الطاقة الشمسية الكهروضوئية هي مصدر الطاقة التي تنتج الكهرباء من مصادر متجددة ، واحدة يتم الحصول عليها مباشرة من الإشعاع الشمسي بواسطة أشباه موصلات الجهاز تسمى الخلايا الكهروضوئية. يستخدم هذا النوع من الطاقة بشكل أساسي لإنتاج الكهرباء على نطاق واسع من خلال شبكات التوزيع ، ولكنه يسمح أيضًا بتغذية عدد لا يحصى من التطبيقات والأجهزة المستقلة ، فضلاً عن توفير الملاجئ الجبلية أو المنازل المعزولة من شبكة الكهرباء. نظرًا للطلب المتزايد على الطاقة المتجددة ، تقدمت صناعة الخلايا الشمسية والمنشآت الكهروضوئية بشكل كبير في السنوات الأخيرة. بدأوا الإنتاج الضخم من عام 2000 ، عندما حصل علماء البيئة الألمان والمنظمة الأوروبية على التمويل لإنشاء عشرة ملايين أسقف شمسية.

لا تصدر الطاقة الضوئية أي نوع من التلوث أثناء تشغيلها ، مما يساهم في تجنب انبعاث غازات الدفيئة. عيبه الأساسي هو أن إنتاجه يعتمد على الإشعاع الشمسي ، لذلك إذا لم تكن الخلية متعامدة مع الشمس ، فإنك تفقد ما بين 10 إلى 25٪ من طاقة الحادث. ونتيجة لذلك ، تم استخدام استخدام أجهزة التعقب الشمسي في محطات اتصال الشبكة لزيادة إنتاج الطاقة. يتأثر الإنتاج أيضًا بالظروف المناخية المعاكسة ، مثل عدم وجود الشمس أو السحب أو الأوساخ المترسبة على الألواح. وهذا يعني أنه من أجل ضمان الإمداد بالكهرباء ، من الضروري تكميل هذه الطاقة بمصادر طاقة أخرى يمكن التحكم فيها مثل محطات الطاقة التي تعتمد على حرق الوقود الأحفوري أو الطاقة الكهرمائية أو الطاقة النووية.

بفضل التقدم التكنولوجي والتطور واقتصاد الحجم ، انخفضت تكلفة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل ثابت منذ أن تم بناء أول الخلايا الشمسية التجارية ، مما أدى إلى زيادة الكفاءة ، وجعل متوسط ​​تكلفة توليد الكهرباء منافسة بالفعل مع مصادر الطاقة التقليدية في عدد متزايد من المناطق الجغرافية ، ليصل إلى تكافؤ الشبكة. تبلغ تكلفة الكهرباء التي يتم إنتاجها في المنشآت الشمسية حاليًا ما بين 0.05-0.10 دولار / كيلووات في الساعة في أوروبا والصين والهند وجنوب إفريقيا والولايات المتحدة. في عام 2015 ، تم التوصل إلى سجلات جديدة في مشاريع في دولة الإمارات العربية المتحدة (0.0584 دولار / كيلووات ساعة) ، وبيرو (0.048 دولار / كيلووات ساعة) والمكسيك (0.048 دولار / كيلووات ساعة). في مايو 2016 ، وصل مزاد للطاقة الشمسية في دبي إلى سعر 0.03 دولار / كيلوواط ساعي.

تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية

بدأ الإنتاج الصناعي الكبير للألواح الكهروضوئية في الثمانينيات ، ومن بين الاستخدامات الكثيرة التي يمكن استخدامها:

الاتصالات والتشوير
وتعد الطاقة الشمسية الكهروضوئية مثالية لتطبيقات الاتصالات اللاسلكية ، بما في ذلك تلك الموجودة على سبيل المثال في المحطات الهاتفية المحلية ، وهيائيات الإذاعة والتلفزيون ، ومحطات التتابع والميكروويفات وغيرها من وصلات الاتصالات الإلكترونية. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه ، في معظم تطبيقات الاتصالات السلكية واللاسلكية ، يتم استخدام بطاريات التخزين ويتم إجراء التركيبات الكهربائية عادة في تيار مباشر (DC). على التلال والتضاريس الجبلية ، قد تتداخل إشارات الراديو والتلفزيون مع أو تنعكس بسبب التضاريس المتموجة. في هذه المواقع ، يتم تركيب أجهزة إرسال منخفضة القدرة (LPT) لاستقبال الإشارة وإعادة إرسالها بين السكان المحليين.

كما تستخدم الخلايا الكهروضوئية في تشغيل أنظمة الاتصالات في حالات الطوارئ ، على سبيل المثال في وظائف SOS (الهاتف في حالات الطوارئ) على الطرق ، أو إشارات السكك الحديدية ، أو منارة لحماية الطيران ، أو محطات الأرصاد الجوية أو أنظمة المراقبة للبيانات البيئية والجودة. ماء.

أجهزة معزولة
أدى انخفاض استهلاك الطاقة للدوائر المتكاملة في أواخر السبعينيات إلى استخدام الخلايا الشمسية كمصدر للكهرباء في الآلات الحاسبة ، مثل رويال سولار ، أو Sharp EL-8026 أو Teal Photon.

كما شهدت الأجهزة الثابتة الأخرى التي تستخدم الطاقة الكهروضوئية زيادة في استخدامها في العقود الأخيرة ، في الأماكن التي تكون فيها تكلفة التوصيل بالشبكة الكهربائية أو استخدام البطاريات المستهلكة باهظة للغاية. وتشمل هذه التطبيقات على سبيل المثال المصابيح الشمسية ، ومضخات المياه ، ومقاييس مواقف السيارات ، والهواتف الطارئة ، وضاغطات القمامة ، وإشارات محطات تحميل الحركة المؤقتة أو الدائمة أو أنظمة المراقبة عن بعد.

