لوحة شمسية

في عام 1839، لاحظ الفيزيائي الفرنسي إدموند بيكريل لأول مرة قدرة بعض المواد على توليد شحنة كهربائية عند تعرضها للضوء . ^{[ 3 ]} ورغم أن هذه الخلايا الشمسية الأولية كانت غير فعالة حتى بالنسبة للأجهزة الكهربائية البسيطة، فقد استُخدمت كأداة لقياس الضوء. ^{[ 4 ]}

لم تُكرر ملاحظة بيكريل حتى عام 1873، عندما اكتشف المهندس الكهربائي الإنجليزي ويلوبي سميث أن الشحنة يمكن أن تنتج عن سقوط الضوء على السيلينيوم . بعد هذا الاكتشاف، نشر ويليام غريلز آدامز وريتشارد إيفانز داي بحثًا بعنوان "تأثير الضوء على السيلينيوم" عام 1876، وصفا فيه التجربة التي استخدماها لتكرار نتائج سميث. ^{[ 3 ] [ 5 ]}

في عام 1881، ابتكر المخترع الأمريكي تشارلز فريتس أول خلية شمسية تجارية، والتي وصفها فريتس بأنها "مستمرة وثابتة وذات قوة كبيرة ليس فقط عند تعرضها لأشعة الشمس المباشرة ولكن أيضًا لضوء النهار الخافت والمنتشر". ^{[ 6 ] [ 7 ]} ومع ذلك، ظلت هذه الخلايا الشمسية غير فعالة للغاية لإنتاج الطاقة عمليًا، خاصة بالمقارنة مع محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم .

في عام 1939، ابتكر راسل أوهل تصميم الخلية الشمسية المستخدم في العديد من الألواح الشمسية الحديثة. وحصل على براءة اختراع لتصميمه في عام 1941. ^{[ 8 ]} وفي عام 1954، استخدمت مختبرات بيل هذا التصميم لأول مرة لإنتاج أول خلية شمسية سيليكونية قابلة للتسويق تجارياً . ^{[ 3 ]}

تاريخ سعر الواط الواحد للخلايا الشمسية التقليدية ( السيليكون البلوري ) منذ عام 1977

إنتاج الطاقة الشمسية السنوي حسب القارة

كان انخفاض التكاليف العامل الأكبر في النمو المتسارع للطاقة الشمسية مؤخرًا. فمنذ عام 2010، انخفضت تكلفة الكهرباء المولدة من الخلايا الكهروضوئية الشمسية بنسبة 85% ^{[ 9 ].} وشهد مُركّبو الألواح الشمسية نموًا ملحوظًا بين عامي 2008 و2013 ^{[ 10 ].} ونتيجةً لهذا النمو، واجه العديد من المُركّبين مشاريع على أسطح غير مثالية لتركيب الألواح الشمسية، ما استدعى إيجاد حلول لمشاكل الأسطح المظللة وتوجيه الألواح ^{[ 11 ]} . وقد تمّت معالجة هذا التحدي في البداية من خلال إعادة إحياء استخدام المحولات الدقيقة، ثم لاحقًا من خلال ابتكار مُحسِّنات الطاقة .

تعاونت شركات تصنيع الألواح الشمسية مع شركات تصنيع المحولات الدقيقة لإنتاج وحدات التيار المتردد، كما تعاونت شركات تحسين الطاقة مع شركات تصنيع الوحدات لإنتاج وحدات ذكية. ^{[ 12 ]} في عام 2013، أعلنت العديد من شركات تصنيع الألواح الشمسية عن حلولها للوحدات الذكية وبدأت بشحنها. ^{[ 13 ]}

بين عامي 1992 و2023، ازداد استخدام الطاقة الكهروضوئية عالميًا بشكلٍ كبير. وخلال هذه الفترة، تطورت من سوق متخصصة لتطبيقات صغيرة النطاق إلى مصدر رئيسي للكهرباء. فمن عام 2016 إلى عام 2022، شهدت الطاقة الكهروضوئية نموًا سنويًا في القدرة الإنتاجية والإنتاج بنحو 26%، أي ما يعادل ضعفها تقريبًا كل ثلاث سنوات. ^{[ 14 ]} وبحلول نهاية عام 2022، بلغ إجمالي القدرة المركبة للطاقة الكهروضوئية عالميًا حوالي 1185 جيجاوات ، ما يغطي أكثر من 6% من الطلب العالمي على الكهرباء، ^{[ 15 ]} مقارنةً بنحو 3% في عام 2019. ^{[ 16 ]}

يُسهم انخفاض تكلفة الألواح الشمسية في زيادة استخدام الطاقة الشمسية في دول الجنوب العالمي . وتعتمد العديد من دول الجنوب العالمي على واردات الوقود الأحفوري باهظة الثمن. ويتجه العديد من المنازل والشركات إلى استخدام الطاقة الشمسية لتوفير المال ^{[ 17 ].}

