دورة تعلم تركيب الطاقة الشمسية بنفسك خطوة بخطوة (الدرس الثاني ) :الواح الطاقة الشمسية و الخلايا الشمسية و أنواعها

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

دورة تعلم تركيب الطاقة الشمسية بنفسك خطوة بخطوة اعداد  المهندس صابر سعيد 

الدرس الاول  //  الدرس الثاني   //   الدرس الثالث   //    الدرس الرابع  //   الدرس الخامس   //   الدرس السادس 

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

الواح الطاقة الشمسية و الخلايا الشمسية و أنواعها

اللوح الشمسي (module) هو مجموعة من الخلايا الشمسية المتصلة ببعضها البعض بطريقة تسلسلية او بالتوازي كما توضح الصورة التالية. يمكن تركيب مجوعة من الواح الطاقة الشمسية بالتوازي أو بالتسلسل كما سنتعلم في فقرة قادمة من هذا الدرس.

انواع الواح الطاقة الشمسية

كما تلاحظون في الجدول أسفله فإن خصائص اللوح الشمسي او الخلية الشمسية تختلف حسب نوعيتها و أهم خاصية من هذه الخاصيات هي كفاءة اللوح %nr. و يمكن أن نقسم الالواح الشمسية حسب تواجدها في السوق إلى ثلاث أنواع شهيرة :

-اللوح الشمسي نوع Mono-cristallin: و يعتبر افضل الالواح من ناحية الكفاءة.

-اللوح الشمسي نوع poly-cristallin : أقل كفاءة من اللوح Mono-cristallin إلا أنه أقل ثمنا.

-اللوح الشمسي نوع thin film : يتميز بمرونة و سهولة في التركيب إلا أن كفائته ضعيفة مقارنة بالانواع الأخرى فهي لا تتجاوز 10%

لوح مرن من نوع thin film

ملاحظة : كفاءة الالواح الشمسية تتطور باستمرار و كذلك الأنواع , فقد شاهدت فيديو يعرف بنوع جديد من الالواح يتميز بشفافيته أي أنه كالبلور يمكن تركيبه في النوافذ. أما من ناحية الكفاءة فإن الرقم القياسي في لكفاءة الخلايا الشمسية و صل الى 46% في ديسمبر سنة 2014 بحسب ويكيبيديا. طبعا من الصعب ايجاد خلايا شمسية بهذه الكفاءة في السوق الآن فهي لا تتجاوز 25% عادة.

توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية

صحيح أن هذه الدورة تطبيقية. لكن لا بأس بأن نتعلم بعض المعلومات النظرية. فمن الجيد أن نعلم كيفية عمل الخلايا الشمسية و كيف يمكنها توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية.

إذن باختصار فإن الخلايا الشمسية تتكون أساسا من عنصرين رئيسين كما في الصورة أعلاه هما :

-(B)طبقة سيليكون من نوع N : وهي عبارة عن طبقة متكونة من السيليكون أساسا مضافا إليه نسبة قليلة من الفسفور

-(A)طبقة سيليكون من نوع P : وهي طبقة متكونة من السيليكون مضافا إليه نسية قليلة من البورون

حتى نعلم كيف يقع توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية يجب أن نعرف أولا أن ذرة السيليكون تمتلك 4إلكترونات في طبقتها السطحية و أن ذرة الفسفور لديها 5 إلكترونات في الطبقة السطحية و أن البورون لديه 3 إلكترونات فقط. من أجل معرفة عددالإلكترونات السطحية أو الكترونات التكافؤ لكل عنصر يمكن استعمال الجدول في الاسفل.

إذن الذي سيحصل في الطبقة من نوع N هو أن 4 الكترونات من الفسفور سترتبط بأربع الكترونات من السيليكون و تبقى الكترونة واحدة حرة هذا ما يسمى في عالم الكيمياء بالرابطة المشتركة. أما بالنسبة للطبقة من نوع P فإن إلكترونات البورون الثلاثة سترتبط مع 3 الكترونات للسيليكون و يبقى البورون في حاجة الى الى الكترون آخر ليربطه مع الالكترون المتبقي للسيليكون.

