مجموعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية
إذا كانت الألواح الشمسية الكهروضوئية تتكون من خلايا كهروضوئية فردية متصلة ببعضها البعض ، فإن مجموعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، المعروف أيضا باسم مجموعة الطاقة الشمسية هو 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 PV) يسمى صفيف ، وبشكل عام كلما زادت مساحة السطح الإجمالية للصفيف ، زادت الكهرباء الشمسية التي ستنتجها.
يستخدم النظام الكهروضوئي الكامل مجموعة كهروضوئية كمصدر رئيسي لتوليد مصدر الطاقة الكهربائية. كمية الطاقة الشمسية التي تنتجها لوحة أو وحدة كهروضوئية واحدة ليست كافية للاستخدام العام.
تنتج معظم المصنوعات لوحة كهروضوئية قياسية بجهد خرج 12 فولت أو 24 فولت. من خلال توصيل العديد من الألواح الكهروضوئية الفردية في سلسلة (لمتطلبات جهد أعلى) وبالتوازي (لمتطلبات تيار أعلى) ، ستنتج المجموعة الكهروضوئية خرج الطاقة المطلوب.
مجموعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية
تقوم الخلايا والألواح الكهروضوئية بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء تيار مباشر (DC). اتصال الألواح الشمسية في مجموعة كهروضوئية واحدة هو نفس اتصال الخلايا الكهروضوئية في لوحة واحدة.
يمكن توصيل الألواح الموجودة في الصفيف كهربائيا معا إما في سلسلة أو متوازية أو خليط من الاثنين ، ولكن بشكل عام يتم اختيار اتصال متسلسل 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 ببعضها البعض في بيئة حضرية ومثبتة على سطح ، أو قد تتكون من عدة مئات من الألواح الكهروضوئية المترابطة معا في حقل لتزويد الطاقة لمدينة أو حي بأكمله. تسمح مرونة الصفيف الكهروضوئي المعياري (النظام الكهروضوئي) للمصممين بإنشاء أنظمة طاقة شمسية يمكنها تلبية مجموعة متنوعة من الاحتياجات الكهربائية ، مهما كانت كبيرة أو صغيرة.
من المهم ملاحظة أنه لا ينبغي خلط الألواح أو الوحدات الكهروضوئية من مختلف الصانعين معا في صفيف واحد ، حتى لو كانت قوتها أو جهدها أو مخرجاتها الحالية متشابهة اسميا. وذلك لأن الاختلافات في منحنيات خصائص الخلية الشمسية I-V وكذلك استجابتها الطيفية من المحتمل أن تسبب خسائر إضافية في عدم التطابق داخل المصفوفة ، مما يقلل من كفاءتها الإجمالية.
الخصائص الكهربائية للصفيف الكهروضوئي
يتم تلخيص الخصائص الكهربائية للصفيف الكهروضوئي في العلاقة بين تيار الخرج والجهد. تتحكم كمية وشدة التشمس الشمسي (الإشعاع الشمسي) في كمية تيار الإخراج (I) ، وتؤثر درجة حرارة تشغيل الخلايا الشمسية على جهد الخرج (V) للصفيف الكهروضوئي. يتم إعطاء منحنيات الألواح الكهروضوئية (I-V) التي تلخص العلاقة بين التيار والجهد من قبل الشركات المصنعة ويتم تقديمها على النحو التالي:
معلمات الصفيف الشمسي
المركبات العضوية المتطايرة = جهد الدائرة المفتوحة: - هذا هو الحد الأقصى للجهد الذي يوفره الصفيف عندما لا تكون الأطراف متصلة بأي حمل (حالة دائرة مفتوحة). هذه القيمة أعلى بكثير من Vmax التي تتعلق بتشغيل المصفوفة الكهروضوئية التي يتم تثبيتها بواسطة الحمل. تعتمد هذه القيمة على عدد الألواح الكهروضوئية المتصلة ببعضها البعض في سلسلة.
ISC = تيار ماس كهربائى - الحد الأقصى للتيار الذي توفره الصفيف الكهروضوئي عند تقصير موصلات الخرج معا (حالة ماس كهربائى). هذه القيمة أعلى بكثير من Imax التي تتعلق بتيار دائرة التشغيل العادية.
