الألواح الشمسية الكهروضوئية تمتص أشعة الشمس كمصدر للطاقة لتوليد الكهرباء. الوحدة الكهروضوئية (PV) هي عبارة عن تجميع موصّل ومترابط للخلايا الشمسية الكهروضوئية النموذجية 6 × 10. وتشكّل الوحدات الكهروضوئية المجموعة الفولتية الضوئية لنظام كهروضوئي ينتج وتزوّد الكهرباء بالطاقة الشمسية في التطبيقات التجارية والسكنية.

يتم تصنيف كل وحدة من خلال قدرة خرج التيار المباشر وفقًا لشروط الاختبار القياسية (STC) ، وعادةً ما تتراوح من 100 إلى 365 واط (W). تحدد كفاءة الوحدة النمطية مساحة الوحدة النمطية نظرا لنفس الإنتاج المصنف – وحدة فعالة بنسبة 8٪ 230 واط سيكون لها ضعف مساحة وحدة 230 واط فعالة بنسبة 16٪. هناك عدد قليل من الوحدات الشمسية المتاحة تجاريا والتي تتجاوز كفاءة 24 ٪

يمكن لوحدة شمسية واحدة أن تنتج كمية محدودة من الطاقة فقط ؛ معظم المنشآت تحتوي على وحدات متعددة. يشتمل النظام الكهروضوئي عادة على مجموعة من الوحدات الكهروضوئية ، والعاكس ، ومجموعة البطاريات للتخزين ، وأسلاك التوصيل البيني ، وآلية التتبع الشمسي بشكل اختياري.

التطبيق الأكثر شيوعا لجمع الطاقة الشمسية خارج الزراعة هو أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية.

واستمر سعر الطاقة الكهربائية الشمسية في الانخفاض ، بحيث أصبح في كثير من البلدان أرخص من الكهرباء العادية من الوقود الأحفوري من شبكة الكهرباء منذ عام 2012 ، وهي ظاهرة تعرف باسم التكافؤ الشبكي.

النظرية والبناء
تستخدم وحدات الطاقة الضوئية الطاقة الضوئية (الفوتونات) من الشمس لتوليد الكهرباء من خلال التأثير الكهروضوئي. تستخدم غالبية الوحدات خلايا سيليكون بلورية على شكل رقاقة أو خلايا رقيقة. يمكن أن يكون العنصر الإنشائي (حمل الحمل) في الوحدة النمطية إما الطبقة العليا أو الطبقة الخلفية. يجب أيضًا حماية الخلايا من التلف الميكانيكي والرطوبة. معظم الوحدات تكون جامدة ، ولكن الوحدات شبه المرنة القائمة على خلايا الأغشية الرقيقة متوفرة أيضًا. يجب أن تكون الخلايا متصلة كهربائيا في سلسلة ، واحد إلى آخر.

مربوطة تقاطع PV موصولة إلى الجزء الخلفي من اللوحة الشمسية وهي واجهة الإخراج الخاصة بها. خارجياً ، تستخدم معظم الوحدات الكهروضوئية نوع موصلات MC4 لتسهيل توصيلات مانعة لتسرب الماء إلى باقي النظام. أيضا ، يمكن استخدام واجهة USB السلطة.

يتم إجراء التوصيلات الكهربائية النمطية في سلسلة لتحقيق جهد ناتج مطلوب أو بالتوازي لتوفير القدرة الحالية المرغوبة (الأمبير). قد تحتوي الأسلاك الموصلة التي تأخذ التيار من الوحدات على فلزات نحاس فضية أو نحاسية أو غير مغناطيسية أخرى. يمكن دمج صمامات ثنائية الاتجاه أو استخدامها خارجيًا ، في حالة تظليل الوحدة جزئيًا ، لزيادة إخراج أجزاء الوحدة النمطية التي لا تزال مضاءة.

وتشمل بعض الوحدات الكهروضوئية الشمسية الخاصة المكثفات التي يركز الضوء عليها بواسطة العدسات أو المرايا على الخلايا الأصغر. وهذا يتيح استخدام الخلايا ذات التكلفة العالية لكل وحدة مساحة (مثل زرنيخيد الغاليوم) بطريقة فعالة من حيث التكلفة.

تستخدم الألواح الشمسية أيضًا إطارات معدنية تتكون من مكونات الأرفف ، والأقواس ، والأشكال العاكسة ، والأحواض من أجل دعم هيكل اللوحة بشكل أفضل.

