دراسة تأثير أرتفاع درجات الحرارة على أداء المنظومات الكهروضوئية

Abstract

الخلاصة في هذا البحث دُرسَ تأثير درجات الحرارة على أداء منظومة لتجهيز الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية والتي تتكون من الواح شمسية كهروضوئية وعاكس فولتية يعمل بشكل مباشر بدون بطاريات قدرتهُ القصوى تبلغ )2 كيلوواط( في الساعة. أُجريت التجارب في ظروف درجات حرارة جوية مختلفة تراوحت مابين (20 - 45)˚م في أشهر معينة من السنة (كانون الاول ، كانون الثاني ، نيسان ، حزيران وتموز) لبيان أداء المنظومة الكهربائية عند تعرضها الى أرتفاع في درجات الحرارة المحيطة بها . لوحِظُ أن قدرة خرْج عاكس الفولتية تقل بمقدار)25 %( عن القيمة القصوى لها عند تجاوز درجات الحرارة المحيطة بالألواح الكهروضوئية حدود (50 °م( ، بينما سُجل أفضل أداء لعاكس الفولتية عند درجات حرارة جوية تراوحت مابين (25 - 35)˚م. الكلمات المفتاحية :- الواح كهروضوئية - عاكس فولتية - درجات حرارة . المقدمة تُعتبر تطبيقات الطاقة الشمسية لأنتاج الكهرباء من اكثرالوسائل فعالية لتخفيض الأنبعاثات الكربونية والتخفيف من حدة التغيرات المناخية لاسيما انَ قطاع أنتاج الكهرباء يساهم حاليا بحوالي (38 %) من أنبعاثات غازات الدفيئة في بلدان منطقة الاسكوا ]1[ ، وقد بدأت الأنظار تتجه نحو الطاقات البديلة وبالأخص منها الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء، وان أحدى أهم الوسائل المستخدمة في التوليد هي نظم الالواح الكهروضوئية، اذ بدأ أستخدامها ينتشر في عدد كبير من دول العالم بشكل ملفت للنظر، وتُعتبر نظم الطاقة الشمسية الكهرضوئية) الخلايا الفوتوفولتائية( لإنتاج الكهرباء من أسرع تطبيقات الطاقة المتجددة نمواً . الجزء النظري أن درجة حرارة اللوح الكهروضوئي يمكن ان تؤثر وبشكل فعال على قدرة الاخراج لها ]3[، كما تعتمد على نوع مادة التغليف والظروف المحيطة به مثل حرارة الجو(الوسط)، سرعة الرياح واتجاهها والرطوبة ، وان أسهل طريقة واقلها تكلفة هي التبريد الهوائي بأستخدام المشتتات الحرارية وهي على عدة انواع أكثرها شيوعا الالمنيوم، اذ من المعلوم لدينا ان التوصيل الحراري في المعادن سريع جدا مقارنة مع البلاستيك حيث ان قيمته في الالمنيوم بحدود (200 واط / متر.˚م) ، في حين قيمته في البلاستيك هي (0.2 واط / متر.˚م) ، وهذا يعني ان الحرارة تسري في الالمنيوم الف مرة أسرع من البلاستيك ]4[. ان فولتية الدائرة المفتوحة في اللوح الكهروضوئي ((VOC تقل مع أزدياد درجة الحرارة وتتأثر كذلك بشدة الاشعاع الشمسي ، ويمكن ان تعرف بأنها دالة لدرجة الحرارة والاشعاع الشمسي، ويمكن كتابتها بالصيغة التالية ]2[: VOC =ƒ(S,Tc ) ------------------(2) حيث ان : S : هو الاشعاع الشمسي . Tc : هي درجة حرارة اللوح الكهروضوئي . ولقياس درجة حرارة اللوح الكهروضوئي يؤخذ معدل درجة الحرارة لكل من درجة حرارة السطح المواجه للشمس Ttop)) والسطح السفلي المعاكس (Tbottom) وكما مبين بالمعادلة التالية ]3[ : Tc= (Ttop + Tbottom) / 2 ------------(3) ان طريقة تحديد قيمة درجة حرارة الخلية الشمسية الطبيعي (NOCT) في اللوح وحسب مواصفات IEC)) تعتمد على حقيقة الفرق بين درجة حرارة اللوح ((Tm ودرجة حرارة المحيط Tamb)) وتتناسب طرديا مع الاشعاع الشمسي للقيم الاعلى من )400 واط / م2( ، ولأيجادها تعتمد الصيغة التالية ]3 [: Tm= Tamb + (NOCT -20) E / 800 حيث ان : E : هي قيمة الاشعاع الشمسي الكلي .

