العمل

كيف تعمل ألواح الطاقة الشمسية ومحطات الطاقة الشمسية؟

الألواح الشمسية تُشغِّل عن طريق تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. ويتم ذلك باستخدام عملية تسمى التأثير الكهروضوئي. التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة فيزيائية يتم فيها تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. عندما يضرب ضوء الشمس المادة شبه الموصلة في الخلية الشمسية، فإنه يخلق مجالًا كهربائيًا. يفصل هذا المجال الكهربائي الشحنات الموجبة والسالبة في أشباه الموصلات، مما يخلق جهدًا كهربائيًا. تتدفق هذه الشحنة الكهربائية عبر اللوحة الشمسية وتنتج الكهرباء. تولد كل خلية شمسية جهدًا كهربائيًا (~.5 فولت) بغض النظر عن حجمها، وفقًا لجامعة ولاية بورتلاند.

تقوم اللوحة الشمسية بتحويل ضوء الشمس الساقط عليها إلى اختلافات في الجهد. يؤدي فرق الجهد إلى مرور تيار كهربائي مباشر (DC) عبر الخلايا الشمسية. بعد ذلك، يقوم العاكس الموجود في النظام الشمسي بتحويل التيار المباشر والتيار المتناوب (AC)، مما يجعله قابلاً للاستخدام في المنازل والشركات.

تعمل الألواح الشمسية على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء من خلال عدة خطوات (امتصاص الطاقة الشمسية، توليد الإلكترونات، خلق مجال كهربائي، تدفق الإلكترونات، وغيرها)

يعتمد امتصاص الوحدات الشمسية للطاقة الشمسية على تعرضها لأشعة الشمس، وعدد ساعات اليوم، والمواسم والمناخ، وزوايا الطاقة الشمسية. على سبيل المثال، وجدت دراسة أجرتها The University of Queensland أن الحد الأقصى لكثافة ضوء الشمس في يوم صيفي مشرق يبلغ حوالي 1400 واط/م2، في حين أنها أقل من 50%، مما يؤثر على قابلية تشغيل الخلايا الكهروضوئية وكفاءتها. عندما تمتص الواح الطاقة الشمسية، يتحول جزء من الطاقة الشمسية إلى حرارة.

وتعمل محطة الطاقة الشمسية على تسخير طاقة الشمس لتوليد الكهرباء من خلال عملية تسمى الطاقة الشمسية المركزة، بينما تقوم مزرعة الطاقة الشمسية بتوليد الكهرباء مباشرة عن طريق استخدام الألواح الشمسية المكونة من الخلايا الكهروضوئية.

تتناول هذه المقالة:  ما وظيفة الألواح الشمسية؟ كيف تقوم الألواح الشمسية بتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية؟ متى تعمل الألواح الشمسية؟ هل تعمل الألواح الشمسية ليلاً، في الضوء غير المباشر، في الشتاء، في الطقس الغائم؟ كيف تعمل أنظمة محطات الطاقة الشمسية؟ ما هو الفرق بين مزارع الطاقة الشمسية ومحطات الطاقة الشمسية؟ هل تولد الألواح الشمسية الحرارة؟

والشكل التالي يوضح كيفية عمل الألواح الشمسية

مالذي تقوم به الألواح الشمسية؟

تقوم الألواح الشمسية بتوليد الكهرباء من خلال عملية التأثير الكهروضوئي والتي تتم عبر 8 خطوات هي:

• امتصاص الطاقة الشمسية
• توليد الإلكترونات
• خلق المجال الكهربائي
• تدفق الإلكترونات
• جمع التيار
• التحويل إلى الجهد والتيار صالحة للاستخدام
• انقلاب التيار
• الحصول على الكهرباء الصالحة للاستخدام

تعتمد الألواح الشمسية بشكل كامل على الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء. تقوم الألواح الشمسية بتحويل ضوء الشمس، وهو أحد أشكال الطاقة الشمسية، إلى طاقة كهربائية من خلال التأثير الكهروضوئي. وهذا يعني أن الألواح الشمسية لا يمكنها العمل وإنتاج الكهرباء دون الوصول إلى ضوء الشمس.

تعتمد قابلية تشغيل ألواح الطاقة الشمسية على ضوء الشمس سواء كان مباشراً أو غير مباشر أو حتى غائباً مثل الليل.

كيف تعمل الألواح الشمسية؟

تعمل اللوحة الشمسية عندما تضربها أشعة الشمس. تمتص الخلايا الكهروضوئية الموجودة في اللوحة الطاقة. ويولد هذا الامتصاص شحنات كهربائية تستجيب لمجال كهربائي داخلي داخل اللوحة، مما يؤدي إلى تدفق الكهرباء.

