أنواع الألواح الشمسية: مراجعة مقارنة للتصاميم ونصائح لاختيار الألواح

تتطور الطاقة البديلة إلى الحد الأقصى في أوروبا، وتظهر نتائجها الواعدة.تظهر أنواع جديدة من الألواح الشمسية وتتزايد كفاءتها.

إذا كنت ترغب في ضمان تشغيل مبنى صناعي أو مبنى سكني باستخدام الطاقة الشمسية، فيجب عليك أولاً التعرف على الاختلافات بين المعدات وفهم الألواح الشمسية المناسبة للظروف المناخية لمنطقة معينة.

سنساعدك على حل هذه المشكلة. تتناول المقالة مبدأ تشغيل المحولات الكهروضوئية وتقدم نظرة عامة على أنواع مختلفة من الخلايا الشمسية مع الإشارة إلى خصائصها ومزاياها وعيوبها. بعد التعرف على المادة، ستتمكن من اتخاذ القرار الصحيح لترتيب نظام شمسي فعال.

مبدأ تشغيل الألواح الشمسية

الغالبية العظمى من الألواح الشمسية هي، بالمعنى المادي، محولات الطاقة الكهروضوئية. يحدث تأثير توليد الكهرباء في موقع تقاطع أشباه الموصلات p-n.

إنها رقائق السيليكون التي تشكل أساس تكلفة الألواح الشمسية، ولكن عند استخدامها كمصدر للكهرباء على مدار الساعة، سيتعين عليك شراء بطاريات باهظة الثمن بالإضافة إلى ذلك

تتكون اللوحة من رقاقتين من السيليكون لهما خصائص مختلفة. تحت تأثير الضوء، يتطور لدى أحدهم نقص في الإلكترونات، والآخر - فائض منها.تحتوي كل لوحة على شرائط موصلة نحاسية متصلة بمحولات الجهد.

تتكون الألواح الشمسية الصناعية من خلايا كهروضوئية متعددة الطبقات مرتبطة ببعضها البعض ومثبتة على ركيزة مرنة أو صلبة.

تعتمد كفاءة المعدات إلى حد كبير على نقاء السيليكون واتجاه بلوراته. هذه هي المعايير التي حاول المهندسون تحسينها على مدار العقود الماضية. المشكلة الرئيسية في ذلك هي التكلفة العالية للعمليات التي تكمن وراء تنقية السيليكون وترتيب البلورات في اتجاه واحد في جميع أنحاء اللوحة.

في كل عام، تتغير الكفاءة القصوى للألواح الشمسية المختلفة إلى أعلى، وذلك بسبب استثمار مليارات الدولارات في الأبحاث المتعلقة بالمواد الكهروضوئية الجديدة (+)

يمكن تصنيع أشباه الموصلات للمحولات الكهروضوئية ليس فقط من السيليكون، ولكن أيضًا من مواد أخرى - مبدأ تشغيل البطارية لا يتغير.

أنواع المحولات الكهروضوئية

يتم تصنيف الألواح الشمسية الصناعية حسب ميزات تصميمها ونوع الطبقة الكهروضوئية العاملة.

توجد هذه الأنواع من البطاريات حسب نوع الجهاز:

• لوحات مرنة;
• وحدات جامدة.

تحتل الألواح ذات الأغشية الرقيقة المرنة مكانة كبيرة بشكل متزايد في السوق نظرًا لتعدد استخداماتها المتصاعدة، لأنه يمكن تركيبها على معظم الأسطح بمجموعة متنوعة من الأشكال المعمارية.

عادة ما تكون الخصائص الفعلية للألواح الشمسية أقل من تلك الموضحة في التعليمات. لذلك، قبل تثبيتها في المنزل، من المستحسن رؤية مشروع مكتمل مماثل بنفسك.

بناءً على نوع الطبقة الكهروضوئية العاملة، تنقسم البطاريات الشمسية إلى الأنواع التالية:

1. السيليكون: أحادي البلورة، متعدد البلورات، غير متبلور.
2. التيلوريوم والكادميوم.
3. يعتمد على سيلينيد الإنديوم والنحاس والجاليوم.
4. البوليمر.
5. عضوي.
6. على أساس زرنيخيد الغاليوم.
7. مجتمعة ومتعددة الطبقات.

ليست جميع أنواع الألواح الشمسية محل اهتمام المستهلك العام، ولكن فقط النوعين الفرعيين البلوريين الأولين.