كهرباء الريف
في البيئات المعزولة ، حيث الطاقة الكهربائية الضئيلة مطلوبة والوصول إلى الشبكة أمر صعب ، يتم استخدام الألواح الكهروضوئية كبديل قابل للتطبيق اقتصاديًا لعقود. ولفهم أهمية هذا الاحتمال ، يجدر الأخذ في الاعتبار أن ما يقرب من ربع سكان العالم ما زالوا غير قادرين على الوصول إلى الطاقة الكهربائية.

في البلدان النامية ، تقع العديد من القرى في المناطق النائية ، على بعد عدة كيلومترات من أقرب شبكة كهرباء. ونتيجة لذلك ، يتم دمج الطاقة الكهروضوئية بشكل متزايد لتوفير الطاقة للمنازل أو المرافق الطبية في المناطق الريفية. على سبيل المثال ، في المناطق النائية من الهند ، قدم برنامج الإضاءة الريفية إضاءة باستخدام مصابيح LED تعمل بالطاقة الشمسية لاستبدال مصابيح الكيروسين. كان سعر المصابيح الشمسية تقريبا نفس تكلفة تزويد الكيروسين لبضعة أشهر. تعمل كوبا وبلدان أمريكا اللاتينية الأخرى على توفير الطاقة الكهروضوئية في مناطق بعيدة عن إمدادات الكهرباء التقليدية. هذه هي المجالات التي توفر فيها المنافع الاجتماعية والاقتصادية للسكان المحليين سبباً ممتازاً لتثبيت الألواح الكهروضوئية ، على الرغم من أن هذا النوع من المبادرات عادة ما يتم إنزاله إلى جهود إنسانية محددة.

أنظمة الضخ
كما يستخدم PV لإطعام مرافق ضخ للري ، ومياه الشرب في المناطق الريفية ومياه الثروة الحيوانية ، أو نظم تحلية المياه.

تعتبر أنظمة ضخ الخلايا الضوئية (مثل تلك التي تعمل بطاقة الرياح) مفيدة للغاية حيث لا يمكن الوصول إلى شبكة الكهرباء العامة أو أنها سعر باهظ. وتكون تكلفتها أرخص بوجه عام بسبب انخفاض تكاليف التشغيل والصيانة ، ولها تأثير بيئي أقل من أنظمة الضخ التي تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي ، والتي تتمتع أيضًا بمصداقية أقل.

يمكن أن تكون المضخات المستخدمة إما التيار المتناوب (التيار المتردد) أو التيار المباشر (DC). تستخدم المحركات DC عادة لتطبيقات صغيرة ومتوسطة تصل إلى 3kW من الطاقة ، أما بالنسبة للتطبيقات الأكبر ، فيتم استخدام محركات التيار المتردد إلى العاكس الذي يحول تيار التيار المستمر من الألواح الكهروضوئية لاستخدامه. ويسمح ذلك بنظم البعد من 0.15 كيلو واط إلى أكثر من 55 كيلو واط من الطاقة ، والتي يمكن استخدامها لتزويد أنظمة الري المعقدة أو تخزين المياه.

نظم الطاقة الشمسية والديزل الهجين
بسبب انخفاض تكاليف الطاقة الشمسية الكهروضوئية ، يتوسع أيضًا استخدام أنظمة الطاقة الشمسية والديزل الهجينة ، وجمع هذه الطاقة مع مولدات الديزل لإنتاج الكهرباء بطريقة مستمرة ومستقرة. هذه الأنواع من المنشآت مجهزة عادة بالمعدات المساعدة ، مثل البطاريات وأنظمة التحكم الخاصة لتحقيق استقرار الإمداد الكهربائي للنظام في جميع الأوقات.

بسبب جدواه الاقتصادية (نقل الديزل إلى نقطة الاستهلاك عادة ما يكون باهظ الثمن) في كثير من الحالات يتم استبدال المولدات القديمة بالطاقة الضوئية ، في حين أن المرافق الهجينة الجديدة مصممة بطريقة تسمح باستخدام الموارد الشمسية كلما متاحة ، والتقليل من استخدام المولدات ، وبالتالي الحد من التأثير البيئي لتوليد الطاقة في المجتمعات النائية والمرافق التي لا ترتبط بشبكة الكهرباء. مثال على ذلك هو شركات التعدين ، وعادة ما يتم العثور على عمليات في الحقول المفتوحة ، بعيدا عن المراكز السكانية الكبيرة. في هذه الحالات ، يسمح الاستخدام المشترك للخلايا الكهروضوئية بتقليل الاعتماد على وقود الديزل بشكل كبير ، مما يسمح بتوفير ما يصل إلى 70٪ من تكلفة الطاقة.

ويمكن استخدام هذا النوع من الأنظمة أيضًا مع مصادر أخرى لتوليد الطاقة المتجددة ، مثل طاقة الرياح.

النقل والملاحة البحرية
على الرغم من أن الخلايا الفولتية الضوئية لا تزال غير مستخدمة على نطاق واسع لتوفير النقل في مجال النقل ، إلا أنها تستخدم بشكل متزايد لتوفير الطاقة الإضافية في السفن والسيارات. وقد تم تجهيز بعض المركبات بتكييف الهواء الذي يتم تشغيله من خلال الألواح الكهروضوئية للحد من درجة الحرارة الداخلية في الأيام الحارة ، في حين تستخدمها نماذج أخرى هجينة لإعادة شحن بطارياتها دون الحاجة إلى الاتصال بشبكة الطاقة الكهربائية. وقد برهنت بوضوح على القدرة العملية لتصميم وتصنيع السيارات والقوارب والطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية ، والتي تعتبر أكثر وسائل النقل التي يمكن استخدامها في مجال الطاقة الكهروضوئية.

