يتم تصنيع الخلايا الشمسية الفولتضوئية (PV) من مواد نصف ناقلة، خصوصاً تلك التي تستعمل طاقة الفوتونات من الإشعاع الشمسي الساقط على الخلية لتنتج تياراً كهربائياً. يؤدي التأثير الفولتضوئي إلى توليد إلكترونات منفصلة عن ذرات منفردة عندما تصطدم هذه الفوتونات بمواد الخلية وسوف يولد جريان هذه الإلكترونات الحرة) عبر المادة فرق جهد (فولتية) حوالي 0.5 فولت. بعد ذلك يستطيع فرق الجهد هذا توليد تيار كهربائي لتغذية حمل خارجي. ويعتبر السليكون المادة الأكثر شيوعاً المستخدمة تصنيع الخلايا الشمسية الفولتضوئية، الذي تتم إشابته عادةً بالفوسفور أو بمادة مماثلة لضمان إطلاق إلكترونات حرة عندما تمتص المادة الفوتونات الساقطة. وتشمل الخلايا أيضاً شبكة معدنية ناقلة ليتم بواسطتها التقاط أكبر عدد ممكن من الإلكترونات الحرة، حيث تُوجّه بعدئذ إلى الحمل الخارجي. تصنع الخلايا الشمسية الأكثر غلاء من رقاقات السليكون البلوري التي تقطع من بلورة وحيدة تمت تنميتها بشكل خاص.

وتمتلك هذه الرقاقات الكفاءة الأعلى لتحويل الإشعاع الشمسي إلى كهرباء مقارنةً بأي خلايا شمسية أخرى، على الرغم من أن هذه الكفاءة لا تزال حوالى 15 في المئة فقط، يعود السبب في كفاءة التحويل المنخفضة إلى أن معظم طاقة الشمس محتواة في جزء الموجة الطويلة من الطيف الشمسي الذي لا يؤدي إلى فوتونات يمكن امتصاصها من قبل الخلية. يتم أيضاً استخدام السليكون متعدد البلورات الأسهل للتصنيع وبالتالي أقل كلفة، على الرغم من تلك أقل من أن كفاءة الخلايا الشمسية في تحويل الطاقة الناتجة هي ذوات البلورة الوحيدة. أما الخلايا الشمسية المسماة خلايا السليكون اللا بلورية (Amorphous Silicon) فيتم تصنيعها باستخدام تقنيات الأفلام الرقيقة (Thin-film)، لكن كفاءتها هو فقط حوالي نصف كفاءة الخلايا البلورية هناك كسب على حساب الآخره واضح بين الإنتاج وكفاءة التحويل للإشعاع الشمسي إلى كهرباء، وهذا مجال نشط للتطوير. تتألف اللوحة الفولتضوئية الشمسية من العديد من الخلايا الشمسية المنفردة المرتبطة مع بعضها بحيث يمكن توليد تيار كهربائي كاف لتزويد قدرة إلى الحمل الخارجي. تعرف كفاءة هذه اللوحات، بقدرة الخرج الكهربائية مقسمة على قدرة الإشعاع الشمسي (الدخل)، وتتراوح هذه الكفاءة بين 10 و15 في المئة لمعظم اللوحات (PV) التجارية ذات السليكون البلوري، وحوالي نصف هذه القيمة للوحات الأرخص ذات السليكون اللابلوري. يتم عادة ربط مجموعات من خلايا أحادية مع بعضها على التسلسل لتزيد من فرق الجهد، عادةً إلى ما بين 12 و 24 فولت مستمر (DC)، وبعدئذ توصل هذه المجموعات على التوازي لتشكل اللوحة كاملة. تبلغ مساحة لوحة شمسية نموذجية حوالى 0.8 متر × 1.5 متر، التي من السهل التعامل معها، وإذا صنعت الخلايا من السليكون الكريستالي، سوف تبلغ عادة استطاعة الخرج العظمى لهذه اللوحة حوالى 150 واط في ضوء الشمس الناصع يستهلك البيت الأميركي النموذجي 5000 كيلو واط ساعة من الطاقة الكهربائية في العام أو كمعدل حوالي 15 كيلو واط ساعة في اليوم في منطقة ذات متوسط إشعاع شمسي 5 كيلو واط ساعة للمتر المربع في اليوم، يشير ذلك إلى أن مساحة اللاقط الشمسي يجب أن تكون حوالى 30 متر مربع لكي توفر جميع المتطلبات الكهربائية، بافتراض متوسط كفاءة حوالى 10 في المئة. يمكن أن يكون للوحة فولتضوئية بمساحة 30 متراً مربعاً قدرة خرج كهربائية بذروة حوالى 3.5 كيلو واط والتي من المفروض أن تلائم معظم الحمل الكهربائي للمنزل طالما هي في ضوء الشمس مباشرة. هناك عادة عدم توافق بين إمكانية التوليد العظمى وطلب الكهرباء المنزلي، مثلاً، إن توليد القدرة الكهربائية يصل إلى الذروة حوالي منتصف نهار صحو صيفي عندما يكون معظم القاطنين هم في العمل أو على الشاطئ بالطبع، يمكن أن تظهر ذروة الطلب الكهربائية عند فترة الغروب في يوم نصف - شنائي مظلم حيث يتوافر القليل من الطاقة الشمسية أو عدم توافرها في كل حالة، هناك حاجة إلى بعض أنواع أنظمة التخزين الكهربائي بواسطة (المدخرات الكيميائية) البطاريات المتوافرة، وبذلك لا تضيع الطاقة المتولدة خلال الذروة الشمسية، أو لضمان مصدر مناسب للكهرباء عند الليل في أشهر الشتاء، أو أن هناك حاجة إلى الوصول إلى نظام احتياطي كهربائي الضمان مصدر مناسب للطاقة الكهربائية خلال الليل أو خلال الفترات الغائمة التي يحصل خلالها طلب كبير، أو لتخزين الطاقة الإضافية التي يمكن أن تتولد خلال الصيف عندما يكون الطلب ضعيفاً.

