نعلم أن زيادة الحرارة تعني المزيد من الطاقة ولكن هل يمكننا أن نعتبر هذا الكلام دقيقا في حالة الخلايا الكهروضوئية؟
على عكس الاعتقاد السائد، فإن زيادة حرارة الخلية الشمسية تؤدي إلى انخفاض كمية الطاقة المنتجة من قبل الخلية ولكن لماذا يحصل ذلك؟ وكيف يتم التقليل من تأثير الحرارة على الخلايا؟
فهرس
كيف تؤثر الحرارة على الألواح الكهروضوئية؟
يتطلب عمل الألواح الكهروضوئية التعرض للإشعاع الشمسي، وإن التعرض لفترة طويلة لهذا الإشعاع يسبب ارتفاع درجة حرارة الخلية وهذا الارتفاع يسبب انخفاضا في قيمة الطاقة المنتجة من اللوح، نتيجة انخفاض جهد الخلية الناتج. ولتوضيح سبب هذا الانخفاض يجب أولا أن نتعرف على بعض المبادئ التي تتعلق بأنصاف النواقل.
أنواع أنصاف النواقل
يمكن تقسيم أنصاف النواقل إلى الأنواع التالية:
نصف ناقل ذاتي
يعرف نصف الناقل الذاتي أنه العنصر الذي يقوم بتحرير الكترونات وثقوب نتيجة لتعرضه للحرارة فقط وتكون نسبة الثقوب والالكترونات فيه ثابتة وهذا ما يعرف بالتركيز الذاتي لحاملات الشحنة مثل السيليكون والجرمانيوم. وبشكل عام، يزداد التركيز الذاتي لحاملات الشحنة بازدياد درجة الحرارة.
نصف ناقل مشاب
تتم إشابة نصف الناقل الذاتي لزيادة حاملات الشحنة حيث إما تتم الإشابة لزيادة عدد الالكترونات وبالتالي نحصل على نصف ناقل نوع n وتكون فيه حاملات الشحنة الأكثرية هي الالكترونات أو تتم الإشابة لزيادة عدد الثقوب وبالتالي يكون لدينا نصف ناقل نوع p وفيه حاملات الشحنة الأكثرية هي الثقوب.
نعرف أيضاً تيار الإشباع العكسي لنصف الناقل (وصلة p-n):
التيار الذي يجري ضمن نصف الناقل ويمثل عملية عودة حاملات الشحنة الأقلية إلى منطقة الانخفاض من وصلة p-n وإن قيمة هذا التيار تتناسب طرداً مع مربع التركيز الذاتي لحاملات الشحنة.
عند تعرض الخلية الكهروضوئية للإشعاع الشمسي تتحرر الالكترونات والثقوب (مبدأ عمل الخلية الكهروضوئية) وبالتالي ينتج جهد كهربائي (جهد الدارة المفتوحة) وإن قيمة هذا الجهد تتناسب عكساً مع تيار الإشباع العكسي.
بمطابقة الأفكار السابقة نجد أن:
إن ارتفاع درجة الحرارة للألواح الشمسية يؤدي إلى ازدياد التركيز الذاتي وبالتالي تزداد قيمة تيار الإشباع العكسي وبالتالي تنخفض قيمة جهد الدارة المفتوحة للوح الشمسي ومعه الطاقة التي ينتجها اللوح.
يقدم المخطط توضيحا لعلاقة جهد الدارة المفتوحة مع تيار الإشباع العكسي وكيفية الانخفاض السريع للجهد بالمقارنة مع الازدياد في تيار الإشباع العكسي عند ارتفاع درجة الحرارة.
معامل الحرارة للألواح الكهروضوئية
هو معدل انخفاض الطاقة التي ينتجها اللوح عند ارتفاع درجة حرارته درجة مئوية واحدة.
تتراوح قيمة معامل الحرارة للألواح في الغالب بين (-0.2% حتى -0.5%) وتذكر قيمته في اللوحة الإسمية للوح ويوضع قبل النسبة إشارة سالبة للتأكيد إن هذه القيمة تشير إلى انخفاض الطاقة وكلما كانت قيمة المعامل أقرب إلى الصفر كان أداء اللوح أفضل مع ارتفاع درجة الحرارة.
