الألواح الشمسية : كيف تعمل الألواح الشمسية؟

أساسيات توليد وتوزيع الطاقة الشمسية

• تضرب الطاقة الشمسية الخلايا الشمسية منتجة مجالاً كهربائياً

• تنتقل الطاقة المنتجة إلى حافة اللوحة وفي سلك موصل

• ينقل السلك الموصل الطاقة الكهربائية إلى العاكس ، حيث يتم تحويلها من التيار المباشر (DC) إلى التيار المتردد (AC) ، والذي يستخدم لتزويد المنازل بالطاقة.

• ينقل سلك آخر الطاقة الكهربائية للتيار المتردد من العاكس إلى اللوحة الكهربائية للممتلكات (المعروفة أيضًا باسم صندوق التكسير) ، مما يوزع الكهرباء المطلوبة عبر الخاصية.

• يتم توجيه أي كهرباء غير مطلوبة في وقت التوليد عبر عداد المرافق وإلى شبكة طاقة المرافق.

يؤدي التيار الكهربائي عبر العداد إلى تشغيل العداد للخلف ، مما يؤدي إلى زيادة التوليد في الممتلكات الخاصة بك.

تحتوي الألواح الشمسية على مرايا لتركيز الإشعاع الشمسي لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء.

يمكن تحويل هذه الطاقة إلى كهرباء أو تخزينها في بطاريات أو تخزين حراري.

في حين أن كل موقع من مواقع الأرض يحصل على بعض ضوء الشمس على مدار العام ، تختلف شدة الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى أي موقع معين على سطح الأرض.

تلتقط الألواح الشمسية هذا الإشعاع وتحوله إلى طاقة قابلة للاستخدام.

تفصيل خطوة بخطوة حول كيفية عمل الألواح الشمسية

فيما يلي دليل بسيط من 3 خطوات لكيفية عمل الألواح الشمسية بالفعل.

الشمس تولد القوة

للبدء في الإجابة على السؤال "كيف تعمل الألواح الشمسية؟" دعونا أولاً نناقش كيفية إنتاج الطاقة الكهربائية تقليديًا.

توليد الكهرباء يستلزم استخدام الوقود.

يمكن أن يكون للعديد من أنواع الوقود المستخدمة في توليد الطاقة عواقب بيئية خطيرة.

الضرر ناتج عن كل من استخراج واستخدام الوقود الأحفوري.

يستخدم الفحم ، الذي يتم استخراجه من الجبال ، كوقود في محطات الطاقة التقليدية.

يُستخرج اليورانيوم من المناجم لاستخدامه في الطاقة النووية.

يعد الحصول على الوقود المستخدم في توليد الطاقة وتوصيله عملية شاقة ومدمرة في بعض الأحيان.

تولد عملية حرق الوقود الأحفوري ، مثل الفحم والغاز الطبيعي ، ملوثات للهواء.

يزيد استخدام الطاقة النووية من احتمال حدوث تسربات إشعاعية.

من ناحية أخرى ، تعمل الطاقة الشمسية على نوع مختلف تمامًا من الوقود: ضوء الشمس.

لا يوجد تعدين ولا خطوط أنابيب كبيرة ولا يتحرك أي ضوء شمس طبيعي يسقط من السماء.

ضوء الشمس متوفر بكثرة ويسهل جمعه وآمنه وصديق للبيئة.

نظرًا لأن الشمس مورد لا حصر له ، غالبًا ما يشار إلى الطاقة الشمسية على أنها طاقة متجددة.

هذا هو السبب في أن بعض المناطق ستقدم دعمًا محليًا لتكوين الطاقة الشمسية.

توجد أنواع أخرى من الطاقة الشمسية ، مثل الطاقة الشمسية الحرارية والطاقة الشمسية المركزة.

الألواح الشمسية تمتص ضوء الشمس

عندما ينتقل ضوء الشمس بسرعة الضوء التي تبعد حوالي 93 مليون ميل عن الشمس ويسقط على لوح شمسي ، تبدأ عملية إنتاج الطاقة الكهربائية.

من المرجح أن يتم وضع الألواح الشمسية على سطح مشمس أو على الأرض في حديقة أو في حقل قريب.

من المحتمل أن يكون مرتبطًا بأنواع أخرى من الألواح الشمسية الشائعة.

المصفوفة الشمسية هي مجموعة من عدة ألواح.