The Solar Impulse هو مشروع مخصص لتطوير طائرة تدفعها فقط الطاقة الشمسية الكهروضوئية. يمكن أن يطير النموذج الأولي خلال النهار مدفوعا بالخلايا الشمسية التي تغطي أجنحتها ، في نفس الوقت الذي تشحن فيه البطاريات التي تسمح لها بالبقاء في الهواء أثناء الليل.

كما تستخدم الطاقة الشمسية عادة في المنارات والعوامات ومنارات الملاحة البحرية ، والمركبات الترفيهية ، وأنظمة الشحن للمراكم الكهربائية للسفن ، وأنظمة الحماية الكاثودية. أصبحت إعادة شحن السيارات الكهربائية مهمة بشكل متزايد. 94

الضوئية المتكاملة في المباني
غالباً ما توجد العديد من المنشآت الكهروضوئية في المباني: عادة ما تكون موجودة على سطح قائم ، أو يتم دمجها في عناصر هيكل المبنى نفسه ، مثل المناور ، أو المناور ، أو الواجهات.

بدلا من ذلك ، يمكن أيضا أن يكون النظام الكهروضوئي موجودا بشكل منفصل عن المبنى ، ولكنه متصل بالتركيب الكهربائي لتوفير الطاقة. في عام 2010 ، تم تركيب أكثر من 80٪ من 9000 ميغاواط من الخلايا الكهروضوئية التي كانت ألمانيا تعمل بها في ذلك الوقت ، على أسطح المباني.

يتم بشكل متزايد دمج بناء الخلايا الفولتضوئية المتكاملة (BIPV) كمصدر رئيسي أو ثانوي للطاقة الكهربائية في المباني الصناعية والمنزلية الجديدة ، وحتى في عناصر معمارية أخرى ، مثل الجسور على سبيل المثال. بلاط السقف مع الخلايا الكهروضوئية المتكاملة هي أيضا شائعة جدا في هذا النوع من التكامل.

وفقًا لدراسة نشرت في عام 2011 ، أظهر استخدام التصوير الحراري أن الألواح الشمسية ، شريطة وجود فجوة مفتوحة يمكن للهواء من خلالها أن ينتشر بين الألواح والسقف ، توفر تأثيرًا سلبيًا للتبريد على المباني أثناء النهار وتساعد أيضًا على الحفاظ على تراكم الحرارة خلال الليل.

الاتصال الكهروضوئية بالشبكة
أحد التطبيقات الرئيسية للطاقة الشمسية الكهروضوئية الأكثر تطوراً في السنوات الأخيرة ، يتألف من محطات توليد الطاقة المتصلة بالشبكة لتزويد الكهرباء ، بالإضافة إلى أنظمة الاستهلاك الذاتي الضوئية ، بشكل عام ذات طاقة منخفضة ، ولكنها متصلة أيضاً بشبكة الكهرباء.

أنظمة الضوئية
النظام الكهروضوئي ، أو نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية هو نظام طاقة مصمم لتوفير الطاقة الشمسية القابلة للاستخدام من خلال وحدات الطاقة الشمسية. وهو يتكون من ترتيب للعديد من المكونات ، بما في ذلك الألواح الشمسية لامتصاص أشعة الشمس وتحويلها مباشرة إلى كهرباء ، وعاكس للطاقة الشمسية لتغيير التيار الكهربائي من التيار المباشر إلى التيار المتردد ، وكذلك التركيب والكابلات والملحقات الكهربائية الأخرى. وتتراوح الأنظمة الكهروضوئية من أنظمة صغيرة مدمجة على السطح أو أنظمة متكاملة البناء بسعات تتراوح ما بين بضعة إلى عشرات الكيلوواط ، إلى محطات طاقة كبيرة الحجم بمئات الميجاوات. في الوقت الحاضر ، معظم الأنظمة الكهروضوئية متصلة بالشبكة ، في حين أن الأنظمة القائمة وحدها تمثل جزءًا صغيرًا من السوق.

السطح وبناء النظم المتكاملة
غالبًا ما ترتبط المصفوفات الكهرضوئية بالمباني: إما مدمجة فيها ، أو مركبة عليها أو مركبة في مكان قريب على الأرض. عادة ما يتم تحديث الأنظمة الكهروضوئية فوق الأسطح في المباني القائمة ، والتي عادة ما يتم تركيبها فوق هيكل السقف الموجود أو على الجدران الموجودة. وبدلاً من ذلك ، يمكن وضع مصفوفة بشكل منفصل عن المبنى ولكن يتم توصيلها بواسطة كابل لتوفير الطاقة للمبنى. يتم دمج الخلايا الكهروضوئية المتكاملة (BIPV) بشكل متزايد في سقف أو جدران المباني المنزلية والصناعية الجديدة كمصدر رئيسي أو مصدر ثانوي للطاقة الكهربائية. تستخدم في بعض الأحيان بلاط السقف مع الخلايا الكهروضوئية المدمجة كذلك. شريطة وجود فجوة مفتوحة يمكن للهواء أن يعمر بها ، يمكن للألواح الشمسية المركبة على السطح أن توفر تأثير التبريد السلبي على المباني أثناء النهار وكذلك الحفاظ على الحرارة المتراكمة في الليل. عادة ، تتميز أنظمة الأسطح السكنية بسعات صغيرة تبلغ حوالي 5-10 كيلووات ، في حين أن أنظمة الأسطح التجارية غالباً ما تصل إلى عدة مئات من الكيلوواط. على الرغم من أن أنظمة الأسطح أصغر بكثير من محطات توليد الطاقة على مستوى المرافق العامة ، إلا أنها تمثل معظم الطاقة المركبة في جميع أنحاء العالم.

