فتوولتائیک چیست؟
فتوولتائیک سیستمی است که قادر به تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریسیته می‌باشد. استفاده از سیستمهای فتوولتائیک به ما این قابلیت را می‌دهد که محیط زیست پاکیزه‌ای داشته باشیم، چرا که سیستم تولید الکتریسیته فتوولتائیک اثرات جانبی بسیار ناچیزی بر طبیعت دارد. به پدیده‌ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم‌های محرک، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند.
انرژی خورشیدی
مقدار انرژی تابشی خورشید بر روی کره زمین در واحد زمان، ۶۰۰۰ برابر کل مصرف انرژی‌های سالیانه بر روی زمین است که این مطلب نشان دهنده اهمیت توجه به این منبع در تأمین نیازهای روزمره بشر است. اگر تا به حال انرژی خورشیدی رقیبی جدی برای سوخت‌های فسیلی محسوب نمی‌شده‌است، به دلیل پایین بودن تاریخی قیمت سوخت‌های فسیلی بوده‌است. اگر چه هنوز هم فناوری استفاده از انرژی خورشیدی به بلوغ خود نرسیده‌است، اما رسیدن به این تکامل نزدیک است. بسیاری ازکشورهای جهان در تلاشند تا با جایگزینی انرژی خورشیدی در تولید حرارت و الکتریسیته حداکثر استفاده از این منبع انرژی را به دست آورده و زیان‌های ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی را کاهش دهند.
تاریخچه فتوولتائیک
عبارت فتوولتائیک “Photovoltaic” ترکیبی از کلمه یونانی “Photos” به معنی نور با “Volt” به معنای تولید الکتریسیته از نور است.کشف پدیده فتوولتائیک به فیزیکدان فرانسوی Edmond Becquerel نسبت داده می‌شود که در سال ۱۸۳۹ با چاپ مقاله اي تجربيات خود را با باتري تر ارائه نمود. او مشاهده نمود که ولتاژ باتري وقتي که صفحات نقره اي آن تحت تابش نور خورشيد قرار مي گيرند، افزايش نمي يابد .اما اولين گزارش از پديده PV در يك ماده جامد در سال ۱۸۷۷ بود وقتيكه دو دانشمند کمبريج W.G.Adams و R.E. Day در مقاله اي تغييراتي که در خواص الكتريكي سلنيوم وقتي که تحت تابش نور قرار مي گيرد را، توضيح دادند. در سال ۱۸۸۳ يك مهندس برق اهل نيويورک بود به نام Charles Edgar Fritts ، يك سلول خورشيدي سلنيومي ساخت که از برخي جهات شبيه به سلولهاي خورشيدي سيليكوني امروزي بود. اين سلول از یک ویفر نازک سلنیوم تشکیل شده بود که با یک توری از سیم های خیلی نازک طلا و یک ورق حفاظتی از شیشه پوشانده شده بود. اما سلول ساخت او خیلی کم بازده بود. بازده یک سلول خورشیدی عبارت از درصدی از انرژی خورشیدی تابیده به سطح آن می‌باشد که به انرژی الکتریکی تبدیل شده باشد. کمتر از % ۱ انرژی خورشیدی تابیده شده به سطح این سلول ابتدایی به الکتریسیته تبدیل می‌شد. با وجود این، سلولهای سلنیومی در نورسنج‌های عکاسی به طور وسیعی بکار گرفته شد.
فناوری سلول های خورشیدی
عنصر اصلی در ساخت سلولهای خورشیدی، نیمه هادیهایی مانند سیلیکون و گالیم آرسناید می باشد. اساس کار سلولهای خورشیدی بر مبنای تئوری الکترونهای مدارات اتم قابل توجیه است.
در سطح خارجی تراز انرژی اتم، دو سطح تراز مشخص وجود دارد. سطح تراز ظرفیت اتم «والانس» که در عملیات شیمیایی دخالت دارد و سطح تراز هدایت اتم «لایه هدایت» که در هدایت الکتریکی نقش دارد. همان طور که میدانید هر اتم برای اینکه از تراز ظرفیتی خود به تراز هدایت انتقال یابد، احتیاج به مقدار مشخصی انرژی دارد که به آن «انرژی گپ» می گویند. علت استفاده از نیمه هادی ها هم دقیقا به این خاطر است که این عناصر نیاز به انرژی گپ بسیار پائین دارند تا به تراز هدایت منتقل گردند و با حرارتی کم در حد حرارت محیط می توانند این انرژی را تامین نمایند. در نیمه هادیها با اضافه کردن ناخالصی به کریستال خالص آنها می توان میزان انرژی گپ را بیش از پیش کاهش داد. اگر به سیلیسیم که یک نیمه هادی است «فسفر» اضافه شود دارای بار منفی و اگر « بر» اضافه شود دارای بار مثبت می گردد.
