المصفوفة الشمسية الكهروضوئية
إذا كانت الألواح الشمسية الكهروضوئية مكونة من خلايا كهروضوئية فردية متصلة ببعضها، فإنالمصفوفة الشمسية الكهروضوئية، ويعرف ببساطة باسممصفوفة الطاقة الشمسيةهو نظام يتكون من مجموعة من الألواح الشمسية متصلة ببعضها البعض.
لذا، فإن المصفوفة الكهروضوئية هي عدة ألواح شمسية متصلة كهربائيا معا لتشكيل منشأة كهروسية أكبر بكثير تسمى المصفوفة، وبشكل عام كلما زادت مساحة السطح الكلية للمصفوفة، زادت الكهرباء الشمسية التي تنتجها.
يستخدم النظام الكهروضوئي الكامل مصفوفة كهروضوئية كمصدر رئيسي لتوليد مصدر الطاقة الكهربائية. كمية الطاقة الشمسية المنتجة من لوح أو وحدة كهروضوئية واحدة ليست كافية للاستخدام العام.
تنتج معظم الشركات المصنعة لوحة كهروضوئية قياسية بجهد خرج 12 فولت أو 24 فولت. من خلال توصيل العديد من الألواح الكهروضوئية المفردة على التوالي (لمتطلبات جهد أعلى) وبالتوازي (لمتطلبات تيار أعلى)، ستنتج مصفوفة الطاقة الكهروضوئية المطلوبة.
مصفوفة شمسية كهروضوئية
تقوم الخلايا والألواح الكهروضوئية بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء تيار مستمر (DC). اتصال الألواح الشمسية في مصفوفة كهروضوئية واحدة هو نفسه اتصال الخلايا الكهروضوئية في لوحة واحدة.
يمكن توصيل الألواح في المصفوفة كهربائيا معا إما على التوالي، أو بشكل متوازي، أو مزيج من الاثنين، لكن عادة ما يتم اختيار الاتصال التسلسلي لزيادة جهد الإخراج. على سبيل المثال، عندما يتم توصيل لوحين شمسيين معا على التوالي، يتضاعف جهدهما بينما يبقى التيار كما هو.
يمكن أن يتكون حجم المصفوفة الكهروضوئية من عدة وحدات أو لوحات كهروضوئية فردية متصلة معا في بيئة حضرية ومثبتة على سطح مبنى، أو قد يتكون من مئات الألواح الكهروضوئية المتصلة معا في حقل لتزويد المدينة أو الحي بالكهرباء. تسمح مرونة المصفوفة الكهروضوئية المعيارية (النظام الكهروضوئي) للمصممين بإنشاء أنظمة طاقة شمسية تلبي مجموعة واسعة من الاحتياجات الكهربائية، مهما كانت كبيرة أو صغيرة.
من المهم ملاحظة أن الألواح أو الوحدات الكهروضوئية من شركات تصنيع مختلفة لا ينبغي خلطها معا في مصفوفة واحدة، حتى لو كانت مخرجات الطاقة أو الجهد أو التيار متشابهة اسميا. ويرجع ذلك إلى أن الاختلافات في منحنيات خصائص الخلايا الشمسية I-V وكذلك استجابتها الطيفية من المرجح أن تسبب خسائر إضافية في عدم التوافق داخل المصفوفة، مما يقلل من كفاءتها الإجمالية.
الخصائص الكهربائية لمصفوفة الخلايا الكهروضوئية
تلخص الخصائص الكهربائية لمصفوفة الطاقة الكهروضوئية في العلاقة بين تيار الخرج والجهد. كمية وشدة الشمس الشمسية (الإشعاع الشمسي) تتحكم في كمية التيار الخارج (I)، ودرجة حرارة تشغيل الخلايا الشمسية تؤثر على جهد الخرج (V) لمصفوفة الطاقة الكهروضوئية. منحنيات الألواح الكهروضوئية (I-V) التي تلخص العلاقة بين التيار والجهد تعطى من قبل المصنعين وتعطى كالتالي:
معلمات الألواح الشمسية
VOC = جهد الدائرة المفتوحة:– هذا هو الحد الأقصى للجهد الذي توفره المصفوفة عندما لا تكون الأطراف متصلة بأي حمل (حالة دائرة مفتوحة). هذه القيمة أعلى بكثير من Vmax التي ترتبط بعمل مصفوفة PV التي تثبتها الحمل. تعتمد هذه القيمة على عدد الألواح الكهروضوئية المتصلة معا على التوالي.
