بحث الطاقة الشمسية

[مصطفى نور عناد]

الفصل الأول:الجانب النظري

1-1 المقدمة...

نبض النهضة و التقدم قد بدء ينفذ وكلنا في محاولة إدراك هذا القلق,

وكل منا يسعى في حلول يدرك بها العالم من بدائل تعوضنا أو تأخر نفاذ الذهب الأسود منا وهو البترول. ويتبادر للذهن سؤال هام وهو هل يكون هناك نفط سنة2050م ؟. إن النفط ثروة قابلة للتجديد , فهو في تشكل مستمر في الأحواض الرسوبية إلى أن وتيرة الاستهلاك الحالي والتي تقدر بمقدار3.5 مليار طن سنويا وهي أكبر بألف مرة من وتيرة التجديد . والنفط الذي نستهلكه الآن تشكل في عصور غابرة ) ما قبل 500 مليون سنة ) وإذا استمر هذا الاستهلاك في الارتفاع فإن أقصى حد لانتهاء هذه الثروة هي سنة 2060م. ومنذ أكثر من 50 عاما والبحوث جادة لإيجاد بدائل للطاقة تقوم مقام النفط. تعلو وتيرة الحديث عن البدائل حينا أو تختفي أحيانا أخرى, وما يحرك هذا الحديث أو يقصيه هو غالبا المجال السياسي, ففي تعقيدات الدبلوماسية وعلاقات الدول حينما تنزلق العلاقات إلى مأزق سياسي بفعل ظرف طارئ اقتصادي أو سياسي أو عسكري ترتفع وتيرة بدائل النفط, بل تدخل هذه المسألة مزايدات الساسة في حملاتهم الانتخابية أو في تأسيس مسارات جديدة للعلاقات البينية أو التكتلية بين دولة وأخرى. في الوقت الذي كان الإنتاج يرتفع بنسبة سنوية عالية لتلبية الطلب العالمي المتزايد، ما أدى إلى الوصول إلى ما يسمى الذروة، وهي في نظرنا، "تَسَاوي كمية الإنتاج مع كمية الاستهلاك"، وبعدها يحافظ الإنتاج على مستوى ثابت لفترة زمنية قصيرة قبل أن يبدأ رحلة الهبوط، مع استمرار تنامي الطلب، وهو ما سيثير الهلع والارتباك عند المستهلكين الذين لن يستطيعوا الحصول على ما يحتاجون إليه من الطاقة. إن القلق من تلوث هواء المدن ومن المطر الحمضي وتسرب النفط والمخاطر النووية وارتفاع حرارة الأرض يحث على إعادة تفحص بدائل الفحم والنفط والطاقة النووية ، وعلى الرغم من أن مصادر الطاقة البديلة ليست خالية من التلويث عموماً ، فإنه يوجد مجال واسع من الخيارات التي يكون ضررها البيئي أقل بكثير من مصادر الطاقة التقليدية . إذاً نحن الآن على أبواب عصر جديد، يحتاج فيه العالم إلى مصادر أخرى لتوليد الطاقة، إلى جانب المصادر النفطية الحالية، التي من المؤكد أنها ستظل المصدر الأهم لسنوات طويلة. إن طاقة

