حول الطاقة الشمسية : نظرة عامة على أنظمة الطاقة الشمسية

نظرة عامة على أعمال نظام الطاقة الشمسية

تحتوي أنظمة الطاقة الشمسية على مجمعات تعمل على تحويل ضوء الشمس إلى حرارة في سائل ، ووحدات طاقة احتياطية تهدف إلى تجميع الطاقة عند توفرها وتوزيعها عند الحاجة ، وأجهزة لنقل الطاقة من التخزين إلى الحمل ، والمضخات وأجهزة التحكم الضرورية ، إلخ.

يشار إلى عملية الاستخراج المباشر للطاقة من ضوء الشمس بالعملية الكهروضوئية.

الخلية الكهروضوئية هي نوع من أجهزة الكشف الكهروضوئية التي تحول التدفق الإشعاعي مباشرة إلى تيار كهربائي.

علاوة على ذلك ، يمكن إنتاج الطاقة عن طريق الحرارة من خلال الخلايا الكهروضوئية لأن ضوء الشمس مطلوب.

عندما تسقط أشعة الشمس ، تولد اللوحة جهدًا أكبر من البطارية ، مما يسمح لشحن البطارية.

تحتوي العديد من اللوحات على صمام ثنائي مانع (عنصر كهربائي يسمح فقط للكهرباء بالتدفق في اتجاه واحد) ، مما يضمن عدم تفريغ البطارية من خلال اللوحة عندما يكون ضوء الشمس غير كافٍ.

يمكن إجراء اتصال بالبطارية لتوفير تيار مباشر منخفض الجهد للاستخدام.

السيليكون هو شبه موصل ، مما يدل على أن له خصائص كل من العازل والمعدن.

تحتوي الطبقة العليا على الفوسفور أو الزرنيخ المستخدم في تخدير السيليكون ، بينما تحتوي الطبقة السفلية على البورون أو الغاليوم.

يحتوي الفوسفور على 5 إلكترونات تكافؤ ، وهو ما يفسر الكيمياء.

ينقل أربعة إلكترونات إلى السيليكون ، والذي يشكل بعد ذلك الرابطة عن طريق إطلاق إلكترونها الخامس.

عندما يتم استبدال العديد من ذرات الفوسفور في بلورة السيليكون ، توجد العديد من الإلكترونات الحرة ، مما ينتج عنه السيليكون من النوع n.

يشير النوع n من السيليكون إلى وجود غالبية الإلكترونات.

في حالة منشطات البورون السيليكونية ، تفقد الشبكة البلورية السيليكونية إلكترونًا.

نتيجة لذلك ، فهو عبارة عن سيليكون من النوع p مع غالبية الثقوب وأقلية من الإلكترونات.

عندما تسقط جسيمات ضوء الشمس أو الفوتونات مباشرة على لوح شمسي ، تتحرر الإلكترونات.

لم تنته المهمة بعد.

لتوليد الكهرباء ، يجب خلق خلل.

عندما يتم تنظيم السليكون من النوع p و n معًا بقوة ، يكون هذا ممكنًا.

تتحرك الإلكترونات الإضافية من السيليكون من النوع n في الثقوب الموجودة في السيليكون من النوع p ، مما يخلق مجالًا كهربائيًا في جميع أنحاء الخلية.

علاوة على ذلك ، يعد السيليكون أشباه موصلات ، مما يعني أنه عازل ويمكنه الحفاظ على عدم التوازن بشكل فعال.

المواد المستخدمة في صناعة الألواح الشمسية

عادةً ما يتم تناول السيليكون بالفوسفور أو الزرنيخ أو البورون أو الغاليوم.

في الآونة الأخيرة ، طور الباحثون عنصر Argonne III الجديد ، وهو أرخص بكثير وأكثر كفاءة وأكثر موثوقية.

علاوة على ذلك ، عند مقارنتها بالسيليكون ، فإنها تتطلب وقتًا أقل في التصنيع.

سيؤدي ذلك إلى جعل الألواح الشمسية في متناول العديد من الأشخاص الذين لم يتمكنوا من تركيبها في منازلهم بسبب ارتفاع التكاليف.

لذلك ، يعد اختراعًا مهمًا للغاية لتطوير البيئة على المدى الطويل بطريقة فعالة من حيث التكلفة.

هناك أنواع مختلفة من الألواح الشمسية التي يستخدمها الناس بناءً على فائدتها.

عند شراء لوحة شمسية ، يجب مراعاة عدة عوامل ، بما في ذلك مكان تركيبها والاستخدام المقصود (سكني أو تجاري) والتكلفة.

