الطاقة الشمسية الكهربائية (Solar Electric)
مقدمة
طاقة الكهرباء الشمسية تختلف اختلاف كبير عن الطاقة الشمسية الحرارية، وهي تعتمد على اشعة الشمس فقط لا على حرارتها بل ان حرارة الشمس تضرها وتقلل من فعاليتها.
الطاقة الشمسية الكهربائية تعتمد على الالواح والتي تسمى فوتوفولتايك (Photovoltaic) والتي تعني الكهرباء الضوئية.
اكتشاف الطاقة الشمسية الكهربائية بداء في عام 1839 م حين اكتشف العالم ألكسندر انه عند تعرض مادة معينة لأشعة الشمس تؤدي الى حركة الالكترونات في هذه المادة مما يعطى المجال لإنتاج تيار كهربائي.
انتظر العالم تقريبا 100 سنه ليحاول تطبيق هذه النظرية، في عام 1883 م قام أحد العلماء بمحاولة تطبيق هذه النظرية ثم اتي اينشتاين ليثبت بطريقة عملية حركة الالكترونات عند تعرض مواد معينة لأشعة الشمس.
كانت هذه العملية تنتج كهرباء قليل وانتظر العالم أيضا ما يقارب 50 سنة أخرى لتطبيق هذه التجربة.
أول استخدام لها بشكل عملي في الفضاء عندما احتاج الانسان ان يحصل على الطاقة بعيدا عن مصادر الطاقة المعروفة، ففي عام 1950 م استخدمت ناسا شركة الفضاء الامريكية الواح طاقة شمسية لتشغيل أجهزة الاتصالات مع الأقمار الصناعية.
لم يبدأ استخدام الطاقة الشمسية بشكل تجاري الا في عام 1975 م. من بعدها بدأت صناعة الواح الطاقة تتطور
خلايا الواح الطاقة الشمسية
تعمل خلايا الواح الطاقة الشمسية عن طريق وضع طبقتين من مادة السليكا احداها مدمج مع مادة الفسفور مما ينتج خليط به زيادة بعدد الالكترونات وطبقة من سبيكة سليكا مدمجة بمادة البورون يكون بها نقص بعدد الالكترونات وعند وضع موصل بين هاتين الطبقتين وتعرضها لأشعة الشمس تتحرك الالكترونات ما بين الطبقتين لأخذ او طرد الالكترونات والذي بدورة ينتج الكهرباء
في البداية كان تصنيع هذه الخلايا مكلف لان انتاج مادة السليكا مكلف، هبطت أسعارها خلال العشر سنوات الماضية أكثر من النصف.
منذ عام 2014 م وأسعار الواح الطاقة الشمسية بهبوط مستمر، مما ساعد على انتشارها فأسعارها تهبط بمعدل الثلث سنويا.
العائد الاقتصادي للطاقة الشمسية الكهربائية
ان استخدام الطاقة الشمسية ينتشر في العالم انتشار سريع فقد وصلت بعض الدول الى نسبة تصل الى اكثر من 30% من انتاج طاقتها من خلال الطاقة الشمسية ومازال السباق محموم في اتجاه استخدام الطاقة الشمسية بشكل اكبر.
مع انخفاض أسعارها كثير من المنازل حول العالم تستخدم الطاقة الشمسية اما بشكل مستقل او كداعم لاستخدام الطاقة المنزلية.
اجرى مركز أبحاث الطاقة الأمريكي (IRE ) دراسة عن المساحة المطلوبة من الالواح لتغطي كل احتياج الولايات المتحدة الامريكية من الطاقة فاظهرت نتيجة هذا البحث ان مساحة بحجم اصغر ولاية أمريكية وهي روود ايلاند والتي تقدر بي 3140 كم مربع مع ولاية نيوهامشير ومساحتها تقريبا 24217كم مربع لو استغلت مساحه بحجمهما معا اي 27357 كلم مربع لزرع الواح الطاقة الشمسية تستطيع ان تغطي جميع احتياج الولايات المتحدة الامريكية من الطاقة ومن جميع المصادر ولوقت طويل , ومساحة الولايات المتحدة الامريكية تقريبا 9629091 كلم مربع , أي ان نسبة المساحة المطلوبة من الالواح 0.28 وعند تطبيق هذه النسبة على مساحة المملكة العربية السعودية وهي 2150000 كلم مربع , تصبح المساحة المطلوبة من الالواح لتغطية احتياج الطاقة في السعودية تقريبا 6020كلم مربع .
والصورة التالية توضح حجم هذه المساحه بالنسبة للملكه العربية السعودية
تأسيس هذه الطاقة يعتبر مكلف مقارنه مع الاخريات , لكنه على المدى البعيد له مردود كبير , الناس غالبا لا ترغب ان تدفع مقدما لأشياء حتى لو كان مردودها مفيد على المدى البعيد.
