مبدأ توليد الطاقة في أنظمة الطاقة الشمسية-غير المتصلة بالشبكة: من ضوء الشمس إلى الطاقة الذاتية-الطاقة الكافية

مقدمة: محطة كهرباء-شبكة مستقلة في موقعك

قد تفكر في منزل يقوم بتوليد وتخزين الكهرباء الخاصة به ولا يعتمد على أي أسلاك كهربائية أو يدفع لشركة كهرباء مقابل الخدمات كل شهر ولن تشعر بالقلق إذا انقطعت الأضواء في مجتمعك باعتباره حلمًا بعيد المنال-، ولكن هذا هو الاستخدام الفعال لأنظمة الطاقة الشمسية (المعروفة أيضًا باسم Off-Grid Solar). ولكن كيف تولد تلك الألواح الشمسية؟ بمعنى آخر، ما هي العمليات التي تؤدي وتنتج "الشمس إلى الطاقة" التي تحتاجها لتعيش نمط الحياة المعاصر الذي يرغب فيه الجميع؟ إذا كنت ترغب في الحصول على استقلالية الطاقة، فمن المهم جدًا معرفة أو على الأقل فهم المبادئ التي تقوم عليها وظائف الطاقة الشمسية خارج الشبكة-. تشرح هذه المقالة أساسيات الطاقة الشمسية، والعمليات الأساسية التي تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام (بالتتابع)، والمكونات الرئيسية التي تجعل-الطاقة الشمسية خارج الشبكة قابلة للحياة وتصبح أكثر انتشارًا.

تقع الظاهرة الفيزيائية المعروفة باسم التأثير الكهروضوئي في قلب جميع أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة-. بعبارات بسيطة، يشير التأثير الكهروضوئي إلى كيفية تحويل الطاقة الضوئية (الفوتونات) مباشرة إلى طاقة كهربائية (الإلكترونات) على المستوى الذري أو الجزيئي في الخلايا الشمسية - التي يتم بناؤها من أشباه الموصلات، والأكثر شيوعًا السيليكون. الخلايا الكهروضوئية نفسها هي أصغر الأجزاء الوظيفية المميزة للألواح الشمسية. تحتوي كل خلية كهروضوئية على وصلة بين طبقتين معالجتين خصيصًا من السيليكون، نوع واحد من النوع n- يحتوي على فائض من ناقلات (الإلكترون) ونوع واحد من النوع p- مع عدم وجود حاملات الإلكترون (يشار إليها أيضًا باسم "الثقوب").

عندما يتكون ضوء الشمس - من عدد لا يحصى من جزيئات الطاقة الصغيرة تسمى الفوتونات - يضرب سطح الخلية الشمسية، تنقل الفوتونات طاقتها إلى الإلكترونات الموجودة داخل ذرات السيليكون. هذه الطاقة كافية "لإزاحة" الإلكترونات من مداراتها الذرية، وتحريرها للتحرك عبر المادة. يقوم المجال الكهربائي المدمج - عند الوصلة p-n بدفع هذه الإلكترونات المحررة نحو طبقة النوع n-، بينما تتحرك الثقوب الموجبة الشحنة نحو طبقة النوع p-. يؤدي هذا الفصل بين الشحنات إلى خلق فرق في الجهد، يشبه إلى حد كبير الأطراف الموجبة والسالبة للبطارية. عند توصيل دائرة خارجية، تتدفق الإلكترونات عبر الدائرة، مما يولد كهرباء تيار مباشر (DC) - والنتيجة هي مصدر طاقة مستمر وصامت وخالي من الوقود.

في كل يوم، تحدث دورة توليد الطاقة للنظام الشمسي-خارج الشبكة بشكل دوري. خلال النهار عندما يكون إنتاج الطاقة الشمسية أكبر من استخدام الطاقة في منزلك، تقوم الألواح الشمسية مباشرة بتشغيل جميع الأجهزة أو الأحمال النشطة التي تعمل في المنزل، وأي طاقة إضافية تذهب إلى وحدة التحكم في الشحن لشحن بنك البطارية للتخزين. عندما لا تتوفر طاقة شمسية كافية أو لا تتوفر بسبب السحب أو ذروة استخدام الطاقة، لا يمكن للألواح الشمسية توفير طاقة كافية لتشغيل جميع الأجهزة أو الأحمال النشطة وستوفر البطارية أي طاقة إضافية مطلوبة لتشغيل الأجهزة أو الأحمال النشطة. أثناء الليل عندما لا تكون هناك ألواح شمسية تنتج الطاقة، توفر البطارية الطاقة لجميع الأجهزة أو الأحمال النشطة في المنزل ويقوم العاكس بتحويل طاقة التيار المباشر (DC) المخزنة في البطارية إلى تيار متردد (AC) لتشغيل الأجهزة. إذا كانت هناك فترة طويلة من انخفاض إنتاج الطاقة، والذي يمكن أن يحدث بسبب عدم وجود الشمس بسبب الطقس الغائم والثلوج والمواسم ذات ساعات النهار الأقصر، يمكن أن يحتوي النظام على مولد احتياطي (الديزل والبروبان والغاز الطبيعي وما إلى ذلك) لتوفير الطاقة لشحن البطاريات أو أجهزة الطاقة أو الأحمال حتى يصبح توليد الطاقة الشمسية كافيًا مرة أخرى. تحتوي الدورة على أربع مراحل ويتم تشغيلها تلقائيًا بواسطة إلكترونيات التحكم الموجودة في النظام يوميًا.

