توليد الطاقة الكهروضوئية: استكشاف الأعماق

يعمل توليد الطاقة الكهروضوئية، من خلال الاستفادة من التأثير الكهروضوئي في واجهات أشباه الموصلات، على تحويل الطاقة الضوئية مباشرة إلى طاقة كهربائية.تتكون هذه التكنولوجيا من ثلاثة مكونات أساسية: الألواح الشمسية (الوحدات)، وأجهزة التحكم، والعاكسات.تتألف هذه المكونات بشكل أساسي من عناصر إلكترونية، وتتجمع في نظام متكامل لتوليد الطاقة الكهروضوئية.

بفضل مزاياها المميزة، احتلت الطاقة الشمسية دائرة الضوء.لقد برز الإشعاع الشمسي الوفير كمصدر حيوي للطاقة، مجسدًا سمات مثل التوافر غير المحدود، والخصائص الخالية من التلوث، والقدرة على تحمل التكاليف، وإمكانية الوصول غير المقيدة.يمكن أن يصل تدفق الطاقة الشمسية على مستوى الأرض إلى مستويات ملحوظة تصل إلى 800 ميجاوات في الثانية.وقد غذت السمات الجذابة للطاقة الشمسية مسار نموها منذ الثمانينات.

المبادئ الأساسية

في قلب توليد الطاقة الكهروضوئية يكمن التأثير الكهروضوئي داخل أشباه الموصلات.عند تشعيع الفوتونات، تمتص أشباه الموصلات الطاقة وتحرر الإلكترونات.وعندما تتغلب هذه الطاقة المتحررة على قوى الربط داخل الذرة، فإنها تشكل تيارًا كهربائيًا.يتحول السيليكون، بإلكتروناته الخارجية الأربعة، إلى أشباه موصلات من النوع N عند دمج خمسة إلكترونات خارجية من عناصر مثل الفوسفور.وعلى العكس من ذلك، ينتج البورون أشباه الموصلات من النوع P.يؤدي تقاطع أشباه الموصلات من النوع P والنوع N إلى توليد فرق محتمل، مما يؤدي إلى ولادة خلية شمسية.عندما يضرب ضوء الشمس الوصلة PN، يتدفق تيار من الجانب P إلى الجانب N.

التأثير الكهروضوئي، وهو ظاهرة محورية في الفيزياء، يظهر عندما تمتص مواد معينة الطاقة من الموجات الكهرومغناطيسية فوق تردد معين، وتولد تيارًا كهربائيًا ضوئيًا.

يبلغ إنتاج السيليكون متعدد البلورات ذروته في السبائك والشرائح ورقائق السيليكون، والتي تتم معالجتها بعد ذلك.إدخال كميات ضئيلة من البورون والفوسفور على رقاقة السيليكون يشكل تقاطع PN.الطباعة اللاحقة لشبكة الحرير، وتطبيق عجينة الفضة المتطابقة بدقة، والتلبيد، وتطبيق القطب الكهربائي الخلفي، وترسيب الطلاء المضاد للانعكاس يكمل تجميع الخلايا الشمسية.يتم دمج هذه الخلايا في وحدات، مغلفة بغلاف من الألومنيوم مع غطاء زجاجي من الأمام، ومزودة بأقطاب كهربائية خلفية.إلى جانب الأجهزة المساعدة، يشكل هذا نظام توليد الطاقة الكهروضوئية.يتطلب تحويل التيار المستمر إلى التيار المتردد وجود عاكس، مما يتيح حقن الطاقة في الشبكة العامة أو تخزين البطارية.تمثل مكونات البطارية عادة 50% من تكاليف النظام، بينما يشمل الباقي المحولات ورسوم التركيب والمكونات المساعدة والنفقات الأخرى.

إيجابيات وسلبيات

مزايا

على خلفية محدودية موارد الطاقة التقليدية في جميع أنحاء العالم، تبرز الطاقة الشمسية كمنارة.إن احتياطيات الصين المحدودة من الوقود الأحفوري تتضاءل مقارنة بالمعدلات العالمية، حيث لا تتجاوز 10%.إن الطاقة الشمسية، وهي مورد قابل للتجديد وآمن وخالي من الضوضاء والتلوث، ليست محصورة بالقيود الجغرافية.تمتد تطبيقاته على أسطح المنازل والمناطق ذات التضاريس المعقدة والمزيد.تلغي الطاقة الشمسية الحاجة إلى استهلاك الوقود وتوليد الطاقة في الموقع، مما يتماشى جيدًا مع استراتيجيات الطاقة طويلة المدى.