اذن كحوصلة فإن طبقة السيليكون نوع P بحاجة الى الكترون و الطبقة نوع N لديه الكترونة حرة يريد التخلص منها. و كل ما ينقص الآن هو محفز يساعد على تنقل الالكترونات الزائدة من الطبقة نوع N الى الطبقة نوع P. و هذا المحفز ان صح التعبير هو اشعة الشمس أو الفوتونات الضوئية. ثم نقوم بربط الطبقتين بمستقبل كالمصباح ( كما في الصورة التالية) فتبدأ الالكترونات بالتحرك داخل الدائرة . و هكذا يتم توليد الكهرباء.

فيديوات يوتوب مختارة حول كيفية توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية و كيفية صنع الخلايا الشمسية:

http://www.solarsnipers.com/pages/article_details/pv-cells

كيفية حساب الواح الطاقة الشمسية

أول خطوة نقوم بها من أجل حساب الواح الطاقة الشمسية هي حساب الطاقة التي تحتاجها يوميا بالkwh.

على سبيل المثال نفرض انك تريد تركيب لوحات شمسية في منزلك. عليك اذن حساب الطاقة التي يستهلكها منزلك يوميا.نفرض ان لديك :

–5 فوانيس بقوة 60 واط الواحدة تشتغل 4 ساعات يوميا.

-غسالة بقوة 2000 واط تشتغل لمدة ساعة يوميا.

-ثلاجة بقوة 200 واط تشتغل 24 ساعة يوميا.

اذن من اجل حساب استهلاكك اليومي للطاقة الكهربائية نقوم قوة كل جهاز في عدد الساعات التي يعمل فيها و نجمع استهلاك الاجهزة كالاتي:

الاستهلاك اليومي=(60*4)*5 + 2000*1 +200*24=8000 Wh   اي 8 kwh يوميا.

الخطوة الثانية لحساب الواح الطاقة الشمسية هي حساب الطاقة الجملية وذلك باعتبار ان العناصر الالكترونية لها كفاءة اقل من 100% طبعا. فهناك نسبة من الطاقة الكهربائية تضيع اثناء مرورها داخل المكونات الالكترونية قبل وصولها إلى المستعمل.

وكي نحدد الطاقة الاجمالية علينا أن نحدد نوع النظام الذي سنستعمله. فإن كان النظام متصلا بالكهرباء العمومي فهو لا يستعمل بطاريات كما رأينا في الدرس الأول. و في هذه الحالة المكون الالكتروني الوحيد الذي سيضيع جزء من الطاقة هو محول التيار (INVERTER) ولنفرض أن كفائته تساوي 95% (اي 5% من الطاقة ضائعة).فعلينا إذن أضافة الطاقة التي ستضيع مع محول التيار إلى الطاقة التي يحتاجها المنزل. اذن الطاقة الاجمالية التي ستحتاج الألواح لتوليدها تساوي 8+(0.05*8)=8.4 kwh في اليوم

أما في الحالة التي يحتوي فيها النظام الشمسي على بطاريات, وفرضا أنا كفاءة البطاريات هي 95% ايضا. في هذه الحالة الطاقة الاجمالية تحسب كالآتي: 8+(0.05*8)+(0.05*8)= 8.8 Kwh في اليوم.

ملاحظة: في هذه الحالة لتسهيل الامور افترضنا أن كفاءة المنظم و خيوط الربط تساوي 100% لكن في الواقع يجب معرفة كفائتها و اضافة الطاقة الضائعة داخلها و إضافتها للمجاميع السابقة. تتراوح كفاءة نظام الطاقة الشمسية عادة بين 60 و 80 بالمائة. اي ان نسبة الطاقة الضائعة تتراوح بين 40 و 20 بالمائة عادة. لذلك هناك من يقوم بقسمة الطاقة المستهلكة على 0.7 للحصول على الطاقة الجملية التي على الالواح الشمسية توليدها.

الخطوة الثالثة تتمثل في تحديد شدة الإشعاع الشمسي في المنطقة التي ستركب فيها الالواح الشمسية. ومن أجل القيام بهذه الخطوة يمكن الرجوع إلى الدرس  الأول الذي ذكرنا فيه كيفية الحصول على خريطة الإشعاع الشمسي في بلدك.أو يمكن استعمال الموقع الرائع الذي سنذكره في الفقرة التالية من هذا الدرس. قيمة الشعاع الشمسي التي سنستعملها تكون بال kwh/m^2 في اليوم.