ما هي بالضبط الألواح الشمسية؟

وهي عبارة عن هيكل رباعي الزوايا يشبه الصفيحة مكون من خلايا السيليكون ، وهو نوع من أشباه الموصلات.

ومن المعروف أيضا باسم وحدة.

الإلكترونات موجودة في الخلايا.

يتم تطبيق بعض المواد (مثل الفوسفور والبورون) على الخلايا لتشكيل مجال مغناطيسي.

بعض الخلايا موجبة الشحنة ، والبعض الآخر سالب الشحنة.

يعطل ضوء الشمس الإلكترونات ، مما يسمح للإلكترونات سالبة الشحنة بالتدفق إلى جانب واحد من خلية السيليكون.

ينتج تدفق أو تيار للطاقة الكهربائية نتيجة للحركة.

يتم تجميع الكهرباء بواسطة موصلات معدنية في الخلية وتحويلها إلى أسلاك.

يتم تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بواسطة العاكس الشمسي.

الطاقة الشمسية لا تزال غير جاهزة للاستخدام المنزلي في هذا الوقت.

هذا هو المكان الذي يتم فيه تثبيت العاكس الشمسي.

هذا صندوق معدني ، يُشار إليه أيضًا بمحول الطاقة الشمسية ، والذي قد يكون موجودًا في منزلك بالقرب من صندوق المصاهر.

على الرغم من مظهره المتواضع ، يلعب الصندوق دورًا مهمًا في تمكيننا من استخدام الطاقة الشمسية.

اعتبره الرابط بين الألواح الشمسية ومنزلك.

لا تقوم ملفاته وأسلاكه ومغناطيسه فقط "بعكس" الطاقة من التيار المستمر إلى التيار المتردد ، مما يسمح باستخدامها بواسطة الأسرة ، ولكن العاكس يساعد أيضًا في وظائف إدارة الطاقة الأخرى.

في حالة حدوث انقطاع ، يمكن لبعض العاكسات فصل المنزل عن الشبكة المركزية.

يمكن أن يشتمل العاكس أيضًا على الحد الأدنى من طاقة البطارية لضمان حصول المنزل على بعض الكهرباء في حالة انقطاع التيار الكهربائي.

نظرًا لأنها تؤدي وظائف إدارة الطاقة والاتصالات التي تجعل الطاقة الشمسية أكثر موثوقية ، غالبًا ما يشار إلى المحولات الجديدة باسم "الأذكياء" وراء تكوين الطاقة الشمسية.

ومن الجدير بالذكر أن هناك فرقًا في العاكس التقليدي.

العاكس الصغير هو ما تبحث عنه.

يتم تثبيت المحولات الدقيقة ، بدلاً من وضعها في صندوق ، مباشرة أسفل الألواح الشمسية.

عندما يكون العاكس الشمسي الخاص بك قيد التشغيل ، فإن السماء هي الحد الأقصى من حيث الأشياء المختلفة التي يمكنك استخدام الطاقة الشمسية بها ، مثل تدفئة المسبح الشمسي وخيارات تركيب تدفئة المنزل بالطاقة الشمسية وسخانات المياه بالطاقة الشمسية.

علم الخلايا الكهروضوئية

تتكون الألواح الشمسية الكهروضوئية من خلايا ضوئية أصغر يمكنها تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

هذه الخلايا مصنوعة من مواد شبه موصلة ، وهي السيليكون الأكثر شيوعًا ، والتي يمكنها توصيل الكهرباء مع الحفاظ على عدم التوازن الكهربائي المطلوب لتوليد مجال كهربائي.

عندما يضرب ضوء الشمس أشباه الموصلات في الخلية الكهروضوئية الشمسية ، يتم امتصاص طاقة الضوء ، على شكل فوتونات ، مما يتسبب في إطلاق العديد من الإلكترونات والتجول بحرية داخل الخلية.

تتكون الخلية الشمسية من أشباه موصلات موجبة وسالبة الشحنة مرتبطة ببعضها البعض لتكوين مجال كهربائي.

يجبر هذا المجال الكهربائي الإلكترونات على التدفق في اتجاه واحد باتجاه الصفائح المعدنية الموصلة التي تبطن الخلية.

يشار إلى هذا التدفق على أنه تيار طاقة ، وتملي قوته مقدار الطاقة الكهربائية التي يمكن أن تولدها كل خلية.

