أنواع الألواح الشمسية وطريقة عملها ومستلزماتها (دليل تفصيلي)

يزداد الاستثمار بالطاقات المتجددة – وفي مقدمتها الطاقة الشمسية – عالمياً وإقليمياً بغية تأمين مصادر طاقة أكثر استدامة وأقل تلويثاً للبيئة، وهذا ما يستوجب جمع المعلومات، وتكوين صورةٍ كاملةٍ عن المنظومة الشمسية، وبالدرجة الأولى  اللوح الشمسي -المكوّن الأساسي فيها.

لذا جمعنا لك في هذا المقال كل ما تحتاج معرفته حول الألواح الشمسية، حيث نجيب عن تساؤلات وأفكار هامة تساعدك في التعرُّف على مكوّنات اللوح الشمسي، وأنواعه، وكل ما يتعلق به، ومن ثمّ استخدامه بالشكل الصحيح لتحقيق أقصى استفادة منه.

اقرأ أيضاً الطاقة الشمسية الكهروضوئية وتطبيقاتها في عام 2022

طريقة عمل ألواح الطاقة الشمسية وتعريفها

تعريف ألواح الطاقة الشمسية

تتكوّن الألواح الشمسية من مجموعة خلايا شمسية  تعمل كمستقبِلات لأشعة الشمس تتصل ببعضها البعض داخل إطار محدد، وتكون موصولة فيما بينها بالتوالي أو التوازي؛ حيث تشكل الألواح الشمسية العنصر الأساسي في منظومة الطاقة الشمسية.

طريقة عمل الألواح الشمسية

يحول اللوح الشمسي أشعة الشمس الساقطة عليه إلى فروق في الجهد، تتسبب بمرور التيار الكهربائي داخل الخلايا الشمسية المكونة – بشكل رئيسي – من معدن السيليكون إضافة إلى عناصر أخرى تعطيه بعض الخصائص الكهربائية.

تُغطّى الخلايا الشمسية بطبقة علوية خارجية مشبعة بعنصر الفوسفور الذي يعطي اللوح القدرة على توليد الكهرباء من أشعة الشمس، وفي الأسفل طبقة مشبعة بالبورون يساهم في امتصاص أكبر قدر من الطاقة الكهربائية المتولدة.

يتكون اللوح الواحد من مجموعة خلايا مصمّمة لامتصاص طاقة الشمس، ويُغطى بطبقة زجاجية لحماية الخلايا الشمسية من العوامل الخارجية والخدش.

ما هي الخلايا الشمسية؟

تسمّى الخلايا الشمسية بالخلايا الكهروضوئية مجازاً بسبب طبيعة عملها المتمثل في تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية؛ وهي عبارة عن أشباه موصلات سيليكونية تستقبل ضوء الشمس وتحوله إلى طاقة كهربائية، وتعدّ المكوّن الأساسي في منظومة اللوح الشمسي.

ومن المهم أن تعلم أنه كلما زاد عدد الخلايا الشمسية في اللوح الشمسي، زادت كمية الطاقة الكهربائية التي ينتجها. وحتى تفهم الخلية الشمسية بشكل أفضل، إليك الطريقة التي تعمل بها:

1. يدخل ضوء الشمس إلى اللوح الشمسي من خلال الطبقة المضادة للانعكاس المصنوعة من أكسيد السيليكون أو التيتانيوم.
2. يتولد الجهد من الخلايا الشمسية المصنوعة من السيلكون.
3. ينتقل الضوء إلى الطبقات الموجودة تحت الطبقة المضادة للانعكاس من أجل تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية.
4. تتحفَّز الإلكترونات الموجودة في  الطبقة الماصّة للضوء من حالة الطاقة المنخفضة إلى الحالة المثارة عندما يسقط الضوء على الخلية الشمسية.

كم خلية في اللوح الشمسي الواحد؟

يتعلق عدد خلايا اللوح الشمسي باستطاعة اللوح بشكل أساسي، حيث

• يتكون اللوح ذو الطاقة 225-285 واط من 60 خلية (6*10) بقياس (99*164 سم).
• بينما يتكوّن اللوح ذو الطاقة 315-335 واط يتكون من 72 خلية (6*12) بقياس (99*196 سم).

وفي حال تجميع عدة ألواح يتشكّل مصفوفة تسمّى مصفوفة شمسية.