1

الشمس تعتبر المصدر الرئيسي للطاقة في كوكب

الأرض ومنها توزعت وتحولت إلى مصادر الطاقة الأخرى سواء ما كان منها مخزون في طاقة الرياح والطاقة الحرارية في جوف الأرض والطاقة المولدة من مساقط المياه أو غيرها من مصادر الطاقة كالفحم الحجري والأخشاب ، وبما أن الطاقة الشمسية هي أهم مصادر الطاقة المتجددة فإن جهود كثير من الدول تتوجه لها بمختلف صورها وترصد لها المبالغ اللازمة لتطوير المنتجات والبحوث الخاصة باستغلال الطاقة الشمسية كإحدى أهم مصادر الطاقة البديلة للنفط والغاز , وقد أعطى النصيب الأوفر في البحوث والتطبيقات لمجال تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء وهو ما يعرف باسم Photovoltaic وهذا المصدر من الطاقة هو أمل الدول النامية في التطور حيث أصبح توفر الطاقة الكهربائي من أهم العوامل الرئيسية لإيجاد البنى الأساسية فيها . إن أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبر التحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسية تقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة إستراتيجية باعتبارها مصدراً طاقوياً مستقبلياً سيكون له الأثر الأكبر في المحافظة على مصادر الطاقة التقليدية ولأغراض أهم واستغلال أثمن علاوة على أن مصدر طاقته مجاني ولا ينضب ونظيف ودون مخلفات أو أخطار. إن مشكلة نضوب مصادر الطاقة التقليدية وتلوث البيئة الناشئ عن شراهة الدول الصناعية في حرق النفط والفحم, ناهيك عن ارتفاع أسعارها وما ترتب على ذلك من مشاكل اقتصادية وخيمة لدول العالم النامي لمن أهم ما يدعونا إلى ضرورة الالتفات إلى ما انعم الله على بلادنا من مصادر للطاقة المتجددة وضرورة استغلالها وإن أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبر التحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسية تقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة إستراتيجية باعتبارها مصدراً طاقوياً مستقبلياً سيكون له الأثر الأكبر في المحافظة على مصادر الطاقة التقليدية ولأغراض أهم واستغلال أثمن علاوة على أن مصدر طاقته مجاني ولا ينضب ونظيف ودون مخلفات أو أخطار,

ومن دراستنا المتواضعة سوف نحاول الابتعاد عن الطاقة التقليدية "البترول" ومشكلاتها ونتطرق في بحثنا عن الطاقة البديلة الحديثة ونفرد موضوع مستقل عن الطاقة الشمسية.

2

1-2 تعريف الخلايا الشمسية :

إن الخلايا الشمسية هي عبارة عن محولات فولتضوئية تقوم بتحويل ضوء الشمس المباشر إلي كهرباء ، وهي نبائظ شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء .

لــقد تم إنــماء تقنيات كثيرة لإنـتــاج الخلايـا الشمسيـــة عبر عــــمــليات متسلسلة من المعالجات الكيميائية والفيزيائية والكهربــائيـــة عـــلى شكــل متكاثف ذاتي الآليــــة أو عالي الآلية ، كمـــا تـم إنماء مــــواد مختلفـــة من أشبــاه الموصلات لتصنيع الخلايـــا الشمسية على هيئة عناصر كعنصر السيليكون أو على هيئة مركبات كمركب الجاليوم زرنيخ وكربيد الكادميوم وفوسفيد الأنديوم وكبريتيد النحاس وغيرها من المواد الواعدة لصناعة الفولتضوئيات .

1-3 ميكانيكية تيار الخلايا الشمسية :

الخلية الشمسية للتطبيقات الأرضية هي رقاقة رفيعة من السيليكون مشابة بمقادير صغيرة من الشوائب لإعطاء جانب واحد شحنة موجبة والجانب الآخر شحنة سالبة مكونة ثنائياً ذا مساحة كبيرة .

تولد الخلايا الشمسية قدرة كهربائية عندما تتعرض لضوء الشمس حيث الضوئيات ( الفوتونات ) والتي يحمل كل منها كماً طاقوياً محدداً يكسب الإلكترونات الحرة طاقة تجعلها تهتز حرارياً وتكسر الرابط الذري بالشبكة بالمادة الشبه موصلة ويتم تحرير الشحنات وإنتاج أزواج من الإلكترون في الفراغ . تنطلق بعد ذلك حاملات الشحنة هذه متجهة نحو وصلة الثنائي متنقلة بين نطاقي التوصيل والتكافؤ عبر الفجوة الطاقوية وتتجمع عند السطح الأمامي والخلفي للخلية محدثة سريان تيار كهربائي مستمر عند توصيل الخلية بمحمل كهربي وتبلغ القدرة الكهربائية المنتجة للخلية الشمسية عادة واحد وات.

3

1-4 أنواع الخلايا الشمسية:

تم تصنيع خلايا شمسية من مواد مختلفة إلا أن أغلب هذه المواد نادرة الوجود بالطبيعة أولها خواص سامة ملوثة للبيئة أو معقدة التصنيع وباهظة التكاليف وبعضها لا يزال تحت الدراسة والبحث وعليه فقد تركز الاهتمام على تصنيع الخلايا الشمسية السيليكونية وذلك لتوفير عنصر السيليكون في الطبيعة علاوة على أن العلماء والباحثين تمكنوا من دراسة هذا العنصر دراسة مستفيضة وتعرفوا على خواصه المختلفة وملاءمته لصناعة الخلايا الشمسية المتبلرة ومتصدعة التبلر .

