الواح الخلايا الشمسية PV Solar Modules و انواعها

تركيبة الواح الخلايا الشمسية

يطلق على مجموع الخلايا الشمسية المترابطة مع بعضها البعض و موصله إما بالتوالي او بالتوازي بالواح الخلايا الشمسية. يتم تغطية السطح الأمامي للوحة الخلايا الشمسية بواسطة زجاج ذو نفاذية عالية للضوء. و ذلك من أجل حماية الخلايا من التلف الذي تسببة الاتربة و الاوساخ بالاضافة إلى الأمطار. أما بالنسبة للسطح الخلفي فيتم تغطيته بواسطة مشمع يعمل على شكل عازل كهربائي بالاضافة إلى أنه يعمل على تمدد الخلايا تحث تأثير خلايا الشمس. يتم وضع لوحة الخلايا الشمسية في إطار من الألمونيوم لحمايتها من الكسر والعوامل الجوية.

مواصفات الواح الخلايا الشمسية

فرق الجهد ودائرة الخلية مفتوحة يتراوح بين 17 فولت و20 فولت.

فرق الجهد والخلية متصلة بالدائرة الكهربائية حوالي 12 فولت.

التيار الكهربائي والدائرة متصلة يعتمد على مساحة الخلايا الشمسية وشدة ضوء الشمس ودرجة الحرارة، ولكنه عامة يتراوح ما بين 2 أمبير إلى 3 أمبير للوحة قدرة 50 وات أقصى.

في الجزء الخلفي لأي لوحة تضع الشركات المصنعة ديباجة توضح خصائص الخلية الشمسية والتي تشمل:

القدرة القصوى Watt Peak W_p

شدة التيار والدائرة مقصرة Short Circuit Current I_sc

فرق الجهد والدائرة مفتوحة Open Circuit Voltage V_oc

ادناه يمكن قراءة مواصفات للوح ذو قدرة 215 وات

تم إنتاج ألواح الخلايا الشمسية بقدرات مختلفة من 5 إلى 400 واط وتعرف بالقدرة القصوى للخلايا (Watt Peak) مثلا 55 W_p. والقدرة القصوى W_p هي أقصي قدرة كهربائية يمكن الحصول عليها من لوحة الخلايا الشمسية وذلك تحت الظروف القياسية المذكورة سابقا وهي أن تكون درجة حرارة لوح الخلايا 25 درجة مئوية وشدة الإشعاع الشمسي 1000 وات/متر².

الدائرة الكهربائية للوحة الشمسية

أنواع الواح الخلايا الشمسية من حيث التبلور

لإنتاج الكهرباء ، تُصنع الخلايا الشمسية من مادة شبه موصلة تحول الضوء إلى كهرباء. المادة المستخدمة الأكثر شيوعًا أثناء عملية تصنيع الخلايا الشمسية هي السيليكون. وتقسم الخلايا الى ثلاثة أنواع رئيسية:

خلايا شمسية أحادية التبلور

تحتوي الألواح الشمسية أحادية ومتعددة التبلور على خلايا مصنوعة من رقائق السيليكون. لبناء لوح أحادي أو متعدد التبلور ، يتم تجميع الرقاقات في صفوف وأعمدة لتشكيل الخلية المستطيلة ، ومغطاة بصفيحة زجاجية ، ومؤطرة معًا. وهي خلايا قُطعت من قضبان السليكون النقية المسحوبة، ويتم محاذاة الخلية كلها في اتجاه واحد، مما يعني أن هذه الألواح تعمل بشكل أفضل مع أشعة الشمس الساطعة عليها مباشرة، وتتراوح كفاءة هذا النوع من الخلايا الشمسية من ١١ إلى ١٦%، وتعتبر هذه الكفاءة عالية مقارنة بالأنواع الأخرى، لكنه مكلف.

خلايا شمسية متعددة التبلور

في حين أن كلا النوعين من الألواح الشمسية يحتويان على خلايا مصنوعة من السيليكون ، تختلف الألواح أحادية التبلور عن الألواح متعديدة التبلور في تكوين السيليكون نفسه. يتم قطع الخلايا الشمسية أحادية التبلور من بلورة نقية واحدة من السيليكون. في حين أن، الخلايا الشمسية متعددة التبلور تصنع من قطع من بلورات السيليكون المصهورة معًا في قالب قبل تقطيعها إلى رقائق. لكنها تعتبر غير فعالة تماما؛ لأن البلورات ليست في محاذاة مع بعضها البعض، حيث تصل كفاءة الخلايا الشمسية متعددة البلورة من ٩ إلى ١٣% وهو أقل كفاءة من البلورة الأحادية، لكنه أقل تكلفة.

