كفاءة الألواح الشمسية: ماذا ، كيف تجد ، الرسم البياني ، كيف تزيد ، حقائق شاملة


نحن على دراية بالطاقة الشمسية. يمكن تحويل الطاقة الشمسية من الشمس إلى عمل مفيد أو طاقة على الأرض. أحد الأجهزة المستخدمة لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية هو الألواح الشمسية.

يمكن للوحة الشمسية الخاصة بالجهاز تخزين وتحويل الطاقة الشمسية. كمية ضوء الشمس التي يمكن أن تتحول إلى كهرباء موصوفة بكفاءة الألواح الشمسية. تشير النسبة المئوية دائمًا إلى كفاءة الألواح الشمسية. يهتم هذا المنشور بإعطاء تفاصيل شاملة عن كفاءة الألواح الشمسية.

ما هي كفاءة الألواح الشمسية؟

تصف كفاءة الألواح الشمسية الطاقة الشمسية المدخلة من الشمس ، ويحول الناتج الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.

كفاءة الألواح الشمسية هي القياس الذي يحدد نسبة كمية ضوء الشمس التي تضرب سطح اللوحة إلى كمية ضوء الشمس المحولة إلى طاقة كهربائية مفيدة. تتكون الألواح الشمسية من خلايا شمسية فردية ، تتكون من طبقات من السيليكون والبورون والفوسفور. تعمل طبقة البورون كطرف موجب يعطي شحنة موجبة ، ويعمل طرف الفوسفور كطرف سالب يتكون من شحنات سالبة. في المقابل ، تعمل طبقة السيليكون كأشباه موصلات.

في المقام الأول هناك أربعة أنواع من الألواح الشمسية. تختلف كفاءة الألواح الشمسية باختلاف أنواع الألواح. اللوحة التي تعطي أعلى طاقة كهربائية تكون أكثر كفاءة. الأنواع الأربعة من الألواح الشمسية

بناءً على مكوناتها وقدرتها على تحمل ضوء الشمس ومعدل التحويل ، تعطي الأنواع الأربعة معدل كفاءة مختلفًا. كفاءة الأنواع الأربعة مذكورة أدناه.

الألواح الشمسية أحادية البلورية

تتكون الألواح الشمسية أحادية البلورية من أشباه موصلات من السيليكون النقي فقط ، لذلك تُعرف أيضًا باسم "الألواح الشمسية الكريستال." يتم قطع كل السيليكون إلى العديد من الرقائق لترتيبها لتشكيل لوحة. نظرًا لأنه يتم استخدام السيليكون فقط في هذا النوع من الألواح ؛ ومن ثم فإن كفاءتها أكثر مقارنة بالثلاثة الآخرين. تبلغ كفاءة الألواح الشمسية أحادية البلورية حوالي 20٪. على الرغم من أن كفاءة هذه اللوحة أكبر ، إلا أنها ليست ميسورة التكلفة حيث تحتوي على قدر أكبر من الفاقد من السيليكون أثناء التصنيع.

الألواح الشمسية الكريستالات

يتم تصنيع الألواح الشمسية متعددة الكريستالات عن طريق صهر السيليكون النقي وصبه في قالب مربع. هذا النوع من الألواح الشمسية ميسور التكلفة لأن هدر المواد أقل. كفاءة اللوح متعدد الكريستالات أقل إلى حد ما لأن نقاء السيليكون يُفقد أثناء الذوبان. كفاءة هذا النوع من الألواح الشمسية حوالي 15-17٪.

ملف: Polycrystalline solar panel sm mj2.jpg - ويكيميديا ​​كومنز
الألواح الشمسية الكريستالات
صورة ائتمانات: المشاعات ويكيميديا

الباعث الخامل وألواح الخلايا الخلفية (PERC)

الألواح الشمسية PERC هي نسخة محسنة من الألواح أحادية البلورية التقليدية. هذه هي التقنية الجديدة التي تكون فيها طبقة التخميل للوحة على السطح الخلفي للخلية ومن ثم تعزز الكفاءة. تبلغ كفاءة هذا النوع من الألواح حوالي 5٪ أكثر من الألواح أحادية البلورية ، أي حوالي 25٪ فعالة لالتقاط وتحويل ضوء الشمس.