تقوم الألواح الشمسية بتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية من خلال عملية تعرف بالتأثير الكهروضوئي “وهي ظاهرة فيزيائية وكيميائية” (Schroder, D.K. (2015)). يتضمن التأثير الكهروضوئي تحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى كهرباء باستخدام مواد شبه موصلة.

“يستخدم الإشعاع الشمسي ذو المدى المرئي من 0.38 ميكرومتر إلى 0.72 ميكرومتر بشكل أساسي لتوليد الكهرباء عن طريق عملية تحويل الطاقة الكهروضوئية”، وفقًا لبحث “الديناميكا الحرارية للأنظمة الكهروضوئية والأنظمة الكهروضوئية المركزة وتحديد كفاءتها من حيث الطاقة والطاقة” للدكتور Dr. Rahul Rawat.

8 خطوات عمل ألواح الطاقة الشمسية في هذا الشكل.

توضح القائمة التالية كيفية عمل الألواح الشمسية خطوة بخطوة.

1. امتصاص الطاقة الشمسية. تتألف ألواح الطاقة الشمسية من عدد من الخلايا الشمسية. تتكون الخلايا الشمسية من السيليكون أو مواد شبه موصلة أخرى. تمتص هذه الخلايا الفوتونات (جسيمات الضوء) من الطاقة الشمسية (الإشعاع الشمسي).
2. توليد الإلكترونات. الإلكترون هو إحدى الجسيمات الأساسية التي تكون جزءًا من الذرة. يحمل الإلكترونُ شحنةً سالبة ويُعتبر جزءاً من الكتلة السالبة في الذرة.. عندما تصطدم الفوتونات، وهي الجسيمات الأساسية للضوء الصادر من ضوء الشمس، بسطح الخلية الشمسية، فإنها تنقل طاقتها إلى الإلكترونات الموجودة في المادة شبه الموصلة. تعمل هذه الطاقة على إثارة الإلكترونات، مما يسمح لها بالتحرر من مواقعها الطبيعية داخل ذرات المادة وإنشاء ما يعرف باسم أزواج ثقب الإلكترون.
3. إنشاء المجال الكهربائي. تعمل المادة شبه الموصلة الموجودة في الخلايا الشمسية على خلق مجال كهربائي داخل المادة. يساعد هذا المجال الكهربائي على فصل الإلكترونات المحررة حديثًا عن “الثقوب” الموجبة الشحنة التي تركتها وراءها.
4. تدفق الإلكترونات: بسبب المجال الكهربائي، يتم دفع الإلكترونات الحرة إلى أحد جوانب الخلية الشمسية، بينما يتم عمل الثقوب إلى الجانب الآخر. تؤدي هذا العملية إلى فصل الشحنات وبالتالي إلى إنشاء فرق جهد بين الجانبين، مما ينتج عنه توليد تيار كهربائي.
5. جمع التيار. تسمح الاتصالات المعدنية الموصلة الموجودة في الجزء العلوي والسفلي من الخلية الشمسية للتيار الكهربائي المتولد بالتدفق خارج الخلية إلى دائرة خارجية.
6. التحويل إلى الجهد والتيار القابل للاستخدام. إن الكهرباء الخام المولدة بواسطة خلية شمسية واحدة صغيرة نسبيًا. يتم توصيل العديد من الخلايا الشمسية على التوالي وبالتوازي لتشكل لوحة شمسية لجعلها عملية لتشغيل الأجهزة أو التغذية بالشبكة الكهربائية. يعمل هذا الترتيب على زيادة الجهد والتيار الناتج إلى مستويات قابلة للاستخدام.
7. انقلاب التيار. إذا كانت النية هي استخدام الكهرباء المولدة من الطاقة الشمسية في منزل عادي أو إعداد متصل بالشبكة، فيجب تحويل التيار المباشر (DC) الذي تنتجه الألواح الشمسية إلى تيار متردد (AC). التيار المتردد (AC) هو الشكل المعروف للكهرباء. تتم عملية الانقلاب هذه باستخدام العاكس.
8. الحصول على الكهرباء الصالحة للاستخدام. تعمل كهرباء التيار المتردد المحولة على تشغيل المنازل والأجهزة والأضواء والآلات والأجهزة الكهربائية الأخرى، إما مباشرة داخل المبنى أو عن طريق تغذية الكهرباء الزائدة مرة أخرى إلى الشبكة.

