نظرة عامة على الخلايا الكهروضوئية الشمسية

مقدمة لتوليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية

يعد توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية طريقة لتوليد الكهرباء عن طريق استخدام التأثير الكهروضوئي للخلية الشمسية (جهاز أشباه الموصلات يشبه الصمام الثنائي البلوري) لتحويل الطاقة المشعة للشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية ، ومحول الطاقة لتوليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية هو الخلية الشمسية ، والمعروفة أيضًا باسم الخلية الكهروضوئية. عندما يضرب ضوء الشمس الخلية الشمسية (المكونة من نوعين مختلفين من أشباه الموصلات المتجانسة من النوعين P و N) ، ينعكس جزء من الضوء ، ويتم امتصاص جزء من الضوء ، ويمر جزء من الضوء عبر الخلية. لتحفيز حالة الطاقة العالية المرتبطة بالإلكترون ، مما ينتج عنه أزواج ثقب الإلكترون ، في تقاطع PN للحقل الكهربائي المدمج والإلكترونات والثقوب وحركة بعضها البعض (كما هو موضح في الشكل 1-1) ، المنطقة N من الفتحة إلى المنطقة P ، والمنطقة P من الإلكترون إلى المنطقة N لحركة جانب الضوء من الخلية الشمسية بحيث يتراكم عدد كبير من الشحنات السالبة (الإلكترونات) ، وعدد كبير من الموجبة الشحنات (الثقوب) المتراكمة في جانب الضوء الخلفي للبطارية. إذا كان الحمل متصلاً بكلا طرفي الخلية ، فسيمر تيار من خلال الحمل ، وعندما يستمر الضوء في السطوع ، سيتدفق تيار ثابت عبر الحمل. الخلية الشمسية المفردة هي شريحة رقيقة من تقاطع PN لأشباه الموصلات ، وظروف الإضاءة القياسية ، والجهد الناتج المقدر 0. 5 ~ 0. 55 V. من أجل الحصول على جهد خرج أعلى وطاقة أكبر السعة ، في التطبيقات العملية ، غالبًا ما تقوم بتوصيل عدة خلايا شمسية معًا لتكوين حزمة بطارية ، أو المزيد من حزم البطاريات لتشكيل مصفوفة كهروضوئية ، كما هو موضح في الشكل 1-2. تكون الطاقة الخارجة للخلايا الشمسية عشوائية ، وتختلف طاقة الخرج لنفس الخلية الشمسية في أوقات مختلفة ، وفي مواقع مختلفة ، وبكثافة ضوء مختلفة ، وبطرق تركيب مختلفة.

1-1 مبدأ توليد طاقة الخلايا الشمسية الكهروضوئية

1-2 من الخلايا والوحدات إلى المصفوفات الكهروضوئية

فوائد الطاقة الشمسية الكهروضوئية

عملية توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية بسيطة ، مع عدم وجود أجزاء ميكانيكية دوارة ، ولا استهلاك للوقود ، ولا انبعاث لأي مادة بما في ذلك غازات الاحتباس الحراري ، ولا ضوضاء ولا تلوث ؛ يتم توزيع موارد الطاقة الشمسية على نطاق واسع ولا تنضب. لذلك ، بالمقارنة مع تقنيات توليد الطاقة الجديدة مثل طاقة الرياح وتوليد طاقة الكتلة الحيوية ، فإن توليد الطاقة الكهروضوئية هو تقنية لتوليد الطاقة المتجددة تتميز بالتنمية الأكثر استدامة (أغنى الموارد وأنظف عملية توليد الطاقة) ، ومزاياها الرئيسية هي على النحو التالي.

(1) موارد الطاقة الشمسية لا تنضب ، والطاقة الشمسية التي يتم إشعاعها على الأرض تزيد بمقدار 6 أضعاف 000 عن الطاقة التي يستهلكها البشر حاليًا ، كما أن الطاقة الشمسية موزعة على نطاق واسع على الأرض ، طالما هناك ضوء في المكان الذي يمكن فيه استخدام نظام توليد الطاقة الكهروضوئية دون قيود الجغرافيا والارتفاع وعوامل أخرى.

