همه چیز در مورد انرژی خورشیدی

 

مقدمه

استفاده از پنل‌های خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی پایدار و پرکاربرد در سراسر جهان به شدت در حال گسترش است. پنل‌های خورشیدی به دلیل قابلیت تولید انرژی دائمی و بدون نیاز به سوخت فسیلی، مورد توجه قرار گرفته و به عنوان راهکاری برای کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای و محافظت از محیط زیست مطرح شده است. در این مقاله، به بررسی اجمالی پنل‌های خورشیدی و کاربرد آن‌ها در سیستم‌های تولید برق، نحوه‌ی عملکرد پنل‌های خورشیدی، نوع سلول خورشیدی استفاده شده در پنل‌های خورشیدی و نحوه‌ی انتخاب آن، روش‌های نصب پنل‌های خورشیدی، فناوری‌های جدید در زمینه‌ی پنل‌های خورشیدی، مزایا و معایب استفاده از پنل‌های خورشیدی و همچنین چالش‌های موجود در این زمینه پرداخته می‌شود.

 

بخش اول: معرفی پنل‌های خورشیدی

پنل‌های خورشیدی یکی از شاخه‌های انرژی خورشیدی هستند که برای تولید برق از تابش خورشید استفاده می‌شوند. این پنل‌ها شامل چندین سلول خورشیدی هستند که تابش خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این انرژی الکتریکی سپس در یک ولتاژ و جریان مشخصی توسط یک مبدل به برق قابل استفاده تبدیل می‌شود.
پنل‌های خورشیدی برای استفاده در سیستم‌های تولید برق خورشیدی به کار می‌روند. سیستم‌های تولید برق خورشیدی معمولاً شامل پنل‌های خورشیدی، مبدل برق، و شبکه برق محلی یا باتری‌های شارژ شونده هستند. پنل‌های خورشیدی در سیستم‌های تولید برق خورشیدی به عنوان منبع اصلی تولید برق عمل می‌کنند.

بخش دوم: نحوه‌ی عملکرد پنل‌های خورشیدی

عملکرد پنل‌های خورشیدی بر اساس اثر فتووولتائیک (Photovoltaic Effect) است که توسط دانشمند فیزیک آمریکایی، آلبرت انیشتین در سال 1905 کشف شد. این اثر بر اساس تولید جریان الکتریکی در یک ماده نیمه‌رسانا است که به دلیل تنش نوری (Photon) ایجاد می‌شود.
پنل‌های خورشیدی شامل چندین سلول خورشیدی هستند. هر سلول خورشیدی به عنوان یک دیود تصویری عمل می‌کند که در آن نیمه‌رسانایی در دو طرف قرار دارد. نور خورشید که بر روی سلول خورشیدی تابیده می‌شود، الکترون‌های موجود در نیمه‌رسانایی را از باند انتقالی جدا کرده و در جریان الکتریکی قرار می‌دهد. این الکترون‌ها سپس به سمت الکترود منفی سلول خورشیدی جابجا می‌شوند و در نهایت به دیود تصویری سلول خورشیدی می‌رسند. در اینجا، الکترن‌ها به عنوان جریان الکتریکی به‌داخل مدار خارج می‌شوند و به مبدل برق منتقل می‌شوند.
دو نوع اصلی پنل‌های خورشیدی شامل پلی‌کریستالین و مونوکریستالین هستند. پنل‌های مونوکریستالین از یک بلور سیلیکون ساخته شده‌اند و به دلیل کارایی بیشتر، هزینه بیشتری دارند. پنل‌های پلی‌کریستالین از چند بلور سیلیکون ساخته شده‌اند و به دلیل هزینه پایین‌تر، معمولاً استفاده بیشتری دارند.