Pmax = أقصى نقطة طاقة - يتعلق هذا بالنقطة التي تكون فيها الطاقة التي توفرها المصفوفة المتصلة بالحمل (البطاريات ، العاكسات) عند أقصى قيمة لها ، حيث Pmax = Imax x Vmax. يتم قياس نقطة الطاقة القصوى للصفيف الكهروضوئي بالواط (W) أو ذروة واط (Wp).
FF = عامل التعبئة - عامل التعبئة هو العلاقة بين الطاقة القصوى التي يمكن أن توفرها المصفوفة 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 المصفوفة وكلما اقترب عامل التعبئة من 1 (الوحدة) ، كلما زادت الطاقة التي يمكن أن توفرها الصفيف. تتراوح القيم النموذجية 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 تصل إلى المصفوفة. 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 الغشاء) 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 ذروة. يتم قياس نقطة ذروة الطاقة 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 الكهروضوئية
تتكون هذه المجموعة الكهروضوئية البسيطة أعلاه من أربع وحدات كهروضوئية كما هو موضح ، مما ينتج عنه فرعان متوازيان يوجد فيهما لوحان كهروضوئيان متصلان كهربائيا معا لإنتاج دائرة متسلسلة. وبالتالي ، سيكون جهد الخرج من الصفيف مساويا للتوصيل المتسلسل للألواح الكهروضوئية ، وفي مثالنا أعلاه ، يتم حساب ذلك على النحو التالي: Vout = 12V + 12V = 24 فولت.
سيكون تيار الخرج مساويا لمجموع التيارات الفرعية المتوازية. إذا افترضنا أن كل لوحة PV تنتج 3.75 أمبير عند الشمس الكاملة ، فإن إجمالي التيار (IT) سيكون مساويا ل: IT = 3.75A + 3.75A = 7.5 أمبير. ثم يمكن حساب الطاقة القصوى للصفيف الكهروضوئي 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 لإنتاج الطاقة لكل لوحة أو وحدة PV يساوي 45 واط (12 فولت × 3.75 أمبير). ومع ذلك ، نظرا لمستويات مختلفة من الإشعاع الشمسي ، وتأثير درجة الحرارة ، والخسائر الكهربائية وما إلى ذلك ، فإن الحد الأقصى الحقيقي لطاقة الخرج عادة ما يكون أقل بكثير من 180 واط المحسوبة. ثم يمكننا تقديم خصائص الصفيف الكهروضوئي على أنها موجودة.
خصائص الصفيف الكهروضوئي
الثنائيات الالتفافية في المصفوفات الكهروضوئية
الخلايا الكهروضوئية والثنائيات هي أجهزة أشباه الموصلات مصنوعة من مادة السيليكون من النوع P ومادة السيليكون من النوع N المدمجة معا. على عكس الخلية الكهروضوئية التي تولد جهدا عند تعرضها للضوء ، تعمل الثنائيات ذات الوصلات PN كصمام كهربائي أحادي الاتجاه 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 مجموعة شمسية كهروضوئية ، 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) المتدفقة من الخلايا الكهروضوئية الجيدة والمعرضة جيدا لأشعة الشمس المحمومة وحرق الخلايا الكهروضوئية الضعيفة أو المظللة جزئيا من خلال توفير مسار حالي حول الخلية السيئة. يتم استخدام الثنائيات المانعة بشكل مختلف عن الثنائيات الجانبية.
عادة ما يتم توصيل الثنائيات الالتفافية "بالتوازي" مع خلية أو لوحة PV لتحويل التيار من حولها ، في حين يتم توصيل الثنائيات المحظورة في "سلسلة" مع الألواح الكهروضوئية لمنع تدفق التيار إليها مرة أخرى. وبالتالي ، فإن الثنائيات المانعة مختلفة عن الثنائيات الالتفافية على الرغم من أن الصمام الثنائي في معظم الحالات هو نفسه جسديا ، ولكن يتم تثبيتها بشكل مختلف وتخدم غرضا مختلفا. ضع في اعتبارك 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 PV لتوفير مسار مقاومة منخفضة حول اللوحة. ومع ذلك ، يشار إلى الثنائيات الملونة باللون الأحمر باسم "الثنائيات المانعة" ، واحدة في سلسلة مع كل فرع سلسلة. تضمن هذه الثنائيات المانعة أن التيار الكهربائي يتدفق فقط من صفيف السلسلة إلى الحمل الخارجي أو وحدة التحكم أو البطاريات.