التاريخ
في عام 1839 ، تم ملاحظة قدرة بعض المواد على إنشاء شحنة كهربائية من التعرض للضوء لأول مرة من قبل الكسندر-ادموند بيكريل. لم تتكرر هذه الملاحظة مرة أخرى حتى عام 1873 ، عندما اكتشف Willoughey Smith أن الشحنة يمكن أن تكون ناجمة عن ضوء ضرب السيلينيوم. بعد هذا الاكتشاف ، نشر ويليام جريلز آدمز وريتشارد إيفانز داي “عمل الضوء على السيلينيوم” في عام 1876 ، واصفا التجربة التي استخدموها لتكرار نتائج سميث. في عام 1881 ، أنشأ تشارلز فريتس أول لوحة شمسية تجارية ، والتي أبلغ عنها Fritts بأنها “مستمرة وثابتة وقوة كبيرة ، ليس فقط من خلال التعرض لأشعة الشمس ولكن أيضا لضوء النهار المنتشر القاتم”. ومع ذلك ، كانت هذه الألواح الشمسية غير فعالة للغاية ، لا سيما بالمقارنة مع محطات الطاقة التي تعمل بالفحم. في عام 1939 ، ابتكر راسل أول تصميم الخلية الشمسية الذي يستخدم في العديد من الألواح الشمسية الحديثة. حصل على براءة اختراعه في عام 1941. في عام 1954 ، تم استخدام هذا التصميم لأول مرة بواسطة Bell Labs لإنشاء أول خلية شمسية قابلة للحياة تجاريا.

الكفاءات
اعتمادا على البناء ، يمكن للوحدات الكهروضوئية أن تنتج الكهرباء من مجموعة من ترددات الضوء ، ولكن عادة لا يمكن أن تغطي كامل المدى الشمسي (على وجه التحديد ، الأشعة فوق البنفسجية ، الأشعة تحت الحمراء والضوء المنخفض أو المنتشر). وبالتالي ، يتم إهدار الكثير من طاقة ضوء الشمس الناتجة عن وحدات الطاقة الشمسية ، ويمكن أن تعطي كفاءات أعلى بكثير إذا أضيئت بنور أحادي اللون. لذلك ، هناك مفهوم آخر للتصميم هو تقسيم الضوء إلى ستة إلى ثمانية أطوال موجية مختلفة تنتج لونًا مختلفًا من الضوء ، وتوجيه الحزم إلى خلايا مختلفة مضبوطة إلى هذه النطاقات. وقد تم توقع أن يكون ذلك قادراً على رفع الكفاءة بنسبة 50٪.

أبلغ علماء من شركة Spectrolab ، وهي شركة تابعة لشركة Boeing ، عن تطوير خلايا شمسية متعددة الوصلات بكفاءة تتجاوز 40٪ ، وهو رقم قياسي عالمي جديد للخلايا الشمسية الكهروضوئية. ويتنبأ علماء Spectrolab أيضًا بأن الخلايا الشمسية المركزة يمكن أن تحقق كفاءات تزيد عن 45٪ أو حتى 50٪ في المستقبل ، مع كفاءة نظرية تكون حوالي 58٪ في الخلايا مع أكثر من ثلاثة وصلات.

وحاليا ، فإن أفضل معدل للتحول من أشعة الشمس (كفاءة وحدة الطاقة الشمسية) يبلغ حوالي 21.5 ٪ في المنتجات التجارية الجديدة عادة ما تكون أقل من كفاءات خلاياها في عزلة. تمتلك الوحدات الشمسية الأكثر إنتاجًا بكفاءة (المتنازع عليها – مناقشة) قيم كثافة القدرة التي تصل إلى 175 واط / م 2 (16.22 واط / قدم 2).

أظهرت الأبحاث التي أجرتها جامعة إمبريال كوليدج في لندن أن كفاءة الألواح الشمسية يمكن تحسينها من خلال ترصيع سطح أشباه الموصلات التي تستقبل الضوء مع نانوكسيدات الألومنيوم على غرار الحواف على كتل ليغو. ثم ينتقل الضوء المتناثر على طول مسار أطول في أشباه الموصلات مما يعني أنه يمكن امتصاص المزيد من الفوتونات وتحويلها إلى تيار. وعلى الرغم من استخدام هذه النانوسيترات في السابق (كان الألمنيوم مسبوقًا بالذهب والفضة) ، إلا أن تشتت الضوء حدث في المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء وتم امتصاص الضوء المرئي بقوة. تم العثور على الألومنيوم لامتصاص الجزء فوق البنفسجي من الطيف ، في حين تم العثور على أجزاء مرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة من الطيف لتكون مبعثرة من سطح الألومنيوم. هذا ، كما يجادل البحث ، يمكن أن يخفض التكلفة بشكل كبير ويحسن الكفاءة حيث أن الألومنيوم أكثر وفرة وأقل تكلفة من الذهب والفضة. كما أشار البحث إلى أن الزيادة في التيار تجعل الألواح الشمسية الرقيقة ممكنة تقنيا من الناحية الفنية دون “المساس بكفاءة تحويل الطاقة ، وبالتالي تقليل استهلاك المواد”.

