فهرس
الفهرس
مقدمة
تقوم أنظمة الطاقة الشمسية على أنواعها بتوليد الطاقة الكهربائية أثناء توافر الإشعاع الشمسي وبنسب مختلفة تتعلق بشدة الإشعاع والعوامل المناخية وغيرها وتستطيع هذه الأنظمة تغذية العناصر المرتبطة معها بشكل لحظي. ولكن في حال احتجنا للكهرباء في أوقات غياب الإشعاع الشمسي كالليل مثلاً أو في الظروف المناخية السيئة وعندما لا يمكننا أو لا نريد استجرار الكهرباء من الشبكة، فإننا نحتاج إلى وسيلة لتخزين الطاقة في أوقات توليدها لإستخدامها لاحقاً وهنا تأتي أهمية البطاريات الشمسية Solar Batteries.
البطاريات – Batteries
تعد البطاريات من أقدم التقنيات اللي رافقت اكتشاف الكهرباء واستمرت بالتطور من حيث المواد الداخلة في تصنيعها وشكلها وتصميمها وكمية الطاقة القادرة على تخزينها حتى وقتنا الحالي، ويمكن القول أنه مهما اختلف نوع البطارية فهي تعمل وفق عملية الأكسدة والإرجاع، وقبل الانتقال لأقسام البطارية نتعرف على بعض المصطلحات المتعلقة بالبطاريات.
المصعد: تحدث عنده عمليات الأكسدة حيث يتم فقدان الكترونات (ازدياد الشحنة الموجبة).
المهبط: تحدث عنده عمليات الإرجاع حيث يتم اكتساب الكترونات (ازدياد الشحنة السالبة).
مهما تنوعت العناصر الداخلة في تكوين البطاريات، فهي تتألف من العناصر التالية:
– القطب الموجب: يكون مصعداً أثناء عملية شحن البطارية ومهبطاً أثناء تفريغها.
– القطب السالب: يكون مهبطاً أثناء عملية شحن البطارية ومصعداً أثناء تفريغها.
– العنصر الموصل كهربائياً (الكهرليت): يكون الفاصل بين القطب السالب والقطب الموجب ويسمح للشحنات الموجبة بالانتقال ضمن البطارية من المصعد إلى المهبط في حين يمنع الالكترونات من المرور من خلاله وبالتالي ليتم انتقال الالكترونات يجب ان يتم وصل البطارية في دارة خارجية مما يدفع بالإلكترونات للمرور عبر الدارة الخارجية لتصل إلى المصعد وبالتالي يتشكل التيار الكهربائي.
تعددت أنواع البطاريات باختلاف نوع المصعد والمهبط بالإضافة إلى نوع الكهرليت حيث كان سائلاً غنياً بالشوارد ثم تم استخدام أشباه البوليمرات أو الجيل لتستبدل السوائل. وتتابع الدراسات والأبحاث لاستبدال هذه العناصر بعناصر صلبة لعدة عوامل سنتعرف عليها لاحقاً.
أشهر أنواع البطاريات الشمسية
بطاريات الرصاص – Lead acid batteries
تعد بطاريات الرصاص من أقدم البطاريات استخداماً وأكثرها انتشاراً وأقلها تكلفة بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من البطاريات وتتميز بعمق التفريغ الخاص بها الذي يسمح لها بالشحن والتفريغ المتكرر للبطارية ببطء. ويوجد عدة أنواع من بطاريات الرصاص:
بطاريات الرصاص المغمورة – Flooded Lead Acid
هنا يكون الكهرليت عبارة عن سائل يملئ الفراغ بين المصعد والمهبط ويشترط لاستخدام هذا النوع من البطاريات أن يتم وضعها في مكان ذو تهوية جيدة وكافية لأنه قد يتسرب غازات ناتجة عن تفاعلات الأكسدة والإرجاع الحاصلة داخل البطارية أثناء عملية الشحن والتفريغ. هذه الغازات قابلة للاشتعال وقد تكون خطيرة في حال وجدت البطارية في مكان مغلق، وتتميز أيضاً بإمكانية الصيانة لها كاستبدال السائل الموجود داخل البطارية مثلاً.
بطاريات الرصاص المحكمة الإغلاق – Sealed lead-acid
يمكن تسميتها ببطاريات الرصاص بمنظم الصمام valve – regulated lead acid battery تكون هذه البطاريات محكمة الإغلاق وغير قابلة للصيانة بطريقة مشابهة للبطاريات المغمورة وتنقسم بنفسها إلى ثلاثة أنواع حسب نوع الموصل الكهربائي (الكهرليت):
البطاريات ذات الخلايا الرطبة – wet cells
يكون الكهرليت عبارة عن سائل ولكن لا يمكن استبداله كما في البطاريات المغمورة بالإضافة إلى أن نسبة الغازات المنبعثة من البطارية تكون أقل بكثير ولا تشكل خطراً بالمقارنة مع البطاريات المغمورة.