تخيل ان يطلب منك ان تدفع فواتير جوالك لعشر سنوات بثلاث ارباع السعر وبعد عشر سنوات يصبح مجاني . هذا ما تواجهه الطاقة الشمسية بالوقت الحالي تكلفة انشائها مرتفع مقارنه بمولد كهربائي مع ان المولد يحتاج صيانة ووقود وإصلاح اما أنظمة الطاقة الشمسية لا تحتاج الى صيانة كمثيلاتها والوقود مجاني، كما ان العمر الافتراضي لألواح الطاقة الشمسية هو 25 سنه هذا هو الضمان المصنعي مع انها تستمر لفتره أطول.
الأجزاء الرئيسية لأنظمة الطاقة الشمسية الكهربائية
- الواح الطاقة الشمسية ( Solar Panel ).
- منظم التحكم بشحن البطاريات ( Charge Controller ).
- محول الكهرباء من تيار مستمر الى تيار متردد ( Inverter ).
- البطاريات ( Battery ).
- ادوات تثبيت الالواح ( Panel Mounting System )
الواح أنظمة الطاقة الشمسية (Solar Power Panel)
الطاقة الشمسية الكهربائية بدأت عندما ظهرت الواح الطاقة الشمسية فهي أساس أنظمة الطاقة الشمسية
يوجد ثلاث أنواع رئيسية لألواح الطاقة الشمسية الكهربائية.
- الواح مونو كرستلين (Monocrystalline).
- الواح بولي كرستلين (Polycrystalline).
- الواح مسحوق السيلكون الرقيقة (Thin Film Amorphous Silicon).
افضل هذه الأنواع هو مونو كرستلين (Monocrystalline) , وهي عباره عن شرائح سيلكونية تصمم بطريقه معقدة لهذا سعرها اعلى من الاخريات , ولها مقدره اكبر على تحمل الحرارة , كما ان فعاليتها اعلى.
النوع الثاني بولي كرستلين (Polycrystalline) وهي اقل فعالية بشيء بسيط عن المونو كرستلين وصناعته اسهل بدون تقطيع لشرائح السيلكون بل اذابتها ودمجها لهذا يكون لها لون ازرق كرستالي.
النوع الثالث والأخير هو مايعرف بمسحوق السيلكون الرقيق (Thin Film Amorphous Silicon) , من مسماه هو عباره عن مسحوق كرستلين السيلكا يتم نشره على جميع الاجسام , وهو مرن يستخدم عند الحاجه الى الواح مرنه ويمكن رشه على الاسطح المختلفة , هو اقل الالواح فعالية وكفائه.
هناك نوع اخر يوجد في مراكز الأبحاث الامريكية ويتعامل معه بسرية ويسمى ملتي جنكشن (Multi Junction) وهذا النوع متعدد الربط وليس كخلايا الألواح الأخرى رابط واحد، فعاليته تصل الى 47%وهذا الرقم كبير اكثر من ضعف ما هو موجود في الأسواق حاليا. والرسم البياني التالي يوضح فعالية الالواح منذ عام 1975 م , الخط البنفسجي هو مايعرف بملتي جنكشن بنل , اللون الأزرق والاخضر والاحمر هي الالواح الأخرى المتوفرة تجارياً.
منظمات الشحن (Charge Controller)
مهمة منظم الشحن الرئيسية هي التنظيم والتحكم بشحن البطاريات، فمن أكبر الأشياء التي تضر البطاريات وتنقص من عمرها الافتراضي او تسبب في تلفها هو اما بشحنها زيادة عن حدها الأعلى او انخفاض الشحن أدني من حدها الأدنى.
للمحافظة على البطاريات واعطائها الشحن المناسب في الوقت المناسب مع تنظيم وتحكم بشحنها من الضروري استخدام منظم الشحن (Charge Controller).
منظم الشحن في نظام الطاقة الشمسية الكهربائية يقع بين الألواح والبطاريات كما هو موضح بالشكل ادناه.
الاطلاع على الباب الخاص بمنظمات شحن البطاريات لمعرفة المزيد.
بطاريات أنظمة الطاقة الشمسية (Solar Power Batteries)
البطاريات تستخدم لتخزين التيار الكهربائي المستمر (DC) ، بطاريات أنظمة الطاقة الشمسية تختلف عن البطاريات التي تستخدم للسيارات، هي بطاريات تسمى بطاريات الشحن العميق (Deep Cycle) وهذا يعني انها قابلة للشحن لفتره طويلة.