تحتاج الخلايا الشمسية إلى التوصيل ببعضها بواسطة أقطاب كهربائية لتشكيل وحدة، حيث تحجب الأقطاب الأمامية مساحة السطح البصري الأمامي للخلية الشمسية جزئيًا. ولتحسين كفاءة الخلايا الشمسية، يعمل المصنّعون على زيادة مساحة السطح الأمامي المتاحة لأشعة الشمس وتحسين امتصاصها باستخدام تقنيات توصيل مختلفة للأقطاب الخلفية ، والتي يتم اعتمادها بشكل متسلسل ^{[ 21 ] .}

• يستخدم مجال السطح الخلفي المصنوع من الألومنيوم (Al-BSF)، وهي تقنية قديمة، سطح اتصال خلفي مصنوع بالكامل من الألومنيوم ^{[ 22 ] .}
• يستخدم التلامس الخلفي للباعث المخمل (PERC) سطح تلامس خلفي من الألومنيوم المخفض ويضيف طبقة بوليمر حيث تمت إزالة الألومنيوم لالتقاط الضوء ^{[ 23 ] [ 22 ]}
• تستخدم تقنية التلامس المؤكسد النفقي (TOPCon) قضبان توصيل فضية أصغر فأصغر وتضيف طبقة أكسدة ذات سطح خشن إلى غشاء البوليمر PERC لالتقاط المزيد من الضوء ^{[ 24 ] [ 23 ] [ 25 ] [ 26 ]}
• يضع التلامس الخلفي المتشابك (IBC) نقاط التلامس بالكامل على الظهر مما يسمح بالتعرض الكامل للضوء الأمامي لالتقاط المزيد من الضوء ^{[ 27 ] [ 28 ]}
• تستخدم تقنية التلامس الخلفي الممتد (XBC) مزيجًا من التقنيات المذكورة أعلاه ^{[ 29 ]}

تستخدم الخلايا الشمسية الترادفية إحدى تقنيات التوصيل المذكورة أعلاه ومجموعة من التركيبات الكيميائية للخلايا لتشكيل خلية شمسية. ^{[ 30 ]}

لا تستطيع لوحة شمسية واحدة إنتاج سوى كمية محدودة من الطاقة؛ لذا تتكون معظم الأنظمة من عدة لوحات تجمع بين جهودها أو تياراتها. يتضمن نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية عادةً مجموعة من الوحدات الكهروضوئية، ومحول تيار ، وبطارية لتخزين الطاقة، ووحدة تحكم بالشحن، وأسلاك توصيل، وقواطع دوائر، وصمامات، ومفاتيح فصل، ومقاييس جهد، وآلية تتبع شمسي اختيارية . يتم اختيار المعدات بعناية لتحسين إنتاج الطاقة وتخزينها، وتقليل فاقد الطاقة أثناء النقل، وفي كثير من الأحيان تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد .

تحتوي الألواح الشمسية الذكية على إلكترونيات طاقة مدمجة فيها، وهي تختلف عن الألواح الشمسية التقليدية التي تكون إلكترونيات الطاقة فيها مثبتة على الإطار أو متصلة بالدائرة الكهروضوئية عبر موصل. ^{[ 31 ]} يمكن استخدام إلكترونيات الطاقة الشمسية في:

• مُحسِّنات الطاقة التي تتعقب نقطة الطاقة القصوى ، وهي تقنية طُوِّرت لزيادة الطاقة المُستخرجة من أنظمة الخلايا الكهروضوئية الشمسية إلى أقصى حد من خلال تعويض تأثيرات التظليل، حيث يؤدي سقوط الظل على جزء من الوحدة إلى انخفاض الناتج الكهربائي لسلسلة واحدة أو أكثر من الخلايا في الوحدة إلى ما يقرب من الصفر، ولكن دون أن ينخفض ​​ناتج الوحدة بأكملها إلى الصفر. ^{[ 32 ]}
• أجهزة مراقبة أداء الطاقة الشمسية لجمع البيانات
• الكشف عن الأعطال لتعزيز السلامة ^{[ 33 ]}

تُصنع معظم وحدات الطاقة الشمسية حاليًا من خلايا شمسية من السيليكون البلوري (c-Si) مصنوعة من السيليكون متعدد البلورات أو أحادي البلورة . في عام 2021، استحوذ السيليكون البلوري على 95% من إنتاج الطاقة الكهروضوئية العالمي، ^{[ 34 ] [ 35 ]} بينما تتكون النسبة المتبقية من السوق من تقنيات الأغشية الرقيقة التي تستخدم تيلوريد الكادميوم (CdTe) وسيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم والسيليكون غير المتبلور (a-Si) . ^{[ 36 ]}