وعلى الرغم من أن بعض الأنواع الأخرى من الألواح تتمتع بكفاءة عالية، إلا أنها لا تستخدم على نطاق واسع بسبب تكلفتها العالية.

الخلايا الكهروضوئية السيليكونية حساسة جدًا للحرارة. درجة الحرارة الأساسية لقياس توليد الطاقة هي 25 درجة مئوية. وعندما تزيد بدرجة واحدة، تنخفض كفاءة الألواح بنسبة 0.45-0.5%.

بعد ذلك، سيتم مناقشة الألواح الشمسية التي تحظى باهتمام المستهلك الأكبر بالتفصيل.

خصائص الألواح القائمة على السيليكون

يتكون السيليكون للخلايا الشمسية من مسحوق الكوارتز - بلورات الكوارتز المطحونة. أغنى رواسب المواد الخام موجودة في غرب سيبيريا وجبال الأورال الوسطى، وبالتالي فإن آفاق هذه المنطقة من الطاقة الشمسية تكاد تكون لا حدود لها.

وحتى الآن، تشغل ألواح السيليكون البلورية وغير المتبلورة أكثر من 80% من السوق. لذلك، يجدر النظر فيها بمزيد من التفصيل.

ألواح السيليكون أحادية البلورية

تتميز رقائق السيليكون أحادية البلورية الحديثة (أحادي Si) بلون أزرق غامق موحد على السطح بأكمله. يتم استخدام أنقى السيليكون لإنتاجها. تتمتع الخلايا الشمسية أحادية البلورية بأعلى سعر بين جميع رقائق السيليكون، ولكنها توفر أيضًا أفضل كفاءة.

تتلاءم الألواح الشمسية الكبيرة أحادية البلورية ذات الآليات الدوارة بشكل مثالي مع المناظر الطبيعية الصحراوية. هناك شروط لتحقيق أقصى قدر من الإنتاجية

ويرجع ارتفاع تكلفة الإنتاج إلى صعوبة توجيه جميع بلورات السيليكون في نفس الاتجاه. وبسبب هذه الخصائص الفيزيائية لطبقة العمل، يتم ضمان أقصى قدر من الكفاءة فقط عندما تكون أشعة الشمس متعامدة مع سطح اللوحة.

تتطلب البطاريات أحادية البلورية معدات إضافية تقوم بتدويرها تلقائيًا خلال النهار بحيث يكون مستوى الألواح متعامدًا مع أشعة الشمس قدر الإمكان.

يتم قطع طبقات من السيليكون ذات بلورات أحادية الجانب من كتلة أسطوانية من المعدن، بحيث تبدو الكتل الكهروضوئية النهائية وكأنها مربع مستدير عند الزوايا.

تشمل مزايا بطاريات السيليكون أحادية البلورية ما يلي:

1. كفاءة عالية بقيمة 17-25%.
2. الاكتناز - مساحة معدات أصغر لكل وحدة طاقة مقارنة بألواح السيليكون متعدد البلورات.
3. متانة — يتم ضمان الكفاءة الكافية لتوليد الكهرباء لمدة تصل إلى 25 عامًا.

هناك عيبان فقط لهذه البطاريات:

1. غالي السعر والاسترداد على المدى الطويل.
2. الحساسية للتلوث. يؤدي الغبار إلى تشتيت الضوء، فتقل كفاءة الألواح الشمسية المطلية به بشكل حاد.

بسبب الحاجة لأشعة الشمس المباشرة، أحادية البلورية يتم تركيب الألواح الشمسية بشكل رئيسي في المناطق المفتوحة أو على المرتفعات. كلما كانت المنطقة أقرب إلى خط الاستواء وكلما كانت الأيام المشمسة أكثر، كلما كان من الأفضل تركيب هذا النوع الخاص من العناصر الكهروضوئية.

الخلايا الشمسية متعددة البلورات

تتميز ألواح السيليكون متعددة البلورات (متعددة Si) بلون أزرق غير متساوٍ في شدته بسبب التوجه المتنوع للبلورات. نقاء السيليكون المستخدم في إنتاجها أقل قليلاً من نظائرها أحادية البلورية.

توفر البلورات متعددة الاتجاهات كفاءة عالية في الضوء المنتشر - 12-18%.وهو أقل مما هو عليه في البلورات أحادية الاتجاه، ولكن في الظروف الجوية الغائمة تكون هذه الألواح أكثر فعالية.

