سیستم برق خورشیدی

به پدیده‌ای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیزم‌های مکانیکی، الکتریسیته تولید شود پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی‌که از این پدیده‌ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. از آن جا که منبع نور معمولاً از خورشید است، این سلول‌ها را به نام سلول‌های خورشیدی می‌شناسند. سیستم‌های فتوولتائیک یکی از پر مصرف‌ترین کاربرد انرژی‌های نو می‌باشند و تاکنون سیستم‌های گوناگونی با ظرفیت‌های مختلف (۵/۰ وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده‌ است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم‌ها هر روزه بر تعداد متقاضیان آن‌ها افزوده می‌شود.

سیستم‌های فتوولتائیک امکان تولید برق پاک، قابل اطمینان و بی سر و صدا را فراهم می‌کنند. استفاده از سلول‌های فتوولتائیک به چندین دلیل مفید است؛ اول این که تبدیل نور خورشید به الکتریسیته مستقیم است، بنابراین استفاده از سیستم‌های تولید کننده مکانیکی در حجم زیاد لازم نیست. دوم این که قابلیت اتصال ساده‌ی سلول‌های فتوولتائیک، اجازه می‌دهد که به طور سریع آرایش سلول‌ها در هر اندازه مورد نیاز نصب شوند. همچنین به وجود آب در سیستم نیاز نیست و بنابراین تولید برق محصول فرعی نیست؛ به علاوه آثار مخرب زیست محیطی یک سیستم فتوولتائیک بسیار ناچیز است. به طور کلی سیستم‌های برق فتوولتائیک به دو صورت می‌باشند:

به طور کلی سیستم‌های برق فتوولتائیک به دو صورت می‌باشند:

۱- سیستم‌های متصل به شبکه (On-Grid):

این سیستم‌ها به یک شبکه ی برق خارجی متصل هستند. در روز هنگامی‌که انرژی خورشید موجود است، توان خروجی سیستم فتوولتائیک به مصرف داخلی رسیده یا مستقیماً به شبکه فروخته می‌شود. شب هنگام که انرژی خورشید موجود نیست، الکتریسیته از شبکه برق سراسری خریداری شده و برای تأمین بار سیستم استفاده می‌شود و می‌تواند در کاهش هزینه‌های برف مصرفی تأثیرگزار باشد.

۲- سیستم‌های مستقل (Off-Grid):

سیستم‌های فتوولتائیکی که به شبکه‌ی برق خارجی متصل نیستند را تحت عنوان “سیستم‌های فتوولتائیک جدا از شبکه” یا “سیستم‌های مستقل” می‌شناسند. با استفاده از ذخیره سازهای انرژی در این سیستم‌ها می‌توان انرژی را در روز ذخیره کرد تا در شب یا هنگام ابری بودن هوا از انرژی ذخیره شده استفاده کرد. این سیستم‌ها در باغ شهرها و ویلا ها، ایستگاه‌های تقویت رادیو، کیوسک‌های تلفن، چراغ‌های خیابان‌ها و به طور کلی در مناطقی که دسترسی به شبکه‌ی برق سراسری دشوار است، استفاده می‌شوند.

اجزای اصلی سازنده یک سیستم فتوولتائیک شامل موارد زیر هستند:

– باتری‌ (Battery): باتری‌ها عناصر ذخیره ساز انرژی الکتریکی هستند. هدف اصلی استفاده از باتری‌ها در سیستم خورشیدی این است که انرژی الکتریکی را ذخیره کنند تا در ساعات فقدان یا کمبود انرژی خورشید از آن استفاده کنند.

– صفحات خورشیدی (Solar Panel): صفحات خورشیدی منبع توان تمامی‌سیستم‌های فتوولتائیک نصب شده است. صفحات خورشیدی ترکیبی موازی و سری از سلول‌های خورشیدی هستند که توان و ولتاژ مورد نیاز سیستم را تأمین می‌کنند. توان تولیدی صفحات خورشیدی از طریق کنترل کننده ی شارژ (ریگولاتور) به سمت باتری ارسال می‌شود.

– کنترل کننده ی شارژ (Charge Controller): این عنصر از باتری در برابر خطرهای اضافه ولتاژ یا اضافه بار محافظت می‌کند. در واقع برنامه شارژ و دشارژ باتری و جریان گسیل شده از صفحات خورشیدی را مدیریت می‌کند.

– اینورتر (Inverter): سلولهای فتوولتائیک، همانند باتری‌ها، جریان مستقیم (DC) را تولید می‌کنند که به طور عمومی‌برای مدارهای الکترونیک استفاده می‌شوند، در حالی که برق جریان متناوب کاربردهای وسیع‌تری دارد. اینورترها ابزارهایی هستند که با قرار گرفتن بین بارهای جریان متناوب و صفحات خورشیدی یا باتری، جریان مستقیم را به جریان متناوب و بالعکس تبدیل می‌کنند. مبدل‌ها با توجه به ساختار سیستم فتوولتائیک به دو نوع متصل به شبکه و جدا از شبکه تقسیم می‌شوند.

از نظر تئوری، انرژی خورشیدی که کره زمین در یک ساعت دریافت می‌کند، برای تامین انرژی کل کره زمین به مدت یک سال کافی است

انرژی خورشیدی همچنین فراوان‌ترین منبع انرژی در کره زمین است.

پنل‌های خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟

می‌توانید نور را به صورت جریانی از ذرات کوچک به نام فوتون در نظر بگیرید، که از خورشید شلیک می‌شوند. زمانی که یکی از این فوتون‌ها با انرژی کافی به سلول سیلیکونی برخورد می‌کند، می‌تواند یک الکترون را از پیوند بیرون بیاورد، و یک حفره به جا گذارد. الکترون با بار منفی و حفره با بار مثبت اکنون آزادند تا به اطراف حرکت کنند.

