Lecture, June 21st. 2013 / El Jadida, Morocco الطاقات المتجددة والتنمية المستمادة بالمغرب ودكالة

العلوم والتكنولوجيا وراء إنتاج الكهرباء من الشمس

(PV)ومقارنة مع الخاليا الكهروضوئيةنظام توليد الطاقة الشمسية المركزة (CSP)

(c-Si)تكنولوجيا السليكون البلوري

واعتدال درجة حرارة سطح األ رضاالحتباس الحراري (Greenhouse effect)

االستدامة واالقتصاد المبني على المعرفة

عملية انتاج الطاقة المتجددة : حقائق أساسية

This material is intended for the individual needs and for use in lectures and as handouts to students. Permission of the author and publisher is required for any other usage.

اإلدن من الناشر، ألي استخدام آخر يصبح من الضروري. يمكن استعمال هذه المواد لتلبية احتياجات فردية وفى المحاضرات والعروض وكنشرات للطالب

most sources are internet materialsمعظم المصادر هي مواد اإلنترنت

E-mail: ennaoui@helmholtz-berlin.de

Prof. Dr. Ahmed Ennaoui

تكنولوجيات توليد الكهربائية من الطاقة الشمسيةTechnologies to generate electricity from solar energy

http://www.helmholtz-berlin.de

الخطوط العريضة

وبعض الخاليا الشمسية الرقيقة الناشئة

Greenhouse effectمنذ بداية الثورة الصناعية قراءات مقياس الحرارة قد ارتفعت بشكل مطرد

نحن السبب: الكثير من االدلة تقول

(2000- 2009)(1880 - 1889)

االحتباس الحراري

مساهمة القمم الجليدية القطبية إلى ارتفاع مستوى سطح البحر

حاالت طقس متطرفة

NASA’s Goddard Institute for Spaceتحليل درجة الحرارة المستمرة التي أجراها علماء في معهد

1880درجة مئوية منذ عام 0.8درجة الحرارة العالمية على األرض قد زادت بنحو

Greenhouse effect

االحتباس الحراري

Source: free encyclopedia

اإلعتماد على الطاقة الشمسية وطاقة الرياحئة ؟كيف نقلل أضرار التلوث والحفاظ على البي

بخار الماء

ثاني أكسيد الكربون

الميثان

نالنيتروجيأكسيد

الكلوروفلوركاربون

األوزون

CO2

N2O

CFCs

O3 CH4

اعتدال درجة حرارة سطح األرض

والغازات الدفيئةأهم مكونات الغالف الجوي

الغازات الدفيئة تلعب دورا حيويا ورئيسيا في تدفئة سطح األرض

تقوم الغازات الدفيئة الطبيعية على امتصاص جزء من األشعة تحت الحمراء

الغازات الدفيئة قادرة على استقرار درجة الحرارة

Source: free encyclopedia

N2 %78النيتروجين

O2 %21األكسجين

الغازات الخاملة

أكاسد الكبريت

الهيدروجين األرغون

نيون

تمتص األرض الطاقة المنبعثة من االشعاعات الشمسية

تعكس جزء من هذه االشعاعات إلى الفضاء الخارجي

Greenhouse gas

جزء من هذه الطاقة يمتص من خالل بعض الغازات الموجودة في الغالف الجوي

452SOx

ArNe

زيادة الغازات الدفيئة لدرجة أصبح مقدارها يفوق ما يحتاجه

الغالف الجوي للحفاظ على درجة حرارة سطح األرض ثابتة

الثروة عبر استثمار اآللة

Photosynthesis

CO2

السكريات

H2O

O2

البناء الضوئي

أكسجين

الماء

(CH20)nCO2. في صورةالهواءتسحب النباتات الكربون من

.ئيتبقى نسبة هذا الغاز في الجو ثابتة بفضل عملية البناء الضو

.المنتجات النهائية هي األكسجين والمواد الغذائية

األخطار التي تهدد التوازن الطبيعي واالحتباس الحراري

. اقةِ اكسيد الكربون يَتعلِّق بإنتاجِ الطثانىمن % 98

يةنسبه ثاني اكسيد الكربون في الجو ارتفعت في السنوات األخيرة كنتيجة لأل نشطة البشر