حال اگر به الکترونی که در تراز ظرفیت است انرژی بیش از مقدار انرژی گپ داده شود به تراز هدایت منتقل شده و باعث ایجاد الکترون و حفره ای آزاد می گردد. لذا از همین خاصیت برای ساخت نیمه هادی های نوع N و P استفاده می گردد.
در اثر برخورد نور به سطح نیمه هادی نوع PN و کسب انرژی گپ، حاملهای بار «الکترون – حفره» بوجود آمده که می توانند در داخل نیمه هادی حرکت نموده و تولید الکتریسیته نمایند.
مواد گوناگونی تاکنون در ساخت سلول های خورشیدی استفاده شده اند که بازده و هزینه-های ساخت متفاوتی دارند. در واقع این سلول ها باید طوری طراحی شوند که بتوانند طول موج های نور خورشید را که به سطح زمین می رسد با بازده بالا به انرژی مفید تبدیل کنند. موادی که برای ساخت سلول های خورشیدی استفاده می شوند را می توان در سه نسل طبقه بندی نمود:
- نسل اول فناوری های فتوولتائیک: سلول های کریستالی
سیلیکون یک نیمه هادی بسیار مناسب برای استفاده در سیستمهای فتوولتائیک می باشد. سلولهای کریستالی سیلیکون بسته به این که ویفرهای سیلیکونی به چه روش ساخته می شوند به ۲ دسته کلی تقسیم بندی می شوند: مونو کریستال سیلیکونی و پلی کریستال سیلیکونی. دسته دیگر از سلولهای کریستالی شامل گالیم آرسناید می باشد.
- نسل دوم فناوری های فتوولتائیک: سلول های خورشیدی تین فیلم
پس از بیش از ۲۰ سال تحقیق و توسعه، سلولهای خورشیدی تین فیلم شروع به گسترش نمودند. تین فیلم ها به طور قابل ملاحظه ای در هزینه تولید الکتریسیته نسبت به ویفرهای سیلیکونی کاهش ایجاد نمودند.
سه نوع اصلی سلولهای خورشیدی تین فیلم که در حال حاضر تجاری شده اند شامل:
- سیلیکونهای آمورف (a-Si , a-Si/μc-Si)
- کادمیوم تلورید (Cd-Te)
- مس- ایندیم- سلنید (CIS) و مس – ایندیم – گالیم- دیسلنید (CIGS)
- نسل سوم فناوری های فتوولتائیک
فناوری های این نسل در مرحله پیش از تجاری سازی به سر می برند. فناوری های نسل سوم به دسته های زیر تقسیم می شوند:
- CPV
- سلول های خورشیدی ارگانیک
- سلول های خورشیدی حساس به رنگ
- سلول های خورشیدی پلیمری
- سلول های خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع
اجزای سیستم فتوولتائیک
اجزا کلی یک سیستم فتوولتائیک عبارتند از: صفحه‌ها(پانل‌ها)ی خورشیدی، باتری‌های ذخیره، مبدل برق مستقیم به متناوب، دستگاه کنترل‌کننده، سازه فلزی یا ساختمانی، کابل‌های ارتباط.
- پانل های خورشیدی
پانل های خورشیدی عبارتند از تعدادی ماژول که به هم متصل شده‌اند و از اجتماع پانل‌ها آرایه‌ها به وجود می‌آیند. آرایه‌های فتوولتائیک به‌طور کلی به دو حالت سری یا موازی به هم متصل می‌شوند. این آرایه‌ها به حالت ثابت یا ردیاب متحرک که بنابر فصل با زاویه تابش خورشید خود را تطبیق می‌دهند، نصب می‌شوند. ردیاب‌ها بر دو نوع هستند، ردیاب‌هایی که بر روی یک محور یا بر روی دو محور دوران می‌کنند و ردیاب‌ها همواره پانل‌های خورشیدی را در جهت تابش خورشید نگاه داشته بنابراین موجب افزایش راندمان خروجی پانل‌ها تا ۲ برابر می‌شوند.
پنل خورشیدی از اجزای اصلی سیستمهای فتوولتاییک به حساب می‌آید. ۶ جزء اصلی یک پنل خورشیدی نشان داده شده است.
