كيفية توليد الطاقة الشمسية

استعرض الموضوع السابق استعرض الموضوع التالي اذهب الى الأسفل

كيفية توليد الطاقة الشمسية

مُساهمة  kacem في الخميس أكتوبر 16, 2008 8:17 pm

اولا: موقع الارض من الشمس
كما هوا معروف ان احد مصادر الطاقة المهمة للارض هي الطاقة الشمسية و نري ان الشمس تصب كمية هائلة من ضوئها علي الفضاء المحيط بها وبما ان كوكب الارض يدور حول الشمس في مدار محدد قدره مدبر هذا الكون سبحانه وتعالي.
نجد ان هناك كميات متفاوته من هذه الطاقة تحط علي سطح الارض يوميا تحدد هذه الكميات بموقع الارض من الشمس او بالفصول اربعة للسنه الشكل 1 يوضح موقع الارض من الشمس في الفصول الاربعة للسنة .


الشكل 1

كما هوا واضح من الشكل 1 نجد ان الدول التي تقع على خط الاستواء هي الدول التي تتمتع بفصل واحد تقريبا طوال السنة وهوا فصل الصيف اي بمعني اخر تسلط اشعة الشمس علي هذه الدول طوال السنة ومن ثم تتمتع الدول القريبة من خط الاستواء بهذا الطقس وعادة يصعب علي سكان هذه المناطق الاحساس بالفصول الاخري.
علما بان المناطق الشمالية و ايضا الجنوبية لخط الاستواء و القريبة لاقطاب الارض تكون محسوسة الفصول اي ان سكان هذه المناطق يدركون الفصول الاربعة للسنة.
المقصود بهذه المقدمة هوا تحديد اماكن كثافة الطاقة الشمسية على كوكب الارض خلال دورانه حول الشمس فنجد ان الدول العربية تحضي بقدر كبير من هذه الطاقة يوميا.

كمّية الإشعاعات الشمسة التي تصل سطح الأرض تتفاوت بسبب تغيير الظروف الجوية والموقع المتغير للارض بالنسبة للشمس، خلال اليوم الواحد وطوال السنة. الغيوم الحالة الجوية الرئيسية التي تقرّر كمّية الإشعاع الشمسي الذي يصل الأرض و بالتّالي، تتلقي المناطق ذو المناخ الغائم إشعاعات شمسية أقل من المناطق التي يكون مناخها صحراويآ.

عموما، اكبر كمية اشعاع شمسي تستلم بواسطة الارض تكون في فترة الظهيرة عندما يكون ضوء الشمس عامودي على سطح الارض بخلاف وقتي الشروق و الغروب فهما يستقبلان اقل كمية من الاشعاع طوال فترة النهار لكل يوم.
بالتّالي، نتيجة سقوط اشعاع الشمس عموديا علي سطح الارض خلال فترة الظهيرة نجد ان المفقيد في الاشعاع تكون صغيرة جدا هذه المفاقيد عبارة عن امتصاص السحب للاشعاعات الشمسية او تبعثر الاشعاعات في الفضاء بواسطة انعكاساتها عن طريق الرماد البركاني المحمول جوا او الادخنة المحمولة جوا نتيجة حرق الغابات و غيرها من ملوثات البيئة بهذا تصل إشعاعات شمسية أكثر سطح الأرض في منتصف اليوم.

تتكون مجموع الاشعاعات التي ترتطم بسطح الخلية الضوئية في الوضع الافقي او بمساحة معينة علي سطح الارض كما هوا موضح في الشكل رقم 2 من ثلاثة اجزاء اساسية وهي:
1. الحزمة الضوئية المباشرة(Direct Beam Radiation)
2. الحزمة الضوئية المبعثرة (Diffuse Radiation ) .
3. الحزمة الضوئية المعكوسة (Albedo Radiation) .




