الواح الطاقة الشمسية اتجاه متنامي منذ عقود

الواح الطاقة الشمسية هي اتجاه متنامي منذ عقود، حيث يختار عدد متزايد من البشر الاستعانة بها في حياتهم اليومية، لتوليد الطاقة اللازمة، ومن نقاط قوة الطاقة الشمسية أنها ذاتية التوليد ويمكن استخدامها في أي مكان، وذلك بخلاف أنواع الطاقة المتجددة الأخرى.

وتتوفر أنواع مختلفة من ألواح الطاقة الشمسية مثل الألواح أحادية البلورة، التي تعتبر خيارًا ممتازًا للمنازل والشركات التي تحتاج إلى كفاءة عالية وأداء أفضل، وعلى الرغم من أنها أغلى من الألواح متعددة البلورة، إلا أنها تدوم لفترة أطول وتوفر مساحة أكبر، بينما تُعد الألواح الشمسية متعددة البلورة خيارًا جيدًا للميزانيات المحدودة، حيث أنها توفر كفاءة جيدة بسعر رخيص.

وتشهد تقنية الألواح الشمسية من الأغشية الرقيقة تطورات سريعة، مما يُبشر بزيادة كفاءتها وخفض تكلفتها، ما قد يجعلها الخيار المفضل لتوليد الطاقة الشمسية في المستقبل، وتختلف كفاءة وخصائص كل نوع من أنواع الألواح الشمسية من الأغشية الرقيقة، لذا يجب اختيار النوع المناسب لاحتياجاتك.

 ما هي الواح الطاقة الشمسية؟

الألواح الشمسية، أحد مكونات النظام الكهروضوئي الذي يتكون من سلسلة من الخلايا الكهروضوئية مرتبة لتوليد الكهرباء باستخدام ضوء الشمس، وحسب الموسوعة البريطانية فإن المكون الرئيسي للوح الشمسي هو الخلية الشمسية، التي تحول طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. الشكل الأكثر شيوعًا للألواح الشمسية يشمل الخلايا الشمسية البلورية من نوع السيليكون.

يتم تشكيل هذه الخلايا الشمسية باستخدام طبقات من عنصر السيليكون وعناصر مثل الفوسفور والبورون. تشكل العناصر المضافة إلى طبقات السيليكون طبقة بها فائض من الإلكترونات، وطبقة بها عجز في الإلكترونات. 

عندما يضرب ضوء الشمس خلية شمسية يتحرر إلكترون بواسطة التأثير الكهروضوئي، ويمتلك شبه الموصلين المختلفين اختلافًا طبيعيًا في الجهد الكهربائي مما يتسبب في تدفق الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية ويوفر الطاقة للحمل، وينشأ تدفق الكهرباء من خصائص أشباه الموصلات ويتم تغذيته بالكامل بواسطة الضوء الذي يضرب الخلية.

عندما يسقط الضوء على خلية شمسية، يتم إثارة الإلكترونات من حالة أرضية منخفضة الطاقة، حيث ترتبط بذرات معينة في المادة الصلبة، إلى حالة إثارة أعلى، حيث يمكنها التحرك عبر المادة الصلبة. في غياب الطبقات المكونة للوصلات، تكون هذه الإلكترونات الحرة في حركة عشوائية، وبالتالي لا يمكن أن يكون هناك تيار مباشر موجه. ومع ذلك، فإن إضافة طبقات تشكيل الوصلات يؤدي إلى توليد مجال كهربائي مدمج ينتج التأثير الكهروضوئي، ويعطي المجال الكهربائي حركة جماعية للإلكترونات التي تتدفق عبر طبقات الاتصال الكهربائية إلى دائرة خارجية.

تصميم الخلية الشمسية:

تبلغ مساحة معظم الخلايا الشمسية بضعة سنتيمترات مربعة، وهي محمية من البيئة بطبقة رقيقة من الزجاج أو البلاستيك الشفاف، ونظرًا لأن الخلية الشمسية النموذجية مقاس 10 × 10 سم تولد حوالي 2 واط فقط من الطاقة الكهربائية، أي 15 إلى 20 بالمائة من طاقة الضوء الساقط على سطحها، يتم عادةً دمج الخلايا في سلسلة لتعزيز الطاقة الكهربائية.

