هذا الفيديو مقدم لك بريليانت. نحن نطارد دائمًا
الألواح الشمسية ذات الأداء الأفضل والأكثر كفاءة للمساعدة في تشغيل مستقبلنا المتجدد ، ولكن بغض النظر عن مدى كفاءة
اللوحة ، هناك تأثيرات على الأداء تعتمد على الموقع. يمكن لزاوية الميل والاتجاه إما
تعزيز الأداء أو تقليله ، ومن الصعب تحقيق الأداء الأمثل في جميع المواقع.
يمكن أن تساعد الحلول مثل أجهزة التعقب بالطاقة الشمسية في التغلب على بعض هذه المشكلات ،
لكنها عادةً لا تستحق العناء في معظم الحالات. بدلاً من إنشاء خلايا شمسية أكثر كفاءة
أو تتبع الشمس ، عزز فريق بحث في ستانفورد كفاءة الطاقة الكهروضوئية ، حتى في الأيام الملبدة بالغيوم ،
من خلال تركيز الضوء الذي يصل إلى الخلايا الشمسية دون أي أجزاء متحركة. هل
تحسين توليد الطاقة الشمسية بهذه البساطة حقًا؟ دعونا نرى ما إذا كان بإمكاننا التوصل إلى قرار بشأن هذا.
لقد غطيت الكثير من التطورات في الألواح الشمسية على مدار السنوات القليلة الماضية. في مقطع فيديو سابق ،
تطرقت إلى اختراقات كفاءة الألواح الشمسية منذ عام 2022. لقد استعرضنا بعض
التحديثات والإيجابيات والسلبيات الأكثر إثارة للألواح الشمسية وتحدثي عنها حاليًا. الحقيقة هي أن
الألواح الشمسية فعالة بما يكفي اليوم لتلبية العديد من احتياجات الطاقة التي ربما تحتاجها
لمنزلك. ومع ذلك ، لا يزال هناك العديد من الجوانب التي تؤثر على توليد الطاقة الخاصة بهم ،
واثنان من هذه الجوانب هما الاتجاه وزاوية الميل. تتطلب الألواح الشمسية
زاوية ميل واتجاه مثاليين لالتقاط أكبر قدر من ضوء الشمس وضمان ذروة الأداء.
عندما يتعلق الأمر بتوجيه الألواح الشمسية ، يلعب الموقع الجغرافي دورًا مهمًا.
إذا كنت تعيش في نصف الكرة الشمالي ، فإن الإعداد المثالي هو مواجهة الألواح الشمسية جنوبًا.
والعكس صحيح إذا كنت تعيش في نصف الكرة الجنوبي. لفهم هذا الأمر بشكل أفضل ،
فكر في منزل في نصف الكرة الشمالي بخط سقف أفقي ،
بحيث يكون سقفه مواجهًا للشمال والجنوب. الجانب الشمالي من المبنى
مظلل بشكل أساسي طوال اليوم منذ أن تشرق الشمس في الشرق وتغرب في الغرب ،
وتتحرك في قوس باتجاه خط الاستواء. في الصباح ، يكون الغرب مظللًا ويتلقى الشرق
ضوء الشمس. في المساء يكون الشرق مظللا ويتعرض الغرب للشمس. هذا يعني
أن الجانب الجنوبي من المنزل سيتعرض لمزيد من أشعة الشمس طوال اليوم. . إذا
واجهت الألواح الشمسية في أي اتجاه آخر ، فيمكنك توقع حدوث خسائر كبيرة في خرج الطاقة.
المنازل التي تحتوي على ألواح شمسية تواجه الشرق أو الغرب ستنتج طاقة أقل بحوالي 15٪ ، بينما تواجه
الشمال خسائر بحوالي 30٪. يوجد في منزلي ألواح تواجه الشرق والغرب لأنه ليس
لدي سقف مواجه للجنوب ، لذلك لا ترى الألواح أقصى إنتاج على مدار اليوم.