اما به خاطر میدان الکتریکیِ موجود در پیوندگاه P / N ، تنها به یک سو خواهند رفت. الکترون به سمت N کشیده می‌شود در حالی که حفره به سمت P کشیده می‌شود. الکترون‌هایِ در حال حرکت، توسط یک لایه نازک فلزی در بالای سلول جمع آوری می‌شوند. آنها از آنجا در یک مدار خارجی جریان می‌یابند، و کار برقی‌خود، مانند تأمین انرژی یک لامپ را انجام می‌دهند و از  ورق آلومینیوم رسانایی که  در پشت (زیر) سلول است، باز می‌گردند.

پدیده فتوولتاییک

هنگامی که نور در قالب فوتون، به سطح سیلیکون های نوع N برخورد کند، می تواند الکترون غیر وابسته اتم فسفر را از آن جدا کند. این رویداد در ناحیه P با ایجاد حفره اضافی همراه است. اگر ما یک مسیر جریان به وجود آوریم، بطوریکه الکترون ها مسیری برای پیوستن به حفره های لایه زیرین پیدا کنند، به این ترتیب می توانیم الکترون ها را به جریان بیندازیم.

دوازده سلول فتوولتائیک برای شارژ یک تلفن همراه کافی است

هیچ چیز در این سیستم فرسوده و یا مصرف نمی‌شود، بنابراین سلول‌های خورشیدی برای دهه‌ها دوام می‌آوردند. پس چه چیز ما را از اتکای کامل به برق خورشیدی باز می‌دارد؟

هر سلول سیلیکون نیم ولت برق تولید می‌کند، اما با سری‌کردن آنها در یک ماژول می‌توان برق بیشتری بدست آورد. دوازده سلول فتوولتائیک برای شارژ یک تلفن همراه کافی است، ولی برای تامین برق یک خانه به ماژول های بسیاری از این سلولها نیاز داریم. الکترون تنها بخش‌های متحرک در یک سلول خورشیدی هستند، و همه آنها به جایی بر می‌گردند که از آنجا می‌آیند.

پنل‌های خورشیدی از چه چیزی تشکیل شده‌اند؟

پنل‌های خورشیدی متداول برای تولید الکتریسیته را به اصطلاح پنل‌های فوتوولتاییک (Photovoltaic (PV) solar panels) می‌نامند. این پنل‌ها از تعداد زیادی سلول خورشیدی تشکیل شده اند و ماده اصلی تشکیل دهنده پنل‌های خورشیدی نیز در حال حاضر سیلیکون می‌باشد.

این پنل‌ها موضوع داغ مطالعاتی و صنعتی در کشور‌های پیشرفته هستند و تضمینی وجود ندارد که در سال‌های آینده نیز از جنس سیلیکون باشند!

پنل‌های خورشیدی در دو لایه‌ی مثبت و منفی ساخته می‌شوند که در مجاورت یکدیگر باعث تشکیل یک میدان الکتریکی می‌شود.

پنل‌های خورشیدی چگونه برق تولید می‌کنند؟

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، در صورت نصب پنل خورشیدی، امکان استفاده از برق تولیدی در مصرف خانگی و فروش برق اضافی به شبکه برق شهری وجود دارد.

پنل‌های خورشیدی فتوولتاییک، جریان مستقیم برق (DC) تولید می‌کنند. در جریان مستقیم، الکترون‌ها در یک مسیر در مدار حرکت می‌کنند. درست مانند مثال لامپی که با باتری روشن می‌شود، الکترون‌ها از قطب منفی باتری حرکت کرده و با گذر از لامپ به قطب مثبت بازمی‌گردند.

در جریان متناوب برق (AC) الکترون‌ها نوسان می‌کنند. به نوعی می‌توان گفت انگار کشیده می‌شوند و بعد از آن هل داده می‌شوند. برق تولید شده در ژنراتور‌های متداول، اعم از نیروگاه‌های حرارتی، هسته‌ای و توربین‌های بادی، از نوع جریان متناوب است. همچنین انتقال برق با جریان متناوب به صرفه تر بوده و اتلاف آن در مسیر کمتر است. در نتیجه شبکه برق بیشتر کشور‌ها از جمله ایران با جریان متناوب تامین می‌شود.

یک اینونتور خورشیدی (Solar Inventor) چه‌کار می‌کند؟

ایونتور خورشیدی جریان مستقیم (DC) را از پنل خورشیدی گرفته و آن‌را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند. علاوه بر این اینونتور‌ها همانند مغز سیستم عمل می‌کنند و علاوه بر تبدیل جریان، وظیفه‌ی خطای اتصال به زمین (Ground Fault Protection) و پایش وضعیت سیستم که شامل ولتاژ و شدت جریان در مدار‌های AC و DC، تولید انرژی و ردیابی نقطه حداکثر توان (Maximum Power Point Tracking) را نیز بر عهده دارند.

اینونتور‌های مرکزی از ابتدا تا کنون در صنعت انرژی خورشیدی نقش بسزایی داشته اند. معرفی میکرو اینونتور‌ها یکی از مهم ترین پیشرفت‌ها در تکنولوژی انرژی خورشیدی است.

میکرو اینورتور‌ها بر خلاف اینونتور‌های مرکزی که برای کل سیستم تولید انرژی خورشیدی تنظیم می‌شدند، برای هر پنل خورشیدی به طور جداگانه نصب شده و تولید انرژی در آن را بهینه سازی می‌کنند. این امر باعث شده است که هر پنل به طور جداگانه و مستقل از شرایط کل سایت، در نقطه بهینه خود برای تولید حداکثر توان کار کند.