-1 الخلايا الشمسية السيليكونية المتبلرة :

تصنع هذه الخلايا من السيليكون عبر إنماء قضبان من السيليكون أحادي أو عديد التبلر ثم يؤرب إلي رقائق و تعالج كيميائياً وفيزيائياً عبر مراحل مختلفة لتصل إلي خلايا شمسية .

كفاءة هذه الخلايا عالية تتراوح بين 9 – 17 % والخلايا السيليكونية أحادية التبلر غالية الثمن حيث صعوبة التقنية واستهلاك الطاقة بينما الخلايا السيليكونية عديدة التبلر تعتبر أقل تكلفة من أحادية التبلر وأقل كفاءة أيضاً .

-2 الخلايا الشمسية السيليكونية الأمورفية ( متصدعة التبلور(

مادة هذه الخلايا ذات شكل سيليكوني حيث التكوين البلوري متصدع لوجود عنصر الهيدروجين أو عناصر أخرى أدخلت قصداً لتكسبها خواص كهربية مميزة وخلايا السيليكون الأمورفي زهيدة التكلفة عن خلايا السيليكون البلوري حيث ترسب طبقة شريطية رقيقة باستعمال كميات صغيرة من المواد الخام المستخدمة في عمليات قليلة مقارنة بعمليات التصنيع البلوري. ويعتبر تصنيع خلايا السيليكون الامورفي أكثر تطويعاً وملاءمة للتصنيع المستمر ذاتي الآلية .

تتراوح كفاءة خلايا هذه المادة ما بين 4 – 9 % بالنسبة للمساحة السطحية الكبيرة وتزيد عن ذلك بقليل بالنسبة للمساحة السطحية الصغيرة وإن كان يتأثر استقرارها بالإشعاع الشمسي.

4

تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي :-

1. إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى .

2. توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم.

وقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة ، وهي لا تستهلك وقوداً ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة . ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية ) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه . كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها .

موصفات:

الخلايا الشمسية أحادية السليكون كفاءة عالية، كفاءة التحويل عالية، الاستخدام إلى 25 سنوات أكثر، تخفيف الطاقة لا يتجاوز %20.

5

1-5 أنتاج الطاقة الكهربائية بأستخدام الخلايا الشمسية:

ان الفكرة الأساسية من انتاج الطاقة الكهربية باستخدام خلايا الفوتوفولتيك(pv) والتي تشكل ما يعرف بالخلايا الشمسية وان هذه الخلايا تصنع من مواد اشباه الموصلات مثل السيليكون.

سوف نقوم بشرح الصعوبات والتحديات لاستخدام الخلايا الشمسية لتزودينا بالكهرباء من اشعة الشمس. ولكن قبل ذلك سوف نوضح كم مقدار الطاقة الشمسية التي تمتصها خلية الفوتوفولتيك؟ حيث انها لا تمتص اكثر من 25% من اشعة الشمس. والسؤال المهم لماذا كمية امتصاص الطاقة صغيراً إلى هذا الحد؟

لسوء الحظ إن أكبر كمية تستطيع الخلية إمتصاصها هي حوالي 25% وعلى الأرجح 15% أو أقل .

