مصفوفة الطاقة الشمسية الكهروضوئية
إذا كانت الألواح الشمسية الكهروضوئية تتكون من خلايا كهروضوئية فردية متصلة ببعضها البعض ، فإنمصفوفة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، المعروف أيضا ببساطة باسممصفوفة الطاقة الشمسيةهو نظام يتكون من مجموعة من الألواح الشمسية المتصلة ببعضها البعض.
وبالتالي فإن المصفوفة الكهروضوئية عبارة عن ألواح شمسية متعددة متصلة كهربائيا معا لتشكيل تركيب كهروضوئي أكبر بكثير (نظام كهروضوئي) يسمى المصفوفة ، وبشكل عام كلما زادت مساحة السطح الإجمالية للصفيف ، زادت الكهرباء الشمسية التي ستنتجها.
يستخدم النظام الكهروضوئي الكامل مصفوفة كهروضوئية كمصدر رئيسي لتوليد إمدادات الطاقة الكهربائية. كمية الطاقة الشمسية التي تنتجها لوحة أو وحدة كهروضوئية واحدة ليست كافية للاستخدام العام.
تنتج معظم الشركات المصنعة لوحة كهروضوئية قياسية بجهد خرج يبلغ 12 فولت أو 24 فولت. من خلال توصيل العديد من الألواح الكهروضوئية المفردة في سلسلة (لمتطلبات الجهد العالي) وبالتوازي (لمتطلبات تيار أعلى) ، ستنتج المصفوفة الكهروضوئية خرج الطاقة المطلوب.
مجموعة شمسية كهروضوئية
تقوم الخلايا والألواح الكهروضوئية بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء التيار المباشر (DC). اتصال الألواح الشمسية في مصفوفة كهروضوئية واحدة هو نفسه اتصال الخلايا الكهروضوئية في لوحة واحدة.
يمكن توصيل الألواح الموجودة في الصفيف كهربائيا معا إما في سلسلة أو موازية أو خليط من الاثنين ، ولكن بشكل عام يتم اختيار اتصال سلسلة لإعطاء جهد خرج متزايد. على سبيل المثال ، عندما يتم توصيل لوحين شمسيين معا في سلسلة ، يتضاعف جهدهما بينما يظل التيار كما هو.
يمكن أن يتكون حجم المصفوفة الكهروضوئية من عدد قليل من الوحدات أو الألواح الكهروضوئية الفردية المتصلة معا في بيئة حضرية ومثبتة على سطح ، أو قد تتكون من عدة مئات من الألواح الكهروضوئية المترابطة معا في حقل لتوفير الطاقة لمدينة أو حي بأكمله. تسمح مرونة المصفوفة الكهروضوئية المعيارية (النظام الكهروضوئي) للمصممين بإنشاء أنظمة طاقة شمسية يمكنها تلبية مجموعة واسعة من الاحتياجات الكهربائية ، بغض النظر عن حجمها الكبير أو الصغير.
من المهم ملاحظة أنه لا ينبغي خلط الألواح أو الوحدات الكهروضوئية من مختلف الشركات المصنعة معا في صفيف واحد ، حتى لو كانت مخرجاتها من الطاقة أو الجهد أو التيار متشابهة اسميا. ويرجع ذلك إلى أن الاختلافات في منحنيات الخلايا الشمسية I-V المميزة وكذلك استجابتها الطيفية من المرجح أن تسبب خسائر إضافية في عدم التطابق داخل الصفيف ، مما يقلل من كفاءتها الإجمالية.
