سیستم فتوولتائیک

انرژی خورشیدی منحصربه‌فردترین منبع انرژی تجدیدپذیر در جهان است و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین است. انرژی خورشیدی که توسط سلول های خورشیدی تولید می شود، به صورت مستقیم و غیرمستقیم می‌تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل گردد.

تولید انرژی از طریق تابش آفتاب انوع مختلفی را شامل می شود که عبارتند از:

– استفاده از سلولهای خورشیدی (فتوولتائیک):  در این روش مستقیما از تابش برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می شود.

– استفاده از کلکتورهای هیلواستات: مانند آئینه، برروی یک نقطه متمرکز می گردد.

– استفاده از کلکتورهای سهموی خطی: متمرکز برروی خط و به صورت پیش گرمایش.

– استفاده از دودکش خورشیدی: دودکشی درمیان فضای شیشه ای که بر اثر ایجاد فضای گلخانه ای ، درون آن گرم شده و براثر اختلاف دما از دودکش آزادشده و انرژی تولید می کند.

سلول های خورشیدی(فتوولتائیک)

فتوولتائیک: به پدیده ای میگویند که در اثر آن تابش مستقیم نور خورشید تبدیل به انرژی الکتریکی می شود.

سیستم فتوولتائیک: به هر سیستمی که به کمک پدیده فتوولتائیک از نور خورشید مستقیما برق تولید کند، سیستم فتوولتائیک می گویند.

اساس کار سیستم فتوولتائیک: سیستم فتوولتائیک که به اختصار آن را pv گویند، در اصل براساس پدیده فتوولتائیک جهت اکتشافات فضایی ابداع و اختراع شده است.

اجزا سیستم فتوولتائیک: یک سیستم فتوولتائیک بسته به نوع آن از اجزاء زیر تشکیل شده:

1- ماژول و پنل های خورشیدی

2- اینورتر

3- شارژر( کنترلر )

4- باطری

سلول خورشیدی

سلولهای خورشیدی در واقع لایه های نازکی از جنس نیمه هادی هستند که به کمک پدیده فتوولتائیک نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.

به مجموعه ای از سلول ها که به صورت سری بسته می شوند و دریک مجموعه قرار می گیرند، ماژول می گویند. چنانچه یک یا چند ماژول برروی یک استراکچر یا سازه قرار بگیرند به آن پنل می گویند.

به مجموعه پنل هایی که در یک ردیف با یکدیگر سری شوند ، رشته یا STERN یا نیروگاه یا آرایه خورشیدی می گویند.

سلول های خورشیدی معمولا از جنس های مختلفی ساخته می شود اما اساس کار همه آنها به اینصورت است که هنگامی که نور به آنها برخورد می کند؛ به واسطه ایجاد میدان مغناطیسی (الکتریکی) موجود در درون سلول، الکترون ها از یکدیگر جداشده و اختلاف پتانسیلی بین وجه بالایی سلول و وجه پائینی سلول به وجود می آید. در واقع یک سلول خورشیدی در زیر نور خورشید دقیقا شبیه به یک باطری عمل می کند.

استفاده سیلیسیم

سیلیسیم یک نیمه هادی که به طور خالص از نظر هدایت الکتریکی، هادی ضعیفی به حساب می آید. ولی چنانچه در موقع پالایش به آن مقداری فسفر اضافه شود به دلیل ساختار الکترونی منفرد (داشتن 5الکترون در لایه آخر) نیمه هادی ساخته شده؛ دارای بار منفی می باشد و اصطلاحا این نیمه هادی را، نیمه هادی نوع Nگویند .(Type N).اما اگر در زمان پالایش آن از عنصر بور استفاده شود به دلیل آنکه در لایه آخر خود3 الکترون دارد؛ نیمه هادی ساخته شده، دارای بار مثبت خواهد بود و اصطلاحا آن را نیمه هادی نوع P می گویند.(Type P)

چنانچه یک سلول خورشیدی را به صورت عرضی برش بزنیم لایه های زیر را در آن خواهیم دید:

نحوه عملکرد سلول خورشیدی

با برخورد یک فوتون (نور) با اتصال P-N الکترون موجود در نیمه هادی نوع N جدا می شود و به کمک صفحه اتصال رویی، الکترون آزاد شده جذب می شود و همزمان با آزاد شدن الکترون، حفره ای در نیمه هادی نوع N به وجود آمده که این حفره تحت میدان الکتریکی موجود در اتصال P-N به نیمه هادی نوع P منتقل می شود.