6 جزء اصلی یک پنل خورشیدی
- قاب آلومینیوم
- شیشه – ضخامت 3 تا 4 میلی متر
- سلول های سیلیکون PV با باس‌بار
- انعقاد -لایه های EVA
- پلیمر بک‌شیت back sheet
- جعبه تقسیم – دیودها و اتصالات -Junction Box
- باتری
بانک باتری معمولاً ۱۲ ولتی بوده و تعدادی باتری را شامل می‌شود و به صورت سری به هم متصل شده و ولتاژ مورد نیاز سیستم را تأمین می‌نماید. در سیستمهای منفصل از شبکه، انرژی ذخیره شده در باتری‌ها، در هنگام شب یا مواقع ضروری دیگر به کار گرفته می‌شود. در سیستمهای پشتیبانی در مواقع قطع برق شبکه سراسری از باتری استفاده می‌شود، سیستمهای متصل به شبکه نیازی به باتری ندارند.
- دستگاه کنترل شارژ باتری
دستگاه کنترل شارژ باتری در سیستمهای فتوولتائیک منفصل از شبکه، به منظور جلوگیری از تخلیه کامل باتری‌ها یا شارژ بیش از حد باتری‌ها به کار می‌رود. کلیه سیستمهای استاندارد منفصل از شبکه خورشیدی خانگی دارای دستگاه کنترل شارژ باتری هستند.
- مبدل
برق تولیدی توسط پانل‌های خورشیدی به صورت DC بوده و با کمک مبدلها به برق AC تبدیل می‌گردد. مبدلها در انواع و سایزهای مختلفی ساخته می‌شوند و برخی از آنها بازده بسیار بالایی دارند.
- سازه‌های فلزی یا ساختمانی
از اجزاء اصلی سیستمهای فتوولتائیک بوده و نگهدارنده ماژول در جهت و زاویه خاص به سمت نور خورشید هستند. جنس سازه‌های ساختمانی از فلز یا مواد مصنوعی مقاوم در برابر عواملی نظیر باد و بارندگی می‌باشد. سازه‌های ساختمانی متناسب با موقعیت استقرار سیستمهای فتوولتائیک طراحی و انتخاب می‌گردند.
انواع سامانه‌های فتوولتائیک
دو نوع اصلی از سامانه‌های فتوولتائیک (PV) برای استفاده در ساختمان‌ها وجود دارد: مستقل از شبکه و متصل به شبکه. هنگامی که اتصال به شبکه برق ممکن نبوده یا مورد دلخواه نباشد نیاز به یک سامانه مستقل می‌باشد.
در چنین مواردی برای تأمین برق به هنگام شب یا در روزهای ابری و نیز هنگام نیاز به حداکثر مقدار برق نیاز به چند انباره (باتری) می‌باشد. اندازه آرایه هایPV طوری تنظیم می‌شود که هم بارهای معمول روز هنگام و هم شارژ انباره‌ها را مهار کنند. در یک سامانه متصل به شبکه، برای تغییر جریان مستقیم از آرایه PV به جریان متناوب (AC)با ولتاژ مناسب شبکه نیاز به یک مبدل می‌باشد.
باید توجه داشت که در این حالت نیازی به انباره وجود ندارد و بدین ترتیب صرفه جویی قابل توجهی هم در هزینه و هم در نگهداری سامانه، ایجاد خواهد شد. در سامانه‌های مستقل، الکتریسیته مازادی که در طول روز تولیده شده‌است برای استفاده در شب یا روزهای تاریک و ابری در انباره‌ها ذخیره می‌گردد. از آنجا که قیمت مبدلها و سلولها و انباره گران می‌باشد، یک سامانه ترکیبی (هیبریدی) که از نیروی باد استفاده می‌کند اغلب مکمل ایده آل برای سامانهPV می‌باشد چرا که نه تنها در طول شب باد می‌وزد بلکه در هوای بد نیز معمولاً باد قابل توجهی وجود دارد. علاوه بر آن در زمستان، زمانی که انرژی خورشیدی کمی برای برداشت وجود دارد هوا معمولاً باد خیزتر از تابستان می‌باشد. با این حال تمام مناطق برای استفاده از نیروی باد مناسب نیستند.