عندما تصطدم الإلكترونات السائبة بألواح معدنية ، يتم توجيه التيار إلى أسلاك ، مما يسمح للإلكترونات بالتدفق كما تفعل في أي مصدر كهربائي آخر.

عندما تولد لوحة شمسية تيارًا كهربائيًا ، يتم نقل الطاقة إلى عاكس عبر سلسلة من الأسلاك.

في حين أن الألواح الشمسية تنتج تيارًا كهربائيًا مباشرًا (DC) ، فإن غالبية مستخدمي الكهرباء يحتاجون إلى تيار كهربائي متناوب (AC) لتشغيل منازلهم.

تتمثل وظيفة العاكس في تحويل الكهرباء من التيار المباشر (DC) إلى التيار المتردد (AC) ، مما يجعلها قابلة للاستخدام في الأنشطة اليومية.

بعد تحويل الكهرباء إلى شكل قابل للاستخدام (طاقة التيار المتردد) ، تنتقل من العاكس إلى اللوحة الكهربائية وتعميم حسب الحاجة في جميع أنحاء المنزل.

الطاقة الشمسية متاحة الآن على نطاق واسع لتشغيل المصابيح والأجهزة والمعدات الإلكترونية الأخرى.

يتم إرسال أي طاقة كهربائية لا يتم امتصاصها من خلال صندوق التكسير إلى شبكة المرافق عبر عداد المرافق.

يراقب عداد المرافق تدفق الطاقة الكهربائية إلى منزلك وظهرك.

عندما يولد نظام الألواح الشمسية الخاص بك كهرباء أكثر مما تستخدمه في الموقع ، فإن هذا العداد ينعكس ويُنسب إليك الفضل في الطاقة الزائدة الناتجة عن عملية القياس الصافي.

عندما تستخدم كهرباء أكثر مما تولده الألواح الشمسية ، فإنك تسحب طاقة إضافية من الشبكة عبر هذا العداد ، مما يجعلها تعمل بشكل طبيعي.

حتى تخرج عن الشبكة باستخدام حل التخزين ، ستحتاج إلى استخدام بعض طاقة الشبكة ، خاصة في الليل عندما لا تولد اللوحة الشمسية.

ومع ذلك ، سيتم تعويض معظم طاقة الشبكة هذه عن طريق الطاقة الشمسية الزائدة المتولدة خلال النهار وفترات الاستخدام المنخفض.

المياه الساخنة بالطاقة الشمسية والطاقة الشمسية المركزة

تجمع أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية الطاقة الشمسية واستخدامها لتسخين المياه لمنزلك.

تعتبر المجمعات وخزان التخزين والمبادل الحراري ونظام التحكم والسخان الاحتياطي الأجزاء الأساسية لهذه الأنظمة.

لا توجد حركة إلكترونية في نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية.

بدلاً من ذلك ، تحول الألواح ضوء الشمس إلى حرارة.

يشار إلى ألواح النظام الحراري الشمسي باسم "المجمعات" ، ويتم تركيبها عادةً على الأسطح.

فهي تلتقط الطاقة بشكل مختلف عن الألواح الكهروضوئية التقليدية ، وتولد الحرارة بدلاً من الطاقة الكهربائية.

يمر ضوء الشمس عبر الغطاء الزجاجي للمجمع ويصطدم بلوحة امتصاص ذات طلاء مصمم لتجميع الطاقة الشمسية وتحويلها إلى حرارة.

تنتقل هذه الحرارة إلى "سائل نقل" (مضاد للتجمد أو ماء صالح للشرب) موجود في أنابيب صغيرة في الصفيحة.

تعمل الطاقة الشمسية المركزة بنفس الطريقة التي يعمل بها الماء الساخن الشمسي عن طريق تحويل ضوء الشمس إلى حرارة.

تولد تقنية CSP الطاقة عن طريق تركيز الطاقة الحرارية الشمسية من خلال استخدام المرايا.

تعكس المرايا في تركيب CSP الشمس إلى نقطة التركيز.

يلتقط جهاز الامتصاص أو المستقبل الطاقة الحرارية ويخزنها عند نقطة التركيز هذه.

يستخدم CSP بشكل شائع في التركيبات على نطاق المرافق للمساعدة في دفع شبكة الطاقة.

مكونات حيوية أخرى حول كيفية عمل الألواح الشمسية

بصرف النظر عن خلايا السيليكون الشمسية ، تحتوي الألواح الشمسية على غلاف زجاجي يوفر المتانة والأمان لخلايا السيليكون الكهروضوئية.