فيما يلي بعض الأمثلة على الألواح الشمسية:

لوحة شمسية من السيليكون متعدد الكريستالات

يعتمد على البولي سيليكون والسيليكون متعدد البلورات.

يُذوب السيليكون الخام أولاً ، ثم يُسكب في قالب مربع ، ويُبرد ، ويقطع إلى رقائق مربعة تمامًا.

علاوة على ذلك ، تم طرحه لأول مرة في السوق في عام 1981.

تتمتع الألواح متعددة الكريستالات بعمر خدمة طويل.

تم اكتشاف أن الألواح التي تم تركيبها منذ 25 عامًا لا تزال تعمل بشكل مثالي.

لديهم أداء من 120 إلى 150 واط متر مربع.

يمكن استثناء 12٪ إلى 15٪.

نظرًا لأن حدود كسب البلورات يمكن أن تحبس الإلكترونات ، فإن الكفاءة منخفضة بشكل كبير.

تتميز الألواح متعددة الكريستالات بمعامل حراري منخفض ، مما يعني أن درجات الحرارة المرتفعة أقل قليلاً.

على الرغم من أنها تتطلب مساحة صغيرة للتركيب ومتاحة على نطاق واسع ، إلا أنها أقل إنتاجية من الألواح الشمسية أحادية البلورية.

لوحة شمسية أحادية السليكون

يتم قطع لوحة السيليكون أحادية البلورية من السبائك ، مما يمنح اللوحة تخطيطًا متسقًا.

يصعب إنتاج هذه البلورات ذات الحجم الفلكي لأنها نادرة ، وعملية إعادة التبلور مكلفة للغاية.

نسبة الطاقة إلى الحجم كبيرة ، بكفاءة 135-170 واط لكل متر مربع.

علاوة على ذلك ، تتمتع بعض الوحدات الآن بتحويل كفاءة بنسبة 18٪.

العيب الرئيسي هو أنها حساسة للظل والغبار.

حتى لو كانت خلية واحدة فقط من الألواح الشمسية في الظل ، فإن أدائها سينخفض إلى 20٪.

لوحة شمسية غير متبلورة أو رقيقة

من خلال ترسيب البخار ، يتم رش السيليكون على الركيزة.

تحتوي مياه السيليكون على طبقة بسماكة 1 ميكرون ، مما يشير إلى أنها تتطلب طاقة أقل لتوليدها وأقل كفاءة من المياه الأحادية أو متعددة الكريستالات.

إنه يعمل بشكل ممتاز في البيئات الأكثر سخونة مقارنة باللوحتين الأخريين ، لكنه يشغل مساحة أكبر.

نظرًا لأنه يستخدم كمية أقل من السيليكون ولا يحتوي على إطار من الألومنيوم ، يتم تقليل الكفاءة الكلية تلقائيًا.

يقلل تأثير Staebler-Wronski من كفاءة الوحدة ، والسبب الأساسي هو أن التعرض الطويل لأشعة الشمس يسبب تشوهًا في كثافة السيليكون غير المتبلور.

ما هو الغرض من عاكس نظام الطاقة الشمسية؟

العاكس هو المكون الأكثر كثافة في العمل في نظامك الشمسي.

وتتمثل وظيفتها الأساسية في تحويل التيار المباشر المتدفق من الألواح الشمسية إلى التيار المتردد (AC) المستخدم في منزلك.

بصرف النظر عن هذه الوظيفة الأساسية ، تقوم محولات الطاقة الشمسية بثلاث مهام إضافية: تتبع الجهد ، واتصال الشبكة ، والإغلاق في حالات الطوارئ.

إن محولات الألواح الشمسية هي المسؤولة عن المراقبة المستمرة لجهد نظامك الشمسي لتحديد الطاقة المثلى التي يمكن أن تعمل بها الألواح الشمسية الخاصة بك ، مما يضمن أن الألواح تولد أكثر وأنظف طاقة في جميع الأنحاء.

تستخدم المحولات خارج الشبكة بشكل عام تقنية موجة جيبية معدلة أقل تكلفة.

في المقابل ، تولد محولات الطاقة الشمسية المنزلية المرتبطة بالشبكة موجة جيبية نقية من كهرباء التيار المتردد ، مما يضمن أن أجهزتك المنزلية الحساسة تعمل بسلاسة وكفاءة.

يجب أن تتواصل محولات الطاقة الشمسية مع شبكة الطاقة.

تتأكد العواكس من عدم وجود طاقة من الألواح الشمسية الخاصة بك تصل إلى خطوط النقل خارج منزلك في حالة انقطاع التيار الكهربائي على المدى القصير.