تُنتج الخلايا ثنائية الوجه الطاقة من كلا الجانبين، مما يزيد من إجمالي إنتاج الوحدة. وتعتمد هذه الزيادة على انعكاسية البيئة المحيطة ، وتستفيد من المنشآت المرتفعة حيث يصل المزيد من الضوء إلى الجانب الخلفي. وتختلف هذه الزيادة باختلاف الظروف، إذ يستفيد الجانب الخلفي بشكل أكبر من البيئات ذات الانعكاسية العالية، مثل الثلج والمنشآت المرتفعة والطقس الغائم، ولكن قد تكون الزيادة ضئيلة عند تركيب الألواح مباشرةً على سطح ذي خلوص ضيق، مما يجعلها غير مجدية اقتصاديًا في هذه الحالات. وقد انخفض سعر الخلايا ثنائية الوجه بما يكفي ليقترب من أسعار تقنيات الخلايا أحادية الوجه، ولهذا السبب، تُعد الألواح ثنائية الوجه الخيار الأمثل لتركيبات الطاقة الشمسية الكهروضوئية واسعة النطاق اعتبارًا من عام 2024. ^{[ 37 ]}

تستخدم تقنيات الطاقة الشمسية الناشئة من الجيل الثالث خلايا رقيقة متطورة. وتتميز هذه التقنيات بكفاءة تحويل عالية نسبيًا بتكلفة أقل مقارنةً بتقنيات الطاقة الشمسية الأخرى. كما تُستخدم عادةً خلايا شمسية مستطيلة متعددة الوصلات ، عالية التكلفة والكفاءة، ومتراصة بإحكام، في الألواح الشمسية على المركبات الفضائية ، نظرًا لما توفره من أعلى نسبة طاقة مُولّدة لكل كيلوغرام يُرفع إلى الفضاء. وتتكون الخلايا متعددة الوصلات من أشباه موصلات مركبة ، وتحديدًا من زرنيخيد الغاليوم ومواد أخرى من أشباه الموصلات. ومن التقنيات الكهروضوئية الناشئة الأخرى التي تستخدم الخلايا متعددة الوصلات، تقنية الخلايا الكهروضوئية المركزة .

الأغشية الرقيقة

الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، وهي جيل ثانٍ من الخلايا الشمسية الكهروضوئية :

• في الأعلى: تركيب صفائح السيليكون الرقيقة على سطح مبنى.
• في المنتصف: خلية شمسية من نوع CIGS مثبتة على دعامة بلاستيكية مرنة وألواح صلبة من نوع CdTe مثبتة على هيكل داعم
• أسفل: صفائح رقيقة على أسطح المنازل

الخلايا الشمسية الرقيقة هي نوع من الخلايا الشمسية تُصنع بترسيب طبقات رقيقة من المواد الكهروضوئية على ركيزة من الزجاج أو البلاستيك أو المعدن. وتتميز هذه الخلايا بسماكة أقل بكثير من الرقائق المستخدمة في الخلايا الشمسية التقليدية المصنوعة من السيليكون البلوري . تُصنع الخلايا الشمسية الرقيقة تجاريًا من عدة مواد، منها تيلوريد الكادميوم (CdTe)، وثنائي سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (CIGS)، والسيليكون الرقيق غير المتبلور (a-Si، TF-Si).

تُصنّف الخلايا الشمسية عادةً إلى أجيال بناءً على أنواع الطبقات الماصة للضوء المستخدمة في تصنيعها. تُصنع خلايا الجيل الأول ، وهي الأكثر شيوعًا، من السيليكون أحادي البلورة أو متعدد البلورات . وتُعدّ هذه التقنية هي السائدة حاليًا في معظم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية . أما معظم أنواع الخلايا الشمسية الرقيقة فتُصنّف ضمن الجيل الثاني ، وتُصنع باستخدام طبقات رقيقة من مواد مثل السيليكون غير المتبلور (a-Si)، وتيلوريد الكادميوم (CdTe)، وسيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (CIGS)، أو زرنيخيد الغاليوم (GaAs). بينما تُصنّف الخلايا الشمسية المصنوعة من مواد أحدث وأقل شيوعًا ضمن الجيل الثالث أو الخلايا الشمسية الناشئة. ويشمل ذلك بعض تقنيات الأغشية الرقيقة المبتكرة، مثل خلايا البيروفسكايت ، والخلايا الحساسة للصبغة ، وخلايا النقاط الكمومية ، والخلايا العضوية ، وخلايا CZTS الرقيقة.

