أكتوبر 2020

الخلية الشمسية

كفاءة الخلية الشمسة الكهروضوئية Solar Cell Efficiency

الخلية الشمسية تعمل على تحويل ضوء الشمس او الاشعاع الشمسي solar irradiance الى كهرباء , لكن ليس كل مقدار الاشعاع الشمسي الذي يسقط على سطح الخلية يتم تحويله الى كهرباء , و هذا ما يعرف بكفاءة الخلية الشمسية اي نسبة تحويل الخلية للاشعاع الشمسي الى كهرباء اي النسبة بين قدرة الدخل التي هي الاشعاع الشمسي الى قدرة خرج الخلية[1].أقصى كفاءة للالواح الشمسية المستخدمة عملياً في حدود اقل من 20% , هناك ارقام اعلى من هذا الرقم لكن مازالت في المختبر او ذات استخدام في تطبيقات خاصة كالفضاء.

 تُحسب كفاءة الخلية وفقاً للمعادلتين التاليتين:

قانون الكفاءة

قانون كفاءة الخلية الشمسية
حيث:
(Pm- maximum power (watt
(Pin- input power (Watt
( Vm- maximum voltage (Volt
(Im -maximum current (Amp
(I- solar intensity (watt/m
 (A- area (m2

1.1. عوامل تؤثر على كفاءة الخلية

         هناك عوامل مختلفة و عديدة تؤثر على كفاءة الخلية الشمسية الكهروضوئية و بالتالي القدرة الكهربائية المنتجة بواسطة الخلية الشمسية. إن الفوتون photon ذي الطاقة المنخفضة أقل من طاقة الربط band gab energy لا يمكنه توليد ثغرة الكترون و بالتالي لا يولد كهرباء لكن هذا المقدار الضئيل من الطاقة يولد حرارة في الخلية الشمسية مما يقلل كفاءتها.بينما الفوتونات ذات الطاقة اعلى من طاقة الربط band gab energy  فقط جزء قلل من طاقته يُستخدم لتوليد إلكترون و المتبقي من الطاقة يتحول إلى حرارة أيضاً مما يقلل كفاءة الخلية[1].
       عندما يسقط الاشعاع الشمسي على سطح الحلية الشمسية بعض منه ينعكس الى الفضاء و بعضه تُمتص بواسطة الخلية و هذا هو الجزء المستفاد في توليد الكهرباء, اذاً هناك فقدان للاشعاع الشمسي بطرق مختلفة و كل ذلك يقلل فرص الاستفادة بشكل كامل من الاشعاع الشمسي[1].

2.1.(Packing Factor (PF

   المقصود به المساحة التي تشغلها الخلايا في اللوحة الشمسي الى مساحة اللوح الشمسي. بمعنى أن مساحة اللوح الشمسي لا تمثل مساحة الخلايا ككل و ذلك لان هنا مسافة بين الخلايا بالاضافة الى حواف اللوح نفسه فهي مشغولة بمواد لحماية الخلايا واللوح من التلف و الكسر [1].

لوح شمسيخلية شمسية


المساحة المغطية بالخلايا= مساحة الللوح * (Packing Factor (PF

المساحة بين خليتين = (1-PF) * مساحة اللوح الشمسي

        الخلايا شبه الشفافة أكثر كفاءة semitransparent  من الألواح المعتمة opaque و ذلك لان الطاقة غير المستخدمة فقط هي التي تسبب ارتفاع في درجات الحرارة و بالتالي تؤثر على الكفاءة لكن بشكل اقل من نظيرتها النوع المعتم opaque.بينما الطاقة بين الفراغ بين كل خليتين متجاورتين يتم نققله خارج مما يساعد في خفض درجات حرارة الخلية المحيطة.فقط تزيد الفقودات العليا و السفلى اكثر من نظيرتها شبه الشفافة [1].
         بالنسبة للخلايا المعتمة opaque الاشعاع الساقط بين خليتين يتم عكسها مما يزيد الحرارة المتولدة , الفقودات العليا و السفلى للخلية اقل من نظيرتها شبه الشفافة , لكن سقوط هذا الاشعاع في المساحة بين خليتين متجاورتين في الخلايا التقيدية ( المعتمة ) يولد حرارة ويجعلها تتوهج بينما في النوع شبه الشفاف من اللالواح الشمسية يولد حرارة فقط.