والسبب في ذلك هو منع التيار الناتج عن الألواح الكهروضوئية المتوازية الأخرى المتصلة في نفس المصفوفة من التدفق مرة أخرى عبر شبكة أضعف (مظللة) وأيضا لمنع البطاريات المشحونة بالكامل من التفريغ أو التصريف مرة أخرى من خلال المصفوفة الكهروضوئية في الليل. لذلك عندما يتم توصيل العديد من الألواح الكهروضوئية بالتوازي ، يجب استخدام الثنائيات المانعة في كل فرع متصل متوازي.
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 أثناء النهار مع تحرك الشمس عبر السماء. يعتمد حجم ونوع الصمام الثنائي المانع المستخدم على نوع المصفوفة الكهروضوئية. يتوفر نوعان من الثنائيات لمصفوفات الطاقة الشمسية: الصمام الثنائي السيليكوني PN-junction والصمام الثنائي حاجز Schottky. كلاهما متاح مع مجموعة واسعة من التصنيفات الحالية.
يحتوي الصمام الثنائي الحاجز Schottky على انخفاض أقل بكثير في الجهد الأمامي يبلغ حوالي 0.4 فولت على عكس الثنائيات PN بمقدار 0.7 فولت لجهاز السيليكون. يسمح هذا الانخفاض في الجهد المنخفض بتوفير خلية كهروضوئية كاملة واحدة في كل فرع من فروع السلسلة من الصفيف الشمسي ، وبالتالي ، فإن المصفوفة أكثر كفاءة حيث يتم تبديد طاقة أقل في الصمام الثنائي الحاجز. تتضمن معظم الشركات المصنعة حظر الثنائيات داخل وحداتها الكهروضوئية لتبسيط التصميم.
بناء صفيف الكهروضوئية الخاصة بك
كمية الإشعاع الشمسي المتلقاة والطلب اليومي على الطاقة هما العاملان المسيطران في تصميم المصفوفة الكهروضوئية وأنظمة الطاقة الشمسية. يجب أن يكون حجم المصفوفة الكهروضوئية لتلبية الطلب على الحمل وحساب أي خسائر في النظام بينما يؤدي تظليل أي جزء من المصفوفة الشمسية إلى تقليل إنتاج النظام بأكمله بشكل كبير.
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 ستعمل الألواح الكهروضوئية المظللة على تبديد الطاقة والنفايات كحرارة بدلا من توليدها ، وسيساعد استخدام الثنائيات الالتفافية في منع مثل هذه المشاكل من خلال توفير مسار تيار بديل.
الثنائيات المانعة غير مطلوبة في نظام متصل بسلسلة كاملة ولكن يجب استخدامها لمنع تدفق التيار العكسي من البطاريات إلى المصفوفة أثناء الليل أو عندما يكون الإشعاع الشمسي منخفضا. يجب مراعاة الظروف المناخية الأخرى بصرف النظر عن أشعة الشمس في أي تصميم.
نظرا لأن جهد الخرج للخلية الشمسية السيليكونية هو معلمة مرتبطة بدرجة الحرارة ، يجب أن يكون المصمم على دراية بدرجات الحرارة اليومية السائدة ، سواء المتطرفين (العالية والمنخفضة) والتغيرات الموسمية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب مراعاة هطول الأمطار والثلوج في تصميم هيكل التركيب. تحميل الرياح مهم بشكل خاص في منشآت قمة الجبل.
في البرنامج التعليمي التالي حول "الطاقة الشمسية" ، سننظر في كيفية استخدام المصفوفات الكهروضوئية لأشباه الموصلات والألواح الشمسية كجزء من نظام PV مستقل لتوليد الطاقة للتطبيقات خارج الشبكة.
