فیلیوس

آیا سلول خورشیدی بهترین جایگزین سوخت فسیلی است؟

انرژی خورشیدی

خورشید به عنوان یک منبع بی پایان انرژی می تواند حلال مشکلات در مورد انرژی و محیط زیست باشد. حتی نور کمی که از پنجره به اتاق می تابد دارای انرژی بیشتری از سیم برقی است که به داخل اتاق کشیده شده است. از انرژی خورشیدی به عنوان یک انرژی تمیز و قابل دسترس در همه جا، می توانیم استفاده های مهم و کاملا مفیدی ببریم. اما از نور خورشید به طور مستقیم نمی توان به جای سوخت های فسیلی بهره برد. یکی از وسایلی که انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند سلول خورشیدی است.

تاریخچه سلول خورشیدی

سلول های خورشیدی ابزارهای الکترونیکی هستند که با استفاده از پدیده ی فتوولتائیک، نور خورشید را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. اولین سلول خورشیدی در سال ۱۹۵۴ با استفاده از ماده سیلیسیوم، در “آزمایشگاه بل” ساخته شد. پس از آن، دانشمندان و مهندسان بلافاصله به ارزش سلول های خورشیدی برای تامین انرژی در بخش های پزشکی، تامین برق روستاها، بیمارستان های سیار و حتی تجهیزات فضایی پی بردند. امروزه کاربرد سلول های خورشیدی به طور گستردهای در حال رشد و پیشرفت است.

کاربردهای سلول های خورشیدی

  1. تامین نیروی حرکتی ماهواره ها و سفینه های فضایی
  2. تامین انرژی لازم دستگادهایی که نیاز به ولتاژهای کمتری دارند مثل ماشین حساب و ساعت
  3. تامین برق مورد نیاز منازل و ساحتمان های مسکونی
  4. تامین برق مورد نیاز برای مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارند؛ مانند برخی زمین های کشاورزی و مناطق کوهستانی
  5. تامین برق شهر توسط نیروگاه های فتوولتائیک
  6. تامین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایق های کوچک

کاربردهای سلول خورشیدی آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

مزایا و معایب سلول خورشیدی

سلول خورشیدی در واقع از نوعی ماده نیمرسانا تشکیل شده که انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. از مزایای سلول های خورشیدی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  1. جای زیادی اشغال نمی کنند
  2. قسمت متحرک ندارند
  3. بازده آنها با تغییرات دمایی محیط تغییرات چندانی نمی کنند
  4. به سادگی نصب می شوند
  5. به راحتی با سیستم های بکار رفته در ساختمان جور می شوند

همچنین از معایب سلول های خورشیدی اینست که:

  1. تولید این تجهیزات هزینه ی نسبات زیادی دارد
  2. میزان انرژی تابشی در نقاط مختلف متفاوت است و در فصول مختلف سال و ساعات متفاوت شبانه روز تغییر می کند
  3. باید از باتری برای ذخیره این انرژی استفاده شود که همین موضوع بسیار هزینه بر است

سلول خورشیدی چیست؟

عملکرد آرایه های سلول خورشیدی به دما، میزان تابش و در نتیجه به سایه بستگی دارد. گاهی پنل های خورشیدی تحت تاثیر سایه حاصل از ساختمان های مجاور، عبور ابرها و …. قرار می گیرند. این سایه ها ممکن است تمام و یا قسمتی از ماژول خورشیدی را تحت تاثیر قرار دهند. در حالتی که قسمتی از پنل خورشیدی تحت تاثیر سایه قرار می گیرد، مشخصه توان سولتاژ آرایه پیچیده می شود و برای داشتن حداکثر توان خروجی، نیاز است این مشخصه در حالت مذکور پیش بینی شود.

سلول خورشیدی توربین بادی آسمان آبی فیلیوس آموزش مهندسی برق قدرت filioos

در این حالت مشخصه دارای چندین حداکثر می شود و برای داشتن حداکثر توان در خروجی لازم است که حداکثر های محلی از حداکثر عمومی تشخیص داده شود. روش های متعددی، که به اختصار MPPT نامیده می شوند، به این منظور پیشنهاد شده اند. در این روش ها از تکنیک های متفاوتی برای یافتن نقطه حداکثر توان بهره گرفته شده است. برای مثال از شبکه عصبی، منطق فازی، ترکیب روش های موجود و بهبود آنها، الگوریتم ژنتیک و… بهره گرفته شده است.