تحتوي اللوحة على عازل وصفيحة خلفية واقية أسفل السطح الخارجي الزجاجي تحمي من امتصاص الطاقة ودرجات الحرارة في النظام الشمسي.

يعد هذا العزل أمرًا بالغ الأهمية لأن درجات الحرارة المرتفعة تقلل الكفاءة ، مما يؤدي إلى انخفاض أداء الألواح الشمسية.

الألواح الشمسية مغطاة بطبقة مقاومة للانعكاس ، مما يعزز امتصاص أشعة الشمس ويمكّن خلايا السيليكون من تلقي أقصى قدر من التعرض لأشعة الشمس.

عادة ما يتم إنتاج خلايا السيليكون الشمسية في تكوينين من الخلايا: أحادية البلورية ومتعددة الكريستالات.

تتكون الخلايا أحادية البلورة من بلورة سيليكون واحدة ، بينما تتكون الخلايا متعددة البلورات من شظايا أو شظايا من السيليكون.

على الرغم من أن الأشكال أحادية البلورية عادة ما تكون أكثر تكلفة ، إلا أنها توفر مساحة أكبر للإلكترونات للتنقل ، مما يوفر تقنية شمسية أكثر كفاءة من الكريستالات.

ما هي الألواح الشمسية الفعالة بالضبط؟

عند شراء الألواح الشمسية ، ضع في اعتبارك أنه ليست كل الألواح الشمسية متساوية من حيث الكفاءة.

هذا هو السبب في وجود تباين في كثير من الأحيان في تكاليف تركيب الألواح الشمسية.

يتم تحديد كفاءة اللوح الشمسي من خلال مقدار ضوء الشمس الذي يصيبها والذي يتم تحويله إلى طاقة كهربائية.

كلما كانت الألواح الشمسية أكثر فاعلية ، قل ما تحتاج إليه.

تعد كفاءة الألواح الشمسية أمرًا بالغ الأهمية إذا كان لديك مساحة سقف محدودة أو مظللة جزئيًا.

عند البحث عن الكفاءة ، لا يكون السعر دائمًا هو الاعتبار.

ما توفره من خلال شراء عدد أقل من اللوحات ، قد تخسره بدفع سعر أعلى لنماذج أكثر كفاءة.

قبل تثبيت الألواح الشمسية ، يجب عليك البحث عن درجات رقم الشمس لمنزلك ، والتي تشير إلى إمكاناتك في نظام شمسي عالي الكفاءة بناءً على الموقع وكمية ضوء الشمس المستلم.

تتميز معظم الخلايا الكهروضوئية بكفاءة حوالي 15٪ و 20٪ ، مع وجود قيم متطرفة على طرفي الطيف.

يمكن أن تتجاوز كفاءة الألواح الشمسية المتطورة 22 في المائة في حالات معينة ، لكن معظم الخلايا الشمسية الموجودة في السوق لا تزيد إنتاجيتها عن 20 في المائة.

بالنظر إلى نفس القدر من ضوء الشمس الساطع لنفس المدة الزمنية على لوحين شمسيين مع تصنيفات كفاءة متميزة ، فإن اللوحة الأكثر كفاءة ستولد طاقة كهربائية أكثر من اللوحة الأقل كفاءة.

ما هو تأثير الطقس على كيفية عمل الألواح الشمسية؟

يمكن أن تؤثر الظروف المناخية على كمية الطاقة التي تولدها الألواح الشمسية ، ولكن ليس بالطريقة التي تفكر بها.

بالطبع ، تشمل الظروف المثالية لتوليد الطاقة الشمسية يومًا مشمسًا صافًا.

ومع ذلك ، مثل معظم الأجهزة الإلكترونية ، تكون الألواح الشمسية أكثر إنتاجية في الطقس البارد منها في الطقس الدافئ.

نتيجة لذلك ، يمكن للوحة توليد المزيد من الطاقة في نفس الوقت.

تولد اللوحة جهدًا أقل وتولد طاقة أقل مع زيادة درجة الحرارة.

على الرغم من أن الألواح الشمسية أكثر موثوقية في ظروف الشتاء ، إلا أنها لا تولد بالضرورة طاقة أكبر مما كانت عليه في الصيف.

يكون الطقس المشمس أكثر شيوعًا خلال أشهر الصيف الأكثر دفئًا.