تتميز الخلايا الرقيقة بعدة مزايا مقارنةً بخلايا السيليكون الشمسية من الجيل الأول، منها خفة وزنها ومرونتها العالية بفضل بنيتها الرقيقة. وهذا ما يجعلها مناسبة للاستخدام في أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة في المباني، وكمواد زجاجية شبه شفافة تُستخدم في تغليف النوافذ. كما تُستخدم ألواح الطاقة الشمسية الرقيقة الصلبة (المُدمجة بين لوحين من الزجاج) في بعض أكبر محطات الطاقة الشمسية في العالم . إضافةً إلى ذلك، تُصنع المواد المستخدمة في الخلايا الشمسية الرقيقة عادةً باستخدام أساليب بسيطة وقابلة للتطوير، وهي أقل تكلفة من خلايا الجيل الأول، مما يُقلل من الآثار البيئية ، مثل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، في كثير من الحالات. كما تتفوق الخلايا الرقيقة عادةً على مصادر الطاقة المتجددة وغير المتجددة في توليد الكهرباء من حيث سميتها للإنسان وانبعاثات المعادن الثقيلة .

على الرغم من التحديات الأولية المتعلقة بتحويل الضوء بكفاءة، لا سيما بين مواد الخلايا الكهروضوئية من الجيل الثالث، فقد وصلت كفاءة بعض الخلايا الشمسية الرقيقة بحلول عام 2023 إلى 29.1% لخلايا GaAs الرقيقة أحادية الوصلة، متجاوزةً بذلك الحد الأقصى لكفاءة خلايا الجيل الأول القياسية أحادية الوصلة والبالغة 26.1%. كما وصلت كفاءة خلايا التركيز متعددة الوصلات التي تستخدم تقنيات الأغشية الرقيقة إلى 47.6% بحلول عام 2023. ^{[ 38 ]}

أظهرت العديد من تقنيات الأغشية الرقيقة، في اختبارات العمر التشغيلي المتسارع، أن عمرها التشغيلي أقصر ومعدلات تدهورها أعلى من خلايا الجيل الأول ، مما ساهم في محدودية انتشارها. عالميًا، لا تزال حصة تقنيات الأغشية الرقيقة في سوق الطاقة الشمسية الكهروضوئية حوالي 5% حتى عام 2023. ^{[ 39 ]} مع ذلك، اكتسبت تقنية الأغشية الرقيقة شعبيةً أكبر بكثير في الولايات المتحدة، حيث شكلت خلايا كادميوم تيلورايد (CdTe) وحدها 29% من عمليات نشر الطاقة الشمسية الجديدة على نطاق المرافق في عام 2021. ^{[ 40 ]}

تتضمن بعض وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الخاصة مُركِّزاتٍ تُركِّز الضوء بواسطة عدسات أو مرايا على خلايا أصغر. وهذا يُتيح استخدامًا فعالًا من حيث التكلفة لخلايا عالية الكفاءة ولكنها باهظة الثمن (مثل زرنيخيد الغاليوم )، مع التضحية بزيادة مساحة التعرُّض لأشعة الشمس. ^{[ 41 ]} كما يُمكن أن يُؤدي تركيز ضوء الشمس إلى رفع الكفاءة إلى حوالي 45%. ^{[ 42 ]}

تعتمد كمية الضوء التي تمتصها الخلية الشمسية على زاوية سقوط أشعة الشمس وشدتها. ويتفاوت امتصاص الضوء لأن كمية الضوء الساقط على اللوحة تتناسب طرديًا مع جيب تمام زاوية السقوط، ويعود ذلك جزئيًا إلى أن زاوية السقوط العالية تؤدي إلى انعكاس كمية أكبر من الضوء. عادةً ما تُوجّه الوحدات الشمسية نحو الجنوب (في نصف الكرة الشمالي) أو الشمال (في نصف الكرة الجنوبي) بزاوية ميل محددة تُحسب وفقًا لخط العرض، وذلك لزيادة إجمالي إنتاج الطاقة على مدار اليوم. ويمكن استخدام نظام تتبع الشمس لضبط زاوية الميل من الفجر إلى الغسق، للحفاظ على زاوية سقوط صغيرة.

يتم توجيه الألواح ثنائية الوجه عموديًا من الشمال إلى الجنوب، مما يسمح لها بالتقاط أكبر قدر من الضوء من الشرق في الصباح ومن الغرب في فترة ما بعد الظهر.

يعمل مصنّعو الخلايا الكهروضوئية على تقليل الانعكاس من خلال تحسين الطلاءات المضادة للانعكاس أو باستخدام مواد ذات أسطح خشنة. ^{[ 43 ] [ 44 ]} تستخدم الطلاءات المضادة للانعكاس طبقة أو أكثر من المواد ذات معامل انكسار متوسط ​​بين معامل انكسار السيليكون ومعامل انكسار الهواء، مما يؤدي إلى تداخل هدّام للضوء المنعكس.