البطاريات ذات طبقة الزجاج الماصة - absorbent glass mat (AGM)
وهنا يكون الكهرليت عبارة عن عدة طبقات رقيقة جداً من الألياف الزجاجية المنقوعة بمادة موصلة كهربائياً ويكون هناك كمية كافية من المادة الموصلة لتبقي الألياف رطبة واستخدام هذه الألياف الزجاجية يسمح للجزيئات الغازية بالمرور بين الألياف وتقليل انبعاثاتها للخارج مما يقلل من أضرارها وخطورتها.
بطاريات الجيل – Gel Batteries
يكون الكهرليت عبارة عن مادة ذات قوام هلامي (جيل) وهي عبارة عن خليط من حمض الكبريتيك والسيلكا المدخنة – Fumed silica وتتميز هذه البطاريات بأنها تقلل من عملية التبخر للموصل الكهربائي وبالتالي تقلل من الانبعاثات وتمتاز بعمر تشغيلي أطول بالمقارنة مع بطاريات الرصاص الأخرى وتتمتع بقدرة أكبر على مقاومة الاهتزاز والصدمات.
بطاريات الليثيوم أيون – Li-ion Batteries
ظهر هذا النوع من البطاريات في سبعينيات القرن العشرين وتميزت بقدرتها على تخزين كمية جيدة من الطاقة في أحجام صغيرة من البطاريات حيث كانت الأساس لظهور تقنيات مثل الأجهزة المحمولة الذكية كالكومبيوتر المحمول والجوالات بالإضافة إلى التجهيزات الحديثة التي يمكن ارتداؤها كالساعات الذكية. وتتألف هذه البطاريات من الغرافيت – Graphite والذي يشكل المهبط في حين يتألف المصعد من أحد المواد التالية: أوكسيد معدن مثل (أوكسيد الليثيوم والكوبالت – Lithium cobalt oxide) أو بوليمير كهرليتي مثل (فوسفات الليثيوم والحديد – Lithium iron phosphate) أو من الاسبينل (نوع من الأحجار الكريمة يشبه الياقوت) مثل أكاسيد المغنيزيوم، في حين يكون الكهرليت المشكل للبطارية مؤلف من عناصر عضوية كربونية مثل كربونات الايثلين.
تعد هذه البطاريات ممتازة لتخزين الطاقة ولكن من أهم مساوئها ان العناصر المكونة للكهرليت قابلة للاشتعال بالأخص في درجات الحرارة العالية. كما تعاني هذه البطاريات لمشكلة تعرف «بتشجر الليثيوم» حيث تنتشر ضمن البطارية شعيرات من الليثيوم وتتفرع بشكل شجري وتسبب تناقص عمر البطارية وتسريع تقادمها. بالإضافة إلى ان هذه الشعيرات الشجرية قد تكتسب كمية كبيرة من الحرارة وتسبب اشتعال البطارية.
البطاريات الصلبة – Solid State Batteries
تختلف البطاريات الصلبة عن البطاريات التقليدية باستخدام موصل كهربائي صلب عوضاً عن السوائل أو البوليميرات لذلك تعد البطاريات الصلبة المنافس القوي لبطاريات الليثيوم أيون لما تقدمه من استقرار في العمل وأمان بغياب مخاطر الاشتعال والتقادم الذي تظهر في بطاريات الليثيوم أيون بالإضافة لقدرتها الكبيرة على تخزين الطاقة بالمقارنة مع بطارية بنفس الحجم من الليثيوم أيون بالإضافة لعمر التشغيل الأكبر وقدرتها على العمل في درجات حرارة منخفضة جداً ومرتفعة جداً (-20 درجة مئوية حتى +60 درجة مئوية).
تنفق العديد من الشركات ومؤسسات الأبحاث الكثير من الأموال لتطوير هذه البطاريات وأخرها كان الوصول بطاريات تتألف من معدن قلوي مؤلف من الليثيوم أو الصوديوم أو البوتاسيوم وتستخدم موصل كهربائي زجاجي.
