وحدات الطاقة الشمسية

الكهروضوئية (PV) هو مصطلح يغطي تحويل الضوء إلى كهرباء باستخدام مواد شبه موصلة تظهر التأثير الكهروضوئي ، وهي ظاهرة تمت دراستها في الفيزياء والكيمياء الضوئية والكيمياء الكهربائية.

يستخدم النظام الكهروضوئي النموذجي الألواح الشمسية ، يتكون كل منها من عدد من الخلايا الشمسية ، والتي تولد الطاقة الكهربائية. قد تكون المنشآت الكهروضوئية مثبتة على الأرض ، مثبتة على السطح أو مثبتة على الحائط. قد تكون ثابتة جبل ، أو استخدام تعقب الشمسية لمتابعة الشمس عبر السماء.

تتميز الطاقة الشمسية الكهروضوئية بميزات محددة كمصدر للطاقة: بمجرد تركيبها ، لا ينتج عن تشغيلها أي تلوث أو انبعاثات غازات الدفيئة ، إنه يُظهر قابلية بسيطة للتطوير فيما يتعلق بالاحتياجات من الطاقة والسيليكون يتمتع بتوافر كبير في القشرة الأرضية.

تتميز الأنظمة الكهروضوئية بالعيب الرئيسي في أن خرج الطاقة يعمل بشكل أفضل مع ضوء الشمس المباشر ، لذلك يتم فقدان حوالي 10-25٪ إذا لم يتم استخدام نظام التتبع. كما أن الغبار والسحب والعوائق الأخرى في الغلاف الجوي تقلل أيضًا من إنتاج الطاقة. وثمة مسألة مهمة أخرى تتمثل في تركيز الإنتاج في الساعات المقابلة للإشعال الرئيسي ، الذي لا يتطابق عادة مع ذروة الطلب في دورات النشاط البشري. ما لم تتكيف الأنماط المجتمعية الحالية للاستهلاك والشبكات الكهربائية مع هذا السيناريو ، فإن الكهرباء لا تزال بحاجة إلى تخزينها لاستخدامها لاحقًا أو تكوينها بواسطة مصادر طاقة أخرى ، وعادةً ما تكون الهيدروكربونات.

منذ فترة طويلة تستخدم أنظمة الخلايا الضوئية في التطبيقات المتخصصة ، وقد تم استخدام النظم الكهروضوئية المستقلة والشبكة المتصلة بالشبكات منذ التسعينيات. وقد تم إنتاجها لأول مرة في عام 2000 ، عندما حصل أنصار البيئة الألمان ومنظمة يوروسولار على تمويل حكومي لبرنامج عشرة آلاف سقف.

وقد أدى التقدم في التكنولوجيا وزيادة نطاق التصنيع إلى تخفيض التكلفة ، وزيادة الموثوقية ، وزيادة كفاءة المنشآت الكهروضوئية. وقد دعمت المقاييس الصافية والحوافز المالية ، مثل التعريفات الجمركية التفضيلية للكهرباء المولدة من الطاقة الشمسية ، المنشآت الكهروضوئية الشمسية في العديد من البلدان. يستخدم أكثر من 100 بلد الآن الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

بعد الطاقة المائية والرياح ، PV هو مصدر الطاقة المتجددة الثالث من حيث القدرة العالمية. في نهاية عام 2016 ، زادت الطاقة الكهروضوئية المركبة في جميع أنحاء العالم إلى أكثر من 300 جيجاوات (GW) ، والتي تغطي حوالي اثنين في المئة من الطلب العالمي على الكهرباء. الصين ، تليها اليابان والولايات المتحدة ، هي السوق الأسرع نمواً ، بينما تظل ألمانيا أكبر منتج في العالم ، حيث توفر الطاقة الشمسية الكهروضوئية سبعة في المائة من الاستهلاك المحلي السنوي للكهرباء. مع التكنولوجيا الحالية (اعتبارا من عام 2013) ، تستعيد الخلايا الكهروضوئية الطاقة اللازمة لتصنيعها في 1.5 سنة في جنوب أوروبا و 2.5 سنة في شمال أوروبا.