تعد أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة-حلولًا حقيقية-لتغيير كيفية حصول الأشخاص الذين يعيشون في المناطق النائية والمناطق الريفية وحتى بعض أصحاب المنازل في المناطق الحضرية على الطاقة الكهربائية. على سبيل المثال، توفر أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة-خيارًا أكثر فعالية من حيث التكلفة-لتوفير الطاقة في المناطق التي تكون فيها توسعات شبكة المرافق التقليدية مكلفة للغاية بسبب الحواجز الجغرافية (مثل الجبال أو الأنهار) أو الكثافات السكانية المنخفضة جدًا. إنها حلول رائعة للعديد من المواقع بما في ذلك: كوخ في الغابة، أو مزرعة زراعية تحتاج إلى مضخة مياه أو سياج كهربائي، أو برج خلوي على قمة جبل. إن الفوائد المالية المترتبة على الاستغناء عن-الشبكة باستخدام الطاقة الشمسية هائلة، كما أن الفوائد البيئية الإضافية المتمثلة في التخلص من الحاجة إلى مولدات الديزل تؤدي إلى انعدام انبعاثات الكربون. تُظهر اتجاهات سوق الطاقة خارج الشبكة-العالمية أن هناك اهتمامًا متزايدًا بأنظمة-الطاقة خارج الشبكة؛ وفقًا لتقرير الربع الأول من-الجمعية العالمية للإضاءة خارج الشبكة، زادت مبيعات-أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة بنسبة 17%، مما يدل على الأهمية المستمرة لأنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة-لتوسيع نطاق الوصول العالمي إلى الكهرباء.

ومع ذلك، فإن الأنظمة خارج الشبكة تمثل أيضًا تحديات فريدة من نوعها. يعد الاستثمار الأولي أعلى بكثير من الأنظمة المرتبطة بالشبكة بسبب تكاليف البطارية - التي تتراوح عادةً بين 4,000 إلى 4,000 إلى 8,000 لكل كيلووات، مقارنة بـ 2,500 إلى 2,500 إلى 4,000 للبدائل المرتبطة بالشبكة. الحجم المناسب للنظام أمر بالغ الأهمية؛ يجب أن يغطي النظام المصمم بشكل صحيح الإنتاج الشتوي الأسوأ وعدة أيام غائمة متتالية، مما يتطلب تحليلًا دقيقًا للأحمال ومخزنًا مؤقتًا كبيرًا. علاوة على ذلك، فإن صيانة البطارية واستبدالها في نهاية المطاف تزيد من تكلفة الملكية على المدى الطويل. ومع ذلك، بالنسبة للعدد المتزايد من أصحاب المنازل والشركات التي تسعى إلى الاكتفاء الذاتي الحقيقي، تمثل الطاقة الشمسية خارج الشبكة المسار الأكثر عملية واستدامة إلى الأمام.

في النظام الشمسي خارج الشبكة-، يكون المكون الرئيسي في توليد الطاقة هو الاتصال المتشابك بين أربع مراحل تشغيلية لتوليد الطاقة: التوليد والتنظيم والتخزين والتحويل. المرحلة الأولى هي توليد الطاقة عن طريق التأثير الكهروضوئي لخلايا السيليكون (تحرير الإلكترونات بواسطة ضوء الشمس). المرحلة الثانية هي التحكم الذكي في الشحن لإدارة كل الطاقة المولدة من الطاقة الشمسية في نظام بطارية للتخزين؛ تقوم المرحلة الثالثة بنقل تلك الطاقة إلى عاكس لتحويلها إلى تيار متردد. المرحلة الأخيرة هي تنظيم الطاقة حيث يتم استهلاكها بواسطة حمل كهربائي والنظام العام لديه المنطق الداخلي للتكيف والتفاعل مع التغيرات في الحمل المستهلك من خلال جمع وتخزين الطاقة الفائضة في الأوقات التي يتم فيها إنتاج طاقة كافية وتكون هناك حاجة إلى كمية محدودة من الطاقة أو استخدامها. نظرًا لانخفاض أسعار البطاريات وزيادة كفاءة الألواح الشمسية، فإن عدد الأشخاص المهتمين بالعيش خارج الشبكة-سيستمر في الانخفاض، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض سعر الدخول. بالنسبة للأفراد الراغبين في بذل الجهد لفهم المبادئ والتصميم المناسب-لأنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة، ستوفر لهم أنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة عائدًا أفضل من أي شيء آخر من شركة المرافق أو نظام الشبكة التقليدية: الوصول الكامل إلى حرية الطاقة والموثوقية وحرية الطاقة المتجددة.