الألواح ذات الأغشية الرقيقة

تختلف الألواح ذات الأغشية الرقيقة عن الألواح البلورية. إنها مصنوعة من مواد مختلفة ، مثل

  • الكادميوم تيلورايد (CdTe) - يتميز هذا النوع من الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة بميزة منخفضة التكلفة للتركيب ؛ ومع ذلك ، فإن الكادميوم سام ، وقد تكون إعادة تدويره أكثر تكلفة مقارنة بالتركيب. كفاءتها تتراوح من 9-11٪.
  • السيليكون غير المتبلور (a-Si) - تتكون هذه اللوحة من السيليكون عديم الشكل ، وهي غير منظمة بشكل صحيح على المستوى الجزيئي. تبلغ كفاءة السيليكون غير المتبلور حوالي 6-8٪. تتمثل ميزة لوحة a-Si في قدرتها على توفير مزيد من الكفاءة بأقل تكلفة تصنيع.
  • سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (CIGS) - يتكون هذا النوع من الألواح الشمسية من طبقات رقيقة من النحاس والإنديوم والغاليوم والسيلينيوم ، والتي تترسب على الزجاج. تتراوح كفاءتها من 13 إلى 15٪. ينتج عن الجمع بين هذه العناصر أعلى كفاءة مقارنة باللوحين الآخرين من الألواح الشمسية الرقيقة.

صيغة كفاءة الألواح الشمسية

يتم إعطاء كفاءة الألواح الشمسية بواسطة الصيغة

الكفاءة (٪) = Pماكس/ أ * أنا * 100

أين صماكس هي أقصى طاقة للوحة ، و A هي مساحة اللوحة ، و I = 1000W / m2؛ هو ضوء الشمس المشع في ظروف الاختبار القياسية.

إذا كنت تعرف قيمة الشروط المذكورة أعلاه ، فسوف تكتشف بسهولة كفاءة الألواح الشمسية الخاصة بك.

كيفية زيادة كفاءة الألواح الشمسية؟

يمكن زيادة كفاءة الألواح الشمسية بطرق مختلفة. إذا تمت إزالة شوائب مكونات أشباه الموصلات الموجودة في اللوحة ، فإن كفاءة الألواح الشمسية تزداد. لكن بخلاف هذه الطريقة ، لدينا عدة طرق لزيادة كفاءة الألواح الشمسية ؛ هم انهم:

  • تركيب مُكثّف الطاقة الشمسية - يتكون مُكثّف الطاقة الشمسية من مرايا أو عدسات تركز على كمية كبيرة من الإشعاع الشمسي الذي يصيب جهاز الاستقبال. يتم التقاط هذا الضوء المركز من المكثف ويضرب الألواح الشمسية لتحقيق الكفاءة المثلى. يضمن المكثف كل ضوء الشمس المتاح للمشاركة في عملية توليد الكهرباء. ميزة إضافية للمكثف هي أنه يمكنه تخزين ضوء الشمس بكفاءة أثناء الليل أيضًا.
  • الزاوية الصحيحة لوضع اللوح الشمسي - تعتمد كفاءة اللوح الشمسي على الزاوية التي توضع فيها اللوحة. إذا كانت اللوحة تواجه الجنوب بالميل الصحيح ، فستكون اللوحة قادرة على التقاط أقصى قدر من ضوء الشمس ويمكنها أيضًا توليد المزيد من الكهرباء. يجب وضع اللوح بشكل مائل لأنه يساعد في الحفاظ على اللوحة نظيفة ويمنع تكون جزيئات الغبار عليها.
  • البطاريات الاحتياطية - يساعد تركيب البطاريات الاحتياطية على تخزين الطاقة الشمسية ويمكن الاستفادة منها أثناء الليل أيضًا. لن تضيع الطاقة الشمسية التي تم التقاطها بواسطة اللوحة إذا تم توفير البطاريات الاحتياطية وتعزيز الاستخدام الحصري لأشعة الشمس ؛ وبالتالي ، يتم زيادة الكفاءة.
  • درجة حرارة الإزاحة - تتأثر الألواح الشمسية إلى حد كبير بدرجات الحرارة الخارجية ، وقد تنخفض كفاءتها إذا ارتفعت درجة حرارة ميزان الحرارة. لذلك من الأفضل تركيب لوح الطاقة الشمسية الخاص بك بمسافة 6 بوصات بين السقف واللوح. بحيث تحمل الرياح الحرارة بعيدًا ، وتزداد الكفاءة عن طريق توليد المزيد من الكهرباء.
  • الحفاظ على اللوحة نظيفة - قد يؤدي تراكم الغبار وقطرات المطر والأوساخ إلى تقليل كفاءة اللوحة ، لذا من الضروري الحفاظ على اللوحة نظيفة.
  • قد يؤدي تقليل عدد الأجهزة - استخدام عدد كبير جدًا من الأجهزة في وقت واحد من مولدات الطاقة الشمسية إلى تدمير كفاءة اللوحة. لذلك من الأفضل استخدام عدد محدود من الأجهزة. تجنب استخدام الأجهزة التي تستهلك الكثير من الطاقة مثل الغسالات والثلاجات لأنها قد تسبب مشاكل في الجهد المنخفض. إذا قمت بتجنبها ، فسيتم تحسين كفاءة الألواح الشمسية ، وسيتم حل مشكلة الجهد.