تتكون وحدة الطاقة الشمسية أو الخلايا الكهروضوئية بشكل عام من 36 خلية مترابطة مغلفة بالزجاج داخل إطار من الألومنيوم، وفي المقابل قد يتم توصيل واحدة أو أكثر من هذه الوحدات وتأطيرها معًا لتكوين لوحة شمسية.

تعتبر الألواح الشمسية أقل كفاءة قليلاً في تحويل الطاقة لكل مساحة سطحية من الخلايا الفردية، وذلك بسبب المناطق غير النشطة التي لا مفر منها في التجميع والاختلافات في الأداء من خلية إلى أخرى، تم تجهيز الجزء الخلفي من كل لوحة شمسية بمقابس موحدة بحيث يمكن دمج مخرجاتها مع الألواح الشمسية الأخرى لتشكيل مجموعة شمسية. 

أنواع أنظمة الواح الطاقة الشمسية 

1. الواح الطاقة الشمسية أحادية البلورة

 هي نوع من الألواح الشمسية التي تتكون خلاياها من شرائح رقيقة من السيليكون أحادي البلورة. تتميز هذه الشرائح بنقاوة عالية وتركيب بلوري منتظم، مما يمنحها كفاءة عالية في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.

مميزات الواح الطاقة الشمسية أحادية البلورة:

• تصل كفاءة الألواح أحادية البلورة إلى 20%، بينما تصل كفاءة الألواح متعددة البلورة إلى 16%.
• تنتج نفس كمية الطاقة على مساحة أقل من الألواح متعددة البلورة.
• تدوم الألواح أحادية البلورة لفترة أطول من الألواح متعددة البلورة، حيث تصل مدة عملها إلى 30 سنة.
• تعمل بشكل أفضل في الأيام الغائمة أو في الظل الجزئي.
• تتميز بمظهر أسود أنيق.

عيوبها:

• أغلى من الألواح متعددة البلورة.
• أكثر عرضة للكسر والتلف.

استخداماتها:

• مناسبة للمنازل التي تتوفر فيها مساحة محدودة على السطح.
• مناسبة للشركات التي تحتاج إلى كمية كبيرة من الطاقة الشمسية.
• مناسبة للمشاريع الكبيرة مثل محطات الطاقة الشمسية.

2. الواح الطاقة الشمسية متعددة البلورة

تُعرف أيضًا باسم الألواح متعددة البلورات، وهي نوع من الألواح الشمسية مصنوعة من رقائق سيليكون متعددة البلورات، تتميز هذه الألواح بمظهرها المميز، حيث تحتوي على مربعات غير مقطوعة الزوايا، وتكون عادةً باللون الأزرق.

مميزات الواح الطاقة الشمسية متعددة البلورة:

• يتم تصنيعها من ذوبان السيليكون الخام، مما يجعلها أرخص من الألواح الشمسية أحادية البلورة.
• تبلغ كفاءة الألواح الشمسية متعددة البلورة حوالي 15-16٪، وهي كفاءة جيدة مقارنةً بأنواع أخرى من الألواح الشمسية.
• يمكن أن تدوم الألواح الشمسية متعددة البلورة لمدة 25 سنة أو أكثر.
• تتميز بمقاومة عالية للعوامل الجوية مثل الحرارة والرطوبة.

عيوبها:

• تكون كفاءتها أقل من كفاءة الألواح الشمسية أحادية البلورة، التي تصل إلى 20-22٪.
• تتطلب مساحة أكبر من الألواح الشمسية أحادية البلورة لإنتاج نفس كمية الطاقة.
• قد لا يكون مظهرها مرغوبًا للبعض.

3. الواح الطاقة الشمسية من الأغشية الرقيقة

هي الجيل الثاني من الألواح الشمسية، تصنع بترسيب طبقة واحدة أو أكثر من مواد امتصاص الفوتون الكهروضوئي على ركائز مثل الزجاج أو البلاستيك أو المعدن. سمك هذه الطبقة يتراوح بين بضعة نانومترات إلى ميكرومتر، مما يجعلها أخف وزنًا وأكثر مرونة من الألواح الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون البلوري.

