محطات الطاقة الكهروضوئية

تعريف محطات الطاقة الشمسية

تقوم محطات الطاقة الشمسية بإنتاج الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية، وتُصنف إلى محطات الطاقة الشمسية الضوئية (PV) ومحطات الطاقة الشمسية المركزة (CSP).

محطات الطاقة الشمسية الضوئية

تقوم بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء باستخدام خلايا شمسية وتتضمن مكونات مثل الوحدات الشمسية والمحولات والبطاريات.

تعتبر محطة الطاقة الشمسية الضوئية نظامًا ضوئيًا كبيرًا متصل بالشبكة ومصمم لإنتاج كمية كبيرة من الكهرباء من الإشعاع الشمسي. تتكون محطة الطاقة الشمسية الضوئية من عدة مكونات، مثل:

• الوحدات الشمسية: هي الوحدات الأساسية لنظام PV، وهي مكونة من خلايا شمسية تحول الضوء إلى كهرباء. الخلايا الشمسية، التي تصنع عادة من السيليكون، تمتص الفوتونات وتطلق الإلكترونات، مما يخلق تيارًا كهربائيًا. يمكن ترتيب الوحدات الشمسية بشكل متسلسل أو موازي أو متسلسل-موازي، اعتمادًا على احتياجات الجهد والتيار للنظام.

• الهياكل الداعمة: يمكن أن تكون ثابتة أو قابلة للتعديل. الهياكل الثابتة أرخص لكنها لا تتبع حركة الشمس، مما قد يقلل من الإنتاج. الهياكل القابلة للتعديل يمكن أن تميل أو تدور لتتبع الشمس، مما يعزز إنتاج الطاقة. يمكن أن تكون يدوية أو آلية، اعتمادًا على الحاجة للتحكم.

• المحولات: هي أجهزة تقوم بتحويل التيار المستمر (DC) الذي يتم إنتاجه بواسطة الوحدات الشمسية إلى تيار متردد (AC) يمكن حقنه في الشبكة أو استخدامه بواسطة الأحمال AC.

• يمكن تصنيف المحولات إلى نوعين: محولات مركزية ومحولات صغيرة. المحولات المركزية هي وحدات كبيرة تربط عدة وحدات شمسية أو مجموعات وتقدم خرج AC واحد. المحولات الصغيرة هي وحدات صغيرة ترتبط بكل وحدة شمسية أو لوحة وتقدم خرج AC فردي. المحولات المركزية أكثر فعالية من حيث التكلفة وكفاءة للأنظمة الكبيرة، بينما المحولات الصغيرة أكثر مرونة وإثباتاً للثقة للأنظمة الصغيرة.

• أجهزة التحكم في الشحن: تقوم بتنظيم الجهد والتيار من الوحدات الشمسية لمنع شحن البطاريات الزائد أو استنزافها. تأتي في نوعين: التحويل النبضي العرضي (PWM) وتعقب نقطة القوة القصوى (MPPT). أجهزة التحكم في الشحن PWM أبسط وأرخص لكنها تهدر بعض الطاقة. أجهزة التحكم في الشحن MPPT أكثر كفاءة وتقوم بتحسين إنتاج الطاقة عن طريق تطابق نقطة القوة القصوى للوحدات الشمسية.

• البطاريات: هي أجهزة تخزن الكهرباء الزائدة التي يتم إنتاجها بواسطة الوحدات الشمسية أو المجموعات للاستخدام لاحقًا عندما لا يكون هناك ضوء شمسي أو عندما تكون الشبكة معطلة. يمكن تصنيف البطاريات إلى نوعين: البطاريات الرصاص-حمض والبطاريات الليثيوم أيون. البطاريات الرصاص-حمض أرخص وأكثر استخدامًا، لكن لها كثافة طاقة أقل وعمر خدمة أقصر وتتطلب صيانة أكثر. البطاريات الليثيوم أيون أغلى وأقل شيوعًا، لكنها لها كثافة طاقة أعلى وعمر خدمة أطول وتتطلب صيانة أقل.

• المفاتيح: تقوم بتوصيل أو قطع أجزاء من النظام، مثل الوحدات الشمسية والمحولات والبطاريات. يمكن أن تكون يدوية أو آلية. المفاتيح اليدوية تحتاج إلى تشغيل بشري، بينما المفاتيح الآلية تعمل بناءً على ظروف محددة أو إشارات.

• الأجهزة القياسية: هي أجهزة تقوم بقياس وإظهار مختلف المعلمات للنظام، مثل الجهد والتيار والقوة والطاقة والحرارة أو الإشعاع. يمكن أن تكون الأجهزة القياسية آنية أو رقمية، اعتمادًا على نوع العرض والدقة المطلوبة. الأجهزة القياسية الآنية تستخدم الإبر أو الأقراص لإظهار القيم، بينما الأجهزة القياسية الرقمية تستخدم الأرقام أو الرسوم البيانية لإظهار القيم.

• الأسلاك: هي أسلاك تقوم بنقل الكهرباء بين مختلف مكونات النظام. يمكن تصنيف الأسلاك إلى نوعين: أسلاك DC وأسلاك AC. أسلاك DC تحمل التيار المستمر من الوحدات الشمسية إلى المحولات أو البطاريات، بينما أسلاك AC تحمل التيار المتردد من المحولات إلى الشبكة أو الأحمال.

الجزء الخاص بالإنتاج يتضمن الوحدات الشمسية والهياكل الداعمة والمحولات التي تنتج الكهرباء من ضوء الشمس. الجزء الخاص بالتوزيع يتضمن الأسلاك والمفاتيح والأجهزة القياسية التي تقوم بنقل الكهرباء من الجزء الخاص بالإنتاج إلى الجزء الخاص بالتوزيع.

الجزء الخاص بالتوزيع يتضمن البطاريات وأجهزة التحكم في الشحن والأحمال التي تخزن أو تستهلك الكهرباء. يوضح المخطط التالي مثالًا على تخطيط محطة طاقة شمسية ضوئية:

يعتمد تشغيل محطة الطاقة الشمسية الضوئية على عدة عوامل، مثل ظروف الطقس وطلب الأحمال وضع الشبكة. ومع ذلك، يتكون التشغيل النموذجي من ثلاثة أوضاع رئيسية: وضع الشحن ووضع التفريغ ووضع الربط بالشبكة.

يحدث وضع الشحن عندما يكون هناك ضوء شمسي زائد وطلب منخفض. في هذا الوضع، تنتج الوحدات الشمسية كهرباء أكثر مما هو مطلوب. الكهرباء الزائدة تقوم بشحن البطاريات عبر أجهزة التحكم في الشحن.

يحدث وضع التفريغ عندما لا يكون هناك ضوء شمسي أو يكون هناك طلب عالي. في هذا الوضع، تنتج الوحدات الشمسية كهرباء أقل مما هو مطلوب للأحمال. الكهرباء الناقصة يتم توفيرها من البطاريات عبر المحولات.

يمكن أيضًا حدوث وضع الربط بالشبكة عندما يكون هناك انقطاع في الشبكة ويكون هناك حاجة للطاقة الاحتياطية. في هذا الوضع، تقوم الوحدات الشمسية بإنتاج كهرباء يمكن استخدامها بالأحمال عبر المحولات.

المزايا

• تستخدم محطات الطاقة الشمسية طاقة متجددة ونظيفة لا تصدر غازات الدفيئة أو ملوثات.

• يمكن لمحطات الطاقة الشمسية تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وتعزيز الأمن والتنوع الطاقي.

• يمكن لمحطات الطاقة الشمسية توفير الكهرباء في المناطق النائية حيث الاتصال بالشبكة غير ممكن أو موثوق.

• يمكن لمحطات الطاقة الشمسية خلق فرص عمل محلية ومزايا اقتصادية للمجتمعات والمناطق.

• يمكن لمحطات الطاقة الشمسية الاستفادة من مجموعة متنوعة من الحوافز والسياسات التي تدعم تطوير ونشر الطاقة المتجددة.

العيوب

• تحتاج محطات الطاقة الشمسية إلى مساحات كبيرة وقد يكون لها تأثيرات بيئية على الحياة البرية والنباتات والمياه.

• لدى محطات الطاقة الشمسية تكاليف رأسمالية أولية عالية وأوقات استرداد طويلة مقارنة بالمحطات التقليدية.

• لدى محطات الطاقة الشمسية عوامل قدرة منخفضة تعتمد على ظروف الطقس والدورات اليومية التي تؤثر على إنتاجها وموثوقيتها.

• تحتاج محطات الطاقة الشمسية إلى أنظمة احتياطية أو تخزين لضمان تزويد مستمر بالكهرباء خلال فترات انخفاض أو عدم وجود ضوء شمسي.

• تواجه محطات الطاقة الشمسية تحديات تقنية مثل دمج الشبكة والربط والنقل والتوزيع.