طرق تحسين كفاءة الخلية الشمسية
طرق تحسين كفاءة الخلية الشمسية
 |
| الخلية الشمسية: |
ويتكون الموضوع من
استخدام الصفائح المتبلورة الملونة فى الخلية الشمسية:استخدام الأنظمة المتعددة الفجوات فى الخلية الشمسية:تقنية الخلايا المركبة III-V Compound Solar Cells فى الخلية الشمسية:خلية الاتصال المدفون Buried Contact Solar Cells فى الخلية الشمسية:خلايا الشبكة المطبوعـة Printed- Screen Solar Cells فى الخلية الشمسية:نسبة التركيز Concentration Ratio C فى الخلية الشمسية:
بعد أن تعلمنا أجراء التجربة الأولى لقياس كفاءة الخلية الشمسية ... الآن نتعلم كيف نحسن كفاءة هذه الخلية ؟
أن اغلب بحوث الطاقة الشمسية تهدف إلى زيادة كفاءة تحويل الخلية الشمسية ( أي مقدار ما يتحول من طاقة شمسية إلى كهربائية ) وهذا يتم بعدة طرق هي أولا: تغيير و محاولة تحسين معلمات (parameters ) الخلية الشمسية إثناء تصنيعها (معنى المعلمات هي مقدار كل من القدرة العظمى وفولطية الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة .. )الخ .. وهذا أيضا يتم بعدة طرق :
1- استخدام الصفائح المتبلورة الملونة:
فعند استخدام صبغات مبلورة ذات كفاءة كمية مقاربة للواحد كطلاء وقاية للخلية الشمسية فأن الكفاءة سوف تزداد بمقدار 2.7% عند التلوين باللون الأخضر و 17.27% عند الطلاء باللون الوردي وهذه الزيادة تعود إلى أن الطلاء يقلل الانعكاسية من 40% إلى 20% والألوان المفضلة هي الذهبي الأخضر، البني والرصاصي2- استخدام الأنظمة المتعددة الفجوات لكونها أكثر تناسباً
مع الطيف الشمسي من الأنظمة ذات الفجوة المفردة وبالتالي تكون الكفاءة أعلى [11].
ثانيـاً : استخدام المركزات الشمسية Using Solar Concentrators:
وعلى الرغم من إحراز تقدم كبير في مجال تحسين كفاءة أداء الخلايا الشمسية خلال العشرين سنة الماضية إلا أن ارتفاع الكلفة مازال عائقاً أمام انتشار استخدامها وما تزال البحوث مستمرة في هذا المجال .
إن بحوث الفوتوفلطائيات تطمح دوماً أن تخفض كلفة إنتاجية الكهرباء باستخدام مواد رخيصة لتجميع أشعة الشمس الساقطة وتوجيهها إلى الخلية الشمسية ومنها استخدام العدسات وتقنيات أخرى بصرية
فالمركزات هي أجزاء بصرية تزيد من كمية الإشعاع الساقط على سطح ما كالخلية شمسية أو ماصٍ حراري وتعد المرايا وعدسات فرنيل أهم ما يستخدم لهذا الغرض إذ تستخدم العدسات لزيادة التركيز وليس للحصول على صورة معينة أو تستخدم المرايا لهذا الغرض أو كلاهما معاً
إن تركيـز الإشعاع الضوئي يتحقق أما بـ optics ـ imaging أو nonimaging - optics حيث ينقل النوع الأول الضوء إلى نقطة واحدة كالبؤرة مثلاً عند استخدام العدسات أما النوع الثاني فينقل السيل الإشعاعي من منطقة معينة إلى أخرى وينقل كلاً من الإشعاع المباشر direct irradiation الذي يعرف بأنه مركبة الفيض الواصلة إلى المركز بدون أي تداخل مع الجسيمات المحيطة والإشعاع المنتشر (diffused radiation) (الذي يعرف بأنه مركبة الفيض الشمسي المتشتتة بسبب العوالق الجوية).
وهناك مقاييس لاختيار المركز المطلوب منها درجة التركيز والحرارة الناتجة حيث أن تركيز القدرة في نقطة يولد حرارة بين عالية إلى عالية جداً أما عند تركيزها في خط فان الحرارة المتولدة من معتدلة إلى عالية.
