شرح الميد · الإشعاع الشمسي والخلايا الكهروضوئية

هدف الدرس

فهم المورد الشمسي وسلسلة بناء اللوح والتحويل الكهربائي والعوامل المحددة للإنتاج.

الفهرس

• الإشعاع وشدة الإشعاع وساعات الشمس المكافئة
• من الخلية إلى الوحدة والمصفوفة
• التحويل الكهربائي والتحويل الحراري
• مساحة المصفوفة والطاقة المنتجة

الإشعاع وشدة الإشعاع وساعات الشمس المكافئة

الإشعاع الشمسي طاقة تصل في صورة موجات تشمل الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء وفوق البنفسجية. أما شدة الإشعاع فتصف القدرة التي تصل إلى وحدة المساحة في لحظة معينة، وتقاس بالواط لكل متر مربع. الطاقة اليومية على المساحة تجمع أثر تلك الشدة عبر الزمن، وتقاس مثلًا بالكيلوواط ساعة لكل متر مربع في اليوم.

ساعات الشمس المكافئة ليست عدد ساعات ظهور الشمس في السماء؛ إنها طريقة لتمثيل الطاقة اليومية بشدة مرجعية. يورد نموذج المحاضرة شدة تقارب 1 kW/m² قرب الظهر في سماء صافية، وهي حالة تقريبية وليست قيمة ثابتة لكل يوم أو موقع.

يصل جزء من الإشعاع مباشرة، ويتشتت جزء في الغلاف الجوي، ويصل جزء بعد انعكاسه عن المحيط. يقيس البيرانومتر الإشعاع الكلي الوارد من السماء. يتأثر ما يلتقطه السطح بالطقس والميل والاتجاه؛ لهذا لا تكفي مساحة اللوح وحدها لتحديد إنتاجه.

من الخلية إلى الوحدة والمصفوفة

تستخدم الخلية الكهروضوئية مادة شبه موصلة لتحويل طاقة الضوء مباشرة إلى كهرباء. الضوء يتيح حركة الشحنات في الخلية، وتتيح الموصلات خروج التيار إلى الدائرة. الخلية تحول الطاقة أثناء وصول الضوء؛ لا تخزنها بذاتها.

الخلية أصغر وحدة مولدة. تجمع الخلايا المتصلة كهربائيًا وتغلف بطبقات حماية لتكوين وحدة أو لوح، ثم تجمع الألواح لتكوين مصفوفة. التوصيل على التوالي يجمع أثر الخلايا في الجهد، والتوازي يسمح بجمع التيارات. يعرض المصدر خلية سيليكون بجهد تقريبي 0.6 V؛ تختلف القيم الفعلية مع نوع الخلية وظروفها، فلا يقرأ الرقم بوصفه ضمانًا لكل خلية.

من تقنيات الخلايا السيليكون أحادي البلورة ومتعدد البلورات والأغشية الرقيقة. تشرح المحاضرة مفاضلة الكفاءة والكلفة ومرونة التصنيع بينها. أرقام المقارنة القديمة لا تمثل مواصفات السوق الحالية؛ اختيار منتج فعلي يحتاج بياناته الفنية.

في تصنيع اللوح تفرز الخلايا لتقارب خصائصها، ثم توصل وتجمع في مصفوفة داخل طبقات الحماية، وتثبت الإطارات وصندوق التوصيل، ويقاس الأداء تحت شروط اختبار محددة. الغرض من الحماية والاختبار هو المحافظة على الترابط الكهربائي والتحقق من خصائص اللوح، فلا تعني القدرة المقاسة في الاختبار أنه يعمل بها طوال النهار.

التحويل الكهربائي والتحويل الحراري

الخلايا الكهروضوئية تنتج الكهرباء، والمجمع الشمسي الحراري ينتج حرارة تنتقل إلى الماء أو المائع. كلاهما يعتمد على الإشعاع، لكن الناتج المفيد مختلف. استخدام ماء ساخن مباشرة يقلل عدد التحويلات مقارنة بإنتاج كهرباء ثم استعمالها للتسخين، بينما توفر الكهرباء استعمالات لا تحققها الحرارة وحدها.

الكفاءة مرتبطة بحدود النظام وبما يعد ناتجًا مفيدًا. تعرض المحاضرة مثالًا تاريخيًا تكون فيه نسبة التحويل الحراري أعلى من نسبة التحويل الكهربائي؛ هذه المقارنة التعليمية لا تعني أن كل نظام حراري يتفوق على كل لوح مهما اختلفت الظروف.

مساحة المصفوفة والطاقة المنتجة

تقدر المحاضرة الطاقة الناتجة من مساحة اللوح والطاقة الإشعاعية وكفاءة الخلية وعامل أداء النظام. كفاءة الخلية تمثل نسبة التحويل إلى كهرباء، وعامل النظام يمثل خسائر إضافية مثل الحرارة والتوصيلات والتحويل. يجب تجنب احتساب الفقد نفسه مرتين إذا كانت الكفاءة المعطاة تشمل النظام كله.

E = ES × EC × IND × A × days

تستخدم هذه الصيغة عندما تكون IND طاقة يومية لكل متر مربع، وA المساحة بالمتر المربع، والكفاءتان كسورًا لا نسبًا مئوية مكتوبة كاملة. يضاف عدد الأيام للحصول على طاقة الفترة. اتساق الوحدات يحدد معنى الناتج؛ استخدام إشعاع يومي ثم نسيان الأيام يعطي مقدارًا يوميًا لا شهريًا.

تزداد الطاقة المقدرة بزيادة المساحة أو الإشعاع أو الأداء، مع ثبات البقية. ولا تكفي القدرة الاسمية وحدها لإعطاء الطاقة الشهرية؛ الظل والطقس والاتجاه ودرجة التشغيل تؤثر في الإنتاج. أما عدد الألواح فيتعلق بالطاقة المطلوبة والطاقة التي يوفرها اللوح خلال الفترة نفسها، ويقرب إلى عدد صحيح يناسب الحاجة.

الخلاصة

خلاصة الدرس: المورد الشمسي يتغير في الزمن، والخلية تحوله مباشرة إلى كهرباء. تجميع الخلايا يحسن إمكان الاستخدام، وإنتاج الطاقة يتطلب مساحة وموردًا وأداءً ومدة.