يحوّل النظام الكهروضوئي أشعة الشمس إلى كهرباء قابلة للاستخدام. وهي تتألف من المجموعة الشمسية ومكونات مكونات النظام. يمكن تصنيف الأنظمة الكهروضوئية من خلال جوانب مختلفة ، مثل الأنظمة الموصلة بالشبكة في مقابل الأنظمة القائمة بذاتها ، والأنظمة المدمجة مع الأنظمة المثبتة على الحامل ، والأنظمة السكنية مقابل المرافق ، والأنظمة الموزعة مقابل الأنظمة المركزية ، وأنظمة السطح مقابل الأنظمة المثبتة على الأرض ، والتتبع مقابل أنظمة إمالة ثابتة ، وأنظمة جديدة مبنية مقابل إعادة تركيبها. ويمكن أن تشمل الاختلافات الأخرى ، الأنظمة ذات المحولات الصغرى مقابل العاكس المركزي ، والأنظمة التي تستخدم تكنولوجيا السليكون المتبلور مقابل تكنولوجيا الأغشية الرقيقة ، والأنظمة بوحدات من الشركات الصينية مقابل الشركات الأوروبية والأمريكية.
حوالي 99 في المئة من جميع أنظمة الطاقة الشمسية الأمريكية و 90 في المئة من جميع أنظمة الطاقة الشمسية في الولايات المتحدة متصلة بشبكة الكهرباء ، في حين أن الأنظمة خارج الشبكة هي أكثر شيوعًا إلى حد ما في أستراليا وكوريا الجنوبية. قد يتغير هذا قريباً ، حيث يتم تنفيذ الحوافز الحكومية للتخزين الموزع للطاقة ، وتصبح الاستثمارات في حلول التخزين تدريجياً قابلة للتطبيق اقتصادياً للأنظمة الصغيرة. هناك مجموعة شمسية من نظام PV الكهروضوئي النموذجي مثبتة على رفوف على السطح ، بدلاً من دمجها في سقف أو واجهة المبنى ، حيث أن هذا أكثر تكلفة بكثير. محطات الطاقة الشمسية على نطاق المرافق هي محمولة على الأرض ، مع لوحات شمسية مائلة ثابتة بدلاً من استخدام أجهزة تتبع باهظة الثمن. والسيليكون البلوري هو المادة الغالبة المستخدمة في 90 في المائة من وحدات الطاقة الشمسية المنتجة في جميع أنحاء العالم ، في حين أن الأفلام الرقيقة المنافسة خسرت حصتها في السوق في السنوات الأخيرة (20). ويتم إنتاج حوالي 70 في المائة من جميع الخلايا الشمسية والوحدات في الصين وتايوان ، تاركا 5 فقط. النسبة المئوية إلى الشركات الأوروبية والأمريكية (12). تتزايد القدرة المركبة لكل من أنظمة الأسطح الصغيرة ومحطات الطاقة الشمسية الكبيرة بسرعة وعلى أجزاء متساوية ، على الرغم من وجود اتجاه ملحوظ نحو أنظمة المنافع ، حيث أن التركيز على التركيبات الجديدة إن التحول من أوروبا إلى مناطق أكثر إشراقاً ، مثل Sunbelt في الولايات المتحدة ، التي هي أقل معارضةً لمزارع الطاقة الشمسية المركّبة على الأرض وفعالية التكلفة ، يركز عليها المستثمرون.
مدفوعة بالتطورات في التكنولوجيا والزيادات في نطاق التصنيع والتعقيد ، فإن تكلفة الخلايا الكهروضوئية آخذة في الانخفاض باستمرار. هناك عدة ملايين من الأنظمة الكهروضوئية موزعة في جميع أنحاء العالم ، معظمها في أوروبا ، مع 1.4 مليون نظام في ألمانيا ، بالإضافة إلى أمريكا الشمالية مع 440 ألف نظام في الولايات المتحدة ، وقد زادت كفاءة تحويل الطاقة في وحدة الطاقة الشمسية التقليدية من 15 إلى 20 بالمائة. على مدى السنوات العشر الماضية ونظام PV تستعيد الطاقة اللازمة لتصنيعها في حوالي 2 سنوات. في المواقع المعرضة للإشعاع بشكل استثنائي ، أو عند استخدام تقنية الأغشية الرقيقة ، يتضاءل ما يسمى بفترة استرداد الطاقة إلى سنة أو أقل. 33 كما أن صافي الحوافز والحوافز المالية ، مثل التعريفات التفضيلية في التغذية للكهرباء المولدة بالطاقة الشمسية ، تدعم بشكل كبير المنشآت من الأنظمة الكهروضوئية في العديد من البلدان. أصبحت التكلفة المعيارية للكهرباء من الأنظمة الكهروضوئية على نطاق واسع تنافسية مع مصادر الكهرباء التقليدية في قائمة موسعة من المناطق الجغرافية ، وتم تحقيق التكافؤ الشبكي في حوالي 30 دولة مختلفة.