الرسم البياني لكفاءة الألواح الشمسية

يمكن تمثيل كفاءة الألواح الشمسية من خلال رسم رسم بياني. الرسم البياني لـ IV و PV هو الأكثر ملاءمة لتخطيط كفاءة الطاقة الشمسية. في الرسم البياني الرابع لكفاءة الألواح الشمسية ، يتم أخذ الجهد على طول المحور السيني ، ويتم أخذ التيار على طول المحور الصادي. في الرسم البياني الكهروضوئي ، تُؤخذ الطاقة على طول المحور الصادي ، ويكون الجهد على طول المحور السيني.

في العالم الحقيقي ، تعتمد كفاءة تشغيل الألواح الشمسية بشكل كبير على عوامل خارجية ، مثل المناخ والظروف البيئية. مع وضع هذه العوامل في الاعتبار ، يتم تقديم مخطط كفاءة الألواح الشمسية أدناه.

كفاءة الألواح الشمسية
التمثيل الرسومي لكفاءة الألواح الشمسية

كفاءة الألواح الشمسية بمرور الوقت

يتم تقليل كفاءة الألواح الشمسية بمرور الوقت. إذا قمت بتركيب لوحة شمسية منذ حوالي خمس سنوات ، فإن كفاءتها ليست هي نفسها الآن. مع مرور الوقت ، تقل كفاءة الألواح الشمسية.

يُطلق على المعدل الذي تفقد فيه الألواح الشمسية كفاءتها بمرور الوقت معدل التدهور ، وهي نتيجة طبيعية. إن تدهور الألواح الشمسية عملية بطيئة ؛ يستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى تفقد كفاءتها بنسبة 1٪. في دراسة وطنية طاقة متجددة قدر المختبر أن كفاءة الألواح الشمسية تخسر بنسبة 0.5 إلى 0.8٪ كل عام من التثبيت.

لا يمكن تجنب معدل تدهور الألواح الشمسية ، ولكن يمكن أن يكون ضئيلًا على مدى عام من النطاق الزمني لأن عملية التدهور بطيئة للغاية. يتم فقدان كفاءة الألواح الشمسية بمرور الوقت ويرجع ذلك أساسًا إلى سببين.

  • التحلل الناجم عن الضوء - سيحدث هذا فقط عندما تتأكسد طبقة البورون باللوحة وتغطي اللوحة جزئيًا. بسبب التحلل الناجم عن الضوء ، قد يتم فقد حوالي 1-3٪ من كفاءة اللوحة.
  • التحلل الناجم المحتمل - تحدث هذه العملية بسبب التسرب الكهربائي على اللوحة بسبب الرطوبة العالية وتراكم الصوديوم على اللوح. إنه أندر المواقف التي حدثت لتدمير الكفاءة.

ومع ذلك ، يمكننا تقدير متوسط ​​العمر الافتراضي للوحة الشمسية مع الأخذ في الاعتبار كفاءتها. قبل بضع سنوات ، أعطت الشركات المصنعة متوسط ​​العمر الافتراضي للوحة الشمسية حوالي عشر سنوات من يوم التثبيت. ولكن الآن ، تعمل التكنولوجيا الحديثة على تعزيز كفاءة الألواح الشمسية بشكل أكبر ، ويقدر متوسط ​​عمرها بـ 25 عامًا.

متوسط ​​كفاءة الألواح الشمسية

يتراوح متوسط ​​كفاءة الألواح الشمسية بين 15 إلى 18٪.