كنت أعلم أن الدخول ، وهذا هو السبب في أنني أضفت أكبر عدد ممكن من اللوحات لمحاولة تعويض ذلك.
العامل المهم الآخر هو زاوية الميل ، وهي في الأساس الزاوية الرأسية
للوحاتك. من الناحية المثالية ، يجب أن تكون أشعة الشمس متعامدة على سطح
اللوحة الشمسية لأنها تؤدي إلى أعلى مستوى من إنتاج الطاقة الشمسية. عادةً ما تكون زاوية الميل المثالية لألواحك
الشمسية مساوية لخط عرض منزلك أو قريبة منه. كلما
اتجهت شمالًا ، كلما زادت إمالة الألواح الخاصة بك .. في هذا الوضع ،
ستواجه الألواح الشمسية أعلى نقطة للشمس في السماء في الصيف وأقل نقطة لها في الشتاء. ومع ذلك ،
تختلف زاوية الميل المناسبة باختلاف الموسم ، كما أنها تقلل من إنتاج الطاقة للألواح الشمسية الثابتة.
مرة أخرى ، إذا كنت تقوم بتثبيت الألواح الشمسية في منزلك ، فسيتم أخذ كل ذلك في الاعتبار
عندما يقوم مُثبِّت الطاقة الشمسية بحساب إنتاج الطاقة الشمسية التقديري لمنزلك.
بالنسبة لمعظم مالكي العقارات في الولايات المتحدة ، تكون الزاوية المثالية لتركيب الألواح الشمسية في مكان ما
بين 30 درجة و 45 درجة. ولكن في الواقع ، يواجه القائمون على تركيب الكهروضوئية تحديات في
تحقيق الزاوية المثلى. تحتوي الأنظمة السكنية عمومًا على زوايا إمالة أعلى أو منخفضة
لأنها تتوافق مع ميل السقف. يمكن أن تؤثر المشكلات الأخرى مثل مساحة السطح المتاحة ،
والحد الأدنى من الفصل بين صفوف الوحدات الكهروضوئية ، والمساحة اللازمة لعملية الصيانة ، وتجنب
الألواح التي تحجب بعضها البعض ، وترسب الغبار أيضًا على التوليد.
وضع باحثون من جامعة أوفييدو بعض الأرقام لخسائر الطاقة التي نتحدث
عنها هنا. إن انحرافات زاوية الميل التي تصل إلى 10 درجات فيما يتعلق بزاوية الميل المثلى
لها تأثير أقل من 1٪ على الإشعاع الشمسي الوارد. من ناحية أخرى ، إذا كانت
انحرافات زاوية الميل في حدود 31 درجة إلى 33 درجة ، فإن اللوحة الشمسية تنتج طاقة أقل بنسبة 10٪. .
على سبيل المثال ، أفضل زاوية للوحة شمسية لإرضاء ظروف الشتاء والصيف في نيويورك
هي 41 درجة. إذا كانت زاوية إمالة اللوحة قريبة من 30 درجة ، فسيكون متوسط الإشعاع الشمسي السنوي
4.46 كيلو واط في الساعة / متر مربع في اليوم. ومع ذلك ، إذا انخفضت الزاوية إلى 5 درجات ، فإن الإشعاع الشمسي ينخفض إلى 4.02
كيلو واط ساعة / متر مربع في اليوم. ويشير إلى أن إنتاج الكهرباء المقدر لنظام 5 كيلوواط سينخفض
من 6075 كيلوواط في الساعة إلى 5438 كيلوواط ساعة. تعني هذه الأرقام أن اللوحة الشمسية بزاوية ميل
30 درجة ستوفر فاتورة كهربائية سنوية قدرها 1،215 دولارًا بينما توفر الألواح ذات الإمالة 5 درجات 1088 دولارًا.
هذا هو المكان الذي يمكن أن تعزز فيه أنظمة التتبع الشمسي توليد الطاقة الكهروضوئية على مدار العام. يقوم نظام التتبع الشمسي
بضبط زاوية الميل الشمسي لتتماشى مع الشمس أثناء تحركها عبر السماء.
