الجامعــة الوطنيــة الخاصــة
Al-Wataniya Private University
الواحة الأكاديمية للجامعة الوطنية الخاصة
منظومات الطاقة الشمسية الكهروضوئية ( د. عبد المعين أحمد الرفاعي )
مسابقة أفضل مقالة علمية
مقالات كلية الهندسة ( اتصالات )
الملخص
يمكن تصنيف الطاقة الصادرة من الشمس إلى نوعين هما الطاقة الحرارية والطاقة الضوئية. لقد تم تسخير الطاقة الحرارية منذ قرون في تطبيقات التدفئة. الاتجاه في الوقت الحاضر هو لاستخدام الطاقة الضوئية التي تم إهمالها سابقاً. مع هذا العصر الجديد من التكنولوجيا الحديثة، ومصادر الطاقة المتجددة وغير التقليدية، فإن الطاقة الشمسية في شكل حرارة وضوء لديها مجموعة واسعة من التطبيقات. الخلايا الكهروضوئية هي تلك التي تعمل على مبدأ التأثير الكهروضوئي، والذي ينص على أنه عند سقوط الضوء على الخلايا الكهروضوئية، تتحول الطاقة الضوئية مباشرة إلى طاقة كهربائية. لذا، كل ما نحتاجه لإنتاج الكهرباء في أي مكان هو الضوء. وبالتالي في سوف يتم في هذه المقالة استعراض للتطبيقات المختلفة للأنظمة الكهروضوئية وتكويناتها المختلفة حسب حاجتها ومكان تطبيقها.
الكلمات المفتاحية: الخلايا الكهروضوئية، تطبيقات الطاقة الكهروضوئية، الأنظمة الكهروضوئية المتكاملة، الأنظمة الكهروضوئية الهجينة.
1- المقدمة :
الطاقة، وباعتبارها الاهتمام الأهم في الحاضر والمستقبل، فإنه لا بد من مناقشتها ودراستها ومراجعتها والبحث فيها بالتفصيل. يوماً بعد يوم يحدث استنزاف لموارد الطاقة غير المتجددة مما يسبب خللاً في الطبيعة. وهذا يستدعي الحاجة إلى مصادر طاقة متجددة ونظيفة أيضاً وغير ضارة بالبيئة. في الوقت الحاضر.
الشكل (1): الخلية الشمسية الكهروضوئية
تعمل الخلايا الشمسية على مبدأ التأثير الكهروضوئي. هي عبارة عن خلايا أنصاف نواقل حيث يتم إشابتها. عندما يسقط الضوء على هذه الخلايا، يتم توليد مجموعات من أزواج ثقوب-الكترونات. تكون الثقوب موجبة وتتجمع عند الطرف P، وتكون الإلكترونات سالبة وتتجمع عند الطرفN . وهذا ينشئ فرق كمون وينتج بالتالي تياراً كهربائياً.
2- الطاقة الشمسية – كمصدر طاقة متجدد
الطاقة الشمسية متوفرة بكثرة في كل مكان من الصباح حتى المساء. لا تسبب الطاقة الكهروضوئية أي تأثير ضار على الطبيعة. ومن خلال استبدالها للوقود الأحفوري، فإن ذلك يقلل من تلوث الهواء مما يقلل بدوره من الأمطار الحمضية، وتلف التربة، وأمراض الجهاز التنفسي، ويساعد على تقليل الانبعاثات لأنه لا ينتج أي غازات دفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون . [1] يتمتع توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية من بين جميع الطاقات المتجددة الأخرى بأعلى كثافة للطاقة. [2]
2.1 تطبيق نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية: لا يزال هناك طلب على الوقود الأحفوري في تطبيقات السيارات، ولكن الأنظمة الكهروضوئية وجدت أيضًا مجال لتطبيقها على نطاق واسع. يمكن للخلية الكهروضوئية أن تنتج من عدة كيلووات (KW) إلى عدة ميجاوات (MW) من الطاقة، وبالتالي تجد مساحة كبيرة من التطبيقات مقارنة بأنظمة الطاقة التقليدية. تالياً سوف يتم مناقشة بعضهم باختصار:
- ضخ المياه: تُستخدم الطاقة الشمسية بشكل شائع في مرافق ضخ المياه، حيث ثبت أنها أكثر فعالية في القرى للأغراض الزراعية. يتم استخدام الطاقة من الألواح الشمسية لتشغيل المضخة المستخدمة لرفع المياه من المستوى المنخفض إلى المستوى المرتفع. يوضح الشكل التالي التمثيل التخطيطي لها.
