تخيل أن سقف منزلك يتحول من حاجز طقس بسيط إلى مصنع مستمر للطاقة الخضراء. تكنولوجيا الطاقة الشمسية، التي كانت تعتبر مستقبلية، أصبحت الآن بسرعة سمة منزلية رئيسية. وتظهر استطلاعات الصناعة الأخيرة أن أكثر من ثلاثة أرباع أصحاب المنازل ينظرون إلى الطاقة الشمسية باعتبارها استثمارا حكيما - وهو رقم تضاعف تقريبا في عامين فقط. ولكن كيف تقوم هذه الألواح التي تبدو بسيطة بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء تزود حياتنا اليومية بالطاقة؟
يستكشف هذا المقال الأعمال الداخلية للألواح الشمسية، ويفحص كل مكون أساسي وكيفية تحويل ضوء الشمس بشكل جماعي إلى طاقة نظيفة وموثوقة. من الخلايا الكهروضوئية إلى العاكسات، سنقوم بتفصيل الوظيفة والمواد وأحدث التقنيات وراء كل عنصر، مما يوفر إرشادات واضحة لأصحاب المنازل الذين يفكرون في التحول إلى الطاقة الشمسية.
تعمل الخلايا الشمسية، والتي تسمى أيضًا الخلايا الكهروضوئية (PV)، بمثابة جوهر كل لوحة شمسية. وهي مصنوعة من مواد شبه موصلة -السيليكون الأكثر شيوعاً- وهي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. عندما تضرب الفوتونات من ضوء الشمس سطح الخلية، فإنها تثير الإلكترونات في ذرات السيليكون، مما يجعلها تتحرر وتتدفق كتيار كهربائي. وتعرف هذه الظاهرة باسم التأثير الكهروضوئي.
يحدد نوع تقنية الخلايا الشمسية الأداء العام للوحة والتطبيقات المثالية. يقدم السوق في المقام الأول هذه المتغيرات:
تتكون الطبقة العليا لمعظم الألواح الشمسية من الزجاج المقسى، وهو ما يمثل حوالي 75% من الوزن الإجمالي لألواح السيليكون البلورية. يحمي خط الدفاع الأول هذا الخلايا الشمسية الحساسة من الطقس والحطام. يختار المصنعون الزجاج المقسى لأنه أقوى بأربع مرات تقريبًا من الزجاج العادي، مما يضمن عقودًا من التشغيل الموثوق به في الظروف القاسية.
المتانة ليست هي الاعتبار الوحيد، فالزجاج يؤثر أيضًا على مقدار الضوء الذي يصل إلى الخلايا الشمسية. حتى أنقى أنواع الزجاج تعكس بعضًا من ضوء الشمس، حيث أظهرت الدراسات فقدان امتصاص بنسبة 4% تقريبًا. للتعويض، يتضمن أكثر من 90% من اللوحات الحديثة طبقات مضادة للانعكاس تلتقط المزيد من الضوء وتحسن الكفاءة العامة.
تقع الخلايا الشمسية بين الزجاج العلوي والطبقة الخلفية السفلية، ويتم تغليفها بطبقة تغليفية واقية. تربط هذه المادة جميع المكونات معًا بينما تحمي الخلايا من الرطوبة والأضرار البيئية التي قد تسبب تدهورًا على المدى الطويل. تحافظ العبوة أيضًا على العزل الكهربائي بين الطبقات بينما تظل شفافة بما يكفي لوصول ضوء الشمس إلى الخلايا.
المادة المغلفة الأكثر شيوعًا هي أسيتات فينيل الإيثيلين (EVA)، وهي مادة مرنة ومتينة وفعالة من حيث التكلفة تشبه الوسائد الموجودة في أحذية الجري. بالنسبة للألواح ذات الأداء العالي، تستخدم بعض الشركات المصنعة مواد مطاطية من البولي أوليفين (POE) لتعزيز المتانة على المدى الطويل.
يكشف قلب اللوحة الشمسية عن الطبقة الخلفية، وهي طبقة بوليمر (بلاستيكية) متينة تحمي الخلايا من الرطوبة والأشعة فوق البنفسجية مع توفير العزل الكهربائي والدعم الهيكلي.