ISC = تيار الدائرة القصيرة– أقصى تيار يوفره مصفوفة الطاقة الكهروضوئية عندما تكون موصلات الإخراج متصلة بقصر (حالة دائرة قصيرة). هذه القيمة أعلى بكثير من Imax التي ترتبط بتيار دائرة التشغيل الطبيعي.
Pmax = نقطة القدرة القصوى– يرتبط هذا بالنقطة التي تكون فيها الطاقة التي توفرها المصفوفة المتصلة بالحمل (البطاريات، العواكس) عند أقصى قيمة لها، حيث Pmax = Imax × Vmax. يتم قياس نقطة الطاقة القصوى لمصفوفة الكهروضوئية بالواط (W) أو بأقصى واط (Wp).
FF = عامل التعبئة –عامل التعبئة هو العلاقة بين أقصى قدرة يمكن أن توفرها المصفوفة فعليا تحت ظروف التشغيل العادية وحاصل ضرب جهد الدائرة المفتوحة مضروبا في تيار الدائرة القصيرة (Voc × Isc) تعطي هذه القيمة فكرة عن جودة المصفوفة وكلما اقترب عامل التعبئة من 1 (الوحدة)، كلما زادت الطاقة التي يمكن أن توفرها المصفوفة من الطاقة. القيم النموذجية تتراوح بين 0.7 و0.8.
٪ eff = نسبة الكفاءة –كفاءة المصفوفة الكهروضوئية هي النسبة بين أقصى طاقة كهربائية يمكن أن تنتجها المصفوفة مقارنة بكمية الإشعاع الشمسي التي تصطدم بالمصفوفة. عادة ما تكون كفاءة المصفوفة الشمسية النموذجية منخفضة عند حوالي 10-12٪، وذلك حسب نوع الخلايا (أحادية البلورة، متعددة البلورات، غير متبلورة أو طبقة رقيقة) المستخدمة.
توفر منحنيات خصائص الورع الكهروضوئي إلى المحرك الكهروضوئي المعلومات التي يحتاجها المصممون لتكوين أنظمة يمكنها العمل بالقرب قدر الإمكان من أقصى نقطة طاقة ذروية. يتم قياس نقطة القدرة القصوى عندما تنتج وحدة الطاقة الشمسية أقصى قدر من الطاقة عند تعرضها للإشعاع الشمسي تعادل 1000 واط لكل متر مربع، أو 1000 واط/م2 أو 1كيلوواط/م2. انظر إلى الدائرة أدناه.
وصلات المصفوفة الكهروضوئية
تتكون هذه المصفوفة الكهروضوئية البسيطة أعلاه من أربع وحدات كهروضوئية كما هو موضح، مما ينتج فرعين متوازيين فيهما لوحتان كهروضوئيتان متصلتان كهربائيا معا لإنتاج دائرة متسلسلة. لذا سيكون جهد الخرج من المصفوفة مساويا للاتصال التسلسلي لألواح الطاقة الكهروضوئية، وفي مثالنا أعلاه، يحسب هذا كالتالي: Vout = 12V + 12V = 24 فولت.
سيكون التيار الخارج مساويا لمجموع تيارات الفروع المتوازية. إذا افترضنا أن كل لوحة كهرباء تنتج 3.75 أمبير عند الشمس الكاملة، فإن التيار الكلي (IT ) سيكون أساوي: IT = 3.75A + 3.75A = 7.5 أمبير. حينها يمكن حساب أقصى قدرة لمصفوفة الكهروضوئية عند الشمس الكاملة كالتالي: Pout = V × I = 24 × 7.5 = 180W.