مميزات الواح الطاقة الشمسية من الأغشية الرقيقة: 

• قابلية الثني تجعلها مناسبة للاستخدام على أسطح منحنية أو غير منتظمة.
• وزنها الخفيف يسهل عملية التركيب والنقل.
• بعض أنواعها مثل CIGS تُظهر كفاءة قريبة من كفاءة الألواح الشمسية التقليدية.
• تصنيعها أرخص من تصنيع الألواح الشمسية التقليدية.
• تتوفر بألوان مختلفة لدمجها مع ديكور المباني.

عيوبها:

عمر افتراضي أقصر، قد تقل كفاءتها مع مرور الوقت.

استخدام مواد نادرة، بعض أنواعها تعتمد على مواد نادرة مثل الإنديوم، مما يرفع من تكلفتها.

حساسية الرطوبة، قد تتأثر كفاءتها بارتفاع الرطوبة.

أنواعها:

تيلورايد الكادميوم: أكثرها شيوعًا، تمثل 50% من سوق الألواح ذات الأغشية الرقيقة.

سيلينيد الإنديوم الغاليوم النحاسي: يتميز بكفاءة عالية، لكنها باهظة الثمن.

السيليكون غير المتبلور: رخيصة الثمن، لكن كفاءتها منخفضة.

زرنيخيد الغاليوم : تتميز بكفاءة عالية، لكنها سامة.

أنواع أنظمة الواح الطاقة الشمسية حسب الشبكة

قد يتكون النظام الكهروضوئي الكامل من العديد من الألواح الشمسية، ونظام طاقة لاستيعاب الأحمال الكهربائية المختلفة، ودائرة خارجية، وبطاريات تخزين. يمكن تصنيف الأنظمة الكهروضوئية على نطاق واسع إما كأنظمة مستقلة أو متصلة بالشبكة.

1. الأنظمة المستقلة

تحتوي الأنظمة المستقلة على مصفوفة شمسية وبنك من البطاريات يتم توصيلها مباشرة بدائرة تطبيق أو تحميل، ويعد نظام البطارية ضروريًا للتعويض عن غياب أي خرج كهربائي من الخلايا ليلاً أو في الظروف الملبدة بالغيوم؛ وهذا يضيف إلى حد كبير إلى التكلفة الإجمالية، تقوم كل بطارية بتخزين كهرباء التيار المباشر (DC) بجهد ثابت تحدده مواصفات اللوحة، على الرغم من أن متطلبات الحمل قد تختلف.

تُستخدم محولات التيار المستمر إلى “التيار المستمر” DC- to- DC لتوفير مستويات الجهد التي تتطلبها أحمال التيار المستمر، كما توفر محولات التيار المستمر إلى التيار المتردد الطاقة لأحمال التيار المتردد. تعتبر الأنظمة المستقلة مناسبة بشكل مثالي للتركيبات عن بعد حيث يكون الاتصال بمحطة طاقة مركزية باهظ التكلفة، وتشمل الأمثلة ضخ المياه من الآبار، وتوفير الطاقة الكهربائية للمنارات ومحطات إعادة الإرسال للاتصالات السلكية واللاسلكية والمساكن الجبلية والموجودة في مناطق معزولة.

مميزات أنظمة الطاقة الشمسية المستقلة عن الشبكة:

• لا ترتبط هذه الأنظمة بشبكة الكهرباء العامة.
• تُستخدم الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء التي يتم تخزينها في بطاريات.
• تُستخدم هذه الأنظمة في المناطق التي لا تتوفر فيها شبكة كهرباء عامة.
• خيار مناسب للمنازل التي تُريد الاعتماد على الطاقة الشمسية كمصدر رئيسي للكهرباء.

2. الأنظمة المتصلة بالشبكة

تقوم هذه الأنظمة بدمج المصفوفات الشمسية مع شبكات كهرباء المرافق العامة بطريقتين.

أنظمة أحادية الاتجاه:

تستخدم لتكملة شبكات الطاقة أثناء ذروة استخدام منتصف النهار.

أنظمة ثنائية الاتجاه:

 يتم استخدامها من قبل الشركات والأفراد لتوفير بعض أو كل احتياجاتهم من الطاقة، مع إعادة أي طاقة زائدة إلى شبكة كهرباء المرافق.