يستخدم مستشعرات لالتقاط حركة الشمس ونظام تحكم لقيادة المحركات الكهربائية
التي ستعمل باستمرار على ضبط اتجاه وإمالة مجموعة الطاقة الشمسية. هناك نوعان من
أنظمة التتبع. تميل أنظمة التتبع أحادية المحور على محور واحد ،
وتتبع الشمس عموديًا أو أفقيًا طوال اليوم. تتعقب أنظمة التتبع ثنائية المحور
الحركة الأفقية والعمودية للشمس. يوفر نظام الألواح الشمسية المزود بمتعقب شمسي أحادي المحور
زيادة في الطاقة بنسبة 10 ~ 30٪. على سبيل المثال ، فإن نظامًا ثابتًا بقوة 1.28 ميجاوات من الطاقة الكهروضوئية في ملبورن ،
أستراليا ، ينتج 4،612.01 كيلو واط ساعة / يوم ، من شأنه أن يولد 5،783.71 كيلو واط ساعة / يوم باستخدام جهاز تعقب الطاقة الشمسية.
تعمل أجهزة التتبع بإحدى طريقتين ، إما عن طريق المؤقت أو المستشعر ، أو مزيج من الاثنين.
يمكن برمجة الموقتات لخط عرض وستقوم تلقائيًا بتوجيه الألواح الشمسية في
الاتجاه الذي يجب أن يحدث فيه الحد الأقصى لضوء الشمس للتاريخ والوقت عند خط العرض هذا.
يمكن استخدام الاستشعار الكهروضوئي للعثور على "البقعة المثالية" للحصول على أقصى قدر من الطاقة الشمسية.
بالنسبة لمتعقب محور واحد ، يتم تركيب جهاز استشعار في الأعلى وآخر أسفل المحور.
إذا رأى أحد هذه المستشعرات مزيدًا من الضوء ، فإنه ينشط مرحلًا إلى محرك
يحرك اللوحة حتى تتم موازنة الضوء بين المستشعرين.
الموقتات خالية من المتاعب نسبيًا ، ولكنها عرضة بشكل خاص للسحب.
تخيل سحابة مزعجة تعترض طريقك ؛ لا يملك الموقت أي طريقة لمعرفة ذلك
ويستمر في الإشارة مباشرة إلى السحابة. من ناحية أخرى ،
سترى المستشعرات الكهروضوئية عدم التوازن ، وتبتعد عن الموضع الأمثل المسقط ،
وتجد الموضع الأمثل الحقيقي ، والذي قد يكون بضع درجات من ضوء الشمس المباشر. يكمن عيب
استخدام المستشعرات الكهروضوئية في تطوير خوارزمية تمنع النظام من "ملاحقة
الشمس" والتحرك المستمر للوضع ، حيث تستخدم كل حركة الطاقة وتقلل من الكفاءة بشكل عام.
الجانب السلبي لاستخدام أنظمة تتبع الطاقة الشمسية الميكانيكية هو أنها أكثر تكلفة
وتميل إلى ارتفاع تكاليف التركيب والصيانة - فالمزيد من
الأجزاء المتحركة تجعلها أكثر عرضة لكسر وإغلاق النظام لساعات
أو حتى أيام. علاوة على ذلك ، فإن أجهزة التتبع ثقيلة جدًا بحيث لا يمكن استخدامها على أسطح المنازل ، لذلك
يتم تثبيتها عادةً باستخدام نظام مثبت على الأرض ، مما يحد من حالات استخدامها.
