آشنایی با سیستم‌های فتوولتائیک در تولید انرژی پایدار

در این مطلب انواع سیستم‌های فتوولتائیک؛ فناوری تبدیل نور به الکتریسه با استفاده از نیمه‌رساناها، اجزای آن را معرفی کرده و مزایا و معایب آن را بررسی خواهیم کرد.

در مدت 24 ساعت انرژی بدست آمده از خورشید به حدی است که می تواند مصرف 27 سال مردم جهان را تأمین کند­. این اعداد وارقام حیرت‌آور و باورنکردنی هستند اما واقعیت دارند و نکته قابل توجه آن در این است که این انرژی (Solar energy) تجدیدپذیر و پایدار است واستفاده از آن رایگان بوده ومی توان با سیستم‌های فتوولتائیک به برق تبدیل کرد. برای استفاده از این منبع بسیار مهم انرژی­، تنها لازم است که با استفاده از اثر فتوولتائیک انرژی خورشید را گرفته و تحت کنترل درآورد.

فتوولتائیک تبدیل مستقیم نور به برق در سطح اتمی می‌باشد­­. بعضی از مواد ویژگی‌های خاصی از خود بروز می‌دهند که به عنوان اثر فتوولتائیک شناخته می‌شود. در نتیجه این ماهیت­، اینگونه مواد می‌توانند فوتون‌های نور را جذب کنند والکترون آزاد نمایند­. زمانی که این الکترون‌های آزاد ربایش شوند و تحت تصرف درآیند منجر به ایجاد یک جریان الکتریکی می‌شود که به عنوان الکتریسیته شناخته می‌شود­.

به سلول‌های فتوولتائیک­، سلول آفتابی نیز گفته می‌شود­. سلول‌های آفتابی از بعضی مواد نیمه هادی  نظیر سیلیکون (سیلیس) ساخته می‌شوند که در صنعت میکروالکترونیک استفاده می‌شود­. برای سلول‌های آفتابی یک ویفر نیمه هادی مورد استفاده قرار می‌گیرد تا یک رشته الکتریکی را شکل دهد. مثبت به یک سمت ومنفی به سمت دیگر متصل می‌شود. هنگامی که انرژی نور به سلول های خورشیدی برخورد می‌کند الکترون‌های اتم‌های مواد نیمه هادی ضربه خورده وشل می‌شوند. این الکترون‌ها می‌توانند ربایش شوند و از طریق مواد نیمه‌هادی که تشکیل یک مدار الکتریکی را می‌دهند منتقل شوند که به این جریان الکترون‌ها الکتریسیته گفته می‌شود­. جریان الکتریسیته بدست آمده از مدول‌های خورشیدی می‌تواند توان مورد نیاز برای وسایل برقی وهمچنین لامپ‌ها را تأمین کند­.

اجزای سیستم‌های فتوولتا­ئیک

  1- سلولهای فتوولتائیک

این سلولها مربع های نازک، دیسک ها یا فیلم هایی از جنس نیمه هادی هستند که ولتاژ و جریان کافی را در زمان قرار گرفتن در معرض تابش نور خورشید، تولید می کنند.

  2- مدول فتوولتائیک

  مجموعه‌ای از سلول‌های فتوولتاییک که لایه لایه در محفظه‌ای از شیشه قرار گرفته اند.

  3- پانل فتوولتائیک

  مجموعه چند مدول را پانل می‌گویند.

  4- آرایه

  تعدادی از پانل‌ها که توسط سیم کشی‌های با ولتاژ معین بهم متصل شده‌اند، آرایه نامیده می‌شود.

  5- کنترل کننده شارژ

  تجهیزاتی هستند که ولتاژ باتریها را تنظیم و کنترل می‌کنند و از آسیب‌های احتمالی وارد بر باتری‌ها جلوگیری می‌کنند.

  6- ذخیره‌کننده باتری

  وسیله ایست که انرژی الکتریکی تولیدی DC را در خود ذخیره می‌کند.

  7- مبدل

  وسیله ایست که جریان DC را به جریان AC برای مصرف، تبدیل می کند.

  8- بار دی-سی (DC Loads)

  ابزارآلات، موتورها و تجهیزاتی هستند که از جریان DC تغذیه می‌شوند.

  9- بار ای-سی (AC LOADS)

  ابزارآلات، موتورها و تجهیزاتی هستند که از جریان AC تغذیه می‌شوند.