الخصائص الكهربائية للمصفوفة الكهروضوئية
يتم تلخيص الخصائص الكهربائية للمصفوفة الكهروضوئية في العلاقة بين تيار الإخراج والجهد. تتحكم كمية وشدة التشميس الشمسي (الإشعاع الشمسي) في كمية تيار الإخراج (I) ، وتؤثر درجة حرارة تشغيل الخلايا الشمسية على جهد الإخراج (V) للمصفوفة الكهروضوئية. يتم إعطاء منحنيات الألواح الكهروضوئية (I-V) التي تلخص العلاقة بين التيار والجهد من قبل الشركات المصنعة ويتم إعطاؤها على النحو التالي:
معلمات صفيف الطاقة الشمسية
المركبات العضوية المتطايرة = جهد الدائرة المفتوحة:- هذا هو الجهد الأقصى الذي توفره الصفيف عندما لا تكون المحطات الطرفية متصلة بأي حمل (حالة دائرة مفتوحة). هذه القيمة أعلى بكثير من Vmax التي تتعلق بتشغيل الصفيف الكهروضوئي الذي يتم إصلاحه بواسطة الحمل. تعتمد هذه القيمة على عدد الألواح الكهروضوئية المتصلة معا في سلسلة.
ISC = تيار الدائرة القصيرة- الحد الأقصى للتيار الذي توفره الصفيف الكهروضوئي عند تقصير موصلات الإخراج معا (حالة ماس كهربائى). هذه القيمة أعلى بكثير من Imax التي تتعلق بتيار دائرة التشغيل العادي.
Pmax = الحد الأقصى لنقطة الطاقة- يتعلق هذا بالنقطة التي تكون فيها الطاقة التي يوفرها الصفيف المتصل بالحمل (البطاريات ، العاكسات) في قيمتها القصوى ، حيث Pmax = Imax x Vmax. يتم قياس الحد الأقصى لنقطة الطاقة لصفيف كهروضوئي بالواط (W) أو ذروة الواط (Wp).
FF = عامل التعبئة –عامل التعبئة هو العلاقة بين الطاقة القصوى التي يمكن أن توفرها الصفيف بالفعل في ظل ظروف التشغيل العادية وناتج جهد الدائرة المفتوحة مضروبا في تيار الدائرة القصيرة ، (Voc x Isc) تعطي قيمة عامل التعبئة هذه فكرة عن جودة الصفيف وكلما اقترب عامل التعبئة من 1 (الوحدة) ، كلما زادت الطاقة التي يمكن أن توفرها الصفيف. القيم النموذجية هي بين 0.7 و 0.8.
٪ eff = النسبة المئوية للكفاءة -كفاءة المصفوفة الكهروضوئية هي النسبة بين الطاقة الكهربائية القصوى التي يمكن أن تنتجها المصفوفة مقارنة بكمية الإشعاع الشمسي التي تضرب الصفيف. عادة ما تكون كفاءة المصفوفة الشمسية النموذجية منخفضة عند حوالي 10-12٪ ، اعتمادا على نوع الخلايا (أحادية البلورية أو متعددة الكريستالات أو غير متبلورة أو رقيقة) المستخدمة.
توفر منحنيات خصائص I-V الكهروضوئية المعلومات التي يحتاجها المصممون لتكوين الأنظمة التي يمكن أن تعمل في أقرب وقت ممكن من أقصى نقطة طاقة قصوى. يتم قياس نقطة الطاقة القصوى حيث تنتج الوحدة الكهروضوئية أقصى قدر من الطاقة عند تعرضها للإشعاع الشمسي بما يعادل 1000 واط لكل متر مربع أو 1000 واط / م 2 أو 1 كيلو واط / م 2. النظر في الدائرة أدناه.
اتصالات الصفيف الكهروضوئي
تتكون هذه المجموعة الكهروضوئية البسيطة أعلاه من أربع وحدات كهروضوئية كما هو موضح ، مما ينتج فرعين متوازيين يوجد فيهما لوحان كهروضوئيان متصلان كهربائيا معا لإنتاج دائرة سلسلة. وبالتالي ، فإن جهد الإخراج من الصفيف سيكون مساويا لاتصال السلسلة للألواح الكهروضوئية ، وفي مثالنا أعلاه ، يتم حساب ذلك على النحو التالي: Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
سيكون تيار الإخراج مساويا لمجموع تيارات الفرع المتوازية. إذا افترضنا أن كل لوحة كهروضوئية تنتج 3.75 أمبير عند أشعة الشمس الكاملة ، فإن إجمالي التيار (IT ) سيكون مساويا: IT = 3.75A + 3.75A = 7.5 Amperes. ثم يمكن حساب الطاقة القصوى للمصفوفة الكهروضوئية عند الشمس الكاملة على النحو التالي: Pout = V x I = 24 × 7.5 = 180W.