الخطوة الرابعة هي حساب عدد الالواح الشمسية اللازمة. يمكن القيام بهذا الحساب بطريقتين:

الطريقة الأولى:

من أجل استعمال هذه الطريقة يجب أن نعرف شدة الاشعاع الشمسي اليومي و كفاءة اللوح الشمسي و مساحة اللوح الواحد

من أجل حساب المساحة الجملية اللازمة من الالواح نقوم بالعملية التالية:

(الطاقة الجملية/الاشعاع الشمسي)*(100/كفاءة اللوح)  

وحدة الطاقة الجملية هي kwh في اليوم.

وحدة الاشعاع الشمسي هي kwh/m^2 في اليوم.

لو فرضنا أن كفاءة الالواح الشمسية التي سنستعملها هي 20 بالمائة و أن الاشعاع الشمسي قيمته 5kwh/m^2. و لو طبقنا العملية أعلاه على مثالنا الحالي نتحصل على: (5/8.8)*(20/100) =8.8 متر مربع.

لو فرضنا الآن أن مساحة اللوح الشمسي الواحد هي 0.8 متر مربع إذن عدد الالواح الجملي سيكون: 0.8/8.8=11 لوح

الطريقة الثانية: هذه الطريقة تعمد على خاصية الطاقة بالواط التي تميز اللوح الشمسي و لن نستعمل مساحته كما في الطريقة الاولى.ونحتاج من أجل ذلك طاقة اللوح الشمسي الواحد و هي عادة الطاقة التي يستطبع توليدها اللوح الشمسي باستعمال 1000 W/m^2  اي ما يساوي 1 Kw/m^2 . و نحتاج كذلك شدة الاشعاع الشمسي.

ملاحظة : عند شراء اللوح الشمسي فستجد من يستعمل الواط (w) كوحد لقياس طاقة اللوح و هناك من يرمز لهذه الطاقة ب(Wc) او (Wp).

ومن اجل حساب عدد الالواح الشمسية اللازمة نقوم بالعملية الحسابية التالية:

عدد الالواح= الطاقة الجملية/(الاشعاع الشمسي*طاقة اللوح الواحد)

فلنطبق هذه العملية فارضين أن طاقة اللوح تساوي 150 واط اي 0.150 Kw و ان الاشعاع الشمسي قيمته 5 Kwh/m^2

8.8 / (5*0.150)=12 لوح.

وهكذا ننتهي من شرح كيفية حساب الالواح الشمسية, و لمزيد من الدقة في الحسابات يجب أن نعلم أن كفاءة الألواح الشمسية مرتبطة بدرجة الحرارة, لكنها لا تغير فيها كثيرا. هذه الطرق تعتبر بسيطة و سهلة و هي تعتمد على خاصيات اللوح الشمسي.اختيار الطرق يعتمد عن المعطيات التي لديك حول اللوح الشمسي. هناك طرق أخرى أكثر تعقيدا و دقة تعتمد على خصائص الخلايا الشمسية و تفرق بين أنواع الانظمة التي تستعمل بطاريات و التي لا تستعملها.

شرح تركيب الواح الطاقة الشمسية

1)اختيار اتجاه و زاوية الواح الطاقة الشمسية

كما تشاهدون في الصورة التالية فإن مسار الشمس مقارنة بنقطة ثابتة في الارض يختلف من شهر لآخر. إلا أن الامر الثابت أن الشمس تشرق من الشرق و تغرب من الغرب و أن الدائرة التي يكونها مسار الشمس عمودية على خط الاستواء. أي أن الشخص الموجود في منطقة على خط الاستواء سيرى ان مسار الشمس يكون مساحة عمودية على الارض الافقية التي هو عليها كما في الصورة الثانية (Equator) في هذه الفقرة. و في نفس الصورة يمكن أن تلاحظو مسار الشمس من الخط العرضي 50 درجة شمالا ( °50 N) اي الخط العرضي فوق خط الاستواء. في هذا الخط تكون الشمس غالبا موجودة في جهة الجنوب. أما إذا كانت المنطقة في خط عرضي جنوبي فان الشمس ستكون غالب في جهة الشمال.

مسار الشمس من خطوط عرض مختلفة مختلفة

خطوط العرض الشمالية و الجنوبية يتوسطها خط الإستواء

هل لاحظتم مسار الشمس في خط العرض 90° شمالا  في الصورة الثانية من هذه الفقرة. اجل الشمس دائما موجودة وهي تكون دائرة كاملة و ليس نصفها. وهذا ما يفسر عدم غروب الشمس في بعض المناطق كما ستشاهدون في الفيديو التالي:

فلنعد الى موضوعنا بعد هذه الدورة الفلكية. إذن فلنطبق ما شاهدناه حول مسار الشمس على مثال في العالم العربي. عالمنا العربي موجود شمال خط الاستواء (Equator) اذن يفضل توجيه اللوحات الشمسية في اتجاه الجنوب حيث تتواجد الشمس.