ولمعرفة المزيد عن هذه الاجزاء نجد ان الجزء الاول يعرف نفسه وهوا عبارة عن شعاع مباشر اي في خط مباشر من الشمس الي الارض ويشكل اغلب الاجزاء في الايام المشمسة.

اما في ألايام الغائمة، الشمس مغطّية بالغيوم و الشعاع المباشر في مثل هذه الايام يكون تقريبآ صفر. ومن ثم تشكل الحزمة الضوئية المبعثرة الاغلبية العظمة في ذلك اليوم ولاكن تكون جزيئاته متفرّقه خارج مسار الشعاع المباشر. وبما ان هذا الشعاع ياتي من انحاء متفرقة من السماء فلبعض يطلقوا عليه اسم اشعاع السماء.
إنّ كمية الشعاع المبعثر يكون حوالي 10 % إلى 20 % للسماء الصافية وبحدود 100 % للسماء الغائمة. بعض الإشعاع الشمسي يدخل جوّ الأرض يمتصّ ويبعثر.

اما الجزء الثالث والاخير فهو مكمل للحزمة الضوئية الكاملة التي ترتطم بالخلية الضوئية وهو عبارة عن الاشعاعات الضوئية المنعكسة بواسطة الوسائط المختلفة المحيطة بالخلية ويطلق على هذا الجزءAlbedo Radiation .
إنّ كمّية الإشعاع المنعكس على سطح الخلية يكون مختلف الكمية بسبب اختلاف الاسطح العاكسه للشعاع الجدول1 يحتوي على الاسطح العاكسة الموجودة ومعاملات كل سطع لان ذلك يوخذ في الحسبان عندما نريد ايجاد كمية الشعاع الساقط على نقطة معينة في الارض.





بعد معرفة الاجزاء الثلاثة الاساسية المكونه للشعاع الساقط علي الخلية الضوئية في الوضع الافقي المعادلة 1 التالية تستخدم لجمع هذه الاجزاء وايجاد المجموع النهائي لكمية الشعاع الساقط الذي سوف نستخدمة لاحقآ و نحسب من خلاله كمية الطاقة الكهربية التي يمكن ان تنتجه.
GR = Direct Beam radiation (B)+Diffuse radiation (D)+Ground Reflected radiation(R
بعد تحليل الإشعاع الشمسي الكلي الساقط علي الخلية في الوضع الافقي يمكننا زيادة كمية الاشعاع التي استعرضناها في الاعلي وذلك بتثبيت الخلاية الضوئية بزاوية ميل يتم اختيارها بدقة بحيث تثبت مباشرة نحو الشمس معظم الوقت و طوال السنةوسوف تحقّق زاوية الميل هذه الحد الأقصى من الطاقة إلمستعمله.
وباستخدام زاوية ميل للخلية سوف تتغير المعادة الاولي ويضاف اليها الزاوية ويتغير وضع الخلية من افقي الى شبه عامودي يحدد ذلك مكان الخلية علي سطح الارض.
انشاء الله سوف يكون الجزء الثاني عبارة عن: كيفية عمل الخلايا الكهروضوئية مع شرح وتوضيح لمنحنيات خواص الجهد والتيار والقدرة وكيف يكون لدرجة الحرارة التاثير الواضع في الجهد المتولد من هذه الخلاية.
اتمني ان لا اكون قد اثقلت عليكم.

ضوء الشمس شكل من اشكال الطاقة المهمة جدآ. كلّ يوم تصبّ الشمس كمّيات هائلة من الطاقة في الفضاء تتمثل هذ الطاقة باشكال مختلفة منها على شكل أشعة تحت الحمراء و الاخر على شكل ضوء فوق البنفسجي، ولاكن أغلبه على شكل ضوء مرئي. فالضوء المرئي هذا هوا الذي يمكن أن يستخدم ويحوّل مباشرة إلى الكهرباء من خلال الخلية الكهروضوئية.