لنفترض أنك قمت بتركيب 15 لوحًا شمسيًا مثبتًا على الأرض مع معدل قدرة 300 واط لكل منها. التكلفة
الإجمالية لهذا النظام ستكون 14،625 دولار. إذا كنت ترغب في تضمين متعقب شمسي في هذا النظام ،
فسيتكلف ذلك 500 دولارًا إضافيًا لكل وحدة شمسية ، مما يضيف ما يصل إلى التكلفة الإجمالية من 22،125 دولارًا للمحور
الفردي أو 29،625 دولارًا للمحور المزدوج. يبلغ التوفير السنوي للطاقة مع هذه الأنظمة حوالي 1430
دولارًا و 1540 دولارًا ، وهو ما يزيد قليلاً فقط عن توفير 1100 دولار مع نظام كهروضوئي ثابت. علاوة على
ذلك ، تبلغ تكاليف التشغيل والصيانة (O&M) لجهاز تعقب أحادي المحور 14 دولارًا / كيلوواط سنويًا. قارن
ذلك بالنظام الكهروضوئي الثابت على نطاق المرافق والذي يبلغ سعره 13 دولارًا / كيلوواط سنويًا. لذلك ربما يمكنك أن
ترى لماذا يُنظر إلى استخدام أجهزة تعقب الطاقة الشمسية بشكل عام على أنها لا تستحق العناء نظرًا لارتفاع
التكلفة الأولية عندما يمكنك بدلاً من ذلك إضافة عدد قليل من الألواح الثابتة الإضافية لتعويض النقص في الإنتاج.
حفزت هذه الجوانب السلبية الباحثين على البحث عن تقنيات جديدة لزيادة
إنتاج الطاقة الشمسية مع الحفاظ على انخفاض التكاليف. إحدى التقنيات التي يتم استكشافها
هي الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV). للحصول على نظرة عامة سريعة ، تقوم
الأنظمة الكهروضوئية المركزة بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية بنفس الطريقة التي تعمل بها
الخلايا الكهروضوئية التقليدية. يتمثل الاختلاف في التقنيات في أن الأنظمة الفولت ضوئية المركزة تضيف نظامًا ضوئيًا يركز
ضوء الشمس على خلية شمسية صغيرة ذات تحويل عالي الكفاءة للحصول على طاقة كهربائية أعلى.
هذه الأنواع من الأنظمة تشبه إلى حد ما التلسكوبات الموجهة نحو موقع الشمس ،
وتغذي الخلية بضوء مركّز.
حاليًا ، تستخدم تقنيات الأنظمة الفولت ضوئية المركزة العدسات أو المرايا لعكس ضوء الشمس وتركيزه. لقد قمت
بالفعل بعمل فيديو عن الطاقة الشمسية المركزة باستخدام المرايا ، لذلك سأركز فقط على
الأنظمة الفولت ضوئية المركزة التي تستخدم العدسات. تستخدم هذه الأنظمة عنصرًا بصريًا يجمع ضوء الشمس
ويركزه على خلية شمسية صغيرة عالية الكفاءة ، تسمى خلية شمسية متعددة الوصلات ،
والتي تحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء. تتكون الخلايا الشمسية متعددة الوصلات بشكل شائع
من ثلاث خلايا شمسية متصلة في سلسلة. بشكل أساسي ، تجمع كل طبقة
طولًا موجيًا مختلفًا للضوء ، لذا يمكنهم معًا تحقيق كفاءة أعلى (في بعض الأحيان حوالي 40٪)
مقارنةً بالخلية الشمسية القياسية أحادية الوصلة (عادةً حوالي 20٪). مع تركيز ضوء الشمس
وتركيزه على هذه الخلية ، يزداد إنتاج الطاقة بشكل كبير.
تم تطوير تصميمات نظام CPV إلى ثلاث فئات. تركيز منخفض حيث تكون
نسبة التكبير أقل من 10x ، ويكون التركيز المتوسط عادة بين 10x و 100X ،
والتركيز العالي في مكان ما بين 100X و 1000X. باختصار ،
إذا ركزت 10 أو 100 مرة أكثر من الضوء على خلية CPV مصممة بشكل صحيح ،
يمكنك نظريًا إنتاج أكثر من 10 أو 100 مرة من الكهرباء.