التجديد
واعتمادًا على نوع الخلايا الكهروضوئية التي يتم النظر فيها ، فإن الطبيعة المتجددة لهذه الطاقة محل جدل جزئي ، لأن تصنيع الألواح الكهروضوئية يتطلب الطاقة التي يكون مصدرها غير قابل للتجديد حاليًا. وبالفعل ، فإن البلدان التي تنتج تقريبا كل الألواح الفولطاضوئية المثبتة في العالم (الصين ، الولايات المتحدة ، اليابان ، الهند) ، جميعها لديها أرصدة طاقة تهيمن عليها بشكل واسع طاقات غير متجددة. على سبيل المثال ، تستمد الصين ، التي تنتج 80٪ من الألواح المركبة في أوروبا 3 ، 86٪ من طاقتها من مصادر غير متجددة.

ومع ذلك ، فقد تحسن معدل عائد الطاقة من النظم الضوئية بفضل التقدم التكنولوجي المتتالي. اعتمادًا على التقنيات ، ينتج النظام الكهروضوئي طاقة تزيد بمقدار 20 إلى 40 مرة في جميع مراحل تشغيله (مكافئ أولي) عما كان يستخدم لتصنيعه 5.

أساسيات فنية
لتحويل الطاقة ، يتم استخدام التأثير الكهروضوئي للخلايا الشمسية ، والتي ترتبط بما يسمى وحدات الطاقة الشمسية. يمكن استخدام الكهرباء المولدة مباشرة ، أو تخزينها في بطاريات أو تغذية شبكات الكهرباء. قبل أن تتغذى في التيار المتردد – شبكات ولدت هو التيار المباشر من العاكس تحويلها. يسمى نظام وحدات الطاقة الشمسية والمكونات الأخرى (العاكس ، خط الكهرباء) بنظام ضوئي أو مولد للطاقة الشمسية.

الناتج الاسمي والعائد
غالباً ما يشار إلى القوة الاسمية للأنظمة الفولطاضوئية في العلامة W P (Watt Peak) أو kW p وتشير إلى الأداء تحت ظروف الاختبار التي تقابل تقريباً الحد الأقصى من الإشعاع الشمسي في ألمانيا. تخدم شروط الاختبار لتوحيد ومقارنة وحدات الطاقة الشمسية المختلفة. يتم إعطاء القيم الكهربائية للمكونات في أوراق البيانات. يقاس عند درجة حرارة وحدة درجة حرارة 25 درجة مئوية ، و 1000 ألف واط / م 2 من الإشعاع وكتلة هوائية (مختصر AM) من 1.5. تم تعيين شروط الاختبار القياسية هذه (عادة ما تختصر STC ، شروط الاختبار القياسية) كمعايير دولية. في حالة عدم استيفاء هذه الشروط أثناء الاختبار ، يجب تحديد القدرة المقدرة عن طريق الحساب من ظروف الاختبار المحددة.

للمقارنة: تبلغ كثافة إشعاع الشمس في الفضاء القريب من الأرض (ثابت الطاقة الشمسية) 1367 واط / م 2 في المتوسط. (على الأرض ، حوالي 75 ٪ من هذه الطاقة تصل في طقس واضح.)

إن الحسم بالنسبة لأبعاد وإطالة النظام الكهروضوئي هو ، بالإضافة إلى ذروة الإنتاج ، أعلى من العائد السنوي ، أي كمية الطاقة الكهربائية المولدة. تتقلب طاقة الإشعاع اليومية والظروف الموسمية والطقس. في ألمانيا ، على سبيل المثال ، يمكن لمصنع الطاقة الشمسية في ألمانيا أن يصل إلى عشرة أضعاف الإنتاجية في ديسمبر مقارنة بشهر ديسمبر. يمكن الوصول إلى بيانات التغذية المستكملة اليومية ذات الدقة الزمنية العالية بشكل مجاني للسنوات من عام 2011 على الإنترنت.