الفولتية الضوئية المركزة
الطاقة الكهروضوئية المركزة (CPV) هي تقنية ضوئية تتعارض مع الأنظمة الكهروضوئية المسطحة التقليدية وتستخدم العدسات والمرايا المنحنية لتركيز ضوء الشمس على الخلايا الشمسية الصغيرة ، ولكن عالية الكفاءة ، والتقاطعات المتعددة (MJ). بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم أنظمة CPV غالبًا أدوات التعقب الشمسي وأحيانًا نظام تبريد لزيادة كفاءتها. يعمل البحث والتطوير المستمران على تحسين قدرتها التنافسية بسرعة في قطاع المنافع العامة وفي المناطق ذات التشمس الشديد.

الكهروضوئية الحرارية الشمسية المختلطة الهجين
إن المجموعة الشمسية الكهروضوئية الهجينة (PVT) هي الأنظمة التي تحول الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية وكهربائية. تجمع هذه الأنظمة بين الخلايا الكهروضوئية الشمسية ، التي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء ، مع جهاز تجميع حراري شمسي ، والذي يلتقط الطاقة المتبقية ويزيل الحرارة المفقودة من الوحدة الكهروضوئية. ويسمح احتجاز الكهرباء والحرارة لكل من هذه الأجهزة بأن يكون لها طاقة خارجية أعلى وبالتالي تكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو الطاقة الشمسية الحرارية وحدها.

محطات توليد الطاقة
وقد تم بناء العديد من مزارع الطاقة الشمسية على نطاق المرافق في جميع أنحاء العالم. اعتبارًا من عام 2015 ، تعتبر شركة سولار ستار التي تبلغ قدرتها 579 ميجاوات أكبر محطة للطاقة الكهروضوئية في العالم ، تليها محطة ديزرت صنلايت للطاقة الشمسية ومزرعة توباز للطاقة الشمسية ، وكلاهما بطاقة إنتاجية تبلغ 550 ميجاوات ، تم بناؤها من قبل شركة فيرست سولار الأمريكية. باستخدام وحدات CdTe ، وهي تقنية PV رقيقة. تقع جميع محطات الطاقة الثلاثة في صحراء كاليفورنيا. تتكامل العديد من مزارع الطاقة الشمسية في جميع أنحاء العالم مع الزراعة ويستخدم بعضها أنظمة مبتكرة لتتبع الطاقة الشمسية تتبع مسار الشمس اليومي عبر السماء لتوليد المزيد من الكهرباء مقارنة بالأنظمة التقليدية المثبتة. لا توجد تكاليف الوقود أو الانبعاثات أثناء تشغيل محطات الطاقة.

كهربة الريف
إن البلدان النامية التي يوجد فيها العديد من القرى على بعد أكثر من خمسة كيلومترات من الطاقة الكهربائية تستخدم بشكل متزايد الطاقة الكهروضوئية. في المناطق النائية في الهند ، يوفر برنامج الإضاءة الريفية إضاءة LED تعمل بالطاقة الشمسية لتحل محل مصابيح الكيروسين. وقد بيعت المصابيح التي تعمل بالطاقة الشمسية على حساب تكلفة بضعة أشهر من الكيروسين. تعمل كوبا على توفير الطاقة الشمسية للمناطق التي تكون خارج الشبكة. وتشمل التطبيقات الأكثر تعقيدًا لاستخدام الطاقة الشمسية خارج الشبكة الطابعات ثلاثية الأبعاد. طابعات Reprap ثلاثية الأبعاد تم تزويدها بالطاقة الشمسية باستخدام تكنولوجيا الطاقة الضوئية ، والتي تمكن التصنيع الموزع من أجل التنمية المستدامة. هذه هي المجالات التي توفر فيها التكاليف والفوائد الاجتماعية حالة ممتازة للتوجه إلى الطاقة الشمسية ، على الرغم من أن نقص الربحية قد دفع هذه المساعي إلى الجهود الإنسانية. ومع ذلك ، تبين أنه في عام 1995 ، كان من الصعب الحفاظ على مشاريع الكهرباء الريفية الريفية بسبب اقتصاديات غير مواتية ، ونقص في الدعم الفني ، وإرث من الدوافع الخفية لنقل التكنولوجيا من الشمال إلى الجنوب.

أنظمة مستقلة
حتى قبل عقد من الزمان أو نحو ذلك ، تم استخدام الكهروضوئية في كثير من الأحيان لآلات حاسبة الطاقة والأجهزة الجدة. تحسينات في الدوائر المتكاملة وشاشات الكريستال السائل منخفضة الطاقة تجعل من الممكن لتشغيل هذه الأجهزة لعدة سنوات بين التغييرات البطارية ، مما يجعل استخدام PV أقل شيوعا. في المقابل ، شهدت الأجهزة الثابتة البعيدة التي تعمل بالطاقة الشمسية استخدامًا متزايدًا مؤخرًا في المواقع التي تجعل تكلفة الاتصال الكبيرة من الطاقة الشرائية باهظة التكلفة. وتشمل هذه التطبيقات المصابيح الشمسية ، ومضخات المياه ، ومقاييس مواقف السيارات ، وهواتف الطوارئ ، وضاغطات القمامة ، وعلامات المرور المؤقتة ، ومحطات الشحن ، ووحدات الحراسة البعيدة والإشارات.