:دورة الكربون

هو مصطلح يستخدم لوصف كيف يتم نقل الكربون بين

الغالف الجوي واألراضي والنباتات والمحيطات

Carbon cycle

Carbon cycle

دورة الكربون

محطاتخمسمنضخممشروعالمغربأطلق

يجعلماالطاقة،مجالفيتبعيتهتقليصمنالمغربستمكن

2020العامبحلولالنظيفةالطاقةمنتجيأهمأحدالمملكة

المشاريع المغربية الكبيرة في مجال الطاقة المتجددة

يتضمن مشروع الطاقة الشمسية المغربي بناء خمس منشآت( جنوب)وطرفاية ( الصحراء المغربية)والعيون وبوجدور ( جنوب شرق)في ورزازات

.على مساحة تقدر بعشرة االف هكتار( شرق فاس، وسط البالد)وعين بني مطهر المشروع سيقلل انبعاثات المغرب من ثاني أكسيدالكربون

.الف طن في السنة700بمعدل ثالثة ماليين وCO2

ويتوقع المسؤولون عن المشروع ان تؤمن المحطات الخمس للبالد ما يوازي اثنين

.2020وأربعين في المئة من احتياجاتها، ابتداء من

ميالد جيل جديد من ركائز النهضة المغربية الحديثة

سياسة السدود التي جنبت المغرب خطر الجفاف مما جعل

تعترف بسداد ( الفاو)منظمة األمم المتحدة لألغذية والزراعة

رؤيته وتمنحه إحدى أكبر جوائزها

المشروع المغربي للطاقة الشمسية

خالل الخمسينية األولى لما بعد االستقالل المغرب جذب إليه أنظار العالم بفضل سياسة السدود

عملية انتاج الطاقة المتجددة

x, أشعة

الشمسماليين طن من الطاقة يتم إنتاجها في كل ثانية5

:طاقة الشمسكيلووات 4 x 1023

4,000,000,000,000,000,000,000,00 kW

تحويل الكتلة إلى طاقة

E = M . c2

مليون طن من الهليوم كل ثانية695مليون طن من الهيدروجين إلى 700يتم تحويل

ك العالم لمدة عامستهالت وإحتياجاتكفي إقيقة د105س لمدة لشمالطاقة التي يمكن الحصول عليها من ا

أيام365.25في جولة 1األرض تدور حول الشمس بمعدل

جولة في اليوم الواحد1األرض تدور حول محورها الخاص بمعدل

ميل محور دوران األرض هو

المسؤول عن الفصول

. يميل محور األرض تقريبا

درجة23.45

23.45°

اإلشعاع الشمسي

تخزين الطاقة لالستفادة منها أثناء فترة احتجاب اإلشعاع الشمسي

بالتعاون مع الجامعات المغربية ومدارس الهندسة يشجع البحث والتنمية

استخدام الطاقة الشمسية بشكل فعال، يتطلب دراسة دقيقة للغاية

دراسات لإلشعاع الشمسي في مواقع مختلفة في المغرب

الطاقة الشمسية ليست ثابتة في موقع معين خالل اليوم وخالل كل الفصول

الشمالالجنوب

شروق

غروب

عملية انتاج الطاقة المتجددة

.المغرب من بين البلدان التي لديها أعلى اإلشعاعات الشمسية في العالم

ساعة من اشعة الشمس سنويا3000أكثر من

الموجات الكهرومغناطيسية في مجال التكنولوجيا

Heat

Electricity الكهرباء

أشعةx

فوق

ةالبنفسجيأشعة ميكروويف

Bluetooth موجات راديوية

الحمراءتحت

أشعة سينية

في الطب

األمن في المطارات الضوء

المرئي

مبيدة للجراثيم

500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 25000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Sola

re E

inst

rahl

ung

/ W*m

-2*n

m-1

Wellenlänge / nm

AM1.5-Spektrum (Erdoberfläche)