يؤدي عدم تجانس المادة أيضًا إلى انخفاض تكلفة إنتاج السيليكون. يتم صب المعدن المنقى للألواح الشمسية متعددة البلورات في قوالب دون أي حيل خاصة.

في الإنتاج، يتم استخدام تقنيات خاصة لتشكيل البلورات، ولكن لا يتم التحكم في اتجاهها. بعد التبريد، يتم تقطيع السيليكون إلى طبقات ومعالجته وفقًا لخوارزمية خاصة.

لا تتطلب الألواح متعددة البلورات توجيهًا ثابتًا نحو الشمس، لذلك يتم استخدام أسطح المنازل والمباني الصناعية بشكل نشط لوضعها.

خلال النهار، مع السحب الخفيفة، لن تكون مزايا الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون غير المتبلور ملحوظة، ولا تظهر مزاياها إلا تحت السحب الكثيفة أو في الظل (+)

تشمل مزايا الخلايا الشمسية ذات البلورات متعددة الاتجاهات ما يلي:

1. كفاءة عالية في ظروف الإضاءة المنتشرة.
2. إمكانية التثبيت الدائم على أسطح المباني.
3. أقل تكلفة مقارنة بالألواح أحادية البلورية.
4. مدة العملية — الانخفاض في الكفاءة بعد 20 عامًا من التشغيل يبلغ 15-20٪ فقط.

الألواح متعددة البلورات لها أيضًا عيوب:

1. انخفاض الكفاءة بقيمة 12-18%.
2. الضخامة النسبية - مطلوب مساحة تركيب أكبر لكل وحدة طاقة مقارنة بنظيراتها أحادية البلورية.

تكتسب الألواح الشمسية متعددة البلورات حصة سوقية متزايدة بين بطاريات السيليكون الأخرى. يتم ضمان ذلك من خلال الفرص المحتملة الواسعة لتقليل تكلفة إنتاجها.وتزداد كفاءة هذه الألواح أيضًا كل عام، حيث تقترب بسرعة من 20% بالنسبة للمنتجات ذات الإنتاج الضخم.

الألواح الشمسية السيليكون غير المتبلورة

تختلف آلية إنتاج الألواح الشمسية من السيليكون غير المتبلور بشكل أساسي عن إنتاج الخلايا الكهروضوئية البلورية. هنا لا يتم استخدام مادة غير معدنية نقية، ولكن هيدريدها، الذي تترسب الأبخرة الساخنة منه على الركيزة.

ونتيجة لهذه التكنولوجيا، لا يتم تشكيل البلورات الكلاسيكية، وتنخفض تكاليف الإنتاج بشكل حاد.

يمكن تركيب الخلايا الشمسية السيليكونية غير المتبلورة المودعة إما على ركيزة بوليمر مرنة أو على لوح زجاجي صلب

في الوقت الحالي، هناك بالفعل ثلاثة أجيال من ألواح السيليكون غير المتبلورة، كل منها يزيد بشكل كبير من الكفاءة. إذا كانت كفاءة الوحدات الكهروضوئية الأولى تبلغ 4-5%، فإن نماذج الجيل الثاني التي تبلغ كفاءتها 8-9% تباع على نطاق واسع في السوق.

تتمتع أحدث الألواح غير المتبلورة بكفاءة تصل إلى 12٪ وقد بدأت بالفعل في الظهور للبيع، لكنها لا تزال باهظة الثمن.

ونظرًا لميزات تكنولوجيا الإنتاج هذه، فمن الممكن إنشاء طبقة من السيليكون على ركيزة صلبة ومرنة. ولهذا السبب، تُستخدم وحدات السيليكون غير المتبلور بشكل نشط في الوحدات الشمسية المرنة ذات الأغشية الرقيقة. لكن الخيارات ذات الدعم المرن أغلى بكثير.

يسمح التركيب الفيزيائي الكيميائي للسيليكون غير المتبلور بأقصى قدر من امتصاص فوتونات الضوء المتناثر الضعيف لتوليد الكهرباء. ولذلك، فإن هذه الألواح ملائمة للاستخدام في المناطق الشمالية ذات المساحات الحرة الكبيرة.

لا تنخفض كفاءة البطاريات المعتمدة على السيليكون غير المتبلور حتى في درجات الحرارة المرتفعة، على الرغم من أنها أقل شأنا في هذه المعلمة من ألواح زرنيخيد الغاليوم.