اعتبارا من عام 2015 ، يقترب السوق العالمي PV سريع النمو بسرعة من علامة 200 GW – حوالي 40 ضعف القدرة المركبة لعام 2006. تساهم أنظمة الطاقة الضوئية في الوقت الحالي بنحو 1 في المائة لتوليد الكهرباء في جميع أنحاء العالم. إن أكبر الشركات التي تقوم بتركيب أنظمة الفلطونات الضوئية من حيث القدرة هي في الوقت الحالي الصين واليابان والولايات المتحدة ، في حين يتم تركيب نصف قدرة العالم في أوروبا ، حيث تقوم ألمانيا وإيطاليا بتزويد 7٪ إلى 8٪ من استهلاك الكهرباء المحلي لكل منهما باستخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية. تتوقع وكالة الطاقة الدولية أن تصبح الطاقة الشمسية أكبر مصدر للكهرباء في العالم بحلول عام 2050 ، حيث ساهمت الطاقة الكهروضوئية الشمسية والحرارة الشمسية المركزة بنسبة 16٪ و 11٪ في الطلب العالمي على التوالي.
اتصال الشبكة
يتصل النظام المتصل بالشبكة بشبكة مستقلة أكبر (عادةً شبكة الكهرباء العامة) ويغذي الطاقة مباشرة في الشبكة. يمكن مشاركة هذه الطاقة من قبل مبنى سكني أو تجاري قبل أو بعد نقطة قياس العائد. الفرق هو ما إذا كان إنتاج الطاقة المودَعة يُحسب بشكل مستقل عن استهلاك الطاقة للعميل (تعريفة التغذية) أو فقط على اختلاف الطاقة (قياس الشبكة). تختلف الأنظمة المتصلة بالشبكة من حيث الحجم من الوحدات السكنية (من 2 إلى 10 كيلوواط) إلى محطات الطاقة الشمسية (حتى 10 ساعات من MWp). هذا هو شكل من أشكال توليد الكهرباء اللامركزية. يتطلب تغذية الكهرباء في الشبكة تحويل DC إلى تيار متردد بواسطة عاكس خاص متزامن لشبكة الربط. في التركيبات ذات حجم الكيلووات ، يكون جهد نظام جانبي DC عاليا كما هو مسموح (عادة ما يكون 1000V ماعدا 600 V سكنية أمريكية) للحد من الخسائر الأومية. معظم الوحدات (60 أو 72 خلية بلورية من السيليكون) تولد 160 واط إلى 300 وات عند 36 فولت. من الضروري أو المرغوب أحيانًا توصيل الوحدات جزئيًا بشكل متواز بدلاً من توصيلها في السلسلة. تُعرف مجموعة واحدة من الوحدات المتصلة في السلسلة باسم “سلسلة”.
أنظمة أخرى
يشتمل هذا القسم على أنظمة عالية التخصص وغير شائعة أو لا تزال تقنية جديدة ناشئة ذات أهمية محدودة. ومع ذلك ، تأخذ الأنظمة المستقلة أو خارج الشبكة مكانًا خاصًا. كانت أكثر أنواع الأنظمة شيوعًا خلال الثمانينيات والتسعينيات ، عندما كانت تكنولوجيا الخلايا الفولت ضوئية لا تزال باهظة الثمن وسوقًا نقيًا للتطبيقات الصغيرة. فقط في الأماكن التي لا تتوفر فيها شبكة كهربائية ، كانت مجدية اقتصاديًا. على الرغم من أنه لا يزال يتم نشر أنظمة قائمة بذاتها جديدة في جميع أنحاء العالم ، فإن مساهمتها في الطاقة الكهروضوئية المركبة بالكامل آخذة في التناقص. في أوروبا ، تمثل الأنظمة خارج الشبكة 1 بالمائة من السعة المركبة. في الولايات المتحدة ، يمثلون حوالي 10 في المئة. لا تزال الأنظمة خارج الشبكة شائعة في أستراليا وكوريا الجنوبية ، وفي العديد من البلدان النامية.
CPV
تستخدم الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV) والأنظمة الضوئية عالية المكثف (HCPV) عدسات بصرية أو مرايا منحنية لتركيز ضوء الشمس على خلايا شمسية صغيرة ذات كفاءة عالية. إلى جانب تركيز البصريات ، تستخدم أنظمة CPV في بعض الأحيان أجهزة تتبع الطاقة الشمسية وأنظمة التبريد وهي أغلى ثمناً.