(2) على الرغم من أن الأبعاد المختلفة والاختلافات في الظروف المناخية وعوامل أخرى على سطح الأرض ستسبب إشعاعًا شمسيًا غير متساوٍ ، ولكن نظرًا لتوافر موارد الطاقة الشمسية في كل مكان ، يمكن أن تكون قريبة من حل توليد الطاقة وإمدادات الطاقة والكهرباء ، لا يلزم النقل لمسافات طويلة ، لتجنب الاستثمار في خطوط النقل لمسافات طويلة وفقدان الطاقة الكهربائية.

(3) يتم توليد الطاقة الكهروضوئية مباشرة من تحويل الفوتون إلى الإلكترون ، ولا توجد عملية وسيطة (مثل الطاقة الحرارية المحولة إلى طاقة ميكانيكية ، والطاقة الميكانيكية المحولة إلى طاقة كهرومغناطيسية ، وما إلى ذلك) والحركة الميكانيكية ، ولا يوجد تآكل ميكانيكي . وفقًا للتحليل الديناميكي الحراري ، فإن توليد الطاقة الكهروضوئية له كفاءة نظرية عالية جدًا في توليد الطاقة ، تصل إلى 80 في المائة أو أكثر ، وإمكانات تطوير التكنولوجيا.

(4) توليد الطاقة الكهروضوئية نفسه لا يستخدم الوقود ، وانبعاثات غازات الدفيئة ومواد العادم الأخرى تكاد تكون معدومة ، ولا تنتج ضوضاء ، ولن تلوث الهواء والماء ، وصديقة للبيئة. لن تعاني من أزمة الطاقة أو تأثير عدم استقرار سوق الوقود ، فالطاقة الشمسية هي طاقة متجددة خضراء حقيقية.

(5) لا تتطلب عملية توليد الطاقة الكهروضوئية مياه تبريد ، ويمكن تركيب جهاز توليد الطاقة في الصحراء وجوبي حيث لا توجد مياه. يمكن أيضًا دمج توليد الطاقة الكهروضوئية بسهولة مع أسطح المباني وجدرانها لتشكيل نظام متكامل لتوليد الطاقة موزَّع على السطح أو بناء كهروضوئي ، والذي لا يحتاج إلى شغل الأرض بشكل منفصل ويمكنه توفير موارد الأرض القيمة.

(6) لا يحتوي توليد الطاقة الكهروضوئية على أجزاء نقل ميكانيكية ، وتشغيل وصيانة بسيطة ، وتشغيل مستقر وموثوق. مجموعة من أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية طالما توجد الشمس ، يمكن لمكونات البطارية توليد الكهرباء ، إلى جانب الاستخدام المكثف لتكنولوجيا التحكم الآلي ، ويمكن بشكل أساسي تحقيق تكاليف صيانة منخفضة دون رقابة.

(7) أداء نظام توليد الطاقة الكهروضوئية مستقر وموثوق به ، وعمر خدمة طويل (أكثر من 30 عامًا) ، ويمكن أن يصل عمر الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري إلى 25 إلى 35 عامًا. في نظام توليد الطاقة الكهروضوئية ، طالما أن التصميم معقول والاختيار مناسب ، يمكن أن يصل عمر البطارية أيضًا إلى 10 إلى 15 عامًا.

(8) هيكل وحدة الخلايا الشمسية بسيط وصغير الحجم وخفيف الوزن ، وهو سهل النقل والتركيب. دورة بناء نظام توليد الطاقة الكهروضوئية قصيرة ، ووفقًا لقدرة حمل الطاقة يمكن أن تكون كبيرة أو صغيرة ، مريحة ومرنة ، سهلة الدمج والتوسع.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأكثر استخدامًا في السنوات الأخيرة هو نظام توليد الطاقة الكهروضوئية الموزع الذي تم إنشاؤه باستخدام أسطح المباني والمنشآت الزراعية المختلفة وكذلك أسطح المنازل العائلية ، والتي بالإضافة إلى نفس المزايا المذكورة أعلاه ، لديه أيضًا التفوقات التالية.

