نظرة عامة على الأفكار الرئيسية الكامنة وراء مصادر الطاقة الكهروضوئية
الفرز المنهجي إلى مجموعات
هناك نوعان من أنظمة الخلايا الكهروضوئية: تلك التي تعمل دون أن تكون مرتبطة بالشبكة وتلك التي تكون مرتبطة بها.
1. يُعرف نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية المستقل أيضًا باسم خيار خارج الشبكة. يتكون النظام بشكل أساسي من وحدة خلية شمسية، ومحرك، وبطارية. يلزم تركيب محول تيار متردد لتشغيل الأحمال التي تعمل بالتيار المتردد. تشمل محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية المستقلة مجموعة من أنظمة الطاقة ذاتية الاكتفاء، مثل أنظمة الطاقة الشمسية المنزلية، وأنظمة الطاقة في القرى الريفية، وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المزودة ببطاريات تخزين. تعمل هذه الأنظمة بشكل مستقل وتُستخدم في العديد من التطبيقات، مثل تشغيل إشارات الاتصال، والحماية من التلف الناتج عن الكاثودات، وإنارة الشوارع بالطاقة الشمسية.
٢. يُحوّل خيار الطاقة المتصلة بالشبكة التيار المستمر المُنتج من الألواح الشمسية إلى تيار متردد يتوافق مع شبكة الكهرباء العامة في المدينة، مما يسمح بالاتصال المباشر بها. تُعرف هذه الوحدات باسم "الوحدات المتصلة بالشبكة"، وقد تحتوي على بطاريات أو لا. يُمكن برمجة نظام الطاقة المتصل بالشبكة والمزود ببطاريات بسهولة للاتصال بالشبكة أو فصلها عنها حسب الحاجة. عادةً ما تحتوي أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المنزلية المتصلة بالشبكة على بطاريات. أما الأنظمة الأكبر حجمًا، فعادةً ما تحتوي على أنظمة كهروضوئية متصلة بالشبكة بدون بطاريات، ولا يُمكن جدولة تشغيلها، كما أنها لا تحتوي على طاقة احتياطية. تُستخدم محطات الطاقة الكهروضوئية الكبيرة المتصلة بالشبكة الوطنية لتوليد الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة. تنتقل الطاقة من هذه المحطات مباشرةً إلى المنازل والشركات عبر الشبكة. مع ذلك، فإن الاستثمار في هذا النوع من محطات الطاقة مكلف للغاية، ويستغرق وقتًا طويلاً للبناء، ويشغل مساحة كبيرة، ولم يشهد تقدمًا يُذكر في الآونة الأخيرة. معظم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المتصلة بالشبكة هي أنظمة صغيرة الحجم ومنتشرة، مثل الألواح الشمسية المدمجة في المباني. ويعود ذلك إلى أنها لا تتطلب تكلفة كبيرة للبناء، ويمكن إنجازها بسرعة، ولا تترك أثراً يُذكر، كما أنها تحظى بدعم سياسي قوي.
أجزاء من الأجهزة
يتضمن نظام الطاقة الكهروضوئية مجموعة من الألواح الشمسية، وبطارية تخزين، وجهاز تحكم في الشحن والتفريغ، ومحول تيار متردد، وصندوق توزيع تيار متردد، ونظام تحكم في تتبع الشمس، وأجزاء مهمة أخرى.
تعمل بعض الأدوات بهذه الطريقة:
جهاز يعمل بالطاقة الشمسية
يؤدي الضوء، كضوء الشمس أو مصادر الضوء الأخرى، إلى امتصاص الخلية للطاقة وتكوين شحنة كهربائية غير منتظمة على طرفيها. يُعرف هذا التأثير باسم "الجهد الضوئي المتولد". ويُطلق عليه أيضًا اسم التأثير الكهروضوئي. ولكي يتحول الضوء إلى كهرباء، يجب أن تتواجد قوة دافعة كهربائية بين طرفي الخلية الشمسية. يُعرف هذا التأثير باسم التأثير الشمسي. تُسهّل الخلايا الشمسية تحويل الطاقة إلى أشكال أخرى. تتكون الخلايا الشمسية من ثلاثة أنواع مختلفة من خلايا السيليكون: خلايا السيليكون غير المتبلور، وخلايا السيليكون متعدد التبلور، وخلايا السيليكون أحادي التبلور.
بطارية تخزن الطاقة
عند تشغيل مصفوفة الخلايا الشمسية، يمكن لنموذج الطاقة تخزين الطاقة المنتجة وإرسالها إلى الأحمال في أي وقت من اليوم. ولكي تُنتج الخلايا الشمسية الطاقة، يجب أن تكون رخيصة الثمن، وتدوم طويلًا، وتتحمل التفريغ العالي بكفاءة، وتُشحن بسرعة، ولا تحتاج إلى صيانة تُذكر. كما يجب أن تكون قادرة على العمل في نطاق واسع من درجات الحرارة.
أدوات التحكم في الشحن والتفريغ
بدون أي تدخل منك، يمكن لهذه الأداة منع البطاريات من الشحن أو التفريغ بسرعة كبيرة. يحدد عدد مرات تفريغ البطارية وعمق التفريغ مدة عمرها. لهذا السبب، من المهم جدًا امتلاك جهاز مراقبة الشحن والتفريغ الذي يمنع تراكم الطاقة الزائدة أو الناقصة في البطارية.