أنواع الألواح الشمسية

1. أنواع الألواح الشمسية الحديثة

يٌقسم اللوح الشمسي إلى ثلاثة أنواع رئيسة:

3- لوح السيليكون أحادي البلورة: يمتاز اللوح الشمسي أحادي البلورة بنقاء كريستالات السيليكون الموجودة فيه، وتكون الخلايا الشمسية فيه ذات اللون الأسود غير متلاصقة. تُقدّر الكفاءة الفعلية للوح الشمسي من هذا النوع 22.5%، ولكن المتداول في الأسواق يعطي كفاءة تصل 17.5% كحد أقصى، وتدوم لمدة 25 سنة كحد أدنى. كما أنَّها الأغلى سعراً بين الأنواع الثلاثة التي نذكرها في مقالنا.

2- لوح السيليكون متعدد البلورات: تكون الخلايا الشمسية فيه عبارة عن مربعات متراصّة، وهي أقل تكلفة من النوع الأول. تُقدَّر كفاءتها ب 16.9%، وعمرها الافتراضي هو 25 عاماً كحد أدنى، كما يكون لون الخلايا فيها أزرق.

3- لوح سيليكون بشكل رقاقة: تكون الخلايا رقيقة وانسيابية، وتأخذ شكل السطح الذي تُثبت عليه، وهي الأقل كفاءة بكفاءة لا تزيد عن 12%، والأقل عمراً لمدة تصل 15 عاماً كحد أقصى؛ ولذلك تعد غالية السعر بالنسبة إلى عمرها.

2. أنواع الألواح الشمسية القديمة

يتوفر أيضاً الألواح الشمسية التقليدية القديمة تقنياً نذكر منها:

• ألواح شمسية بتقنية الخلية الكاملة: تتألف من صفوف من الخلايا الشمسية المتصلة ببعضها البعض على التسلسل (صفوف متسلسلة) بعدد (10*6)، وعند تعرض أحد الخلايا للتظليل، يتوقف الصفّ المرتبط بها عن إنتاج الطاقة؛ يعني ذلك فقدان ثلث إنتاجية اللوح الشمسي من الطاقة.
• ألواح شمسية بتقنية النصف خلية: يتكون اللوح الشمسي من صفوف من الخلايا الشمسية تكون مقسومة مناصفةً؛ يحوي كل نصف العدد ذاته من الخلايا. تتصل الخلايا ببعضها في الصف الواحد على التسلسل وفي نصفين على التوازي، وعند تظليل إحدى الخلايا، يتوقف الجزء المتصل بها فقط عن إنتاج الطاقة، أي فقدان طاقة أقل.

 

إنتاجية الألواح الشمسية وطريقة صنعها وتنظيفها

كم ينتج اللوح الشمسي من الكهرباء؟

تتأثر قدرة اللوح الشمسي وإنتاجيته في توليد الكهرباء بعوامل عدة من أبرزها:

• كفاءة اللوح الشمسي.
• حجم اللوح الشمسي.
• سعة اللوح الشمسي.
• مكان تركيب اللوح الشمسي.
• حالة الطقس.
• تأثير درجات الحرارة.

ومن أجل قياس قدرة اللوح الشمسي، وكمية الكهرباء التي ينتجها يمكنك اتباع إحدى هاتين الطريقتين:

1. قراءة بطاقة المواصفات الفنية الموجودة على ظهر اللوح الخلفي .
2. قياس الفولت VOC بعد فصل اللوح الشمسي عن البطارية ومنظم الشحن، وتوجيهه باتجاه الشمس، ثم وصل أقطاب اللوح مع أقطاب جهاز الآفومتر (سالب مع سالب، موجب مع موجب). ثم قياس الأمبير ISC وفق الخطوات السابقة مع تعيين جهاز الآفوميتر لقياس التيار. الآن، تقيس قدرة اللوح الشمسي وفق المعادلة التالية: تطبق المعادلة التالية: القدرة =الفولت* الأمبير

كيفية تصنيع اللوح الشمسي

يمرّ تصنيع اللوح الشمسي بعدد من المراحل تبدأ من السيلكون.