إذا كانت الألواح الشمسية الكهروضوئية تتكون من خلايا كهروضوئية فردية متصلة ببعضها البعض ، فإن مجموعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، المعروف أيضا باسم مجموعة الطاقة الشمسية هو 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 PV) يسمى صفيف ، وبشكل عام كلما زادت مساحة السطح الإجمالية للصفيف ، زادت الكهرباء الشمسية التي ستنتجها.
يستخدم النظام الكهروضوئي الكامل مجموعة كهروضوئية كمصدر رئيسي لتوليد مصدر الطاقة الكهربائية. كمية الطاقة الشمسية التي تنتجها لوحة أو وحدة كهروضوئية واحدة ليست كافية للاستخدام العام.
تنتج معظم المصنوعات لوحة كهروضوئية قياسية بجهد خرج 12 فولت أو 24 فولت. من خلال توصيل العديد من الألواح الكهروضوئية الفردية في سلسلة (لمتطلبات جهد أعلى) وبالتوازي (لمتطلبات تيار أعلى) ، ستنتج المجموعة الكهروضوئية خرج الطاقة المطلوب.
مجموعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية
تقوم الخلايا والألواح الكهروضوئية بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء تيار مباشر (DC). اتصال الألواح الشمسية في مجموعة كهروضوئية واحدة هو نفس اتصال الخلايا الكهروضوئية في لوحة واحدة.
يمكن توصيل الألواح الموجودة في الصفيف كهربائيا معا إما في سلسلة أو متوازية أو خليط من الاثنين ، ولكن بشكل عام يتم اختيار اتصال متسلسل 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 ببعضها البعض في بيئة حضرية ومثبتة على سطح ، أو قد تتكون من عدة مئات من الألواح الكهروضوئية المترابطة معا في حقل لتزويد الطاقة لمدينة أو حي بأكمله. تسمح مرونة الصفيف الكهروضوئي المعياري (النظام الكهروضوئي) للمصممين بإنشاء أنظمة طاقة شمسية يمكنها تلبية مجموعة متنوعة من الاحتياجات الكهربائية ، مهما كانت كبيرة أو صغيرة.
من المهم ملاحظة أنه لا ينبغي خلط الألواح أو الوحدات الكهروضوئية من مختلف الصانعين معا في صفيف واحد ، حتى لو كانت قوتها أو جهدها أو مخرجاتها الحالية متشابهة اسميا. وذلك لأن الاختلافات في منحنيات خصائص الخلية الشمسية I-V وكذلك استجابتها الطيفية من المحتمل أن تسبب خسائر إضافية في عدم التطابق داخل المصفوفة ، مما يقلل من كفاءتها الإجمالية.
الخصائص الكهربائية للصفيف الكهروضوئي
يتم تلخيص الخصائص الكهربائية للصفيف الكهروضوئي في العلاقة بين تيار الخرج والجهد. تتحكم كمية وشدة التشمس الشمسي (الإشعاع الشمسي) في كمية تيار الإخراج (I) ، وتؤثر درجة حرارة تشغيل الخلايا الشمسية على جهد الخرج (V) للصفيف الكهروضوئي. يتم إعطاء منحنيات الألواح الكهروضوئية (I-V) التي تلخص العلاقة بين التيار والجهد من قبل الشركات المصنعة ويتم تقديمها على النحو التالي:
معلمات الصفيف الشمسي
المركبات العضوية المتطايرة = جهد الدائرة المفتوحة: - هذا هو الحد الأقصى للجهد الذي يوفره الصفيف عندما لا تكون الأطراف متصلة بأي حمل (حالة دائرة مفتوحة). هذه القيمة أعلى بكثير من Vmax التي تتعلق بتشغيل المصفوفة الكهروضوئية التي يتم تثبيتها بواسطة الحمل. تعتمد هذه القيمة على عدد الألواح الكهروضوئية المتصلة ببعضها البعض في سلسلة.
ISC = تيار ماس كهربائى - الحد الأقصى للتيار الذي توفره الصفيف الكهروضوئي عند تقصير موصلات الخرج معا (حالة ماس كهربائى). هذه القيمة أعلى بكثير من Imax التي تتعلق بتيار دائرة التشغيل العادية.