متى تعمل الألواح الشمسية؟

تعمل الألواح الشمسية عندما تتعرض لأشعة الشمس، عادة خلال ساعات النهار في جميع الفصول، حتى في فصل الشتاء. تكون أكثر إنتاجية عندما تشرق الشمس عليها مباشرة (عند الظهر). تولد الألواح الشمسية عادةً أكبر قدر من الكهرباء بين الساعة 10 صباحًا و4 مساءً. تنتج الألواح الشمسية الكهرباء حتى في ظروف الإضاءة المنخفضة، مثل الفجر والغسق، وفقًا لـ the National Renewable Energy Laboratory (NREL). يختلف التوقيت الدقيق حسب الموقع والموسم والظروف الجوية المحلية.

الفقرات التالية تجيب على الأسئلة التالية: هل تعمل ألواح الطاقة الشمسية ليلاً؟ هل تحتاج الألواح الشمسية إلى ضوء الشمس المباشر لتعمل؟ هل تعمل الألواح الشمسية في الشتاء؟ هل تعمل الألواح الشمسية في الطقس الغائم؟

توضح هذه الصورة ظروف العمل الأربعة للألواح الشمسية.

هل تعمل الألواح الشمسية في الليل؟

لا، الألواح الشمسية لا تعمل ليلاً بسبب غياب ضوء الشمس. ومع ذلك، تُستخدم أنظمة تخزين الطاقة مثل البطاريات لتوفير الكهرباء خلال ساعات الليل، كما تساعد الأنظمة المتصلة بالشبكة أيضًا على ضمان استمرار إمداد الطاقة.

الألواح الشمسية لا تعمل في الظلام لأنها تحتاج إلى طاقة الشمس لإنتاج الكهرباء. تقوم ألواح الطاقة الشمسية بتوليد الكهرباء من خلال التأثير الكهروضوئي، والذي يتضمن تحويل ضوء الشمس إلى تيار كهربائي. عندما لا تكون الشمس مشرقة، كما هو الحال أثناء الليل، لا يتوفر ضوء الشمس لتوليد الطاقة اللازمة لإنتاج الكهرباء.

هل تعتمد الألواح الشمسية على توفر ضوء الشمس المباشر؟

لا، الخلايا الشمسية تعمل حتى بدون ضوء الشمس المباشر. تعمل الألواح الشمسية في (ضوء الشمس المباشر والضوء غير المباشر). تزيد كفاءة عمل الألواح الشمسية بشكل ملحوظ بنسبة 30% إلى 50% عندما تتلقى ضوء الشمس المباشر، وفقًا لــ The National Renewable Energy Laboratory (NREL).

هل تعمل الألواح الشمسية في الشتاء؟

نعم، تعمل الألواح الشمسية في الشتاء، لكنها تنتج كهرباء أقل بنسبة 20% إلى 25% مقارنة بالمواسم الأخرى، خاصة في المناطق ذات المناخ البارد وساعات النهار الأقصر، وفقًا لــ The National Renewable Energy Laboratory (NREL). وجدت دراسة أجرتها The University of Queensland أن الحد الأقصى لكثافة ضوء الشمس في يوم صيفي مشرق يبلغ حوالي 1400 واط/م2، في حين أنها أقل من 50%، مما يؤثر على قابلية تشغيل ألواح الطاقة الشمسية وكفاءتها. في فصل الشتاء، يعتمد إنتاج الألواح الشمسية على ساعات النهار، وزاوية الشمس، والغطاء الثلجي، ودرجة الحرارة.

وللحصول على أعلى كفاءة في توليد الكهرباء خلال فصل الشتاء، يتم تركيب الألواح الشمسية بزوايا معينة. تلعب زوايا الألواح الشمسية دورًا حاسمًا في إنتاج الكهرباء، خاصة في فصل الشتاء، وفقًا لبحث أجراه معهد شمال ألبرتا للتكنولوجيا. أفضل زاوية للألواح الشمسية في الشتاء هي 45 درجة، وفقًا لمعهد شمال ألبرتا للتكنولوجيا.

هل تعمل الألواح الشمسية في الطقس الغائم؟

نعم، تعمل الألواح الشمسية في الأجواء الغائمة، رغم أن كفاءة عملها تنخفض بنسبة 10% – 25% مقارنة بالظروف المشمسة. تمتص الألواح الشمسية أشعة الشمس المباشرة وأشعة الشمس المنتشرة. الضوء المنتشر هو ضوء الشمس المتناثر الذي يمر عبر السحب. في عام 2018 الألواح الشمسية في الولايات المتحدة أنتجت كهرباء أقل بنسبة 15% في المتوسط في الأيام الملبدة بالغيوم مقارنة بالأيام المشمسة، وفقا لـ National Renewable Energy Laboratory (NREL).