(1) توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة لا يستهلك بشكل أساسي موارد الأرض ، ويمكن استخدامه لتوليد الطاقة وتزويدها في المنطقة المجاورة ، بدون أو مع عدد أقل من خطوط النقل ، مما يقلل من تكاليف النقل. يمكن للوحدات الكهروضوئية أيضًا أن تحل محل مواد الجدران والسقف التقليدية بشكل مباشر.

(2) نظام توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة هو توليد الطاقة وتعايش الطاقة عند توصيله بشبكة التوزيع. في شبكة إمدادات الطاقة في فترة الذروة لتوليد الطاقة ، يمكن أن تلعب بشكل فعال دور تسوية الذروة ، وخفض حمولة الذروة الباهظة لإمدادات الطاقة في المدينة ، ويمكن إلى حد ما التخفيف من توتر استهلاك الطاقة في المناطق المحلية.

عيوب الطاقة الشمسية الكهروضوئية

(1) كثافة طاقة منخفضة. على الرغم من أن طاقة الشمس على الأرض ضخمة للغاية ، ولكن نظرًا لأن مساحة سطح الأرض كبيرة جدًا أيضًا ، ومعظم سطح الأرض مغطى بالمحيط ، فإن الطاقة الشمسية الحقيقية يمكن أن تصل إلى سطح الأرض فقط لتصل إلى نطاق الأرض من طاقة مشعة بنسبة 10 في المائة أو نحو ذلك ، مما ينتج عنه وحدة مساحة من الأرض يمكن الوصول إليها مباشرة إلى طاقة الشمس تكون صغيرة نسبيًا ، وعادةً ما تكون لإشعاع الشمس للتعبير عن سطح الأرض بأعلى قيمة تبلغ حوالي 1.2 كيلو وات في الساعة / م 2 ، و الغالبية العظمى من المناطق ومعظم وقت سطوع الشمس أقل من 1kWh / m2. متر مربع ، والغالبية العظمى من المناطق ومعظم ساعات سطوع الشمس أقل من 1 كيلو واط في الساعة / م 2. استخدام الطاقة الشمسية هو في الواقع مجموعة طاقة منخفضة الكثافة ، واستخدامها.

(2) تغطية مساحة كبيرة. كثافة الطاقة الشمسية منخفضة ، مما يجعل نظام توليد الطاقة الكهروضوئية سيغطي مساحة كبيرة ، كل طاقة توليد طاقة كهروضوئية 10 كيلو وات تغطي مساحة حوالي 70 مترًا مربعًا ، ومتوسط ​​طاقة توليد الطاقة لكل متر مربع مساحة حوالي 160 واط. مع تعزيز توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة ونضج وتطوير تكنولوجيا توليد الطاقة الكهروضوئية المتكاملة ، يمكن استخدام المزيد والمزيد من أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية على أسطح وواجهات المباني والهياكل ، مما يحسن تدريجياً أوجه القصور في توليد الطاقة الكهروضوئية أنظمة بمساحة أرضية كبيرة.

(3) انخفاض كفاءة التحويل. الوحدة الأساسية لتوليد الطاقة الكهروضوئية هي وحدة الخلايا الشمسية. تشير كفاءة التحويل لتوليد الطاقة الكهروضوئية إلى نسبة الطاقة الضوئية المحولة إلى كهرباء. في الوقت الحاضر ، فإن أعلى كفاءة تحويل للخلايا الكهروضوئية من السيليكون البلوري في 21 بالمائة أو نحو ذلك ، مصنوعة من كفاءة تحويل مكونات البطارية من 16 بالمائة إلى 17 بالمائة ، وكفاءة تحويل الوحدة الكهروضوئية غير المتبلورة من السيليكون تصل إلى أكثر من 13 بالمائة. نظرًا لانخفاض كفاءة التحويل الكهروضوئي ، فإن كثافة طاقة نظام توليد الطاقة الكهروضوئية منخفضة ، ومن الصعب تشكيل نظام توليد طاقة عالي.