Pmax = أقصى نقطة طاقة - يتعلق هذا بالنقطة التي تكون فيها الطاقة التي توفرها المصفوفة المتصلة بالحمل (البطاريات ، العاكسات) عند أقصى قيمة لها ، حيث Pmax = Imax x Vmax. يتم قياس نقطة الطاقة القصوى للصفيف الكهروضوئي بالواط (W) أو ذروة واط (Wp).
FF = عامل التعبئة - عامل التعبئة هو العلاقة بين الطاقة القصوى التي يمكن أن توفرها المصفوفة 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 المصفوفة وكلما اقترب عامل التعبئة من 1 (الوحدة) ، كلما زادت الطاقة التي يمكن أن توفرها الصفيف. تتراوح القيم النموذجية 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 تصل إلى المصفوفة. 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 الغشاء) 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 ذروة. يتم قياس نقطة ذروة الطاقة 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 الكهروضوئية
تتكون هذه المجموعة الكهروضوئية البسيطة أعلاه من أربع وحدات كهروضوئية كما هو موضح ، مما ينتج عنه فرعان متوازيان يوجد فيهما لوحان كهروضوئيان متصلان كهربائيا معا لإنتاج دائرة متسلسلة. وبالتالي ، سيكون جهد الخرج من الصفيف مساويا للتوصيل المتسلسل للألواح الكهروضوئية ، وفي مثالنا أعلاه ، يتم حساب ذلك على النحو التالي: Vout = 12V + 12V = 24 فولت.
سيكون تيار الخرج مساويا لمجموع التيارات الفرعية المتوازية. إذا افترضنا أن كل لوحة PV تنتج 3.75 أمبير عند الشمس الكاملة ، فإن إجمالي التيار (IT) سيكون مساويا ل: IT = 3.75A + 3.75A = 7.5 أمبير. ثم يمكن حساب الطاقة القصوى للصفيف الكهروضوئي 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 لإنتاج الطاقة لكل لوحة أو وحدة PV يساوي 45 واط (12 فولت × 3.75 أمبير). ومع ذلك ، نظرا لمستويات مختلفة من الإشعاع الشمسي ، وتأثير درجة الحرارة ، والخسائر الكهربائية وما إلى ذلك ، فإن الحد الأقصى الحقيقي لطاقة الخرج عادة ما يكون أقل بكثير من 180 واط المحسوبة. ثم يمكننا تقديم خصائص الصفيف الكهروضوئي على أنها موجودة.
خصائص الصفيف الكهروضوئي
الثنائيات الالتفافية في المصفوفات الكهروضوئية
الخلايا الكهروضوئية والثنائيات هي أجهزة أشباه الموصلات مصنوعة من مادة السيليكون من النوع P ومادة السيليكون من النوع N المدمجة معا. على عكس الخلية الكهروضوئية التي تولد جهدا عند تعرضها للضوء ، تعمل الثنائيات ذات الوصلات PN كصمام كهربائي أحادي الاتجاه 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 مجموعة شمسية كهروضوئية ، 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) المتدفقة من الخلايا الكهروضوئية الجيدة والمعرضة جيدا لأشعة الشمس المحمومة وحرق الخلايا الكهروضوئية الضعيفة أو المظللة جزئيا من خلال توفير مسار حالي حول الخلية السيئة. يتم استخدام الثنائيات المانعة بشكل مختلف عن الثنائيات الجانبية.
عادة ما يتم توصيل الثنائيات الالتفافية "بالتوازي" مع خلية أو لوحة PV لتحويل التيار من حولها ، في حين يتم توصيل الثنائيات المحظورة في "سلسلة" مع الألواح الكهروضوئية لمنع تدفق التيار إليها مرة أخرى. وبالتالي ، فإن الثنائيات المانعة مختلفة عن الثنائيات الالتفافية على الرغم من أن الصمام الثنائي في معظم الحالات هو نفسه جسديا ، ولكن يتم تثبيتها بشكل مختلف وتخدم غرضا مختلفا. ضع في اعتبارك 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 PV لتوفير مسار مقاومة منخفضة حول اللوحة. ومع ذلك ، يشار إلى الثنائيات الملونة باللون الأحمر باسم "الثنائيات المانعة" ، واحدة في سلسلة مع كل فرع سلسلة. تضمن هذه الثنائيات المانعة أن التيار الكهربائي يتدفق فقط من صفيف السلسلة إلى الحمل الخارجي أو وحدة التحكم أو البطاريات.