تُظهر الألواح الشمسية أحادية البلورة ومتعددة الكريستالات متوسط ​​قيمة كفاءة الألواح الشمسية. تعرض لوحة سيلينيد النحاس الإنديوم والغاليوم ذات الأغشية الرقيقة كفاءة بنسبة 15 ٪ على الأكثر. يمكن أن يكون للحجم القياسي المكون من 60 لوحًا خلويًا بمعدل طاقة يتراوح بين 300 و 330 واط كفاءة متوسطة تبلغ 18٪.

أقصى كفاءة للألواح الشمسية

اخترع العلماء الألواح الشمسية ذات الكفاءة القصوى باستخدام التقنيات الجديدة والابتكار في ظل ظروف المختبر.

لقد اخترعوا لوحة شمسية كبيرة يمكنها تحويل ضوء الشمس المباشر إلى طاقة كهربائية ، وتقدر كفاءتها بـ 44٪. هذا هو الحد الأقصى من كفاءة الألواح الشمسية التي تم تحقيقها حتى الآن. هذه الألواح الشمسية مصنوعة من خلايا شمسية أحادية البلورة. هذه الألواح الشمسية مصنوعة من خلال تقوية الطبقات المتعددة للخلية في خلية فردية ، قادرة على امتصاص كل الإشعاع من الطيف الشمسي مباشرة.

  • العلماء الاستفادة من التكنولوجيا الجديدة تسمى "نقل الطباعة" الذي يجمع كل واحد من مكونات الخلية بدقة عالية.
  • المواد المستخدمة في هذه اللوحة مشتقة من "ركيزة أنتيمونيد الغاليوم (GaSb) ،" التي تستخدم بشكل رئيسي في تصنيع ليزر الأشعة تحت الحمراء وأجهزة الكشف الضوئي. لديها القدرة على امتصاص كل جزء من الإشعاع الشمسي المباشر.

ولكن من الصعب تحقيق وتخصيص مثل هذه الألواح الشمسية ذات الكفاءة القصوى لأنها باهظة الثمن للغاية. تكلفة التصنيع عالية ومحفوفة بالمخاطر.

أعلى كفاءة للألواح الشمسية

تبلغ أعلى كفاءة للألواح الشمسية حوالي 25٪ ؛ لوحة شمسية تسمى PERC قادرة على إنتاج أعلى كفاءة من إنتاج الألواح الشمسية للكهرباء.

أعلى لوحة شمسية فعالة متوفرة في السوق هي 22.8٪ كفاءة. X22 هي لوحة شمسية أحادية البلورية تتمتع بأعلى كفاءة. يمكن أن تتمتع الألواح الشمسية متعددة الكريستالات بأعلى كفاءة بنسبة 17٪. لذلك فإن الألواح الشمسية أحادية البلورية لديها أعلى كفاءة.

كيف تحسب كفاءة الألواح الشمسية؟

يمكن حساب كفاءة اللوح الشمسي بسهولة إذا كنت تعرف طاقة خرج اللوح الشمسي ، ومساحة اللوحة ، وكمية ضوء الشمس التي يتم تشعيعها على اللوحة. باستبدال قيمة هذه البيانات المقدمة ، يمكن حساب كفاءة الألواح الشمسية باستخدام الصيغة ؛

الكفاءة (٪) = Pماكس/ أ * أنا * 100

لفهم أفضل ، دعنا نحل مشكلة لك. تبلغ قدرة إنتاج الألواح الشمسية 310 واط ، وتبلغ مساحتها 2.2 مترًا مربعًا. يتم اختيار تشعيع ضوء الشمس وفقًا لظروف الاختبار القياسية (STC). احسب كفاءة الألواح الشمسية.

من السؤال أعلاه ، يتم تزويدنا بأقصى طاقة خرج Pماكس= 310 وات ومساحة اللوح أ = 2.2 م2. وفقًا لظروف الاختبار القياسية ، يُفترض أن يكون ضوء الشمس المشع على اللوحة 1000 واط / م2.

استبدال جميع القيم في المعادلة المعطاة

الكفاءة (٪) = Pماكس/ أ * أنا * 100

الكفاءة (٪) = 310 / 2.2 * 1000 * 100

شنومكس / شنومكس * شنومكس

الكفاءة (٪) = 0.1409 × 100

الكفاءة (٪) = 14.09٪

تبلغ كفاءة اللوح الشمسي المحدد حوالي 14٪ وهو أقل كفاءة بقليل. يمكننا أيضًا أن نتنبأ بأن الألواح الشمسية قد تكون عبارة عن لوحة رقيقة بناءً على قيمة كفاءتها.