إن المتطلبات لكل من التخزين والاحتياط في الشبكة الكهربائية تضيف تعقيدات إضافية، وعادةً بكلفة كبيرة، إلى النظام الشمسي الفولتضوئي الكهربائي. كذلك، إن طبيعة للطاقة الشمسية المتقطعة  تعني أن النظام الفولتضوئي قادر فقط على إنتاج مستويات الذروة من الكهرباء في فترة قصيرة نسبياً خلال سنة واحدة. يؤدي ذلك إلى المعامل سعة (Capacity Factor) أو بوصف أفضل إلى معامل استفادة (Utilization Factor منخفض، والذي يعرف بنسبة الطاقة السنوية المولدة إلى الكمية التي يمكن توليدها إذا كان النظام يولد عند ذروة الخرج 24 ساعة في اليوم لسنة كاملة. باستخدام هذا التعريف بالنسبة إلى محطات طاقة الوقود الأحفوري أو النووي التقليدية مثلاً، من الممكن أن يكون معامل السعة النموذجي حوالي في المئة، بتعبير آخر، يتوقع من المنشأة أن تشتغل عند 100 في المئة ذروة خرج خلال 80-90 في المئة من الوقت، مع اعتبار الوقت المتبقي هو الأعمال الصيانة أو للانقطاع القسري للطاقة الكهربائية. بالنسبة إلى نظام شمسي فولتضوئي عند خطوط العرض الوسطى من الكرة الأرضية يمكن أن يكون هذا المُعامل منخفضاً إلى حد 10 في المئة، أو حتى أقل في بعض المساحات التوفّر المحدود لمصدر الطاقة الشمسي الأولي على مدى السنة، لن تتوافر طاقة شمسية عند الليل، وخرج أقل من 100 في المئة خلال النهار عندما يكون النظام الفولتضوئي معتماً جزئياً بسبب الغيوم، مثلاً، في المملكة المتحدة حيث المناخ الغائم معظم أيام السنة، قدر اتحاد توفير الطاقة الإنجليزي أن نظام فولتضوئي بقدرة 1 كيلو واط من المفروض أن يُولد طاقة لا تقل عن 750 كيلو واط ساعة في السنة. ويتوافق ذلك مع معامل إنتاج 8.5 في المئة فقط، جاعلاً إيَّاها أقل من موقع مثالي للإنتاج الشمسي الفولتضوئي. إن تضمين مثل هذا المُعامل المنخفض للإنتاج يعني أن التجهيزات الكبيرة تستثمر بشكل ضعيف، وبالتالي تزداد بشكل كبير التكاليف الرئيسة بوحدة الخرج من الكهرباء. يرفع هذا المعامل، بالترافق مع الكلفة الأولية العالية للوحات الفولتضوئية، سعر الوحدة (الكيلو واط ساعة) للكهرباء المُولّدة من اللوحات الشمسية  الفولتضوئية بشكل كبير مقارنة بتكاليف التوليد التقليدي في معظم أنحاء العالم.

