واليوم، يوجد زخم هائل في إنتاج موارد الطاقة المستدامة والنظيفة لتلبية احتياجاتنا الإضافية مع تقليل الآثار البيئية الضارة. كما تطورت أنظمة الطاقة الشمسية لتصبح أحد الحلول الواعدة لتلبية هذه المتطلبات المتزايدة مع تأثير أقل على البيئة. في هذه المقالة التفصيلية، سنناقش أساسيات نظام الطاقة الشمسية وأعماله، وتحديدًا بطاريات الرصاص الحمضية التي تلعب دورًا حيويًا في هذا النظام البيئي الديناميكي.
I. نظرة عامة على نظام الطاقة الشمسية
تعمل أنظمة الطاقة الشمسية على تحويل طاقة الشمس الوفيرة إلى كهرباء عن طريق التقاط طاقة الشمس الوفيرة. فهو يوفر مصدرًا مستدامًا وبيئيًا ومتجددًا للطاقة بدلاً من الوقود الأحفوري التقليدي. تتعمق هذه النظرة العامة في الأساسيات والآليات وراء أنظمة الطاقة الشمسية مع تسليط الضوء على المزايا والتطبيقات المتعددة.
أ. أساسيات وأعمال أنظمة الطاقة الشمسية
أنظمة الطاقة الشمسية هي أدوات مبتكرة تحصد أشعة الشمس وتحولها إلى كهرباء أو حرارة قابلة للاستخدام. وهو يتألف من المكونات التالية:
- الخلايا الكهروضوئية: هي المكونات الأساسية لأي نظام للطاقة الشمسية. يتكون معظمها من الخلايا الكهروضوئية التي تمتص الضوء وبالتالي تنتج كهرباء التيار المستمر عند تعرضها للضوء. عادةً ما تتكون من السيليكون وقد تم تحسينها مع أخذ الكفاءة في الاعتبار لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.
- العاكسون: يستخدم مصدر الطاقة الكهربائية القياسي كهرباء التيار المتردد. ومع ذلك، تولد الألواح الشمسية كهرباء التيار المستمر، والتي يجب تحويلها إلى تيار متردد إذا تم استخدامها داخل المنازل أو الصناعات. تتحمل العواكس هذه المسؤولية عن طريق تحويل الطاقة المركبة من الألواح الشمسية إلى إضاءة منازلنا أو أعمالنا.
- البطاريات الشمسية: يمكن تخزين الطاقة الفائضة المنتجة خلال النهار في البطاريات الشمسية للاستخدام ليلاً أو الأيام الغائمة. تعتبر البطاريات مهمة لجعل الطاقة الشمسية مصدرًا ثابتًا ومستمرًا لإمدادات الطاقة.
ب. فوائد ومجالات تطبيق أنظمة الطاقة الشمسية
مزايا:
- المتجددة والمستدامة: الطاقة الشمسية وفيرة ومتجددة، لذا فهي خيار بيئي ممتاز مع تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.
- تكلفة تشغيل منخفضة: بمجرد تركيبها، تتطلب الألواح الشمسية تكاليف تشغيل وصيانة منخفضة. وبالتالي، فهي فعالة من حيث التكلفة على المدى الطويل.
- خفض فواتير الكهرباء: تعمل الألواح الشمسية على تقليل فواتير الكهرباء بشكل كبير لأنها تقلل من إنتاج الكهرباء المجانية من أشعة الشمس، مما يؤدي إلى خفض فاتورة الكهرباء.
- المزايا البيئية: إن استخدام أنظمة الطاقة الشمسية لا يسبب أي انبعاثات غازات دفيئة ضارة، وبالتالي فإن هذا يلخص بيئة أفضل بكثير.
التطبيقات
- سكني: تستخدم الألواح الشمسية بشكل شائع في المنازل لتوليد الكهرباء وتسخين المياه، وتوفر النظافة.
- تجارياً: تستفيد مئات الشركات من الطاقة الشمسية، مما يقلل من تكلفة الطاقة التي تستهلكها. وهذا يوضح مدى تفانيهم في تحقيق الاستدامة.
- الصناعية: تستخدم على نطاق واسع في تشغيل المصانع والتخزين ووحدات التصنيع – ويتم استخدام الطاقة الشمسية على نطاق واسع.