بالإضافة إلى عدد أقل من السحب ، فإن الشمس عادة ما تكون مرئية لفترة أطول من اليوم.

لذا ، حتى لو كانت اللوحات الخاصة بك أقل كفاءة في الطقس الحار ، فإنها ستولد بالتأكيد طاقة كهربائية في الصيف أكثر من الشتاء.

تتلقى بعض الولايات ضوء الشمس أكثر من غيرها.

لذا ، إذا كانت الظروف المناخية يمكن أن تؤثر على توليد الطاقة الشمسية ، فهل بعض الدول خيارات ممتازة للطاقة الشمسية من غيرها؟

الجواب البسيط هو نعم ، ولكن ليس دائمًا بسبب الطقس.

خذ ، على سبيل المثال ، السحب.

يدرك أي شخص أصيب بحروق الشمس في يوم غائم أن الإشعاع الشمسي يخترق الغيوم.

للسبب نفسه ، يمكن أن تولد الألواح الشمسية الطاقة حتى في الأيام الملبدة بالغيوم.

ومع ذلك ، بناءً على مقدار الغطاء السحابي وجودة الألواح الشمسية ، يمكن أن تتراوح كفاءة توليد الطاقة للألواح الشمسية بين 10 و 25 في المائة أو أكثر مقارنةً بيوم مشمس.

حقائق حول كيفية عمل الألواح الشمسية

فيما يلي بعض الحقائق الأخرى التي قد ترغب في معرفتها حول كيفية عمل الألواح الشمسية.

لا تتطلب الألواح الشمسية أشعة الشمس المباشرة لتعمل

على الرغم من تحقيق الأداء الأمثل عندما تكون الشمس مشرقة ، لا تزال الطاقة الكهربائية تتولد في الأيام الملبدة بالغيوم وأثناء الشتاء.

من ناحية أخرى ، لا يمكن توليد الكهرباء في الليل ، ولكن يمكن حل هذه المشكلة بنظام التخزين.

يمكن تعويض تكلفة نظام تخزين البطاريات الشمسية عن طريق بيع الطاقة الزائدة للشبكة الوطنية والاستفادة من الاستقلالية الكاملة عن الطاقة.

يجب أن تضع في اعتبارك أن الألواح الشمسية تولد كهرباء مجانية خلال النهار عندما تكون باهظة الثمن وبالتالي أكثر قيمة.

المشاكل المحتملة

قبل تركيب الألواح الشمسية ، يجب مراعاة شكل وميل السقف وموقع المنزل نفسه.

لتحقيق أفضل أداء سنوي ، يجب توجيه السقف جنوبًا بزاوية 30 درجة.

هذه ليست متطلبات صارمة لأن الألواح الشمسية يمكن أن تعمل في مجموعة متنوعة من البيئات بشرط أن يكون النظام خاليًا من الظلال بين الساعة 10 صباحًا و 4 مساءً

تأكد من أن الألواح الشمسية الخاصة بك بعيدة عن الأشجار والشجيرات لسببين: قد تقوم بتظليل التركيبات ، وقد تخدش الفروع والأوراق السطح ، مما يقلل من أدائها.

قد يؤدي التعرض المفرط للرياح والأمطار أيضًا إلى تقليل الأداء على المدى الطويل ، لذلك يجب أخذ ملاجئ الرياح في الاعتبار عند تقييم الوضع.

ومع ذلك ، عادةً ما يكون للأنظمة الشمسية ضمانات مدتها 25 عامًا تضمن ألا يقل الأداء عن 80٪ خلال تلك الفترة.

من المثير للدهشة أن الأنظمة الشمسية لا تعمل على النحو الأمثل في المناخات الأكثر حرارة.

وذلك لأن الخلايا الشمسية تستخدم ضوء الشمس بدلاً من الحرارة ، ودرجات الحرارة المرتفعة تقلل من أدائها.

ما هي المواد التي تصنع منها الألواح الشمسية؟

الألواح الشمسية ، والتي يشار إليها أيضًا باسم الخلايا الكهروضوئية ، هي أنظمة قائمة على أشباه الموصلات تقوم بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

عندما يضرب الضوء الخلايا ، تنفصل الإلكترونات عن ذراتها وتتدفق عبر الخلية ، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء.

تستطيع الألواح الشمسية في المنشآت المنزلية الآن تحويل حوالي 20٪ من ضوء الشمس الذي تتلقاه إلى طاقة كهربائية.