الجزء العملي أستُخدمت الواح كهروضوئية من أنتاج شركة المنصورالعامة في المنظومة ذات قدرة) 300 واط) لكل لوح من الالواح البالغ عددها عشرة الواح، بالأضافة الى عاكس فولتية ذي قدرة) 2 كيلوواط (، وأخضعت للتجارب في أشهر مختلفة من السنة بعد ربط أحمال متغيرة لمحاكاة قدرة الخرج للعاكس اثناء فترة التشغيل . وضعت الالواح بزاوية ميل )45˚( عن سطح الارض بمواجهة للجنوب الجغرافي وبزاوية سْمت أرضي (28˚) نحو الشرق وحسب تصميم واجهة البناية التي وضعت عليها ، قيْست درجة حرارة السطح العلوي والسطح السفلي للوح الكهروضوئي بأستخدام جهاز مقياس رقمي للحرارة ذو المزدوجات الحرارية وتبين ان السطح السفلي للوح المعاكس لأشعة الشمس اكتسب درجات حرارة أعلى من السطح العلوي المواجه للشمس، حيث سجلت اعلى درجة حرارة حوالي (61 ºم) للسطح السفلي تقابلها (58 ºم) للسطح العلوي للوح الكهروضوئي في فترة الذروة . وكذلك قيست درجة حرارة الجو والاشعاع الشمسي الكلي الساقط على اللوح في فصل الصيف لبيان تأثير أرتفاع درجات الحرارة على أداء الالواح الكهروضوئية ومخرجاتها على القدرة المجهزة من عاكس الفولتية، وكما مبين بالشكل رقم (1) :

شكل رقم (1) فولتية اللوح الخارجة مع تغير المعدل لدرجات الحرارة السنوي ربطت احمال متغيرة مع عاكس الفولتية وحُسبت القدرة الخارجة على أساس قيم شدة الاشعاع الشمسي ودرجة حرارة الجو المحيط لفترات مختلفة من السنة، اذ تم تسليط أقصى حمل كهربائي بلغ (1700 واط) على عاكس الفولتية وبيان عمله مع تغير قيم الاشعاع الشمسي الساقطة على الالواح الكهروضوئية وكذلك تغير درجات الحرارة للجو المحيط بها ، ولم يتم التمكن من تجاوز قيمة الحمل المسلط على العاكس بسبب عدم التمكن من توفير ظروف عمل مثالية للالواح والعاكس وهي وصول الاشعاع الشمسي الى قيمة (1000واط / م2) مع درجة حرارة محيطة ( 25 °م) . والشكل رقم (2) يبين تغير القدرة المولدة في العاكس مع درجات الحرارة .

شكل رقم (2) تغير قدرة خرج عاكس الفولتية مع درجات الحرارة النتائج والمناقشة أظهرت نتائج القياسات لعمل المنظومة مايلي : 1- عند ارتفاع درجات حرارة الجو المحيط الذي تعمل فيه الالواح الكهروضوئية لأكثر من 46°م فأن فولتية اللوح سوف تقل مع هذا الارتفاع مما تسبب في أنخفاض القدرة الخارجة من العاكس بما يقارب )25 %( عن المعدل العام بالرغم من وجود شدة اشعاع شمسي اعلى من (850 واط \ م2). 2- عند انخفاض درجات الحرارة دون (25 °م) وفي حالات الجو الصافية تماما ووصول قيمة الاشعاع الشمسي الى) 800 واط / م2( فأن فولتية الالواح مجتمعة قد تجاوزت حاجز الجهد للعاكس البالغة )360 فولت( مما تسبب في توقف عمل العاكس ذاتيا ، وهذا الامر تطلب فصل لوحين كهروضوئيين عن المجموعة لمعاودة عمل العاكس مما يشير الى أرتفاع فولتية الخرج للالواح الكهروضوئية . 3- ان شدة الاشعاع الشمسي التي يبدأ العاكس فيها بالعمل بلغ الحد الادنى لها) 350 واط / م2( صيفا في حين تقابلها )250 واط \ م2( شتاءاً. 4- ان القدرة الخارجة من العاكس وصلت الى (1700 واط( مع تسجيل قيمة أشعاع شمسي يقارب (800 واط / م2) عند درجة حرارة (25 °م) في حين ان القدرة الخارجة لم تتجاوز )1350 واط) لنفس قيمة الاشعاع الشمسي عند درجات حرارة اعلى من ) 43 ºم (.

الاستنتاجات النتائج العملية للبحث بينت التأثير المباشر لدرجات الحرارة على الالواح الكهروضوئية وبالتالي على أداء المنظومة التي تجهز الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية بشكل مباشر وتحديدا في أشهر الصيف الحارة في العراق، اذ أدى أرتفاع درجات الحرارة فوق)40 °م( الى تدنى كفاءة الالواح الكهروضوئية نتيجة تناقص فولتية اللوح وبالتالي الى خسائر في قدرة المنظومة المجهزة للطاقة الكهربائية بشكل عام . لذلك يتطلب ألاخذ بالنظر الى عامل درجة الحرارة وأضافته الى حسابات التصاميم الخاصة بتنفيذ أي منظومة كهروضوئية بالأضافة الى العوامل المعتمدة الاخرى في الحسابات مثل القيمة السنوية للاشعاع الشمسي وقدرة الاحمال والخسائر الكهربائية.

المصادر 1- "Electricity production from renewable energy". ESCWA, A /SDPD / (2010). 2- M. Huda,"Using heat sink in thermal cooling solar cell", Al-rafidin scince journal, Vol.24, No.5, (2013). 3- Huang B.J., Yang P.E., Lin Y.P., Lin B.Y., Chen H.J., Lai R.C., Cheng J.S. "Solar cell junction temperature measurement of PV module", Journal of Solar Energy, no. 85, pp. 388-392, (2011). 4- Vlachopoulos J., Strutt D., "Basic heat transfer and some application in polymer processing". Polydynamics journal, no. 2, pp. 21-33, (2002). 5- B.V. Chikate, Y.A. Sadawarte, " The factors affecting the performance of solar cell". International journal of computer applications, (ICQUEST2015).