تصل مصفوفة الطاقة الشمسية إلى أقصى قدرها 180 واط في ضوء الشمس الكامل لأن أقصى قدرة لكل لوحة أو وحدة كهروضوئية تعادل 45 واط (12 فولت × 3.75 أمبير). ومع ذلك، بسبب اختلاف مستويات الإشعاع الشمسي، وتأثير درجة الحرارة، والخسائر الكهربائية، فإن القدرة القصوى الحقيقية عادة أقل بكثير من ال 180 واط المحسوبة. ثم يمكننا عرض خصائص مصفوفة الكهروضوئية لدينا على أنها موجودة.
خصائص المصفوفة الكهروضوئية
دايودات التجاوز في المصفوفات الكهروضوئية
الخلايا الكهروضوئية والديودات هي أجهزة أشباه موصلة مصنوعة من مادة سيليكون من النوع P ومادة سيليكون من النوع N تم دمجهما معا. على عكس الخلايا الكهروضوئية التي تولد جهدا عند تعرضها للضوء، تعمل صمامات التوصيل PN كصمام كهربائي أحادي الاتجاه صلبا يسمح فقط بتدفق التيار الكهربائي في اتجاه واحد فقط.
ميزة ذلك هي أن الصمامات الثنائية يمكن استخدامها لمنع تدفق التيار الكهربائي من أجزاء أخرى من الدائرة الشمسية الكهربائية. عند استخدامها في مصفوفة شمسية كهروضوئية، تسمى هذه الأنواع من ديودات السيليكون عادة الصمامات المانعة (الديودات الحاجزة).
في الدرس السابق عن الألواح الكهروضوئية، رأينا أن "دايودات التجاوز الزائف" تستخدم بالتوازي مع واحدة أو عدد من الخلايا الشمسية الكهروضوئية لمنع تدفق التيار من الخلايا الشمسية الجيدة والمعرضة جيدا لأشعة الشمس، مما يؤدي إلى حرارت الخلايا الكهموسوئية الضعيفة أو المظللة جزئيا من خلال توفير مسار تيار حول الخلية الضارة. تستخدم الصمامات الصمامات المانحة بشكل مختلف عن الصمامات التحويلية.
عادة ما تكون الصمامات التحويلية متصلة بشكل "متوازي" مع خلية أو لوحة كهروضوئية لتحريك التيار حولها، بينما تتصل الصمامات الثنائية الحجوبة على "التوالي" مع الألواح الشمسية لمنع تدفق التيار مرة أخرى إليها. لذلك، فإن الصمامات الثنائية الحاجزة تختلف عن دايودات التجاوز رغم أن في معظم الحالات يكون نفسه ماديا، لكنها تركب بشكل مختلف وتؤدي غرضا مختلفا. انظر إلى مصفوفة الطاقة الشمسية الكهروضوئية أدناه.
الصمامات الصامية في المصفوفات الكهروضوئية
كما ذكرنا سابقا، الثنائيات الثنائية هي أجهزة تسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط. الثنائيات الثنائية الملونة باللون الأخضر هي الثنائيات التحويلية المألوفة، واحدة متوازية مع كل لوحة كهرومغناطيسية لتوفير مسار مقاومة منخفض حول اللوح. ومع ذلك، يشار إلى الصنائيين الملونين باللون الأحمر باسم "الثنائيات الحجب"، واحدة على التوالي مع كل فرع متسلسل. تضمن هذه الصمامات الصماماتية أن التيار الكهربائي يتدفق فقط من المصفوفة التسلسلية إلى الحمل الخارجي أو وحدة التحكم أو البطاريات.