الشكل (2): نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية
• الطبخ: تعتبر أجهزة الطبخ التي تعمل بالطاقة الشمسية هي الأكثر انتشاراً في الأسوق حالياً. المواقد الشمسية متاحة تجاريًا وسهلة التشغيل والصيانة. تم إنشاء أكبر مطبخ شمسي في العالم في الهند، حيث يتميز بنظام طهي بالبخار الشمسي مكون من ست وحدات و84 طيق مكافئ مركز لاستقبال الاشعاع الشمسي.
الشكل (3): التمثيل التخطيطي للطباخ الشمسي
•التدفئة: أصبحت سخانات المياه بالطاقة الشمسية وسخانات الهواء شائعة جدًا منذ عقود حتى قبل ظهور الخلايا الكهروضوئية. تساعد سخانات المياه بالطاقة الشمسية لوحدها على تقليل استهلاك الطاقة إلى حد كبير. تعمل هذه السخانات على احتجاز الطاقة الحرارية القادمة من الشمس، وتخزين الماء الساخن في الحاويات.
• الإضاءة: يمكن استخدام نظام الإضاءة الشمسية الكهروضوئية لإنارة الشوارع والمناطق الريفية. يمكن للألواح الصغيرة الحجم أن تستغل بسهولة ما يكفي من الطاقة لإضاءة مصابيح الشوارع ومصابيح LED
الشكل (4): الإضاءة بالطاقة الشمسية
- إشارات المرور: يمكن تشغيل إشارات المرور بسهولة باستخدام الألواح الشمسية.
- التخزين البارد: يمكن استخدام الطاقة الشمسية للتخزين البارد بالإضافة إلى تطبيقات تكييف الهواء.
- نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية في الفضاء: تنتج المصفوفات الشمسية في المحطة الفضائية طاقة أكثر من الطاقة المطلوبة للمحطة الفضائية. عندما تكون المحطة في ضوء الشمس، فإن حوالي 60% من الكهرباء التي تولدها الألواح الشمسية تستخدم لشحن بطاريات المحطة [3]
الشكل (5): الألواح الشمسية في الفضاء
توفر الألواح الشمسية الموجودة على المركبات الفضائية الطاقة لاستخدامين رئيسيين، أولاً، الطاقة لتشغيل أجهزة الاستشعار والتدفئة والتبريد والقياس عن بعد. وكذلك، الطاقة اللازمة لدفع المركبات الفضائية. الألواح الشمسية المستخدمة في الفضاء ليست مثل تلك المستخدمة في التطبيقات الأرضية، حيث أنها لا تتطلب أي تصفيح من الزجاج لمنع الرطوبة ويجب أن تكون قادرة على تحمل درجات الحرارة المرتفعة، وبالتالي فإن المواد المستخدمة مختلفة.
3- مكونات نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية (SPV)
يمكن أن تكون تكوينات نظام SPV من ثلاثة أنواع لتطبيقات مختلفة كما هو موضح أدناه: 1) أنظمة SPV قائمة بذاتها بدون بطارية تخزين. 2) نظام SPV التفاعلي للشبكة. 3) الأنظمة الهجينة. 4) بناء أنظمة SPV متكاملة.
3.1 أنظمة SPV المستقلة
- أنظمة SPV المستقلة بدون بطارية تخزين:
تستخدم هذه الأنظمة في تطبيقات قائمة بذاتها، وهي أقل تكلفة وأبسط مثل مضخات المياه وأنظمة رش المياه. لا تتطلب هذه الأنظمة أي تخزين بالبطارية لأنها مخصصة لغرض محدد لفترة زمنية قصيرة وبالتالي يمكن تحقيقها عندما تكون الشمس في ذروتها بأقصى كثافة. ونظرًا لعدم وجود بطارية مرتبطة بهذه الأنظمة، فإن ذلك يلغي التكلفة المتعلقة بها وبوحدة التحكم في الشحن. فهي أخف وزنًا ويمكن تركيبها وصيانتها بسهولة.