ولأجل معرفة أي المركزات أفضل للتطبيقات فيجب المقارنة فيما بينها من حيث نسبة التركيز، زوايا السقوط ، مساحة السطح العاكس ومعدل عدد الانعكاسات
أن المركزات أما أن تكون ثابتة لا تحتاج إلى معقبات لأثر الشمس بحيث تكون ذات زوايا استقبال واسعة ولها القابلية على جمع وتركيز الأشعة المباشرة والمنتشرة والخلايا المناسبة في هذه الأنظمة هي خلايا السليكون التقليدية أو تكون معقبة وذات نسبة تركيز أعلى من الثابتة وذات كفاءة أفضل
قبل أن نستعرض أنواع المركزات الشمسية أود لو اعرف بعض المصطلحات
1- نسبة التركيز الهندسي
Geometrical Concentration Ratio
هي النسبة بين مساحة فتحة الدخول A1 =Area of entrance Aperture) إلى مساحة الماص أو فتحة الخروج A2 =Area of exit Aperture)
Cg = A1/ A2
2- نسبة تركيز الفيض Flux Concentration Ratio F.C.R
ويمكن حسابها أيضاً من نسبة الإشعاع (Global) الساقط على الماص (absorber) إلى نسبة الإشعاع على فتحة الدخول
C=G2/G1
ويمكن حساب قيمة نسبة التركيز بقسمة Isc عند التركيز إلى Isc بـدون تركيز
حيث أن Isc هو تيار الدائرة القصيرة الذي تم شرحه في الدرس السابق
أنواع المركزات الشمسية Concentrator types
3- تقنية الخلايا المركبة III-V Compound Solar Cells
حيث يتم اختبار سبيكة مناسبة من III-V (III-V alloy) لتصنيع نبطية بلورية ذات شبكة متصلة (lattice-match) ترسب على أرضية معينة حيث ترسب أولاً ذات فجوة الطاقة الصغيرة تتبع بمفرق نفقي ثم الخلية ذات فجوة الطاقة الأعلى وتطورت كفاءة هذه الخلية ذات المفرق الواحد البسيط من 20% عام 1980 إلى 30% عام 19964- خلية الاتصال المدفون Buried Contact Solar Cells
هي محاولة لتطوير كفاءة الأداء بأقل كلفة ممكنة حيث تصلب ( تمعدن ) Mettallised بواسطة الترسيب اللاكهربائي (electroless deposition) لطبقات Ni/Cu/Ag وأعلى كفاءة تم الحصول عليها من هذا النوع 18-16%.5 -خلايا الشبكة المطبوعـة Printed- Screen Solar Cells
تستخدم عادة فيها طبقات من السليكون المطعم بالبورون وتصنع بطريقة قوالب (CZ) وهي ذات كفاءة بين 10% إلى 13%ثانيـاً : استخدام المركزات الشمسية Using Solar Concentrators:
وعلى الرغم من إحراز تقدم كبير في مجال تحسين كفاءة أداء الخلايا الشمسية خلال العشرين سنة الماضية إلا أن ارتفاع الكلفة مازال عائقاً أمام انتشار استخدامها وما تزال البحوث مستمرة في هذا المجال .
إن بحوث الفوتوفلطائيات تطمح دوماً أن تخفض كلفة إنتاجية الكهرباء باستخدام مواد رخيصة لتجميع أشعة الشمس الساقطة وتوجيهها إلى الخلية الشمسية ومنها استخدام العدسات وتقنيات أخرى بصرية
فالمركزات هي أجزاء بصرية تزيد من كمية الإشعاع الساقط على سطح ما كالخلية شمسية أو ماصٍ حراري وتعد المرايا وعدسات فرنيل أهم ما يستخدم لهذا الغرض إذ تستخدم العدسات لزيادة التركيز وليس للحصول على صورة معينة أو تستخدم المرايا لهذا الغرض أو كلاهما معاً
إن تركيـز الإشعاع الضوئي يتحقق أما بـ optics ـ imaging أو nonimaging - optics حيث ينقل النوع الأول الضوء إلى نقطة واحدة كالبؤرة مثلاً عند استخدام العدسات أما النوع الثاني فينقل السيل الإشعاعي من منطقة معينة إلى أخرى وينقل كلاً من الإشعاع المباشر direct irradiation الذي يعرف بأنه مركبة الفيض الواصلة إلى المركز بدون أي تداخل مع الجسيمات المحيطة والإشعاع المنتشر (diffused radiation) (الذي يعرف بأنه مركبة الفيض الشمسي المتشتتة بسبب العوالق الجوية).
