رفع كفاءة عمل الخلايا الشمسية

يشهد العالم ارتفاعًا حادًا في الطلب على الطاقة، وتستمر تكاليف الوقود الأحفوري في الارتفاع أيضًا، بالإضافة إلى أن المخاوف البيئية تدفعنا إلى توليه اهتماماً أكبر لمصادر الطاقة المتجددة. وتأتي الطاقة الشمسية في مقدمة هذه المصادر، خصوصًا أن المملكة تتمتع بمقومات عظيمة في مجال الطاقة الشمسية بسبب موقعها في نطاق الحزام الشمسي العالمي، والذي يجعلها معرضة لكمية كبيرة من الإشعاع الشمسي على أرضها، وأيضًا لأن متوسط عدد ساعات النهار فيها عالٍ مقارنة بباقي أنحاء العام. هذه الوفرة من الإشعاع الشمسي تساعد على تعزيز إنتاج كمية كبيرة من الطاقة الشمسية باستخدام الخلايا الشمسية. ولذلك، أطلقت المملكة 7 مشاريع للطاقة الشمسية باستثمارات ضخمة تصل إلى 1.5 مليار دولار لاستغلال هذه الطاقة. ويعد الاستثمار في الطاقة الشمسية هو الاستثمار الأمثل، باستدامة أطول، وتكاليف أقل للموارد الطبيعية المتاحة حيث تتميز الخلايا الشمسية بقلة الحاجة لصيانتها، مما يعني تكاليف أقل للصيانة وتقليل عمالة التشغيل والحد من استخدام قطع الغيار، بالإضافة إلى توفير تشغيل بلا تلوث. وطورت العديد من البلدان أنظمة لتوليد الطاقة الشمسية بسرعة مع تعريفات تغذية، وبرامج مدعومة، وغير ذلك. حيث يمكن للمشتركين الذين يمتلكون اللوحات الشمسية بيع الطاقة الفائضة لشركة الكهرباء، مما يعد حافزًا يساعد المشتركين على اقتناء أنظمة الطاقة الشمسية. وبالرغم من كل هذه المميزات والمستقبل الواعد للخلايا الشمسية، إلا أنها تملك بعض العيوب ومنها: انخفاض كفاءة الخلايا الشمسية حيث تقدر بين 20 % - 40 % ويمكن أن تصل إلى حدود 50 %. وتعتبر تكلفة مكونات النظام الشمسي عالية إلى حد ما. فبالرغم من أن الأبحاث الجارية قد أسهمت في خفض التكاليف نسبيًا، إلا أنها مازالت مرتفعة، خصوصًا البطاريات التي تستخدم لتخزين الطاقة الكهربائية للاستفادة منها ليلًا في تشغيل الأجهزة الكهربائية. ومن عيوب الخلايا الشمسية اعتمادها على حالة الجو، وتتأثر باختلاف كمية الإشعاع الشمسي، درجة الحرارة، والتظليل على مدار الساعة، مما يجعل إنتاجها للطاقة الكهربائية غير ثابت.
وتعمل الخلايا الشمسية على توليد الكهرباء عن طريق التأثير الكهروضوئي - عندما يسقط ضوء الشمس على الخلايا الشمسية تتحرر الإلكترونات في مادة السيليكون والتي تتكون منها الخلايا الشمسية. وعلى هذا النحو، عندما لا تستقبل خلية أو لوحة شمسية ضوء الشمس - بسبب التظليل أو العوائق القريبة - فإن التركيب بأكمله يولد طاقة شمسية أقل بشكل عام. وتُعرف هذه الظاهرة بفقدان الطاقة في النظام الكهروضوئي بسبب التظليل.
موقع المملكة في «الحزام العالمي» يدعم الاستثمار الشمسي
إن الظل الذي يقع على سطح الألواح الشمسية يؤثر بشكل كبير على كمية الإشعاع الشمسي الذي تستقبله الألواح الشمسية، مما يؤدي إنتاج طاقة كهربائية أقل. هذا النقص في الطاقة المنتجة يتأثر بشكل نسبي مع حجم الظل الواقع على سطح الألواح الشمسية.
تأثير التظليل على الخلايا الشمسية:
إذا افترضنا أن لدينا لوحاً شمسياً مكوناً من ست خلايا شمسية متصلة مع بعضها بعض، ويسري التيار في هذه الخلايا في مسار واحد. فإذا تم تظليل واحدة من هذه الخلايا بواسطة مبنى مجاور، فإن نسبة الإشعاع الشمسي المسلطة على هذه الخلية المظللة تكون أقل مقارنة بباقي الخلايا. وبما أن هذه الخلية متصلة مع باقي الخلايا، فإن الخلية المظللة سوف تحد من قيمة التيار الكلي المار في الخلايا الست، مما سيؤدي إلى هدر كبير في قيمة الطاقة المنتجة من اللوح الشمسي، وبالتالي يكون أداء النظام الكهروضوئي بأكمله ضعيفًا وذا كفاءة منخفضة أي أنه سيفشل في توفير الطاقة والادخار.
ولضرب مثال بسيط ومفيد، تخيل أن لديك ماسورة مياه، وتم وضع جهاز لقياس تدفق المياه داخل الماسورة. في هذه الحالة يكون معدل تدفق المياه في الماسورة ثابتاً ويشبه إلى حد كبير حالة التيار الذي يسري في سلسلة من الخلايا غير المظللة والمعرضة لمستوى إشعاع ثابت. لكن عند إدخال عائق داخل الماسورة فإن نسبة تدفق المياه سوف تقل لا محالة. وبالمثل كما سيحد العائق من نسبة تدفق المياه في المواسير بأكملها، ستحد الخلية المظللة من قيمة التيار الكلي عبر سلسلة الخلايا بأكملها أيضًا.
حلول مقترحة لتقليل خسائر الفقد بسبب التظليل
هناك عدد من الحلول التي يمكن استخدامها لتقليل الخسائر الناجمة عن التظليل في أنظمة الطاقة الشمسية المختلفة. والتي تشمل: تركيب دايود (bypass diode) للخلايا الشمسية، تقنيات تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT)، إعادة ترتيب المصفوفات الشمسية (rearranging PV arrays)، طوبولوجيا إدارة المحول (converter circuit topology)، وغيرها.
* أستاذ الهندسة الكهربائية المساعد - جامعة أم القرى