عمل العلماء على تطوير تكنولوجيا الخلايا الشمسية الكهروضوئية منذ اختراعها بغية الحصول على خلايا ذات كفاءة أعلى ومردود أكبر. وبالنتيجة يتم تحسين كفاءة هذه الخلايا بحوالي الدرجة الواحدة كل سنة حتى وصلت إلى كفاءات تزيد عن ال 20% للخلايا الشمسية التجارية بينما تخطت كفاءة الخلايا الشمسية ذات الاستخدامات الخاصة ال 40%.
هذا المقال هو الجزء الثالث من سلسلة “تقنيات رفع إنتاجية الخلايا الشمسية” و التي نتعرف فيها على أحدث التقنيات التي ساهمت في رفع كفاءة وإنتاجية الخلايا الشمسية الكهروضوئية عبر التاريخ. فبعد أن تعرفنا في مقالاتنا السابق على تقنية خلايا بيرك PERC وتقنية الخلايا ذات الوجهين Bifacial Cellsنتعرف اليوم على تقنية نصف الخلية Half Cut Cell.
فهرس
تعريف تقنية نصف الخلية الشمسية Half Cut Solar Cell
يتم الحصول على أنصاف الخلايا الشمسية من خلايا السيليكون الشمسية الكهروضوئية مونو أو بولي حيث يتم تقطيعها في المنتصف تماماً بشكل دقيق بواسطة الليزر. و تقدم تقنية نصف الخلية الشمسية فوائد عدة بالمقارنة مع الخلايا الشمسية العادية الكاملة، و أهمها الزيادة في الأداء و الزيادة في التّحمل.
إن تقنية أنصاف الخلايا تؤمن زيادة في كفاءة الألواح الشمسية وبالتالي تؤدي إلى تحسين قيمة الإنتاج. و من ناحية أخرى فإن هذه الخلايا أكثر قدرة على تحمل الصدمات بالمقارنة مع الخلايا العادية الكاملة وذلك بسبب كونها أصغر بالحجم مما يجعلها أقل عرضة للشقوق و الكسر.
بشكل عام، رغم ارتفاع سعر هذه الألواح في يومنا هذا، فإن المستثمر يستطيع تحقيق عائدا أفضل من الاستثمار وخاصة في الأماكن التي يكون النظام فيها مقيداً بالمساحة من حيث الاتساع أو ارتفاع تكلفة الأرض، و من حيث التظليل كأن أن يمر فوق مكان تركيب النظام خطوط كهربائية.
كيف تحسن تقنية نصف الخلية الشمسية أداء الألواح الشمسية؟
يمكن تلخيص كيفية تحسين تقنية نصف الخلية الشمسية لأداء الألواح الشمسية بالنقاط التالية:
تقليل الضياعات الناتجة عن المقاومة
نعلم أن الضياعات الكهربائية تعطى بالعلاقة التالية:
الضياعات الكهربائية = (التيار المار)2 × المقاومة
تقل الضياعات في اللوح الشمسي نتيجة لقطع الخلايا في المنتصف وطريقة تجميعها. وكون الضياعات تتناسب مع مربع التيار، لذلك فإن قطع الخلايا في المنتصف يقلل من قيمة التيار المار إلى النصف و بالتالي تقل قيمة الضياعات بنسبة الربع كما هو موضح في الشكل التالي:
قدرة محسنة على تحمل التظليل
تتميز أنصاف الخلايا بقدرة عالية على تحمل التظليل وذلك ليس فقط بسبب كون الخلية مقطوعة في المنتصف وإنما بسبب طريقة التوصيل المختلفة.
تكون الخلايا موضوعة بشكل صفوف ومتصلة مع بعضها بشكل تسلسلي في الألواح التقليدية المكونة من خلايا كاملة. بالنسبة للوصل التسلسلي، إذا تعرضت خلية واحدة من الصف للتظليل ولم تكن تنتج طاقة (بقعة ساخنة مثلا) فيتوقف الصف الحاوي على الخلية المظللة بأكمله عن إنتاج الطاقة. و بشكل عام، يوجد ثلاثة صفوف من الخلايا في الألواح العادية و لذلك فإننا نخسر ثلث قدرة اللوح على إنتاج الطاقة عند توقف أحد الصفوف عن الإنتاج.
بالرغم من أن أنصاف الخلايا توصل بشكل تسلسلي أيضا، لكن قطع الخلايا في المنتصف يؤدي إلى أن عدد الخلايا الموجود على اللوح الشمسي يتضاعف (120 خلية عوضاً عن 60 خلية في اللوح المكون من خلايا كاملة مثلا)، وهذا بدوره يضاعف عدد صفوف الخلايا الموجودة على اللوح الشمسي.