تعتبر أنظمة HCPV مناسبة بشكل أفضل في الموقع مع وجود إشعاع شمسي عالي ، وتركز أشعة الشمس إلى 400 مرة أو أكثر ، مع كفاءات تتراوح بين 24 و 28 في المائة ، تتعدى تلك الموجودة في الأنظمة العادية. تصميمات مختلفة لأنظمة CPV و HCPV متاحة تجاريا ولكنها ليست شائعة جدا. ومع ذلك ، يجري البحث والتطوير المستمر.
غالباً ما يتم الخلط بين CPV و CSP (الطاقة الشمسية المركزة) التي لا تستخدم الخلايا الكهروضوئية. كلتا التقنيتين تفضل المواقع التي تتلقى الكثير من أشعة الشمس وتتنافس بشكل مباشر مع بعضها البعض.
هجين
يجمع نظام هجين بين الكهروضوئية والأشكال الأخرى من التوليد ، وعادة ما يكون مولد الديزل. الغاز الحيوي يستخدم أيضا. قد يكون الشكل الآخر للتوليد نوعًا قادرًا على تعديل خرج الطاقة كدالة للطلب. ومع ذلك ، يمكن استخدام أكثر من شكل واحد للطاقة المتجددة ، مثل الرياح.يعمل توليد الطاقة الكهروضوئية على تقليل استهلاك الوقود غير المتجدد. غالباً ما يتم العثور على أنظمة مختلطة في الجزر. تعتبر جزيرة Pellworm في ألمانيا وجزيرة Kythnos في اليونان أمثلة بارزة (كلاهما ممزوجان بالرياح). خفض مصنع Kythnos استهلاك الديزل بنسبة 11.2 ٪.
في عام 2015 ، خلصت دراسة حالة أجريت في سبعة بلدان إلى أنه في جميع الحالات ، يمكن تقليل تكاليف توليد الطاقة عن طريق شبكات مصغرة للتهجين وشبكات معزولة. ومع ذلك ، فإن تكاليف تمويل هذه الأنواع من السيارات الهجينة تعتبر حاسمة وتعتمد إلى حد كبير على هيكل ملكية محطة الطاقة. في حين أن خفض التكاليف للمرافق المملوكة للدولة يمكن أن يكون كبيرا ، إلا أن الدراسة حددت أيضا الفوائد الاقتصادية لتكون غير مهمة أو حتى سلبية للمرافق العامة غير الحكومية ، مثل منتجي الطاقة المستقلين.
كان هناك أيضًا عمل حديث يُظهر أنه يمكن زيادة حد تغلغل الكهروضوئية عن طريق نشر شبكة موزعة من الأنظمة الهجينة PV + CHP في الولايات المتحدة. تم تحليل التوزيع الزمني لتدفق الطاقة الشمسية ، ومتطلبات الكهرباء والتدفئة لمساكن الأسرة الواحدة في الولايات المتحدة الممثلة. النتائج تظهر بوضوح أن تهجين CHP مع PV يمكن من نشر PV إضافي فوق ما هو ممكن مع نظام توليد كهربائي مركزي تقليدي.تمت إعادة تأكيد هذه النظرية باستخدام عمليات محاكاة عددية باستخدام بيانات تدفق الطاقة الشمسية في الثانية لتحديد أن البطارية الاحتياطية اللازمة لتوفير مثل هذا النظام الهجين ممكنة مع أنظمة بطارية صغيرة وغير مكلفة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام أنظمة PV + CHP الكبيرة للمباني المؤسساتية ، والتي توفر مرة أخرى احتياطيًا للفولت الكهروضوئية المتقطع وتقليل وقت تشغيل CHP.
نظام PVT (الهجين PV / T) ، والمعروف أيضا باسم مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية الهجينة الضوئية تحويل أشعة الشمس إلى الطاقة الحرارية والكهربائية. ويجمع هذا النظام بين وحدة شمسية (PV) ومجمع حراري شمسي بطريقة تكميلية.
نظام CPVT. يتشابه نظام الهجين الكهروضوئي المركّز (CPVT) مع نظام PVT. وهي تستخدم الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV) بدلاً من تقنية PV التقليدية ، وتجمعها مع مجمع حراري شمسي.
نظام CPV / CSP. تم مؤخرا اقتراح نظام هجين جديد CPV / CSP بالطاقة الشمسية ، يجمع بين الخلايا الكهروضوئية المركزة مع التكنولوجيا غير الكهروضوئية للطاقة الشمسية المركزة (CSP) ، أو المعروفة أيضا باسم الطاقة الشمسية الحرارية المركزة.
نظام الديزل الكهروضوئية. فهو يجمع بين النظام الكهروضوئي مع مولد الديزل. من الممكن دمجها مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى وتشمل توربينات الرياح.