Floatovoltaics
في أيار / مايو 2008 ، كان مصنع نبيذ فار نينتي في أوكفيل ، كاليفورنيا هو أول نظام “فلواتوفلتيك” في العالم من خلال تركيب 994 من الألواح الشمسية الكهروضوئية على 130 طوافة وتعويمها في بركة الري في مصنع الخمرة. النظام العائم يولد حوالي 477 كيلوواط من ذروة الإنتاج وعندما يقترن مع مجموعة من الخلايا المتاخمة للبركة قادرة على تعويض استهلاك الكهرباء من الخمرة بشكل كامل. الفائدة الأساسية لنظام الطفو الضوئي هو أنه يتجنب الحاجة للتضحية بمساحة أرض قيمة يمكن استخدامها لغرض آخر. في حالة مصنع نبيذ فار نينتي ، أنقذ النظام الطافي ثلاثة أرباع الفدان الذي كان سيحتاج إليه النظام الأرضي. يمكن بدلاً من ذلك استخدام مساحة الأرض في الزراعة. ومن المزايا الأخرى لنظام الطفو الضوئي أن الألواح يتم الاحتفاظ بها في درجة حرارة أقل مما هي على الأرض ، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى لتحويل الطاقة الشمسية. كما تعمل الألواح العائمة على تقليل كمية الماء المفقودة من خلال التبخر وتمنع نمو الطحالب.

في النقل
وقد استخدمت تقليديا الكهروضوئية للطاقة الكهربائية في الفضاء. ونادرا ما يستخدم الطاقة الكهروضوئية لتوفير الطاقة المحركة في تطبيقات النقل ، ولكن يتم استخدامها بشكل متزايد لتوفير الطاقة الإضافية في القوارب والسيارات. بعض السيارات مزودة بتكييف هواء يعمل بالطاقة الشمسية للحد من درجات الحرارة الداخلية في الأيام الحارة. إن وجود مركبة شمسية قائمة بذاتها سيكون لها طاقة وفائدة محدودة ، لكن السيارة الكهربائية المشحونة بالطاقة الشمسية تسمح باستخدام الطاقة الشمسية للنقل. وقد تم إثبات السيارات والقوارب والطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية ، وكانت سيارات الطاقة الشمسية الأكثر عملية والأكثر احتمالاً. حققت الطائرة الشمسية السويسرية Solar Impulse 2 أطول رحلة انفرادية بدون توقف في التاريخ وتخطط للقيام بأول رحلة جوية حول العالم تعمل بالطاقة الشمسية في عام 2015.

الاتصالات والتشوير
تعتبر الطاقة الشمسية الكهروضوئية مناسبة بشكل مثالي لتطبيقات الاتصالات السلكية واللاسلكية مثل تبادل المكالمات الهاتفية المحلية والبث الإذاعي والتلفزيوني والموجات الصغرية وغيرها من أشكال وصلات الاتصالات الإلكترونية. ويرجع ذلك إلى أنه في معظم تطبيقات الاتصالات السلكية واللاسلكية ، تكون بطاريات التخزين قيد الاستخدام بالفعل وأن النظام الكهربائي هو في الأساس DC. في التلال الجبلية والجبلية ، قد لا تصل الإشارات الإذاعية والتلفزيونية إلى حجبها أو عكسها بسبب التضاريس المتموجة. في هذه المواقع ، يتم تركيب أجهزة إرسال منخفضة القدرة (LPT) لاستقبال الإشارة وإعادة إرسالها للسكان المحليين.

تطبيقات المركبة الفضائية
وعادة ما تكون الألواح الشمسية على متن المركبات الفضائية هي المصدر الوحيد للطاقة لتشغيل المستشعرات والتدفئة والتبريد النشطين والاتصالات. تخزن البطارية هذه الطاقة للاستخدام عندما تكون الألواح الشمسية في الظل. في البعض ، تُستخدم القوة أيضًا في دفع المركبات الفضائية – الدفع الكهربائي. كانت المركبة الفضائية واحدة من أقدم تطبيقات الألواح الضوئية ، بدءا بخلايا السليكون الشمسية المستخدمة على القمر الصناعي Vanguard 1 ، والتي أطلقتها الولايات المتحدة في عام 1958. ومنذ ذلك الحين ، تم استخدام الطاقة الشمسية في مهام تتراوح بين مسبار MESSENGER إلى Mercury ، بعيدا في النظام الشمسي مثل مسبار جونو إلى المشتري. أكبر نظام للطاقة الشمسية في الفضاء هو النظام الكهربائي لمحطة الفضاء الدولية. لزيادة الطاقة المولدة لكل كيلوغرام ، تستخدم الألواح الشمسية النموذجية للمركبات الفضائية خلايا شمسية مستطيلة متعددة الأغلفة ذات تكلفة عالية وكفاءة عالية ، ومركبة على شكل مستطيل ، مصنوعة من زرنيخيد ال gallاليوم (GaAs) ومواد أخرى شبه موصلة.

أنظمة الطاقة المتخصصة
يمكن أيضًا دمج الخلايا الكهروضوئية كأجهزة تحويل الطاقة للأجسام عند درجات حرارة مرتفعة وبنشاطات إشعاعية مفضلة مثل الاحتراق غير المتجانس.

مزايا
يبلغ عدد مياه أشعة الشمس التي تصل إلى سطح الأرض 122 كيلو واط ، وهو ما يزيد بنحو 10000 مرة عن متوسط ​​استهلاك الطاقة في عام 2005 من قبل البشر. تؤدي هذه الوفرة إلى اقتراح أنه لن يمر وقت طويل قبل أن تصبح الطاقة الشمسية مصدر الطاقة الأساسي في العالم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية لديه أعلى كثافة للطاقة (المتوسط ​​العالمي 170 وات / م 2) بين الطاقات المتجددة.