- حلول خارج الشبكة: لكهربة المناطق الالتفافية أو المناطق خارج الشبكة – تعد الطاقة الشمسية سلعة أساسية. وهذا يعزز العرض في المناطق التي يصعب الوصول إليها.
ثانيا. وحدات الطاقة الشمسية
أ. الألواح الكهروضوئية (الألواح الشمسية)
تعتبر الألواح الكهروضوئية جزءًا مهمًا من عملية تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء، ولذلك يشار إليها بالألواح الكهروضوئية. وهي تعمل على أساس التأثير الكهروضوئي، وهي عملية تنبعث بموجبها بعض المواد إلكترونات عند تعرضها لأشعة الشمس، وبالتالي تشكل تيارًا كهربائيًا.
الوظيفة والمبدأ:
تتكون معظم الألواح الشمسية بشكل أساسي من السيليكون. عندما تضرب الفوتونات الصادرة من ضوء الشمس مثل هذه الخلايا، فإنها تثير الإلكترونات بداخلها حتى تتمكن من التحرك بحرية داخلها. يشكل هذا حركة أو تيارًا كهربائيًا يتم تجميعه وتحويله بواسطة العاكس عن طريق التحول إلى تيار مباشر (DC) من التيار المتردد (AC) للاستخدام في المنزل.
أنواع الألواح الكهروضوئية:
- الألواح الأحادية البلورية: الألواح الأحادية البلورية: هذه الألواح مصنوعة من السيليكون أحادي البلورة، وهي الأكثر كفاءة من حيث الكفاءة وذات مظهر أسود. بالإضافة إلى ذلك، فهي مناسبة للتركيبات ذات المساحة الأقل.
- الألواح متعددة البلورات: تستخدم الألواح متعددة البلورات بلورات السيليكون الصغيرة المتعددة، مما يقلل من الكفاءة قليلاً، ولكنها غالبًا ما توفر خيارًا أكثر ملاءمة للميزانية.
- الألواح ذات الأغشية الرقيقة: بالنسبة لهذه الألواح، يتم ترسيب مواد رقيقة من أشباه الموصلات على الركيزة. لا تتمتع الألواح ذات الأغشية الرقيقة بكفاءة عالية ولكنها يمكن أن تكون خفيفة ومرنة في بعض التطبيقات، مثل الألواح الشمسية والألواح المتنقلة/المحمولة.
ب. الأقواس والدعامات
من المتوقع أن يوفر نظام الألواح الكهروضوئية المثبت جيدًا أداءً وأمانًا على المدى الطويل. تخدم الأقواس وهياكل الدعم غرض تأمين الألواح الشمسية في مكان واحد. وضعه بطريقة تسمح بأقصى قدر من التعرض لأشعة الشمس مع توفير بعض الحماية ضد التأثيرات الضارة الناجمة عن الرياح أو أحمال الثلوج أو العوامل البيئية الأخرى التي قد تكون موجودة على مدى عمره.
الدعم والاستقرار
- توزيع الوزن: الألواح الشمسية ثقيلة، والوزن الموزع بالتساوي عبر الهياكل الداعمة يمنع حدوث أضرار هيكلية.
- ضبط الزاوية: تأتي معظم بنية الدعم مصحوبة بآليات ضبط إمالة اللوحة واتجاهها لتوجيه الألواح بشكل صحيح بحيث تحصل على ضوء الشمس بزوايا مثالية طوال اليوم.
- المتانة: يلزم استخدام مواد عالية الجودة نظرًا لأن الضغوطات البيئية العالية تعمل على اللوحة طوال عمرها الافتراضي. مطلوب البناء الجيد أيضا.
ج. جهاز تعقب الطاقة الشمسية
تعمل أجهزة تتبع الطاقة الشمسية على زيادة إنتاج الطاقة من خلال تتبع حركة الشمس وتعديل اتجاهها وفقًا لذلك.
الوظيفة/الغرض:
يقوم جهاز تعقب الطاقة الشمسية بإعادة ضبط الألواح الشمسية باستمرار بحيث تواجه الشمس مباشرة. وهذا يزيد من كمية الضوء الممتصة، وبالتالي تحويلها إلى طاقة مفيدة. يؤدي هذا إلى زيادة مخرجات النظام بشكل عام. تحقق المستشعرات والمحركات هذه الوظيفة في جهاز تعقب الطاقة الشمسية.