المصفوفات الشمسية العائمة
المصفوفات الشمسية العائمة هي عبارة عن أنظمة كهروضوئية تطفو على سطح مستودعات مياه الشرب ، وبحيرات المحاجر ، وقنوات الري ، ومعالجتها وتصريف بركها. وتسمى هذه الأنظمة “الفلطائية الضوئية” عندما تستخدم فقط للإنتاج الكهربائي أو “aquavoltaics” عندما تستخدم هذه الأنظمة لتعزيز تكاثر تربية الأحياء المائية. ويوجد عدد صغير من هذه الأنظمة في فرنسا والهند واليابان وكوريا الجنوبية والمملكة المتحدة وسنغافورة والولايات المتحدة.
ويقال إن النظم لديها مزايا أكثر من الخلايا الكهروضوئية على الأرض. تكلفة الأرض أكثر تكلفة ، وهناك عدد أقل من القواعد واللوائح للهياكل المبنية على أجسام المياه التي لا تستخدم للترفيه. على عكس معظم محطات الطاقة الشمسية القائمة على الأرض ، يمكن أن تكون المصفوفات العائمة غير مزعجة لأنها مخفية عن الرؤية العامة. إنها تحقق كفاءة أعلى من الألواح الكهروضوئية على الأرض ، لأن الماء يبرد الألواح.الألواح لها طلاء خاص لمنع الصدأ أو التآكل.
في أيار / مايو 2008 ، كان مصنع نبيذ فار نينتي في أوكفيل ، بكاليفورنيا ، أول نظام فلواتوفلتيكي في العالم من خلال تركيب 994 وحدة شمسية تعمل بالطاقة الشمسية بطاقة إجمالية تبلغ 477 كيلوواط على 130 طوافًا وتعويمها في بركة الري في مصنع الخمرة. الفائدة الأساسية لمثل هذا النظام هو أنه يتجنب الحاجة للتضحية بمساحة أرض قيمة يمكن استخدامها لغرض آخر. في حالة مصنع نبيذ فار نينتي ، أنقذ ثلاثة أرباع فدان كان من الممكن أن يتطلبه النظام الأرضي. فائدة أخرى لنظام floatovoltaic هو أن يتم الاحتفاظ الألواح في درجة حرارة أكثر برودة مما كانت عليه على الأرض ، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى لتحويل الطاقة الشمسية. كما تعمل مجموعة PV العائمة على تقليل كمية الماء المفقودة من خلال التبخر وتمنع نمو الطحالب.
بدأت مزارع PV عائمة على نطاق المرافق. ستقوم الشركة المصنعة للأجهزة الإلكترونية والسيراميك متعددة الجنسيات كيوسيرا بتطوير أكبر مزرعة في العالم تبلغ مساحتها 13.4 ميجاواط على الخزان فوق سد ياماكورا في محافظة شيبا باستخدام 50،000 لوحة شمسية. كما يجري النظر في المزارع العائمة المقاومة للمياه المالحة للاستخدام في المحيط ، مع إجراء تجارب في تايلاند. وأكبر مشروع تم إعلانه حتى الآن عن مشروع فلواتوفلتيك هو محطة طاقة بقدرة 350 ميجاواط في منطقة الأمازون بالبرازيل.
شبكة التيار المباشر
توجد شبكات DC في النقل بالطاقة الكهربائية: ترام خطوط السكك الحديدية والترولي باصات. وقد تم بناء عدد قليل من المصانع التجريبية لهذه التطبيقات ، مثل مستودعات الترام في هانوفر لينهاوسن ، باستخدام المساهمين في الخلايا الفولتية الضوئية وجنيف (باشت دي بيساي). يعمل موقع 150 كيلو وات في جنيف على تغذية 600V DC مباشرة إلى شبكة الترام / التروليكا للكهرباء ، في حين كانت توفر قبل 15 ٪ من الكهرباء عند افتتاحها في عام 1999.
مستقل
نظام قائم بذاته أو خارج الشبكة غير متصل بالشبكة الكهربائية. تختلف الأنظمة المستقلة بشكل كبير من حيث الحجم والتطبيق من ساعات المعصم أو الآلات الحاسبة إلى المباني النائية أو المركبات الفضائية. إذا كان الحمل سيتم توفيره بشكل مستقل عن التشميس الشمسي ، فإن الطاقة المولدة يتم تخزينها وتثبيتها بواسطة بطارية. في التطبيقات غير المحمولة حيث الوزن ليس مشكلة ، كما هو الحال في المباني ، يتم استخدام بطاريات الرصاص الحمضية بشكل شائع لتكاليفها المنخفضة وتسامحها في سوء الاستخدام.