والسبب في ذلك هو منع التيار الناتج عن الألواح الكهروضوئية المتوازية الأخرى المتصلة في نفس المصفوفة من التدفق مرة أخرى عبر شبكة أضعف (مظللة) وأيضا لمنع البطاريات المشحونة بالكامل من التفريغ أو التصريف مرة أخرى من خلال المصفوفة الكهروضوئية في الليل. لذلك عندما يتم توصيل العديد من الألواح الكهروضوئية بالتوازي ، يجب استخدام الثنائيات المانعة في كل فرع متصل متوازي.
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 أثناء النهار مع تحرك الشمس عبر السماء. يعتمد حجم ونوع الصمام الثنائي المانع المستخدم على نوع المصفوفة الكهروضوئية. يتوفر نوعان من الثنائيات لمصفوفات الطاقة الشمسية: الصمام الثنائي السيليكوني PN-junction والصمام الثنائي حاجز Schottky. كلاهما متاح مع مجموعة واسعة من التصنيفات الحالية.
يحتوي الصمام الثنائي الحاجز Schottky على انخفاض أقل بكثير في الجهد الأمامي يبلغ حوالي 0.4 فولت على عكس الثنائيات PN بمقدار 0.7 فولت لجهاز السيليكون. يسمح هذا الانخفاض في الجهد المنخفض بتوفير خلية كهروضوئية كاملة واحدة في كل فرع من فروع السلسلة من الصفيف الشمسي ، وبالتالي ، فإن المصفوفة أكثر كفاءة حيث يتم تبديد طاقة أقل في الصمام الثنائي الحاجز. تتضمن معظم الشركات المصنعة حظر الثنائيات داخل وحداتها الكهروضوئية لتبسيط التصميم.
بناء صفيف الكهروضوئية الخاصة بك
كمية الإشعاع الشمسي المتلقاة والطلب اليومي على الطاقة هما العاملان المسيطران في تصميم المصفوفة الكهروضوئية وأنظمة الطاقة الشمسية. يجب أن يكون حجم المصفوفة الكهروضوئية لتلبية الطلب على الحمل وحساب أي خسائر في النظام بينما يؤدي تظليل أي جزء من المصفوفة الشمسية إلى تقليل إنتاج النظام بأكمله بشكل كبير.
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 ستعمل الألواح الكهروضوئية المظللة على تبديد الطاقة والنفايات كحرارة بدلا من توليدها ، وسيساعد استخدام الثنائيات الالتفافية في منع مثل هذه المشاكل من خلال توفير مسار تيار بديل.
الثنائيات المانعة غير مطلوبة في نظام متصل بسلسلة كاملة ولكن يجب استخدامها لمنع تدفق التيار العكسي من البطاريات إلى المصفوفة أثناء الليل أو عندما يكون الإشعاع الشمسي منخفضا. يجب مراعاة الظروف المناخية الأخرى بصرف النظر عن أشعة الشمس في أي تصميم.
نظرا لأن جهد الخرج للخلية الشمسية السيليكونية هو معلمة مرتبطة بدرجة الحرارة ، يجب أن يكون المصمم على دراية بدرجات الحرارة اليومية السائدة ، سواء المتطرفين (العالية والمنخفضة) والتغيرات الموسمية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب مراعاة هطول الأمطار والثلوج في تصميم هيكل التركيب. تحميل الرياح مهم بشكل خاص في منشآت قمة الجبل.
في البرنامج التعليمي التالي حول "الطاقة الشمسية" ، سننظر في كيفية استخدام المصفوفات الكهروضوئية لأشباه الموصلات والألواح الشمسية كجزء من نظام PV مستقل لتوليد الطاقة للتطبيقات خارج الشبكة.