أحد الأمثلة على نظام CPV هو الوحدة الكهروضوئية منخفضة التركيز من
Zytech Solar. يوفر مستوى تركيز 2.25X
عن طريق إضافة مرايا على الجوانب واستخدام العدسات المنشورية لتركيز ضوء الشمس ،
مما يعزز إنتاج الطاقة بنسبة 1.8 إلى 2X مقارنةً بالتركيب الكهروضوئي النموذجي.
تتمثل إحدى ميزات هذه الأنواع من الأنظمة الشمسية في أنها تتطلب مساحة أرض أقل مقارنة
بالطاقة الشمسية التقليدية لإنتاج نفس ناتج الكهرباء. ومع ذلك ، فإن هذا يأتي
بتكلفة أعلى. تكلف الألواح الكهروضوئية المركزة 0.80 دولارًا إلى 1.10 دولارًا لكل واط بينما
تكلف الألواح الشمسية التقليدية 0.70 دولارًا لكل واط. هناك مشكلة أخرى وهي الصيانة مع إضافة أنظمة التتبع
والتبريد. تتراوح تكلفة التشغيل والصيانة السنوية لمحطات الطاقة الفولت ضوئية المركزة الموجودة في
بويرتولانو بإسبانيا من 20 إلى 30 يورو / كيلوواط (القيم الحالية بالدولار الأمريكي هي نفسها بشكل أساسي).
مع وضع هذه الفكرة في الاعتبار ، طورت مجموعة من جامعة ستانفورد جهازًا مكثفًا غير متتبع
، والذي يتميز بتحسين توليد الطاقة دون أي أجزاء متحركة.
يُطلق على نظامهم البصري الجديد المتدرج مؤشر الانغماس اسم AGILE ،
وقد تم تقديمه في عدد يوليو من مجلة Microsystems & Nanoengineering. إنه
جهاز على شكل هرم مقلوب مع نقطة سفلية مقطوعة يلتقط ضوء الشمس
بغض النظر عن زاوية السقوط ويركزها على منطقة صغيرة.
الطريقة التي يعيد بها توجيه ضوء الشمس من أي زاوية تقريبًا هي من الداخل ، والذي يحتوي على
جدران جانبية عاكسة تعمل على تحويل الضوء لأسفل لإنشاء بقعة إخراج أكثر إشراقًا في الأسفل ..
كانت المواد القوية والشفافة وغير المكلفة ضرورية لنجاح
تصميم AGILE. . بالنسبة للنماذج الأولية ، قام فريق البحث في ستانفورد
بتجميع عدة طبقات من الزجاج والبوليمرات التي تنحني الضوء إلى درجات مختلفة ،
مما يخلق ما يُعرف باسم مادة الفهرس المتدرجة. يشير المؤلفون إلى أنه
يمكن تصنيع AGILE باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد وهذه المواد الشائعة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تبسيط
التصنيع لأنه من السهل نسبيًا تغيير تركيبة المادة الأولية
مع تقدم التصنيع الإضافي. يمكنك الانتقال ببطء من مادة إلى أخرى.
وهذا ما يسمى أحيانًا بالتصنيع "المتدرج وظيفيًا" أو "التدرج الوظيفي".
لقد اختبروا نموذجين أوليين مختلفين وأظهر كلا النموذجين
تركيزًا ضوئيًا 3x وحققوا كفاءة بنسبة 90٪ في التقاط الضوء ،
لذلك ليس من الصعب تخيل مدى تأثير ذلك على الألواح الشمسية الموجودة.
إذا قمت بتعديل طبقة التغليف العلوية الحالية التي تحمي لوحة شمسية
بطبقة من AGILE ، فإنك ستقلل من مساحة الخلايا الشمسية اللازمة لإنتاج الطاقة.
سيساعد أيضًا في تقليل الآثار السلبية لإمالة وتوجيه اللوحة. يمكن أن تقلل فوائد
هذا النظام من تكاليف التصنيع والتركيب مع زيادة
إنتاج الطاقة الشمسية مقارنة بأجهزة تعقب الطاقة الشمسية التقليدية وأنظمة الفولت ضوئي المركب. إنه
يشبه في الأساس الحصول على مزايا أنظمة التتبع بدون الأجزاء المتحركة ومشكلات الصيانة.
