الألواح الكهروضوئية ونقطة الاستطاعة العُظمى MPP

الطاقة المتجددة عبارة عن مصادر طبيعية دائمة وغير ناضبة ومتوفرة في الطبيعة ومتجددة باستمرار، وهي نظيفة لا ينتج عن استخدامها أي تلوث بيئي ومن أهم هذه المصادر الطاقة الشمسية التي تعتبر في الأصل هي الطاقة الرئيسية في تكوّن مصادر الطاقة الأخرى، يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ويقصد بالتحويل الكهروضوئي تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية (الكهروضوئية) وكما هو معلوم هناك بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم وغيرها .

الإشعاع الشمسي

إن الإشعاع الصادر عن الشمس يقسم إلى ضوء مرئي بنسبة 46% و إلى 49% أشعة تحت حمراء تمثل الحرارة و إن ما يقارب الـ 40% من الإشعاع الشمسي الواصل إلى سطح الأرض ينعكس إلى الفضاء بسبب الغيوم و الغلاف الجوي و بعض الأسطح المائية و الصحاري و تبلغ قيمة معدل الإشعاع الشمسي الساقط على المحيط الخارجي للأرض ما يقارب الـ  1357 (واط/متر مربع) و هو ما يعرف بالثابت الشمسي.

التعريف بالخلايا الكهروضوئية

الخلايا الكهروضوئية أشبه بمحولات تأخذ الطاقة من إشعاع الشمس وتحولها إلى نوع آخر من الطاقة.

مبدأ عمل الخلايا الكهروضوئية

عند سقوط شعاع الشمس على الخلية يمر هذا الشعاع (الضوء) من خلال سطح الخلية و يُمتص جزء منه بواسطة الطبقة الأولى للخلية و هي الطبقة التي تحتوي على الفوسفور أما أغلبية الضوء الساقط على هذه الخلية فتقوم بامتصاصه  الطبقة التي تحتوي على خليط السيليكون ويتكون من خلال هذه العملية الكترونات حرة الحركة يمكنها السريان خلال الموصل الكهربائي في أطراف الخلية وتزداد هذه الحركة بزيادة كثافة الضوء الساقط على الخلية و بالتالي يتشكل التيار الكهربائي المستمر ومن هنا يمكن توصيل حمل كهربائي ما على أطراف هذه الخلية والاستفادة من حركة الالكترونات الناتجة عن سقوط ضوء الشمس على الخلية المذكور.

أنواع الخلايا الكهروضوئية

أهم أنواع الخلايا الكهروضوئية هي الخلايا السيليكونية والتي تُصنّف كما يلي:

• الخلايا السيليكونية أحادية البلورة Monocrystalline Silicon Cells:

  معظم الألواح في الأسواق هي ألواح أحادية البلورة و ذات كفاءة تقارب الـ 15% و تعرّف الكفاءة بأنها النسبة المئوية من الطاقة الشمسية الساقطة على اللوح الشمسي والتي يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية وهي خلايا مكلفة التصنيع غالية الثمن.

• الخلايا السيليكونية متعددة البلورة Polycrystalline Silicon Cells:

  هي خلايا أرخص ثمناً و أسهل تصنيعاً بسبب النقاوة الأقل للمادة الأولية وهي ذات كفاءة أقل.

• الخلايا السيليكونية العشوائية Amorphous Silicon Cells:

  تتكون هذه الخلايا من خلال خليط من الخلايا السيليكونية الأحادية والمتعددة البلورة ويمكن تصنيع الخلايا الكهروضوئية هذه بطريقة أقل ثمناً.