السبب في ذلك هو منع تدفق التيار الناتج عن الألواح الأخرى المتصلة بالتوازي في نفس المصفوفة عبر شبكة أضعف (مظللة)، وكذلك لمنع تفريغ أو استنزاف البطاريات المشحونة بالكامل عبر المصفوفة الكهروسية ليلا. لذا عندما يتم توصيل عدة لوحات كهربوئية متوازية، يجب استخدام ديودات حجب في كل فرع متصل بالتوازي.
بشكل عام، تستخدم الصمامات الثنائية الحجب في مصفوفات الطاقة الشمسية عندما يكون هناك فرعان أو أكثر متوازيان أو عندما يكون هناك احتمال أن يصبح بعض المصفوفة مظللة جزئيا خلال النهار مع تحرك الشمس عبر السماء. يعتمد حجم ونوع الصمام الثنائي الحاجب المستخدم على نوع المصفوفة الكهروضوئية. يتوفر نوعان من الصمامات الثنائية لمصفوفات الطاقة الشمسية: السيليكون المتصل PN وثنائي حاجز شوتكي. كلاهما متوفر بمجموعة واسعة من التصنيفات الحالية.
حاجز شوتكي لديه انخفاض جهد أمامي أقل بكثير حوالي 0.4 فولت مقارنة بانخفاض 0.7 فولت في ديودات PN لأجهزة السيليكون. يسمح هذا الانخفاض في الجهد بتوفير خلية PV كاملة واحدة في كل فرع من فروع الألواح الشمسية، وبالتالي تكون المصفوفة أكثر كفاءة لأن طاقة أقل تبتتد في الصمام المثبط. معظم الشركات المصنعة تتضمن صمامات ثنائية حجب داخل وحدات الطاقة الشمسية الخاصة بهم لتبسيط التصميم.
ابن مصفوفة كهروضوئية خاصة بك
كمية الإشعاع الشمسي المستقبل والطلب اليومي على الطاقة هما العاملان المتحكمان في تصميم مصفوفة الطاقة الشمسية وأنظمة الطاقة الشمسية. يجب أن تكون المصفوفة الكهروضوئية بحجم لتلبية الطلب على الحمل وأن تأخذ في الاعتبار أي خسائر في النظام، بينما سيقلل تظليل أي جزء من المصفوفة الشمسية بشكل كبير من إنتاج النظام بأكمله.
إذا كانت الألواح الشمسية متصلة كهربائيا معا على التوالي، فسيكون التيار في كل لوحة متساويا، وإذا كانت الألواح مظللة جزئيا، فلن تنتج نفس كمية التيار. أيضا، الألواح الكهروضوئية المظللة ستبدد الطاقة والهدر كحرارة بدلا من توليدها، واستخدام الصمامات التحويلية سيساعد في منع مثل هذه المشاكل من خلال توفير مسار تيار بديل.
لا يطلب استخدام صمامات الديودات الحاجزة في نظام متصل بالكامل على التوالي، ولكن يجب استخدامها لمنع تدفق التيار العكسي من البطاريات إلى المصفوفة أثناء الليل أو عندما يكون الإشعاع الشمسي منخفضا. يجب أخذ ظروف مناخية أخرى غير ضوء الشمس في الاعتبار في أي تصميم.
نظرا لأن جهد خرج الخلايا الشمسية في السيليكون هو معامل مرتبط بدرجة الحرارة، يجب على المصمم أن يكون على دراية بدرجات الحرارة اليومية السائدة، سواء في أقصى درجات الحرارة (عالية أو منخفضة) أو التغيرات الموسمية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أخذ الأمطار والثلوج في الاعتبار في تصميم هيكل التثبيت. تحمل الرياح مهم بشكل خاص في التركيبات على قمم الجبال.
في دراتنا القادمة حول "الطاقة الشمسية"، سنستعرض كيف يمكننا استخدام مصفوفات الطاقة الشمسية أشباه الموصلات والألواح الشمسية كجزء من نظام كهروضوئية مستقل لتوليد الطاقة لتطبيقات خارج الشبكة.