تصل المجموعة الكهروضوئية إلى الحد الأقصى البالغ 180 واط في الشمس الكاملة لأن الحد الأقصى لخرج الطاقة لكل لوحة أو وحدة كهروضوئية يساوي 45 واط (12 فولت × 3.75 أمبير). ومع ذلك ، نظرا لاختلاف مستويات الإشعاع الشمسي ، وتأثير درجة الحرارة ، والخسائر الكهربائية ، وما إلى ذلك ، فإن الحد الأقصى الحقيقي لطاقة الإخراج عادة ما يكون أقل بكثير من 180 واط المحسوبة. ثم يمكننا تقديم خصائص صفيفنا الكهروضوئي على أنها موجودة.
خصائص الصفيف الكهروضوئي
تجاوز الثنائيات في المصفوفات الكهروضوئية
الخلايا الكهروضوئية والثنائيات هي أجهزة أشباه الموصلات المصنوعة من مادة السيليكون من النوع P ومادة السيليكون من النوع N المنصهرة معا. على عكس الخلية الكهروضوئية التي تولد جهدا عند تعرضها للضوء ، تعمل الثنائيات PN-junction مثل صمام كهربائي في اتجاه واحد في الحالة الصلبة يسمح فقط للتيار الكهربائي بالتدفق عبر نفسه في اتجاه واحد فقط.
ميزة هذا هو أنه يمكن استخدام الثنائيات لمنع تدفق التيار الكهربائي من أجزاء أخرى من الدائرة الشمسية الكهربائية. عند استخدامها في صفيف شمسي كهروضوئي ، تسمى هذه الأنواع من ثنائيات السيليكون عموما الثنائيات المانعة.
في البرنامج التعليمي السابق حول الألواح الكهروضوئية ، رأينا أن "الثنائيات الالتفافية" تستخدم بالتوازي مع خلية شمسية واحدة أو عدد من الخلايا الشمسية الكهروضوئية لمنع التيار (التيارات) المتدفق من الخلايا الكهروضوئية الجيدة والمعرضة جيدا لأشعة الشمس وحرق الخلايا الكهروضوئية الضعيفة أو المظللة جزئيا من خلال توفير مسار حالي حول الخلية السيئة. تستخدم الثنائيات المانعة بشكل مختلف عن الثنائيات الالتفافية.
عادة ما يتم توصيل الثنائيات الالتفافية "بالتوازي" مع خلية أو لوحة كهروضوئية لتحويل التيار حولها ، في حين يتم توصيل الثنائيات المانعة في "سلسلة" مع الألواح الكهروضوئية لمنع تدفق التيار مرة أخرى إليها. وبالتالي فإن الثنائيات المانعة تختلف عن الثنائيات الالتفافية على الرغم من أن الصمام الثنائي في معظم الحالات هو نفسه جسديا ، ولكن يتم تثبيتها بشكل مختلف وتخدم غرضا مختلفا. النظر في مجموعتنا الشمسية الكهروضوئية أدناه.
الثنائيات في المصفوفات الكهروضوئية
كما قلنا سابقا ، الثنائيات هي أجهزة تسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط. الثنائيات الملونة باللون الأخضر هي الثنائيات الالتفافية المألوفة ، واحدة بالتوازي مع كل لوحة كهروضوئية لتوفير مسار مقاومة منخفض حول اللوحة. ومع ذلك ، يشار إلى الثنائيين الملونين باللون الأحمر باسم "الثنائيات المانعة" ، واحدة في سلسلة مع كل فرع سلسلة. تضمن هذه الثنائيات المانعة أن التيار الكهربائي يتدفق فقط خارج صفيف السلسلة إلى الحمل الخارجي أو وحدة التحكم أو البطاريات.