يمكن حساب كفاءة الألواح الشمسية بواسطة قيمة MPP (أقصى نقطة للطاقة) للألواح الشمسية
يقوم المحول بالطاقة الشمسية بتحويل طاقة التيار المستمر إلى طاقة AC عن طريق تنفيذ عملية MPPT: تقوم العاكس الشمسي بتجميع طاقة خرج (منحنى IV) من الخلية الشمسية ويطبق المقاومة المناسبة (التحميل) على الخلايا الشمسية للحصول على أقصى طاقة.
MPP (نقطة الطاقة القصوى) للوحة الشمسية تتكون من MPP voltage (V mpp) و MPP current (I mpp): إنها قدرة الألواح الشمسية والقيمة الأعلى يمكن أن تجعل MPP أعلى.
يتم توصيل الألواح الشمسية المقلوبة بشكل متوازي ، مما يؤدي إلى إنتاج أكثر من الألواح العادية التي يتم توصيلها بسلاسل مع إخراج السلسلة التي تحددها اللوحة الأقل أداء (ويعرف هذا بـ “تأثير ضوء عيد الميلاد”). تعمل العاكسات الصغيرة بشكل مستقل بحيث تساهم كل لوحة في أقصى إنتاج ممكن لها نظرًا لضوء الشمس المتاح.

تقنية
يتم حاليًا إنتاج معظم الوحدات الشمسية من الخلايا الشمسية السليكونية (c-Si) المصنوعة من السيليكون متعدد البلورات والسليكون أحادي البلورية. في عام 2013 ، مثلت السيلكون البلوري أكثر من 90 في المائة من الإنتاج الكهروضوئي في العالم ، في حين أن بقية السوق الكلي يتكون من تقنيات الأغشية الرقيقة باستخدام تيلوريد الكادميوم ، CIGS والسيليكون غير المتبلور

تستخدم تقنيات الطاقة الشمسية من الجيل الثالث الناشئة خلايا متطورة من الغشاء الرقيق. فهي تنتج تحويلًا عالي الكفاءة نسبياً للتكلفة المنخفضة مقارنة بتكنولوجيات الطاقة الشمسية الأخرى. كذلك ، يفضل استخدام خلايا مستطيلة متعددة الوصلات (MJ) عالية التكلفة وعالية الكفاءة ومعبأة في الألواح الشمسية على المركبات الفضائية ، لأنها توفر أعلى نسبة من الطاقة المولدة لكل كيلوغرام يتم رفعها إلى الفضاء. خلايا MJ هي أشباه موصلات مركبة ومصنوعة من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ومواد أخرى شبه موصلة. تكنولوجيا PV أخرى ناشئة باستخدام خلايا MJ هي الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV).

رقيقة
في وحدات الأغشية الرقيقة الصلبة ، يتم تصنيع الخلية والوحدة في نفس خط الإنتاج. يتم إنشاء الخلية على ركيزة زجاجية أو سطحية ، ويتم إنشاء التوصيلات الكهربائية في الموقع ، وهو ما يسمى “التكامل الأحادي”. يتم رصف الركيزة أو superstrate مع encapulant إلى ورقة الأمامية أو الخلفية ، عادة ما تكون ورقة أخرى من الزجاج. والتقنيات الخلوية الرئيسية في هذه الفئة هي CdTe ، أو a-Si ، أو a-Si + uc-Si tandem ، أو CIGS (أو variant). السيليكون غير المتبلور لديه معدل تحويل أشعة الشمس من 6-12 ٪

يتم إنشاء خلايا ووحدات رقيقة من الخلايا الرقيقة على نفس خط الإنتاج عن طريق إيداع الطبقة المشبعة بالضوء والطبقات الضرورية الأخرى على سطح مرن. إذا كانت الطبقة التحتية عبارة عن عازل (مثل فيلم بوليستر أو بوليميد) ، فيمكن استخدام تكامل أحادي. إذا كان موصلًا ، فيجب استخدام أسلوب آخر للاتصال الكهربائي. يتم تجميع الخلايا في وحدات عن طريق ترقيقها إلى فلورو بوليمر شفاف عديم اللون على الجانب الأمامي (عادة ETFE أو FEP) وبوليمر مناسب للترابط إلى الركيزة النهائية على الجانب الآخر.