وهذا يضمن عدم تعرض الخبراء الذين يقومون بإصلاحات الأسلاك للتشويش.

عندما لا يحتاج منزلك إلى طاقة أو تكون بطارياتك ممتلئة ، فإن العاكسات الخاصة بك تغذي أحمال الطاقة في الشبكة (إذا كنت قد قمت بتوصيلها بنظامك الشمسي).

هناك حاجة أيضًا إلى إغلاق العاكسات إذا اكتشفوا قوسًا كهربائيًا خطيرًا ، والذي يحدث بسبب تقادم النظام وتدهور المواد داخل الأسلاك والألواح الشمسية في منزلك.

تتفوق بعض المحولات على غيرها عندما يتعلق الأمر بإغلاق الأمان.

خيارات العاكس لنظام الطاقة الشمسية الخاص بك

من أهم القرارات التي يجب اتخاذها عند تثبيت نظام الألواح الشمسية لمنزلك هو نوع العاكس الذي يجب استخدامه.

تعد العواكس ضرورية للأداء المستمر لنظام الطاقة الشمسية الخاص بك بسبب إلكترونيات الطاقة المعقدة والبرامج الموجودة بداخلها.

هناك 4 أنواع رئيسية من محولات الطاقة الشمسية للاختيار من بينها:

محولات الأوتار

تم تصميم عاكس السلسلة للعمل مع الألواح المربوطة بشكل أساسي معًا في مجموعات.

يتم إرسال كل كهرباء التيار المستمر المتولدة عن طريق الألواح أسفل الخط مرة واحدة إلى العاكس للتحويل إلى التيار المتردد.

يمكن لعواكس الأوتار التعامل مع مجموعات متعددة من الأوتار ، وقد تحتاج إلى أكثر من واحدة ، اعتمادًا على حجم تركيب الطاقة الشمسية.

افترض أن إحدى اللوحات مظللة بالأشجار في وقت معين من اليوم.

في هذه الحالة ، تتدهور كفاءة المجموعة بأكملها نظرًا لأن ناتج الإنتاج يعتمد على أداء اللوحة الشمسية الأسوأ أداءً.

عادة ما تدوم محولات الأوتار من 10 إلى 15 عامًا.

يمكن أن يستمر بعضها لمدة تصل إلى 20 عامًا إذا تم تركيبها في مكان بارد وجيد التهوية بعيدًا عن أشعة الشمس المباشرة.

Microinverters

عندما تم اختراق عدد قليل من الألواح بسبب الظل أو التلف أو وجود الكثير من براز الطيور ، ابتكر بعض المهندسين الأذكياء مفهوم المحولات الشمسية الدقيقة لحل مشكلات أداء النظام.

تقوم أجهزة Microinverters بمهمة تحويل DC إلى AC في الجزء الخلفي من كل لوحة.

حتى في ظل ظروف التظليل المتغيرة ، فإن المستويات القصوى لتدفق التيار الكهربائي المتناوب (AC) من الألواح الشمسية إلى منزلك وتكشف شبكة الطاقة أن استخدام المحولات الدقيقة بدلاً من محولات السلسلة ينتج عنه زيادة بنسبة 27٪ في الكفاءة في التركيبات الشمسية المظللة جزئيًا.

يؤدي وجود مكون في كل لوحة أيضًا إلى تمكين مراقبة اللوحة الفردية ، والتي تنبهك إلى أي مشكلات غير متوقعة في الأداء.

محسنات الطاقة

يتم توصيل مُحسِنات الطاقة ، على غرار المحولات الدقيقة ، بالجزء الخلفي من كل لوحة شمسية وتسمح بتتبع اللوحة الفردية.

ومع ذلك ، فهم لا يحولون الكهرباء من التيار المستمر إلى التيار المتردد.

بدلاً من ذلك ، يراقبون الجهد وحالة تيار التيار المستمر الذي يمر عبر سلاسل الألواح الشمسية الخاصة بك لضمان إرسال أقصى قدر من الطاقة إلى العاكس.

يتم توجيه كهرباء التيار المستمر المحسَّنة والمكيفة إلى عاكس أصغر معدل ، والذي يحول طاقة التيار المستمر إلى تيار متردد (AC).

تعد إعدادات مُحسِّن الطاقة أقل تكلفة من المحولات الدقيقة وأكثر موثوقية وتسمح بتوسيع النظام البسيط.