من المهم معرفة ان البطاريات هي لتخزين الطاقة الكهربائية الذي تنتجه الالواح اثناء النهار ومن ثم استخدامها لإعطاء الكهرباء اثناء غياب الشمس.
بطاريات أنظمة الطاقة الشمسية تحتاج الى عناية خاصة ويجب ان تبقى مشحونة طوال الوقت بما لا يقل عن 50% ، ان تخفيض نسبة شحنها الى اقل من هذه النسبة ينقص من عمرها الافتراضي، غالبا بطاريات الشحن العميق يصل عمرها الافتراضي من سبع الى عشر سنوات او أكثر إذا تم العناية بها اما في حالة تخفيض نسبة شحنها الى اقل من هذه النسبة باستمرار ربما يجعل البطاريات لا تستمر أكثر من سنه.
أسعار البطاريات مرتفع وتصل قيمة البطارية الواحدة من 700 ريال الى 1200 ريال ونظام الطاقة الشمسية يحتاج عدد من البطاريات يسمى بنك البطاريات، معرفة عدد البطاريات التي يحتاجه النظام له طريقة حساب بسيطة سيتم توضيحها في الباب الخاص بحساب مقاس أنظمة الطاقة الشمسية.
تنقسم بطاريات أنظمة الطاقة الشمسية الى نوعين رئيسيين.
- بطاريات اسيد الرصاص المغمورة (Flooded Lead Acid).
- بطاريات اسيد الرصاص المغلقة (Sealed Lead Acid).
لمعرفة المزيد الاطلاع على الباب الخاص بالبطاريات
محولات أنظمة الطاقة الشمسية (Solar Power Inverter)
من اهم مكونات أنظمة الطاقة الشمسية هو المحول فغالبا مقاس وفعالية النظام بأكمله يدور حول كفاءة وحجم المحول.
من الضروري اختيار المحول المناسب لنظام الطاقة الشمسية الكهربائية ذو الكفاءة والجودة العالية.
يوجد في الأسواق كثير من المحولات الرخيصة والرديئة والخطرة ذات فعالية منخفضة. إن معرفة ماهي المحولات وطرق عملها ومواصفاتها وانواعها ودرجات كفاءتها وجودة صناعتها مهم.
مهمة المحول الرئيسية في نظام الطاقة الشمسية الكهربائية هو تحويل التيار المستمر (DC) القادم من الالواح او البطاريات الى تيار متردد (AC) , ومن المعلوم ان اغلب الأدوات والأجهزة الكهربائية تعمل على التيار المتردد .
الشكل التالي يوضح الفارق بين موجات التيار المستمر والتيار المتردد.
موقع المحول في نظام كهرباء الطاقة الشمسية هو ما بعد الالواح او البطاريات وذلك على حسب نوعية النظام المستخدم .
الشكل التالي يوضح موقع المحول في النظام المنفصل عن الشبكة الكهربائية (Off Grid).
لمعرفة المزيد الاطلاع على الباب الخاص بمحولات انظمة الطاقة الشمسية
انظمة الطاقة الشمسية الكهربائية
انظمة الطاقة الشمسية الكهربائية تصمم بطرق مختلفة، يمكن حصرها بخمس طرق رئيسية ، وهي كالتالي:
- النظام المباشر ( PV Direct ).
- النظام المتصل بالشبكة ( Grid Tied System ).
- النظام المنفصل عن الشبكة ( Off Grid ).
- النظام المزدوج متصل ومنفصل ( Grid Tied With Battery Backup System ).
- النظام الهجيني المتعدد ( Hybrid System ).
كل نظام له طرق ومواصفات مختلفة حتى الأجهزة المستخدمة ومنها الألواح تصمم مصنعيا ًلكي تعمل على أحد هذه الأنظمة.
النظام المباشر ( PV Direct ).
النظام المباشر من مسماه هو نظام يعمل مباشرتاً من الالواح فلا يحتاج بطاريات ولا محول او منظم فقط توصيل الالواح الى الجهاز المراد تشغيله وهو فقط يعمل في النهار عند طلوع الشمس ويتوقف عمله عند غيابها والأجهزة التي تتصل بهذا النظام لابد ان تعمل على التيار المستمر ( DC ). يستخدم هذا النظام غالبا لتشغيل مضخات المياه اثناء النهار لتعبئة الخزانات او لسقاية المحاصيل وهو مفيد جداً وتكلفته بسيطة.
الشكل التالي يوضح كيفية تصميم هذا النظام.
النظام المتصل بالشبكة ( Grid Tied System ).