1. يُستخرج السيليكون من الرمال أو الصخور عبر إدخاله في أفران كبيرة ذات درجة حرارة عالية 2000 درجة مئوية.
2. يُصهر السيليكون ويُحوَّل إلى مادة سائلة ذائبة.
3. يُحوّل السيليكون إلى مادة بلورية.
4. يُبرد السيليكون، ويضاف إليه مادة كيماوية أولى تجعل السيليكون موصل بشكل أفضل للكهرباء.
5. تٌقطّع بلورة السيليكون إلى قطع صغيرة (مرحلة أولى للتقطيع) ثم إلى شرائح رقيقة صالحة للاستخدام في الألواح الشمسية.
6. تُنظّف الشرائح يدوياً، وتُغسل جيداً ثم تعالج بمادة كيميائية ثانية.
7. تُدخل الشرائح بعد معالجتها إلى الفرن وتُسخّن من أجل تشكيل الطبقتين المنفصلتين (الوحدة الأساسية لتصنيع اللوح الشمسي).
8. يعالج اللوح بغطاء مضاد للانعكاس يُطلى اللوح به ثم يُسخن؛ يُعدّ أي ضوء يعكسه اللوح طاقة ضائعة.
9. بعد تنظيف اللوح ومعالجته بشكل كامل ليصبح جاهزاً لإنتاج الكهرباء، يُطلى اللوح بمادة رمادية (معدن شبه سائل) يساهم في نقل الطاقة داخل اللوح إلى شبكة الكهرباء وعبر المأخذ إلى أي جهاز كهربائي.
10. تُجمّع الشرائح لتشكيل اللوح الشمسي (تعمل كل شريحة كبطارية منفصلة، توصل ببعضها في صفوف).
11. يتشكل اللوح من قاعدة سفلية من الزجاج، تليها طبقات من الورق اللاصق، ثم شرائح السيليكون يليها ورق لاصق، ثم إطار يحويها جميعاً.  تابع الفيديو

تنظيف ألواح الطاقة الشمسية

من الضروري الاهتمام الدوري بنظافة الألواح الشمسية من أجل الحفاظ على قدرتها الإنتاجية من الطاقة، وإلا تفقد حوالي 30% من إنتاج الطاقة سنوياً. في المقابل، يرفع التنظيف المنتظم للألواح من كفاءتها بنسبة 3.5%

ضع في الحسبان قبل القيام بتنظيف ألواحك الشمسية أن تختار الوقت المناسب للتنظيف، ويُفضّل أن يكون في الطقس الغائم عندما تكون درجة الحرارة منخفضة؛ فحرارة الشمس العالية للألواح تجعل المهمة صعبة، وأيضاً الوقت الباكر هو الوقت الأمثل.

إضافة إلى ذلك، تتدخل عوامل عدة في عدد المرات اللازمة لتنظيف الألواح مثلاً الطبيعة الجغرافية للمكان، والموقع الذي توضع فيه الألواح الشمسية.

وإليك أهم النصائح التي عليك اتباعها في تنظيف ألواحك الشمسية:

• استخدم الماء المقطر (منزوع الأيونات) في تنظيف الألواح، حيث إنه لا يترك أي بقايا على اللوح بعد التنظيف.
• استخدم الماء المقطَّر على فرشاة دوارة حتى تحصل على نظافة مشابهة لنظافة اللوح وقت الاستخدام الأول.
• تجنّب استخدام الصابون ومواد التنظيف والمواد الكيماوية حتى لا تتسبب في خدش اللوح؛ لأنها تترك طبقة رقيقة قد تمنع الضوء، كما أن الجزيئات الصغيرة في المحلول الصابوني لا تزيل الأوساخ والغبار المتراكم بشكل كامل.
• استخدم قطعة قماش نظيفة وناعمة وممسحة للوصول إلى الزوايا والمناطق البعيدة التي يتراكم فيها الغبار.
• تجنّبْ استخدام الأدوات الصلبة والمعدنية لإزالة البقع الصلبة، لأنها قد تخدش اللوح وتتسبب في ضرره وبالتالي تخفض من كفاءته وعمره الافتراضي.

أدوات ومستلزمات الطاقة الشمسية

مكونات منظومة الطاقة الشمسية

تتكون أي منظومة شمسية من خمسة مكونات رئيسة:

1. اللوح الشمسي.
2. المنظم.
3. البطارية.
4. محوِّل التيار (الأنفرتر).
5. الحمل الكهربائي.

فبينما يكون اللوح الشمسي مسؤولاً عن تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء (تيار مباشر DE Electricity)، يمرر المنظم – المتحكم في عملية شحن البطارية والحفاظ على مستوى ثابت للتيار المخزن في البطارية – الطاقة الكهربائية  إلى البطارية، وأما المحول فدوره يأتي بعد البطارية بأن يحول الكهرباء من تيار مباشر إلى تيار ترددي AC Electricity؛ تختلف الحاجة إلى المحول بحسب نوع التيار المطلوب في الأجهزة الموصولة بالطاقة الشمسية، فعلى سبيل المثال معظم الأجهزة الكهربائية تستعمل التيار الترددي، فتحتاج إلى المحول، في المقابل لا حاجة له مع أنظمة الإنارة DC LED Lights التي تستعمل التيار المستمر.