يقاس العائد في السنة بالواط ساعة (واط) أو كيلو واط / ساعة (كيلووات ساعة). إن موقع وتوجيه الوحدات وكذلك التظليل لها تأثير كبير على العائد ، مع ميل من 30-40 درجة في السقف والتوجه إلى الجنوب يوفر أعلى عائد في أوروبا الوسطى. في أقصى ارتفاع الشمس (منتصف النهار) ، ينبغي أن يكون في ألمانيا في تثبيت ثابت (دون تتبع) الميل الأمثل إلى جنوب البلاد حوالي 32 درجة ، يكون في الشمال حوالي 37 درجة. من الناحية العملية ، يوصى بزاوية أعلى قليلاً من الميل ، منذ ذلك الحين مرتين في اليوم (في الصباح وبعد الظهر) ومرتين في السنة (في مايو ويوليو) ، تتم محاذاة النظام على النحو الأمثل. في الأنظمة الفضائية المفتوحة ، لذلك ، يتم اختيار هذه المحاذاة عادة. على الرغم من أن متوسط ​​الارتفاع الشمسي الذي يتم توزيعه على مدار السنة وبالتالي يمكن حساب المنحدر الأمثل من الناحية النظرية بالضبط لكل خط عرض ، فإن الإشعاع الفعلي يكون على طول أحد خطوط العرض الجوية بسبب عوامل مختلفة تعتمد في الغالب على التضاريس (مثل التظليل أو الظروف الجوية المحلية الخاصة). وبما أن الفعالية التي تعتمد على النبات فيما يتعلق بزاوية الورود مختلفة ، يجب تحديد الاتجاه الأمثل في كل موقع حالة ونبات متصل. في هذه التحقيقات النشطة ، يتم تحديد الإشعاع العالمي القائم على الموقع ، والذي يتضمن أيضًا الإشعاع الشمسي المباشر بالإضافة إلى الإشعاع المنتشر على الانتثار (مثل السحب) أو الانعكاس (على سبيل المثال ، جدران المنزل المجاورة أو الأرض).

يتم تعريف المحصول المحدد على أنه watt-hour لكل ناتج اسمي مثبت (Wh / W p أو kWh / kW p) لكل فترة ويسمح بمقارنة سهلة للأنظمة ذات الأحجام المختلفة. في ألمانيا ، مع نظام مثبت بشكل مثالي إلى حد ما وموحد بشكل مثالي لكل وحدة نمطية من 1 كيلووات ، يمكن توقع عائد سنوي يبلغ حوالي 1000 كيلووات ساعة ، حيث تتقلب القيم بين حوالي 900 كيلو واط في الساعة في شمال ألمانيا و 1150 كيلو واط في الساعة في جنوب ألمانيا.

تركيب أنظمة للأسقف

السطح مع نظام الضوئية للكهرباء ومجمعات الطاقة الشمسية لإنتاج الماء الساخن
تميز أنظمة التركيب بين أنظمة الأسطح والأنظمة الداخلية. في نظام على السطح لأسطح المنازل المنحدرة ، يتم تركيب النظام الكهروضوئي على السطح بواسطة إطار تثبيت. يتم اختيار هذا النوع من التثبيت في أغلب الأحيان لأنه من الأسهل تنفيذ السقوف الموجودة.

في نظام السقف ، يتم دمج نظام الطاقة الضوئية في الكسوة السقفية ويتولى مهامه مثل إغلاق السقف وحماية الطقس. من المميزات في مثل هذه الأنظمة المظهر الجذاب بصريًا وتوفير غطاء السقف ، بحيث يمكن تعويض تكاليف التجميع الأعلى في كثير من الأحيان.

التركيب المثبت على السقف مناسب للأسطح المكسوة بالبلاط وأسقف الصفيح أو أسقف الأردواز أو الصفائح المموجة. إذا كانت أرضية السقف ضحلة جدًا ، يمكن أن تعوض الخطافات الخاصة عن ذلك إلى حد ما. عادة ما يكون تركيب نظام على السقف أبسط وأرخص من نظام داخل السقف. يضمن نظام السقف أيضًا تهوية كافية لوحدات الطاقة الشمسية. يجب أن تكون مواد التثبيت مانعة لتسرب الماء.