الطاقة الشمسية هي خالية من التلوث أثناء الاستخدام ، والتي تمكنها من خفض التلوث عندما يتم استبدالها بمصادر طاقة أخرى. على سبيل المثال ، قدر معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن 52000 شخص يموتون سنوياً قبل الأوان في الولايات المتحدة من تلوث محطة الطاقة التي تعمل بالفحم ، ويمكن منع جميع هذه الوفيات باستثناء واحد فقط من استخدام الطاقة الكهروضوئية لتحل محل الفحم. يمكن التحكم في إنتاج النفايات النهائية والانبعاثات باستخدام ضوابط التلوث الحالية. يجري تطوير تكنولوجيات إعادة التدوير في نهاية الاستخدام ويجري وضع سياسات تشجع على إعادة التدوير من المنتجين.

يمكن أن تعمل المنشآت الكهروضوئية لمدة 100 عام أو أكثر مع القليل من الصيانة أو التدخل بعد إعدادها الأولي ، لذلك بعد التكلفة المبدئية لرأس المال لبناء أي محطة للطاقة الشمسية ، تكون تكاليف التشغيل منخفضة للغاية مقارنة بتكنولوجيات الطاقة الحالية.

يمكن استخدام الكهرباء الشمسية المتصلة بالشبكة محليًا وبالتالي تقليل خسائر النقل / التوزيع (كانت خسائر الإرسال في الولايات المتحدة حوالي 7.2٪ في عام 1995).

مقارنةً بمصادر الطاقة الأحفورية والطاقة النووية ، تم استثمار القليل جدًا من الأموال البحثية في تطوير الخلايا الشمسية ، وبالتالي هناك مجال كبير للتحسين. ومع ذلك ، فإن الخلايا الشمسية التجريبية عالية الكفاءة لديها بالفعل كفاءات تزيد عن 40 ٪ في حالة تركيز الخلايا الضوئية والكفاءة ترتفع بسرعة في حين أن تكاليف الإنتاج الشامل تنخفض بسرعة.

في بعض الولايات في الولايات المتحدة ، قد يتم فقدان جزء كبير من الاستثمار في النظام المركب في المنزل إذا تحرك صاحب المنزل والمشتري يضع أقل قيمة على النظام من البائع. طورت مدينة بيركلي طريقة تمويل مبتكرة لإزالة هذا القيد ، من خلال إضافة تقييم ضريبي يتم نقله مع المنزل لدفع تكاليف الألواح الشمسية. تعرف الآن باسم PACE ، تقييم الممتلكات النظيفة للطاقة ، 30 دولة أمريكية تكرر هذا الحل.

هناك أدلة ، على الأقل في كاليفورنيا ، على أن وجود نظام شمسي مثبت في المنزل يمكن أن يزيد من قيمة المنزل. وفقًا لورقة نُشرت في أبريل 2011 من قبل مختبر إيرنست أورلاندو لورانس بيركلي الوطني بعنوان تحليل لآثار أنظمة الطاقة الكهروضوئية السكنية على أسعار مبيعات المنازل في ولاية كاليفورنيا:

وقد توصل البحث إلى أدلة قوية على أن المنازل التي تحتوي على أنظمة كهروضوئية في كاليفورنيا قد باعت أقساطًا أعلى مقارنة بالمنازل غير المزودة بأنظمة كهروضوئية. وبشكل أكثر تحديدًا ، تتراوح تقديرات متوسط ​​أقساط PV من حوالي 3.9 دولار إلى 6.4 دولار لكل واط مثبت (DC) بين عدد كبير من المواصفات النموذجية المختلفة ، مع توحيد معظم النماذج قرب 5.5 دولار / واط. وتتطابق هذه القيمة مع قسط يبلغ حوالي 17000 دولار أمريكي لنظام PV PV جديد نسبيًا يبلغ 3،100 (متوسط ​​حجم الأنظمة الكهروضوئية في الدراسة).
محددات

التأثير على شبكة الكهرباء
مع تزايد مستويات الأنظمة الضوئية على الأسطح ، يصبح تدفق الطاقة في اتجاهين. عندما يكون هناك جيل محلي أكثر من الاستهلاك ، يتم تصدير الكهرباء إلى الشبكة. ومع ذلك ، فإن شبكة الكهرباء لا تصمم تقليديا للتعامل مع نقل الطاقة بطريقة ثنائية. لذلك ، قد تحدث بعض المشكلات الفنية. على سبيل المثال ، في كوينزلاند أستراليا ، كان هناك أكثر من 30٪ من الأسر المعيشية التي تحتوي على الأسقف الكهروضوئية على السطح بحلول نهاية عام 2017. يظهر منحنى البط الشهير في كاليفورنيا في كثير من الأحيان لعدد كبير من المجتمعات بدءًا من عام 2015 فصاعدًا. قد تخرج مشكلة أكثر من الجهد الكهربي عندما تتدفق الكهرباء من هذه الأسر الفولتية الضوئية إلى الشبكة. هناك حلول لإدارة مشكلة الجهد الزائد ، مثل تنظيم عامل الطاقة العاكس الكهروضوئية ، ومعدات التحكم في الفولتية والطاقة الجديدة على مستوى موزع الكهرباء ، وإعادة توصيل أسلاك الكهرباء ، وإدارة جانب الطلب ، إلخ. غالبًا ما تكون هناك قيود وتكاليف متعلقة هذه الحلول.