في الألواح الشمسية الفردية، إذا لم يتم سحب تيار كافٍ، فلن يتم تحقيق أقصى قدرة. أما إذا تم سحب تيار زائد، فسينهار الجهد. يتناسب سحب التيار الأمثل تقريبًا مع كمية ضوء الشمس الساقط على اللوح. وتُحدد سعة اللوح الشمسي بقيمة نقطة القدرة القصوى (MPP) للألواح الشمسية تحت أشعة الشمس الكاملة.

تقوم محولات الطاقة الشمسية بتحويل طاقة التيار المستمر التي توفرها الألواح إلى طاقة تيار متردد.

تتكون نقطة القدرة القصوى (MPP) للوحة الشمسية من جهد نقطة القدرة القصوى (V_{_mpp} ) وتيار نقطة القدرة القصوى (I_{_mpp} ). يقوم محول الطاقة الشمسية، من خلال تتبع نقطة القدرة القصوى، بأخذ عينات من خرج (منحنى التيار-الجهد) الخلية الشمسية وتطبيق الحمل الكهربائي المناسب للحصول على أقصى قدرة.

تحتوي لوحة الطاقة الشمسية ذات التيار المتردد على محول صغير لتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد في الخلف، وتنتج طاقة تيار متردد دون الحاجة إلى موصل تيار مستمر خارجي. وتُعرّف مختبرات أندررايترز وحدات التيار المتردد بأنها أصغر نظام وأكثرها اكتمالاً لحصاد الطاقة الشمسية. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

تعمل المحولات الدقيقة بشكل مستقل لتمكين كل لوحة من المساهمة بأقصى إنتاج ممكن لكمية معينة من ضوء الشمس، ولكنها قد تكون أكثر تكلفة. ^{[ 47 ]}

تتكون الوصلات الكهربائية للألواح الشمسية من موصلات تحمل التيار ويتم تحديد حجمها وفقًا لتصنيف التيار وظروف الأعطال؛ وتشمل أحيانًا صمامات داخلية.

عادةً ما يتم توصيل الألواح على التوالي بلوحة واحدة أو أكثر لتشكيل سلاسل لتحقيق جهد خرج مطلوب، ويمكن توصيل السلاسل بالتوازي لتوفير قدرة التيار (الأمبير) المطلوبة لنظام الخلايا الكهروضوئية.

في التوصيلات المتسلسلة، تتجمع جهود الوحدات، لكن التيار يُحدد بناءً على أداء اللوحة الأقل كفاءة. يُعرف هذا بـ"تأثير أضواء عيد الميلاد". أما في التوصيلات المتوازية، فتكون الجهود متساوية، لكن التيارات تتجمع. تُوصل المصفوفات لتلبية متطلبات الجهد للعواكس ولتجنب تجاوز حدود التيار بشكل كبير.

يمكن دمج ثنائيات الحجب والتجاوز داخل الوحدة أو استخدامها خارجيًا لمعالجة التظليل الجزئي للمصفوفة، وذلك لزيادة الإنتاج إلى أقصى حد. في التوصيلات التسلسلية، توضع ثنائيات التجاوز بالتوازي مع الوحدات للسماح للتيار بتجاوز الوحدات المظللة ذات جهد الخرج المنخفض، مما قد يحدّ من التيار بشكل كبير. أما في التوصيلات المتوازية، فيمكن وضع ثنائي حجب على التوالي مع كل سلسلة من الوحدات لمنع تدفق التيار عكسيًا عبر السلاسل المظللة، وبالتالي منع حدوث قصر في السلاسل الأخرى. عند توصيل ثلاث سلاسل أو أكثر بالتوازي، تُضاف عادةً صمامات كهربائية إلى كل سلسلة لتجنب احتمالية تعطل الثنائيات وما يترتب عليه من زيادة الحمل على الألواح والأسلاك، وبالتالي خطر نشوب حرائق.

تتضمن الألواح الشمسية الخارجية عادةً موصلات MC4 ، وقد تتضمن الألواح الشمسية للسيارات منفذ طاقة إضافي و/أو محول USB ، وقد تحتوي الألواح الداخلية على محول دقيق .

يعتمد أداء وحدة الخلايا الكهروضوئية على الظروف البيئية، وخاصةً على الإشعاع الشمسي الساقط الكلي (G) على سطح الوحدة. ومع ذلك، تؤثر درجة حرارة وصلة p-n (T) أيضًا على المعايير الكهربائية الرئيسية: تيار الدائرة القصيرة (I_{_SC)} ، وجهد الدائرة المفتوحة (V_{_OC}) ، والقدرة القصوى (P _{_max} ). من المعروف عمومًا أن V_{_OC} يُظهر ارتباطًا عكسيًا قويًا مع T، بينما يكون هذا الارتباط طرديًا بالنسبة لـ I_{_SC} ، ولكنه أضعف، بحيث لا تُعوّض الزيادة في I_SC الانخفاض في V_{_OC} . ونتيجةً لذلك، تنخفض P_{_max} مع ارتفاع T. يعتمد هذا الارتباط بين قدرة الخلية الشمسية ودرجة حرارة وصلتها على مادة أشباه الموصلات، ويعود إلى تأثير T على تركيز وعمر وحركة حاملات الشحنة الذاتية، أي الإلكترونات والفجوات، داخل الخلية الكهروضوئية.