وحدات الطاقة الشمسية الذكية
بدأت العديد من الشركات بتضمين الإلكترونيات في وحدات PV. ويتيح ذلك إجراء تتبع أقصى نقطة للطاقة (MPPT) لكل وحدة على حدة ، وقياس بيانات الأداء الخاصة بالرصد وكشف الأعطال على مستوى الوحدة النمطية. وتستفيد بعض هذه الحلول من محسّنات الطاقة ، وتقنية تحويل DC-to-DC التي تم تطويرها من أجل زيادة حصاد الطاقة من الأنظمة الشمسية الكهروضوئية. واعتبارًا من عام 2010 ، يمكن لهذه الإلكترونيات أيضًا التعويض عن تأثيرات التظليل ، حيث يؤدي ظلال يسقط عبر جزء من وحدة ما إلى انخفاض المخرج الكهربائي لسلسلة أو أكثر من الخلايا في الوحدة إلى الصفر ، ولكن عدم وجود خرج وحدة كاملة تقع على الصفر.

الأداء والتدهور
يتم تقييم أداء الوحدة بشكل عام في ظروف الاختبار القياسية (STC): إشعاع 1000 وات / م 2 ، الطيف الشمسي لـ AM 1.5 ودرجة حرارة الوحدة عند 25 درجة مئوية.

تشتمل الخصائص الكهربائية على الطاقة الاسمية (PMAX ، يتم قياسها في W) ، جهد الدائرة المفتوحة (VOC) ، تيار الدائرة القصيرة (ISC ، المقاسة بالأمبير) ، جهد الطاقة الأقصى (VMPP) ، التيار الأقصى للطاقة (IMPP) ، ذروة القدرة ، (وات -peak و Wp) وفعالية الوحدة (٪).

يشير الجهد الاسمي إلى الجهد الكهربائي للبطارية الأكثر ملاءمة للشحن. هذا هو مصطلح متبقي من الأيام التي كانت تستخدم وحدات الطاقة الشمسية فقط لشحن البطاريات. يتغير خرج الجهد الفعلي للوحدة مع تغير الإضاءة ، ودرجة الحرارة وظروف التحميل ، لذلك لا يوجد جهد واحد محدد يعمل عنده الوحدة. يتيح الجهد الاسمي للمستخدمين ، في لمحة ، التأكد من توافق الوحدة مع نظام معين.

جهد الدائرة المفتوحة أو VOC هو الجهد الأقصى الذي يمكن أن تنتجه الوحدة عندما لا تكون متصلة بدارة أو نظام كهربائي. يمكن قياس VOC بواسطة فولتمتر مباشرة على أطراف الوحدة المضيئة أو على كبل توصيله.

يعتبر تصنيف القدرة الذروة ، Wp ، هو أقصى خرج ضمن شروط الاختبار القياسية (وليس الحد الأقصى للإخراج المحتمل). الوحدات النمطية النموذجية التي يمكن قياسها تقريبًا 1 × 2 م أو 3 قدم 3 × 6 قدم 7 بوصة ، سيتم تصنيفها من 75 واط إلى 350 واط ، اعتمادًا على كفاءتها. في وقت الاختبار ، يتم اختبار وحدات الاختبار وفقًا لنتائج اختبارها ، وقد تقوم جهة تصنيع نموذجية بتقييم وحداتها بزيادات قدرها 5 وات ، وتقيم إما عند +/- 3٪ ، +/- 5٪ ، + 3 / -0٪ أو +5 / -0٪.
تتنوع قدرة الوحدات الشمسية على تحمل الضرر الناتج عن المطر والبرد والحمل الثلجي الثقيل ودورات الحرارة والبرودة من قبل الشركة المصنعة ، على الرغم من أن معظم الألواح الشمسية في السوق الأمريكية مدرجة في قوائم UL ، مما يعني أنها قد مرت باختبار لتحمل البرد. تقدم العديد من الشركات المصنعة للسيليكون البلورية ضمانًا محدودًا يضمن إنتاجًا كهربائيًا لمدة 10 سنوات بنسبة 90٪ من إنتاج الطاقة المقدرة و 25 عامًا بنسبة 80٪.