أنواع أجهزة التتبع:
- أجهزة التتبع أحادية المحور: في أجهزة التتبع هذه، تتحرك اللوحات على طول محور واحد فقط. ويتبع المسار اليومي للشمس.
- أجهزة التتبع ثنائية المحور: تشكل اللوحات التي تتعقب على المحورين الشرقي والغربي والشمالي الجنوبي جهاز تعقب ثنائي المحور، مما يزيد من التعرض لأشعة الشمس بشكل فعال خلال النهار وعبر الفصول.
ثالثا. نظام تخزين طاقة البطارية
أ. أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS) في تحول الطاقة
تعد أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) أمرًا أساسيًا لإنشاء بنية تحتية مستدامة وموثوقة للطاقة لسد الفراغ العابر بين مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح واحتياجات الكهرباء الثابتة. لدى BESS أدوار حاسمة متنوعة:
- استقرار الشبكة: البطاريات الشمسية، إلى جانب تثبيت شبكات الطاقة عن طريق تخزين الطاقة الزائدة عندما يتجاوز العرض الطلب وتوصيلها خلال فترات الذروة، ومنع انقطاع التيار الكهربائي وتقلبات الجهد، يمكن أن يوازن شبكة الأحمال – المستخدمة أيضًا في برامج الاستجابة للطلب.
- تكامل الطاقة المتجددة: تسمح البطاريات الشمسية بدمج المتغيرات من خلال دمج مصادر الطاقة المتجددة في الشبكة، مما يخلق تدفقًا ثابتًا للطاقة حتى لو كان الطقس سيئًا ولا توجد رياح أو ضوء الشمس.
- تحويل وقت الطاقة: يقوم نظام BESS بتخزين الطاقة الفائضة في غير ساعات الذروة عندما تكون الكهرباء أرخص ويطلقها في ساعات الذروة عندما تكون الأسعار أعلى لخفض تكاليف الطاقة.
- الطاقة الاحتياطية: توفر طاقة احتياطية أثناء فشل الشبكة وذلك لزيادة البنية التحتية الحيوية ومرونة المنزل.
ب. دور البطاريات الشمسية في تحسين النظام
تعد بطاريات الرصاص الحمضية من العوامل الرئيسية في تحسين أنظمة الطاقة الشمسية. وفي النهار، تقوم بتخزين الطاقة الزائدة التي تولدها الخلايا الكهروضوئية وتطلقها عندما لا يكون ضوء الشمس كافيا – أثناء الليل أو في يوم غائم. وهذا يضمن أنه سيكون هناك إمدادات مستمرة من الطاقة الثابتة من النظام الشمسي ولكن مع اعتماد أقل على الشبكة. وتأتي الموثوقية كتعزيز من خلال هذا الأداء المتزايد.
إن إضافة هذا العنوان الفرعي يوضح وظيفة البطاريات الشمسية ضمن السياق الشامل لأنظمة تخزين طاقة البطارية.
ج. أنواع مختلفة من تقنيات تخزين الطاقة
بطارية ليثيوم أيون:
تعد كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون هي الحد الأقصى لجميع تقنيات تخزين الطاقة نظرًا لكفاءتها ومتطلبات الصيانة المنخفضة نسبيًا. وهي أيضًا واحدة من أكثر أنواع تقنيات تخزين الطاقة شيوعًا المطبقة في المركبات الكهربائية وتخزين الطاقة المنزلية، من بين العديد من التطبيقات الأخرى. تتميز بطاريات ليثيوم أيون JYC الخاصة بنا بالكفاءة بشكل لا يصدق.
بطاريات الرصاص الحمضية:
لقد تم استخدامه لعقود من الزمن بسبب موثوقيته. يتميز بتردد أعلى في الاستخدام مع مصدر طاقة غير منقطع (UPS). ومع ذلك، فإن كثافة الطاقة فيها أقل من بطاريات الليثيوم أيون لأنها تعطي دورات أقل.
بطارية كبريت الصوديوم:
بطاريات كبريت الصوديوم هي بطاريات ذات درجة حرارة عالية تقوم بتخزين الطاقة مثل الصوديوم المنصهر أو الكبريت. وبالتالي، فإن هذا النوع من البطاريات يتمتع بتطبيقات رائعة على نطاق الشبكة مع كثافة طاقة وكفاءة أعلى بكثير في السوق.