إذا كانت الألواح الشمسية الكهروضوئية مكونة من خلايا كهروضوئية فردية متصلة ببعضها، فإنالمصفوفة الشمسية الكهروضوئية، ويعرف ببساطة باسممصفوفة الطاقة الشمسيةهو نظام يتكون من مجموعة من الألواح الشمسية متصلة ببعضها البعض.
لذا، فإن المصفوفة الكهروضوئية هي عدة ألواح شمسية متصلة كهربائيا معا لتشكيل منشأة كهروسية أكبر بكثير تسمى المصفوفة، وبشكل عام كلما زادت مساحة السطح الكلية للمصفوفة، زادت الكهرباء الشمسية التي تنتجها.
يستخدم النظام الكهروضوئي الكامل مصفوفة كهروضوئية كمصدر رئيسي لتوليد مصدر الطاقة الكهربائية. كمية الطاقة الشمسية المنتجة من لوح أو وحدة كهروضوئية واحدة ليست كافية للاستخدام العام.
تنتج معظم الشركات المصنعة لوحة كهروضوئية قياسية بجهد خرج 12 فولت أو 24 فولت. من خلال توصيل العديد من الألواح الكهروضوئية المفردة على التوالي (لمتطلبات جهد أعلى) وبالتوازي (لمتطلبات تيار أعلى)، ستنتج مصفوفة الطاقة الكهروضوئية المطلوبة.
مصفوفة شمسية كهروضوئية
تقوم الخلايا والألواح الكهروضوئية بتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء تيار مستمر (DC). اتصال الألواح الشمسية في مصفوفة كهروضوئية واحدة هو نفسه اتصال الخلايا الكهروضوئية في لوحة واحدة.
يمكن توصيل الألواح في المصفوفة كهربائيا معا إما على التوالي، أو بشكل متوازي، أو مزيج من الاثنين، لكن عادة ما يتم اختيار الاتصال التسلسلي لزيادة جهد الإخراج. على سبيل المثال، عندما يتم توصيل لوحين شمسيين معا على التوالي، يتضاعف جهدهما بينما يبقى التيار كما هو.
يمكن أن يتكون حجم المصفوفة الكهروضوئية من عدة وحدات أو لوحات كهروضوئية فردية متصلة معا في بيئة حضرية ومثبتة على سطح مبنى، أو قد يتكون من مئات الألواح الكهروضوئية المتصلة معا في حقل لتزويد المدينة أو الحي بالكهرباء. تسمح مرونة المصفوفة الكهروضوئية المعيارية (النظام الكهروضوئي) للمصممين بإنشاء أنظمة طاقة شمسية تلبي مجموعة واسعة من الاحتياجات الكهربائية، مهما كانت كبيرة أو صغيرة.
من المهم ملاحظة أن الألواح أو الوحدات الكهروضوئية من شركات تصنيع مختلفة لا ينبغي خلطها معا في مصفوفة واحدة، حتى لو كانت مخرجات الطاقة أو الجهد أو التيار متشابهة اسميا. ويرجع ذلك إلى أن الاختلافات في منحنيات خصائص الخلايا الشمسية I-V وكذلك استجابتها الطيفية من المرجح أن تسبب خسائر إضافية في عدم التوافق داخل المصفوفة، مما يقلل من كفاءتها الإجمالية.
الخصائص الكهربائية لمصفوفة الخلايا الكهروضوئية
تلخص الخصائص الكهربائية لمصفوفة الطاقة الكهروضوئية في العلاقة بين تيار الخرج والجهد. كمية وشدة الشمس الشمسية (الإشعاع الشمسي) تتحكم في كمية التيار الخارج (I)، ودرجة حرارة تشغيل الخلايا الشمسية تؤثر على جهد الخرج (V) لمصفوفة الطاقة الكهروضوئية. منحنيات الألواح الكهروضوئية (I-V) التي تلخص العلاقة بين التيار والجهد تعطى من قبل المصنعين وتعطى كالتالي:
معلمات الألواح الشمسية
VOC = جهد الدائرة المفتوحة:– هذا هو الحد الأقصى للجهد الذي توفره المصفوفة عندما لا تكون الأطراف متصلة بأي حمل (حالة دائرة مفتوحة). هذه القيمة أعلى بكثير من Vmax التي ترتبط بعمل مصفوفة PV التي تثبتها الحمل. تعتمد هذه القيمة على عدد الألواح الكهروضوئية المتصلة معا على التوالي.