2)اختيار زاوية ميلان الالواح الشمسية

اذن بعد شاهدنا كيف نختار اتجاه الالواح الشمسية, تبقى لنا الآن أن نعرف زاوية تركيب الالواح. قيمة زاوية ميلان الالواح الشمسية مرتبطة بدرجة خط العرض الذي نتواجد فيه و بالفصل الذي نحن فيه. حيث يمكن حساب الزاوية باستعمال القواعد التالية:

فصل الخريف والربيع: زاوية الميلان= درجة خط العرض

فصل الصيف : زاوية الميلان= درجة خط العرض – 15 درجة

في فصل الشتاء: زاوية الميلان= درجة خط العرض + 15 درجة

بامكانك تحديد خط العرض في منطقتك باستعمال خرائط جوجل او هذا الموقع findlatitudeandlongitude

حتى إن لم تفهم ما ذكرته حول اختيار زاوية الميلان و اتجاه اللوح فلا توجد اي مشكلة. فهذا الموقع يمكنك من اختيار احسن اتجاه و احسن زاوية ميلان كل ما عليك فعله هو الدخول لهذا الرابط ثم اختيار بلدك ثم منطقتك ثم الاتجاه الذي تريد تجربته ثم تختار الزاوية و سيعطيك الموقع قيمة الاشعاع الشمسي اليومي في كل شهر. و كل ما عليك فعله هو اختيار الاتجاه و الزاوية التي اعطتك أفضل النتائج. لا تنسو أن بإمكانكم استعمال هذه المعطيات لحساب عدد الالواح الشمسية اللازمة.

3)تركيب الالواح الشمسية بالتوازي و بالتسلسل

ان التعامل في جمع الالواح الشمسية مع بعضها يشبه التعامل مع البطاريات. فتركيبها بالتوازي يحافظ على الجهد و يزيد شدة التيار و تركيبها بالتسلسل يزيد الجهد و يحافظ على قيمة شدة التيار. و مهما كان نوع التركيب متسلسلا او متوازيا او مزدوجا فان الطاقة الاجمالية لا تتغير اذا لم نغير عدد الالواح. و هذا ما توضحه الصورة التالية:

يجب الأخذ بعين الاعتبار انه لا يمكن تطبيقيا تركيب الواح شمسية بالتوازي الا اذا كانت كلها تحمل نفس الجهد (فولط).

اسعار الخلايا الشمسية او الالواح الشمسية

بعد جولة في بعض المواقع العالمية تمكنت من أن أستنتج أن سعر الالواح بطاقة 150 واط تتراوج أسعارها بين 150 و 250 دولار. إلا انها تصل الى 90 دولار في بعض المواقع الصينية و تتجاوز 350 دولار احيانا اخرى. لكن أغلب الاسعار قريبة من 200 دولار. وهناك من يبيع الخلايا الشمسية لتقوم بتركيب لوحك بمفردك و هذا تكلفته أقل.

إذن ماذا قمنا بحساب تكلفة الالواح الشمسية في مثالنا السابق معتبرين أن ثمن لوح 150 واط هو 200 دولار.

لقد وجدنا سابقا أن عدد الالواح اللازم لمنزلنا هو 12 لوح إذن سيكلفنا سعر الخلايا الشمسية: 200*12=2400 دولار. هذا بدون اعتبار اسعار باقي المكونات الالكترونية.

ارى ان اسعار الخلايا الشمسية صارت مناسبة مقارنة بالمنفعة التي ستدرها علينا من ناحية تنقيص تكلفة الطاقة و من ناحية المحافظة على البيئة. و هذا ما يزيد استغرابي حول عدم انتشار هذه الطاقة بالشكل الكافي في العالم العربي.

 اعداد :المهندس صابر سعيد

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

دورة تعلم تركيب الطاقة الشمسية بنفسك خطوة بخطوة اعداد  المهندس صابر سعيد 

الدرس الاول  //  الدرس الثاني   //   الدرس الثالث   //    الدرس الرابع  //   الدرس الخامس   //   الدرس السادس 

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