الانحطاط المحرض المحتمل (يسمى أيضًا PID) هو تدهور محتمل للأداء في الوحدات الكهروضوئية البلورية ، والذي يحدث بسبب ما يسمى بالتيارات الشاردة. قد يتسبب هذا التأثير في فقد الطاقة بنسبة تصل إلى 30٪.

ويقال إن أكبر تحد للتكنولوجيا الضوئية هو سعر الشراء لكل واط من الكهرباء المنتجة ، والمواد الجديدة وتقنيات التصنيع تواصل تحسين السعر لأداء السلطة. المشكلة تكمن في طاقة التنشيط الهائلة التي يجب التغلب عليها لفوتون لإثارة إلكترون لأغراض الحصاد. وقد أدت التطورات في التقنيات الضوئية إلى عملية “تزييف” ركيزة السيليكون لخفض طاقة التنشيط ، مما جعل اللوحة أكثر كفاءة في تحويل الفوتونات إلى إلكترونات يمكن استرجاعها.

يتم تطبيق المواد الكيميائية مثل البورون (P- نوع) في بلورة أشباه الموصلات من أجل إنشاء مستويات الطاقة الخاصة بالجهات المانحة والمتقبل بشكل كبير أقرب إلى نطاقات التكافؤ والموصلات. في القيام بذلك ، تسمح إضافة النجاسة البورون طاقة التنشيط إلى خفض 20 أضعاف من 1.12 eV إلى 0.05 eV. بما أن فرق الجهد (EB) منخفض جداً ، فإن البورون قادر على التأين حرارياً عند درجات حرارة الغرفة. وهذا يسمح لحاملات الطاقة المجانية في نطاقات التوصيل والتكافؤ مما يسمح بتحويل أكبر للفوتونات إلى الإلكترونات.

اعمال صيانة
يتم تقليل كفاءة تحويل الألواح الشمسية ، عادة في نطاق 20 ٪ ، عن طريق الغبار ، والأوساخ ، وحبوب اللقاح ، وغيرها من الجسيمات التي تتراكم على الألواح الشمسية. “يمكن للوحة الشمسية القذرة أن تقلل من إمكاناتها في مجال الطاقة بنسبة تصل إلى 30٪ في المناطق المرتفعة من الغبار / اللقاح أو المناطق الصحراوية” ، كما يقول سيموس كوران ، البروفيسور المساعد في الفيزياء في جامعة هيوستن ومدير معهد NanoEnergy ، المتخصص في تصميم وهندسة وتجميع النانو.

لا يكون الدفع مقابل تنظيف الألواح الشمسية استثمارًا جيدًا في الغالب ؛ وجد الباحثون ألواحًا لم يتم تنظيفها ، أو تمطر عليها ، لمدة 145 يومًا خلال فترة جفاف صيفية في كاليفورنيا ، وفقدت 7.4٪ فقط من كفاءتها. بشكل عام ، بالنسبة إلى النظام الشمسي السكني النموذجي الذي يبلغ 5 كيلو واط ، فإن ألواح الغسيل في منتصف الصيف قد تترجم إلى مجرد كسب 20 دولارًا في إنتاج الكهرباء حتى ينتهي الجفاف في الصيف – في حوالي شهرين ونصف. بالنسبة للأنظمة التجارية الكبيرة على الأسطح ، تكون الخسائر المالية أكبر ولكن نادراً ما تكفي لتبرير تكلفة غسل الألواح. في المتوسط ​​، خسرت الألواح أقل قليلاً من 0.05٪ من كفاءتها الكلية في اليوم.

إعادة التدوير
يمكن إعادة تدوير معظم أجزاء وحدة الطاقة الشمسية بما في ذلك ما يصل إلى 95٪ من بعض مواد أشباه الموصلات أو الزجاج وكذلك كميات كبيرة من المعادن الحديدية وغير الحديدية. تعمل بعض الشركات الخاصة والمنظمات غير الربحية حاليًا في عمليات الاستعادة وإعادة التدوير للوحدات النمطية التي انتهى عمرها الافتراضي.