وبنفس تكلفة المعدات، تُظهر الألواح الشمسية المصنوعة من هيدريد السيليكون أداءً أكبر من نظيراتها أحادية ومتعددة البلورات (+)

لتلخيص ذلك، يمكننا أن نشير إلى المزايا التالية للألواح الشمسية غير المتبلورة:

1. براعه — القدرة على تصنيع ألواح مرنة ورقيقة، وتركيب البطاريات على أي شكل معماري.
2. كفاءة عالية في ضوء منتشر.
3. عمل مستقر في درجات حرارة عالية.
4. بساطة وموثوقية التصميم. هذه الألواح عمليا لا تنكسر.
5. الحفاظ على الأداء في الظروف الصعبة — انخفاض أقل في الأداء عندما يكون السطح متربًا مقارنةً بنظيراته البلورية

عمر الخدمة لهذه الخلايا الكهروضوئية، بدءاً من الجيل الثاني، هو 20-25 سنة مع انخفاض في الطاقة بنسبة 15-20%. تشمل العيوب الوحيدة لألواح السيليكون غير المتبلورة الحاجة إلى مساحات أكبر لاستيعاب معدات الطاقة المطلوبة.

نظرة عامة على الأجهزة الخالية من السيليكون

بعض الألواح الشمسية، المصنوعة باستخدام معادن نادرة وباهظة الثمن، تصل كفاءتها إلى أكثر من 30%. إنها أغلى بعدة مرات من نظيراتها من السيليكون، لكنها لا تزال تحتل مكانة تجارية عالية التقنية بسبب خصائصها الخاصة.

الألواح الشمسية المعدنية النادرة

هناك عدة أنواع من الألواح الشمسية المعدنية النادرة، وليست جميعها أكثر كفاءة من وحدات السيليكون أحادية البلورة.

ومع ذلك، فإن القدرة على العمل في الظروف القاسية تسمح لمصنعي هذه الألواح الشمسية بإنتاج منتجات تنافسية وإجراء المزيد من الأبحاث.

تستخدم ألواح تيلوريد الكادميوم بشكل فعال لتكسية المباني في الدول الاستوائية والعربية، حيث ترتفع درجة حرارة سطحها إلى 70-80 درجة خلال النهار

السبائك الرئيسية المستخدمة لصنع الخلايا الكهروضوئية هي تيلورايد الكادميوم (CdTe)، وسيلينيد نحاس الإنديوم والجاليوم (CIGS)، وسيلينيد الإنديوم النحاسي (CIS).

الكادميوم معدن سام، والإنديوم والجاليوم والتيلوريوم نادرة جدًا ومكلفة، لذا فإن الإنتاج الضخم للألواح الشمسية المعتمدة عليها مستحيل من الناحية النظرية.

تصل كفاءة هذه الألواح إلى 25-35%، رغم أنها في حالات استثنائية يمكن أن تصل إلى 40%. في السابق، كانت تستخدم بشكل رئيسي في صناعة الفضاء، ولكن الآن ظهر اتجاه واعد جديد.

نظرا للتشغيل المستقر للخلايا الضوئية المصنوعة من معادن نادرة عند درجات حرارة تتراوح بين 130-150 درجة مئوية، يتم استخدامها في محطات الطاقة الحرارية الشمسية. في هذه الحالة، تتركز أشعة الشمس المنبعثة من عشرات أو مئات المرايا على لوحة صغيرة، والتي تولد الكهرباء في نفس الوقت وتضمن نقل الطاقة الحرارية إلى مبادل حراري للمياه.

ونتيجة لتسخين الماء يتشكل البخار، مما يؤدي إلى دوران التوربين وتوليد الكهرباء. وبهذه الطريقة يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية في وقت واحد وبطريقتين بأقصى قدر من الكفاءة.

البوليمر ونظائرها العضوية

لم يبدأ تطوير الوحدات الكهروضوئية المعتمدة على المركبات العضوية والبوليمرية إلا في العقد الماضي، لكن الباحثين حققوا بالفعل تقدمًا كبيرًا.أظهرت الشركة الأوروبية أكبر قدر من التقدم هيلياتيك، والتي قامت بالفعل بتجهيز العديد من المباني الشاهقة بألواح شمسية عضوية.

سمك هيكل الفيلم لفة هو HeliaFilm هو 1 ملم فقط.