يمكن تضمين وحدة تحكم الشحن في النظام لتجنب تلف البطارية بسبب الشحن الزائد أو التفريغ. وقد يساعد أيضًا في تحسين الإنتاج من الصفيف الشمسي باستخدام تقنية تتبع نقطة الطاقة القصوى (MPPT). ومع ذلك ، في الأنظمة الكهروضوئية البسيطة حيث يتم مطابقة الفولطية الكهروضوئية مع جهد البطارية ، يعتبر استخدام أجهزة MPPT الإلكترونية غير ضروري بشكل عام ، نظرًا لأن جهد البطارية ثابت بما يكفي لتوفير مجموعة من الطاقة القصوى القريبة من الوحدة الكهروضوئية. في الأجهزة الصغيرة (مثل الآلات الحاسبة وأجهزة قياس مواقف السيارات) يتم استهلاك التيار المباشر (DC) فقط. في الأنظمة الأكبر (مثل المباني ومضخات المياه النائية) عادة ما تكون AC مطلوبة. لتحويل DC من الوحدات أو البطاريات إلى AC ، يتم استخدام العاكس.
في البيئات الزراعية ، يمكن استخدام المصفوفة لتزويد مضخات التيار المباشر مباشرةً ، دون الحاجة إلى وجود عاكس. في الأماكن النائية مثل المناطق الجبلية ، أو الجزر ، أو الأماكن الأخرى التي لا تتوفر فيها شبكة الطاقة الكهربائية ، يمكن استخدام المصفوفات الشمسية كمصدر وحيد للكهرباء ، عادة عن طريق شحن بطارية تخزين. ترتبط الأنظمة القائمة بذاتها ارتباطًا وثيقًا بالجيل الصغير والتوليد الموزع.
أنظمة Pico الكهروضوئية
تسمى الأنظمة الضوئية الصغيرة ، التي غالباً ما تكون محمولة ، بأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية pico ، أو الطاقة الشمسية pico. هم في الغالب يجمعون بطارية قابلة للشحن وجهاز تحكم في الشحن ، مع لوحة PV صغيرة جدا. السعة الاسمية للوحة هي مجرد عدد قليل من الذرات (1 إلى 10 Wp) ومساحتها أقل من عشر متر مربع ، أو قدم مربع واحد ، في الحجم. يمكن تشغيل مجموعة كبيرة من التطبيقات المختلفة بالطاقة الشمسية مثل مشغلات الموسيقى ، والمراوح ، والمصابيح المحمولة ، ومصابيح الأمان ، ومجموعات الإضاءة الشمسية ، وفوانيس الطاقة الشمسية وضوء الشارع (انظر أدناه) ، وأجهزة شحن الهاتف ، وأجهزة الراديو ، أو حتى شاشات LCD الصغيرة مقاس 7 بوصات. التلفزيونات ، التي تعمل على أقل من عشرة واط. كما هو الحال بالنسبة لتوليد الطاقة من pico hydro ، فإن أنظمة pico PV مفيدة في المجتمعات الريفية الصغيرة التي لا تتطلب سوى كمية صغيرة من الكهرباء. نظرًا لأن كفاءة العديد من الأجهزة قد تحسنت بشكل كبير ، خاصة بسبب استخدام مصابيح LED والبطاريات القابلة لإعادة الشحن الفعالة ، أصبحت Pico Solar بديلاً ميسور التكلفة ، خاصة في العالم النامي. البادئة المتريّة pico – تقف لتريليون لبيان صغر قدرة النظام الكهربائية.
أضواء الشوارع بالطاقة الشمسية
أدت مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية إلى زيادة مصادر الضوء التي تعمل بالطاقة عن طريق الألواح الكهروضوئية المركبة بشكل عام على هيكل الإضاءة. تقوم المجموعة الشمسية من هذا النظام الكهروضوئي خارج الشبكة بشحن بطارية قابلة لإعادة الشحن ، والتي تعمل بمصابيح الفلورسنت أو مصباح LED أثناء الليل. إن مصابيح الشوارع بالطاقة الشمسية هي أنظمة طاقة قائمة بذاتها ، وتتمتع بميزة التوفير في عمليات حفر الخنادق ، والمناظر الطبيعية ، وتكاليف الصيانة ، وكذلك على الفواتير الكهربائية ، على الرغم من التكلفة الأولية المرتفعة مقارنة بإضاءة الشوارع التقليدية. وهي مصممة ببطاريات كبيرة بما فيه الكفاية لضمان التشغيل لمدة أسبوع على الأقل وحتى في أسوأ الأحوال ، ومن المتوقع أن تتعطل قليلاً فقط.
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 مرسلات منخفضة القدرة لاستقبال الإشارة وإعادة إرسالها للسكان المحليين.