نظرًا لأن البطاريات والألواح الشمسية تتحدث بنفس لغة التيار المستمر ، فإن مُحسِّن الطاقة يعد مثاليًا لأنظمة النسخ الاحتياطي للبطارية.

يمكن للطاقة من الألواح الشمسية الخاصة بك شحن البطاريات الخاصة بك مباشرة ، مما يمنع خسائر النظام الناتجة عن تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد والعودة إلى التيار المستمر.

محولات هجينة

مع التركيز المتزايد على الموثوقية واستقلال الطاقة ، من المهم ملاحظة أن المحولات الهجينة تكمل أيضًا أنظمة النسخ الاحتياطي للبطارية المنزلية.

يمكن للمحولات الهجينة تحويل كهرباء التيار المستمر من الألواح الشمسية إلى التيار المتردد لمنزلك ، وكذلك كهرباء التيار المتردد من الشبكة إلى التيار المستمر لشحن بنك البطارية الخاص بك.

وهي تشمل أيضًا وحدة تحكم في الشحن ، والتي تكتشف بذكاء وقت توجيه الكهرباء إلى البطاريات أو الدوائر المنزلية أو الشبكة ، أو متى تستمد الكهرباء من الشبكة لشحن البطارية.

تحتوي بعض المحولات الهجينة على أوضاع مختلفة يمكن تثبيتها لتشغيل الدوائر الرئيسية في المنزل عندما تكون الشبكة معطلة.

أجهزة وعدادات نظام الطاقة الشمسية

تتوفر الألواح الشمسية سابقة الهندسة مع جميع المكونات التي تحتاجها ، وصولاً إلى الصواميل والمسامير ، للشراء.

بالنظر إلى وصف موقعك واحتياجاتك ، يمكن لأي بائع جيد الحجم وتحديد الأنظمة لك.

ومع ذلك ، فإن معرفة أجزاء النظام والأنواع المختلفة المتاحة ومعايير الاختيار ضرورية.

تعمل أدوات الحماية من الصواعق على منع نظامك من ارتفاعات الجهد التي قد تحدث إذا ضرب البرق الألواح الشمسية أو شبكات الطاقة القريبة.

زيادة الطاقة هي زيادة كبيرة في الجهد فوق جهد التصميم.

تستخدم الألواح الشمسية بشكل أساسي نوعين من العدادات:

فائدة كيلوواط ساعة متر

يقيس عداد الكهرباء بالكيلوواط / ساعة كمية الكهرباء المقدمة إلى الشبكة أو المستلمة منها.

عادة ما تستخدم شركات المرافق عدادات ثنائية الاتجاه مع شاشة رقمية في المنازل التي تحتوي على أنظمة كهربائية شمسية لتتبع الكهرباء بشكل منفصل في كلا الاتجاهين.

ستتيح لك بعض شركات الطاقة استخدام مقياس قياسي يمكنه الدوران للخلف.

في هذه الحالة ، يدور عداد المنفعة للأمام عند سحب الطاقة من الشبكة والعكس عندما يقوم نظامك بتغذية أو "دفع" الطاقة إلى الشبكة.

عداد النظام

يراقب عداد النظام ويعرض حالة النظام وفعاليته.

توليد الطاقة من خلال الوحدات ، والطاقة المستخدمة ، وشحن البطارية هي أمثلة على النقاط المراقبة.

من الممكن تشغيل نظام بدون عداد النظام ، ولكن ينصح بشدة باستخدام العدادات.

نظرًا لأن وحدات التحكم في الشحن الحديثة تتضمن وظائف مراقبة النظام ، فقد لا تكون هناك حاجة إلى مقياس نظام منفصل.

قطع نظام الطاقة الشمسية

تعمل قطع الاتصال الآمنة ، التلقائية واليدوية ، على حماية الأسلاك والوحدات من طفرات الجهد وأعطال النظام الأخرى.

كما أنها تضمن إمكانية إغلاق النظام بشكل آمن وأنه يمكن إزالة الأجزاء للإصلاح والصيانة.

بالنسبة للأنظمة المتصلة بالشبكة ، تتأكد فواصل الأمان من عزل معدات التوليد عن الشبكة ، وهو أمر بالغ الأهمية لسلامة موظفي المرافق.

بشكل عام ، يتطلب كل مصدر طاقة أو جهاز تخزين طاقة في النظام قطع الاتصال.

ليس من الضروري دائمًا أن يكون لديك فصل مختلف لكل وظيفة من وظائف النظام.

على سبيل المثال ، إذا تم وضع العاكس بالخارج ، فيمكن أن يعمل فصل التيار المستمر كصفيف فصل التيار المستمر وفصل العاكس DC.