ليس من السهل الحصول على كلفة تفصيلية ومعلومات عن أداء لمنشآت نموذجية، لكن منزل(  لورد Lord House)، الواقع في الولاية الأميركية الشرقية من مين (Maine Solar House 2005 (Maine) حيث استخدم كحالة دراسية بواسطة الوكالة الدولية للطاقة، يمكن استخدامه کمر شد جيد للدراسات المالية الحالية لتوليد الكهرباء الشمسية الفولتضوئية، تم تصميم هذا المنزل بكفاءة طاقة وطاقة مستدامة كنقطة أساسية، وهكذا فهو معزول بشكل جيد مع نوافذ صغيرة إلى حد ما وتم تموضعه بحيث إن اللوحات الشمسية على السطح مواجهة للجنوب بدون ظل يحتوي السطح على كل . الحرارية الشمسية من أجل التدفئة، (و384 قدم مربع متر مربع) من اللوحات الشمسية الفولتضوئية (جميع البيانات الواردة هنا تم الحصول عليها من موقع الإنترنت للوكالة الدولية للطاقة الخاص بالكهرباء الشمسية (2005 EA أو من الموقع المدار بواسطة المالك السيد وليام لورد). هناك عامل واحد يجعل هذه التجهيزات جذابة فعلاً، هو المحافظة على سياسة محصلة القياس للطاقة بواسطة عدادات ثنائية الاتجاه التي تم تبنيها من قبل شركات الكهرباء المحلية عند الأخذ بالحسبان التزويد الاحتياطي للطاقة الكهربائية عن طريق ربط المنزل بالشبكة الكهربائية العامة تشير هذه السياسة إلى أن الطاقة الكهربائية الواردة من الشبكة إلى المنزل فقط التي سوف يستوفي سعرها، بينما أي طاقة كهربائية مضافة مزودة إلى الشبكة لن يتم دفع قيمتها في هذه الحالة، بما أن النظام الشمسي الفولتضوئي زوّد 591 كيلو واط ساعة إلى الشبكة على مدى السنة الكاملة، لم يكن هناك أي مدفوعات لاستهلاك الطاقة الكهربائية المزوّدة من شركة الكهرباء، طالما تلقوا 591 كيلو واط ساعة مجاناً. وكان هناك رسوم شهرية صغيرة للربط بالشبكة الكهربائية وهي حوالى 8 دولارات شهرياً للمساعدة في دفع نفقات الخدمة.