بخش سوم: نوع سلول خورشیدی استفاده شده در پنل‌های خورشیدی

در پنل‌های خورشیدی، سلول‌های خورشیدی از نوع مختلفی استفاده می‌شوند. سلول‌های خورشیدی شامل سلول‌های سیلیکونی، سلول‌های ترکیبی، سلول‌های سیلیکونی نوع آرایشی تراشه (wafer-based silicon cells) و سلول‌های سیلیکونی نوع فیلمی (thin-film silicon cells) هستند. در ادامه، به معرفی هر نوع سلول خورشیدی پرداخته می‌شود.
سلول‌های سیلیکونی: این نوع سلول‌های خورشیدی در بیشتر پنل‌های خورشیدی استفاده می‌شوند. این سلول‌ها شامل دو لایه‌ی نیمه‌رسانایی سیلیکون هستند که به صورت متقابل قرار گرفته‌اند. این سلول‌ها به دلیل کارایی بالا، پایداری بالا، و راندمان بالای تولید انرژی، برای استفاده در پنل‌های خورشیدی مناسب هستند.
سلول‌های ترکیبی: در این نوع سلول‌های خورشیدی، دو ماده‌ی نیمه‌رسانایی با گاف انرژی متفاوت در یکدیگر ترکیب شده‌اند. این سلول‌ها به دلیل راندمان بالا و کارایی بالا در شرایط نوری کم، برای استفاده در پنل‌های خورشیدی با شرایط نوری متغیر، مناسب هستند.
سلول‌های سیلیکونی نوع آرایشی تراشه: در این نوع سلول‌های خورشیدی، سلول‌های خورشیدی مانند سلول‌های سیلیکونی استفاده می‌شوند، با این تفاوت که سیلیکون به شکل تراشه‌های بلوری شکل گرفته است. این سلول‌ها به دلیل راندمان بالا، پایداری بالا و کارایی بالا، برای استفاده در پنل‌های خورشیدی مناسب هستند.
سلول‌های سیلیکونی نوع فیلمی: در این نوع سلول‌های خورشیدی، سیلیکون به صورت فیلمی روی یک زیرلایه‌ی شیشه‌ای یا پلاستیکی قرار می‌گیرد. این سلول‌ها به دلیل وزن کم، انعطاف‌پذیری بالا و هزینه‌ی پایین‌تر، برای استفاده در پنل‌های خورشیدی مناسب هستند.

بخش چهارم: روش‌های نصب پنل‌های خورشیدی

پنل‌های خورشیدی می‌توانند به چندین روش نصب شوند. روش‌های نصب پنل‌های خورشیدی شامل نصب روی سقف، نصب روی زمین، نصب در یک پایه‌ی ثابت در حوزه‌ی خورشید، و نصب در یک پایه‌ی دوار در حوزه‌ی خورشید هستند.

نصب روی سقف: این روش نصب پنل‌های خورشیدی بر روی سقف ساختمان است. این روش نصب به دلیل فضای کمی که مصرف می‌کند و سهولت نصب، بسیار محبوب است.

نصب روی زمین: در این روش نصب، پنل‌های خورشیدی بر روی زمین نصب می‌شوند. این روش نصب به دلیل امکان نصب پنل‌های بیشتر و راندمان بالاتر، برای سیستم‌های بزرگ تولید برق خورشیدی مناسب است.
نصب در یک پایه‌ی ثابت در حوزه‌ی خورشید: در این روش نصب، پنل‌های خورشیدی بر روی پایه‌های ثابت نصب می‌شوند که به سمت خورشید متمایل شده‌اند. این روش نصب به دلیل راندمان بالاتر در مناطقی با نور خورشید کم، مثل مناطق شمالی، مناسب است.

نصب در یک پایه‌ی دوار در حوزه‌ی خورشید: در این روش نصب، پایه‌های پنل‌های خورشیدی به دلیل چرخش پیرامون محور خورشید، به سمت خورشید متمایل می‌شوند. این روش نصب به دلیل راندمان بالاتر در برخی مناطق با شرایط نوری متغیر، مثل مناطق نیمه‌بیابانی، مناسب است.

برای انتخاب روش نصب مناسب برای پنل‌های خورشیدی، باید به عواملی مانند محل نصب، اندازه سیستم، زاویه‌ی نور خورشید در طول روز و فصول سال، و نیز هزینه‌های نصب و نگهداری دقت کرد. در کل، زاویه نصب پنل خورشیدی باید به گونه‌ای باشد که در اکثر ساعات روز، سطح پنل به بهترین شکل ممکن به سمت خورشید بچرخد و از تابش خورشید بهره ببرد. برای این منظور، برای نصب ردیف افقی پنل‌های خورشیدی بهتر است که زاویه نصب برابر با عرض جغرافیایی محل نصب باشد (به عنوان مثال در نیویورک 42 درجه است). برای نصب ردیف عمودی پنل‌های خورشیدی، زاویه نصب برابر با یک زاویه از 30-40 درجه به سمت جنوب بهترین حالت است.
همچنین، برای به دست آوردن بهترین زاویه نصب پنل خورشیدی، می‌توانید از ابزارهای آنلاین و نرم‌افزارهای مختلفی استفاده کنید که با توجه به موقعیت جغرافیایی، فصل سال و جهت نصب پنل، زاویه نصب بهینه را به شما پیشنهاد می‌دهند. به عنوان مثال، سایت PVWatts ابزاری است که توسط سازمان ملی انرژی خورشیدی آمریکا (NREL) تهیه شده است و به شما این امکان را می‌دهد که با وارد کردن اطلاعاتی مانند موقعیت جغرافیایی، جهت و زاویه نصب پنل خورشیدی، توان تولیدی و میزان تولید برق پنل‌های خورشیدی را برآورد کنید.

همچنین، برای نصب پنل‌های خورشیدی بهتر است با یک نصاب کارشناس مشورت کنید تا روش نصب مناسب برای شما را تعیین کند.

در هر یک از روش‌های نصب برای پایه‌های پنل‌های خورشیدی می‌توان از روش‌های زیر استفاده کرد:

نصب ثابت: در این روش، پایه‌های پنل‌های خورشیدی به دلیل استحکام و قدرت بیشتر به زمین یا ساختمان متصل می‌شوند.

