پنل‌های خورشیدی تجهیزاتی هستند که از اثر فتوولتائیک (Photovoltaic Effect) برای تبدیل انرژی نورانی خورشید به برق جریان مستقیم (DC) استفاده می‌کنند. این فرآیند در قلب سلول‌های خورشیدی ساخته شده از مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون رخ می‌دهد. در این مقاله، به بررسی مراحل ساخت پنل‌های خورشیدی با تأکید بر جنبه‌های الکتریکی و فنی پرداخته می‌شود.
پنل خورشیدی چیست؟
پنل خورشیدی دستگاهی است که با استفاده از سلول‌های فتوولتائیک (PV) نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند. سلول‌های PV از موادی ساخته می‌شوند که هنگام قرار گرفتن در معرض نور، الکترون‌های تحریک‌شده تولید می‌کنند. این الکترون‌ها از طریق یک مدار جریان می‌یابند و برق جریان مستقیم (DC) تولید می‌کنند که می‌تواند برای تامین انرژی دستگاه‌های مختلف یا ذخیره در باتری‌ها استفاده شود. پنل‌های خورشیدی با نام‌های پنل‌های سلول خورشیدی، پنل‌های برق خورشیدی یا ماژول‌های PV نیز شناخته می‌شوند.
مراحل ساخت پنل‌های خورشیدی
ساخت پنل‌های خورشیدی فرآیندی پیچیده است که در کارخانه‌های تخصصی انجام می‌شود. با این حال، درک مراحل کلی ساخت آن‌ها می‌تواند به شما در درک بهتر این فناوری کمک کند. مراحل اصلی ساخت پنل‌های خورشیدی به شرح زیر است:
- استخراج و خالص‌سازی سیلیکون
- ساخت سلول های خورشیدی
- مونتاژ پنل خورشیدی
- آزمایش الکتریکی و کنترل کیفیت
- ملاحظات طراحی الکتریکی
در ادامه هر کدام از مراحل ساخت پنل خورشیدی را دقیق‌تر توضیح می‌دهیم.
1- استخراج و خالص‌سازی سیلیکون
اولین قدم، استخراج ماده اولیه، یعنی سیلیکون، از منابعی مانند ماسه سنگ کوارتز است. سیلیکون استخراج شده خالص نیست و باید تا درجه بسیار بالایی (بیش از 99.9999%) خالص شود. این کار معمولاً از طریق فرآیندهایی مانند فرآیند زیمنس (Siemens process) انجام می‌شود که شامل تبدیل سیلیکون به ترکیبات گازی، خالص‌سازی و سپس بازگرداندن آن به شکل جامد است
تولید ویفر یا شمش سیلیکونی
در این مرحله سیلیکون خالص و خام در کوره‌ای با دمای حدود 1400 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود. سیلیکون مذاب به شکل کریستال‌های بزرگ درآورده می‌شود. که این کریستال ها به دو مدل زیر است:
- سیلیکون تک‌کریستالی(Monocrystalline) که با روش چکرالسکی (Czochralski Process) ساخته می‌شود که در آن یک کریستال اولیه در سیلیکون مذاب غوطه‌ور و به آرامی کشیده می‌شود تا به شکل یک شمش استوانه‌ای درآید. سیلیکون تک کریستالی دارای ساختار منظم، راندمان بیش‌تر (تا 22%) و قیمت بالاتر است.
- سیلیکون چندکریستالی(Polycrystalline) که با روش روش منطقه‌ای (Float Zone)، با ریخته شدن سیلیکون مذاب در قالب و سرد شدن تدریجی آن تشکیل می‌شود. سیلیکون چندکریستالی دارای نقص‌های کریستالی، راندمان کم‌تر (حدود 18%) و قیمت پایین‌تر است.
برش ویفرها
شمش‌ها با اره‌های سیمی الماسه به صورت ویفرهایی با ضخامت 180-200 میکرومتر برش داده می‌شوند. ضخامت پایین ویفرها موجب کاهش مقاومت اهمی و افزایش جذب نور می‌شود.
