تجارب في مجال الألواح الشمسية الفوتوضوئية
تأثير الحرارة
تعتبر الخلايا الشمسية مصدر هام لتزويد المركبات الفضائية والأقمار الصناعية بما تحتاجة من طاقة كهربائية، وتعتبر من البدائل المساعدة لمصادر الطاقة التقليدية من البترول و الفحم والغاز ومشتقاته المحدودة في الطبيعة والقابلة للنضوب بسبب الاستنزاف الهائل لها، فالخلايا الشمسية تحول طاقة الأشعة الشمسية مباشرة إلى كهرباء وتتميز بإنتاج كهرباء دون أن تؤدي لتلوث البيئة يقوم مبدأ عمل الخلايا الشمسية على تحويل
جزء من الإشعاع الشمسي إلى كهرباء بشكل مباشر. تصنع الألواح الشمسية من وصلة ثنائية تتكون بين طبقتين من السيليكون مختلفتين في نوعية الشوائب المضافة. وعندما تتعرض الألواح الشمسية للضوء تتحرر الإلكترونات من إحدى الطبقتين إلى الأخرى وينشأ فرق الجهد الكهربائي.
إن كفاءة الألواح الشمسية بشكل عام منخفضة (أقل من 20٪) وهذا يعني أنه إذا كانت الطاقة الشمسية الساقطة على لوح شمسي ذي كفاءة 15% - مثلا ً- تساوي 1000 وات / م2 ، سيتم تحويل 150 وات / م2 فقط إلى طاقة كهربائية في درجة حرارة الظروف المثالية التي تكون عند 25 درجة مئوية. ومعنى ذلك أن جزءا ً صغيرا ً فقط من الإشعاع الشمسي الساقط على الألواح الشمسية يتم تحويله إلى كهرباء. ولكن ما مصير الجزء الأكبر من هذا الإشعاع الساقط على اللوح الشمسي؟ الجواب هو أن جزءا ً منه يُفقد إلى البيئة المحيطة باللوح الشمسي على شكل طاقة حرارية عن طريق الحمل الحراري و الإشعاع الحراري بشكل رئيسي وجزء غير قليل يمتصه اللوح الشمسي مما يسبب ارتفاعا في درجة حرارته. إذن درجة حرارة الألواح الشمسية مرتبطة بالإشعاع الشمسي الساقط الذي لا يتم تحويله إلى كهرباء و لا يُفقد على شكل طاقة حرارية إلى البيئة المحيطة مما يسبب انخفاضا ً في كفاءة الخلايا الشمسية. وهنا يبرز السؤال التالي لماذا تنخفض كفاءة الألواح الشمسية مع زيادة درجة الحرارة؟ باختصار وبعدا عن التعقيد أقول إن ارتفاع درجات الحرارة يقلل الطاقة التي تكتسبها حاملات الشحنة –في مادة السيليكون التي تصنع منها الألواح الشمسية- من الإشعاع الشمسي وبالتالي تقل الطاقة المفيدة التي تمتلكها ويقل ما يمكن أن نجنيه من الخلايا الشمسية.