(4) عمل متقطع. على سطح الأرض ، يمكن لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية أن يولد الكهرباء فقط خلال النهار ، ولكن ليس في الليل ، وهو ما يتعارض مع طريقة الناس في استخدام الكهرباء وعاداتهم. ما لم يكن هناك فرق بين الليل والنهار في الفضاء ، يمكن للخلايا الشمسية توليد الكهرباء باستمرار.

(5) تتأثر بالظروف الطبيعية والعوامل المناخية. تأتي طاقة توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية مباشرة من إشعاع ضوء الشمس ، ولإشعاع ضوء الشمس على سطح الأرض بالظروف الطبيعية والمناخ تأثير كبير على فصول السنة ، وتناوب النهار والليل ، وخط العرض والارتفاع الجغرافيين وغيرها من العوامل الطبيعية. الظروف ، بالإضافة إلى الغيوم والصافية ، فإن المطر ، والثلج ، والضباب أو حتى التغييرات في الغطاء السحابي سيكون لها تأثير خطير على حالة توليد الطاقة في النظام. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تأثير العوامل البيئية كبير جدًا أيضًا ، خاصةً الجسيمات المحمولة جواً (مثل الغبار ، وما إلى ذلك) التي سقطت على سطح وحدة البطارية ، والتي ستمنع بعض إشعاع الضوء ، بحيث تكون كفاءة التحويل للبطارية يتم تقليل الوحدة النمطية ، ويتم تقليل توليد الطاقة.

(6) الاعتماد الجغرافي القوي. مواقع جغرافية مختلفة ، بحيث تتنوع موارد أشعة الشمس في مختلف المناطق بشكل كبير. نظام توليد الطاقة الكهروضوئية فقط في تطبيق المناطق الغنية بمصادر الطاقة الشمسية جيد وعائد مرتفع على الاستثمار.

(7) تكلفة النظام مرتفعة. إن كفاءة توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية منخفضة نسبيًا ، وحتى الآن ، لا تزال تكلفة توليد الطاقة الكهروضوئية أعلى من طرق توليد الطاقة التقليدية الأخرى (مثل الطاقة الحرارية والطاقة الكهرومائية). هذا أيضًا أحد العوامل الرئيسية التي تقيد تطبيقه على نطاق واسع. ومع ذلك ، يجب أن نرى أنه مع التوسع المستمر في قدرة الخلايا الشمسية والتحسين المستمر لكفاءة الخلايا الشمسية لرقائق الخلايا ، انخفضت تكلفة نظام توليد الطاقة الكهروضوئية بسرعة كبيرة ، وانخفض سعر وحدات الخلايا الشمسية من أكثر. من 10 يوانات لكل واط في السنوات القليلة الماضية إلى حوالي 2.5 يوان / وات في الوقت الحاضر.

(8) عملية تصنيع بطاريات السيليكون البلورية عالية في التلوث واستهلاك الطاقة. المادة الخام الرئيسية لبطاريات السيليكون البلورية هي السيليكون النقي. السيليكون هو ثاني أكثر العناصر وفرة على الأرض بعد الأكسجين ، ويتواجد بشكل رئيسي على شكل رمل (سيليكا). يتطلب التحول التدريجي من الرمل إلى السيليكون البلوري النقي بمحتوى يزيد عن 99.9999 في المائة عمليات كيميائية وفيزيائية متعددة ، والتي لا تستهلك كمية كبيرة من الطاقة فحسب ، بل تسبب أيضًا تلوثًا بيئيًا معينًا.

على الرغم من أوجه القصور والعيوب المذكورة أعلاه في توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية ، فإن الاستنفاد التدريجي للطاقة الأحفورية العالمية والاحترار العالمي وتدهور البيئة البيئية الناجم عن الاستهلاك المفرط للطاقة الأحفورية يشكلان تهديدًا كبيرًا لبقاء الإنسان. لذلك ، يعد التطوير القوي للطاقة المتجددة أحد التدابير الرئيسية لحل هذه المشكلة.