المركبات الشمسية
وقد تحصل المركبات الشمسية ، سواء كانت مركبات أرضية أو مائية أو جوية أو فضائية ، على بعض أو كل الطاقة اللازمة لتشغيلها من الشمس. تتطلب المركبات السطحية بشكل عام مستويات طاقة أعلى من تلك التي يمكن الحفاظ عليها من خلال مجموعة شمسية ذات حجم عملي ، لذلك تساعد البطارية في تلبية طلب الطاقة الذروي ، وتقوم المجموعة الشمسية بإعادة شحنها. استخدمت المركبات الفضائية بنجاح أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية لسنوات من التشغيل ، مما أدى إلى القضاء على وزن الوقود أو البطاريات الأساسية.
المضخات الشمسية
واحدة من أكثر التطبيقات الشمسية فعالية من حيث التكلفة هي المضخة التي تعمل بالطاقة الشمسية ، حيث أنه من الأرخص بكثير شراء الألواح الشمسية من تشغيل خطوط الكهرباء. وغالبا ما تلبي حاجة للمياه بعيدا عن متناول خطوط الكهرباء ، وتحل محل طاحونة هوائية أو مضخة الرياح. أحد التطبيقات الشائعة هو ملء صهاريج سقي الماشية ، حتى تشرب ماشية الرعي. آخر هو إعادة تعبئة صهاريج تخزين مياه الشرب في منازل نائية أو مكتفية ذاتيا.
مركبه فضائيه
كانت الألواح الشمسية على المركبات الفضائية واحدة من التطبيقات الأولى من الخلايا الكهروضوئية منذ إطلاق Vanguard 1 في عام 1958 ، أول قمر صناعي يستخدم الخلايا الشمسية. على عكس سبوتنيك ، أول قمر اصطناعي يدور حول الكوكب ، نفد البطاريات في غضون 21 يومًا بسبب نقص الطاقة الشمسية ، ومعظم سواتل الاتصالات الحديثة والمجسات الفضائية في النظام الشمسي الداخلي تعتمد على استخدام الألواح الشمسية تستمد الكهرباء من أشعة الشمس.
التكاليف والاقتصاد
انخفضت تكلفة إنتاج الخلايا الفوتوفوتية بسبب وفورات الحجم في الإنتاج والتقدم التكنولوجي في التصنيع. بالنسبة للمنشآت الكبيرة ، كانت الأسعار أقل من 1.00 دولار لكل وات شائعة بحلول عام 2012. وقد تحقق انخفاض في الأسعار بنسبة 50٪ في أوروبا من عام 2006 إلى عام 2011 وهناك إمكانية لخفض تكلفة التوليد بنسبة 50٪ بحلول عام 2020. Crystal silicon solar تم استبدال الخلايا إلى حد كبير بخلايا السليكون الشمسية متعددة البلورات الأقل تكلفة ، كما تم تطوير الخلايا الشمسية السليكونية الرقيقة للسينما مؤخرًا بتكاليف إنتاج منخفضة.على الرغم من أنها تقل في كفاءة تحويل الطاقة من “siwafers” بلورية واحدة ، إلا أنه من الأسهل إنتاجها بتكاليف أقل مقارنة.
يوضح الجدول أدناه التكلفة الإجمالية بالسنتات الأمريكية لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء التي يولدها نظام كهروضوئي. تظهر عناوين الصف على اليسار التكلفة الإجمالية ، لكل كيلو واط ذروة (kWp) ، من تركيب فلطائي ضوئي. وقد انخفضت تكاليف النظام الكهروضوئي ، وفي ألمانيا ، على سبيل المثال ، تم الإبلاغ عن انخفاضها إلى 1389 دولار / كيلوواط في نهاية عام 2014. تشير عناوين الأعمدة عبر الجزء العلوي إلى إنتاج الطاقة السنوي بالكيلو وات ساعة المتوقعة من كل كيلوواط مثبت. هذا يختلف حسب المنطقة الجغرافية لأن متوسط الشتوية يعتمد على متوسط الغيوم وسماكة الغلاف الجوي التي يمر بها ضوء الشمس. كما يعتمد على مسار الشمس بالنسبة للوحة والأفق. عادةً ما يتم تركيب اللوحات بزاوية استنادًا إلى خط العرض ، ويتم ضبطها في كثير من الأحيان موازياً لمواجهة الانحرافات الشمسية المتغيرة. يمكن أيضًا استخدام التتبع الشمسي للوصول إلى المزيد من ضوء الشمس المتعامد ، وبالتالي زيادة إجمالي إنتاج الطاقة.