6

*إن الضوء المرئي هو فقط جزء من المجال الكهرومغناطيسي وإن الطيف الكهرومغناطيسي ليس أحادي اللون إنما يتكون من أطوال موجية مختلفة ولذلك فإن الطاقة تكون على مستويات فتقوم النسبية الخاصة بعمل دراسة جيدة للطيف الكهرومغناطيسي ويمكن أن يجزء الضوء إلى أطوال موحبة مختلفة ونستطيع أن نراهم على شكل قوس قزح طالما أن الضوء الذي يضرب الخلية لديه مدى واسع من طاقة الفوتونات ويظهر بأن البعض منهم ليس لديهم طاقة كافية لتشكيل فتحات إلكترونية مزدوجة وسيعبرون ببساطة عبر الخلية كأنهم شفافون ولكن لازالت الفوتونات المتبقية لديها الكثير من الطاقة فقط كمية معينة من الطاقة قيست في فولطات الإلكترونات (ev) وحددت بمادة الخلية بحوالي (1.1 فولط إلكتروني Ev-- للسيليكون البللوري) تتطلب لخسارة الإلكترونات وإننا ندعو هذا ربط فجوة طاقة المادة, إذا كان لدى الفوتونات طاقة أكثر من الكمية المطلوبة فإن الطاقة الزائدة ستفقد( مالم يكون يكون لدى الفوتونات طاقة ضعف الكمية المطلوبة ويمكن أن يحدث أكثر من زوج واحد من فتحة الإلكترون ولكن تأثيرها لن يكون بهذه الأهمية) وهذين التأثيرين يقومان بتفسير خسارة حوالي 70% من طاقة الإشعاع الذي يحدث في الخلية, لماذا لا نستطيع أن نختار مادة ذات ربط فجوة منخفض وبذلك نستطيع إستخدام أكثر من فوتون؟

ولكن لسوء الحظ إن ربط الفجوة يحدد قوة الجهد الكهربائي للحقل المغنطيسي وإذا كانت منخفضة جداً ماذا سنختلق عندها مع تيار زائد (بإمتصاص فوتونات أكثر) وسنفقد التيار بإمتلاك جهد كهربائي قليل وإن الجهد الكهربائي (القوة الفولطية) تؤقت تياراً, إن ربط الفجوة المثالي يوازن هذان التأثيران بحوالي (1.4 Ev) لخلية صنعت من مادة وحيدة ولدينا أيضاً خسائر أخرى يجب على الإلكترونات أن تتدفق من جهة واحدة إلى جهة أخرى في الخلية من خلال دائرة خارجية, نستطيع تغطية القاع بالمعدن لكي نسمح بالإتصال الجيد ولكن إذا غطينا القمة بالكامل عندها لن تستطيع الفوتونات العبور بالموصل المعتم وعندها نخسر كل التيار (في بعض الخلايا تستخدم الموصلات الشفافة على السقف العلوي وليس على الخلية كلها(

7

إذا وضعنا الموصلات فقط على جوانب الخلية عندها يجب على الإلكترونات أن تجتاز مسافة طويلة جداً حتى تصل إلى الموصلات وتذكر بأن السيليكون شبه موصل وهو ليس ناقل جيد للتيار كالمعدن ومقاومته الداخلية(سلسلة المقاومة) عالية جداً والمقاومة العالية تعني خسائر عالية ولتقليل الخسائر غطيت الخلية بشبكة إتصال معدنية التي تقوم بتقصير المسافة التي تجتازها الإلكترونات عندما تغطي جزء بسيط من سطح الخلية ورغم ذلك فإن بعض الفوتونات مسدودة بالشبكة التي لايمكن أن تكون صغيرة جداً وإلا ستكون مقاومتها الخاصة عالية جد,

عندما يضرب ضوء على شكل فوتونات الخلية تقوم طاقته بتحرير أزواج من الفجوات الإلكترونية و سيقوم كل فوتون مع طاقته الكافية بشكل طبيعي بتحرير إلكترون واحدة بالضبط والذي سيؤدي إلى إقامة فجوات أيضاً وإذا حدث هذا بالقرب الكافي من حقل الإلكترونات أو إذا حدث أن تجولت الإلكترونات الحرة والفتحات الفارغة باتجاه مدار تأثيرها سيقوم الحقل بإرسال الإلكترون إلى الجهة السلبية والفتحات إلى الجهة الإيجابية وسيتسبب ذلك أيضاً بتمزيق الحياد الكهربائي, وإذا قمنا بتزويد طريق تدفق خارجي ستتدفق الإلكترونات من خلال الطريق إلى جهتها الأصلية (الجهة الإيجابية) لتتخذ الفجوات التي قام بإرسالها الحقل الكهربائي إلى هناك لتقوم بعملها على طول الطريق.