وهناك مقاييس لاختيار المركز المطلوب منها درجة التركيز والحرارة الناتجة حيث أن تركيز القدرة في نقطة يولد حرارة بين عالية إلى عالية جداً أما عند تركيزها في خط فان الحرارة المتولدة من معتدلة إلى عالية.
ولأجل معرفة أي المركزات أفضل للتطبيقات فيجب المقارنة فيما بينها من حيث نسبة التركيز، زوايا السقوط ، مساحة السطح العاكس ومعدل عدد الانعكاسات
أن المركزات أما أن تكون ثابتة لا تحتاج إلى معقبات لأثر الشمس بحيث تكون ذات زوايا استقبال واسعة ولها القابلية على جمع وتركيز الأشعة المباشرة والمنتشرة والخلايا المناسبة في هذه الأنظمة هي خلايا السليكون التقليدية أو تكون معقبة وذات نسبة تركيز أعلى من الثابتة وذات كفاءة أفضل
قبل أن نستعرض أنواع المركزات الشمسية أود لو اعرف بعض المصطلحات
نسبة التركيز Concentration Ratio C
إن أهم المعايير لتقييم عمل المركزات هي نسبة التركيز C التي من الممكن تعريفها بطريقتين :1- نسبة التركيز الهندسي
Geometrical Concentration Ratio
هي النسبة بين مساحة فتحة الدخول A1 =Area of entrance Aperture) إلى مساحة الماص أو فتحة الخروج A2 =Area of exit Aperture)
Cg = A1/ A2
2- نسبة تركيز الفيض Flux Concentration Ratio F.C.R
ويمكن حسابها أيضاً من نسبة الإشعاع (Global) الساقط على الماص (absorber) إلى نسبة الإشعاع على فتحة الدخول
C=G2/G1
ويمكن حساب قيمة نسبة التركيز بقسمة Isc عند التركيز إلى Isc بـدون تركيز
حيث أن Isc هو تيار الدائرة القصيرة الذي تم شرحه في الدرس السابق
أنواع المركزات الشمسية Concentrator types
تصـنف المركزات الشمسية بعدة طرق منها:
مركزات البؤرة الخطية والنقطية Focus Concentrator Point and linear
1- مركزات البؤرة النقطية Point Focus Concentrator :
هي المركزات الثلاثية الأبعاد 3D وتستخدم عموماً عندما يشترط وجود تركيز عالٍ (C=500-1000) وتستخدم في الأفران الشمسية ومستقبلات القدرة المركزية (central receivers) التي ظهرت لأول مرة بواسطة علماء سوفييت عام 1960 ومن أحدث برامجه هو Solar 2 ذو الإنتاجية الكهربائية المقدرة بـ 10MW في صحراء كاليفورنيا وقد شغل عام 2000 وكذلك تعد المركزات المخروطية وعدسات فرنيل النقطية البؤرة من هذا النوع الثلاثي الأبعاد
2- مركزات البؤرة الخطية Focus concentrator Linear
هي المركزات الثنائية الأبعاد 2D-concentrator مثل عدسات فرنيل ذات البؤرة الخطية وأحواض القطع الناقص المركب CPC وأحواض V-trough ويتم اختيارها عندما يتم اختيار تركيز متوسط أو صغ
مواضيع من الممكن متابعتها
استخدامات الطاقة الشمسيةالخلايا الشمسية,كيفية عمل الخلايا الشمسية الجزء الاول
الخلايا الشمسية,كيفية عمل الخلايا الشمسية الجزء الثانى
ليست هناك تعليقات: