لماذا يمكن لتوليد الطاقة الكهروضوئية أن يحتل مكانة رائدة في توليد الطاقة المتجددة؟

يتخذ المستهلكون والصناعات والحكومات جميعاً تدابير لزيادة استخدام الطاقة المتجددة.وهذا يدفع نظام توليد وتوزيع الطاقة من بنية محورية مركزية إلى توليد واستهلاك محلي للطاقة أكثر اعتمادًا على الشبكة، والعرض والطلب المستقر من خلال الربط البيني للشبكة الذكية.

وفقًا لتقرير الوقود الصادر عن وكالة الطاقة الدولية لشهر أكتوبر 2019،بحلول عام 2024، سيزيد توليد الطاقة المتجددة بنسبة 50%.

وهذا يعني أن القدرة العالمية على توليد الطاقة المتجددة ستزيد بمقدار 1200 جيجاوات، وهو ما يعادل القدرة المركبة الحالية للولايات المتحدة.ويتوقع التقرير أن 60% من الزيادة في توليد الطاقة المتجددة ستكون على شكل معدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

ويؤكد التقرير أيضًا على أهمية أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة، حيث يبدأ المستهلكون والمباني التجارية والمنشآت الصناعية في توليد الكهرباء بأنفسهم.وتتوقع أنه بحلول عام 2024، سيتضاعف توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة إلى أكثر من 500 جيجاوات.هذا يعني ذاكسيمثل توليد الطاقة الكهروضوئية الموزعة ما يقرب من نصف إجمالي النمو في توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

ميزة الشمسية

لماذا يحتل توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية مكانة رائدة في نمو توليد الطاقة المتجددة؟

أحد الأسباب الواضحة هو أن الشمس تشرق علينا جميعا، لذلك يتم استخدام طاقتها على نطاق واسع.وهذا يجعل توليد الطاقة أقرب إلى استهلاك الطاقة ويوصل الطاقة إلى نقطة خارج الشبكة، وهو أمر مفيد بشكل خاص لتقليل خسائر توزيع الطاقة.

سبب آخر واضح هو ذلكهناك الكثير من الطاقة الشمسية.هناك العديد من الاختلافات الدقيقة في حساب مقدار الطاقة التي تتلقاها الأرض من الشمس.والقاعدة الأساسية هي أن متوسط ​​مستوى سطح البحر هو 1 كيلووات لكل متر مربع في يوم مشمس، أو عند أخذ عوامل مثل دورة النهار/الليل، وزاوية الحادث، والموسمية في الاعتبار، يكون المتوسط ​​لكل متر مربع في اليوم.م 6 كيلو واط ساعة.

تستخدم الخلايا الشمسية التأثير الكهروضوئي لتحويل الضوء الساقط إلى طاقة كهربائية على شكل تيار من الفوتونات.يتم امتصاص الفوتونات بواسطة مواد شبه موصلة مثل السيليكون المخدر، وتقوم طاقتها بإثارة الإلكترونات من مداراتها الجزيئية أو الذرية.تصبح هذه الإلكترونات حرة بعد ذلك لتبديد الطاقة الزائدة على شكل حرارة والعودة إلى مدارها، أو تنتشر إلى القطب وتصبح جزءًا من التيار لتعويض فرق الجهد الذي يخلقه على القطب.

كما هو الحال مع جميع عمليات تحويل الطاقة، لا يتم إخراج كل الطاقة المدخلة إلى الخلايا الشمسية بالشكل المفضل للطاقة الكهربائية.في الواقع، كانت كفاءة استخدام الطاقة في الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون أحادي البلورة تتراوح بين 20% و25% لسنوات عديدة.ومع ذلك، فإن فرصة الخلايا الكهروضوئية الشمسية كبيرة جدًا لدرجة أن فريق البحث ظل يعمل لعقود من الزمن لاستخدام هياكل ومواد متزايدة التعقيد لتحسين كفاءة تحويل الخلايا، كما هو موضح في هذه الصورة التي التقطها NREL.

عادةً ما يكون تحقيق كفاءة الطاقة الأعلى الموضحة على حساب استخدام مواد مختلفة متعددة وتقنيات تصنيع أكثر تعقيدًا وتكلفة.

تعتمد العديد من الأجهزة الكهروضوئية الشمسية على أشكال مختلفة من السيليكون البلوري أو الأغشية الرقيقة من السيليكون أو تيلوريد الكادميوم أو سيلينيد الإنديوم الغاليوم النحاسي، بكفاءة تحويل تتراوح من 20% إلى 30%.تم بناء البطارية في الوحدة، ويمكن للقائم بالتركيب استخدام هذه الوحدات كوحدة أساسية لبناء نظام توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

تحدي كفاءة الطاقة

يحول التحويل الكهروضوئي كيلووات من الطاقة الشمسية الساقطة على كل متر مربع من سطح الأرض إلى 200 إلى 300 واط من الطاقة الكهربائية.وبطبيعة الحال، هذا في ظل ظروف مثالية.ومع ذلك، قد تنخفض كفاءة التحويل للأسباب التالية: هطول الأمطار والثلوج والغبار المترسب على سطح البطارية، وتأثير تقادم المواد شبه الموصلة، وزيادة الظل بسبب التغيرات البيئية مثل نمو النباتات. أو بناء المباني الجديدة.

ولذلك، فإن الواقع هو أنه على الرغم من أن الطاقة الشمسية مجانية، فإن استخدام الطاقة الشمسية لتوليد طاقة كهربائية مفيدة يتطلب تحسينًا دقيقًا لكل مرحلة من مراحل التجميع والتخزين والتحويل النهائي إلى طاقة كهربائية.واحدة من أكبر الفرص لتحسين كفاءة استخدام الطاقة هي تصميمالعاكس، الذي يحول خرج التيار المستمر للمصفوفة الشمسية (أو مخزن البطارية الخاص بها) إلى تيار متردد للاستخدام المباشر أو النقل عبر الشبكة.

يقوم العاكس بتغيير قطبية تيار دخل التيار المستمر لجعله قريبًا من مخرج التيار المتردد.كلما زاد تردد التحويل، زادت كفاءة التحويل.يمكن لمفتاح بسيط أن ينتج خرج موجة مربعة يمكن أن يؤدي إلى حمل مقاوم، ولكن مع التوافقيات، فإنه سوف يؤدي إلى إتلاف المعدات الإلكترونية الأكثر تعقيدًا التي تعمل بموجة جيبية نقية من التيار المتردد.ولذلك، أصبح تصميم العاكس هو مفتاح التوازن.من ناحية،زيادة تردد التبديل لتحسين كفاءة الطاقة وجهد التشغيل وتوليد الطاقة، على الجانب الآخر،لتقليل تكلفة المكونات المساعدة المستخدمة لتنعيم الموجة المربعة.