انواع سیستم‌های فتوولتائیک

سیستمهای فتوولتاییک انواع مختلفی دارند. ساده‌ترین سلول فتوولتائیک نیروی مورد نیاز ساعت‌های مچی و ماشین‌های حساب را تأمین می‌کند. سیستم‌های پیچیده‌تر با اتصال به شبکه مصرف، برق مورد نیاز منزل‌ها، کارخانه‌ها و فضاهای دیگر را تأمین می‌کنند. بطور کلی از این سیستم‌ها در شکل‌های مختلف استفاده می‌شود. مثلاً برخی سامانه‌های خانگی مجهز به باتری‌های ذخیره کننده انرژی جهت استفاده در شب هستند. در برخی سیستم‌ها از تجهیزات DC استفاده می‌شود و نیازی به مبدل نیست. برخی از سیستم‌های دیگر نیز دارای مبدل بوده و از هردو جریان AC ، DC استفاده می‌کنند. انواع مبدل‌های فتوولتائیک بشرح زیر می باشند:

  1- سیستمهای فتوولتا­ئیک ساخته شده با باتری شارژی

فانوس‌های خورشیدی و شارژرهای فتوولتائیک مورد استفاده در باتری‌های رادیو، ازاین نمونه بوده و بازار فروش مناسبی دارند. دراین سیستم همه اجزاء یکپارچه شده و بجای باتری‌های یکبار مصرف، از باتری‌های قابل شارژ استفاده می‌شود.

  2- سیستم‌های فتوولتائیک استفاده‌شده در روز

ساده ترین و ارزانترین سیستم‌های فتوولتائیک برای استفاده در روز طراحی شده‌اند. این سیستم‌ها معمولاً شامل مدول‌هایی می‌شوند که ابزار ذخیره سازی ندارند و مستقیماً با تابش خورشید، الکتریسیته تولید می‌کنند. برخی فن‌ها، دمنده‌ها یا پره‌های توزیع انرژی حرارتی در سیستم‌های گرمایش آب و نیز وسیله‌های استفاده کننده، از انرژی خورشیدی چون ماشین‌های حساب و ساعتهای مچی از این دسته‌اند.

  3- سیستم جریان مستقیم (DC) با باتری ذخیره

برای استفاده از سیستم‌های فتوولتائیک در شب یا مواقع ابری، از سیستم‌های مجهز به باتری ذخیره استفاده می‌شود. در تصویر شماره 2 نمونه‌ای از این سیستم را مشاهده می‌کنیم. اجزای اصلی این سیستم یک مدول فتوولتاییک(PV)، کنترل‌کننده‌های شارژ، باتری‌های ذخیره و سایر وسایل است.

  4- سیستم جریان مستقیم تغذیه کننده جریان متناوب

مدول‌های فتوولتائیک در اثر تابش آفتاب انرژی الکتریکی DC را تولید می‌کنند، اما اکثر لوازم الکتریکی به انرژی AC نیازمندند. لذا سیستم‌های فتوولتائیک باید مبدلی را جهت تبدیل جریان DC به AC داشته باشند، این مبدل‌ها انعطاف پذیری سیستم را افزایش داده و تسهیلاتی را ایجاد می‌کنند. اما افزایش هزینه را نیز در پی دارند.

5- سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه برق شهری

این سیستم‌ها به باتری ذخیره نیازی ندارند. چون خود شبکه برق عمل ذخیره سازی انرژی را انجام می‌دهد. انرژی اضافی تولید شده را مالک سیستم به شبکه شهری می‌فروشد و درصورت نیاز از شبکه شهری دریافت می‌کند. بر این اساس شرایطی باید فراهم شود تا خرید و فروش انرژی بین مالک و شبکه شهری امکانپذیر باشد. بدین منظور برخی از کمپانی‌های شبکه برق شهری کنتورهایی را به مشتریان خود می‌دهند که مقدار خرید و فروش الکتریسیته را معین می‌کند.

  6- سیستم های هیبریدی (مختلط)

اکثر مردم تمام انرژی الکتریکی مورد نیاز خود را فقط توسط سیستم فتوولتائیک تأمین نمی‌کنند و معمولا روش دیگری از تأمین انرژی را بکار می‌برند. معمول‌ترین راه در سیستم های هیبریدی، یک موتور دیزلی یا گازی تولید کننده انرژی است که می‌تواند در کاهش هزینه‌های ابتدایی موثر باشد. در سیستم‌های فتوولتائیک باید تمهیداتی را برای شرایط بد آب و هوایی در نظر گرفت. بدین منظور باید از باتری‌هایی استفاده کرد که به مقدار کافی بزرگ بوده و بتوانند انرژی لازم را در موقع نیاز فراهم کند. از فواید سیستم‌های هیبریدی آنست که دارای حداقل دو سیستم شارژ مستقل هستند. از نمونه‌های این سیستم، مدول‌های فتوولتائیکی است که دارای توربین‌های بادی می‌باشند. افزودن یک توربین بادی به این سیستم می‌تواند در مواقعی که خورشید تابش نداشته لیکن باد وزش داشته باشد، انرژی لازم تهیه شود. حتی می توان یک تولید کننده الکتریسیته را درون سیستم فتوولتائیک بادی قرار داد. این سیستم فتوولتائیک بادی تولید کننده، علاوه بر مزایای سیستم‌های فتوولتائیک و تولید کننده، از منبع شارژ سوم باتری‌ها نیز برخوردار است.

معایب تکنولوژی فتوولتاییک

1- هزینه‌های راه اندازی سیستم فتوولتائیک

مهمترین ایرادی که به این سیستم‌ها وارد است، هزینه‌های بالای نصب و راه اندازی آن‌هاست. در حالیکه با نگاه کارشناسانه و دقیق، این سیستم‌ها در درازمدت بصرفه خواهند بود.