يعتبر نظام السقف الداخلي مناسبًا لأعمال تجديد الأسطح والمباني الجديدة ، ولكنه غير ممكن على جميع الأسطح. لا تسمح أسقف القرميد للتركيب في السقف أو أسقف الصفيح أو أسقف البيتومين. شكل السقف هو أيضا حاسم. التركيب في السقف مناسب فقط للأسقف ذات النوافد الكبيرة بما فيه الكفاية مع توجيه مناسب لمسار الشمس. بشكل عام ، تتطلب الأنظمة الموجودة في السقف زوايا أكبر من الميل من الأنظمة المثبتة على السقف من أجل السماح بتصريف مياه الأمطار بشكل كاف. تتكون أنظمة السقف الداخلي مع السطح المغلق المتبقي من السطح وبالتالي فهي جذابة من وجهة نظر جمالية. بالإضافة إلى ذلك ، يتميز نظام السقف الداخلي باستقرار ميكانيكي أعلى ضد أحمال الثلج والرياح. ومع ذلك ، فإن تبريد الوحدات أقل كفاءة من نظام الأسطح ، مما يقلل من الطاقة وينتج بعض الشيء. درجة حرارة أعلى من 1 درجة مئوية يقلل من وحدة الانتاج عن طريق تقريبا. 0.5٪.

نجاعة
تعتبر الكفاءة الكهربائية (وتسمى أيضًا كفاءة التحويل) عاملاً مساهماً في اختيار النظام الكهروضوئي. ومع ذلك ، فإن أكثر الألواح الشمسية كفاءة هي عادةً أغلى ثمناً ، وقد لا تكون متاحة تجاريًا. ولذلك ، فإن الاختيار يكون مدفوعًا أيضًا بكفاءة التكلفة وعوامل أخرى.

إن الكفاءة الكهربائية للخلية الكهروضوئية هي خاصية فيزيائية تمثل مقدار الطاقة الكهربائية التي يمكن للخلية أن تنتجها لإشعال معين. التعبير الأساسي لأقصى قدر من الكفاءة للخلايا الفولتية الضوئية يتم الحصول عليه من خلال نسبة طاقة الخرج إلى الطاقة الشمسية للحدث (منطقة مرات تدفق الإشعاع)

يتم قياس الكفاءة تحت ظروف مختبرية مثالية وتمثل الحد الأقصى من الكفاءة القابلة للتحقيق للمواد الكهروضوئية. تتأثر الفعالية الفعلية بالإخراج من الجهد ، التيار ، درجة حرارة الوصلة ، شدة الضوء والطيف.

النوع الأكثر كفاءة من الخلايا الشمسية حتى الآن هو الخلايا الشمسية المركزة متعددة الوصلات بكفاءة من 46.0 ٪ تنتجها Fraunhofer ISE في ديسمبر 2014. وتشمل أعلى الكفاءات التي تم تحقيقها بدون تركيز مادة من قبل Sharp Corporation بنسبة 35.8 ٪ باستخدام ثلاثية الملكية تقانة التصنيع في عام 2009 ، وبوينغ Spectrolab (40.7 ٪ أيضا باستخدام تصميم ثلاثي الطبقات). تنتج شركة SunPower الأمريكية خلايا ذات كفاءة تبلغ 21.5٪ ، أعلى من متوسط ​​السوق البالغ 12-18٪.

تصنيع
وعموما ، فإن عملية تصنيع الخلايا الشمسية الكهروضوئية بسيطة من حيث أنها لا تتطلب تتويجًا للعديد من الأجزاء المعقدة أو المتحركة. بسبب طبيعة الحالة الصلبة للأنظمة الكهروضوئية ، غالباً ما يكون لها عمر طويل نسبياً ، في أي مكان من 10 إلى 30 سنة. لزيادة الإنتاج الكهربائي للنظام الكهروضوئي ، يجب على الشركة المصنعة ببساطة إضافة المزيد من المكونات الضوئية وبسبب وفورات الحجم هذه مهمة للمصنعين مع انخفاض التكاليف مع زيادة الإنتاج.