ISC = تيار الدائرة القصيرة– أقصى تيار يوفره مصفوفة الطاقة الكهروضوئية عندما تكون موصلات الإخراج متصلة بقصر (حالة دائرة قصيرة). هذه القيمة أعلى بكثير من Imax التي ترتبط بتيار دائرة التشغيل الطبيعي.
Pmax = نقطة القدرة القصوى– يرتبط هذا بالنقطة التي تكون فيها الطاقة التي توفرها المصفوفة المتصلة بالحمل (البطاريات، العواكس) عند أقصى قيمة لها، حيث Pmax = Imax × Vmax. يتم قياس نقطة الطاقة القصوى لمصفوفة الكهروضوئية بالواط (W) أو بأقصى واط (Wp).
FF = عامل التعبئة –عامل التعبئة هو العلاقة بين أقصى قدرة يمكن أن توفرها المصفوفة فعليا تحت ظروف التشغيل العادية وحاصل ضرب جهد الدائرة المفتوحة مضروبا في تيار الدائرة القصيرة (Voc × Isc) تعطي هذه القيمة فكرة عن جودة المصفوفة وكلما اقترب عامل التعبئة من 1 (الوحدة)، كلما زادت الطاقة التي يمكن أن توفرها المصفوفة من الطاقة. القيم النموذجية تتراوح بين 0.7 و0.8.
٪ eff = نسبة الكفاءة –كفاءة المصفوفة الكهروضوئية هي النسبة بين أقصى طاقة كهربائية يمكن أن تنتجها المصفوفة مقارنة بكمية الإشعاع الشمسي التي تصطدم بالمصفوفة. عادة ما تكون كفاءة المصفوفة الشمسية النموذجية منخفضة عند حوالي 10-12٪، وذلك حسب نوع الخلايا (أحادية البلورة، متعددة البلورات، غير متبلورة أو طبقة رقيقة) المستخدمة.
توفر منحنيات خصائص الورع الكهروضوئي إلى المحرك الكهروضوئي المعلومات التي يحتاجها المصممون لتكوين أنظمة يمكنها العمل بالقرب قدر الإمكان من أقصى نقطة طاقة ذروية. يتم قياس نقطة القدرة القصوى عندما تنتج وحدة الطاقة الشمسية أقصى قدر من الطاقة عند تعرضها للإشعاع الشمسي تعادل 1000 واط لكل متر مربع، أو 1000 واط/م2 أو 1كيلوواط/م2. انظر إلى الدائرة أدناه.
وصلات المصفوفة الكهروضوئية
تتكون هذه المصفوفة الكهروضوئية البسيطة أعلاه من أربع وحدات كهروضوئية كما هو موضح، مما ينتج فرعين متوازيين فيهما لوحتان كهروضوئيتان متصلتان كهربائيا معا لإنتاج دائرة متسلسلة. لذا سيكون جهد الخرج من المصفوفة مساويا للاتصال التسلسلي لألواح الطاقة الكهروضوئية، وفي مثالنا أعلاه، يحسب هذا كالتالي: Vout = 12V + 12V = 24 فولت.
سيكون التيار الخارج مساويا لمجموع تيارات الفروع المتوازية. إذا افترضنا أن كل لوحة كهرباء تنتج 3.75 أمبير عند الشمس الكاملة، فإن التيار الكلي (IT ) سيكون أساوي: IT = 3.75A + 3.75A = 7.5 أمبير. حينها يمكن حساب أقصى قدرة لمصفوفة الكهروضوئية عند الشمس الكاملة كالتالي: Pout = V × I = 24 × 7.5 = 180W.