خلايا شمسية ذات الأغشية الرقيقة

على عكس الألواح الشمسية أحادية ومتعددة البلور، فإن الألواح الرقيقة مصنوعة من مجموعة متنوعة من المواد. يتكون النوع الأكثر انتشارًا من الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من تيلورايد الكادميوم (CdTe). لصنع هذا النوع من الألواح ذات الأغشية الرقيقة ، يضع المصنعون طبقة من CdTe بين طبقات موصلة شفافة تساعد في التقاط ضوء الشمس. يحتوي هذا النوع من تقنية الأغشية الرقيقة أيضًا على طبقة زجاجية في الأعلى للحماية.

يمكن أيضًا تصنيع الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من السيليكون غير المتبلور (a-Si) ، والذي يشبه تكوين الألواح أحادية ومتعددة البلور. على الرغم من أن هذه الألواح ذات الأغشية الرقيقة تستخدم السيليكون في تكوينها ، إلا أنها لا تتكون من رقائق السيليكون الصلبة. بدلاً من ذلك ، فهي تتكون من السيليكون غير البلوري الموضوعة فوق الزجاج أو البلاستيك أو المعدن.

أخيرًا ، تُعد ألواح Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) نوعًا شائعًا آخر من تقنيات الأغشية الرقيقة. تحتوي ألواح CIGS على جميع العناصر الأربعة الموضوعة بين طبقتين موصلتين (أي الزجاج , البلاستيك , الألومنيوم , أو الفولاذ) ، ويتم وضع الأقطاب الكهربائية في مقدمة وخلف المادة للحصول على التيارات الكهربائية.

لكن كفائة هذا النوع من الألواح الشمسية تتراوح بين أقل من ٣ إلى ٦%، وتُعد الأقل سعرا.

كيفية وضع لوحات الخلايا الشمسية

توضع لوحات الخلايا الشمسية بإتجاه الجنوب في نصف الكرة الشمالي وتوضع باتجاه الشمال في نصف الكرة الجنوبي بزاوية ميلان تعادل خط عرض الموقع المراد التركيب فيه.
والزوايا القياسية هي:

درجة 25 ،…،15 ،10 ،5

توضع الخلايا الشمسية في مكان بحيث لا تتعرض للكسر والظلال كظلال الأشجار والمباني.  يجب نظافتها من الأتربة والغبار وإزالة الموانع التي تحجب أشعة الشمس بصورة دورية.

توصيلات الواح الخلايا الشمسية

التوصيل على التوازي Parallel Connection

هنالك أجهزة تحتاج لتيار مباشر أكبر ؛ في مثل هذه الحالة يتم توصيل ألواح الخلاياّ الشمسية على التوازي، بحيث يوصل القطب الموجب للخلية الشمسية مع القطب الموجب للخلية الثانية والقطب السالب مع السالب وهكذا. في هذا النوع من التوصيل تكون:

شدة التيار الكلي = شدة تيار خلية واحدة × عدد الخلايا.
فرق الجهد الكلي = فرق الجهد لخلية واحدة

التوصيل على التوالي Series Connection 

هنالك أجهزة تعمل بفرق جهد مباشر أكثر من 12فولت مثال 24فولت أو 48فولت. في مثل هذه الحالة يجب زيادة فرق الجهد ويتم ذلك بتوصيل عدد من الخلايا على التوالي حسب فرق الجهد المطلوب، بحيث يوصل القطب الموجب للخلية الأولى مع القطب السالب للخلية الثانية ثم موجب الثانية مع سالب الثالثة وهكذا حتى نهاية التوصيل.

يستعمل هذا النوع من التوصيلات في المضخات الشمسية المستخدمة لضخ المياه،وبعض الثلاجات الشمسية، وكذلك في بعض أنظمة الخلايا الشمسية التي تعمل بواسطة مبدلات التيار (INVERTERS) بفرق جهد 24 أو 48 فولت. الشكل أدناه يوضح منحنى التيار وفرق الجهد للوحات خلايا شمسية

كن حذرا ً جدا عند توصيل الوحدات الشمسية في سلسلة. يمكن للمرء. الحصول على فولتية عالية جدا (DC) وهو أمر خطير قد يقتل.

توصيل توالي – توازي Series-Parallel Connection

هنالك أجهزة كهربائية تعمل بفرق جهد أكثر من 12فولت ( 48 ،24 أو أكثر) وتسحب تيار شدته أكثر من 3 أمبير ( 10 ،6 أو أكثر) – على حسب القدرة الكهربائية للجهاز – وفي هذه الحالة يتم توصيل عدد من الخلايا الشمسية على التوالي لزيادة فرق الجهد وعلى التوازي لزيادة شدة التيار ويسمى التوصيل في هذه الحالة بالتوصيل المركب( توالي – توازي). كما في الشكل أدناه.