مثال :

 احسب القدرة القصوى و الكفاءة للخلية الشمسية ذات المواصفات التالية

- Voc= 0.24 volt, Isc= 10mAmp, Vm= 0.14 volt, Im= 6.5 mAmp., Intensity = 24 W/m2 , Area= 4 cm2

الحل
بالتطبيق المباشر في العلاقات الرياضية اعلاه نحصل على 


Pm = Vm × Im = 0.91 m Watt


مثال حساب كفاءة الخلية الشمسية
في حالة المراد حساب الكفاءة للوح الشمسي تؤخذ مساحة الخلايا وليس مساحة اللوح.



يمكن متابعتنا عبر وسائل التواصل التالية:

قناة المعرفة العلمية على اليوتيوب

صفحة المعرفة العلمية في فيس بوك


نسعد ونرحب بآرائكم و تعليقاتكم عن الموضوع و الموضوعات الاخرى بما فيها إقتراحاتكم القيمة من أجل إثراء جو تبادل المعرفة و الخبرات عبر صندوق التعليقات أدناه.

المصدر :
_________-
[1] SOLAR ENERGY Fundamentals, Economic and Energy Analysis, First Edition ,Saurabh Kumar Rajput, Northern India Textile Research Association , 2017.
__________________________________________________________________________________

حقوق الطبع و النشر@  المعرفة العلمية 2020


ندوة webinar عن الطاقة الشمسية الكهروضوئية في السودان 

     أقيمت الندوة أفتراضياً (عبر zoom ) و تناولت موضوع الطاقة الشمسية الكهروضوئية في السودان الذي يعتبر واحد من أغنى المناطق بالاشعاع الشمسي العالي ,و سلطت الندوة الضوء على الامكانات و أهم الأسباب التي تعيق تقدم البلاد في الانتقال نحو الطاقة الشمسية.
   نظمت الدورة بواسطة مجموعة باور العلمية  SCIENTIFIC POWER GROUP , SPG و هي مجموعة مختصة بمجال الكهرباء و تضم عدداً من المهندسين و الخبراء و المتحدث فيها المهندس و الباحث في الطاقات المتجددة  ياسين سليمان عبدالله (مؤسس موقع المعرفة العلمية).

محاور الندوة webinar

  • مقدمة عن الطاقة الشمسية 
  • مختصر تعريف بأهم مكونات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الرئيسية
  • تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية
  • تناول أهم استخدامات الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل مختصر مع ذكر لأهم التطبيقات 
  • الكفاءة و التكلفة للطاقة الكهروضوئية 
  • كما هو معلوم الكفاءة المنخفضة و التكلفة العالية أهم سببين يعيقان عملية انتشار الطاقة الشمسية في البداية الى ان تطورت التكنلوجيا و انخفضت التكاليف بشكل كبير جدا فأصبحت الطاقة الشمسية في انتشار كبير , تناولت المحاضرة قصة تطور و زيادة الكفاءة و انخفاض التكاليف عبر السنوات الاخيرة بالمخططات و الرسوم البيانية.
  • الامكانيات و التحديات التي تواجه الطاقة الشمسية الكهروضوئية في السودان
  • إقتراحات 
  • أهم المنصات العلمية للباحثين عن تطوير مهاراتهم في الطاقة الشمسية و الطاقات المتجددة.