تعكس القيم المحسوبة في الجدول التكلفة الإجمالية بالسيولة لكل كيلووات ساعة يتم إنتاجها. وهي تفترض تكلفة رأسمالية إجمالية قدرها 10٪ (على سبيل المثال 4٪ من سعر الفائدة ، 1٪ تكلفة التشغيل والصيانة ، واستهلاك الإنفاق الرأسمالي على مدى 20 عامًا). عادة ، الوحدات الكهروضوئية لديها ضمان لمدة 25 عاما.
| تكلفة توليد كيلو واط / ساعة بواسطة نظام PV (US ¢ / kWh) اعتمادًا على الإشعاع الشمسي وتكلفة التركيب خلال 20 عامًا من التشغيل |
|||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| التركيب التكلفة في $ لكل واط |
عزلة تولد سنوياً كيلو واط / ساعة لكل كيلوواط (kWh / kWp) | ||||||||||||
| 2400 | 2200 | 2000 | 1800 | 1600 | 1400 | 1200 | 1000 | 800 | |||||
| $ 0.20 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | 1.1 | 1.3 | 1.4 | 1.7 | 2.0 | 2.5 | ||||
| $ 0.60 | 2.5 | 2.7 | 3.0 | 3.3 | 3.8 | 4.3 | 5.0 | 6.0 | 7.5 | ||||
| $ 1.00 | 4.2 | 4.5 | 5.0 | 5.6 | 6.3 | 7.1 | 8.3 | 10.0 | 12.5 | ||||
| $ 1.40 | 5.8 | 6.4 | 7.0 | 7.8 | 8.8 | 10.0 | 11.7 | 14.0 | 17.5 | ||||
| $ 1.80 | 7.5 | 8.2 | تسعة | 10.0 | 11.3 | 12.9 | 15.0 | 18.0 | 22.5 | ||||
| $ 2.20 | 9.2 | 10.0 | 11.0 | 12.2 | 13.8 | 15.7 | 18.3 | 22.0 | 27.5 | ||||
| $ 2.60 | 10.8 | 11.8 | 13.0 | 14.4 | 16.3 | 18.6 | 21.7 | 26.0 | 32.5 | ||||
| $ 3.00 | 12.5 | 13.6 | 15.0 | 16.7 | 18.8 | 21.4 | 25.0 | 30.0 | 37.5 | ||||
| $ 3.40 | 14.2 | 15.5 | 17.0 | 18.9 | 21.3 | 24.3 | 28.3 | 34.0 | 42.5 | ||||
| $ 3.80 | 15.8 | 17.3 | 19.0 | 21.1 | 23.8 | 27.1 | 31.7 | 38.0 | 47.5 | ||||
| $ 4.20 | 17.5 | 19.1 | 21.0 | 23.3 | 26.3 | 30.0 | 35.0 | 42.0 | 52.5 | ||||
| $ 4.60 | 19.2 | 20.9 | 23.0 | 25.6 | 28.8 | 32.9 | 38.3 | 46.0 | 57.5 | ||||
| $ 5.00 | 20.8 | 22.7 | 25.0 | 27.8 | 31.3 | 35.7 | 41.7 | 50.0 | 62.5 | ||||
ملاحظات:
|
|||||||||||||
تكلفة النظام 2013
في طبعة عام 2014 من تقرير “طريق التكنولوجيا: الطاقة الشمسية الكهروضوئية” ، نشرت وكالة الطاقة الدولية الأسعار بالدولار الأمريكي لكل واط للأنظمة الكهروضوئية السكنية والتجارية والمرافق العامة لثمانية أسواق رئيسية في عام 2013.
| USD / W | أستراليا | الصين | فرنسا | ألمانيا | إيطاليا | اليابان | المملكة المتحدة | الولايات المتحدة الامريكانية |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| سكني | 1.8 | 1.5 | 4.1 | 2.4 | 2.8 | 4.2 | 2.8 | 4.9 |
| تجاري | 1.7 | 1.4 | 2.7 | 1.8 | 1.9 | 3.6 | 2.4 | 4.5 |
| فائدة على نطاق | 2.0 | 1.4 | 2.2 | 1.4 | 1.5 | 2.9 | 1.9 | 3.3 |
| المصدر : IEA – Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy report | ||||||||
توضح أنظمة الخلايا الضوئية منحنى التعلم من حيث التكلفة المستوية للكهرباء (LCOE) ، مما يقلل من التكلفة لكل كيلووات ساعة بنسبة 32.6٪ لكل مضاعفة للقدرة. من بيانات LCOE والقدرة المركبة التراكمية من الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) من عام 2010 إلى عام 2017 ، تُعطى معادلة منحنى التعلم للأنظمة الفولطائية الضوئية
LCOE: تكلفة الكهرباء المستوية (بالدولار الأمريكي / كيلووات ساعة)
السعة: القدرة التراكمية المركبة للأنظمة الضوئية (بالميغاواط)
اللائحة
التقييس
تزيد زيادة استخدام الأنظمة الكهروضوئية وتكامل الطاقة الكهروضوئية في الهياكل الحالية وأساليب العرض والتوزيع من قيمة المعايير العامة والتعريفات الخاصة بالمكونات والأنظمة الضوئية. يتم تجميع المعايير في اللجنة الكهرتقنية الدولية (IEC) وتطبق على كفاءة ومتانة وسلامة الخلايا والوحدات وبرامج المحاكاة وموصلات التوصيل والكابلات وأنظمة التركيب والكفاءة الكلية للعاكسات الخ.