تعتمد إمكانيات إعادة التدوير على نوع التكنولوجيا المستخدمة في الوحدات:

الوحدات المستندة إلى السيليكون: يتم فك إطارات الألومنيوم وصناديق التوصيل يدويًا في بداية العملية. ثم يتم سحق الوحدة في مطحنة ويتم فصل الكسور المختلفة – الزجاج والبلاستيك والمعادن. من الممكن استرداد أكثر من 80٪ من الوزن الوارد. يمكن إجراء هذه العملية عن طريق إعادة تدوير الزجاج المسطح ، حيث أن التشكل وتكوين الوحدة الكهروضوئية يشبهان تلك النظارات المسطحة المستخدمة في البناء وصناعة السيارات. الزجاج المسترد على سبيل المثال مقبول بسهولة بواسطة صناعة الزجاج العازل و الزجاج.
الوحدات غير القائمة على السيليكون: تتطلب تقنيات إعادة تدوير محددة مثل استخدام الحمامات الكيميائية لفصل مواد أشباه الموصلات المختلفة. بالنسبة لوحدات تيلوريد الكادميوم ، تبدأ عملية إعادة التدوير بسحق الوحدة ثم فصل الكسور المختلفة. تم تصميم عملية إعادة التدوير هذه لاستعادة ما يصل إلى 90٪ من الزجاج و 95٪ من المواد شبه الموصلة. تم إنشاء بعض مرافق إعادة التدوير على نطاق تجاري في السنوات الأخيرة من قبل الشركات الخاصة. بالنسبة للعاكس المسطح بالألمنيوم المسطح: فقد تم طرح اتجاهات العاكسات من خلال تصنيعها باستخدام طبقة رقيقة (حوالي 0.016 ملم إلى 0.024 ملم) من طلاء الألمنيوم الموجود داخل عبوات المواد الغذائية البلاستيكية غير المعاد تدويرها.
منذ عام 2010 ، هناك مؤتمر أوروبي سنوي يجمع بين الشركات المصنعة والقائمين بإعادة التدوير والباحثين للنظر في مستقبل إعادة تدوير وحدة الخلايا الشمسية.

إنتاج
في عام 2010 ، تم الانتهاء من 15.9 جيجاوات من منشآت النظام الشمسي الكهروضوئي ، حيث سجل مسح الطاقة الشمسية الكهروضوئية وشركة أبحاث السوق PVinsights نموًا بنسبة 117.8٪ في التركيبات الكهروضوئية الشمسية على أساس سنوي.

مع نمو سنوي يزيد على 100٪ في تركيب الأنظمة الكهروضوئية ، زاد صناع الوحدات الكهروضوئية بشكل كبير شحناتهم من وحدات الطاقة الشمسية في عام 2010. لقد وسعوا من قدراتهم وتحولوا إلى جيغاوات. وفقا ل PVinsights ، فإن خمسة من أكبر عشر شركات وحدة PV في عام 2010 هي لاعبين جي دبليو. Suntech ، First Solar و Sharp و Yingli و Trina Solar هم من منتجي GW الآن ، وقد ضاعف معظمهم شحناتهم في عام 2010.

أساس إنتاج الألواح الشمسية تدور حول استخدام خلايا السيليكون. عادة ما تكون هذه الخلايا السليكونية فعالة بنسبة 10-20٪ عند تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء ، مع تجاوز نماذج الإنتاج الأحدث 22٪. من أجل أن تصبح الألواح الشمسية أكثر كفاءة ، يحاول الباحثون في جميع أنحاء العالم تطوير تقنيات جديدة لجعل الألواح الشمسية أكثر فعالية في تحويل أشعة الشمس إلى طاقة.

في عام 2014 ، كان أكبر منتجي الوحدات الشمسية في العالم من حيث الطاقة المشحونة خلال السنة التقويمية 2014 هم يينغلي وترينا سولار وشارب سولار وكندا سولار.

السعر
تنقسم معلومات التسعير المتوسطة إلى ثلاث فئات تسعير: تلك التي تشتري كميات صغيرة (وحدات من جميع الأحجام في نطاق الكيلوواط سنوياً) ، والمشترين متوسطي المدى (عادة ما يصل إلى 10 ميجاوات سنوياً) ، ومشترين بكميات كبيرة (لا تحتاج إلى شرح – ومع وصول لأدنى الأسعار). على المدى الطويل هناك بوضوح انخفاض منظم في سعر الخلايا والوحدات. على سبيل المثال ، في عام 2012 ، قدرت تكلفة الكمية لكل واط بحوالي 0.60 دولار أمريكي ، وهو أقل بمقدار 250 مرة من التكلفة في عام 1970 البالغة 150 دولارًا أمريكيًا. تظهر دراسة عام 2015 أن السعر / كيلو وات في الساعة ينخفض ​​بنسبة 10٪ سنوياً منذ عام 1980 ، ويتوقع أن الطاقة الشمسية يمكن أن تسهم بنسبة 20٪ من إجمالي استهلاك الكهرباء بحلول عام 2030 ، في حين تتوقع وكالة الطاقة الدولية نسبة 16٪ بحلول عام 2050.