د. نظام التحكم والعاكس
تعد أنظمة التحكم عنصرًا أساسيًا في أنظمة تخزين طاقة البطارية المكلفة بمسؤولية الإشراف على أداء البطاريات أو التحكم فيه أو تحسينه أو إدارته من أجل ضمان عمليات آمنة وفعالة للبطاريات. أنها توفر التشغيل الآمن والفعال للبطاريات. ولا تقل أهمية عن ذلك المحولات التي تحول طاقة التيار المستمر المخزنة في البطاريات إلى تيار متردد يمكن استخدامه في المنازل أو الشركات أو الشبكة. تساعد العاكسات في الحفاظ على توفير طاقة عالية الجودة مع الحفاظ على توافقها التام مع الشبكة.
يلعب تكامل نظام التحكم/العاكس دورًا أساسيًا في تحقيق BESS لما يلي:
- إدارة حالة الشحن (SOC): لمراقبة دورات الشحن/التفريغ لمنع التدهور المبكر.
- تكامل الشبكة: التنسيق مع الشبكة لتقليل تقلبات الطلبات عن طريق إعادة الطاقة الزائدة إلى الشبكة.
- السلامة والحماية: للتأكد من أن البطاريات تعمل ضمن نطاقات درجات الحرارة وحدود الجهد وفصلها عند حدوث خطأ.
رابعا. أنظمة النقل والتوزيع
أ. خط النقل
تعد خطوط النقل جزءًا لا يتجزأ من النقل السلس والآمن للطاقة المولدة من أنظمة الطاقة الشمسية. يمكنه نقل كلا النوعين، أي DC (التيار المباشر) أو AC (التيار المتردد).
انتقال العاصمة:
إنه يدل على حركة الكهرباء في تيار مستمر في اتجاه واحد: الشحنة الكهربائية عبر توصيلات أحادية الاتجاه. تُستخدم أحيانًا لتزويد المدن بالطاقة لمسافات طويلة المنتجة في مزارع الطاقة الشمسية النائية، وتكون خسائرها أقل من نقل التيار المتردد، وبالتالي فهي أكثر كفاءة.
انتقال التيار المتردد:
يستخدم نقل التيار المتردد، مهما كان متطرفا، تيارات عكسية لأن اتجاه التيار ينعكس بشكل دوري. والأكثر شيوعًا هو توزيع مكيفات الهواء، والذي يستخدم في معظم المنازل والشركات. يمكن تعديله بسهولة إلى مستويات الجهد المختلفة من أجل تغذية الطاقة بكفاءة عبر مسافات قصيرة إلى متوسطة.
ب. العاكس
تشكل العاكسات مكونات هامة لأنظمة الطاقة الشمسية، والتي تحول التيار المباشر.
الوظيفة والمبدأ:
العاكسون هم الأجهزة التي تقوم بتحويل خرج طاقة التيار المستمر من الألواح الشمسية إلى طاقة التيار المتردد المستخدمة في المنازل والشركات. واجبهم هو وظيفة مشابهة لتوافق الشبكة فيما يتعلق بالطاقة المولدة بحيث يمكن استخدامها مباشرة أو إعادتها إلى الشبكة.
أنواع ووظائف:
- محولات السلسلة: هذا هو الأكثر شيوعًا للأنظمة السكنية حيث يتم توصيل ألواح شمسية متعددة في سلسلة. فهي فعالة من حيث التكلفة ومثالية للمنشآت الصغيرة.
- المحولات الدقيقة: يؤدي تثبيت المحولات الدقيقة على كل لوحة إلى زيادة الكفاءة لكل لوحة منفصلة مع تحسين إمكانات المراقبة.
- المحولات المركزية: تعمل المحولات المركزية بشكل جيد في مزارع الطاقة الشمسية واسعة النطاق على نطاق المرافق لأنها تتعامل مع كميات كبيرة من الكهرباء عالية الطاقة من لوحات متعددة.
ج. نظام التوزيع
يسمح نظام التوزيع بتوزيع الكهرباء المولدة بواسطة الألواح الشمسية بأمان وكفاءة على منازل الأشخاص أو الشركات أو الشبكة.