تُوصَف حساسية درجة الحرارة عادةً بمعاملات حرارية، يُعبِّر كلٌّ منها عن مشتقة المعامل الذي يُشير إليه بالنسبة لدرجة حرارة الوصلة. ويمكن إيجاد قيم هذه المعاملات في أي ورقة بيانات خاصة بوحدة الخلايا الكهروضوئية، وهي كالتالي:

- β: معامل تغير V _OC بالنسبة إلى T، معطى بواسطة ∂V _OC /∂T.

- α: معامل التباين لـ I _SC بالنسبة إلى T، معطى بواسطة ∂I _SC /∂T.

- δ: معامل التباين لـ P _max بالنسبة إلى T، معطى بواسطة ∂P _max /∂T.

يمكن العثور على تقنيات تقدير هذه المعاملات من البيانات التجريبية في الأدبيات ^{[ 67 ].}

أظهرت الدراسات أنه في حين تؤثر درجات الحرارة المرتفعة سلبًا على الكفاءة، فإن درجات الحرارة المنخفضة قد تُحسّن أداء الألواح الشمسية نظرًا لانخفاض المقاومة الكهربائية داخل الخلايا. ومع ذلك، تُضيف ظروف الشتاء تحديات إضافية مثل تراكم الثلوج وقلة ساعات النهار، مما قد يُقلل من فوائد الكفاءة الناتجة عن انخفاض درجات الحرارة. لا تزال الألواح الشمسية قادرة على توليد الطاقة في الشتاء، ولكن قد يكون الناتج الإجمالي أقل بسبب محدودية التعرض لأشعة الشمس واحتمالية وجود عوائق. ^{[ 68 ]}

تختلف قدرة الألواح الشمسية على تحمل أضرار الأمطار والبرد والثلوج الكثيفة ودورات الحرارة والبرودة باختلاف الشركة المصنعة، على الرغم من أن معظم الألواح الشمسية في السوق الأمريكية مدرجة في قائمة UL، مما يعني أنها خضعت لاختبارات لتحمل البرد. ^{[ 69 ]}

يُعرف التدهور الناجم عن الجهد (PID) بأنه تدهور في أداء وحدات الخلايا الكهروضوئية البلورية ناتج عن تغيرات في الجهد الكهربائي، ويحدث بسبب ما يُسمى بالتيارات الشاردة. ^{[ 70 ]} وقد يتسبب هذا التأثير في فقدان الطاقة بنسبة تصل إلى 30%. ^{[ 71 ]}

يتناقص إنتاج الطاقة من جهاز الخلايا الكهروضوئية بمرور الوقت نتيجة تعرضه للإشعاع الشمسي وعوامل خارجية أخرى. يُعدّ مؤشر التدهور، الذي يُعرّف بأنه النسبة المئوية السنوية لفقدان الطاقة، عاملاً أساسياً في تحديد إنتاجية محطة الخلايا الكهروضوئية على المدى الطويل. ولتقدير هذا التدهور، تُحسب النسبة المئوية للانخفاض المرتبطة بكلٍّ من المعايير الكهربائية. ويمكن أن يؤثر تدهور أداء لوحة شمسية واحدة سلباً على أداء سلسلة كاملة من الألواح. ^{[ 72 ]} علاوة على ذلك، لا ينخفض ​​أداء جميع الألواح الشمسية في نفس المنشأة بنفس المعدل تماماً.

توجد العديد من الدراسات المنشورة التي تتناول تحليل تدهور كفاءة الألواح الشمسية القائمة على تقنيات الخلايا الكهروضوئية المختلفة. ووفقًا لدراسة حديثة ^{[ 73 ]} ، فإن تدهور كفاءة الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري يكون خطيًا، ويتراوح بين 0.8% و1.0% سنويًا.

من جهة أخرى، عند تحليل أداء وحدات الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة، نلاحظ فترة أولية من التدهور الشديد (قد تستمر لعدة أشهر، بل وحتى سنتين)، تليها مرحلة لاحقة يستقر فيها التدهور، ليصبح حينها مماثلاً لتدهور السيليكون البلوري. ^{[ 74 ]} كما تُلاحظ تغيرات موسمية كبيرة في هذه التقنيات ذات الأغشية الرقيقة، نظراً لتأثير الطيف الشمسي الكبير عليها.