التضمين على إدارة فاتورة الكهرباء واستثمار الطاقة
لا توجد رصاصة فضية في الكهرباء أو الطلب على الطاقة وإدارة الفواتير ، لأن العملاء (المواقع) لديهم مواقف محددة مختلفة ، مثل احتياجات الراحة / الراحة المختلفة ، وتعرفة الكهرباء المختلفة ، أو أنماط استخدام مختلفة. قد تحتوي تعريفة الكهرباء على بعض العناصر ، مثل الوصول اليومي وقياس العدادات ، ورسوم الطاقة (على أساس kWh ، و MWh) أو رسوم الطلب على الذروة (على سبيل المثال سعر أعلى استهلاك للطاقة خلال 30 دقيقة في الشهر). PV هو خيار واعد للحد من شحن الطاقة عندما يكون سعر الكهرباء مرتفع بشكل معقول ومتزايد باستمرار ، كما هو الحال في أستراليا وألمانيا. ومع ذلك ، بالنسبة للمواقع ذات تكلفة الطلب الأعلى ، قد يكون الكهروضوئية أقل جاذبية إذا كانت طلبات الذروة تحدث في الغالب في وقت متأخر من بعد الظهر إلى وقت مبكر من المساء ، على سبيل المثال المجتمعات السكنية. بشكل عام ، يعتبر الاستثمار في الطاقة قرارًا اقتصاديًا إلى حد كبير ، ومن الأفضل اتخاذ قرارات الاستثمار استنادًا إلى التقييم المنهجي للخيارات في مجال التحسين التشغيلي وكفاءة الطاقة والتوليد في الموقع وتخزين الطاقة.

التأثيرات البيئية

إنتاج
يعد التأثير البيئي لتكنولوجيا السيليكون وتقنية الأغشية الرقيقة من الأمور النموذجية في تصنيع أشباه الموصلات ، مع الخطوات الكيميائية المرتبطة بها والطاقة المكثفة. يعد إنتاج السيليكون عالي النقاء في تكنولوجيا السيليكون حاسمًا بسبب الاستهلاك المرتفع للطاقة وكمية المواد الثانوية. يتم إنتاج ما يصل إلى 19 كيلوجرام من المواد الثانوية لسكر 1 كغم عالى النقاء. وبما أن السيليكون عالي النقاوة يتم إنتاجه في الغالب عن طريق مقاولين من الباطن ، فإن اختيار الموردين من حيث الجوانب البيئية أمر بالغ الأهمية للأداء البيئي لوحدة نمطية.

في تقنية الأفلام الرقيقة ، تعد عملية تنظيف غرف العمليات مسألة حساسة. هنا جزئيا المواد الضارة trifluoride النيتروجين و hexafluoride الكبريت المستخدمة. في استخدام المعادن الثقيلة مثل تكنولوجيا CdTe يتم مناقشتها بوقت قصير لاسترداد الطاقة على أساس دورة الحياة.

عملية
في عام 2011 ، أكد مكتب ولاية بافاريا الحكومي للبيئة أن الوحدات الشمسية CdTe لا تشكل أي خطر على البشر والبيئة في حالة نشوب حريق.

بسبب الحرية المطلقة من الانبعاثات في التشغيل ، فإن الخلايا الكهروضوئية لديها تكاليف خارجية منخفضة للغاية. إذا كانت هذه تتراوح من 6 إلى 8 سنتات / كيلووات في الساعة لتوليد الطاقة من الفحم والليغنيت ، فهي فقط حوالي 1 قيراط / كيلو وات في الساعة للأنظمة الضوئية (عام 2000). هذا هو استنتاج رأي خبير في المركز الألماني للفضاء الجوي ومعهد فراونهوفر لأبحاث الأنظمة والابتكار. وللمقارنة ، ينبغي ذكر قيمة 0.18 قيراط من الكيلوات / كيلو واط في الساعة للتكاليف الخارجية لمحطات الطاقة الشمسية الحرارية ، التي ذكرت أيضاً هناك.

ميزان غازات الاحتباس الحراري
وحتى إذا لم تكن هناك أي عملية حتى في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، فإن الأنظمة الكهرضوئية لا يمكن أن تكون موجودة حتى الآن CO 2e منتجة وناقلة ومجانية خالية. اعتمادا على التكنولوجيا والموقع ، فإن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المحسوبة من نظم الخلايا الضوئية في عام 2013 تصل إلى ما بين 10.5 و 50 جرام CO 2e / kWh ، مع متوسطات تتراوح بين 35 إلى 45 جم CO 2e / kWh. وجدت دراسة حديثة من عام 2015 متوسط ​​قيم 29.2 جم / كيلو وات في الساعة. تحدث هذه الانبعاثات بسبب احتراق الوقود الأحفوري ، خاصة أثناء إنتاج محطات الطاقة الشمسية. ومع زيادة التوسع في الطاقات المتجددة كجزء من التحول العالمي إلى مصادر الطاقة المستدامة ، سيتحسن توازن غازات الدفيئة بشكل تلقائي. أيضا خفض الانبعاثات الناتجة عن منحنى التعلم التكنولوجي. من الناحية التاريخية ، انخفضت الانبعاثات بنسبة 14٪ لكل مضاعفة الطاقة المركبة (اعتبارًا من عام 2015).

بعد مقارنة شاملة لجامعة بوخوم في رور من عام 2007 ، كان ثاني أكسيد الكربون هو انبعاث 2 في الخلايا الكهروضوئية لا يزال عند 50-100 غ / ك.و.س ، وخاصة الوحدات المستخدمة والموقع كانت حاسمة. بالمقارنة ، كان 750-1200 جم / كيلو وات في الساعة لمحطات الطاقة المولدة بالفحم ، 400-550 جم / كيلو واط في الساعة لمحطات توليد الطاقة الغازية CCGT ، 10-40 جم / كيلو وات في الساعة لطاقة الرياح والطاقة المائية ، و 10-30 جم / كيلو واط في الساعة الطاقة النووية (دون التخلص النهائي) ، والطاقة الحرارية الشمسية في أفريقيا في 10-14 جم / كيلووات ساعة.