ومما ينبغي أن يعلم أن مواصفات الألواح الشمسية التي تكون مكتوبة عادة في الخلف تكون صحيحة في ظروف مختبرية قياسية ( أهمها :25 درجة مئوية و 1000 وات/متر مربع) فإذا قيل إن اللوح الشمسي قدرته 150 وات مثلا ًفهذا إنما يكون في هذه الظروف القياسية. وأي اختلاف عن هذه الظروف ينتج تغيرا في هذه المواصفات. فكل 10 درجات مئوية فوق 25 درجة مئوية تسبب فقدا ً مقداره 5% تقريبا ً. فإذا علمنا أن في مدينة الرياض تصل درجة حرارة الألواح الشمسية في الصيف إلى أكثر من 75 درجة مئوية مما يسبب فقدا في الطاقة بنسبة 25% تقريبا وهو مقدار غير بسيط. إضافة إلى ذلك فإن عمر الألواح الشمسية يتأثر بدرجة الحرارة فكلما زادت درجة الحرارة قل العمر الافتراضي لها. ففي حين يكون العمر الافتراضي للألواح الشمسية يتراوح بين 25 و 30 سنة عند درجات حرارة مرتفعة نسبيا ً يمكن أن يزيد عمرها الافتراضي إلى 48 سنة في حال تم تخفيض درجة الحرارة ,حسب بعض الباحثين. لذلك يمكن أن يساعد تبريد الألواح الشمسية -بطريقة مناسبة- في الحفاظ على كفاءة الألواح من الانخفاض ويساعد كذلك في زيادة العمر الافتراضي لها وهذا كله يساعد في تحسين إنتاج الطاقة لكل مساحة متر مربع في نظام الطاقة الشمسية الكهربائية وتحسين السيناريو الاقتصادي لمشاريعها.
العوامل الرئيسية التي تحكم درجة حرارة الألواح الكهروضوئية هي: درجة الحرارة المحيطة وسرعة الرياح. تعتبر درجة الحرارة المحيطة عاملا رئيسيا ً في تحديد كفاءة الألواح الشمسية لأن الهواء المحيط بالألواح يعتبر الوسط الرئيسي الذي يقوم بامتصاص الطاقة الحرارية منها فعندما تكون درجة الحرارة المحيطة مرتفعة مثل أيام الصيف في الرياض التي يصل فيها درجة الحرارة إلى 45 درجة مئوية ؛ تصل درجة حرارة الألواح إلى 75 درجة مئوية أو أكثر , في حين أنه خلال فصل الشتاء في الرياض ، يمنع الطقس البارد من تجاوز درجة حرارة الألواح 60 درجة مئوية.
أما بالنسبة لسرعة الرياح فهي تتميز بتأثير عكسي، حيث تعمل الرياح العالية على تقليل أثر الحرارة حيث تجعلها مستويات 60 درجة مئوية.
وهناك عوامل أخرى مثل زاوية الميل (أو زاوية سقوط الإشعاع الشمسي) وطريقة تركيب الألواح واتجاه سرعة الرياح لكنها أقل تأثيرا ً.
يتلخص مما مضى أن أداء الألواح الشمسية في الأماكن الباردة أفضل منه في الأماكن الحارة عند تساوي الإشعاع الشمسي.
وقد قام أحد منسوبي المركز بإجراء دراسة عن أثر الحرارة و تبريد الأواح الشمسية الفوتوضوئية لرفع الكفاءة الفعلية للألواح.
هذه الدراسة تتضمن دراسة نظرية و تجريبية عن تبريد الألواح الشمسية باستخدام مبدأ التبريد التبخيري. في البدء تم عرض دراسة للطرق المستخدمة في تبريد الألواح الشمسية.
بعد ذلك تم إنشاء نموذج رياضي لوصف عملية انتقال الحرارة و الكتلة المصاحب لعملية التبخر. لقد تم عمل تجربتين مختلفتين: التبريد المباشر و غير المباشر. في التبريد المباشر هناك تلامس مباشر بين الوسط حيث يتم التبخير وبين اللوح الشمسي وغير المباشر يحتوي صنوق يلصق تحت الليوح الشمسيحيث يمر الهواء فوق سطح مبلول بالماء.
نتائج الدراسة بينت أنه بالامكان خفض درجة حرارة اللوح الشمسي 10 درجات ورفع الكفاءة الكهربائية 5 % في التبريد غير المباشر وخفض درجة الحرارة أكثر من20 درجة ورفع الكفاءة نحو 10 %.