خاليا شمسية

ASTMG-173-03

ضألر

اح

طس

ى عل

ن وا

ألل الم

س

أجهزة

للرؤية الليليةOV-10 Bronco

Photosynthesis2H2O + energy 2H2 + O2

Sources: Internet

تضم تقنيات تسخير الطاقة الشمسية

استخدام الضوء المرئي

استخدام الطاقة الحرارية

التكنولوجيا وراء إنتاج الكهرباء من الشمس

االستثمارات في مجال التعليم

الهندسة الكهربائية

الهندسة اإللكترونية

الشبكة الذكية

تكنولوجيا المعلومات

علوم المواد

هندسة المواد

تحت

اءمر

حال

العالقة بين المجاالت المغناطيسية والتيارات الكهربائية

Heat

للحث المغناطيسيقانون فارادي Faraday

Faraday

تحويل الطاقة الحركيّة

إلى طاقة كهربائية

Gطاقة

حركيّة

طاقة

كهربائية

مغناطيس أسالك نحاسية حركة

المولد

الدوار في

المولد التوربينة

تدفق السائل

التكنولوجيا وراء إنتاج الكهرباء من الشمس

توربينات الريح

http://www1.eere.energy.gov/wind/media/expanded_as3_single.swf

وظائف جديدة

دراسة دقيقة لطاقة الرياح

التكنولوجيا وراء إنتاج الكهرباء من طاقة الرياح

مقدار الطاقة المتاحة من الرياح

P = 1/2 ρ A V3

Power in the Wind

(Watt) (kg/m3) m2 m/s

Concentrated solar power plantمصنع الطاقة الشمسية المركزة

http://maroc-solaire.com/

الفرن السترداد أشعة الشمس

هكتار من الغابات سنويا في المغرب30000يتم فقدان

.االستعمال المحدود للحطب والحفاظ على الثروة الغابية

الصلب واأللومنيوم: المواد

واط700قوة

.دقيقة30لتر من الماء في 3تغلي

مصنع الطاقة الشمسية المركزة

مجمع الطاقة الشمسية للنظام يمتص و يحول ضوء الشمس الى حرارة

التوربينات أو قوة

المحرك الذي يدفع

.المولدات

.المنتجات النهائية هي الكهرباء

توليد الكهرباء من خالل تشغيل التوربينة بواسطة بخار بدرجة حرارة عالية و ضغط عالي

تركيز متكامل لضوء الشمس على االنبوب الجامع بدون اي ضياع

.تتبع اشعة الشمس لعكس و جمع ضوء الشمس

C°400ــ300درجة الحرارة يمكنها بسهولة ان تصل الى

Concentrated solar power plant

ترتفع درجة الحرارة في سائل نقل الحرارة الذي يجري بداخل أنابيب

استخدام اآلالف من المرايا لتركيز أشعة الشمس على نقطة مركزية لتوليد الحرارة

وظائف جديدة

الذرات

والجزيئات

الخاليا الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية

طول موجي= اللون

أحمربرتقالي

بنفسجيأزرقأخضرأصفرطاقة واضحة المعالم= كل لون

يؤدي إلى تحرير إلكترون واحدكل لون

تحويل اإلشعاع الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخاليا الشمسية

الذرات والجزيئات قادرة على امتصاص الضوء

تتألف الخلية الشمسية من مواد نصف ناقلةSemiconductor

ترتبط الطاقة والطول الموجي

+

مرور تيار كهربائي في دائرة يحتاج

الى فرق جهد كهربائي

2.5 V

كفاءة تحويل الطاقة هي النسبة المئوية

الطاقة التي يتم تحويلها إلى كهرباءبين

الطاقة المستهلكة

+

-

ضبط كمية من الطاقة التي تتدفق إلى المحرك

يستخدم المحرك الطاقة لدفع العجالت

وحدة تحكم المحرك

تالجالع

تالجالع

تالجالع

تالجالع

تخزين الطاقة

في البطاريات

امتصاص طاقة

الشمس

(ساعة/ كم 40سرعة )سيارات الجولف

الكلية المتعددة التخصصات بورزازات

التكنولوجيا وراء إنتاج الكهرباء من الشمس

Source internet

ضخ المياه باستخدام وحدات الطاقة الشمسية

.اعتمادا على عمق البئر وتدفق المياه المطلوب: وحدات الطاقة الشمسية

ضخ مياه الشرب الموردة مباشرة بواسطة الطاقة الشمسية

هناك أنواع مختلفة من

المحركات لضخ المياه12V 238ــV

متر280ضخ يصل الى

ميتر مكعب500يوميا الى / ميتر مكعب 1

(.برج الماء)إدارة إمدادات المياه

الري

األلواح الشمسية

اإلنتاجاستهالك

الشبكةاالستهالك أكبر من اإلنتاج

اإلنتاج أعلى

من االستهالك

ا تقنية تخزين تلك الطاقة لالستفادة منه

أثناء فترة احتجاب اإلشعاع الشمسي

شبكة ربط األنظمة الكهروضوئية

كم سيكلف تشغيل المصباح لمدة

؟(ساعة24)يوم كامل

100Watts 25Watts

100 Watts x 24 hours = 2400 Watt Hours (2400 Watt Hours = 2.4 Kilowatt Hours)

25 Watts x 24 hours = 600 Watt Hours (600 Watt Hours = 0.6 Kilowatt Hours)

CFLW L

http://en.wikipedia.org/wiki/Compact_fluorescent_lamp

يمكنك إنتاج الكهرباء في منزلك باستخدام الخاليا الشمسية

األلواح الشمسية المتصلة بالشبكة

ة ال تستهلك وقوداً وال تلوث الجو وال تتطلب إال القليل من الصيان

حقن فائض الطاقة في الشبكة

تصنيع الخاليا الشمسية الرقيقة

:تصنيعللمادة المستخدمة في الً تصنف الخاليا الشمسية إلى عدة أنواع تبعاالسليكون البلوري

25%-18منكهربيتيارإلىالشمسأشعةتحويلكفاءةتترواح.29%الىالنظريةالكفاءةوتصل

Crystalline silicon

ةتعتبر بمثابة مكوناً رئيسياً في منظومات انتاج الكهرباء من الطاقة الشمسيوحدات الطاقة الشمسية

42%عنتزيدكفاءةعلىالحصولويمكن35.-30%منكفاءتهاتتراوح

وصالتثالثةأواتصالينذاتخالياتقوم كل طبقة فيها بامتصاص عدة الون من ألوان

الطيف المار

الهدف من الخاليا الشمسية متعددة الوصل هو

امتصاص في مجموعها أكبر قدر من الضوء وتحويله

. إلى كهرباء

.العاليةوكلفتهاصناعتهابصعوبةالخالياهذهوتتميز

بالطاقةاألقمار الصناعيةاستخدمت إلمداد

Multijunctionsالخاليا الشمسية متعددة الوصل

GaAsما تصنع من مادة كاليوم أرسينايدً وهي غالبا

GaInP/GaInAs/Ge Cells have powered

Mars Exploration Rovers (MER)

At $200/m2 the capital cost would be $1.50/Wp

Device fabrication1. Surface etch, Texturing

2. Doping: p-n junction formation

3. Edge etch: removes the junction at the edge

4. Oxide Etch: removes oxides formed during diffusion

5. Antireflection coating: Silicon nitride layer reduces reflection

Cells

Metallurgical Grade Silicon

STEP 1: Metallurgical Grade Silicon (MG-Silicon is produced from SiO2 melted and taken through a

complex series of reactions in a furnace at T = 1500 to 2000°C.

STEP 2: Trichlorosilane (TCS) is created by heating powdered MG-Si at around 300°C in the reactor,

to remove impurities such as Fe, Al and B.

STEP 3: TCS is distilled to obtain hyper-pure TCS (<1ppba) and then vaporized, diluted with high-purity

hydrogen, and introduced into a deposition reactor to form polysilicon: SiHCl3 + H2→Si + 3HCl

Electronic grade (EG-Si), 1 ppb Impurities

STEP 1

STEPE 2 and 3

Source: Wacker Chemie AG, Energieverbrauch: etwa 250kWh/kg im TCS-Process, Herstellungspreis von etwa 40-60 €/kg Reinstsilizium

Ingot sliced

to create wafers

Making single

crystal silicon

Czochralski (CZ)

crucible

Seed crystal slowly grows

Microelectronic

Crystalline Si PV technology (c-Si)تكنولوجيا السليكون البلوري

رمال السيلكا بعد التحول من خالل سلسلة معقدة من

التفاعالت في افران حرارية كهربائية

السيليكون ذات جودة المعدنية

معالجة السيليكون ذات جودة المعدنية

للحصول على جودة السيليكون اإللكترونية

SiO2 + C → Si + CO2

Si + 3HCl SiHCl3 + H2

ن يتم تبريدالسيلكو ع

طريق وضعه في

قوالب أفقية

(MG-Silicon

يؤرب إلي رقائق و تعالج عبر مراحل مختلفة لتصل إلي خاليا شمسية

أنواع الخاليا الشمسيةThin Film Solar Cells هو الجيل الثاني من الخاليا الشمسية االغشية الرقيقة خاليا

على امتصاص الطاقة الشمسية قابلية أكبر تطوير وتصنيع مواد لها

متر(1000000/ 2 )استفادة ممكنة من فيلم رقيقة جدامثال واعد في صناعة رقائق الخاليا الشمسية

رمزه الكيميائيCu(In,Ga)(Se,S)2

(كبريت)مركب نحاس إنديوم غاليو سيلينيد

تحول جزيئات المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية بفعل الحرارة: التبخر

تقنية لصناعة الخاليا الشمسية بتكلفة قليلة

ترسيب تحت الفراغ لفلزات النحاس والغاليوم واالنديوم

CupperGalliumIndium

غاليونحاس إنديوم

ثم يحمى الناتج ويخمر حرارياً مع بخار السيلينيد والكبريتSe S

سيلينيدكبريت

اثنين من الهامبرغر مع نفس

الكمية من السعرات الحرارية

السليكون البلوري

خاليا االغشية الرقيقة

موصل من الخلف

ححي

صغير

س مقيا

تصنيع الخاليا الشمسية الرقيقة

Back contact

Cu(In,Ga)Se2

1m

1000.000

1m

10.000.000.000

Heterojunctionإنشاء وصلة متغايرة

الزنكأكسيد i-ZnOمركب العضوي

CdS طبقة رقيقة جدا

شبه موصل سالب عن طريق إشابته باأللومنيوم

الزنكأكسيد ZnO:Alمركب العضوي

Soda-lime-Glassكلس-زجاج صودا

الموليبدنوممغطاة بأحد وجهيها بطبقة من فلز

Sequences of thin films

سلسلة من األغشية الرقيقة

دراسة بالمجهر إلكتروني

لفظ الذرات من مادة صلبة لدى تعريضها إلى

قذف من جسيمات عالية الطاقة

Cu(In,Ga)Se2Sputtering technology

حالة متميزة من

المادةحاالت

Plasma

الرش المهبطي

الجيل الثاني والثالت من الخاليا الشمسية

Organic thin film PV

Inorganic Thin Film PV

نظريا يمكن الحصول على كفاءة تحويل الطاقة بنسبة عالية جدا

الخاليا الشمسية من الجيل الثاني والثالت من بين التكنولوجيات الناشئة

البحث والتطوير ال يزال مستمرا

تطوير تكنولوجيا الطباعة

C60poly-3-hexyl-

thiophene (P3HT)

20.4%

~11.1%

~12%

19.7%

18.7%

Cadmium free

CIGSS Jan. 2013

Flexible substrate

CIGSe Jan. 2013

Cu-Zn-Sn-S-Se

2011 - 2013

Organic PV 2013

TU Dresden

Heliatek GmbH

CdTe/CdS Feb. 2013

الخاليا الشمسية البالستيكية

خالية من الكادميوم

fullerene

الخاليا الشمسية البالستيكية

Cu(In,Ga)Se2

االستدامة واالقتصاد المبني على المعرفة Sustainability and Knowledge Based Economy