تعتمد تكاليف إنتاج الطاقة في العالم الحقيقي بشكل كبير على الظروف الجوية المحلية. في بلد غائم مثل المملكة المتحدة ، تكون التكلفة لكل كيلو واط ساعة أعلى مما هي عليه في بلدان أكثر إشراقاً مثل أسبانيا.

يلي RMI ، عناصر توازن النظام (BoS) ، وهذا هو ، تكلفة غير الوحدة النمطية من وحدات الطاقة الشمسية غير microinverter (مثل الأسلاك والمحولات وأنظمة الأرفف ومكونات مختلفة) تشكل حوالي نصف التكاليف الإجمالية للمنشآت.

بالنسبة لمحطات الطاقة الشمسية التجارية ، حيث يتم بيع الكهرباء إلى شبكة نقل الكهرباء ، ستحتاج تكلفة الطاقة الشمسية إلى مطابقة سعر الكهرباء بالجملة. تسمى هذه النقطة أحيانًا “تماثل الشبكة بالجملة” أو “تعادل busbar”.

يمكن لبعض الأنظمة الفولطاضوئية ، مثل التركيبات على السطح ، أن تزود السلطة مباشرة إلى مستخدم الكهرباء. في هذه الحالات ، يمكن أن يكون التثبيت تنافسيًا عندما تتطابق تكلفة المخرجات مع السعر الذي يدفع المستخدم مقابل استهلاكه للكهرباء. تسمى هذه الحالة أحيانًا “تعادل شبكة البيع بالتجزئة” أو “تماثل المقبس” أو “تماثل الشبكة الديناميكية”. تشير الأبحاث التي أجرتها “الأمم المتحدة للطاقة” في عام 2012 إلى أن المناطق المشمسة ذات أسعار الكهرباء المرتفعة ، مثل إيطاليا وإسبانيا وأستراليا ، والمناطق التي تستخدم مولدات الديزل ، قد وصلت إلى التكافؤ في شبكة البيع بالتجزئة.

تركيب وتتبع
عادة ما يكون النظام الكهروضوئي المركب على الأرض عبارة عن محطات طاقة شمسية كبيرة الحجم ومفيدة. يتم تثبيت وحدات الطاقة الشمسية الخاصة بها في مكانها بواسطة أرفف أو إطارات متصلة بدعامات التثبيت الأرضية. تتضمن دعائم التركيب الأرضية:

يتصاعد القطب ، والتي تدفع مباشرة إلى الأرض أو جزءا لا يتجزأ من الخرسانة.
تتصاعد المؤسسة ، مثل الألواح الخرسانية أو المسكوبة
يتكوّن حوامل القدم الصخرية ، مثل قواعد الخرسانة أو الفولاذ التي تستخدم الوزن لتأمين نظام الوحدة الشمسية في موضعها ولا تتطلب اختراقًا للأرض. هذا النوع من نظام التثبيت مناسب تمامًا للمواقع التي لا يكون فيها الحفر ممكنًا مثل مدافن القمامة المغطاة وتبسط عملية إيقاف أو إعادة نقل أنظمة الوحدات الشمسية.
تتكون أنظمة الطاقة الشمسية المركبة على السقف من وحدات شمسية موصلة في مكانها بأرفف أو إطارات ملحقة بدعامات تثبيت على السقف. تتضمن دعائم التركيب المعتمدة على السقف ما يلي:

يتصاعد قطب ، والتي تعلق مباشرة على هيكل السقف ويمكن استخدام قضبان إضافية لربط الأرفف وحدة أو إطارات.
يتكوّن حوامل القدم الصخرية ، مثل القواعد الخرسانية أو الفولاذية التي تستخدم الوزن لتأمين نظام اللوحة في الموضع ولا تتطلب اختراقًا. تسمح طريقة التثبيت هذه بإيقاف أو إعادة تنظيم أنظمة الألواح الشمسية دون أي تأثير سلبي على هيكل السقف.
يجب تركيب جميع الأسلاك التي تربط الوحدات الشمسية المجاورة بمعدات حصاد الطاقة وفقًا للقوانين الكهربائية المحلية ويجب تشغيلها في قناة مناسبة للظروف المناخية
تعمل أجهزة التعقب الشمسي على زيادة كمية الطاقة المنتجة لكل وحدة بتكلفة التعقيد الميكانيكي والحاجة إلى الصيانة. انهم يشعرون اتجاه الشمس وإمالة أو تدوير الوحدات حسب الحاجة للحد الأقصى للتعرض للضوء. بدلا من ذلك ، تحمل رفوف ثابتة وحدات ثابتة بينما تتحرك الشمس عبر السماء. يحدد الحامل الثابت الزاوية التي يتم فيها وضع الوحدة. زوايا الميل المكافئة لخط العرض في التركيب شائعة. يتم تعيين معظم هذه الرفوف الثابتة على أعمدة فوق الأرض. قد توفر الألواح التي تواجه الغرب أو الشرق طاقة أقل بشكل طفيف ، ولكنها تسوي العرض ، وقد توفر مزيدًا من الطاقة أثناء ذروة الطلب.

المعايير
المعايير المستخدمة بشكل عام في الوحدات الكهروضوئية:

IEC 61215 (أداء بلوري للسيليكون) ، 61646 (أداء الأغشية الرقيقة) و 61730 (جميع الوحدات ، السلامة)
ISO 9488 الطاقة الشمسية – المفردات.
UL 1703 من مختبرات Underwriters
UL 1741 من مختبرات Underwriters
UL 2703 من مختبرات Underwriters
علامة سي اي
سلسلة اختبارات السلامة الكهربائية (EST) (EST-460، EST-22V، EST-22H، EST-110).

موصلات
تتضمن الألواح الشمسية الخارجية عادة موصلات MC4. الألواح الشمسية للسيارات يمكن أن تشمل أيضا ولاعة السيارة ومحول USB. يمكن للألواح الداخلية (بما في ذلك النظارات الشمسية والأغشية الرقيقة والنوافذ) أن تدمج microinverter (لوحات الطاقة الشمسية AC).

تطبيقات
هناك العديد من التطبيقات العملية لاستخدام الألواح الشمسية أو الخلايا الكهروضوئية. يمكن استخدامه أولاً في الزراعة كمصدر للطاقة للري. في الرعاية الصحية يمكن استخدام الألواح الشمسية لتبريد الإمدادات الطبية. ويمكن أيضا أن تستخدم للبنية التحتية. يتم استخدام الوحدات الكهروضوئية في الأنظمة الكهروضوئية وتشمل مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأجهزة الكهربائية:

محطات الطاقة الضوئية
أنظمة الطاقة الشمسية على السطح
أنظمة الكهروضوئية المستقلة
أنظمة الطاقة الشمسية الهجينة
الخلايا الكهروضوئية المركزة
الطائرات الشمسية
ليزر ضخه بالطاقة الشمسية
المركبات الشمسية
الألواح الشمسية على المركبات الفضائية والمحطات الفضائية

محددات
التلوث والطاقة في الإنتاج
لقد كانت الألواح الشمسية طريقة معروفة لتوليد كهرباء نظيفة خالية من الانبعاثات. ومع ذلك ، فإنها تنتج الكهرباء الحالية المباشرة (DC) ، وهي ليست ما تستخدمه الأجهزة العادية. وغالبا ما تكون نظم الطاقة الشمسية الضوئية (نظم الطاقة الشمسية الكهروضوئية) مصنوعة من الألواح الشمسية الكهروضوئية (وحدات) والعاكس (تغيير DC إلى AC). تتكون الألواح الشمسية الكهروضوئية بشكل رئيسي من الخلايا الشمسية الكهروضوئية ، والتي لا يوجد لديها اختلاف جوهري في المادة المستخدمة لصنع رقائق الكمبيوتر. عملية إنتاج الخلايا الشمسية الكهروضوئية (رقائق الكمبيوتر) هي الطاقة كثيفة وتشمل المواد الكيميائية السامة والبيئية السامة للغاية. هناك عدد قليل من مصانع الطاقة الشمسية 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 تستخدم الأسقف الكهروضوئية على الأسطح 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 معامل القدرة العاكس الكهروضوئية ، ومعدات التحكم في الفولتية والطاقة الجديدة على مستوى توزيع الكهرباء ، وإعادة إجراء 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. ولكن 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.