بالمقارنة مع توليد الطاقة الحرارية التقليدية، يتميز توليد الطاقة الكهروضوئية بالعديد من المزايا:

1: لا توجد مخاطر كامنة

2: آمنة وموثوقة تماما، خالية من الضوضاء والتلوث

3: منيعة للقيود الجغرافية، ومناسبة لمواقع متنوعة

4: مستقل عن الوقود، مما يلغي الحاجة إلى توليد الطاقة في الموقع

5: يوفر طاقة عالية الجودة

6: مقبول عاطفياً من قبل المستخدمين

7: دورة بناء سريعة وتوليد طاقة فعال من حيث التكلفة

العيوب

ومع ذلك، فإن إنتاج الألواح الشمسية يمكن أن يكون كثيف الاستهلاك للطاقة وضارًا بالبيئة.إن تصنيع الألواح الشمسية الحالي، على الرغم من أنه مفيد للعالم، إلا أنه يمكن أن يسبب التلوث خارجيًا بينما يلوث محليًا.إن تصنيع لوحة شمسية بأبعاد 1 × 1.5 متر يستلزم حرق أكثر من 40 كجم من الفحم، في حين أن محطات الطاقة الحرارية الصينية الأكثر كفاءة يمكنها توليد 130 كيلووات في الساعة من الكهرباء بنفس الكمية من الفحم.علاوة على ذلك، تشمل التحديات ما يلي:

1: كثافة طاقة منخفضة تتطلب استخدامًا واسع النطاق للأراضي

2: إنتاج الطاقة المتغير على أساس الظروف الجوية

3:ارتفاع تكلفة التوليد مقارنة بالطاقة الحرارية

4:عمليات تصنيع الألواح الكهروضوئية غير صديقة للبيئة

تصنيف الأنظمة

توليد الطاقة الكهروضوئية المستقلة

يتكون توليد الطاقة الكهروضوئية المستقل، والمعروف أيضًا باسم توليد الطاقة الكهروضوئية خارج الشبكة، من الألواح الشمسية وأجهزة التحكم والبطاريات.في الحالات التي تتطلب طاقة التيار المتردد، يكون العاكس ضروريًا.إنه يخدم تطبيقات مثل إمدادات الطاقة القروية في المناطق النائية، وأنظمة الطاقة الشمسية المنزلية، وإمدادات الطاقة لإشارة الاتصالات، وحماية الكاثود، وإضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية.

توليد الطاقة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة

يعمل توليد الطاقة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة على تحويل كهرباء التيار المستمر من الألواح الشمسية إلى كهرباء تيار متردد تلبي معايير شبكة الطاقة البلدية عبر محولات متصلة بالشبكة.يشمل هذا التصنيف الأنظمة المزودة ببطارية تخزين وبدونها.

توفر الأنظمة المتصلة بالشبكة المزودة بالبطاريات ميزات قابلة للتعديل ويمكنها الاتصال بشبكة الطاقة أو قطع الاتصال بها حسب الحاجة.يمكنهم العمل كنسخة احتياطية في حالات الطوارئ أثناء انقطاع التيار الكهربائي.غالبًا ما يتم تثبيت هذه الأنظمة في المباني السكنية.من ناحية أخرى، توفر الأنظمة المتصلة بالشبكة بدون بطاريات جدولة الطاقة ووظائف النسخ الاحتياطي، وعادةً ما تستخدم في التركيبات الأكبر حجمًا.

توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة

يستلزم توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة أنظمة كهروضوئية صغيرة الحجم في مواقع المستخدم أو بالقرب منها لتلبية احتياجات الطاقة المحددة أو تعزيز شبكة الطاقة الحالية.وهي تتألف من مكونات مثل الألواح الكهروضوئية، والأقواس، وصناديق توصيل التيار المستمر، والعاكسات المتصلة بالشبكة، وخزائن توزيع طاقة التيار المتردد.يعمل هذا النظام، الذي يعمل تحت الإشعاع الشمسي، على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة تيار مستمر وضبط توازن الطاقة عن طريق الاتصال بالشبكة.