة وأخف وزنًا وسعة تفريغ أكبر.
اكتسبت بطاريات الليثيوم أهمية كبيرة في السنوات الأخيرة بسبب أدائها وسهولة مراقبتها ومتطلبات صيانتها المنخفضة. لمزيد من المعلومات حول استخدامه، يمكنك الرجوع إلى جوانب صيانة الألواح الشمسية.
5. هيكل الدعم
لكي تقوم الألواح الشمسية بوظيفتها بشكل صحيح، يجب تثبيتها على هيكل يحافظ على ثباتها وبالزاوية المناسبة. يمكن تركيب هذه الهياكل في:
- الأسقف: مع أنظمة مستوية، مع بنية زاوية أو مرجحة.
- تربة:مثالية لمزارع الطاقة الشمسية أو المنشآت الكبيرة.
التوجه الصحيح (نحو الجنوب في إسبانيا) والزاوية المناسبة يزيدان من التقاط الطاقة الشمسية و أداء النظام. لمعرفة المزيد عن التثبيت الصحيح، راجع دليل تركيب الألواح الشمسية.
6. الحماية الكهربائية والأسلاكية
على الرغم من أنه قد لا يتم ملاحظتها، فإن الكابلات وأنظمة الحماية ضرورية للأداء السليم وسلامة تركيب الطاقة الكهروضوئية. إنها عناصر يجب أن تتحمل الظروف البيئية القاسية، لذا من المهم أن يتم اعتمادها خصيصًا لاستخدام الطاقة الشمسيةوبالتالي ضمان المتانة الطويلة والمقاومة الكهربائية المنخفضة. لمزيد من التفاصيل حول الأمان، يوصى بمراجعة تكاليف وأداء أنظمة الألواح الشمسية.
بالإضافة إلى ذلك، وشملت الحماية مثل الصمامات وقواطع الدائرة وأنظمة التأريض لتجنب التحميل الزائد والدوائر القصيرة والصدمات الكهربائية.
7. صندوق الوصلات
صندوق الوصلات هو النقطة التي تلتقي فيها جميع الكابلات من الوحدات الكهروضوئية ومن حيث يبدأ الاتصال ببقية النظام. يقع على الجزء الخلفي من كل لوحة ويتم تصميمه عادة لتحمل الظروف البيئية المعاكسة. بعضها يشمل حتى ثنائيات الحجب أو التجاوز لمنع فقدان الطاقة عند تظليل جزء من اللوحة.
8. مولد مساعد (اختياري)
في التركيبات المعزولة، يمكن إضافة مولد احتياطي، خاصة في المواقع التي تحدث فيها ظروف غير مواتية لعدة أيام متتالية. يمكن تنشيط هذا المولد تلقائيًا عندما تكون البطاريات منخفضة ولا يتلقى النظام ما يكفي من الإشعاع الشمسي لتشغيل نفسه. في هذه الحالات، قد يكون من المفيد النظر في الألواح الشمسية المحمولة لحالات الطوارئ.
أجزاء مفصلة من اللوحة الشمسية
تم تصميم الألواح الشمسية لتتحمل جميع أنواع الظروف الجوية وتؤدي وظيفتها لعقود من الزمن. ولتحقيق ذلك، فهي تتألف من طبقات متعددة، كل منها لها وظيفة محددة:
- زجاج صلب: الطبقة الأولى تحمي من الصدمات وتسمح بمرور الإشعاع الشمسي دون أي خسارة تقريبًا.
- مادة تغليف EVA (أسيتات فينيل الإيثيل): يمتص الضغوط الحرارية ويحمي الخلايا من الرطوبة والعناصر الأخرى.
- الخلايا الشمسية: وهي التي تقوم بتحويل الضوء إلى كهرباء.
- طبقة أخرى من تغليف EVA: مشابهة للسابقة، على الجانب الخلفي للخلايا.
- الخلفية: يتم تصنيعها عادة من البوليمرات مثل PET أو TPT. يعزل ويحمي من العناصر.
- إطار من الألومنيوم: ويعطي صلابة هيكلية للوحة، ويسهل التجميع ويحمي حواف الزجاج.
- صندوق الوصلات: يربط الخلايا ببقية النظام وقد يتضمن حماية إضافية.
يساهم هذا التصميم الطبقي في تحسين أداء ومتانة وسلامة الوحدات الكهروضوئية.
تصنيع الألواح الشمسية
إن عملية تصنيع الألواح الشمسية عملية تقنية للغاية وتتطلب سلسلة من الخطوات لضمان جودة المنتج النهائي وكفاءته.
1. إنتاج السيليكون
يبدأ كل شيء بتنقية السيليكون، الذي يخضع لعمليات الصهر ليصبح سبائك. يتم تقطيع هذه السبائك إلى صفائح رقيقة تسمى الرقائق.
2. تنشيط الرقائق
يتم إضافة الشوائب الكيميائية مثل الفوسفور والبورون إلى الرقائق لتغيير موصليتها والسماح بإنشاء مجال كهربائي (وصلة pn).
3. إنشاء الخلايا الشمسية
يتم طلاء الرقائق المخدرة بمواد مضادة للانعكاس ونقشها بأنماط لتحسين التقاط الضوء. لمزيد من المعلومات حول تطور هذه التقنيات، يمكنك استشارة التطور التاريخي للألواح الشمسية.
4. التجميع
يتم ربط الخلايا على التوالي بواسطة شريط موصل، وتشكيل خيوط. يتم تغليف هذه السلاسل بين طبقات من مادة EVA والزجاج والورقة الخلفية.
5. الإطار وصندوق الوصلات
يتم تثبيت الوحدة على إطار من الألومنيوم ويتم إضافة صندوق توصيل لتسهيل عملية التوصيل.
6. ضوابط الجودة
يتم اختبار كل لوحة من حيث الأداء والمقاومة والتعرض للظروف القاسية والمسح البصري الذي يضمن عدم وجود الشقوق أو العيوب.
وبفضل هذا، يمكن للألواح الحالية الحفاظ على كفاءتها لمدة تتراوح بين 25 إلى 30 عامًا أو أكثر.
الاختلافات بين الأنظمة المعزولة والمتصلة بالشبكة
عند اختيار تركيب الطاقة الشمسية، فإن إحدى أكبر المعضلات هي ما إذا كان يجب اختيار نظام معزول (خارج الشبكة) أو نظام متصل بالشبكة (الاستهلاك الذاتي). دعونا نلقي نظرة على الاختلافات الرئيسية بينهما:
- الاستهلاك الذاتي: ينتج الطاقة للمنزل ويستخدم الشبكة كنسخة احتياطية. يمكنك بيع الفائض ولا تحتاج بالضرورة إلى بطاريات.
- معزول: لا يعتمد على الشبكة الكهربائية، بل يتطلب بطاريات ومولدًا كهربائيًا (اختياريًا). مثالي للمناطق التي لا تتوفر فيها إمكانية الوصول إلى الشبكة.
يتمتع كلا النظامين بمزاياهما، ولكن الاستهلاك الذاتي أكثر شيوعًا في المناطق الحضرية، في حين تُستخدم الأنظمة غير المتصلة بالشبكة غالبًا في المناطق النائية.
بوضوح تسمح الطاقة الشمسية للمستخدمين والشركات بالتوفير وزيادة الاستقلالية وتقليل تأثيرهم البيئي. من خلال فهم كل جزء من النظام بشكل شامل، يمكنك اتخاذ قرارات أفضل عند تثبيت أو صيانة نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الفعال وطويل الأمد.