والسبب في ذلك هو منع التيار الناتج عن الألواح الكهروضوئية الأخرى المتصلة المتوازية في نفس الصفيف من التدفق مرة أخرى عبر شبكة أضعف (مظللة) وأيضا لمنع البطاريات المشحونة بالكامل من التفريغ أو التصريف مرة أخرى من خلال الصفيف الكهروضوئي في الليل. لذلك عندما يتم توصيل لوحات كهروضوئية متعددة بالتوازي ، يجب استخدام الثنائيات المانعة في كل فرع متصل متواز.
بشكل عام ، يتم استخدام الثنائيات المانعة في المصفوفات الكهروضوئية عندما يكون هناك فرعان متوازيان أو أكثر أو هناك احتمال أن تصبح بعض المصفوفة مظللة جزئيا خلال النهار مع تحرك الشمس عبر السماء. يعتمد حجم ونوع الصمام الثنائي المانع المستخدم على نوع الصفيف الكهروضوئي. يتوفر نوعان من الثنائيات لمصفوفات الطاقة الشمسية: الصمام الثنائي السيليكوني PN-junction والصمام الثنائي الحاجز Schottky. كلاهما متاح مع مجموعة واسعة من التصنيفات الحالية.
يحتوي الصمام الثنائي الحاجز Schottky على انخفاض جهد أمامي أقل بكثير يبلغ حوالي 0.4 فولت مقابل انخفاض الثنائيات PN بمقدار 0.7 فولت لجهاز السيليكون. يسمح انخفاض الجهد المنخفض هذا بتوفير خلية كهروضوئية كاملة واحدة في كل فرع من فروع السلسلة من المجموعة الشمسية ، وبالتالي ، فإن الصفيف أكثر كفاءة نظرا لتبديد طاقة أقل في الصمام الثنائي المانع. تتضمن معظم الشركات المصنعة حجب الثنائيات داخل وحداتها الكهروضوئية لتبسيط التصميم.
بناء صفيف الخلايا الكهروضوئية الخاصة بك
كمية الإشعاع الشمسي المستلم والطلب اليومي على الطاقة هما العاملان المتحكمان في تصميم المجموعة الكهروضوئية وأنظمة الطاقة الشمسية. يجب أن يكون حجم المصفوفة الكهروضوئية لتلبية الطلب على الحمل وحساب أي خسائر في النظام في حين أن تظليل أي جزء من الصفيف الشمسي سيقلل بشكل كبير من إنتاج النظام بأكمله.
إذا كانت الألواح الشمسية متصلة كهربائيا معا في سلسلة ، فسيكون التيار هو نفسه في كل لوحة وإذا كانت الألواح مظللة جزئيا ، فلن تتمكن من إنتاج نفس الكمية من التيار. كما أن الألواح الكهروضوئية المظللة ستبدد الطاقة والنفايات كحرارة بدلا من توليدها ، وسيساعد استخدام الثنائيات الالتفافية على منع مثل هذه المشاكل من خلال توفير مسار تيار بديل.
لا يلزم حجب الثنائيات في نظام متصل بسلسلة كاملة ولكن يجب استخدامه لمنع تدفق التيار العكسي من البطاريات إلى الصفيف أثناء الليل أو عندما يكون الإشعاع الشمسي منخفضا. يجب مراعاة الظروف المناخية الأخرى بصرف النظر عن أشعة الشمس في أي تصميم.
نظرا لأن الجهد الناتج للخلية الشمسية السيليكونية هو معلمة مرتبطة بدرجة الحرارة ، يجب أن يكون المصمم على دراية بدرجات الحرارة اليومية السائدة ، سواء القصوى (العالية والمنخفضة) والاختلافات الموسمية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب مراعاة المطر وتساقط الثلوج في تصميم هيكل التركيب. تحميل الرياح مهم بشكل خاص في المنشآت أعلى الجبال.
في البرنامج التعليمي التالي حول "الطاقة الشمسية" ، سننظر في كيفية استخدام صفائف أشباه الموصلات الكهروضوئية والألواح الشمسية كجزء من نظام كهروضوئي مستقل لتوليد الطاقة للتطبيقات خارج الشبكة.