يمكن أن تتراوح معدلات التدهور السنوية للألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون غير المتبلور أو السيليكون الميكرومورفي أو تيلوريد الكادميوم بين 3% و 4% خلال السنوات الأولى. ^{[ 75 ]}

تُظهر الألواح الشمسية المصنوعة من سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم معدلات تدهور أقل من السيليكون البلوري، حتى في السنوات الأولى.

تستخدم محطات الطاقة الشمسية الكبيرة، التي تُشغل على نطاق واسع، أنظمة كهروضوئية أرضية بشكل متكرر. تُثبّت وحداتها الشمسية في مكانها بواسطة رفوف أو إطارات متصلة بدعامات تثبيت أرضية. ^{[ 76 ] [ 77 ]} تشمل دعامات التثبيت الأرضية ما يلي:

• حوامل الأعمدة، التي يتم غرسها مباشرة في الأرض أو تضمينها في الخرسانة.
• قواعد التثبيت، مثل الألواح الخرسانية أو القواعد المصبوبة
• تُستخدم قواعد التثبيت المُثقّلة، مثل القواعد الخرسانية أو الفولاذية، التي تعتمد على الوزن لتثبيت نظام الألواح الشمسية في مكانه دون الحاجة إلى حفر الأرض. يُعدّ هذا النوع من أنظمة التثبيت مناسبًا تمامًا للمواقع التي يتعذر فيها الحفر، مثل مكبات النفايات المغطاة، كما يُسهّل عملية إيقاف تشغيل أنظمة الألواح الشمسية أو نقلها.

تركيب الألواح الشمسية على الأرض

تتكون أنظمة الطاقة الشمسية المثبتة على الأسطح من وحدات شمسية مثبتة في مكانها بواسطة رفوف أو إطارات متصلة بدعامات تثبيت على السطح. ^{[ 80 ]} تشمل دعامات التثبيت على السطح ما يلي:

• حوامل السكك الحديدية، التي يتم تثبيتها مباشرة على هيكل السقف، وقد تستخدم قضبانًا إضافية لتثبيت رفوف الوحدات أو الإطارات.
• تُستخدم قواعد تثبيت مُثقّلة، مثل القواعد الخرسانية أو الفولاذية، التي تعتمد على الوزن لتثبيت نظام الألواح الشمسية في مكانه، ولا تتطلب اختراقًا كاملًا. تتيح هذه الطريقة إمكانية إيقاف تشغيل أنظمة الألواح الشمسية أو نقلها دون أي تأثير سلبي على هيكل السقف.
• يجب تركيب جميع الأسلاك التي تربط وحدات الطاقة الشمسية المتجاورة بمعدات حصاد الطاقة وفقًا لقوانين الكهرباء المحلية، ويجب أن تمر في قناة مناسبة للظروف المناخية.

مظلة شمسية

المظلات الشمسية عبارة عن ألواح شمسية تُركّب فوق مظلة تقليدية . قد تكون هذه المظلات مظلات مواقف السيارات، أو مواقف السيارات المظللة ، أو الشرفات ، أو البرجولات ، أو مظلات الأفنية .

تتعدد الفوائد، ومنها استغلال المساحة المتاحة في المناطق الحضرية على أكمل وجه، مع توفير الظل للسيارات. ويمكن استخدام الطاقة المنتجة لإنشاء محطات شحن للسيارات الكهربائية. ^{[ 81 ]}

يمكن للألواح الشمسية المحمولة أن تضمن التيار الكهربائي الكافي لشحن الأجهزة (الهواتف المحمولة، الراديو، ...) عبر منفذ USB أو لشحن بنك الطاقة.

تشمل الميزات الخاصة للألواح الشمسية المحمولة المرونة العالية والمتانة العالية وخصائص مقاومة الماء، مما يجعلها مناسبة للسفر والتخييم.

تزيد أجهزة تتبع الطاقة الشمسية من الطاقة المنتجة لكل وحدة، ولكن على حساب التعقيد الميكانيكي وزيادة الحاجة إلى الصيانة. فهي تستشعر اتجاه الشمس وتميل أو تدير الوحدات حسب الحاجة لتحقيق أقصى قدر من التعرض للضوء. ^{[ 82 ] [ 83 ]}

بدلاً من ذلك، يمكن للرفوف الثابتة تثبيت الوحدات طوال اليوم بزاوية ميل محددة ( زاوية سمتية ) واتجاه محدد ( زاوية سمتية ). وتُعد زوايا الميل المكافئة لخط عرض المنشأة شائعة. كما قد تقوم بعض الأنظمة بتعديل زاوية الميل بناءً على وقت السنة. ^{[ 84 ]}