8

1-6 متطلبات استخدام الطاقة الشمسية كمصدر للكهرباء:

في البداية، ليس كل لسطح خلية له الاتجاه الصحيح والزاوية المطلوبة لافضل استغلال لاشعة الشمس. كما ان هناك اختلاف لافضل زاوية وافضل توجيه للخلايا الشمسية بين فترتي الصباح والمساء وكذلك بيين فصلي الصيف والشتاء لتستطيع استغلال اكبر قدر من اشعة الشمس طوال العام. كما انه لايجب ان يعترض سطح الخلايا الشمسية اي نوع من الظلال الناتجة عن المباني المجاورة او الاشجار او خلافه والشكل (1-1) يبين افضل زاوية لالوح لخلايا الشمسية في الصيف والشتاء.

شكل رقم (1-1)

9

لنفترض انك قمت بتحديد افضل توجيه للخلايا الشمسية يبقى لك ان تعرف مساحة الخلايا الشمسية المطلوبة، مع العلم بان الطاقة الكهربائية التي سنحصل عليها سوف تعتمد بشكل اساسي على المناخ والذي لايمكن باي حال من الاحوال التنبؤ به ولهذا فإن هناك تغير في مقدار الطاقة الكهربائية حسب المناخ ولكن بامكاننا ان نستعين بالبيانات المتوفرة لدى محطات الارصاد الجوية التي يكون لديها معلومات عن حالة الجو خلال العام بما في ذلك حالة الغبوم والرطوبة. ومن هذه البيانات يتم اتخاذ اسوء الحالات التي تؤثر على مقدار الطاقة الشمسية اللازمة لتوليد الطاقة الكهربية. وبحساب مقدار الطاقة الكهربية اللازمة من خلال تقدير استهلاك الاجهزة الكهربية التي تعمل عادة في نفس الوقت. يمكن ان نقوم بحساب عدد خلايا الفوتوفولتيك اللازمة لتوفير الكهرباء.

1-7 تخزين الطاقة الشمسية:

بالتأكيد، لا أحد يقبل أن تتوفر الكهرباء فقط أثناء اليوم، وفي الايام المشرقة فقط، لذا اتجه التفكير إلى تخزين الطاقة الكهربية في بطاريات. ولكن من الطبيعي اننا سوف نحتاج إلى عدد كبير من البطاريات والتي سوف تضيف اعباء مالية للحصول عليها بالاضافة إلى صيانتها مع صيانة الخلايا الشمسية

وأن الطاقة الكهربية التي تحصل عليها من الخلايا الشمسية او من البطاريات التي اختزنت الطاقة الكهربية تزودك بتيار مستمر وهذا التيار لا يصلح لتشغيل الأجهزة المختلفة. لذا يتوجب تحويل التيار الكهربي المستمر إلى تيار كهربي متردد وهذا يتم من خلال دائرة الكترونية تسمى inverter

10

ملاحظة: يبلغ العمر الافتراضي للخلايا الشمسية حوال 20 سنة وهذا امر مشجع ولكن البطاريات المستخدمة لتخزين الطاقة بالاضافة إلى حاجتها للصيانة الدورية الا انها بحاجة إلى ان تستبدل كل عام هذا بالاضافة الى ضرورة الاحتفاظ بالبطاريات في مكان خاص ومحاطة بجدار غير معدني وجيد التهوية.

1 -7-1البطاريات ذات المدار العميق:

ما هو نوع البطاريات الذي يستعمل في أنظمة الـ(PV) ؟.

بالرغم من أن هناك أنواع مختلفة من البطاريات تستخدم عادةً ولكن هناك ميزة واحدة يجب أن تكون مشتركة بينهم كلهم وهي البطاريات ذات المدار العميق وهي ليست كبطارية السيارة التي تتميز بأنها ذات مدار سطحي, إن البطاريات ذات المدار العميق تستطيع أن تفرغ أكثر من طاقتها المخزونة وأيضاً لديها حياة طويلة أما بطارية السيارة تطلق تياراً كبيراً في وقت قصير ـ لكي تشغل السيارة ـ وثم تعيد الشحن فورا ًعندما تسير السيارة.