نظرًا لأن تدهور الطبقة الخلفية هو السبب الرئيسي لفقدان الكفاءة وتقصير عمر اللوحة، فإن الشركات المصنعة تختار هذه المواد بعناية. تستخدم معظم الألواح "أحادية الجانب" القياسية صفائح بوليمر ملونة (عادةً بيضاء أو سوداء). في المقابل، تلتقط الألواح ثنائية الجانب ضوء الشمس من كلا الجانبين، وعادة ما تستخدم هيكل "الزجاج المزدوج" مع طبقات زجاجية تحل محل الطبقة الخلفية. يعد هذا النهج شائعًا في المنشآت الأرضية التجارية والمنشآت حيث يمكن لضوء الشمس المنعكس أن يعزز الإنتاج.
على الرغم من أنك لن تجد عادةً ألواحًا ثنائية الجانب على الأسطح السكنية المائلة، إلا أنها قد تظهر على الأسطح المسطحة والأنظمة المثبتة على الأرض والمواقف والبرجولات. تقدم بعض الشركات المصنعة الآن تصميمات أخف وزنًا "للألواح الزجاجية الخلفية" تقلل من وزن اللوحة بمقدار 7 إلى 13 رطلاً، مما يسهل عملية النقل والتركيب.
تستخدم إطارات الألواح الشمسية عادةً الألومنيوم لقوته وخفة وزنه ومقاومته للتآكل، وهي صفات تضمن عقودًا من التحمل في الهواء الطلق. في حين أن الفولاذ هو البديل، إلا أن الألومنيوم يظل معيار صناعة الطاقة الشمسية السكنية.
تخدم الإطارات غرضًا حيويًا آخر: إنشاء فجوة هوائية أسفل الألواح. تساعد هذه التهوية على تنظيم درجة الحرارة، والحفاظ على الأداء الأمثل مع مرور الوقت.
يحتوي الجزء الخلفي من كل لوحة على صندوق توصيل صغير مقاوم للعوامل الجوية والذي يضم التوصيلات الكهربائية بأمان مع حمايتها من الحطام وأضرار الطقس.
تحتوي صناديق الوصلات أيضًا على صمامات ثنائية مهمة تحمي الألواح من فقدان الطاقة والفشل المحتمل. إذا كان التظليل يغطي جزءًا من اللوحة، فإن هذه الثنائيات تعيد توجيه التيار حول القسم المتأثر، مما يمنع ارتفاع درجة الحرارة مع السماح لبقية اللوحة بمواصلة توليد الطاقة.
يكشف الفحص الدقيق عن وجود شبكة من الخطوط المعدنية على أسطح الألواح. تقوم الخطوط الرفيعة (الأصابع) بتجميع الكهرباء عبر سطح كل خلية، بينما تعمل الخطوط العمودية الأكثر سمكًا (أشرطة التوصيل) مثل الطرق السريعة الكهربائية، وتحمل التيار من الأصابع إلى العاكس وصندوق التوصيل. على الرغم من أنها قياسية في معظم اللوحات، إلا أن بعض التصميمات الأحدث تلغي قضبان التوصيل لتحسين الكفاءة وتقليل خسائر التظليل.
يستخدم القائمون على التركيب موصلات موحدة لربط اللوحات وتوصيلها بالنظام الأوسع. الأكثر شيوعًا - MC4 - يتميز بآلية قفل تمنع انقطاع الاتصال العرضي. يمكن للبديل الناشئ، وهو شبكة إيثرنت أحادية الزوج (SPE)، نقل كل من البيانات والطاقة عبر كابل واحد، مما قد يؤدي إلى تبسيط عمليات التثبيت المستقبلية على الرغم من أنها لم تصبح سائدة بعد.
على الرغم من أنها ليست جزءًا فعليًا من اللوحات، إلا أن العاكسات هي مكونات أساسية للنظام تقوم بتحويل إنتاج لوحات الكهرباء ذات التيار المباشر (DC) إلى طاقة منزلية تستخدم التيار المتردد (AC). تستخدم الأنظمة السكنية عادة أحد نوعين من العاكس:
يمكن للطاقة الشمسية أن تقلل من تكاليف الكهرباء وتوفر استقلالية الطاقة على المدى الطويل. يساعد فهم مكونات اللوحة وتفاعلاتها أصحاب المنازل على تقييم مقترحات القائمين على التركيب بشكل أفضل، بما في ذلك أنواع المعدات وشروط الضمان وعمليات التثبيت.