من جهة أخرى، تُستخدم عادةً مصفوفات الألواح الشمسية المواجهة للشرق والغرب (لتغطية سطح مبنى مواجه للشرق والغرب، على سبيل المثال). ورغم أن هذه التركيبات لا تُنتج أقصى متوسط ​​طاقة ممكن من الألواح الشمسية الفردية، إلا أن تكلفة الألواح عادةً ما تكون أقل من تكلفة آلية التتبع، كما أنها توفر طاقة ذات قيمة اقتصادية أكبر خلال فترات ذروة الطلب في الصباح والمساء مقارنةً بالأنظمة المواجهة للشمال أو الجنوب. ^{[ 85 ]}

يمكن تقسيم طرق تنظيف الألواح الشمسية إلى خمس مجموعات: الأدوات اليدوية، والأدوات الآلية (مثل الفرش المثبتة على الجرارات)، والأنظمة الهيدروليكية المركبة (مثل الرشاشات)، والأنظمة الروبوتية المركبة، والروبوتات المتنقلة. تُعدّ الأدوات اليدوية الطريقة الأكثر شيوعًا، على الأرجح لانخفاض تكلفتها. مع ذلك، خلصت دراسة سعودية أُجريت عام ٢٠١٤ إلى أن "الأنظمة الروبوتية المركبة، والأنظمة الآلية، والأنظمة الهيدروليكية المركبة هي على الأرجح التقنيات الثلاث الأكثر فعالية في تنظيف الألواح الشمسية". ^{[ ٩٣ ]}

يجري تطوير آليات تنظيف ذاتي مبتكرة للألواح الشمسية. فعلى سبيل المثال، في عام 2019، تمكنت تقنيةٌ تعتمد على أسلاك نانوية محفورة كيميائياً رطباً وطلاء كاره للماء على سطح قطرات الماء من إزالة 98% من جزيئات الغبار، وهو ما قد يكون ذا أهمية خاصة للتطبيقات في المناطق الصحراوية. ^{[ 94 ] [ 95 ]}

في مارس 2022، أعلن باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن تطوير نظام تنظيف بدون ماء للألواح الشمسية والمرايا، لمعالجة مشكلة تراكم الغبار التي قد تُقلل من إنتاج الطاقة الشمسية بنسبة تصل إلى 30% خلال شهر واحد. يعتمد هذا النظام على التنافر الكهروستاتيكي لفصل جزيئات الغبار عن سطح اللوح، مما يُغني عن استخدام الماء أو الفُرَش. يتم شحن جزيئات الغبار كهربائيًا بتمرير قطب كهربائي بسيط فوق اللوح، مما يؤدي إلى تنافرها مع الشحنة الكهربائية المُطبقة على اللوح نفسه. ويمكن أتمتة النظام باستخدام محرك كهربائي بسيط وقضبان توجيه. ^{[ 96 ]}

تعتمد صناعة الألواح الكهروضوئية على استخدام مواد كيميائية سامة ومتفاعلة، تشمل تيلوريد الكادميوم، وسيلينيد النحاس والإنديوم، وسيلينيد الكادميوم والغاليوم (ثنائي السيلينيد)، وسيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم (ثنائي السيلينيد)، وسداسي فلورو الإيثان، والرصاص، وبولي فينيل فلورايد. ومن المنتجات الثانوية رباعي كلوريد السيليكون. ^{[ 119 ]} وينتج غبار السيليكون ("القطع") عند قطع رقائق السيليكون. ^{[ 120 ]}

مع تزايد استخدام أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على أسطح المنازل، يصبح تدفق الطاقة ثنائي الاتجاه. فعندما يفوق الإنتاج المحلي الاستهلاك، يُصدّر الفائض من الكهرباء إلى الشبكة. إلا أن شبكة الكهرباء التقليدية غير مصممة للتعامل مع هذا التدفق ثنائي الاتجاه للطاقة، مما قد يُسبب بعض المشكلات التقنية. على سبيل المثال، في ولاية كوينزلاند الأسترالية، استخدم أكثر من 30% من المنازل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على أسطحها بحلول نهاية عام 2017. وقد ظهر منحنى "البطة" بشكل متكرر في العديد من المجتمعات منذ عام 2015. وقد ينتج عن ذلك مشكلة زيادة الجهد الكهربائي نتيجة لتدفق الكهرباء من المنازل التي تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية عائدةً إلى الشبكة. ^{[ 129 ]} توجد حلول لإدارة هذه المشكلة، مثل تنظيم معامل قدرة عاكسات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وتوفير معدات جديدة للتحكم في الجهد والطاقة على مستوى موزعي الكهرباء، وإعادة توصيل أسلاك الكهرباء، وإدارة جانب الطلب، وغيرها. إلا أن هذه الحلول غالباً ما تكون لها قيود وتكاليف.

لكي تتمكن أنظمة الطاقة الشمسية المثبتة على أسطح المنازل من توفير طاقة احتياطية كافية أثناء انقطاع التيار الكهربائي، غالباً ما تكون هناك حاجة إلى بطارية أيضاً. ^{[ 130 ]}