هو النظام المتصل بشبكة الكهرباء الخارجية القادمة من شركة الكهرباء , هذا النظام يستخدم غالبا في المنازل التي ترغب بتخفيض فاتورة الكهرباء ويستخدم كثيرا في دول العالم بل هو النظام الأكثر استخداما وهو مفيد خصوصا ان شركة الكهرباء في كثير من الدول عندما ينتج المستخدم كهرباء اثناء النهار فوق حاجته يستطيع ان يبيع الفائض على شركة الكهرباء او ان عداد المنزل يدور بالسالب مما يسمح استخدام كهرباء الشبكة ليلاً بدون تكلفة .
يحتاج هذا النظام بالإضافة الى الالواح محولات (Inverter) من نوع خاص تسمح بتزامن الموجات الكهربائية القادمة من المحول والقادمة من الشبكة , كذلك الالواح غير مقيدة كالأنظمة التي تعمل بالبطاريات فبإمكانها ان تكون بقوه عالية لهذا يوجد محولات والواح مخصصة للعمل وفق هذا النظام.
كثير من شركات الكهرباء تفرض على مستخدمي هذا النظام ان يتم فصل التيار عن المنزل عندما تنقطع الكهرباء في الشبكة وذلك لسلامة عاملي صيانة الشبكة حتى لا يمر التيار القادم من المنازل الى أماكن الأعطال اثناء الصيانة.
الشكل التالي يوضح كيفية تصميم هذا النظام.
النظام المنفصل عن الشبكة ( Off Grid ).
هو النظام المنفصل عن شبكة الكهرباء الخارجية القادمة من شركة الكهرباء، هو نظام مستقل تماما عن الشبكة وهذا النظام هو أساس أنظمة الطاقة الشمسية او بمعنى اصح هو اول تصميم لأنظمة الطاقة الشمسية الكهربائية.
مكونات هذا النظام هي الالواح والبطاريات ومنظم الشحن والمحول، تقريبا جميع عناصر أنظمة الطاقة الشمسية متواجدة في هذا النظام , تكلفة هذا النظام هي الأعلى وذلك لتعدد عناصره خصوصا البطاريات ذات القدرات المحدودة والتكلفة العالية.
الشكل التالي يوضح كيفية تصميم هذا النظام.
النظام المزدوج متصل ومنفصل (Grid Tied With Battery Backup System).
هو النظام المزدوج متصل ومنفصل عن شبكة الكهرباء الخارجية القادمة من شركة الكهرباء، من مسماه هو نظام يجمع بين خصائص المتصل والمنفصل وهو أفضل الأنظمة وذلك لقدرته على الاستقلالية عن شركة الكهرباء وبنفس الوقت يستطيع ان يبيع الكهرباء الزائدة على شركة الكهرباء او تخزينها لاستخدامها عند انفصال الشبكة.
هذا النظام يحتوي على جميع العناصر والمواصفات الموجودة في النظام المتصل والمنفصل.
الشكل التالي يوضح كيفية تصميم هذا النظام.
النظام الهجيني المتعدد ( Hybrid System ).
هذا النظام يستخدم طريقتين او أكثر من الطاقة المتجددة لتوليد الكهرباء بالإضافة الى الألواح يستخدم توربينات الهواء او توربينات المياه.
من أكثر الأنظمة فعالية إذا توفرت هذه العناصر وهذ النوع غالبا يستخدم بشكل ضخم وصناعي او من قبل شركات الكهرباء ويمكن ان يصمم مثله على شكل مصغر هذا النظام يتطلب مضاعفة منظمات الشحن وكذلك له محولات خاصة تعمل وفق هذا النظام.
الشكل التالي يوضح كيفية تصميم هذا النظام.
اتجاه الواح أنظمة الطاقة الشمسية
الواح الطاقة الشمسية لابد ان توجه الى زاوية واتجاه الشمس، دائما اتجاه الالواح في جميع الدول التي تقع شمال خط الاستواء جنوباً والمملكة العربية السعودية تقع شمال خط الاستواء إذا اتجاه الالواح يكون جنوبا.
تبقى الزاوية وهي تختلف من مدينة الى أخرى وذلك على حسب موقع الشمس وهي تختلف من فصل الى فصل في الشتاء لها زاوية والصيف زاوية أخرى والخريف كذلك، ايضاً الزاوية السمتية وهي شروق وغروب الشمس من الشرق الى الغرب.
تتبع الشمس طوال الوقت غير عملي مع انه الأفضل لهذا غالبا يتم تثبيت الالواح جنوبا بزاوية معدل تحرك الشمس ونحن في المملكة العربية السعودية أفضل زاوية 45 درجة وهي المعدل بين الصيف والشتاء وسوف نتحدث عن حساب الزوايا في جميع مدن المملكة بموضوع مستقل ان شاء الله.
الشكل التالي يوضح حركة الشمس واختلاف زواياها وارتفاعها من فتره الى أخرى.
رد مع اقتباس