الشكل (6): رشاشات المياه بالطاقة الشمسية – الري بالتنقيط
- أنظمة SPV المستقلة مع تخزين البطارية: يقوم نظام كهروضوئي بسيط قائم بذاته بتسخير الطاقة الشمسية وتخزينها في بطاريات يمكن استخدامها حتى في أوقات الليل عندما لا يكون هناك ضوء الشمس. يستخدم النظام الكهروضوئي المستقل صغير الحجم بطاريات قابلة لإعادة الشحن [4].
الشكل (7): نظام السقف العلوي المستقل مع بطارية تخزين
تعتبر أنظمة السقف العلوي أفضل مثال مناسب على تلك الأنظمة. يتكون نظام السقف العلوي كما هو موضح في الشكل (7) من ألواح شمسية تنتج الكهرباء ويتم توصيلها بالبطارية عبر جهاز التحكم بالشحن. علاوة على ذلك، فهو متصل بالعاكس لتحويل التيار المستمر (DC) إلى تيار متناوب (AC)، مما يجعله متاحًا للاتصال بأحمال التيار المتناوب. تُستخدم بطاريات الأسيد ذات الدورة العميقة عمومًا لتخزين الطاقة الشمسية المولدة من الألواح الكهروضوئية.
3.2 نظام SPV التفاعلي للشبكة:
نظام الطاقة الكهروضوئي المتصل بالشبكة، هو نظام لتوليد الكهرباء متصل بشبكة المرافق. يتكون النظام الكهروضوئي المتصل بالشبكة من ألواح شمسية، وعاكس واحد أو أكثر، ووحدة تكييف الطاقة (PCU) ومعدات توصيل الشبكة. عندما تكون الظروف مناسبة، يقوم النظام الكهروضوئي المتصل بالشبكة بتزويد شبكة المرافق بالطاقة الزائدة، بما يتجاوز استهلاك الحمل المتصل. [5] يتم توصيل النظام المتصل بالشبكة بشبكة كهربائية عامة كبيرة (مملوكة لشركة المرافق) ويقوم بتغذية الشبكة بالطاقة. تختلف الأنظمة المتصلة بالشبكة في الحجم من السكنية (2-10 كيلوواط) إلى محطات الطاقة الشمسية (1-10 ميجاواط (. في حالة الأنظمة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة السكنية أو المبنى، يتم تلبية الطلب على الكهرباء للمبنى من خلال النظام الكهروضوئي. يتم تغذية الفائض فقط في الشبكة عندما يكون هناك فائض. تتطلب تغذية الكهرباء المولدة بالطاقة الكهروضوئية في الشبكة تحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب بواسطة عاكس يتم التحكم فيه بالشبكة. على جانب التيار المتناوب، تتمثل وظيفة العاكس المتصل بالشبكة في توفير الكهرباء في شكل جيبي، متزامن مع تردد الشبكة، والحد من التغذية بالجهد بما لا يزيد عن جهد الشبكة بما في ذلك قطع الاتصال بالشبكة في حالة إيقاف تشغيل جهد الشبكة. ومن ناحية التيار المستمر، نظرًا لأن خرج الطاقة للوحدة يختلف كتابع للجهد، فلا يمكن تحسين توليد الطاقة إلا عن طريق تغيير جهد النظام للعثور على ” نقطة الطاقة القصوى” ولذلك تتضمن معظم العاكسات” تتبع نقطة الطاقة القصوى ” (MPPT).
الشكل (8): النظام الشمسي المتصل بالشبكة
3.3 الأنظمة الهجينة: تجمع أنظمة الطاقة الهجينة بين نوعين أو أكثر من تقنيات توليد الطاقة أو تخزينها أو استخدامها النهائي، ويمكنها تقديم مجموعة كبيرة من الفوائد مقارنة مع أنظمة المصدر الوحيد. تعد أنظمة الطاقة الهجينة حلاً مثاليًا لأنها يمكن أن تقدم تحسينات كبيرة في الأداء وخفض في التكلفة، ويمكن تصميمها وفقًا لمتطلبات المستخدم النهائي المختلفة. ولديها القدرة على خفض التكلفة والانبعاثات بشكل كبير من توليد الطاقة وتوزيعها للمنازل[6] . محطات الطاقة الهجينة، هي أنظمة طاقة شمسية أو طاقة رياح يتم دمجها مع محطات توليد الطاقة العاملة بالديزل. غالبًا ما تكون طاقة الرياح والطاقة الشمسية أقل تكلفة بنسبة تصل إلى 70% من الكهرباء المولدة من الديزل، خاصة في المناطق النائية حيث يشكل النقل حصة كبيرة من إجمالي تكلفة الديزل. انخفضت أسعار الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بشكل كبير في السنوات الأخيرة. أصبحت أبراج توربينات الرياح أطول، مما يسمح بتوليد الطاقة بكفاءة في العديد
الشكل (9): الأنظمة الهجينة بين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح
من المواقع التي لا تكون فيها الرياح قوية بما يكفي على ارتفاعات منخفضة. وهذا يجعل الأنظمة الهجينة بين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح أكثر حدوثًا في السيناريو الحالي. يتميز الجمع بين طاقة الرياح والطاقة الشمسية بأن المصدرين يكملان بعضهما البعض لأن أوقات التشغيل القصوى لكل نظام تحدث في أوقات مختلفة من اليوم والسنة. يكون توليد الطاقة لمثل هذا النظام الهجين أكثر ثباتًا ويتقلب بشكل أقل من كل من النظامين الفرعيين المكونين له.