توصيل الألواح الشمسية

تشكل زيادة القدرة الإنتاجية للألواح الشمسية الهدف الرئيسي من توصيل الألواح الشمسية، وبالتالي الاستفادة منها في تشغيل العديد من الأجهزة الكهربائية، ومن أجل ذلك، يحتاج تصميم النظام الشمسي إلى التنسيق بين مكوناته  من خلال اختيار عدد الألواح بناءً على قدرة المنظم والبطارية الكهربائية وحجم الحمل؛ واختيار قدرة الأنفرتر بحسب قدرة أحمال الأجهزة الكهربائية في الساعة الواحدة.

من أهم طرق التوصيل المتبعة في الألواح الشمسية:

1. التوصيل على التوازي:  يتم توصيل جميع الألواح الشمسية بربط الأطراف الموجبة لجميع الألواح معاً، وربط الأطراف السالبة معا عبر استخدام وصلات MC4 . يعمل هذا النوع من التوصيل على زيادة قيمة التيار الكلي على حساب عدد الألواح الشمسية الموصولة بالمنظومة الشمسية.
2. التوصيل على التوالي: يكون التوصيل بربط الطرف السالب للوح الشمسي الأول مع الطرف الموجب للوح الشمسي الثاني بالتوالي باستخدام وصلات MC4. تعمل التوصيلة في هذا النوع على زيادة قيمة الجهد الكلي على حساب عدد الألواح الشمسية المراد توصيلها بنظام الطاقة الشمسية.
3. التوصيل المركب (على التوازي والتوالي): تٌقسم الألواح إلى مجموعتين متساويتين من حيث عدد الألواح الشمسية: مجموعة أولى وصل الألواح الشمسية على التوازي (موجب مع موجب وسالب مع سالب)، ومجموعة ثانية على التوالي (موجب مع سالب ). يُستخدم هذا النوع من التوصيل كثيراً في أنظمة الطاقة الشمسية، من أجل الاستفادة القصوى من ميزات التوصيلتين معاً، وبالتالي تحقق زيادة في الجهد والتيار معاً.

أفضل سلك للطاقة الشمسية

تعدّ كابلات الطاقة الشمسية أحد أهم العناصر المكونة للمنظومة الشمسية؛ حيث تعود معظم المشاكل التي تحدث في المنظومة الشمسية إلى عدم مراعاة الأقطاب المناسبة للكابلات للمواصفات الفنية.  تمتاز كابلات الطاقة الشمسية بأنها مغطاة بطبقتين من المواد العازلة الخالية من PVC  (الفينيل) بهدف توفير حماية على المدى الطويل،

يُفضّل اختيار أسلاك الكوابل من النحاس حصراً، وقد يكون صلباً أو بشكل شعيرات وهو الشكل الأنسب بسبب خصائصه المرنة وقدرته العالية على التوصيل. إضافة إلى ذلك، يجب أن يتصف السلك المستخدم بقدرته العالية على تحمُّل درجات الحرارة، ويتمتع بمقاومة عالية للأشعة فوق البنفسجية، وانخفاض قابلية الاحتراق والتآكل.

كيفية تخزين الطاقة الشمسية

يعمل الباحثون على إيجاد طريقة ذات كفاءة عالية وتكلفة قليلة لتأمين الطاقة الشمسية بعد غياب الشمس، بالتزامن مع سعي المهندسين إلى تصميم ألواح شمسية ذات القدرة العالية على امتصاص أكبر قدر من الإشعاع الشمسي؛ فالتخزين أصبح حاجة ملحة للاستفادة من الطاقة الشمسية الفائضة.