إذا كانت الألواح الشمسية الكهروضوئية تتكون من خلايا كهروضوئية فردية متصلة ببعضها البعض ، فإنمصفوفة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، المعروف أيضا ببساطة باسممصفوفة الطاقة الشمسيةهو نظام يتكون من مجموعة من الألواح الشمسية المتصلة ببعضها البعض.
وبالتالي فإن المصفوفة الكهروضوئية عبارة عن ألواح شمسية متعددة متصلة كهربائيا معا لتشكيل تركيب كهروضوئي أكبر بكثير (نظام كهروضوئي) يسمى المصفوفة ، وبشكل عام كلما زادت مساحة السطح الإجمالية للصفيف ، زادت الكهرباء الشمسية التي ستنتجها.
يستخدم النظام الكهروضوئي الكامل مصفوفة كهروضوئية كمصدر رئيسي لتوليد إمدادات الطاقة الكهربائية. كمية الطاقة الشمسية التي تنتجها لوحة أو وحدة كهروضوئية واحدة ليست كافية للاستخدام العام.
تنتج معظم الشركات المصنعة لوحة كهروضوئية قياسية بجهد خرج يبلغ 12 فولت أو 24 فولت. من خلال توصيل العديد من الألواح الكهروضوئية المفردة في سلسلة (لمتطلبات الجهد العالي) وبالتوازي (لمتطلبات تيار أعلى) ، ستنتج المصفوفة الكهروضوئية خرج الطاقة المطلوب.
مجموعة شمسية كهروضوئية
تقوم الخلايا والألواح الكهروضوئية بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء التيار المباشر (DC). اتصال الألواح الشمسية في مصفوفة كهروضوئية واحدة هو نفسه اتصال الخلايا الكهروضوئية في لوحة واحدة.
يمكن توصيل الألواح الموجودة في الصفيف كهربائيا معا إما في سلسلة أو موازية أو خليط من الاثنين ، ولكن بشكل عام يتم اختيار اتصال سلسلة لإعطاء جهد خرج متزايد. على سبيل المثال ، عندما يتم توصيل لوحين شمسيين معا في سلسلة ، يتضاعف جهدهما بينما يظل التيار كما هو.
يمكن أن يتكون حجم المصفوفة الكهروضوئية من عدد قليل من الوحدات أو الألواح الكهروضوئية الفردية المتصلة معا في بيئة حضرية ومثبتة على سطح ، أو قد تتكون من عدة مئات من الألواح الكهروضوئية المترابطة معا في حقل لتوفير الطاقة لمدينة أو حي بأكمله. تسمح مرونة المصفوفة الكهروضوئية المعيارية (النظام الكهروضوئي) للمصممين بإنشاء أنظمة طاقة شمسية يمكنها تلبية مجموعة واسعة من الاحتياجات الكهربائية ، بغض النظر عن حجمها الكبير أو الصغير.
من المهم ملاحظة أنه لا ينبغي خلط الألواح أو الوحدات الكهروضوئية من مختلف الشركات المصنعة معا في صفيف واحد ، حتى لو كانت مخرجاتها من الطاقة أو الجهد أو التيار متشابهة اسميا. ويرجع ذلك إلى أن الاختلافات في منحنيات الخلايا الشمسية I-V المميزة وكذلك استجابتها الطيفية من المرجح أن تسبب خسائر إضافية في عدم التطابق داخل الصفيف ، مما يقلل من كفاءتها الإجمالية.