إن البيانات الرئيسة المتعلقة بالمنزل عام 1998 كما وفّرها المالك مبينة في أعلى الجدول (17) وتم استخدامها لتوليد البيانات المشتقة المُبيِّنة في أسفل الجدول، في الجزء الثاني من الجدول يمكن ملاحظة أن إجمالي الكلفة المتفاداة للكهرباء التي كان من الممكن شراؤها في حال عدم وجود النظام الشمسي هي حوالي 439 دولاراً معتمدةً على استهلاك 3655 كيلو واط ساعة خلال السنة وبسعر وحدة كهربائية 0.12 دولار للكيلو واط ساعة. إن كلفة النظام الإجمالية (30,000 دولار) كانت مقدرة بواسطة المؤلف مستخدماً كلفة لوحة شمسية فولتضوئية بـ 5 دولارات لكل واط ذروة الذي هو تقدير تقريبي لكلفة الوحدة حالياً. وتقدير تقريبي 1000 دولار لكل كيلو واط من أجل نظام القالبة (Inverter). والباقي 4800 دولار مفترضة لتجهيزات القياس والتحكم بالإضافة إلى تركيب النظام. إن الرسالة البسيطة من الجدول (17) هي أنه في الحقيقة تم استثمار 30,000 دولار كلفة مجمل النظام بمعدل فائدة 5 في المئة، وعائد الاستثمار من المفروض أن يكون أكثر من ثلاث مرات الكلفة المُتفاداة للكهرباء المزودة بالنظام. حتى مع معدل فائدة عند 3 في المئة سوف يكون دخل الاستثمار أكثر من ضعف الكهرباء المتفاداة. وهكذا ضمن الظروف الاقتصادية الحالية، ومع افتراضات تكلفة نظام ومعدلات أسعار الكهرباء المنزلية المبينة في الجدول (17) من الواضح أن النظام الشمسي الفولتضوئي ليس جذاباً اقتصادياً في الوقت الحالي، ولا يأخذ هذا الأمر بالحسبان فائدة توليد الكهرباء من دون انبعاثات غازات الدفيئة، أو أي تغيرات في المستقبل التي يمكن أن تتراكم نتيجة الكلفة المتناقصة للأنظمة الشمسية الفولتضوئية وأي زيادات يمكن أن تظهر على كلفة الكهرباء المنزلية.

إن النظام الذي تم وصفه للتو باستخدام الكهرباء المُولّدة بواسطة اللوحات الشمسية الفولتضوئية لتوفير احتياجات المنزل الواحد هو مثال واحد لنظام الطاقة الموزعة الذي يتم فيه تلبية طلبات الكهرباء لمستخدمين صغار كثر، على الأقل جزئياً، في ، مکان الاستهلاك على خلاف كون الكهرباء مؤمنة من نظام الشركة الكبير. يمكن أن تكون هذه الأنظمة جذابة وبخاصة عندما يكون مصدر الطاقة الأولي، في هذه الحالة الطاقة الشمسية، منتشراً جداً في الطبيعة مع كثافة طاقة منخفضة. لقد أزاح التبنّي الواسع لأنظمة الطاقة الموزعة العبء المتعلق بتأمين موارد رأس المال المطلوبة لمعدات التوليد من شركات الخدمة الكبيرة إلى الأفراد، أو للأعمال الصغيرة، لكنه حرّرهم بعد ذلك من دفع مدفوعات طاقة منتظمة. ويمكن أن يكون نوع التمويل بالنسبة إلى هذه الأنظمة عاملاً مهماً في تحديد معدل تبني هذه المشاريع. كما رأينا من مثال منزل لورد»، أنه بالنسبة إلى معظم الأفراد لن يكون تمويل التجهيزات الفولتضوئية الشمسية المنزلية طرحاً جذاباً اقتصادياً مقارنة بالتكاليف الحالية والمعدات الكهربائية في معظم البلاد الصناعية. إن معظم التجهيزات الخاصة في العالم المتطور ممولة حالياً بواسطة «المطوّرين الأوائل الذين يهتمون بتوضيح المحاسن البيئية للطاقة المتجددة، بغض النظر عن توفير المال ولكي يتغير هذا الميزان يجب  أن يكون هناك انخفاض مهم في تكاليف اللوحات الفولتضوئية الشمسية وتكاليف القالبة و/ أو زيادة كبيرة في تكاليف شركات الكهرباء بسبب المتطلبات للتخلص أو على الأقل تخفيض انبعاثات غازات الدفيئة.