أبرز الطرق المستخدمة حتى الآن هي:

• البطاريات: صمم العلماء خلايا وقودية تعمل على تحويل الكهرباء إلى عناصر كيميائية، ما يعني بطارية قادرة على تخزين الطاقة الشمسية وتحويلها إلى وقود عضوي.
• البطاريات الشمسية: يتم توليد الطاقة الشمسية باستخدام الألواح الشمسية، حيث تقوم لوحات الخلايا الشمسية بتحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية تُخزنها البطاريات الشمسية الخاصة، ولكن سعتها التخزينية ما تزال محدودة.
• الهيدروجين:  كان تحويل الطاقة الشمسية إلى هيدروجين أحد الخيارات التي فكر فيها العلماء لتخزين الطاقة الشمسية عن طريق تفكيك الماء إلى مكونيه الأساسيين الهيدروجين والأكسجين، ثم تعبئة الهيدروجين بخزانات، ويُحرق ليلاً. تساعد هذه الطريقة في تقليل انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون، وفي تزويد المنازل بالكهرباء.
• الملح: يمكن استخدام الأملاح المنصهرة كوسيلة لتخزين الطاقة الحرارية والاحتفاظ بها، إذ تُستخدم الأملاح التي تمتلك خاصية نقل الحرارة لغرض تخزين الحرارة المتولدة عن الطاقة الشمسية، ليتم بعدها تحويل هذه الحرارة إلى بخار شديد الحرارة يُستخدم في تشغيل التوربينات البخارية التقليدية أو في توليد الكهرباء.

اقرأ أيضاً كيفية تخزين الطاقة المتجددة وأهميتها المستقبلية 2022

حساب منظومة الطاقة الشمسية

قد تحتاج إلى حساب منظومة الطاقة الشمسية حتى تتمكن من معرفة المنظومة الشمسية المناسبة لحاجتك، وهو ما سنتطرق إليه في هذه الفقرة.

يتطلب منك الأمر القيام بالخطوات التالية:

1. احسب الاستهلاك الكهربائي لأجهزتك الكهربائية: تعرف إلى حجم الاستهلاك لكل جهاز من بطاقة الجهاز أو بحساب قدرة الجهاز وفق المعادلة التالية: الفولت * التيار  – من أجل الدقة، أيضاً حدد عدد ساعات تشغيل كل جهاز خلال اليوم الواحد، ولا تنسَ تحديد قدرة تيار الإقلاع في أجهزة مثل: البرادات.

بعد ذلك، احسب الاستهلاك اليومي للجهاز: قدرة الجهاز*عدد الأجهزة*عدد ساعات التشغيل، ولا تنسَ أن تضيف نسبة بين 25% و30% لتعويض الفقد من الطاقة في المنظومة الشمسية، وأخيراً تحسب التيار الكلي بتقسيم إجمالي الطاقة المستهلكة لليوم على فولتية النظام.

• حدد عدد البطاريات التي تحتاج إليها:  بدايةً، تحتاج إلى جمع هذه المعلومات: جهد البطارية، السعة الأمبيرية للبطارية، معدل التفريغ للبطارية ، وتصحيح درجة الحرارة (كتالوج البطارية)، تجنب التفريغ المفرط للبطارية لأنه يقلل من عمرها،

ولا تنسَ أن تحدد الحرارة المحيطة بالبطارية، فسعة البطارية تتناقص مع انخفاض درجة الحرارة، بعد ذلك لحساب عدد البطاريات التي تحتاجها: قسّم السعة الكلية للبطارية على سعة البطارية

• حدد عدد الألواح الشمسية اللازمة: أنت تحتاج أن تحدد عدد ساعات الإشعاع الشمسي اليومي في مكان تواجدك، ودوماً اختر القيمة المتدنية؛ لو كان معدل الإشعاع يتراوح بين5 إلى 6 ساعات يومياً، اختر القيمة. 5، بعد ذلك عليك تحديد  الاستطاعة المناسبة للوح الشمسي: القدرة الإجمالية للأجهزة الكهربائية بعد تعويض الفقد على معدل الإشعاع الشمسي. فيكون عدد الألواح المطلوبة هي الاستطاعة الكلية للألواح على قدرة اللوح الواحد.

• احسب قدرة الأنفرتر المناسبة: اختر منظم الشحن بناءً على قيمة تيار القصر للوح الشمسي وعدد الألواح مع إضافة 25 % نسبة أمان.

ختاماً

ختاماً، لم تعد الطاقة الشمسية حاجةً فقط، بل راحت تفرض نفسها كأحد الحلول النظيفة التي يحتاج إليها عالمنا اليوم في ضوء الأزمات التي يعاني منها من نضوب في الوقود الأحفوري، والمشاكل البيئية العديدة التي يواجهها.

ومن أجل الاستفادة منها، لا بد من تكوين فهم شامل عنها وعن الأداة الأساسية -اللوح الشمسي- المستخدمة فيه، وهو ما حرصنا على تقديمه لك في هذا المقال. فهل بدأت باستغلال هذه الطاقة واستخدام الألواح الشمسية؟ اكتب لنا في التعليقات.