إن بطاريات الـ(PV) يجب عليها أن تطلق تياراً أصغر في فترة أطول بشكل عام (مثلاً طوال الليل) بينما تقوم بالشحن خلال النهار, وإن بطاريات المدار الطويل الأكثر إستخداماً هي بطاريات حمض الرصاص وأيضاً بطاريات كاديوم ***ل, وبطاريات كاديوم ***ل أغلى ولكنها تبقى لمدة أطول ويمكن أن تفرغ طاقة بدون أذى وحتى بطاريات حمض الرصاص ذات المدار العميق لا تستطيع إفراغ 100% من الطاقة بدون إختصار حياة البطارية وبشكل عام إن أنظمة الـ(PV) صممت لإفراغ التيار عن طريق بطاريات حمض الرصاص وليس أكثرمن 40 أو 50 %.

11

يتطلب إستخدام البطاريات تركيب عنصر أساسي آخر يدعى المتحكم بالشحن, وستعيش البطاريات أكثر إذا تلقت العناية وذلك بعدم الإفراط بشحن البطارية أو عدم إفراغها كثيراً, وهنا يأتي عمل المتحكم بالشحن, عندما تشحن البطاريات بالكامل فإن المتحكم بالشحن لا يدع التيار في وحدات الـ(PV) يستمر بالتدفق إلى البطاريات وأيضاً عندما تفرغ البطاريات إلى مستوى قد حدد مسبقاً تحت سيطرة قياس الجهد الكهربائي (الفولطية) للبطارية فمعظم المتحكمين بالشحن لن يسمحوا بإفراغ المزيد من التيار من البطاريات حتى تشحن البطارية مرة أخرى, فجهاز التحكم بالشحن ضروري لضمان حياة البطارية الطويل.

1-7-2 قلب التيار المباشر إلى تيار متناوب:

إن المشكلة الأخرى هي إذا أردت إستخدام الكهرباء المولدة من وحدات الـ(PV) التي استخرجت من البطاريات وهو تيار مباشر بينما الكهرباء التي تؤمنها المؤسسة (والنوع الذي يستخدم في كل أدوات المنزل) هو تيار متناوب فأنت في هذه الحالة تحتاج إلى محولة وهي أدات تقوم بقلب التيار المباشر إلى تيار متناوب والشكل (1-2) يبين الدائرة لتوليد وخزن وتحويل الطاقة الناتجة من الخلايا الشمسية تحتوي على محول للتيار inverter) )

12

يجب أن تتبع التعليمات الكهربائية في الأجهزة المتزايدة وتوزيع الأسلاك وصناديق التوصيل ومعدات الأرضية والحماية في التيار وعدم اتصال التيار المباشر والتيار المتناوب وملحقات أخرى, وهي توصي إلى حد كبير بأن التركيب يجب أن ينفذ من قبل كهربائي ذو رخصة وأن يكون لديه خبرة في أنظمة الـ(PV), وعندما يركب النظام فإن متطابات الصيانة في نظام الـ(PV) قليلة جداً (خاصة إذا لم تستخدم أية بطارية) وستقوم بتزويدك بالكهرباء بشكل نظيف وبهدوء لمدة 20سنة أو أكثر.

إن بعض الناس لديهم مفهوم ضعيف عن الطاقة الشمسية( صحيح أن ضوء الشمس مجاني ولكن الكهرباء التي ولدت بأنظمة الـ(PV) ليست كذلك) وكما رأيت من شرحنا حول نظام الـ(PV)البيتي فإنك تحتاج إلى القليل من الأدوات.

13

الشكل رقم (1-2) للدائرة الكهربائية لتوليد وخزن وتحويل الطاقة الكهربائية المتولدة من الخلايا الشمسية

14

إن النجاح في استخدام الطاقة الشمسية يعتمد على العديد من العوامل المتكاملة، نذكر منها:

1- الموقع الجغرافي (قوة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة وسرعة

الرياح.

2- ملائمة النظام الشمسي مع حجم التطبيق.

3- نوعية المنتج (النظام الشمسي(

4- التقنية المستخدمة في تصنيع المنتج (النظام الشمسي) 5- جودة وكفاءة المكونات المستخدمة.

6- طريقة التركيب والتشغيل.