الکترون جذب شده توسط صفحه اتصال رویی (مولتی وایر- باسبار) الکترون آزاد شده می تواند به مصرف کننده انتقال داده شود و چنانچه سلول به یک مصرف کننده متصل شود، الکترون مذبور مصرف کننده را راه اندازی خواهد کرد.الکترون مجددا توسط صفحه اتصال زیری و نهایتا توسط حفره ها حرکت کرده و توسط نیمه هادی نوع P جذب می شود. این فرایند تا زمانی که تابش نور بر روی سلول برقرار باشد ادامه می یابد.

اختلاف پتانسیل ایجاد شده بدین صورت مستقل از مساحت سلول بوده و در حدود 0.5 الی 0.6 ولت خواهد بود. از آنجایی که دما برروی این فرایند تاثیرگذار است، در نظر گرفتن تاثیرات دما در طراحی سیستم خورشیدی اهمیت زیادی دارد و به منظور ایجاد اختلاف پتانسبل بالاتر، تعداد زیادی سلول را با یکدیگر سری کرده و به اختلاف پتانسیل بیشتری دسترسی پیدا می کنیم.

این سیستم به دو روش طراحی می گردد:

1- طراحی سیستم منفصل(جدا) از شبکه:

سیستم های جدا از شبکه به دلیل طول عمر مناسب و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری عموما در مواردی کاربرد دارند که سوخت رسانی دشوار باشد و یا شبکه برق در محل موردنظر نداشته باشیم.

کاربرد سیستم جدا از شبکه:

– برق رسانی به مناطق روستایی و دراز شبکه برق سراسری

– کاربردهای مخابراتی همچون ایستگاه های هواشناسی، زلزله نگاری، ایستگاه مخابراتی و…

– سیستم های پشتیبانی برق در زمان قطعی

– پمپ های خورشیدی

– مبلمان شهری

2-طراحی سیستم متصل به شبکه:

طراحی سیستم‌های فتوولتاییک متصل به شبکه، به گونه‌ ای است که هم زمان و به طور موازی با شبکه‌ ی برق سراسری توان تولید می‌نمایند . یکی از اجزاء اصلی سیستم‌ های فتوولتاییک متصل به شبکه، مبدل الکترونیک قدرت است که برق DC تولیدی توسط آرایه‌ های فتوولتاییک را متناسب با ولتاژ و فرکانس شبکه به برق AC تبدیل نموده و در صورت عدم نیاز، به طور خودکار انتقال نیرو را قطع می‌ نماید . به طور کلی ارتباطی دو جانبه میان سیستم‌ های فتوولتاییک و شبکه‌ ی برق وجود دارد، به نحوی که اگر برق DC تولیدی توسط سیستم‌ های فتوولتاییک بیش از نیاز بار مصرفی محلی باشد مازاد آن به شبکه‌ ی برق سراسری تغذیه می‌ گردد . در هنگام شب و مواقعی که به دلایل اقلیمی امکان استفاده از نور خورشید وجود ندارد، بار الکتریکی مورد نیاز سایت توسط شبکه‌ ی برق سراسری تأمین می‌ گردد. همچنین در کاربرد‌ های متصل به شبکه در صورتی که سیستم فتوولتاییک به دلیل تعمیرات از مدار خارج گردد، برق مورد نیاز مصرف محلی از طریق شبکه‌ ی برق سراسری تأمین خواهد شد.

امروز با توسعه روش های تولید ارزان قیمت مبدل های خورشیدی توسط دانشمندان مختلف در سرتاسر جهان این نوع انرژی جای خود را در زندگی مردم باز کرده است . به جرات می توان گفت تا الان به خوبی توانسته به نیاز های مردم پاسخ مناسبی دهد.