مزايا وعيوب الأنظمة المتصلة بالشبكة:

• تتميز الأنظمة المتصلة بالشبكة بعدم الحاجة إلى بطاريات تخزين، ومع ذلك فإن التخفيض المقابل في تكاليف رأس المال والصيانة يقابله التعقيد المتزايد للنظام.
• هناك حاجة إلى محولات ومعدات حماية إضافية لربط مخرجات التيار المستمر ذات الجهد المنخفض من المجموعة الشمسية بشبكة طاقة تيار متردد عالية الجهد، كما تعد هياكل الأسعار للقياس العكسي ضرورية عندما تقوم أنظمة الطاقة الشمسية السكنية والصناعية بتغذية الطاقة مرة أخرى إلى شبكة المرافق.
• ترتبط هذه الأنظمة بشبكة الكهرباء العامة.
• تُستخدم الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء التي يتم إرسالها إلى الشبكة.
• يمكن لأصحاب المنازل استخدام الكهرباء من الشبكة أو من نظام الطاقة الشمسية، أو من كليهما معاً.
• تُعد أنظمة الطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة خيارًا مناسبًا للمنازل التي تُريد تقليل فواتير الكهرباء دون الحاجة إلى تخزين الطاقة.

 فوائد الواح الطاقة الشمسية

 الطاقة المتجددة بصفة عامة متفق على فوائدها البيئية والاقتصادية، ولكن الخصائص الفريدة للطاقة الشمسية التي تميزها عن مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، مثل طاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الكهرومائية على النحو التالي.

1. مصدر لا ينضب 

إلى ما شاء الله تظل الشمس مصدرًا غير قابل للتغيير ولا ينضب للطاقة، يومًا بعد يوم، وعامًا بعد عام، ستكون موجودة دائمًا، دائمًا كما هي تمامًا.

وبالإضافة إلى كونها ثابتة الوجود، فإن الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض وفيرة أيضًا. لو كانت الأرض قرصًا مسطحًا مائلًا نحو الشمس، فسوف تتلقى 1377 وات من الطاقة الشمسية لكل متر مربع. إن وجود غلافنا الجوي والظروف الجوية السيئة والشكل الدائري للأرض يخفض هذا الرقم بنحو عشر مرات في خطوط العرض الوسطى. ومع ذلك، فإننا لا نزال بحاجة إلى الحصول على 6% فقط من طاقتنا الشمسية لتغطية جميع احتياجات البشرية من الطاقة.

2. في كل مكان ضوء الشمس موجود

كل منطقة على سطح الأرض تحصل على ضوء الشمس بدرجة أكبر أو أقل، لذا يعد ضوء الشمس مصدرا للطاقة يمكن استخدامه في أي مكان على الكوكب، بل ويمكن استخدامه حتى في الأماكن التي لا توجد بها بنية تحتية أو اتصالات، وبالتالي في المناطق الريفية المعزولة، والأماكن النائية أو التي يصعب الوصول إليها، تكون الشمس دائما مصدرا للطاقة. 

بناءً على ما سبق، يمكن أيضًا استخدام الطاقة الشمسية على نطاق محلي للغاية، بما في ذلك من قبل الأفراد لاستهلاكهم الخاص. ما عليك سوى إلقاء نظرة على الألواح الشمسية المثبتة على الأسطح. إذا فكرت في هذه النقطة، فمن الواضح أن هذا ليس هو الحال مع العديد من مصادر الطاقة المتجددة الأخرى أو أنها ببساطة ليست بهذه البساطة في التنفيذ.

بمجرد تحويلها إلى كهرباء، تصبح الطاقة الشمسية سهلة النقل. وهذا يعني أنه يمكن توليد كميات هائلة من الكهرباء في مزارع الطاقة الشمسية الكبيرة، ربما في مناطق الأرض التي تتمتع بأعلى مستويات ضوء الشمس، مثل الحزام الاستوائي.

3. إنها مناسبة للبطاريات وشبكة الكهرباء

تنتج الخلايا الكهروضوئية الطاقة بشكل رئيسي في الجزء الأوسط من اليوم، ولكن بفضل أنظمة التخزين الأكبر والأكثر كفاءة والموثوقة، أصبحنا أكثر قدرة على إدارة التناقض بين الطلب على الطاقة وما توفره الشمس بشكل طبيعي.