7- خدمة الصيانة والمتابعة

1-8 اسباب فقد الطاقة في الخلايا الشمسية:

1) نوع المادة المستخدمة وطاقة الفوتونات الضوئية

الضوء المرئي هو جزء من الطيف الكهرومغناطيسي. وكما نعلم ان الطيف الكهرومغناطيسي مكون من العديد من الامواج الكهرومغناطيسية المختلفة في الأطوال الموجية. والضوء المرئي ايضا مكون من اطوال موجية مختلفة وهي التي تعرف بالوان الطيف (الاحمر والبرتقالي والاصفر والاخضر والازرق والنيلي. ويمكن فصل الوان الطيف هذه حسب اطوالها الموجية باستخدام المنشور والشكل (1-3)يمثل استخدام المنشور لفصل الوان الطيف وحسب أطوالها الموجيه,

15

الشكل (1-3)يمثل استخدام المنشور لفصل الوان الطيف وحسب أطوالها الموجيه

يمثل كل لون من الوان الطيف موجي محدد ولكل طول موجي طاقة محددة يحملها الفوتون، وهذا الفوتون عندما يسقط على خلية الفوتوفولتيك المكونة من p-type و n-type كما هو موضح في الجزء الأول من هذا الموضوع فإن بعض هذه الفوتونات لا تمتلك الطاقة الكافية لتحرير الكترون وفجوة في الخلية، حيث تنفذ هذه الفوتونات عبر الخلية ولا يتم امتصاصها. وعدد بسيط من فوتونات الضوء تمتلك الطاقة الكافية والتي تصل طاقتها 1 الكترون فولت (1eV) وهي الطاقة اللازمة لتحرير الكترونات من ذرات مادة السليكون.

16

(2) المقاومة الكهربية لمادة السليكون

من العوامل التي تساهم في زيادة الفقد في الطاقة ايضا هو مرور التيار الكهربي الناتج من الخلية الشمسية في دائرة خارجية مما يتطلب ان نقوم بتغطية الطبقة السفلى من الخلية بمادة موصلة للتيار الكهربي، في حين السطح الخرجي الذي يتعرض للضوء لو تم تغطيته ايضا فلن يصل الضوء للخلية وبالتالي لن تعمل، ولهذا يتم في بعض الاحيان وضع طبقة رقيقة جداً من مادة موصلة على اجزاء من السطح الخارجي للخلية. وفي بعض الاحيان يتم وضع وصلات على اطراف الخلية وهذا يجعل الالكترونات تتحرك مسافة كبيرة في خلية الفوتوفولتيك قبل ان تصل لاطراف التوصيل وهذا يزيد قيمة المقاومة (تذكر ان الاكترونات تتحرك في مادة السليكون وهي مادة غير جيدة التوصيل للتيار الكهربي) مما يعمل على زيادة قيمة الفقد في الطاقة.

17

1-9 طريقة عمل الخلايا الشمسية:

الشكل (1-4)يمثل طريقة عمل الخلايا الشمسية

· تسقط الطاقة القادمة من الشمس على شريحة رقيقة من مادة السليكون .. مما يؤدي الى اكتسابها طاقة بسبب حركة الالكترونات

· حركة الالكترونات تولد فرق جهد كهربائي على طرفي الخلية ..

• الطاقة الحرارية تحرر التيار الكهربائي مما يؤدي الى سريانه ..
  
• كلما زادت كمية الإشعاع الساقط على شريحة السيلكون كلما تم أنتاج كمية اكبر من الطاقة ..
  
• يمكن ضبط زاوية سقوط الشمس على الخلية للحصول على اكبر قيمة للتيار .
  
• تتأثر قيمة التيار الكهربائي المتولد بالحرارة المحيطة بالخلية الضوئية .
  

18

1-10 مميزات الخلايا الشمسية:

· هادئة حيث انها لا تصدر أي صوت

· لا تحتوى على أي عناصر ميكانيكية

· عديمة التلوث

· عمرها طويل ولا تتلف

· يمكنها انتاج الطاقة في اي مكان ولا تحتاج الى تمديدات كهربائية

0 تعمل بشكل جديد حتى مع وجود الغيوم .. او برودة الطقس ..

الشكل (1-5) يمثل شكل خلية شمسية

19

1-11 اقتصاديات الطاقة الشمسية :

تعتبر تكلفة المواد الأولية لأجهزة استخدام الطاقة الشمسية أهم عائق يحول دون استخدامها بالإضافة إلي المساحة الكبيرة المطلوبة لوضع هذه الأجهزة المجمعة لأشعة الشمس غير المركزة و بالرغم من كل هذه العوامل فهناك بعض الاستخدامات للطاقة الشمسية تعتبر اقتصادية في الوقت الحاضر ، منها تسخين المياه والاستعمالات الأخرى في المناطق النائية مثل توليد الكهرباء وضخ المياه وتحلية المياه والإشارات الضوئية والبث اللاسلكي والحماية الكاثودية وغيرها .