2- وابستگی سیستم فتوولتائیک به شدت تابش خورشید

باتوجه به نیاز این سیستم‌ها به نور خورشید، تغییرات جوی بر مقدار انرژی تولید شده در این سیستم‌ها، موثر است. پس لازم است که این موضوع را در طراحی سیستم‌های فتوولتائیک مورد توجه قرار دهیم.

3- نیاز به ذخیره سازی انرژی

در بیشتر مواقع لازم است از باتری‌هایی به منظور ذخیره انرژی استفاده شود که این موضوع سبب افزایش هزینه‌ها می‌شود.

4- عدم آشنایی مردم با سیستم فتوولتاییک

 با توجه به نو بودن کاربرد تکنولوژی فتوولتاییک در ساختمان، تنها بخشی از مردم با امکانات و ارزش‌های آن آشنا هستند و این موضوع در توسعه بازار آن تاثیر منفی دارد.

مزایای استفاده از تکنولوژی فتوولتائیک

1- تولید الکتریسیته ازانرژی خورشید مزایای زیادی نسبت به منابع و روش‌های تولید الکتریسیته به روش سنتی دارد­. انرژی ناشی از نور خورشید که به سطح زمین می‌رسد بسیار زیاد وحدود 89 پتاوات می‌باشد­. این مقدار انرژی تقریباً 6000 بار بیشتر از 15 تراوات­، متوسط توان مصرفی انسان‌ها است­. تولید الکتریسیته توسط انرژی خورشید، بالاترین دانسیته توان را در میان منابع انرژی تجدید پذیر دارد.

2- تولید برق با استفاده از انرژی خورشید میزان انتشار آلودگی ها را کاهش می‌دهد و می توان انتشار آلودگی را تحت کنترل درآورد­. از جمله می توان به کاهش انتشار گاز های گلخانه ای نظیر CO₂ اشاره کرد­. در سیستمهای فتوولتائیک نیازی به منابع سوختی فسیلی و… نمی باشد. بنابراین مضرات زیست محیطی ناشی از این منابع و هزینه های حمل و نقل و انبارداری آنها حذف می‌شود.

3- وسایل و امکاناتی که با سیستم PV کار می‌کنند، می‌توانند با اقدامات نگهداری کم بعد از نصب اولیه کار کنند­. در واقع یکبار که هزینه سرمایه گذاری اولیه برای احداث یک پلنت تولید برق با استفاده از نور خورشید مصرف شد هزینه‌های عملیاتی آن در مقایسه با تکنولوژی‌های تولید برق موجود به شدت پایین‌تر است­.

4- در مکان‌هایی که محدودیت های جغرافیایی وجود دارد وفاصله آنها تا نزدیک‌ترین تأسیسات ومنابع انرژی دور است­، انتقال سوخت واتصالات شبکه دشوار بوده و از نظر اقتصادی بهتر است که از انرژی خورشید جهت تولید برق استفاده کنیم بنابراین می توان از مدول‌های خورشیدی به نحو احسنت بهره جست­.

5- در مقایسه با سوخت های فسیلی ومنابع انرژی غیر شفاف­، تاکنون هزینه تحقیقاتی خیلی کمی در­رابطه با­توسعه وگسترش سلول های خورشیدی صرف شده است­. بنابراین عرصه وفضای زیادی برای بهبود این سیستم وجود دارد­. سلول های خورشیدی آزمایشگاهی با بازده بالا ، بازده نزدیک به 40 درصد دارند که با بهبود تکنولوژی های مربوطه این مقدار بازده به سرعت رشد خواهد کرد­.

6-­ تکنولوژی بکار رفته در ساخت مدول­های فتوولتائیک از مصالح بادوامی است. در گذشته دوام سیستمها را حدود 10 سال در نظر می گرفتند. اما با پیشرفتهای انجام شده، متوسط عمر مفید این سیستم‌ها به 25 سال رسیده است.

7- سیستم‌های فتوولتاییک بدون حرکت و کاملا بی صدا بوده و آلودگی صوتی ندارد.

8- با توجه به مدول‌های پیش ساخته در این سیستم‌ها می توان الکتریسیته را در مقیاس‌های مختلف تولید کرد. چنانچه با سیستم‌های فتوولتاییک می‌توان از چند میلی وات تا چندین مگاوات انرژی بدست آورد. اگر این سیستم را بصورت مدول‌های کوچک و منفرد استفاده کنیم، برای نیازهای بسیارناچیز و اگر در مزرعه‌ای مجموعه‌ای از آرایش‌های گسترده فتوولتاییک را بکار بریم، نیروگاهی عظیم را ایجاد کرده‌ایم.

9- در مواقعی که انتقال برق شهری امکانپذیر نباشد، می‌توان از این سیستم ها بهره گیری کرد. زیرا بصورت مستقل الکتریسیته تولید کرده و نیازی به نگهداری فراوان ندارند. پس در مناطق دورافتاده و صعب العبور، استفاده از این سیستم‌ها گزینه مناسبی خواهد بود.