3.4 بناء الأنظمة الكهروضوئية المتكاملة (BIPV): يتكون نظام الخلايا الكهروضوئية المتكاملة للمبنى (BIPV) من دمج الوحدات الكهروضوئية في غلاف المبنى، مثل السقف أو الواجهة. من خلال العمل في نفس الوقت كمواد غلاف المبنى ومولد الطاقة، يمكن لأنظمة BIPV توفير وفورات في تكاليف المواد والكهرباء، وتقليل استخدام الوقود الأحفوري وانبعاث الغازات المستنفدة للأوزون، وإضافة شكل معماري للمبنى. في حين أن غالبية أنظمة BIPV يتم ربطها بشبكة الكهرباء المتاحة، إلا أنه يمكن استخدام BIPV أيضًا في الأنظمة المستقلة خارج الشبكة. إحدى فوائد أنظمة BIPV المرتبطة بالشبكة هي أنه مع سياسة المرافق التعاونية، يكون نظام التخزين مجانيًا بشكل أساسي. كما أنها فعالة بنسبة 100% وغير محدودة في السعة. يستفيد كل من مالك المبنى والمرافق من BIPV المرتبطة بالشبكة.
الشكل (10): الجدار الكهروضوئي، BIPV
4. الخلاصة
- لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية مجموعة واسعة من التطبيقات.ويمكن التوسيع في ذلك حسب الاستخدام المتوقع.
- إن دمج تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية لا يوفر الوقود فحسب، بل يساعد أيضًا في المساهمة في بيئة نظيفة وأكثر أمانًا، حيث يتم تقليل الانبعاثات والغازات الدفيئة وجميع أكاسيد الكربون والنيتروجين نتيجة لاستخدام أنظمة الطاقة المتجددة.
- علاوة على ذلك، فإن لها نطاقًا واسعًا في المستقبل، حيث ستحل الطاقة المتجددة محل الطاقة غير المتجددة في كل قطاع من قطاعات الطاقة.
هناك الكثير من الأعمال البحثية الجارية بشأن الألواح الشمسية العائمة، وتقنية CPVT، حيث يتم تسخير الطاقة الضوئية والحرارية في نفس الوقت وفي نفس المعدات.
المراجع
– Pearce, Joshua (2022). “Photovoltaics – A Path to Sustainable Futures”. Futures
– Smil, Vaclav (2021), “Energy at the oecd.org.,” Retrieved on 3 June 2022
– North Carolina Solar Center , “Photovoltaic Applications”
– NASA JPL Publication, “Basics of Space Flight, Typical Onboard Systems, Propulsion Subsystems,” http://www2.jpl.nasa.gov/basics/bsf11- 4.html#propulsion
– http://www.alternative-energy-tutorials.com/solar-power/stand-alone-pv-ystem.html
– Elhodeiby, A.S.; Metwally, H.M.B; Farahat, M.A (March 2021). “Performance Analysisof 3.6 KW Rooftop Grid Connected Photovoltaic System in Egypt,” International Conference on Energy Systems and Technologies (ICEST 2021): 151–157. Retrieved 2011-07-21.
الجامعة الوطنية الخاصة
مواقع مرتبطة:
للتواصل :
- سوريا - محافظة حماة - الطريق الدولي حمص حماة
- 0096334589094
- 00963335033
- info@wpu.edu.sy