1-12 بعض مشاكل استخدام الطاقة الشمسية :

إن أهم مشكلة تواجه الباحثين في مجالات استخدام الطاقة الشمسية هي وجود الغبار ومحاولة تنظيف أجهزة الطاقة الشمسية منه وقد برهنت البحوث الجارية حول هذا الموضوع أن أكثر من 50 % من فعالية الطاقة الشمسية تفقد في حالة عدم تنظيف الجهاز المستقبل لأشعة الشمس لمدة شهر .

إن أفضل طريقة للتخلص من الغبار هي استخدام طرق التنظيف المستمر أي على فترات لا تتجاوز ثلاثة أيام لكل فترة وتختلف هذه الطرق من بلد إلي آخر معتمدة على طبيعة الغبار وطبيعة الطقس في ذلك البلد .

20

1-13 تطبيقات الخلايا الشمسية :

تركز الاهتمام على إدخال الفولتضوئيات كمصدر للطاقة المتجددة في التطبيقات الأرضية بغية تطوير التقنية ووسائل الاستخدام في قطاع السكن والصحة والتعليم والصناعة والزراعة والنفط وغيرها في الاستخدامات

الفولتضوئيات الجذابة اقتصادياً وفي المناطق المعزولة والنائية حيث تنقص تكلفة شبكات الكهرباء العامة وتساعد في الإنماء الاقتصادي والتطوير الاجتماعي المحلي .

والمسطحات الفولتضوئية هي مصدر القدرة الكهربائية لهذه التطبيقات ، حيث يتكون المسطح من عدة خلايا (متصلة معاً بصفائح سلكية معدنية ) مغطاة بملف من البلاستيك الحراري مثل أسيتات فينيل إيثيل أو غيره وآخر من التدلار لحمايتها من الأشعة فوق البنفسجية ومغلقة بصفيحة زجاجية من الأمام وطبقة واقية تعمل كقاعدة إنشائية من الزجاج أو من الألياف الزجاجية أو الخزف الصيني عند الخلف مركب عليها صندوق وصلة كهربائية ومحاط بإطار معدني

وهذه المسطحات يعوّل عليها بتطرف كمصدر طاقة كهربائية لأن ليس لها أجزاء متحركة وذات عمر طويل يتراوح من 15 إلي 35 سنة و أمان للبيئة .

ويمكن تصنيف وتحديد التطبيقات الأرضية وفق القدرة الكهربائية علي النحو التالي :-

* تطبيقات ذات قدرة منخفضة :

* تطبيقات ذات قدرة متوسطة :

* تطبيقات ذات قدرة متوسطة وعالية :

21

* تطبيقات ذات قدرة منخفضة :

وتشمل الأجهزة والمنظومات التالية :

- الحاسبات والألعاب الإلكترونية والساعات .

- أجهزة الإذاعة المسموعة وشاحنات وسائط القدرة المنخفضة .

* تطبيقات ذات قدرة متوسطة :

وتشمل المنظومات التالية :

الإنارة – أجهزة الإذاعة المرئية – ثلاجات اللقاح والأمصال – إشارات المرور والإنذار – مراوح الأسقف ( التهوية ) – هواتف الطوارئ – شاحنات السياج الكهربي .

حيث يشحن السياج المحاط بالمزارع وأماكن تربية الحيوانات لمنعها من الاقتراب منها .

* تطبيقات ذات قدرة متوسطة وعالية :

ضخ المياه – محطات اتصالات الموجات السنتيمترية – محطات الأقمار الصنـــــاعية الأرضية – الوقاية المهبطية لحماية أنابيب النفط والغاز والمنشآت المعدنية من التآكل – تغذية شبكة الكهرباء العامة .

22

[احمد ابو لولى]

الطاقه الجديده والمتجدده ( بحث رائع

[shahen]

شكرا جزيلا بحث ممتاز...لكن الصور مش ظاهره .... وكان يبقي اجمل واجمل لوحضرتك كتابة المراجع....