في إنتاج ألواح البوليمر يتم استخدام مواد مثل الفوليرين الكربوني وفثالوسيانين النحاس والبولي فينيلين وغيرها. تصل كفاءة هذه الخلايا الكهروضوئية بالفعل إلى 14-15%، وتكلفة الإنتاج أقل بعدة مرات من الألواح الشمسية البلورية.

إن مسألة وقت تحلل طبقة العمل العضوية حادة. حتى الآن، لا يمكن التأكد بشكل موثوق من مستوى كفاءتها بعد عدة سنوات من التشغيل.

مزايا الألواح الشمسية العضوية هي:

• إمكانية التخلص الآمن بيئيا؛
• انخفاض تكلفة الإنتاج.
• تصميم مرن.

تشمل عيوب هذه الخلايا الكهروضوئية كفاءة منخفضة نسبيًا ونقص المعلومات الموثوقة حول فترات التشغيل المستقر للألواح. من الممكن أن تختفي جميع عيوب الخلايا الشمسية العضوية خلال 5 إلى 10 سنوات، وسوف تصبح منافسين جديين لرقائق السيليكون.

أي لوحة للطاقة الشمسية تختار؟

اختيار الألواح الشمسية للمنازل الريفية عند خط عرض 45-60 درجة ليس بالأمر الصعب. لا يوجد سوى خيارين يستحقان النظر هنا: ألواح السيليكون متعددة البلورات وأحادية البلورية.

إذا كان هناك نقص في المساحة، فمن الأفضل إعطاء الأفضلية للنماذج الأكثر كفاءة ذات الاتجاه البلوري أحادي الجانب، وإذا كانت هناك مساحة غير محدودة، فمن المستحسن شراء بطاريات متعددة البلورات.

لا يجب الاعتماد على توقعات الشركات التحليلية لتطوير سوق الألواح الشمسية، فأفضل الأمثلة عليها ربما لم يتم اختراعها بعد

من الأفضل اختيار شركة مصنعة محددة والطاقة المطلوبة والمعدات الإضافية بمشاركة مديري الشركات المشاركة في بيع وتركيب هذه المعدات. يجب أن تعلم أن جودة وسعر الوحدات الكهروضوئية من أكبر الشركات المصنعة يختلف قليلاً.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه عند طلب مجموعة من المعدات الجاهزة، ستكون تكلفة الألواح الشمسية نفسها 30-40٪ فقط من المبلغ الإجمالي. وتتراوح فترة الاسترداد لمثل هذه المشاريع من 5 إلى 10 سنوات، وتعتمد على مستوى استهلاك الطاقة وإمكانية بيع الكهرباء الفائضة لشبكة المدينة.

يفضل بعض الحرفيين تجميع الألواح الشمسية بأيديهم. يوجد على موقعنا مقالات تحتوي على وصف تفصيلي لتكنولوجيا تصنيع هذه الألواح وتوصيلها وترتيب أنظمة التدفئة الشمسية.

ننصحك بقراءة:

1. كيفية صنع بطارية شمسية بيديك: تعليمات للتجميع الذاتي
2. أنظمة التدفئة الشمسية: تحليل تقنيات التدفئة المعتمدة على أنظمة الطاقة الشمسية
3. مخطط توصيل الألواح الشمسية: بوحدة التحكم والبطارية والأنظمة الخاضعة للصيانة

استنتاجات وفيديو مفيد حول هذا الموضوع

تُظهر مقاطع الفيديو المعروضة تشغيل الألواح الشمسية المختلفة في ظروف حقيقية. سيساعدونك أيضًا على فهم مشكلات اختيار المعدات ذات الصلة.

قواعد اختيار الألواح الشمسية والمعدات ذات الصلة:

أنواع الألواح الشمسية:

اختبار الألواح أحادية البلورية ومتعددة البلورات:

بالنسبة للسكان والمنشآت الصناعية الصغيرة، لا يوجد حاليًا بديل حقيقي لألواح السيليكون البلورية.لكن وتيرة تطوير أنواع جديدة من الألواح الشمسية تتيح لنا أن نأمل أن تصبح الطاقة الشمسية قريبا المصدر الرئيسي للكهرباء في العديد من المنازل الريفية.

ندعو جميع المهتمين بمسألة اختيار الألواح الشمسية واستخدامها إلى ترك التعليقات وطرح الأسئلة والمشاركة في المناقشات. يقع نموذج الاتصال في الكتلة السفلية.