التيار المتردد هو عكس التيار المستمر، ويقوم المولد بتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد.
جهاز يحول التيار المستمر إلى تيار متردد. الحمل يعمل بتيار متردد، بينما الخلايا الشمسية والبطاريات تعمل بتيار مستمر، لذا يلزم وجود مفتاح تحويل. بناءً على طريقة عملها، يمكن تقسيم العاكس إلى نوعين: عاكس شمسي يعمل بشكل مستقل، وآخر متصل بشبكة الكهرباء. إذا كنت تستخدم الخلايا الشمسية فقط لتوليد الكهرباء، يمكنك تشغيل حمل آخر باستخدام مولد مستقل. أما المحول الشمسي المتصل بشبكة الكهرباء فهو ما يجعل نظام الطاقة الشمسية يعمل مع الشبكة. يتوفر العاكس بنوعين: عاكس الموجة الجيبية وعاكس الموجة المربعة. من السهل وغير المكلف تصميم دائرة محول الموجة المربعة، لكنها تحتوي على مكون توافقي كبير. عادةً ما تُستخدم هذه الدائرة لتلبية احتياجات توافقية لا تتجاوز بضع مئات من الواط. أما عاكس الموجة الجيبية فهو مكلف، لكنه قادر على تشغيل العديد من التطبيقات المختلفة.
أداة تتحكم في تتبع الشمس
تتغير زاوية ضوء الشمس على مدار العام مع شروقها وغروبها في فصول الربيع والصيف والخريف والشتاء. ويعود ذلك إلى ثبات مواقع الأنظمة الشمسية. ولضمان عملها الأمثل، يجب أن تكون الخلايا الشمسية مواجهة للشمس دائمًا. حاليًا، يعتمد جهاز تتبع الشمس على خطوط الطول والعرض لتحديد زاوية الشمس في مختلف فصول السنة. يقوم برنامج الحاسوب، أو وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، أو المتحكم الدقيق، أو أي برنامج حاسوبي آخر، بتحديد موقع الشمس بدقة طوال العام. ويتم ذلك من خلال حساب موقع الشمس لتتبعها. تعتمد هذه التقنية على بيانات الحاسوب، وتتطلب بيانات خطوط الطول والعرض للأرض وإعداداتها. بعد إعداد النظام، يصعب نقله أو تفكيكه؛ إذ يجب إعادة ضبط البيانات والمعايير في كل مرة. تُعد المبادئ والدوائر والتكنولوجيا والمعدات معقدة، ويصعب على غير المتخصصين تغييرها بسهولة. يمكن تركيب أجهزة تتبع الشمس الذكية على السيارات والقطارات السريعة، وكذلك على السفن والقوات البحرية ومركبات الاتصالات والطوارئ ومركبات العمليات الخاصة. يمكن لجهاز تتبع الشمس الذكي أن يضمن بقاء النظام على المسار الصحيح مع الشمس بغض النظر عن مكان ذهابها أو كيفية دورانها.
ما يمكنك فعله بالطاقة الشمسية
تعتمد تقنية توليد الطاقة الكهروضوئية (PV) على التأثير الكهروضوئي الناتج عن تفاعل أشباه الموصلات، حيث يتم تحويل الضوء إلى كهرباء. وتُعد الخلية الشمسية المكون الأساسي لهذه التقنية. يمكن تصنيع وحدات شمسية واسعة المساحة عن طريق وضع الخلايا الشمسية في صف واحد وحمايتها. بعد ذلك، تُجمع هذه الوحدات مع وحدات تحكم الطاقة ومكونات أخرى لتكوين جهاز توليد الطاقة الكهروضوئية. تتميز تقنية الطاقة الكهروضوئية بإمكانية استخدامها في أماكن متعددة نظرًا لسطوع الشمس في كل مكان. ومن مزاياها الأخرى أنها آمنة وموثوقة، ولا تُصدر ضوضاء أو تلوثًا، ولا تستهلك وقودًا، كما يمكن مدّ خطوط الكابلات في الموقع، مما يُسرّع عملية البناء. تستخدم الطاقة الكهروضوئية الخلايا الشمسية لتحويل ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء، استنادًا إلى مبدأ التأثير الكهروضوئي. يتكون نظام الطاقة الكهروضوئية في الغالب من ألواح شمسية (تُسمى أيضًا وحدات)، ووحدات تحكم، ومحولات. ويمكن استخدامه بشكل مستقل أو ربطه بشبكة الكهرباء. نظراً لأن معظم هذه الأجزاء كهربائية وليست ميكانيكية، فإن معدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية مصنوعة بشكل جيد للغاية، وموثوقة، وتدوم طويلاً، وسهلة التركيب والصيانة. يمكن استخدام تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية في أي شيء، من تشغيل المركبات الفضائية إلى المنازل، ومن الألعاب إلى محطات الطاقة ذات القدرة الإنتاجية بالميغاواط، وغير ذلك الكثير.
تُعدّ الخلايا الشمسية، التي تأتي على شكل رقائق مثل السيليكون أحادي البلورة، والسيليكون متعدد البلورات، والسيليكون غير المتبلور، والخلايا الرقيقة، المكونات الأساسية لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. وحاليًا، تُعتبر بطاريات السيليكون أحادي البلورة ومتعدد البلورات أكثر أنواع البطاريات غير المتبلورة شيوعًا في الأنظمة الصغيرة وتوفير الطاقة الاحتياطية لأجهزة الكمبيوتر.