[bsa_pro_ad_space id=3]
أسس اختيار البطارية الشمسية
يوجد عدة أنظمة طاقة شمسية تقوم بتخزين الطاقة الناتجة في البطاريات مثل الأنظمة المستقلة عن الشبكة – off grid system والأنظمة الهجينة – hybrid system، ولكن للاختيار المناسب للبطاريات اللازمة للنظام المستخدم يجب النظر إلى الأمور التالية:
السعة والاستطاعة
أولا يجب معرفة الاستطاعة التي نحتاجها لتغذية المنزل مثلاً ويمكننا التحقق من ذلك عن طريق العودة لفواتير الكهرباء التي توضح الاستهلاك الشهري والسنوي، ويكون ذلك مقدراً بالكيلو واط الساعي.
تختلف ايضاً سعات البطاريات المتوفرة في الأسواق باختلاف نوعها وحجمها وتقدر استطاعة البطاريات بالكيلو واط الساعي أيضاً. بالرغم من أن سعة البطارية توضح حجمها، لكنها لا تحدد نسبة الطاقة الكهربائية التي تقدمها، حيث يتم تقديرها بالكيلو واط. لذلك للاختيار السليم للبطارية المناسبة للمنزل والنظام الشمسي يجب النظر لكلا الخاصيتين للبطارية فمثلاً بطارية استطاعتها كبيرة ونسبة تحويل للطاقة منخفضة تستطيع تغذية عدد من التطبيقات لفترة معينة من الزمن في حين أن بطارية باستطاعة صغيرة ونسبة تحويل للطاقة عالية فهي تستطيع تغذية منزل بأكمله ولكن لفترة قصيرة من الزمن.
عمق التفريغ – Depth of Discharge DoD
تحتاج معظم البطاريات لأن تحافظ على نسبة معينة من الطاقة طوال الوقت وذلك بسبب العناصر الكيميائية المركبة لها، فعند استخدام 100% من قدرة البطارية فهذا سيسبب بانخفاض عمرها التشغيلي بشكل ملحوظ. كلما كانت قيمة عمق التفريغ للبطارية كبيراً كلما أمكن تفريغ قيمة أكبر من طاقتها.
كفاءة البطارية في تحويل الطاقة
تمثل كفاءة البطارية بكمية الطاقة التي يمكن استخدامها كنسبة من الطاقة التي تم تخزينها فمثلاً إذا تم تغذية البطارية ب 10 كيلو واط ساعي من الطاقة الكهربائية ويمكننا الحصول على 9 كيلو واط ساعي من الطاقة المفيدة فنقول أن كفاءة البطارية هي 90% (9kwh / 10kwh = 90%) وكلما كانت قيمة كفاءة الطاقة أكبر فهذا يعني أننا نستطيع الحصول على كمية طاقة أكبر من البطارية.
عمر البطارية
مثل كل البطاريات القابلة للشحن، فإن البطاريات المستخدمة في الأنظمة الشمسية ستمر بدورة شحن وتفريغ بشكل يومي تقريباً وكلما استخدمت البطارية ومرت بدورة شحن إضافية ستنخفض قدرتها على الاحتفاظ بالكهرباء. وتقدر حياة البطارية بعدد دورات الشحن والتفريغ التي يمكن أن تمر بها البطارية قبل أن تنخفض قدرتها على الاحتفاظ بالكهرباء.
هل يمكن استخدام بطاريات السيارات في الأنظمة الشمسية؟
قد يعتقد البعض أنه من الجيد استخدام أي نوع من البطاريات لتخزين الطاقة في الأنظمة الشمسية كاستخدام بطارية السيارة ولكن هذا ليس صحيح وذلك لأن أنظمة الطاقة الشمسية والطاقات البديلة الأخرى تقوم بشحن البطاريات المتصلة معها ببطء وبتيار صغير نسبياً لذلك نحن نحتاج إلى بطاريات بعمق تفريغ كبير للتعامل مع هذه العوامل وسواء بطارية السيارة وغيرها فهي مصممة لتفريغ كمية كبيرة من الطاقة بقيمة تيار كبيرة نسبياً (تيار اقلاع السيارة مثلاً) وبفترة زمنية قصيرة وتشحن وفق تيار كبير أيضاً بالتالي هي غير مناسبة لعملية الشحن والتفريغ في الأنظمة الشمسية.
مقارنة أنواع البطاريات
خلاصة
تعد البطاريات الشمسية حلاً مهماً للاستغناء عن الشبكة الكهربائية والتوفير في تكاليف الكهرباء وتعد الحل البديل الأول للوقود في السيارات، ويقوم العلماء بالعديد من الأبحاث لتطوير البطاريات من حيث سعتها وكفاءتها بالإضافة لزيادة أمانها واستقرارها وبدأت تظهر اكتشافات مهمة قد تحدث تغيراً في مستقبل الأنظمة الشمسية والسيارات الكهربائية.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المراجع
- energy sage.
- solar watt.
- Wikipedia: lead acid battery, solid state battery, Li-ion battery.