تتم تحديد قيمة هذا المعامل في شروط الاختبار المعيارية للألواح (STC) حيث تكون درجة حرارة المحيط ودرجة حرارة اللوح هي 25 درجة مئوية.
لاحظ في الصور التالية كيفية ذكر تأثير الحرارة على عمل الخلية:
بالنظر إلى الصورة التالية نجد أن جهد الدارة المفتوحة لهذا اللوح هو 22.3 فولط وأن معامل الحرارة يساوي (-0.34%/ درجة مئوية) وتم قياس هذه القيم في شروط الاختبار المعياري STC عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، فإذا وصلت درجة حرارة اللوح إلى 45 درجة مئوية في يوم حار فإن قيمة الجهد الناتج ستنخفض بمقدار:
(45-25) × 0.34% = 6.8 %.
تقليل تأثير الحرارة
لا يمكننا في الوقت الحالي منع ارتفاع درجة حرارة الخلايا أو إلغاء تأثير ارتفاع درجة بشكل نهائي ولكن يمكننا التقليل من الأثر السلبي لها وذلك بالطرق التالية:
اختيار الألواح ذات معامل الحرارة المناسب
نقوم باختيار الألواح الكهروضوئية ذات معامل الحرارة المناسب من خلال المعرفة الجيدة بالوسط الذي سيتم فيه تنصيب الألواح وإجراء دراسة وافية وجمع المعلومات الكافية، فمثلا إذا كانت درجة حرارة المنطقة مرتفعاً في الغالب نختار ألواح ذات معامل حرارة قليل مما يضمن انخفاض قيمة الضياعات مع ارتفاع الحرارة.
يختلف معامل الحرارة من نوع خلية إلى أخرى و من مصنع لآخر و لكن عادة ما تكون خلايا الفلم الرقيق Thin-Film ذات معامل حراري أقل مقارنة بخلايا الكريستالاين التقليدية و بالتالي تكون مناسبة أكثر لجو البلاد العربية و لذلك تم إستخدامها في مجمع محمد بن راشد للطاقة الشمسية في دبي و منطقة معان في الأردن و غيرها.
تبريد الألواح
تلعب طريقة تركيب الألواح دوراً مهما في تأمين تهوية جيدة للألواح مما يساعد في تقليل درجة حرارة الألواح حيث ينصح بتركيب الألواح على الأسطح بارتفاع 150 سم عن سطح الأرض.
يمكن أيضاً استخدام طرق خاصة في تأمين تبريد للألواح كاستخدام شبكة أنابيب تمرر أسفل الألواح يمر فيها سائل مبرد وتكون الأنابيب تسمح بالتبادل الحراري بين الألواح والسائل وهي من الطرق المكلفة لما تحتاجه من تجهيزات.
يجب الحذر من تبريد الألواح باستخدام المياه بشكل مباشر لأن الوجه الخارجي للألواح هو من الزجاج وبعد التعرض لوقت طويل لأشعة الشمس فإن الزجاج بدوره سيسخن وبالتالي استخدام المياه بشكل مباشر قد يؤدي إلى تشققات في الزجاج قد تكون صغيرة في البداية ولكنها ستسبب ضرراً أكبر مع مرور الزمن.
إن اختيار الألواح المصنوعة من ألوان فاتحة يساهم أيضاً في تقليل امتصاص الحرارة وبالتالي تقليل ارتفاع حرارة الألواح.
تذكر
يؤثر ارتفاع حرارة الألواح الكهروضوئية سلباً على إنتاجيتها مسبباً انخفاضها، لذلك الاختيار المناسب للألواح الكهروضوئية بما يتناسب مع منطقة تركيبها يعتبر من أهم العوامل التي تساهم في الاستفادة القصوى من النظام الكهروضوئي المراد تركيبه. يرجى تفحص خصائص اللوح Data Sheet قبل شرائه و عدم الاعتماد على الحكم المسبق كأن يفترض المرء أن المعامل الحراري لخلايا البولي كريستالاين أفضل منه لخلايا المونو كريستالاين و الذى لم يعد صحيحا بالضرورة.
نتمنى لكم يوماً مشمساً.