يمكن أيضاً استخدام مصادر الطاقة الأولية بكثافة طاقة منخفضة من أجل نظام توليد أكثر مركزية إذا بدا ذلك طريقة مناسبة أكثر لتمويل مشاريع تطوير متجددة كبيرة يُبين الشكل (7-3) أكبر محطة فولتضوئية شمسية مركزية في العالم وهي محطة توليد

الشكل (1) محطة توليد سبرنغرفل الشمسية الفولتضوئية الولايات المتحدة الأميركية

المصدر: Tucson Electric Power

سبرنغرف (2005 ,Tucson Electric power) في الولايات المتحدة الأميركية. تقع هذه المنشأة في صحراء أريزونا، أحد المواقع المشمسة جداً في الولايات المتحدة، وهذه المحطة ذات قدرة توليد عظمى 4.6 ميغا واط كهربائي. تشمل المحطة حوالي 35,000 وحدة من اللوحات الشمسية بمساحة تغطيه إجمالية 44 فداناً (الفدان 4000 متر مربع)، أو 17.8 هكتار، حيث تم تثبيت اللوحات بزاوية ميل 34 درجة مواجهة للجنوب، على الرغم من أنه يوجد بيانات تشغيل محدودة متوافرة بالنسبة إلى المحطة في هذا الوقت، فإن إنتاج الطاقة الكهربائية السنوي في عام 2004 كان 7064000 كيلو واط ساعة، الذي يتوافق مع مُعامل إنتاج 17.5 في المئة. وهذا أفضل بكثير من المقدار 11.5 في المئة المحقق لدى منزل لورد في مين»، أو الحد الأدنى المُقدّر بـ 8.5 في المئة في المملكة المتحدة، كما يوضح الفائدة من تجريب مثل هذه المحطة في منطقة مشمسة عند خطوط عرض أقل عند تقدير طرق متنوعة لتوليد الكهرباء بانبعاثات معدومة الغازات الدفيئة، سوف تقارن شركات الكهرباء كلفة استخدام تجهيزات شمسية فولتضوئية كبيرة بكلفة التوليد من مصادر أخرى كالطاقة النووية، أو بالطبع التوليد باستخدام الوقود الأحفوري مع حجز وتخزين غاز CO2. سوف يكون هناك اعتباران مهمان وهما كلفة رأس المال لتجهيزات التوليد، بالدولار لكل كيلو واط قدرة ،مركّبة، ومُعامل السعة بأخذهما معاً، سوف يحدد هذان المعاملان إلى حد بعيد الكلفة السنوية، بالدولار لكل كيلو واط ساعة للكهرباء المُولّدة. في هذا الوقت إن كلفة رأس المال للتوليد الشمسي الفولتضوئي، عند حوالى 5000 دولار لكل كيلو واط قدرة مركبة عُظمى هي حوالى مرتين ونصف الكلفة في حالة منشأة طاقة نووية التي هي حوالي 2000 دولار لكل كيلو واط قدرة مركبة (انظر الفصل الثامن). غير أنه من المتوقع أن يكون معامل الإنتاج حوالى 85 في المئة بالنسبة إلى المنشأة النووية، بينما هو فقط حوالى 18 في المئة كما رأينا أعلاه بالنسبة إلى محطة سبرنغرفل الشمسية الفولتضوئية. بالطبع من المفترض الأخذ بعين الاعتبار كلفة تزويد المحطة النووية بالوقود في أي مقارنة اقتصادية مناسبة، بينما كلفة الوقود الأساسية بالنسبة إلى المنشأة الشمسية الفولتضوئية هي لا شيء، لكنها كلفة صغيرة نسبياً بالنسبة إلى المحطة النووية إن جمع كل من كلفة الإنشاء الأعلى وفق قدرة خرج عُظمى، ومُعامل السعة المنخفض جداً بالنسبة إلى المنشأة الشمسية الفولتضوئية يجعل الكلفة السنوية للطاقة الكهربائية المولدة أعلى بكثير مما هي بالنسبة إلى المنشأة النووية. إن معامل السعة المنخفض المترافق مع الحاجة إلى مصدر طاقة احتياطي أو تخزين كبير للطاقة، سوف يكون أحد التحديات الرئيسة المترافقة مع كل أشكال أنظمة الطاقة المتقطعة، بما فيها الأنظمة الشمسية الفولتضوئية المركزية والموزعة بالإضافة إلى نظم طاقة الرياح.