يمكن متابعتنا عبر وسائل التواصل التالية:

قناة المعرفة العلمية على اليوتيوب

https://www.youtube.com/channel/UCpD51xop4CLXVJAHvhPGBLQ?view_as=subscriber


صفحة المعرفة العلمية في فيس بوك

https://www.facebook.com/scientificknowledge123

نسعد ونرحب بآرائكم و تعليقاتكم عن الموضوع و الموضوعات الاخرى بما فيها إقتراحاتكم القيمة من أجل إثراء جو تبادل المعرفة و الخبرات عبر صندوق التعليقات أدناه.


___________________________________________________________________________________

حقوق الطبع و النشر@  المعرفة العلمية 2020

الانفرتر Inverter

          هو الوحدة التي تعمل على تحويل جهد خرج الالواح الشمسية المستمر الى جهد متردد بغرض تشغيل الاجهزة المنزلية و غيرها التي تعمل بجهد متردد.
ا        لانفرتر لها عدة انواع (انقر هنا للرجوع الى مقال انواع الانفرتر المستخدمة في الطاقة الشمسية الكهروضوئية) في الفيديو اعلاه يتحدث عن أهم الفروقات بين ما يمسى string inverter و الانفرتر المستخدم في مضخات الري الزراعي او الري بشكل عام المسمى Solar Pump Inverter, أيضاً في مقدمة الحديث يوضح كيفية قراءة لوحة بيانات المحرك (الديباجة ) nameplate للمحرك وذلك لتوضيح ما اذا كان المحرك يقبل تغيير السرعة ام لا لأن بعض محركات المضخات غير متوافقة لتشغيلها عبر انفرتر VFD او مغير السرعة لذلك من الضروي معرفة ذلك.

لمزيد من الفيديوهات عن مواضيع أخرى متعلقة بالطاقة الشمسية يمكن متابعتنا بالاشتراك عبر قناة المعرفة العلمية في يويتوب على الرابط التالي:-
https://www.youtube.com/channel/UCpD51xop4CLXVJAHvhPGBLQ?view_as=subscriber
كما نرحب بآرائكم و إقتراحاتكم في الموضوع أو مواضيع تودون طرحها عبر موقع المعرفة العلمية عبر صندوق التعليقات أدناه.

تقديم المحاضرة:
مهندس : ياسين سليمان عبدالله

___________________________________________________________________________________

حقوق الطبع و النشر@  المعرفة العلمية 2020

مجموعة الواح شمسية مظللة جزئياً

الظل Shade وتأثيره على الطاقة الشمسية الكهروضوئية

          الظل أو التظليل بشكل عام يعتبر عامل مؤثر جداً على إنتاجية الطاقة الشمسية و هناك عدة أجسام تسبب الظل مثل الأجسام المجاورة للألواح الشمسية كالمباني و الأشجار المجاورة و ورق الأشجار و مخلفات الطيور و الأتربة و المدخنة chimney وأقطاب مانعات الصواعق وغيرها من الأجسام الاخرى , بشكل عام كل جسم حول الألواح الشمسية يسبب ظل ما لم يؤخذ في الحسبان[2]. الملاحظ بعض أنواع الظل الناتج من أجسام كالاتربة و مخلفات الطيور و وورق الأشجار يمكن معالجتها بالنظافة المنتظمة للالواح و البعض الاخر يجب أخذه في الاعتبار عند التصميم و الحسابات. 

تأثير التظليل على منظومة الطاقة الشمسية

                  لنفترض لدينا 6 خلايا شمسية موصلة على التوالي كما بالشكل (1) , و احدي الخلايا مظللة جزئياً بورقة شجرة و كما هو معلوم فإن التيار في التوصيل على التوالي  له مسار واحد كما مبين بالشكل و التيار المار في المسار هو أقل تيار تنتجه خلية واحدة بمعنى آخر اقل تيار تنتجه اي خلية من الخلايا الست هو التيار الكلي و في حالة التظليل الجزئي لاحدى الخلايا فان اقل تيا هو الذي يسري في الدائرة ما يعني انخفاض كبير جداً في قيمة الطاقة المنتجة بفعل التظليل الجزئي[1].