الخصائص الكهربائية للمصفوفة الكهروضوئية
يتم تلخيص الخصائص الكهربائية للمصفوفة الكهروضوئية في العلاقة بين تيار الإخراج والجهد. تتحكم كمية وشدة التشميس الشمسي (الإشعاع الشمسي) في كمية تيار الإخراج (I) ، وتؤثر درجة حرارة تشغيل الخلايا الشمسية على جهد الإخراج (V) للمصفوفة الكهروضوئية. يتم إعطاء منحنيات الألواح الكهروضوئية (I-V) التي تلخص العلاقة بين التيار والجهد من قبل الشركات المصنعة ويتم إعطاؤها على النحو التالي:
معلمات صفيف الطاقة الشمسية
المركبات العضوية المتطايرة = جهد الدائرة المفتوحة:- هذا هو الجهد الأقصى الذي توفره الصفيف عندما لا تكون المحطات الطرفية متصلة بأي حمل (حالة دائرة مفتوحة). هذه القيمة أعلى بكثير من Vmax التي تتعلق بتشغيل الصفيف الكهروضوئي الذي يتم إصلاحه بواسطة الحمل. تعتمد هذه القيمة على عدد الألواح الكهروضوئية المتصلة معا في سلسلة.
ISC = تيار الدائرة القصيرة- الحد الأقصى للتيار الذي توفره الصفيف الكهروضوئي عند تقصير موصلات الإخراج معا (حالة ماس كهربائى). هذه القيمة أعلى بكثير من Imax التي تتعلق بتيار دائرة التشغيل العادي.
Pmax = الحد الأقصى لنقطة الطاقة- يتعلق هذا بالنقطة التي تكون فيها الطاقة التي يوفرها الصفيف المتصل بالحمل (البطاريات ، العاكسات) في قيمتها القصوى ، حيث Pmax = Imax x Vmax. يتم قياس الحد الأقصى لنقطة الطاقة لصفيف كهروضوئي بالواط (W) أو ذروة الواط (Wp).
FF = عامل التعبئة –عامل التعبئة هو العلاقة بين الطاقة القصوى التي يمكن أن توفرها الصفيف بالفعل في ظل ظروف التشغيل العادية وناتج جهد الدائرة المفتوحة مضروبا في تيار الدائرة القصيرة ، (Voc x Isc) تعطي قيمة عامل التعبئة هذه فكرة عن جودة الصفيف وكلما اقترب عامل التعبئة من 1 (الوحدة) ، كلما زادت الطاقة التي يمكن أن توفرها الصفيف. القيم النموذجية هي بين 0.7 و 0.8.
٪ eff = النسبة المئوية للكفاءة -كفاءة المصفوفة الكهروضوئية هي النسبة بين الطاقة الكهربائية القصوى التي يمكن أن تنتجها المصفوفة مقارنة بكمية الإشعاع الشمسي التي تضرب الصفيف. عادة ما تكون كفاءة المصفوفة الشمسية النموذجية منخفضة عند حوالي 10-12٪ ، اعتمادا على نوع الخلايا (أحادية البلورية أو متعددة الكريستالات أو غير متبلورة أو رقيقة) المستخدمة.
توفر منحنيات خصائص I-V الكهروضوئية المعلومات التي يحتاجها المصممون لتكوين الأنظمة التي يمكن أن تعمل في أقرب وقت ممكن من أقصى نقطة طاقة قصوى. يتم قياس نقطة الطاقة القصوى حيث تنتج الوحدة الكهروضوئية أقصى قدر من الطاقة عند تعرضها للإشعاع الشمسي بما يعادل 1000 واط لكل متر مربع أو 1000 واط / م 2 أو 1 كيلو واط / م 2. النظر في الدائرة أدناه.
اتصالات الصفيف الكهروضوئي
تتكون هذه المجموعة الكهروضوئية البسيطة أعلاه من أربع وحدات كهروضوئية كما هو موضح ، مما ينتج فرعين متوازيين يوجد فيهما لوحان كهروضوئيان متصلان كهربائيا معا لإنتاج دائرة سلسلة. وبالتالي ، فإن جهد الإخراج من الصفيف سيكون مساويا لاتصال السلسلة للألواح الكهروضوئية ، وفي مثالنا أعلاه ، يتم حساب ذلك على النحو التالي: Vout = 12V + 12V = 24 Volts.
سيكون تيار الإخراج مساويا لمجموع تيارات الفرع المتوازية. إذا افترضنا أن كل لوحة كهروضوئية تنتج 3.75 أمبير عند أشعة الشمس الكاملة ، فإن إجمالي التيار (IT ) سيكون مساويا: IT = 3.75A + 3.75A = 7.5 Amperes. ثم يمكن حساب الطاقة القصوى للمصفوفة الكهروضوئية عند الشمس الكاملة على النحو التالي: Pout = V x I = 24 × 7.5 = 180W.
