كيف يمكن استخدام الألواح الشمسية لتشغيل السخان الكهربائي بتكاليف أٌقل؟

قام باحثون من اسبانيا من جامعة قرطبة بتصميم نطام شمسي قادر على تحويل 95٪ من الطاقة  الشمسية المتاحة و تحقيق درجات حرارة أعلى من 70 درجة مئوية لتسخين الماء و تغطية قرابة 85 ٪ من استهلاك المياه الساخنة للأسرة مكونة من ستة أشخاص.

يتكون النظام من خزان مياه بسعة 300 لتر مزود بمقاومة كهربائية ومتصل بمنظومة شمسية بقدرة 1.6 كيلووات عن طريق نظام تحكم و محول إلكتروني تم تصميمه بطريقة خاصة لخفض تكلفة المنظومة وليكون بديل عن استخدام العاكس الكهربائي.  وافاد الباحثون أن نسبة الفواقد في النظام تصل 5٪ فقط من إجمالي الطاقة.

وقد طور البحاثون نظام تتبع إلكتروني خاص لهذه المنظومة الشمسية للوصول إلى أقصى نقطة للطاقة (MPPT) يمكن أن تنتجها الألواح الشمسية الكهروضوئية. الجدير بالذكر أن هذا النظام سيمكن المستخدمين من تسخين الماء في فترة الشتاء بدون استخدام عاكس أو بطاريات الأمر الذي يجعل تكاليف هذه المنظومة منخفض جدا. ويقوم نظام التتبع والتحكم الالكتروني بالحفاظ على الجهد المرجعي عند المستويات المطلوبة التي تعادل الجهد الأقصى لنقطة الطاقة الناتج عن تجميع الألواح الشمسية الكهروضوئية. كما تم استخدام ترانزستور من أكسيد المعادن وأشباه الموصلات (MOSFET) لتوصيل أو قطع التيار اعتمادًا على الجهد المطلوب.

تم اختبار فعالية هذا النطام باستخدام خمس الألواح شمسية من شركة جينكوسولار بقدرة  330 وات-JKM330PP. القدرة الأسمية للسخان الكهربائي تبلغ 3 كيلو وات وقيمة المقاومة الكهربائية للتسخين تبلغ 16 Ω. تم توصيل الألواح الشمسية في سلسلة على التوالي للوصول إلى جهد تشغيل اسمي قريب من جهد الشبكة الكهربائية جهد الدائرة المفتوحة 230.95 فولت من تيار مستمر وأقصى تيار دائرة قصر 9.11 أمبير.

Luis Cámara-Díaz, Sustainability, 2021 ©

مخطط النظام التجريبي

Luis Cámara-Díaz, Sustainability, 2021 ©

الصورة توضح المكونات الأساسية للنظام التجريبي: (a) الألواح الشمسية الكهروضوئية (b) النظام الإلكتروني للتحكم (c) خزان الماء الساخن

الأمر الذي يميز هذه الأنظمة هو أن النظام الإلكتروني الذي صمم بتكاليف منخفضة يمكن من تحويل الطاقة الكهروضوئية المتاحة إلى حرارة ، بغض النظر عما إذا كان مستوى الإشعاع الشمسي الحالي مرتفع أو منخفض خلال فترة الشتاء وهو مايميزه عن السخانات الشمسية التي تعتمد بشكل أساسي على وجود كميات كافية من الأشعاع الشمسي المباشر خلال فترة النهار. قام المختصون كذلك باضافة نطام تحكم لإعادة تدوير المياه و السماح بإدخال الماء البارد في خزان المياه الساخنة ، وكذلك محاكاة استهلاك المياه وتجديد المياه داخل الخزان.

يا ترى هل ستكون مثل هذه المنظومات مناسبة بشكل كبير في المناطق شديدة البرودة في بعض البلدان العربية ؟

إذا كنت ترغب بقراءة الورقة العلمية والاطلاع على المزيد من التفاصيل يمكنك الحصول على الورقة العلمية بشكل مجاني عبر الرابط A Cost-Effective and Efficient Electronic Design for Photovoltaic Systems for Solar Hot Water Production

فرصة تدريبية في مجال الطاقة الشمسية