هناك تحد رئيس للتبني الواسع لمصادر الطاقة المتجددة المتقطعة (وبالأخص النظم الشمسية الفولتضوئية التي لا تنتج كهرباء خلال الليل بسبب الحاجة إلى سعة تخزين كبيرة للطاقة هذه النظم، أو إلى شبكة كهربائية كبيرة قادرة على تأمين مصدر احتياطي للطاقة. إذا أصبح النظام الشمسي الفولتضوئي أكثر جاذبية اقتصادياً على المدى الطويل، وبذلك منتشراً أكثر، يمكن أن توجد ضغوطات إضافية على الشركات الكهربائية لكي تؤمن مدخلاً إلى الشبكة كمصدر احتياطي. سوف يكون ذلك صحيحاً بالنسبة إلى نظم الطاقة الموزعة، كما هي الحال بالنسبة إلى المحطات المركزية الأكبر كالمحطة التجريبية في توكسون - أريزونا من المحتمل أن الضريبة الشهرية الثابتة الصغيرة على الربط مع الشبكة المُستخدمة في حالة الدراسة السكنية في منطقة مين التي سبق ،مناقشتها لا تبيّن التكاليف الحقيقية لتأمين الطاقة الاحتياطية عندما يتطلب الأمر ذلك عندما يزداد الطلب على توفير مستويات كبيرة من الطاقة الاحتياطية بالترافق مع عائدات صغيرة لمبيعات الكهرباء، يمكن لشركات الكهرباء أن تضيق ضرائب ربط أعلى، ما قد يؤثر عكسياً في الجوانب المالية للأنظمة الشمسية الفولتضوئية. وهكذا، من المحتمل أن يوجد حد لإجمالي كمية الطاقة المتجددة المتقطعة والمولّدة التي يمكن امتصاصها بشكل اقتصادي من قبل نظام شركة الكهرباء سوف تختلف هذه الكمية من استطاعة التوليد العُظمى من شركة إلى شركة ويعتمد ذلك على مخطط الطلب Demand Profile) الخاص بشركة الكهرباء، وفيما إذا كان لدى هذا المخطط مستويات كبيرة من تخزين الطاقة أم لا، كتلك المزودة بحصة كبيرة من القدرة العظمى للمنشآت الكهرومائية.

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

مستشفى الكفيل يدخل قائمة الاعتماد الدولية بجودة الخدمة وسلامة المرضى

جامعة العميد تقيم ورشة عمل تدريبية في مجال التعليم الطبي الحديث

سماحة السيد الصافي يدعو إلى الاستمرار في تحقيق تراث العلماء الأعلام وتسليط الضوء على فكرهم

شعبة الخطابة الحسينية تختتم الموسم الثامن من مشروع الدورات الصيفية في كربلاء

المزيد

الآخبار الصحية

الأطعمة الحارة.. "سر صغير" يغير صحة قلبك وعقلك

وباء صامت.. الملايين حول العالم مصابون بالسكري دون أن يعلموا !

لماذا ينصح بتناول تفاحة يوميا؟

8 فواكه طبيعية تمنحك نوما هنيئا.. وتخلصك من الأرق

المزيد

الآخبار التكنلوجية

ثلاث علامات على وجود مشاكل خطيرة في محرك السيارة ؟

ماذا نعرف عن اللقاح الروسي ضد السرطان؟

مركبة فضاء تعثر على دليل عن وجود حياة قديمة على المريخ

لتدريب الذكاء الاصطناعي.. الصين تخطط لإنشاء شبكة حوسبة موحدة

المزيد

مواضيع ذات صلة

لخلايا الكهروضوئية: نحو تكافؤ الشبكة

الامتصاصية والانعكاسية والنفاذية

أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية

ميلاد الخلايا الشمسية الحديثة

لمحة عن الخلايا الكهروضوئية الشمسية

سخانات الماء الشمسية حول العالم

نموذج عمل شركة هيمين

التطور التقني ووفورات الحجم للتكنلوجيا الشمسية

الخلايا الشمسية الخلايا الضوئية (Solar Cells):

طيف الاشعة الشمسية وطبيعتها

تولد الطاقة الشمسية

أهمية الطاقة الشمسية الإشعاعية الحرارية