تصل مصفوفة الطاقة الشمسية إلى أقصى قدرها 180 واط في ضوء الشمس الكامل لأن أقصى قدرة لكل لوحة أو وحدة كهروضوئية تعادل 45 واط (12 فولت × 3.75 أمبير). ومع ذلك، بسبب اختلاف مستويات الإشعاع الشمسي، وتأثير درجة الحرارة، والخسائر الكهربائية، فإن القدرة القصوى الحقيقية عادة أقل بكثير من ال 180 واط المحسوبة. ثم يمكننا عرض خصائص مصفوفة الكهروضوئية لدينا على أنها موجودة.
خصائص المصفوفة الكهروضوئية
دايودات التجاوز في المصفوفات الكهروضوئية
الخلايا الكهروضوئية والديودات هي أجهزة أشباه موصلة مصنوعة من مادة سيليكون من النوع P ومادة سيليكون من النوع N تم دمجهما معا. على عكس الخلايا الكهروضوئية التي تولد جهدا عند تعرضها للضوء، تعمل صمامات التوصيل PN كصمام كهربائي أحادي الاتجاه صلبا يسمح فقط بتدفق التيار الكهربائي في اتجاه واحد فقط.
ميزة ذلك هي أن الصمامات الثنائية يمكن استخدامها لمنع تدفق التيار الكهربائي من أجزاء أخرى من الدائرة الشمسية الكهربائية. عند استخدامها في مصفوفة شمسية كهروضوئية، تسمى هذه الأنواع من ديودات السيليكون عادة الصمامات المانعة (الديودات الحاجزة).
في الدرس السابق عن الألواح الكهروضوئية، رأينا أن "دايودات التجاوز الزائف" تستخدم بالتوازي مع واحدة أو عدد من الخلايا الشمسية الكهروضوئية لمنع تدفق التيار من الخلايا الشمسية الجيدة والمعرضة جيدا لأشعة الشمس، مما يؤدي إلى حرارت الخلايا الكهموسوئية الضعيفة أو المظللة جزئيا من خلال توفير مسار تيار حول الخلية الضارة. تستخدم الصمامات الصمامات المانحة بشكل مختلف عن الصمامات التحويلية.
عادة ما تكون الصمامات التحويلية متصلة بشكل "متوازي" مع خلية أو لوحة كهروضوئية لتحريك التيار حولها، بينما تتصل الصمامات الثنائية الحجوبة على "التوالي" مع الألواح الشمسية لمنع تدفق التيار مرة أخرى إليها. لذلك، فإن الصمامات الثنائية الحاجزة تختلف عن دايودات التجاوز رغم أن في معظم الحالات يكون نفسه ماديا، لكنها تركب بشكل مختلف وتؤدي غرضا مختلفا. انظر إلى مصفوفة الطاقة الشمسية الكهروضوئية أدناه.
الصمامات الصامية في المصفوفات الكهروضوئية
كما ذكرنا سابقا، الثنائيات الثنائية هي أجهزة تسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط. الثنائيات الثنائية الملونة باللون الأخضر هي الثنائيات التحويلية المألوفة، واحدة متوازية مع كل لوحة كهرومغناطيسية لتوفير مسار مقاومة منخفض حول اللوح. ومع ذلك، يشار إلى الصنائيين الملونين باللون الأحمر باسم "الثنائيات الحجب"، واحدة على التوالي مع كل فرع متسلسل. تضمن هذه الصمامات الصماماتية أن التيار الكهربائي يتدفق فقط من المصفوفة التسلسلية إلى الحمل الخارجي أو وحدة التحكم أو البطاريات.