تأثير الغبار
تعد أنظمة الطاقة الكهروضوئية واحدة من الطرق المقترحة لمعالجة اولاً احتياجات الطاقة، وثانياً التقليل من الاثار البيئية بسبب استخدام الوقود الاحفوري. وبالتالي المساهمة مع أنظمة الطاقة المتجددة الاخرى في برامج الطاقة المتجددة المستدامة وفي تخفيض نسبة غاز ثاني أكسيد الكربون والغازات الدفيئة الاخرى الضارة. ولكن، أنظمة الطاقة الكهروضوئية تواجه العديد من الصعوبات من حيث الكفاءة الإنتاجية الإجمالية التي تتراوح بين 5%-40% لأنواع مختلفة من الخلايا الشمسية بسبب بعض الصعوبات في تقنية أشباه الموصلات. علاوة على ذلك، تتأثر الكفاءة بعوامل إضافية يمكن أن تكون داخلية او خارجية وفي بعض الاحيان الاثنان معاً. وتشمل العوامل الداخلية مكونات النظام المدمجة وأدائها (عند درجة حرارة معينة، طرق التخزين، المحولات)، وتشمل العوامل الخارجية الطقس والموقع الجغرافي. احد العوامل الهامة التي يتم عادةً تجاهلها في عملية التصميم مما يؤثر على الأداء العام لكفاءة الأنظمة الشمسية هو عامل الأتربة. إن ظاهرة تلوث الالواح الشمسية وتراكم الأتربة عليها في البيئات الصحراوية تساهم في التقليل من كفاءة الألواح الشمسية، ومن متوسط العمر المتوقع لهذه الألواح. سيعكس تراكم جسيمات الغبار على سطح الخلايا الشمسية كمية كبيرة من الإشعاع الشمسي. وبالتالي ، الحد من صافي الإشعاع الشمسي الحادث التي تلقتها هذه الألواح. نتيجة لهذا التخفيض، سيؤثر ذلك على انتاج الطاقة في النظم الكهروضوئية ومن ثم سيؤثر على كفاءتها. يعتمد خفض أداء وكفائة هذا الالواح الشمسية على خصائص الغبار (أي حجم ،شكل ،نوع و كمية الانعكاس) وآلية التنظيف المُنفذة بوسائل تلقائية (ذاتية التنظيف) او فعالة ( ميكانيكية على أساس يومي أو أسبوعي أو شهري). بالإضافة إلى ذلك ، تستثمر المملكة العربية السعودية بشكل كبير في أنظمة الطاقة الشمسية لتحقيق هدفين هامين. الأول هو الوفاء بالتزاماتها المتعلقة بتغير المناخ وتقليل ظاهرة الاحتباس الحراري، والثاني هو تعزيز الاقتصاد واستدامته من خلال الاعتماد بشكل أكبر على مصادر الطاقة البديلة المتجددة والابتعاد عن اقتصاد يعتمد على الوقود الأحفوري. من ناحية أخرى ، من أجل الحصول على الإمكانات والعوائد الكاملة المرادة من هذا الاستثمار، من الضروري فهم التأثير السلبي للاتربة على أنظمة الطاقة الشمسية في المملكة العربية السعودية. لأن الصحراء هي الميزة الأبرز في شبه الجزيرة العربية حيث تعتبر المملكة العربية السعودية أكبر بلد فيها (أي 95٪ منها صحراء).
يهدف المشروع المقترح إلى إنشاء أنماط هندسية نانوية الحجم على سطح الخلايا الكهروضوئية لكي تساعد على صد الرمال ومنع تراكمها. حيث ان إيجاد الأنماط المجهرية المثلى المناسبة للمهمة المطلوبة، سيساعد في التقليل من تأثير تراكم الاتربة على سطح الخلايا الكهروضوئية. تعتبر هذه الطريقة تقنية تلقائية لا تستهلك أي طاقة. لذلك ، لا يوجد عبء على الناتج الإجمالي للطاقة. علاوة على ذلك، يمكن دراسة امكانية اضافة طبقات كيميائية على سطح الخلايا الكهروضوئية تساعد في تعزيز أداء هذه الأنماط الهندسية المستحدثة.