مكونات الخلية الكهروضوئية:
اليوم اغلب الخلاية الكهروضوئية المستخدمة تكون مصنعة من مادة بلّورية تدعى سيليكون، وهي احدي مواد الارض شيوعآ. تتكون الخلية الضوئية من طبقة رقيقة من مادة السيلكون هذه المادة هي احدا مواد اشباه الموصلات المعروفة التي تندرج خواصها الفيزيائية بين الموصلات و العوازل.
يتم تصنيعها من خلال خلط كمّية صغيرة جدا من البورون مع مادة السيلكون الصافي ثم تسخن الى درجة حرارة 850 درجة مئوية اثنا التسخين يرش سطح الخلية بطبقة الفسفور وذلك لخلق طبقتين مختلفتين من نوع n-type ومن نوع p-type. بمعني اخر تتكون وصلة ال pn junctions قرب السطح بين غلاف الفسفور وخليط البورون. عموما يستعمل الفسفور لخلق الطبقة n-type وخليط السيليكون بالبورون لخلق طبقة من نوع p-type بهذا نكون قد حصلنا على الماخذ الموجب و الماخد السالب للخلية. شكل 3 يوضح التركيب الاساسي للخلية.



شكل3


طريقة عمل الخلية الكهروضوئية:
من الشكل 4 نلاحظ انه عند سقوط ضوء الشمس على الخلية يمر هذ الضوءمن خلال سطح الخلية ويمتص جزء منه بواسطة الطبقة الاولي للخلية وهي الطبقة التي تحتوي علي فسفور اما اغلبية الضوء الساقط على هذه الخلية فيقوم بامتصاصه الجزء الخاص بذلك وهي الطبقة التي تحتوي علي خليط السيلكون بالبورون حيث يتكون من خلال هذه العملية الكترونات حرة الحركة يمكنها السريان خلال الموصل الكهربائي في اطراف الخلية وتذداد هذه الحركة بزيادة كثافة الضوء الساقط علي هذه الخلية من هنا يمكننا توصيل حمل كهربائي على اطراف هذه الخلية والاستفادة من حركة الالكترونات الناتجة من تسليط ضوء الشمس علي الخلية. الخلية الكهروضوئية حالها حال الدايود في عدم وجود الضوء تكون موصل اي في الضلام وتبدا توليد الطاقة الكهربائية بسقوط ضوء الشمس عليها.





تأثير درجة الحرارة على منحنيات خواص الجهد و التيار للخلية:
تتفاوت كفاءة أداء الخلية الكهروضوئية عادة عكسيا بدرجة حرارة التشغيل بمعني اخر ينخفض اداء الخلية بارتفاع درجة حرارة الجو المحيط للخلية ، هذا يعني ان الطاقة الكهربائية الناتجة من الخلية تنخفض بارتفاع درجة الحرارة. الشكل 5 يوضح تاثير درجة الحرارة على منحني خواص الجهد و التيار وكيف يكون لدرجة الحرارة التاثير المباشر في الطاقة الكهربائية المتولدة و الشكل 6 يعزز هذ التاثير في كمية الطاقة الكهربائية المتولدة.







عموما درجة الحرارة من العوامل المؤثرة في الخرج و هناك عوامل اخري تلعب دور في انخفاض اداء هذه الخلية من هذه العوامل سرعة الهواء و كثافة الضوء الساقط على الخلية. اما سرعة الهواء فتاثيرها ليس كبير مثل درجة الحرارة او كثافة الضوء لذا لم ادرج اي شكل يتعلق بتاثير سرعة الهواء ولاكن في حساب الطاقة المتولدة رياضيا يوخد في الحسبان الشكل 7 يوضح تاثير كثافة الضوء الساقط علي الخلية في الطاقة المتولدة.