چطور می توان از سلول خورشیدی بیش ترین بازدهی را دریافت کرد؟

دو روش بسیار معمول برای یافتن نقطه حداکثر توان، روش های اندوکتانس افزایشی (IC) و روش اغتشاش و مشاهده ( P&O) می باشند. اما روش P&O بعد از رسیدن به نقطه حداکثر توان، اطراف این نقطه نوسان می کند و همچنین در شرایط تغییرات سریع جوی و یا سایه های ناهمگون بر روی آرایه ای از سلول های خورشیدی، قادر به پاسخگویی نیست. اما این روش بطور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد و این امر بخاطر سادگی این روش است. از طرف دیگر روش IC در شرایطی که شرایط جوی تغییرات سریع دارد، پاسخگویی بهتری نسبت به روش P&O دارد و همچنین هنگام رسیدن به نقطه حداکثر توان، حول آن نوسان نمی کند.

سلول خورشیدی فیلیوس آموزش مهندسی برق قدرت filioos

مدلسازی پنل خورشیدی …

برای بررسی رفتار آرایه ای از سلول خورشیدی نیاز به مدلسازی آن می باشد. مهمترین موضوع در مدلسازی آرایه ای از سلول های خورشیدی اینست که هنگام محاسبه مقادیر پارامترهای مدل، اثر دما و تابش نیز در نظر گرفته شود. به این منظور مدل های متفاوتی برای آرایه های PV پیشنهاد شده است.

یکی از مدل هایی که معمولا برای PV استفاده می شود مدل تک دیودی است که در آن یک دیود با منبع جریان موازی شده است و یک مقاومت سری نیز در نظر گرفته شده است. در این مدل چهار پارامتر باید محاسبه شوند. اما در بعضی مدل ها برای اینکه مشخصه V-I دقیق تر بدست آید، استفاده از یک مقاومت شنت نیز پیشنهاد شده است. که این موضوع تعداد پارامترهایی که باید محاسبه شوند را به عدد پنج افزایش می دهد.

سلول خورشیدی برق خانه انرژی خورشیدی فیلیوس آموزش مهندسی برق قدرت filioos

برای ساخت یک سلول خورشیدی می توان از مواد مختلفی استفاده کرد. در ادامه این بخش از فیلیوس به هرکدام از این موارد اشاره میکنیم.

پنل خورشیدی سیلیکونی تک کریستالی

سلول های خورشیدی سیلیکونی تک کریستالی یکی از سلول های خورشیدی پربازده می باشند. آنها از ویفرهای بسیار نازک تک کریستالی که از سیلیکون مذاب خالص به دست می آیند استفاده می کنند. این ویفرهای تک کریستالی، خواص قابل پیش بینی و یکسانی دارند چون کریستال، دارای نظم بالایی می باشد. فرایندهای ساخت با دقت زیاد و در دماهای بالا که بسیار پرهزینه است صورت می گیرد. بازده این سلول ها در حدود %۱۸-۱۵ می باشند.

پنل خورشیدی سیلیکونی پلی کریستالی

این سلول ها نیز از ویفر سیلیکون مذاب ساخته شده اند. اما دارای ساختار کریستالی تصادفی می باشند. همزمانی که سیلیکون مذاب سرد می شود کریستال به طور همزمان در جهت های مختلف به صورت ساختار نامنظم ایجاد می شود و کریستال هایی در اندازه های تصادفی با شکل و جهت های مختلفی ایجاد می شود. ساختار این نوع کریستال از ایده آلی کمتری نسبت به پنل خورشیدی تک کریستالی بهره مند بوده بنابراین بازده کمتری نسبت به سلول خورشیدی تک کریستالی در حدود %۱۵-۱۱ دارد. اما فرایند ساخت این نوع پنل خورشیدی ارزان تر بوده، که بازده کمتر آن را جبران می کند.