التخطيط والتصريح
في حين أن المادة 690 من القانون الوطني للكهرباء تنص على مبادئ توجيهية عامة لتركيب الأنظمة الكهروضوئية ، فإن هذه الإرشادات قد تحل محلها القوانين واللوائح المحلية. في كثير من الأحيان يتطلب تصريح يستلزم تقديم خطط وحسابات هيكلية قبل أن يبدأ العمل. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب العديد من اللغات أن يتم تنفيذ العمل تحت إشراف كهربائي مرخص. تحقق مع مدينة / مقاطعة AHJ المحلية (السلطة بعد الاختصاص) لضمان الامتثال لأية قوانين أو لوائح المعمول بها.
في الولايات المتحدة ، ستقوم السلطة التي لها سلطة قضائية (AHJ) بمراجعة التصاميم وإصدار التصاريح ، قبل أن يبدأ البناء بشكل قانوني.يجب أن تتوافق ممارسات التركيبات الكهربائية مع المعايير المنصوص عليها في القانون الوطني للكهرباء (NEC) وأن يتم فحصها من قبل AHJ لضمان الامتثال لرمز البناء ، والكود الكهربائي ، ورمز السلامة من الحريق. قد تتطلب السلطات القضائية اختبار المعدات ، واعتمادها ، وإدراجها ، ووضع علامات عليها من قبل واحد على الأقل من مختبرات الاختبار المعترف بها وطنياً (NRTL). على الرغم من عملية التثبيت المعقدة ، تظهر قائمة حديثة بمقاولي الطاقة الشمسية أن غالبية شركات التركيب تأسست منذ عام 2000.
اللوائح الوطنية
المملكة المتحدة
في المملكة المتحدة ، تعتبر المنشآت الكهروضوئية بشكل عام تطويرًا مسموحًا به ولا تحتاج إلى إذن تخطيط. إذا كان العقار مدرجًا أو في منطقة معينة (حديقة وطنية أو منطقة ذات جمال طبيعي أخاذ أو موقع ذو أهمية علمية خاصة أو نورفولك برودز) ، فيجب إذن إذن التخطيط.
الولايات المتحدة الامريكانية
في الولايات المتحدة ، تتطلب العديد من المناطق تصريحًا لتركيب نظام كهروضوئي. يتطلب النظام المرتبط بالشبكة عادةً فنيًا كهربائيًا مرخصًا لإجراء الاتصال بين النظام والأسلاك المتصلة بالشبكة للمبنى. يقع المقيمون الذين يستوفون هذه المؤهلات في كل ولاية تقريبًا. تحظر ولاية كاليفورنيا رابطات مالكي المنازل من تقييد الأجهزة الشمسية.
إسبانيا
على الرغم من أن إسبانيا تولد حوالي 40٪ من الكهرباء عن طريق مصادر الطاقة الضوئية وغيرها من مصادر الطاقة المتجددة ، وتتباهى مدن مثل هويلفا وإشبيلية بحوالي 3000 ساعة من أشعة الشمس سنوياً ، فقد أصدرت إسبانيا ضريبة شمسية لحساب الدين الناتج عن الاستثمار الذي قامت به الحكومة الاسبانية. أولئك الذين لا يتصلون بالشبكة يمكن أن يواجهوا غرامة تصل إلى 30 مليون يورو (40 مليون دولار أمريكي).
محددات
التلوث والطاقة في الإنتاج الكهروضوئي
لقد كانت PV طريقة معروفة لتوليد كهرباء نظيفة خالية من الانبعاثات. وغالبا ما تكون مصنوعة من النظم الكهروضوئية من الوحدات الكهروضوئية والعاكس (تغيير DC إلى AC). تصنع الوحدات الكهروضوئية بشكل رئيسي من الخلايا الكهروضوئية ، والتي لا يوجد بها اختلاف جوهري في المادة المستخدمة لصنع رقائق الكمبيوتر. عملية إنتاج الخلايا الكهروضوئية (رقائق الكمبيوتر) هي الطاقة المكثفة وتشمل المواد الكيميائية السامة والبيئية عالية السمية. هناك عدد قليل من مصانع الخلايا الكهروضوئية في جميع أنحاء العالم تنتج وحدات الكهروضوئية مع الطاقة المنتجة من الكهروضوئية. هذا الإجراء يقلل بشكل كبير من انبعاثات الكربون خلال عملية التصنيع. تخضع إدارة المواد الكيميائية المستخدمة في عملية التصنيع للقوانين واللوائح المحلية للمصانع.
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.