ختاما ان كفائة اداء الخلاية الكهروضوئية تتراوح من 14% الى 21 % حسب نوع مواد الخلية المصنعة منها وباضافة المؤثرات الخارجية ناخذ على سبيل المثال ارتفاع في درجة الحرارة سوف تنخفض هذه الكفائة اكثر وسوف توثر ذلك في التكلفة الكلية في انشاء مشروع. عموما البحث قائم في هذا المجال اولا لتحسين اداء الخلاية الكهروضوئية ثانيا لتخفيض اسعارها.
بالرغم من كل ماذكر في هذا الجزء فلا يوجدهناك ما يمنع من استخدامها فهناك مجال كبير لاستخدام الخلية الكهروضوئية

ثالثآ : مجالات استخدام الخلاية الكهروضوئية:
تستخدم الخلاية الكهروضوئية اليوم في مجالات عديده من اهم هذه المجالات هي تغذية المناطق المعزولة في العالم بالطاقة الكهربائية والمقصود بالمعزولة هنا هي المناطق التي تكون بعيدة عن محطات الطاقة الكهربائية التقليدية هناك 2 بليون من سكان الارض يعيشون في مناطق بعيدة عن محطات توليد الطاقة المحلية لبلادهم وتكون تكلفة توصيل الطاقة لهم باهظة جدآ او مستحيلة احيانآ في هذه الحالات يكون البحث عن البدائل هوا الوسيلة السليمة واحدي هذه الوسائل هي توليد الطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة الشمسية عن طريق الخلاية الكهروضوئية

باختصار مجالات استخدمها كما يلي:
• المناطق المعزلة او البعيدة عن المحطات المحلية.
• محطات ضخ المياه الجوفية و محطات التحلية.
• منظمة الصحة العالمية ( برادات المراكز المتنقلة للحفاظ علي اللقاح )
• الاتصالات
• خدمات الطرق السريعة مثل تلفونات الاسعافات لوح الاعلانات
• نظم الحماية بانواعها
• كهربة الاقمار الصناعية
• وبعض الاجهزة المنزلية ذات الاحمال الصغيرة
الصور التالية عبارة عن استخدامات عديدة للخلية الكهروضوئية:





كل ما ذكرناه في الاعلي عبارة عن استخدمات للخلية الكهروضوئية هذ الاستخدمات يجب ان تكون منخفضة القدرة لكي تكون تكلفتها معقولة ومساحة بنائها ليست بالكبيره. اما اذا كانت الاجهزة المراد تغذيتها بالتيار الكهربائي من الاحمال الكبيرة مثل الاجهزة التي تنتج حرارة كبيرة كالفرن الكهربائي واجهزة التكييف و ماشابه ذلك فان النظام هنا سوف يكون اكبر اي نحتاج مساحة اكبر وذلك حسب الحمل المراد تغذيته وسوف ارفق مثال بسيط على تصميم نظام ذو احمال صغيرة سوف يحتوي هذا المثال على تحديد مكونات الدائرة وطريقة اختيار العناصر ومن ثم تكلفة النظام.
هناك ثلاث تطبيقات للخلية الكهروضوئية وهي كما يلى:
1. نظام الخلاية الكهروضوئية القائم بذاته ويسمي(Stand Alone Systems)
2. النظام المتصل بشبكة الطاقة المحلية ويسى (Grid Connected Systems)
3. النظام المتعدد المصادر ويطلق عليه .(Hybrid Systems)
الشكل 8a,b,c يوضح التطبيقات الثلاثة للخلاية الكهروضوئية ومكونات كل تطبيق علي حدا:













تكملة الجزء الثالث:
تستخدم التطبيقات الثلاثة السابقة الذكر في مجالات مختلفة و يحدد كل استخدام على حسب النقاط التالية:

1. المنطقة الموجود بها الحمل و المراد تذويدها بالطاقة الكهربائية فعلي سبيل المثال استخدام التطبيق الاول في منطقة قريبة من محطات توليد الطاقة الكهربائية المحلية يكون غير منطقيآ و السبب هوا ان تكلفة الواط من نظام الخلاية الكهروضوئية يكون باهظ جدآ مقارنة بسعر الواط في الشبكة المحلة فافضل استخدام للتطبيق الاول يكون في المناطق المعزولة او كما ذكرنا سابقا للاغراض التي تحتاج قدرات صغيرة.

2. اما بالنسبة للتطبيق الثاني فيستخدم عادة لتغذية وحدة سكنية او صحية او مدرسة او لاي غرض كان بشرط ان يكون نظام الخلاية المبني للمنشئة واصل بالشبة المحلية وذلك لاستخدامه الخلاية الضوئية اثناء النهار وتصدير الطاقة الفائضة منه للشبكة المحلية اما اثناء الليل فتورد( تغذي ) الشبكة المحلية المنشئة. بهذا يكون المستهلك قد استخدم الشبكة المحلية كمستودع للطاقة التي ينتجها اثناء النهار ويستهلك جزء منها اثناء الليل. بعض الدول التي تكون فيها سعر الطاقة الكهربائية عالي جدآ يفضلوا استخدام التطبيق الثاني ليتجنبوا الارتفاع المتزايد في اسعار الطاقة الكهربائية وخصوصا وقت الذرواة اليابان احدي هذه الدول التي تشجع مواطنها وتقدم لهم القروض الطويلة الاجل المدعمة من الدولة بدون فوائد لكي يخففوا من استخدام المواد البترولية في توليد الطاقة الكهربائية ويتجهوا الي المطادر الطبيعية المتجددة.


3. قرب النظام من مصادر طاقة طبيعية كالشلالات او مصادر الغاز الطبيعي او ماشابه ذلك ايضا بعده عن الشبكة المحلية هذا يجعل التطبيق الثالث مناسبآ جدآ للاستخدام وتكلفته سوف تكون اقل من التطبيقين الاخرين.

اخيرآ الخلاية الكهروضوئية هي احدي الوسائل المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية عن طريق المصادر المتجددة لهذا السبب الابحاث العلمية في هذا المجال قائمة اولا لتحسين اداها وثانيا لتخيض تكلفتها. وكما ذكرنا سابقا ان لدرجة الحرارة التثاير الواضح في تخفيض اداء هذه الخلاية فمعني ذلك ان ارتفاع درجة الحرارة سوف يزيد من انخفاض الاداء اكثر فاكثر ومن ثم يذيد في تكلفة النظام.
اعتقد ان لهذا السبب التاثير الواضح في عدم انتشار هذا النوع من النظم في عالمنا العربي و ايضا لتوفر الشبكات المحلية تقريبا في جميع انحاء العالم العربي. ومن ناحية اخري مجال البحث العلمي في منطقتنا لم تعطي هذه التقنية الاهتمام الكافي لكي يجعل منها ركيزة لمستقبل خال من التلوثات البيئية التي توجد بوجود عوادم المحارق ومنها المحطات الحالية التي تستهلك البترول في توليد الطاقة الكهربائية.

kacem
مشرف متميز
مشرف متميز

عدد المساهمات : 42
تاريخ التسجيل : 07/10/2008
العمر : 24

الرجوع الى أعلى الصفحة اذهب الى الأسفل

رد: كيفية توليد الطاقة الشمسية

مُساهمة  Admin في الإثنين أكتوبر 20, 2008 12:01 am

بارك الله فيك وجزاك الله خيرا ...

_________________


Admin
Admin
Admin

عدد المساهمات : 739
تاريخ التسجيل : 01/08/2008

http://lycee17.almountadayat.com

الرجوع الى أعلى الصفحة اذهب الى الأسفل

استعرض الموضوع السابق استعرض الموضوع التالي الرجوع الى أعلى الصفحة


 
صلاحيات هذا المنتدى:
لاتستطيع الرد على المواضيع في هذا المنتدى