انواع سلول خورشیدی آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس filioos

انواع سلول خورشیدی

پنل خورشیدی سیلیکونی غیر بلوری

سیلیکون غیر بلوری شکل غیر کریستالی سیلیکون می باشد و به صورت فیلم های نازک روی زیر لایه، لایه نشانی میشود. لایه نشانی می تواند در دماهای پایین صورت گیرد. فرایندهای ساخت ساده تر، آسان تر و ارزان تر از سلول های کریستالی صورت می گیرد. نقطه ضعف این نوع سلول ها پایین بودن بازده آنها در حدود %۸-۶ میباشد. اما عملکرد سلول های خورشیدی غیر بلوری در تابش های ضعیف بهتر از سلول های خورشیدی کریستالی بوده و ضریب دمایی کوچک تری دارد. سیلیکون غیر بلوری همچنین جذب کننده نور بهتری نسبت به سیلیکون کریستالی می باشد. مزیت اصلی تکنولوژی فیلم های نازک، سهولت ساخت در دماهای پایین با استفاده از زیر لایه های ارزان و روش های تولید پیوسته و تولید سلول های انعطاف پذیر و سبک وزن می باشد.

پنل خورشیدی با مواد دیگر

همان طور که اشاره شد، مواد دیگری به غیر از سیلیکون برای ساخت سلول خورشیدی مورداستفاده قرار می گیرد. این ترکیبات نیز به صورت فیلم نازک لایه نشانی می شوند، بنابراین همان مزیت های فیلم نازک سیلیکون را دارا می باشند و علاوه بر آن بازده بهتری دارند. از میان این ترکیبات، دو ترکیب CIGS و CdTe بیشتر مورداستفاده قرار می گیرند. بازده آنها در حدود %۱۳-۱۰ می باشد. که در سال های اخیر این بازده در حال بهبود می باشد. عیوب اصلی این نوع از سلول ها، سمی بودن برخی از ترکیبات و کمبود برخی از عناصر مورداستفاده در آن ها می باشد.

ماده دیگری که برای ساخت سلول خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرد گالیم آرسناید است. گالیم آرسناید برای کاربردهای فضایی مورداستفاده قرار می گیرد، به دو دلیل: اول اینکه این نوع سلول، کمتر از سیلیکون از تابش های فضایی آسیب می بیند و دوم اینکه گالیم آرسناید می تواند طیف های خورشیدی بیشتری را جذب کند. اما مواد بسیار گرانی دارد. در پروژه های فضایی می تواند این هزینه ها تأمین شود چون هزینه فاکتور مهمی برای این نوع پروژه ها نمی باشد. سلول گالیم آرسناید دارای بازده حدود %۴۰ می باشد.

سلول خورشیدی در هوای آفتابی آموزش مهندسی برق قدرت فیلیوس

مواد ساخت برای نسل آینده سلول های خورشیدی

در چند سال اخیر، سلول خورشیدی سیلیکونی میکرو کریستالی بیشترین رشد را داشته است. این نوع سلول می تواند به صورت فیلم نازک بر روی زیر لایه های مختلف، با حداقل مقدار سیلیکون کریستالی موردنیاز و بهبود بازده سیلیکون غیر بلوری لایه نشانی شود. اما جذب نور سیلیکون میکرو کریستالی در مقایسه با سیلیکون غیر بلوری کمتر می باشد. راه حل استفاده از یک تله نوری برای نگه داشتن نورهای تابیده در داخل فیلم می باشد. این نوع از پنل خورشیدی در مرحله تحقیقاتی بوده و تجاری نشده است.

یک نوع دیگر از سلول، که در مرحله تحقیقاتی است سلول های حساس رنگی می باشند. این سلولها از مواد ارگانیک مصنوعی ساخته می شوند. مزیت اصلی این نوع سلول ها کارکرد بهتر آنها در تابشهای پایین و پراکنده می باشد.

باوجود انواع سلول های خورشیدی، چیزی که مهم است این است که همه این سلول های خورشیدی مختلف دارای مشخصه های غیر خطی ولتاژ-جریان مشابه می باشند. تأثیر پذیری مشابهی از تغییرات دما و تابش دارند. تنها تفاوت بین انواع مختلف سلول های خورشیدی، اختلاف در سطوح مختلف حساسیت آنها می باشد. با این حال الگوریتم های یکسانی برای ردگیری ماکزیمم نقطه توان برای آن ها مورداستفاده قرار می گیرد.

در ویدئوی زیر نیز توضثح داده شده که سلول خورشیدی چیست و چگونه کار می کند؟ 

امیدواریم این ملب براتون مفید بوده باشه… خوشحال میشیم با نظراتتون تیم فیلیوس رو در بهبود کیفیت مقالاتش کمک کنید.

فیلیوس

برق قدرت

دیدگاه‌ها

*
*