تصل المجموعة الكهروضوئية إلى الحد الأقصى البالغ 180 واط في الشمس الكاملة لأن الحد الأقصى لخرج الطاقة لكل لوحة أو وحدة كهروضوئية يساوي 45 واط (12 فولت × 3.75 أمبير). ومع ذلك ، نظرا لاختلاف مستويات الإشعاع الشمسي ، وتأثير درجة الحرارة ، والخسائر الكهربائية ، وما إلى ذلك ، فإن الحد الأقصى الحقيقي لطاقة الإخراج عادة ما يكون أقل بكثير من 180 واط المحسوبة. ثم يمكننا تقديم خصائص صفيفنا الكهروضوئي على أنها موجودة.
خصائص الصفيف الكهروضوئي
تجاوز الثنائيات في المصفوفات الكهروضوئية
الخلايا الكهروضوئية والثنائيات هي أجهزة أشباه الموصلات المصنوعة من مادة السيليكون من النوع P ومادة السيليكون من النوع N المنصهرة معا. على عكس الخلية الكهروضوئية التي تولد جهدا عند تعرضها للضوء ، تعمل الثنائيات PN-junction مثل صمام كهربائي في اتجاه واحد في الحالة الصلبة يسمح فقط للتيار الكهربائي بالتدفق عبر نفسه في اتجاه واحد فقط.
ميزة هذا هو أنه يمكن استخدام الثنائيات لمنع تدفق التيار الكهربائي من أجزاء أخرى من الدائرة الشمسية الكهربائية. عند استخدامها في صفيف شمسي كهروضوئي ، تسمى هذه الأنواع من ثنائيات السيليكون عموما الثنائيات المانعة.
في البرنامج التعليمي السابق حول الألواح الكهروضوئية ، رأينا أن "الثنائيات الالتفافية" تستخدم بالتوازي مع خلية شمسية واحدة أو عدد من الخلايا الشمسية الكهروضوئية لمنع التيار (التيارات) المتدفق من الخلايا الكهروضوئية الجيدة والمعرضة جيدا لأشعة الشمس وحرق الخلايا الكهروضوئية الضعيفة أو المظللة جزئيا من خلال توفير مسار حالي حول الخلية السيئة. تستخدم الثنائيات المانعة بشكل مختلف عن الثنائيات الالتفافية.
عادة ما يتم توصيل الثنائيات الالتفافية "بالتوازي" مع خلية أو لوحة كهروضوئية لتحويل التيار حولها ، في حين يتم توصيل الثنائيات المانعة في "سلسلة" مع الألواح الكهروضوئية لمنع تدفق التيار مرة أخرى إليها. وبالتالي فإن الثنائيات المانعة تختلف عن الثنائيات الالتفافية على الرغم من أن الصمام الثنائي في معظم الحالات هو نفسه جسديا ، ولكن يتم تثبيتها بشكل مختلف وتخدم غرضا مختلفا. النظر في مجموعتنا الشمسية الكهروضوئية أدناه.
الثنائيات في المصفوفات الكهروضوئية
كما قلنا سابقا ، الثنائيات هي أجهزة تسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط. الثنائيات الملونة باللون الأخضر هي الثنائيات الالتفافية المألوفة ، واحدة بالتوازي مع كل لوحة كهروضوئية لتوفير مسار مقاومة منخفض حول اللوحة. ومع ذلك ، يشار إلى الثنائيين الملونين باللون الأحمر باسم "الثنائيات المانعة" ، واحدة في سلسلة مع كل فرع سلسلة. تضمن هذه الثنائيات المانعة أن التيار الكهربائي يتدفق فقط خارج صفيف السلسلة إلى الحمل الخارجي أو وحدة التحكم أو البطاريات.