أثناء صيانة أي مكون ، ضع في اعتبارك ما إذا كان إهمال فصل منفصل سيسهم في حدوث حالة خطيرة.

ضع في اعتبارك أيضًا موضع قطع الاتصال.

قد يؤدي قطع الاتصال في موضع غير ملائم إلى ميل إلى ترك الطاقة قيد التشغيل أثناء الصيانة ، مما يشكل خطرًا على السلامة.

يساعد فصل المكون DC على إيقاف تدفق التيار الكهربائي بشكل آمن من لوحة الطاقة الشمسية أثناء إجراء الصيانة أو اكتشاف الأعطال.

للحماية من ارتفاعات الجهد ، قد يشتمل فصل الصفيف DC أيضًا على قواطع دوائر متكاملة أو صمامات.

يتم استخدام فصل العاكس DC ، بالتزامن مع فصل التيار المتردد العاكس ، لفصل العاكس بشكل آمن عن النظام بأكمله.

في معظم الحالات ، يعمل فصل التيار المستمر للعاكس أيضًا عند فصل الصفيف DC.

يقوم فصل التيار المتردد العاكس بفصل الألواح الشمسية عن أسلاك المنزل وكذلك الشبكة.

عادة ما يتم تثبيت فصل التيار المتردد داخل اللوحة الكهربائية الرئيسية للمنزل.

لنفترض أن العاكس ليس قريبًا من شركات الطاقة.

في هذه الحالة ، يتطلب الأمر عادةً فصلًا خارجيًا للتيار المتردد يكون آمنًا وله شفرات مرئية ويتم تثبيته بجوار شبكة المرافق لسهولة الوصول إليه.

لن يفي فصل التيار المتردد الموجود داخل اللوحة الكهربائية أو كجزء من العاكس بهذه المواصفات.

تعد إزالة العداد نفسه أحد الخيارات التي تنطبق على بعض شركات المرافق مثل فصل التيار المتردد الذي يمكن الوصول إليه ، ولكن هذا ليس هو المعيار.

قم بزيارة شركة المرافق للتأكد من مواصفات توصيل الشبكة قبل شراء المعدات.

اللوحة الكهربائية ، يجب تركيب فصل إضافي للتيار المتردد بالقرب من العاكس.

وحدات نظام الطاقة الشمسية

الوحدة الشمسية هي جوهر نظام الطاقة الشمسية.

يقوم المنتج بتوصيل العديد من الخلايا الشمسية معًا لإنشاء وحدة شمسية.

عندما يتم تثبيت الوحدات الشمسية في مكان ما ، يتم توصيلها في سلسلة لتشكيل سلاسل.

ربط سلاسل من الوحدات في شكل صفيف متوازي.

تستخدم الأنظمة الكهروضوئية السكنية المتصلة بالشبكة وحدات ذات مخرجات طاقة مصنفة تتراوح من 100 إلى 300 واط.

الطاقة المقدرة هي الطاقة المثلى التي يمكن أن تولدها اللوحة باستخدام 1000 واط من أشعة الشمس لكل متر مربع في الهواء الساكن عند درجة حرارة الخلية 25 درجة مئوية.

عادة ما تكون الأنظمة المعقدة التي لا تستخدم البطاريات سلكية لتوليد 235 فولت إلى 600 فولت.

تُستخدم أيضًا الفولتية الأعلى في الأنظمة القائمة على البطارية ، على الرغم من أن معظم أجهزة التحكم في الشحن لا تزال تتطلب جهدًا أقل من 12 فولت أو 24 فولت أو 48 فولت لاستكمال جهد سلسلة البطارية.

نظرًا لأن أسعار الوحدات وقدراتها تتغير باستمرار مع تحسن التقنيات وتقنيات الإنتاج ، فمن الصعب تقديم توصيات ستكون صحيحة في المستقبل ، مثل نوع الوحدة الأقل تكلفة أو الخيار الأفضل بشكل عام.

يجب أن تستند المقارنات إلى التفاصيل الحالية التي قدمها المنتجون والإرشادات الصارمة لاستخدامك.

ستحتوي الوحدات عالية الأداء على نسبة واط إلى مساحة أكبر.

كلما زادت الكفاءة ، قلت المساحة (أي عدد أقل من الوحدات) اللازمة لتحقيق نفس خرج الطاقة للوحة.

ستعمل الوحدات النمطية الأكثر كفاءة على تقليل تكاليف التثبيت ، ولكن يجب موازنة ذلك مع التكلفة الأكبر للوحدات.