الاستهلاك النشط
فترة استرداد الطاقة الفولتية الضوئية هي الفترة التي قدم خلالها النظام الكهروضوئي نفس كمية الطاقة اللازمة طوال دورة حياته ؛ للتصنيع والنقل والتشييد والتشغيل والتفكيك أو إعادة التدوير.

وهي حاليا (اعتبارا من عام 2013) بين 0.75 و 3.5 سنوات ، اعتمادا على الموقع والتقنية الضوئية المستخدمة. حققت وحدات CdTe أفضل أداء عند 0.75-2.1 سنة ، في حين كانت وحدات السيليكون غير المتبلورة أعلى من المتوسط ​​بحوالي 1.8-3.5 سنة. كانت الأنظمة أحادية ومتعددة البلورية وكذلك النباتات القائمة على رابطة الدول المستقلة حوالي 1.5 إلى 2.7 سنة. افترض أن عمر الدراسة كان 30 عامًا لوحدات تعتمد على خلايا السليكون البلورية و 20 إلى 25 عامًا لوحدات الأغشية الرقيقة ، في حين تم افتراض عمر 15 عامًا. بحلول عام 2020 ، تعتبر فترة استرداد الطاقة التي تبلغ 0.5 سنة أو أقل بالنسبة لمصانع السيليكون البلورية الجنوبية الجنوبية قابلة للتحقيق.

عند استخدامها في ألمانيا ، يتم استرداد الطاقة اللازمة لإنتاج نظام ضوئي في الخلايا الشمسية في غضون عامين تقريبًا. عامل الحصاد هو ما لا يقل عن 10 في ظل ظروف الإشعاع الألمانية النموذجية ، ومن المرجح حدوث مزيد من التحسن. يقدر العمر من 20 إلى 30 سنة. على جزء من الشركات المصنعة ، وعادة ما تقدم وحدات الأداء ضمانات لمدة 25 عاما. يمكن إعادة استخدام جزء الطاقة المكثف للطاقة من 4 إلى 5 مرات.

استهلاك الأراضي
يتم إنشاء الأنظمة الكهروضوئية في الغالب على السقوف والمناطق المرورية الحالية ، والتي لا تؤدي إلى متطلبات مساحة إضافية. ومن ناحية أخرى ، فإن المرافق الخارجية على شكل حدائق شمسية تأخذ حيزًا إضافيًا للاستخدام ، وغالبًا ما تكون تلك المناطق مسبقة التلوث. (ب) مناطق التحويل (من الاستخدامات العسكرية أو الاقتصادية أو المرورية أو السكنية) ، والمناطق الواقعة على طول الطرق السريعة وخطوط السكك الحديدية (في قطاع بطول 110 متر) ، والمناطق التي تم تحديدها كمنطقة تجارية أو صناعية أو مناطق مغلقة (مواقع الطمر ، مواقف السيارات ، إلخ) .) يستخدم. إذا أقيمت أنظمة كهروضوئية على أرض زراعية ، وهي غير مدعومة في الوقت الحالي في ألمانيا ، فقد تحدث منافسة على الاستخدام. ومع ذلك ، يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار أن المجمعات الشمسية لديها عائد طاقة أعلى بكثير مقارنة بجيل الطاقة الحيوية في نفس المنطقة. توفر المجمعات الشمسية ما يقارب 25 إلى 65 ضعفاً من الكهرباء لكل وحدة مساحة كمحاصيل الطاقة.

إعادة تدوير الوحدات الكهروضوئية
وحتى الآن ، فإن مصنع إعادة التدوير الوحيد (المصنع التجريبي المتخصص) للوحدات الضوئية البلورية في أوروبا موجود في فرايبيرغ بولاية سكسونيا. حققت شركة Sunicon GmbH (شركة الطاقة الشمسية سابقاً) ، وهي شركة تابعة لشركة SolarWorld ، معدل إعادة تدوير على نطاق واسع لوحدات بمعدل 75٪ في عام 2008 بسعة تقريبًا. 1200 طن في السنة. بلغت كمية النفايات من الوحدات الكهروضوئية في الاتحاد الأوروبي في عام 2008 3500 طن / سنة. بسبب الأتمتة واسعة النطاق ، وقدرة تقريبا. 20000 طن في السنة المخطط لها.

لبناء نظام طوعي على مستوى الاتحاد الأوروبي على مستوى البلاد لإعادة التدوير ، قامت صناعة الطاقة الشمسية بتأسيس مبادرة مشتركة في عام 2007 ، وهي جمعية PV PYCLE. من المتوقع أن يصل عدد الوحدات النمطية المتقادمة في الاتحاد الأوروبي إلى 130،000 طن سنويًا بحلول عام 2030. كرد فعل على التطور غير المرضي بشكل عام ، منذ 24 يناير 2012 ، تخضع الوحدات الشمسية أيضًا لتعديل لتوجيه النفايات الإلكترونية. بالنسبة لصناعة الكهروضوئية ، ينص التعديل على أن 85 بالمائة من الوحدات الشمسية المباعة يجب جمعها وإعادة تدوير 80 بالمائة منها. بحلول عام 2014 ، يجب على جميع الدول الأعضاء في الاتحاد الأوروبي – 27 أن تنقل اللائحة إلى قانون وطني. والهدف هو جعل المنتجين مسؤولين عن توفير هياكل لإعادة التدوير. يفضل الفصل بين الوحدات من الأجهزة الكهربائية الأخرى. كما سيتم توسيع الهياكل الحالية للتجميع وإعادة التدوير.