بمضاعفة عدد الصفوف (6 عوضاُ عن 3) فعند تظليل خلية واحدة من أحد الصفوف الستة فإن هذا الصف سيتوقف عن إنتاج الطاقة بالتالي تنخفض إنتاجية اللوح بنسبة السدس. إن قيمة الضياعات انخفضت بقيمة النصف في الألواح المكونة من أنصاف الخلايا بالمقارنة مع اللوح المكون من الخلايا الكاملة.
لا يجوز توصيل أنصاف الخلايا بشكل تسلسلي كما في الألواح المكونة من خلايا عادية وذلك بسبب زيادة الجهد الناتج عن اللوح بشكل لا يتناسب مع البطاريات والمحول.
بينما لجعل اللوح المكون من أنصاف الخلايا يعمل بشكل مشابه للوح العادي يجب أن يتم التوصيل بشكل مختلف حيث عوضاً عن وصل 120 خلية بشكل تسلسلي يتم تقسيم اللوح إلى مجموعتين من 60 خلية تعمل كل منها عند جهد قدره 30 فولط. و بما أن المجموعتين موصولتين على التفرع، يبقى جهد اللوح مساويا لجهد المجموعة الواحدة وهو 30 فولط.
تنصيب الألواح الشمسية المكونة من أنصاف الخلايا
إن توصيل الخلايا بالطريقة الموضحة في الفقرة السابقة يجعل كل صفين متقابلين متصلين على التفرع عن طريق دايود العبور.
يوضح الشكل مكان تواجد دايود العبور (Bypass Diode) وتوضع علب التوصيل الثلاث.
مكان تواجد علب التوصيلات الثلاثة على الوجه الخلفي للوح الشمسي. 
كيفية توضع دايودات العبور في الألواح المكونة من أنصاف الخلايا
يتم وضع الألواح المكونة من أنصاف الخلايا على حوامل الألواح العادية حيث يمكن أن توضع بشكل شاقولي على اللوح أو بشكل أفقي وحيث يتم توصيل الطرف الموجب من كل لوح مع الطرف السالب للوح الذي يليه عند الوصل على التسلسل وهي طريقة مشابهة لوصل الألواح العادية.
لدينا في الصور التالية مقارنة بطرق تركيب الألواح الشمسية المكونة من أنصاف الخلايا وطرق تركيب الألواح ذات الخلايا العادية:
عند التركيب على الحوامل بشكل شاقولي
إن وجود أكثر من علبة توصيل و قصر الكابلات على الوجه الخلفي للألواح الشمسية يخلق صعوبات في عملية التوصيل وبالأخص في حالة التركيب على شكل رفوف على الأسطح وذلك كون طول الكابلات الكهربائية قد لا يكفي للوصل بين الألواح مما يتطلب تطبيق إجراءات خاصة لتوصيل الألواح. بينما لا تظهر مثل هذه المشكلة في الألواح المكونة من خلايا كاملة وذلك لوجود علبة توصيلات واحدة ، كابلات طويلة تؤمن ربطا سهلا مع الألواح المجاورة.
عند التركيب على الحوامل بشكل أفقي
تظهر أيضاً مشاكل مشابهة عند تركيب الألواح بشكل أفقي ووصلها كون الوصل التسلسلي يتطلب أن تكون النواقل موصولة مع بعضها بشكل قطري (قطر اللوح الشمسي) وخاصة في التركيب على أسطح الأبنية بزوايا ميلان صغيرة مما يجعل الوصول إلى التوصيلات صعبا عند الحاجة للصيانة. و لذلك نحتاج إلى اختيار طريقة تنصيب مناسبة للموقع بالإضافة إلى استخدام طريقة توصيل الوصلات بشكل مناسب للحالة التي أمامنا. مثلا، يمكن وضع علب توصيل خارجية خارج الألواح و تُربط معها الألواح بشكل أسهل و لكن ذلك يرفع من تكلفة النظام.
خلاصة
إن تقنية نصف الخلية ساهمت بشكل فعال في رفع كفاءة الألواح الشمسية الكهروضوئية كما أن إنتاجها لا يتطلب إضافات كثيرة أو عمليات تصنيع معقدة كونها هي بالأساس خلايا شمسية عادية تم قطعها في المنتصف.
كما قد ظهر مؤخراً أنصاف خلايا مصنوعة من خلايا بتقنية بيرك PERC cells، وتظهر الدراسات ازدياد حصة الألواح من أنصاف الخلايا في السوق بالإضافة إلى توقعات بازدياد هذه الحصة في المستقبل. لاحظوا التوقعات في المخطط التالي حيث يتوقع أن تشكل الألواح الشمسية المصنوعة بتقنية أنصاف الخلايا ربع الإنتاج العالمي من الألواح بحلول عام 2022.
المراجع
- FRAUNHOFER Institute for Solar Energy Systems ISE
- Energy Sage
- Solar Power World
تابعونا لمعرفة المزيد عن تقنيات الخلايا الشمسية وغيرها.
نتمنى لكم يوماً مشمساً.