لوحات المفاتيح وأجهزة الحماية:
تعمل لوحة المفاتيح كمركز توزيع: يتم توجيه الكهرباء من العاكس نحو الأحمال المختلفة مع ضمان الحماية المناسبة للدائرة. تعمل الأجهزة الكهرومغناطيسية الخاصة بأجهزة الحماية مثل قواطع الدائرة والصمامات على حماية الأشخاص من الأحمال الزائدة والدوائر القصيرة على التوالي.
متطلبات الأمان والامتثال:
يجب الالتزام بالقوانين والمعايير الكهربائية عند الالتزام بالقانون؛ تتطلب سلامة وموثوقية الطاقة الشمسية الموزعة أن تلبي المنشآت اللوائح المحلية والوطنية. إلى جانب الصيانة الدورية، الحفاظ على النظام آمنًا ومتوافقًا.
V. نظام المراقبة والتحكم
أ. نظام المراقبة
تتميز مراقبة الحصول على البيانات بشكل بارز في عمليات أي نظام للطاقة الشمسية. أنها تنطوي على جمع وتحليل البيانات لتحقيق الأداء الأمثل للنظام. المراقبة والحصول على البيانات:
تجمع أنظمة المراقبة بيانات حول معلمات مختلفة لنظام الطاقة الشمسية، مثل مخرجات الألواح الشمسية، وأداء العاكس، وحالة البطارية (إن أمكن)، والظروف البيئية. توفر كل هذه المعلومات صورة أفضل لتقييم صحة النظام وكفاءته.
أهمية المراقبة عن بعد:
تتيح المراقبة عن بعد إمكانية الوصول الفوري إلى بيانات النظام من أي مكان؛ وبالتالي، يمكن للمشغلين اكتشاف المشاكل بمجرد حدوثها. فهو يساعد على استكشاف الأخطاء وإصلاحها، وتحسين الأداء، والإنذار المبكر فيما يتعلق بالمشكلات المحتملة، وبالتالي إنتاج أقصى قدر ممكن من الطاقة.
ب. نظام التحكم
يحتوي نظام التحكم في نظام الطاقة الشمسية على أدوات تحكم أوتوماتيكية مع وظائف التحسين بحيث يتم تحسين كفاءته وقدراته الشاملة.
التحكم الآلي والتحسين:
تستخدم أنظمة التحكم الأتمتة للتحكم في العاكسات وكذلك أنظمة البطاريات، مما يضمن تشغيلها على النحو الأمثل. يقومون بتغيير الإعدادات حسب مدخلات البيانات في الوقت الفعلي بالإضافة إلى الظروف الجوية والمعلمات القابلة للتعديل الخاصة بالمستخدم لزيادة إنتاج الطاقة وتخزينها إلى أقصى حد.
استراتيجيات وخوارزميات التحكم:
ومن بين بعض استراتيجيات التحكم والخوارزميات المستخدمة ما يلي:
الحد الأقصى لتتبع نقطة الطاقة (MPPT):
يعمل هذا على تحسين إنتاج الألواح الشمسية عن طريق إجبار الحمل على البحث عن نقاط الطاقة القصوى.
التحكم في تفاعل الشبكة:
وهذا يضمن تغذية الشبكة بسلاسة، مع مراعاة الجهد والتردد.
إدارة تخزين الطاقة:
تحدد خوارزميات التحكم في أنظمة البطاريات ما إذا كان ينبغي شحن البطاريات أم لا، بالنظر إلى الطلب على الشبكة وسعر الطاقة.
الخط السفلي
في جوهره، النظام بأكمله هو أعجوبة هندسية من أساسيات العلوم والابتكار. ولكل جزء أهمية في هذه العملية، بدءًا من جمع أشعة الشمس وحتى تخزين الطاقة النظيفة وتوزيعها للاستخدام. إن الاستدامة، كونها ما يركز عليه الجميع هذه الأيام، تجعل أنظمة الطاقة الشمسية تُحدث ثورة في مشهد الطاقة في عالمنا. ومع استمرارنا في استخدام الشمس، فإن هذا المستقبل سيكون أكثر إشراقا ونظافة وأكثر خضرة من أي وقت مضى. انضم إلى الثورة الشمسية ودع الشمس تزود عالمك بالطاقة.
لمزيد من المعلومات حول البطاريات، يمكنك زيارة موقع JYC Battery على