مفهوم التنمية المستدامة

Biogeochemical cycle

الدورات الكيميائية الحيوية

المنظومة البيئية

Ecosystem

الكائنات الحية من نبات وحيوان وكائنات أخرى تتفاعل مع بعضها في

.بيئتها في نظام بالغ الدقة والتوازن حتى تصل إلى حالة االستقرار

The concept of sustainable development

قدرتنا على حفظ نوعية الحياة التي نعيشها على المدى الطويل وهذا يعتمد على حفظ

.العالم الطبيعي واالستخدام المسؤول للموارد الطبيعية

.إدماج المبادئ البيئية واالقتصادية في عملية صنع القرار الشخصية والعامة

environmental degradation & economic growth التدهور البيئي والنمو االقتصادي

.التعليم من أجل التنمية المستدامة ينطوي على نهج شامل إلصالح التعليم

يتطلب انتباه المدرسين، اإلداريين التربويين ، وكاالت المناهج الدراسية

إدماج أهداف ومفاهيم وخبرات التعلم والتعليم من أجل التنمية المستدامة : إصالح التعليم

في المناهج والبرامج التعليمية

CULTURE

ECONOMICS

اإلنتاج والموارد

عمليات التبادل والنقل

المحاسبة والتنظيماالستهالك واالستخدام

العمل والرفاه

التكنولوجيا والبنية التحتية

الثروة وتوزيعها

POLITICSالعلوم السياسة

التنظيم واإلدارة

القانون والعدالة

التواصل والحركة

التمثيل والتفاوض

األمن والوفاق

الحوار والمصالحة

األخالقيات والمساءلة

ECOLOGY

المواد والطاقة

الماء والهواء

النباتات والحيوانات

االنبعاثات والنفايات

المكان والفضاء

الثقافةالمشاركة والهوية

الترفيه واإلبداع

الذاكرة واإلسقاطالعقيدة والمضمون

االستفسار والتعلم

علم االقتصادعلم البيئة

.ينبغي أن يكون هذا واضح ومفهوم بشكل جيد

.هو دور التربية والتكوين المستمر في جامعاتنا

وسيلة لتقييم االستدامة وإدارة المشاريع الموجهة نحو تحقيق نتائج مستدامة اجتماعيا

Circles of Sustainability دوائر االستدامة

رنانجيد

مرضية للغاية

مرضية +

مرضية -غير مرضية للغاية

سيئةحرج

االستدامة واالقتصاد المبني على المعرفة Sustainability and Knowledge Based Economy

أهمية ودور المعرفة واالبتكار في األداء االقتصادي

نسبة التكنولوجيا في الصادرات

يبنى النمو االقتصادي على تراكم المعرفة

سياسة وطنية للعلم والتكنولوجيا واالبتكار

توليد ونشر واستثمار المعرفة

ربط التعليم باالقتصاد

مجتمع متعلم وخبير

االستدامة واالقتصاد المبني على المعرفة Sustainability and Knowledge Based Economy

البحت والتنمية في مجال الطاقة المتجددة لتحل محل النفط والغاز اقتصاديًا

global Competitiveness

التركيز على الطاقات النظيفة والتكنولوجيات الجديدة

يجب علينا أن نضع في اعتبارنا التنافسية العالمية

شراكة بين الجامعة والصناعة

Marketing

Technological

developmentPilot deployment

Pilot line

Knowledge

Tech

no

log

ical

researc

h

Pro

du

ct

develo

pm

en

t

Co

mp

eti

tive

man

ufa

ctu

rin

g

Globally competitive

manufacturing facilities

The pillars bridge for the development of our country

التطور التكنولوجي خط تجريبي تصنيع قادر على المنافسة عالميا

يجث التكنولو

حالب

تجا

طوير المنتت

سةى المناف

علصنيع قادر

ت

معرفة تسويق

االستدامة واالقتصاد المبني على المعرفة

ركائز الجسر لتطوير بلدنا

تكنولوجيات توليد الكهربائية من الطاقة الشمسية

CO2

H2O

O2 أكسجين

الطاقة في

شكل مواد غذائية

الماء

(CH20)n

الهواءالكربون من

Prof. Ahmed EnnaouiHelmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

E-mail: ennaoui@helmholtz-berlin.de

شكرا لكم على اهتمامكم