في حين أن هناك العديد من أنواع الأنظمة الكهروضوئية المعروفة بأنها فعالة ، فقد استأثرت السليكون المتبلور الفلطاضوئي بحوالي 90٪ من الإنتاج الكهروضوئي في العالم في عام 2013. إن أنظمة الخلايا السليكونية المصنعة لها العديد من الخطوات. أولاً ، تتم معالجة polysilicon من الكوارتز الملغومة حتى تصبح نقية جداً (درجة شبه موصل). يذوب هذا عندما يتم إضافة كميات صغيرة من البورون ، وهو عنصر المجموعة الثالثة ، لجعل أشباه الموصلات من النوع p غنية بفتحات الإلكترون. عادة باستخدام بلورة البذور ، يزرع سبيكة من هذا الحل من الكريستالات السائلة. قد يتم أيضًا صب السبك في قالب. يتم قطع رقاقات مادة أشباه الموصلات هذه من المادة السائبة باستخدام مناشير سلكية ، ثم تمر عبر الحفر السطحي قبل تنظيفها. بعد ذلك ، توضع الرقائق في فرن ترسيب بخار الفوسفور الذي يضع طبقة رقيقة جدًا من الفوسفور ، وهو عنصر المجموعة الخامسة ، الذي يخلق سطحًا شبه موصل من نوع n. للحد من فقدان الطاقة ، يتم إضافة طبقة مضادة للانعكاس إلى السطح ، إلى جانب جهات الاتصال الكهربائية. بعد الانتهاء من الخلية ، يتم توصيل الخلايا عبر دائرة كهربائية وفقًا للتطبيق المحدد وإعدادها للشحن والتركيب.

تعد الخلايا الكهروضوئية السليكونية البلورية نوعًا واحدًا فقط من الخلايا الكهروضوئية ، وفي حين أنها تمثل غالبية الخلايا الشمسية المنتجة حاليًا ، هناك العديد من التقنيات الجديدة والواعدة التي يمكن توسيع نطاقها لتلبية احتياجات الطاقة المستقبلية.

يتم تصنيع تقنية أخرى أحدث ، PV ذات الطبقة الرقيقة ، عن طريق ترسيب طبقات شبه موصلة على الركيزة في الفراغ. غالباً ما تكون الطبقة السفلية من الزجاج أو الفولاذ المقاوم للصدأ ، وتتكون هذه الطبقات شبه الموصلة من العديد من أنواع المواد بما في ذلك تيلوريد الكادميوم (CdTe) ، و diselenide الإنديوم النحاسي (CIS) ، و diselenide غاليوم الإنديوم النحاسي (CIGS) ، والسيليكون غير المتبلور (a-Si) ). بعد أن يتم ترسيبها على الركيزة ، يتم فصل الطبقات شبه الموصلة وتوصيلها عن طريق الدائرة الكهربائية عن طريق كتابة الليزر. وتشكّل الخلايا الكهروضوئية الرقيقة حوالي 20٪ من إجمالي إنتاج الخلايا الكهروضوئية بسبب انخفاض متطلبات المواد وتكلفة تصنيع وحدات تتألف من أغشية رقيقة مقارنة بالرقائق المرتكزة على السيليكون.

ومن بين التقنيات الكهروضوئية الناشئة الأخرى ، الخلايا العضوية الضوئية المحسّبة الصبغية ، والنقطة الكمومية ، والبيروفسكايت. تقع OPVs في فئة الأغشية الرقيقة للتصنيع ، وعادة ما تعمل حول نطاق الكفاءة 12 ٪ وهو أقل من 12-21 ٪ التي عادة ما ينظر إليها من خلال PVs على أساس السيليكون. نظرًا لأن الخلايا الكهروضوئية العضوية تتطلب درجة عالية جدًا من النقاء ، كما أنها تفاعلية نسبيًا ، يجب تغليفها مما يزيد تكلفة التصنيع بدرجة كبيرة ، مما يعني أنها غير مجدية لتحقيق زيادة كبيرة. تتشابه الألواح الكهروضوئية التي تحسّس الأصباغ في كفاءة اللقاح الفموي المضاد للفيروسات ولكن من الأسهل تصنيعها. ومع ذلك ، فإن هذه الخلايا الكهروضوئية التي تحسس بالضباب تعرض مشاكل التخزين لأن السائل المنحل بالكهرباء سُمي ويمكن أن يتخلل المواد البلاستيكية المستخدمة في الخلية. والخلايا الشمسية ذات النقاط الكمومية عبارة عن أجهزة DSSCs حساسة من النقاط الكمومية وتتم معالجتها بمعنى أنها قابلة للقياس ، ولكنها في الوقت الحالي تبلغ ذروتها بفعالية تبلغ 12٪. الخلايا الشمسية Perovskite هي محول للطاقة الشمسية فعالة للغاية ولها خصائص ممتازة الكهروضوئية لأغراض الضوئية ، لكنها مكلفة وصعبة الصنع.

تطبيقات

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

التلوث والطاقة في الإنتاج
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.