السبب في ذلك هو منع تدفق التيار الناتج عن الألواح الأخرى المتصلة بالتوازي في نفس المصفوفة عبر شبكة أضعف (مظللة)، وكذلك لمنع تفريغ أو استنزاف البطاريات المشحونة بالكامل عبر المصفوفة الكهروسية ليلا. لذا عندما يتم توصيل عدة لوحات كهربوئية متوازية، يجب استخدام ديودات حجب في كل فرع متصل بالتوازي.
بشكل عام، تستخدم الصمامات الثنائية الحجب في مصفوفات الطاقة الشمسية عندما يكون هناك فرعان أو أكثر متوازيان أو عندما يكون هناك احتمال أن يصبح بعض المصفوفة مظللة جزئيا خلال النهار مع تحرك الشمس عبر السماء. يعتمد حجم ونوع الصمام الثنائي الحاجب المستخدم على نوع المصفوفة الكهروضوئية. يتوفر نوعان من الصمامات الثنائية لمصفوفات الطاقة الشمسية: السيليكون المتصل PN وثنائي حاجز شوتكي. كلاهما متوفر بمجموعة واسعة من التصنيفات الحالية.
حاجز شوتكي لديه انخفاض جهد أمامي أقل بكثير حوالي 0.4 فولت مقارنة بانخفاض 0.7 فولت في ديودات PN لأجهزة السيليكون. يسمح هذا الانخفاض في الجهد بتوفير خلية PV كاملة واحدة في كل فرع من فروع الألواح الشمسية، وبالتالي تكون المصفوفة أكثر كفاءة لأن طاقة أقل تبتتد في الصمام المثبط. معظم الشركات المصنعة تتضمن صمامات ثنائية حجب داخل وحدات الطاقة الشمسية الخاصة بهم لتبسيط التصميم.
ابن مصفوفة كهروضوئية خاصة بك
كمية الإشعاع الشمسي المستقبل والطلب اليومي على الطاقة هما العاملان المتحكمان في تصميم مصفوفة الطاقة الشمسية وأنظمة الطاقة الشمسية. يجب أن تكون المصفوفة الكهروضوئية بحجم لتلبية الطلب على الحمل وأن تأخذ في الاعتبار أي خسائر في النظام، بينما سيقلل تظليل أي جزء من المصفوفة الشمسية بشكل كبير من إنتاج النظام بأكمله.
إذا كانت الألواح الشمسية متصلة كهربائيا معا على التوالي، فسيكون التيار في كل لوحة متساويا، وإذا كانت الألواح مظللة جزئيا، فلن تنتج نفس كمية التيار. أيضا، الألواح الكهروضوئية المظللة ستبدد الطاقة والهدر كحرارة بدلا من توليدها، واستخدام الصمامات التحويلية سيساعد في منع مثل هذه المشاكل من خلال توفير مسار تيار بديل.
لا يطلب استخدام صمامات الديودات الحاجزة في نظام متصل بالكامل على التوالي، ولكن يجب استخدامها لمنع تدفق التيار العكسي من البطاريات إلى المصفوفة أثناء الليل أو عندما يكون الإشعاع الشمسي منخفضا. يجب أخذ ظروف مناخية أخرى غير ضوء الشمس في الاعتبار في أي تصميم.
نظرا لأن جهد خرج الخلايا الشمسية في السيليكون هو معامل مرتبط بدرجة الحرارة، يجب على المصمم أن يكون على دراية بدرجات الحرارة اليومية السائدة، سواء في أقصى درجات الحرارة (عالية أو منخفضة) أو التغيرات الموسمية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أخذ الأمطار والثلوج في الاعتبار في تصميم هيكل التثبيت. تحمل الرياح مهم بشكل خاص في التركيبات على قمم الجبال.
في دراتنا القادمة حول "الطاقة الشمسية"، سنستعرض كيف يمكننا استخدام مصفوفات الطاقة الشمسية أشباه الموصلات والألواح الشمسية كجزء من نظام كهروضوئية مستقل لتوليد الطاقة لتطبيقات خارج الشبكة.