کاربردهای سلولهای فتوولتائیک
از جمله موارد کاربرد سلولهای فتوولتائیک عبارتند از: تأمین انرژی مورد نیاز حصارهای الکتریکی، تأمین روشنایی مناطق دور افتاده، سیستمهای مخابراتی از راه دور، پمپاژ کردن آب، سیستمهای تصفیه آب، تأمین برق مناطق روستایی، ماشین حساب، ساعت و اسباب‌بازی‌ها، سیستمهای اضطراری، یخچال‌های نگهداری واکسن و خون برای مناطق دورافتاده، سیستمهای تهویه استخرها، ماهواره‌ها و تجهیزات فضایی. به‌طور کلی کاربردهای سلولهای فتوولتائیک را می‌توان به سه دسته طبقه‌بندی نمود:
- کاربردهای متصل به شبکه
- کاربردهای مستقل از شبکه
- کاربردهای سیستمهای پشتیبانی
- کاربردهای متصل به شبکه سیستمهای فتوولتائیک
طراحی سیستمهای فتوولتائیک متصل به شبکه، به گونه‌ای است که هم‌زمان و به‌طور متصل به شبکه برق سراسری عمل می‌نمایند. یکی از اجزاء اصلی سیستمهای فتوولتائیک متصل به شبکه، مبدلها هستند که برق DC تولیدی توسط سلولهای خورشیدی را متناسب با ولتاژ و توان شبکه برق منطقه‌ای به AC تبدیل نموده و در هنگام عدم نیاز، به‌طور خودکار انتقال نیرو را قطع می‌نماید. به‌طورکلی ارتباطی دو جانبه میان سلولهای فتوولتائیک و شبکه انتقال نیرو وجود دارد به نحوی که اگر برق DC تولیدی توسط سیستمهای فتوولتائیک بیش از نیاز سایت باشد، مازاد آن به شبکه برق سراسری تغذیه می‌گردد و در هنگام شب و مواقعی که به دلایل اقلیمی، امکان استفاده از نور خورشید وجود ندارد، بار الکتریکی مورد نیاز سایت توسط شبکه برق سراسری تأمین می‌گردد. همچنین در کاربردهای متصل به شبکه در صورتی که سیستم فتوولتائیک به دلایل تعمیراتی از مدار خارج گردد، برق مورد نیاز سایت از طریق شبکه برق سراسری تأمین خواهد شد.
- کاربردهای مستقل از شبکه سیستمهای فتوولتائیک
طراحی سیستمهای منفصل از شبکه به گونه‌ای است که مستقل از شبکه برق سراسری عمل نموده و غالباً جهت تولید بار الکتریکی DC یا AC طراحی می‌شوند. به منظور تولید برق توسط سیستمهای منفصل از شبکه، می‌توان از توربین‌های بادی، ژنراتورها یا از شبکه برق سراسری به عنوان نیروی کمکی استفاده نمود، به این‌گونه سیستم‌ها، هیبرید فتوولتائیک گویند. در سیستمهای منفصل از شبکه به منظور ذخیره انرژی و بکارگیری آن در هنگام شب یا مواردی که نور خورشید به اندازه کافی وجود ندارد از باتری استفاده می‌گردد.
- سیستمهای پشتیبانی
مهمترین کاربرد سیستمهای پشتیبانی فتوولتائیکی، در طی دوره قطع برق شبکه سراسری است. یک سیستم پشتیبانی فتوولتائیک کوچک تأمین‌کننده برق مورد نیاز تجهیزاتی همچون روشنایی، کامپیوتر، تلفن، رادیو، فاکس و … می‌باشد و سیستمهای بزرگ‌تر می‌توانند برق مورد نیاز تجهیزاتی همچون یخچال را در زمان قطع برق تأمین نمایند.
تولید سلولهای خورشیدی در جهان
نیروی خورشیدی سریع‌ترین نرخ رشد را در میان منابع تولید برق داشته و سهم بازار را از سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ حرارتی و گاز طبیعی ربوده است، زیرا دولت‌ها و شرکت‌ها به میزان فزاینده روی معرفی اهداف انرژی پاک متمرکز شده‌اند.
بازار جهانی تولید سلولهای PV با رشد چشمگیری در حال پیشرفت است. این رشد از سال ۲۰۰۳ در حدود ۵۰٪ در سال بوده‌است. در سال ۲۰۰۶ ظرفیت تولید سلولهای فتوولتاییک در سطح جهان به 2.520مگاوات رسید. در این سال سهم سلولهای فتوولتاییک کریستالی بیش از ۹۰٪ و سهم سلولهای PV فیلم-نازک در حدود ۸٪ بوده‌است.
بانک آمریکایی گلدمن ساکس پیش‌بینی کرد با توسعه انرژی خورشیدی در آمریکا، اروپا، خاورمیانه و چین، انتظار می‌رود ظرفیت انرژی خورشیدی جهانی در مقیاس گسترده برای تولید نیرو در سال‌های ۲۰۱۹ و ۲۰۲۰ دو برابر رشد کند.