6 خلايا موصلة على التوالي

شكل (1): ست خلايا موصلة على التوالي و حمل موصل R

        الشكل (2) يوضح منحنى التيار-الجهد I-V Curve للخلايا الخمس الأخريات غير الظللة و الخلية المظللة , اذا وصلنا حمل ثابت R (كما بالشكل 1) فان فرق الجهد يقل بشكل كبير بسبب انخفاض التيار المنتج نتيجة أثر الظل الجزئي على احدى الخلايا الست و هذا يجعل الخلايا الخمس غير المظللة أن تعوض الهبوط الناتج بسبب ذلك فتعمل كمصدر تحييز الخلية المظللة جزئياً reverse biasing. الخط المتقطع يمثل الانحياز العكسي للخلية الوحيدة المعرضة لتأثير الظل, بينما منحنى الخلايا الخمس غير المظللة يبدأ عند المحور الرأسي عند النقطة 0 V, الخلية المظللة لا تنتج طاقة فهي اصبحت كحمل , و نتيجة لسريان التيار فيها بصورة عكسية من الخلايا غير المظللة الخمس فإنها تبدأ تسخن رويداً رويداً حتى تصل مراحل حرجة تتشق فيها مواد الخلية و تتآكل مع نقصان الطاقة المنتجة ككل عبر اللوح الشمسي[1] وأيضاً يسبب البقع الساخنة.

مخطط التيار الجهد للخلايا الشمسية و تاثير الظل
شكل (2): منحنى I-V curve للخلايا الخمس غير المظللة و الخلية المظللة

      لتفادي مشكلة كهذه يتم تركيب ثنائي (دايود) يسمى bypass diode يوصل بالتوازي مع الخلايا ليوفر مسار بديل في حال تعرض احدى الخلايا لمشكلة كهذه (الشكل 3) , مثلاً عند تعرض احدى الخلايا لظل جزئي فان الدايود يوفر مسار بديل لمرور التيار  بدل ان يمرالتيار عكسيا عبر الخلية المظللة و يحدث اثار عليها[1].

توصيل دايود لحماية الخلايا من تاثير الظل الجزئي

شكل (3): استخدام bypass diodes لتقليل اثر الظل الجزئي

كيفية تجنُب الظل

          احدى الطرق المستخدمة لتقليل آثار الظل الجزئي أو الظل بشكل عام, كما ذكرنا يتم تركيب دايود bypass diode  للخلايا في اللوح الواحد و أحياناً يتم استخدام دايود لمجموعة من الالواح array لمنع سريان التيارمن المجموعات غير المظللة إلى  المجموعة المتأثر بالظل يسمى blocking diode, و أيضاً يجب تجنب ظل الصف الأمامي على بقية الصفوف ويتم ذلك بالحسابات (سنتعرف عليها لاحقاً إن شاء الله ) و كذا كل الاجسام المجاورة للالواح الشمسية و اذا كان لابد من وقوع الظل يجب ان يكون أقل ما يمكن و حماية الجزء المظلل من تأثير الظل عبر Blocking diode أو استخدام micro-inverter للالواح او اي طريقة أخرى لحمايتها فكما رأينا في السابق تأثير الظل الجزئي[2].


___________________________________________________________________________________

المصادر

[1] Solar Energy Fundamentals, Technology, and Systems, Klaus Jäger et al,  Delft University of  Technology, 2014  

[2] Investigating the Impact of Shading Effect on the Characteristics of a Large-Scale Grid-Connected PV Power Plant in Northwest China (paper), Yunlin Sun, et al, Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume , 2014


حقوق الطبع و النشر@  المعرفة العلمية 2020



نموذج الاتصال

الاسم

بريد إلكتروني *

رسالة *

يتم التشغيل بواسطة Blogger.
Javascript DisablePlease Enable Javascript To See All Widget