والسبب في ذلك هو منع التيار الناتج عن الألواح الكهروضوئية الأخرى المتصلة المتوازية في نفس الصفيف من التدفق مرة أخرى عبر شبكة أضعف (مظللة) وأيضا لمنع البطاريات المشحونة بالكامل من التفريغ أو التصريف مرة أخرى من خلال الصفيف الكهروضوئي في الليل. لذلك عندما يتم توصيل لوحات كهروضوئية متعددة بالتوازي ، يجب استخدام الثنائيات المانعة في كل فرع متصل متواز.
بشكل عام ، يتم استخدام الثنائيات المانعة في المصفوفات الكهروضوئية عندما يكون هناك فرعان متوازيان أو أكثر أو هناك احتمال أن تصبح بعض المصفوفة مظللة جزئيا خلال النهار مع تحرك الشمس عبر السماء. يعتمد حجم ونوع الصمام الثنائي المانع المستخدم على نوع الصفيف الكهروضوئي. يتوفر نوعان من الثنائيات لمصفوفات الطاقة الشمسية: الصمام الثنائي السيليكوني PN-junction والصمام الثنائي الحاجز Schottky. كلاهما متاح مع مجموعة واسعة من التصنيفات الحالية.
يحتوي الصمام الثنائي الحاجز Schottky على انخفاض جهد أمامي أقل بكثير يبلغ حوالي 0.4 فولت مقابل انخفاض الثنائيات PN بمقدار 0.7 فولت لجهاز السيليكون. يسمح انخفاض الجهد المنخفض هذا بتوفير خلية كهروضوئية كاملة واحدة في كل فرع من فروع السلسلة من المجموعة الشمسية ، وبالتالي ، فإن الصفيف أكثر كفاءة نظرا لتبديد طاقة أقل في الصمام الثنائي المانع. تتضمن معظم الشركات المصنعة حجب الثنائيات داخل وحداتها الكهروضوئية لتبسيط التصميم.
بناء صفيف الخلايا الكهروضوئية الخاصة بك
كمية الإشعاع الشمسي المستلم والطلب اليومي على الطاقة هما العاملان المتحكمان في تصميم المجموعة الكهروضوئية وأنظمة الطاقة الشمسية. يجب أن يكون حجم المصفوفة الكهروضوئية لتلبية الطلب على الحمل وحساب أي خسائر في النظام في حين أن تظليل أي جزء من الصفيف الشمسي سيقلل بشكل كبير من إنتاج النظام بأكمله.
إذا كانت الألواح الشمسية متصلة كهربائيا معا في سلسلة ، فسيكون التيار هو نفسه في كل لوحة وإذا كانت الألواح مظللة جزئيا ، فلن تتمكن من إنتاج نفس الكمية من التيار. كما أن الألواح الكهروضوئية المظللة ستبدد الطاقة والنفايات كحرارة بدلا من توليدها ، وسيساعد استخدام الثنائيات الالتفافية على منع مثل هذه المشاكل من خلال توفير مسار تيار بديل.
لا يلزم حجب الثنائيات في نظام متصل بسلسلة كاملة ولكن يجب استخدامه لمنع تدفق التيار العكسي من البطاريات إلى الصفيف أثناء الليل أو عندما يكون الإشعاع الشمسي منخفضا. يجب مراعاة الظروف المناخية الأخرى بصرف النظر عن أشعة الشمس في أي تصميم.
نظرا لأن الجهد الناتج للخلية الشمسية السيليكونية هو معلمة مرتبطة بدرجة الحرارة ، يجب أن يكون المصمم على دراية بدرجات الحرارة اليومية السائدة ، سواء القصوى (العالية والمنخفضة) والاختلافات الموسمية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب مراعاة المطر وتساقط الثلوج في تصميم هيكل التركيب. تحميل الرياح مهم بشكل خاص في المنشآت أعلى الجبال.
في البرنامج التعليمي التالي حول "الطاقة الشمسية" ، سننظر في كيفية استخدام صفائف أشباه الموصلات الكهروضوئية والألواح الشمسية كجزء من نظام كهروضوئي مستقل لتوليد الطاقة للتطبيقات خارج الشبكة.