كيف تعمل محطة الطاقة الشمسية؟

تقوم محطة الطاقة الشمسية (محطة الطاقة الشمسية) أو الطاقة الشمسية (محطة الطاقة الحرارية) بتسخير الطاقة من الشمس لتوليد الكهرباء من خلال عملية تسمى الطاقة الشمسية المركزة (CSP).

القائمة التالية تحتوي على 4 خطوات لعمل محطات الطاقة الشمسية.

• تستخدم محطات الطاقة الشمسية مجموعة من المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس على نقطة مركزية أو جهاز استقبال.
• يقوم ضوء الشمس المركز بتسخين سائل نقل الحرارة المتخصص في جهاز الاستقبال، وهو الملح المنصهر.
• تتسبب الحرارة الناتجة عن ضوء الشمس المركز في وصول السائل إلى درجات حرارة عالية. ثم ينتج هذا السائل الساخن البخار عن طريق نقل حرارته إلى الماء.
• يتم استخدام البخار المتولد في الخطوة السابقة لتشغيل التوربين. يقوم التوربين، المتصل بمولد كهربائي، بتحويل الطاقة الحركية للتوربين الدوار إلى طاقة كهربائية، مما يؤدي إلى إنتاج الكهرباء.

هناك اختلافات بين محطة الطاقة الشمسية ومزرعة الطاقة الشمسية في طريقة عملهما. وحجم المرافق التي تلبيها محطة الطاقة الشمسية والطاقة الشمسية.

ما هو الفرق بين محطات الطاقة الشمسية ومزارع الطاقة الشمسية؟

تعمل محطة الطاقة الشمسية (محطة الطاقة الشمسية) أو محطة الطاقة الحرارية الشمسية من خلال التطبيق المبتكر للمرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس على المستقبل. يقوم هذا المستقبل بتسخين السائل، مما يؤدي إلى تكوين البخار الذي يدفع التوربينات، وبالتالي توليد الطاقة الكهربائية. يُعرف هذا الابتكار باسم الطاقة الشمسية المركزة (CSP) ويتم تسخيره في الغالب لمشاريع المرافق الموسعة. تتكون محطة الطاقة الشمسية من ألواح الطاقة الشمسية كمكون أساسي.

وفي المقابل تعمل مزرعة الطاقة الشمسية على توليد الكهرباء من خلال استخدام الألواح الشمسية المكونة من الخلايا الكهروضوئية. تقوم هذه الخلايا بتحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية، وهي عملية تعرف باسم تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية. تُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع في المشاريع الأكثر إحكاما، مثل المنشآت السكنية والتجارية.

الفرق الرئيسي بين محطة الطاقة الشمسية ومزرعة الطاقة الشمسية هو في عملهما طرق توليد الكهرباء. تستخدم محطات الطاقة الشمسية الطاقة الشمسية المركزة، في حين تستخدم مزارع الطاقة الشمسية الخلايا الكهروضوئية لتحويل ضوء الشمس على الفور إلى طاقة كهربائية. بالإضافة إلى ذلك، فإن محطات الطاقة الشمسية موجهة في الغالب نحو مبادرات المرافق الكبيرة، في حين تلبي مزارع الطاقة الشمسية المشاريع الأصغر حجمًا.

ما هي كفاءة الألواح الشمسية؟

كفاءة الألواح الشمسية هي كيفية عمل الألواح الشمسية بشكل جيد في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية. كفاءة الألواح الشمسية هي نسبة الخرج الكهربائي إلى كمية ضوء الشمس التي تضرب سطح اللوحة.

هل تولد الألواح الشمسية الحرارة؟

نعم، الألواح الشمسية تولد الحرارة. عندما تعمل الألواح الشمسية، تمتص الخلايا الطاقة من ضوء الشمس، وخلال هذه العملية، يتحول بعض الطاقة من ضوء الشمس إلى حرارة. إلا أن هذه الحرارة يتم إنتاجها بكميات قليلة لا تكفي للاستخدام المنزلي، لذلك عادة ما يتم استخدام الحرارة الشمسية لتوليد حرارة كافية للمنازل.

الألواح الحرارية (الألواح الحرارية الشمسية أو مجمعات الطاقة الشمسية) هي أجهزة تعمل على تجميع الحرارة من الشمس واستخدامها في تسخين المياه أو السوائل الأخرى.