الخصائص الكهربائية للألواح الكهروضوئية

يتألف اللوح الشمسي من عدد من الخلايا التي تكون موصلة (تسلسلياً أو تفرعياً) مع بعضها ضمن لوحة واحدة و يجب أن تكون محمية من العوامل الجوية و يتم تجميع الألواح مع بعضها لتشكيل الصف ARRAY بحجم و شكل معينين و تركب الصفوف الكهروضوئية لزيادة مساحة التعرض المباشر للشمس، تكون الطاقة الكهربائية المتولدة من الخلية الكهروضوئية بشكل تيار مستمر DC و تعتمد قيمة و شدة هذا التيار على عنصرين الأول هو الأشعة الشمسية الساقطة و الثاني هو التيار والفولط المطلوب للحمل و يعتمد مردود اللوح الشمسي على مردود هذه الخلايا، إن فرق جهد الدارة المفتوحة هو الجهد الذي تقدمه الخلية الكهروضوئية عندما لا يمر تيار في الدارة و هو الجهد الأعظمي الذي تعطيه الخلية الكهروضوئية من إشعاع الشمس، أما تيار الدارة المغلقة فهو التيار المار في الخلية الكهروضوئية إلى دارة خارجية دون حمل أو مقاومة و هو التيار الأعظمي الذي تستطيع الخلية الكهروضوئية توليده من الإشعاع الشمسي، إن الجهد المتولد من الخلية الكهروضوئــية يبقى ثابت عند كل أنواع الإشـــــعاع الشمسي بينما التيار الناتج يتغير بشكل مبـــــاشر وفق قيم الإشـــــــعاع الســـــاقط.

التوليد الكهروضوئي

نظراً لأن مردود الخلايا الكهروضوئية منخفض نسبياً حوالي الـ 15% لذلك يجب استخدام أكثر من لوح شمــسي للحصول على قدرة كهربائـيــــــة عالية و هذا ما يدعى بالتوليد الكهروضوئي و يذكر أن الجهد الناتج عن عملية التوليد الشمسي يعتمد على عدد الألواح الشمسية الموصولة على التسلسل.

توصيل الألواح الكهروضوئية

يُمكن توصيل الألواح الشمسية وفق الطرق التالية:

• الوصل التسلسلي:

  عند وصل مجموعة من الألواح الكهروضوئية المتشابهة وليكن عددها n على التسلسل فإن جهد الدارة المفتوحة يساوي عدد الألواح مضروب بـجهد اللوح الواحد.

• الوصل التفرعي:

  عند وصل مجموعة من الألواح الكهروضوئية المتشابهة وليكن عددها n على التسلسل فإن جهد الدارة يساوي جهد اللوح الواحد والتيار الناتج يساوي مجموع التيارات لكل الألواح.

نقطة الاستطاعة العظمى MPPT

أهم مفهوم ضمن تقنيات الطاقة الشمسية هو نقطة الاستطاعة العظمى، إن نقطة الاستطاعة العظمى MPPT هي اختصار للمُصطلح الشهير Maximum Power Point وهي النقطة التي تكون عندها الطاقة المتولدة من الخلية الكهروضوئية أكبر ما يمكن أي هي نقطة أعلى ارتفاع بين خط التيار و خط الجهد.

تقنيات وخوارزميات مُلاحقة نقطة الاستطاعة العُظمى

إن خصائص منحني اللوح الشمسي تظهر فقط عند نقطة الاستطاعة العُظمى (MPP) والتي تُلاحق باستخدام إحدى تقنيات وخوارزميات المُلاحقة التي تتطور باستمرار وما زال العمل قائم على تطوير تقنيات التتبع هذه، ويُمكن وضع تصنيف عام لطرق مُلاحقة نقطة الاستطاعة العظمى بما يلي:

• تقنيات تتبع مع البارامترات الثابتة.

• تقنيات تتبع مع القياس والمقارنة.

• تقنيات تتبع مع التجربة والخطأ.

• تقنيات تتبع مع العمليات الرياضية.

• تقنيات التتبع مع التنبؤ الذكي.

أشهر خوارزميات مُلاحقة نقطة الاستطاعة العُظمى

تتعدد الخوارزميات والتقنيات التي تُستخدم لملاحقة وتتبع نقطة الاستطاعة العُظمى في الأنظمة الكهروضوئية وهنالك بعض الخوارزميات والتي تصنف بالأكثر شهرة والتي هي:

• خوارزمية الاضطراب والمراقبة P&O.
• خوارزمية زيادة الناقلية INC.
• خوارزمية جهد الدارة المفتوحة VOC.
• خوارزمية الجهد الثابت CV.
• خوارزمية نبضة تيار القصر.
• خوارزمية المنطق الضبابي Fuzzy Logic.
• خوارزمية الشبكة العصبونية ANN.

هذه الخوارزميات هي الخوارزميات الأساس نحو أي تطوير يُمكن القيام به، الطرق هذه يُمكن وصفها بالطرق البدائية والآن يتم تتبع نقطة الـ MPP باستخدام خوارزميات الأمثلة وخوارزميات الذكاء الاصطناعي.