الأسئلة المتكررة

ما هي العوامل التي تؤثر على كفاءة الألواح الشمسية؟

هناك العديد من العوامل التي تؤثر بشكل كبير على أداء الألواح الشمسية وبالتالي تقلل من كفاءتها ؛ هم انهم

  • درجة الحرارة - تظهر التأثير العكسي على الكفاءة. إذا ارتفعت درجة الحرارة ، تنخفض الكفاءة ، وإذا انخفضت درجة الحرارة ، فستكون الكفاءة أكبر.
  • تحويل الطاقة - تظهر الألواح الشمسية استجابات مختلفة لأطياف مختلفة ؛ قد يؤدي هذا إلى تغييرات في الإشعاع الطيفي ، مما يؤثر على إنتاج الطاقة.
  • التظليل الشمسي - يتم تصنيع الألواح الشمسية بطريقة يتم فيها ترتيب العديد من الخلايا الشمسية المفردة في سلسلة وربطها معًا لإنتاج جهد عالي. إذا كانت الخلية الواحدة مظللة ، فإن جميع الخلايا الأخرى مظللة تقريبًا ، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة.
  • يؤثر اتجاه اللوحة وزاوية ميل اللوحة وخط العرض والمناخ أيضًا إلى حد كبير على كفاءة الألواح الشمسية.

هل يمكننا تحقيق كفاءة الألواح الشمسية بنسبة 100٪؟

من الناحية المثالية ، نعم ، يمكننا تحقيق لوحة شمسية فعالة بنسبة 100٪ إذا كانت قادرة على التقاط وتحويل كل ضوء الشمس المشع. لكن من الناحية العملية ، لا يمكننا ذلك.

يتكون الطيف الشمسي من فوتونات ذات نطاق واسع من الطاقات. قد يكون لبعض الفوتونات طاقات أكثر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات ، وبالتالي ، فإن امتصاص كل ضوء الشمس المشع غير ممكن. لذلك من الصعب تحقيق الألواح الشمسية الفعالة بنسبة 100٪.

ما هي مميزات الألواح الشمسية؟

نظرًا لأن الألواح الشمسية تحتوي على الطاقة الشمسية ، والتي تعد مصدرًا متجددًا للطاقة ، فلديها مجموعة واسعة من المزايا والتي ترد أدناه:

  • تقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية بدون انبعاث أي مادة سامة ، لذلك فهي صديقة للبيئة.
  • على الرغم من أن الاستثمار الأولي باهظ التكلفة ، إلا أن الصيانة لا تكلف الكثير لأنها لا تتطلب أي أنواع وقود أخرى لتوليد الكهرباء.
  • يمكن لتطبيق الألواح الشمسية لتوفير الكهرباء لتشغيل الأجهزة المنزلية أن يقلل من فاتورة الكهرباء.
  • يؤدي تركيب الألواح الشمسية والاستخدام الصحيح لها إلى تقليل استخدام الوقود الأحفوري الذي يعتبر مصادر طاقة غير متجددة.

ما هو السبب الرئيسي وراء كفاءة اللوح الشمسي؟

تعتمد كفاءة الألواح الشمسية على أشباه الموصلات المستخدمة في الإنتاج.

لنفترض أن اللوحة مصنوعة من أشباه موصلات نقية أو مخدرة بكمية ضئيلة من الشوائب ؛ تعرض هذه اللوحة مزيدًا من الكفاءة. تعمل كمية أقل من الشوائب على تعزيز إنشاء المزيد من مجموعات الثقوب الإلكترونية ، وبالتالي تستفيد من إجمالي الطاقة التي تم التقاطها. بحيث تكون الكفاءة أكثر.

كيرثي مورثي

أنا Keerthi K Murthy ، لقد أكملت التخرج في الفيزياء ، مع التخصص في مجال فيزياء الجوامد. لطالما اعتبرت الفيزياء كموضوع أساسي مرتبط بحياتنا اليومية. كوني طالب علوم أستمتع باستكشاف أشياء جديدة في الفيزياء. ككاتب ، هدفي هو الوصول إلى القراء بالطريقة المبسطة من خلال مقالاتي. تصلني - keerthikmurthy24@gmail.com

آخر المقالات