نصب قابل حمل: در این روش، پایه‌های پنل‌های خورشیدی به دلیل سبکی و قابل حمل بودن، به سرعت به جای دیگر منتقل می‌شوند و می‌توانند در مناطقی با فعالیت‌های مختلف مانند کمپینگ و کوهنوردی استفاده شوند.
استفاده از هر یک از روش‌های نصب، بستگی به شرایط محیطی و نیازهای انرژی مورد نظر دارد.

تجهیزات مورد نیاز راه اندازی انرژی خورشیدی:

تجهیزات مورد نیاز برای راه اندازی انرژی خورشیدی شامل چندین قطعه مختلف است که هر کدام از آنها نقش مهمی در تولید برق از انرژی خورشید دارد. در ادامه به معرفی و توضیح کوتاهی از این تجهیزات می‌پردازیم:

پنل‌های خورشیدی: که قبلا بطور مفصل شرح داده شده به عنوان قسمت اصلی سیستم‌های خورشیدی عمل می‌کنند. این پنل‌ها به صورت تکی یا در چندین تکه به یکدیگر متصل شده و در سطح دلخواهی (روی رویه‌ی سقف، در حیاط، در صحنه‌ی یک پروژه عمومی و …) نصب می‌شوند.

باطری: باطری‌ها دستگاهی هستند که انرژی را از پنل‌های خورشیدی دریافت کرده و درون خود ذخیره می‌کنند. باطری‌های استفاده شده در سیستم‌های خورشیدی معمولاً باطری‌های اسیدی-سربی، لیتیوم فسفات آهن Lifepo4، سایکل ژل و یا لیتیوم-یونی هستند.

کنترلر شارژ: کنترلر شارژ به منظور کنترل جریان شارژ و ولتاژ خروجی از پنل‌های خورشیدی و شارژ باطری استفاده می‌شود. این وسیله جلوگیری می‌کند که باطری‌ها بیش از حد شارژ شوند و آسیب ببینند.
تبدیل کننده: تبدیل کننده برق خورشیدی، جریان مستقیم مستقیم از پنل‌های خورشیدی و یا باتری را به جریان متناوب برای استفاده در خانه و یا شبکه برق تبدیل می‌کند. تبدیل کننده‌ها معمولاً در سیستم‌های خورشیدی استفاده شده در خانه‌ها و ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیستم کابل‌کشی: سیستم کابل‌کشی مسئول انتقال برق از پنل‌های خورشیدی و باطری و تبدیل کننده به مصرف‌کننده می‌باشد. در این بخش از تجهیزات، کابل‌های DC (جریان مستقیم) و AC (جریان متناوب) برای انتقال انرژی بین پنل‌های خورشیدی، باطری و تبدیل کننده و مصرف‌کننده استفاده می‌شود.

 

اینورتر: که عمل تبدیل ولتاژ مستقیم باتری یا باتری ها را به ولتاژ مورد نیاز شما تبدیل میکند. معمولا 12 ولت به 220 ولت هستند یعنی 12 ولت باتری را 220 ولت متناوب تبدیل میکنند. ممکن است 24 به 220 یا 48 به 220 ولت نیز بسته به نیاز و توان سیستم استفاده شود.

سانورتر: در واقع دستگاهی متشکل از شارژ کنترلر، اینورتر و شارژر برق شهری است. این دستگاه در طول روز از پنل ها باتری ها را شارژ میکند و در شب و یا در زمانی که برق شهری در دسترس باشد و یا ژنراتوری داشته باشید در کنار برق خروجی پنل های خورشیدی، یا به جای آنها به کمک شما می آید و باتری ها را شارژ میکند. این دستگاه خروجی 220 ولت تک فاز یا 380 سه فاز می تواند داشته باشد و پارامتر های مهم برای خرید آن، توان خروجی آن، توان شارژ آن، ولتاژ تکفاز یا سه فاز، تعداد پنل قابل اتصال در ورودی و تعداد باتری قابل اتصال به آن می باشد.

به طور کلی، سیستم‌های خورشیدی شامل این تجهیزات هستند که با توجه به نوع سیستم و میزان تولید برق مورد استفاده، به طور متفاوت طراحی و نصب می‌شوند. برای نمونه، سیستم‌های خورشیدی خانگی کوچک معمولاً شامل پنل‌های خورشیدی، باطری و تبدیل کننده هستند، در حالی که سیستم‌های خورشیدی صنعتی بزرگتر شامل تعداد بیشتری از پنل‌های خورشیدی، باطری‌ها، تبدیل کننده‌ها، سیستم کابل‌کشی و سایر تجهیزات هستند.

در نهایت یک نمونه از سیم کشی و نصب را به عنوان مثال برای شما آورده ایم تا خود بتوانید باغ یا منزل خود را مجهز به برق خورشیدی کنید.