السلبية الواضحة هي أن AGILE لا تزال على نطاق المختبر.
ومع ذلك ، وفقًا للباحثين ، يقدم حلهم تكاليف منخفضة
ومرونة في التصميم وتقنيات تصنيع قابلة للتطوير لتسهيل التنفيذ
باستخدام المواد الشائعة وتصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد. هناك أدلة تشير
إلى أن الأجهزة البصرية المصنوعة من الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكنها الحفاظ على جودة السطح
للتقنيات التقليدية أو تجاوزها ، مما يجعل التصنيع أسرع وقابل للتطوير وأرخص.
بينما نتحرك نحو مستقبل مستدام ، فإن التحسينات في توليد الطاقة الشمسية
ضرورية. لا يتعلق الأمر فقط بتعزيز الأداء بغض النظر عن التكلفة ،
ولكن أيضًا بإيجاد طرق جديدة وذكية للهندسة حول المشكلات التي نواجهها ...
بطريقة فعالة من حيث التكلفة ومستدامة. أنظمة التتبع الكهروضوئية موجودة بالفعل ،
لكن التكاليف والتحديات المضافة تجعلها حلاً أكثر تخصصًا. ومع ذلك ، قد يتحول شيء مثل AGILE
إلى حل واسع النطاق لتعزيز إنتاج الطاقة الشمسية. علينا
فقط التحلي بالصبر لأنه لا يزال أمامنا طريق طويل لإخراج هذا من المختبر.
إذا كنت ترغب في معرفة المزيد حول العلم وراء CPV و AGILE ،
فإنني أوصي بشدة بالاطلاع على دورة "أساسيات الهندسة" في Brilliant. لديهم
دورات تفاعلية رائعة يمكن أن تساعدك على الالتفاف حول بعض ما تحدثنا عنه
باستخدام تقنية الألواح الشمسية هذه ، مثل حساب الزوايا ومساحة الأشكال المختلفة. اجمع
ذلك مع دورة التفكير العلمي ويمكنك تطبيق كيفية انحناء الضوء وانعكاسه.
لقد كنت أعمل في طريقي من خلال أساسيات الهندسة وأنا أستمتع حقًا بالتعلم بوتيرتي
الخاصة. إذا واجهتك مشكلة ، فسوف يقدم لك Brilliant تفسيرات متعمقة ، مما يساعدك على
فهم "لماذا" و "كيف" شيء ما. يوضحون لك كيفية حل المشكلات الجديدة وغير المألوفة
باستخدام مهارات التفكير الناقد بدلاً من مجرد حل نفس المشكلة بقيم مختلفة.
لقد وجدت أن هذا التعلم النشط هو أفضل طريقة للتعلم. انضم إلى أكثر من 11 مليون شخص
يتعلمون على Brilliant اليوم. اذهب إلى https://brilliant.org/ لم تقرر
التسجيل مجانًا. وأيضًا ، سيحصل أول 200 شخص على خصم 20٪ على عضويتهم السنوية
المميزة. شكراً لبرليانت ولكم جميعاً على دعمكم للقناة.
هل مازلت مترددا؟ هل تعتقد أن نظام AGILE سيحدث فرقًا في استخدام الطاقة الشمسية؟
انتقل إلى التعليقات وأخبرني وتأكد من إطلاعك على
بودكاست المتابعة الخاص بي لا يزال محددًا حيث سنناقش بعض ملاحظاتك.
إذا أعجبك هذا الفيديو ، فتأكد من الاطلاع على أحد مقاطع الفيديو هذه هنا. وشكرًا
لجميع رعاتي لدعمكم المتواصل ومرحبًا بكم الداعم الجديد والعضو
دونالد بابافيرو. وشكرا لكم جميعا على المشاهدة. سأراك في المرحلة التالية.