بانک آمریکایی گلدمن ساکس در یادداشت تحقیقاتی نوشت: ما انتظار داریم هزینه‌های کمتر نیروی خورشیدی و حمایت‌های سیاستی مطلوب، زمینه مساعدی را برای رشد ظرفیت انرژی خورشیدی در مقیاس گسترده برای تولید نیرو فراهم کند.
گلدمن ساکس پیش‌بینی کرد نصب انرژی خورشیدی در مقیاس گسترده برای تولید نیرو در سطح جهانی امسال به ۱۰۸ گیگاوات خواهد رسید که ۱۲ درصد بالاتر از سال گذشته خواهد بود و سپس ۱۰ درصد دیگر در سال ۲۰۲۰ رشد کرده و به ۱۱۹ گیگاوات می‌رسد.
این بانک انتظار دارد رشد ظرفیت خورشیدی در سال ۲۰۲۱ به ۱۲۹ گیگاوات و در سال ۲۰۲۲ به ۱۳۵ گیگاوات بالغ شود.
با در نظر گرفتن تأسیسات خورشیدی مسکونی، اکثر تحلیلگران انتظار دارند ظرفیت تولید نیروی خورشیدی جهانی به زودی به ۶۰۰ گیگاوات صعود خواهد کرد.
بر اساس گزارش رویترز، رشد نیروی خورشیدی تنها مرهون توجه دولت‌ها به اهداف پایداری و انرژی پاک نبوده است بلکه قیمت پنل‌های خورشیدی در سال‌های اخیر افت چشمگیری پیدا کرده است.
طبق اعلام شرکت مشاوره انرژی “وود مک کنزی”، هزینه پنل‌های خورشیدی در آمریکا از حدود ۷۰ دلار به ازای هر وات برق که در سال ۱۹۸۰ تولید شد، به ۳۶ سنت در هر وات کاهش پیدا کرده است.
مزایای استفاده از سیستمهای فتوولتائیک
- فناوری فتوولتاییک بالغ، محکم و قابل اعتماد بوده، و هیچگونه اجزای متحرک نداشته و نیاز به نگهداری کمی دارد.
- به سوخت یا شبکه تأمین سوخت نیاز ندارد.
- نصب سیستم فتوولتاییک نسبتاً آسان و سریع است، بخصوص سیستمهای متصل به شبکه.
- اجزاء مورد استفاده در سیستمهای فتوولتاییک طی استفاده‌های طولانی مدت، قابلیت اطمینان خود را ثابت کرده‌اند
- به اشعه ماوراء بنفش و آب و هوا مقاومند و تحمل دمای بالا را دارند.
- به صورت ماژولی هستند و سیستم‌ها می‌توانند در هر سایزی وجود داشته باشند.
- سیستم فتوولتاییک مستقل می‌تواند توان را تقریباً در هر نقطه از سیاره زمین تأمین کند.
- سیستم فتوولتاییک تشعشعات گاز گلخانه‌ای و دی‌اکسید کربن را کاهش می‌دهد.
- سیستم فتوولتاییک عموماً آلودگی را کاهش می‌دهد.
- سیستم فتوولتاییک به حفاظت از منابع کمیاب کمک می‌کند.
- فتوولتاییک تقریباً در هر جایی، یک بازار به سرعت در حال رشد است که تجار تهای مختلف دیگر می‌توانند خود را در گوشه‌ای از آن جای دهند.
- عمر مفید بالایی دارد (بیش از ۲۰ سال)
معایب استفاده از سیستمهای فتوولتائیک
- هزینه تولید برق توسط سلولهای PV بیشتر از هزینه تولیدی برق ناشی از سوخت‌های فسیلی می‌باشد.
- برق تولیدی از انرژی خورشیدی غیرقابل اعتماد بوده و همواره در دسترس نمی‌باشد و میزان تولیدات به شرایطی نظیر حالت وضعی خورشید، شرایط اتمسفر، ابری بودن و … بستگی دارد.
- هزینه‌های اولیه نصب سیستمهای PV زیاد است.
- به منظور استفاده از انرژی خورشیدی در شب باید از باتری برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده گردد.
- برای مصارف زیاد الکتریسیته، نیاز به مساحت زیادی برای نصب سلولهای PV می‌باشد
- کمبود نیروهای متخصص و کارآمد برای طراحی و نصب سیستمهایPV
منابع
“نظرات خود را با ما در میان بگذارید”