على الرغم من أنه قد تكون هناك اختلافات من بلد إلى آخر، إلا أنه بشكل عام، يمكن نقل الطاقة الشمسية، خاصة عندما تستخدم التكنولوجيا الكهروضوئية لتوليدها، مباشرة إلى شبكة الكهرباء. وهذا يجعل أشياء مثل مجتمعات الطاقة ممكنة ويسمح للأفراد والشركات بإرسال الطاقة الفائضة التي ينتجونها إلى السوق، مما يضمن لهم ليس فقط المدخرات ولكن أيضًا مصدرًا للدخل.

وهناك ميزة اجتماعية مهمة أيضاً، لأن هذه الطاقة تصبح متاحة على الفور للسكان في مناطق من العالم لم تكن قادرة في السابق على الوصول إلى الشبكات الكهربائية التقليدية، كما هو الحال في أفريقيا.

4. تخلق الشمس ثروات ووظائف محلية

 من بين جميع الوظائف الخضراء، تخلق الطاقة الشمسية معظم فرص العمل للمطورين والبنائين والتركيب وفنيي الصيانة في محطات الطاقة. إن الاستفادة الكاملة من الطاقة الشمسية تجلب زخمًا جديدًا للاقتصاد وتوفر للعائلات والشركات وحتى الدول فرصة استثمارية.

5. التنوع التكنولوجي

يمتد تنوع الطاقة الشمسية أيضًا إلى تقنيتها، أول ما يتبادر إلى الذهن هو الألواح الكهروضوئية، ولكن يمكن أيضًا استخدام الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الحرارية عن طريق تسخين السوائل، والجمع بين كلا النوعين في أحدث محطات الطاقة الشمسية الديناميكية الحرارية.

ومن الصحيح بنفس القدر أن الطاقة الشمسية، مقارنة بنظام الوقود الأحفوري أو حتى العديد من مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، لا تنتج سوى قدر ضئيل للغاية من الضوضاء. وبصرف النظر عن بعض المكونات المطلوبة للتبريد، فإن أشعة الشمس نفسها والأجهزة المستخدمة لتجميع الطاقة تكون هادئة للغاية وبالتالي فهي مناسبة للاستخدام في أي مكان.

6. الحد الأدنى من الصيانة المطلوبة

على الرغم من حقيقة أن الألواح الكهروضوئية تصبح أقل كفاءة تدريجيًا، مع عمر مفيد يتراوح من 20 إلى 25 عامًا، فإن نوع الصيانة المطلوبة بعد التثبيت يشبه ذلك الذي يتطلبه النظام الكهربائي العادي، مع إضافة بعض التنظيف الدوري وقليل من الأشياء الأخرى، لذا فإن الصيانة ضئيلة.

7. الأخضر حتى نهاية العمر

تعتبر الألواح الشمسية عملية للغاية، ليس فقط في مرحلة التركيب، ولكن أيضًا عندما يحين وقت إزالتها أو استبدالها، وعادة ما تكون سهلة التفكيك ويمكن استخلاص المواد المستخدمة فيها وإعادة تدويرها وإعادة استخدامها، مما يقلل بشكل أكبر من التأثير البيئي لهذا النوع من الطاقة.

إن توفر الألواح التي يمكن دمجها بطرق متعددة يعني أنه يمكن إنشاء نباتات معيارية تتراوح من صغيرة الحجم جدًا للاستخدام المنزلي إلى المزارع واسعة النطاق. يتيح لنا هذا التنوع الكبير بناء النباتات وفقًا للاحتياجات والخصائص الخاصة للمنطقة المحلية.

8. تقنية قوية وموثوقة

الخلايا الكهروضوئية جزء لا يتجزأ من واقع القرن الحادي والعشرين، وهي تقنية ناضجة. ولم تعد هذه الأنظمة حلولاً رائدة وتجريبية كما كان الحال في الجزء الأخير من القرن العشرين؛ الآن أصبحت موثوقيتها ومتانتها وأداءها أكثر من مرضي، لذا فإن مستقبل الطاقة الشمسية يبدو وردياً.

وفي حين أن الحلول التي لدينا اليوم توفر بالفعل ضمانات فنية واقتصادية، فإن العديد من الابتكارات الجديدة المثيرة للاهتمام تنتظرنا في السنوات القادمة، وينطبق هذا بشكل خاص على الكفاءة.

اقرأ ايضا :
كيف تعمل الطاقة الشمسية من الألف إلى الياء؟

استخدامات الطاقة الشمسية في حياتنا لا حدود لها

تواصل معنا الان