2- ساخت سلول‌های خورشیدی: مهندسی الکتریکی
سلول خورشیدی یک دیود پیوند PN است که از اتصال دو لایه نیمه‌هادی با خواص الکتریکی متفاوت تشکیل می‌شود. مراحل ساخت این دیود به شرح زیر است:
زبر کردن سطح (Texturing)
سطح ویفر با محلول‌های شیمیایی (مانند هیدروکسید پتاسیم) برای کاهش بازتاب نور و افزایش جریان فوتوالکتریک (Photocurrent) زبر می‌شود.
دوپینگ (Doping)
لایه بالایی ویفر برای تولید بار منفی با فسفر (N-Type) دوپ شده و لایه پایینی نیز برای تولید بار مثبت با بور (P-Type) دوپ می‌شود. به طور معمول این فرآیند در کوره‌هایی با دمای بالا (حدود 800-1000 درجه سانتی‌گراد) و با پخش گازهای دارای ماده دوپانت انجام می‌شود.
پوشش ضد انعکاس (Anti-Reflective Coating)
لایه‌ای نازک از نیترید سیلیکون (Si₃N₄) یا اکسید تیتانیوم (TiO₂) با ضخامت حدود 70-80 نانومتر، بر سطح پنل قرار داده می‌شود و با کاهش بازتاب نور، راندمان تبدیل فوتون به الکترون را افزایش می‌دهد.
متالیزاسیون (Metallization)
خطوط شبکه‌ای (Grid Lines) از نقره با تکنیک چاپ سیلک‌اسکرین بر سطح بالایی ویفر و لایه‌ای از آلومینیوم نیز بر سطح پایینی آن اعمال می‌شود. این اتصالات الکتریکی جریان تولیدشده را جمع‌آوری می‌کنند.
3- مونتاژ پنل خورشیدی: اتصالات و بهینه‌سازی الکتریکی
مونتاژ پنل خورشیدی شامل بخش های زیر است:
اتصال سلول‌ها
سلول‌های خورشیدی به صورت سری و موازی (به طور معمول 60 یا 72 واحد) با نوارهای مسی روکش‌دار (Busbars) و برای افزایش ولتاژ کل به صورت سری به یکدیگر متصل می‌شوند.
کپسوله‌سازی (لایه‌بندی و بسته‌بندی)
سلول‌های متصل شده بین لایه‌های محافظ قرار می‌گیرند. این لایه‌ها معمولاً شامل موارد زیر هستند:
- لایه پشتی (Backsheet): یک لایه پلیمری مقاوم در برابر رطوبت و اشعه UV که از پشت پنل محافظت می‌کند.
- لایه کپسول‌کننده (EVA): معمولاً از جنس اتیلن وینیل استات (EVA) است که سلول‌ها را در بر می‌گیرد و از آن‌ها در برابر رطوبت و ضربه محافظت می‌کند. سلول‌ها بین دو لایه از ماده اتیلن وینیل استات (EVA) قرار گرفته و تحت خلأ و دمای 140-150 درجه سانتی‌گراد لمینت می‌شوند.
- شیشه محافظ (PET): یک لایه شیشه‌ای مقاوم در برابر ضربه که از سطح پنل محافظت می‌کند و نور خورشید را به سلول‌ها می‌رساند.
قاب‌بندی (Framing)
لایه‌های محافظ با یک قاب آلومینیومی احاطه می‌شوند تا استحکام و دوام پنل افزایش یابد
جعبه اتصال (Junction Box)
یک جعبه در پشت پنل نصب می‌شود که شامل اتصالات الکتریکی و دیودهای بای‌پس (bypass diodes) است. دیودهای بای‌پس در زمان افتادن سایه روی بخشی از پنل، از افت ولتاژ کل جلوگیری می‌کنند. خروجی آن به طور معمول از کابل‌های MC4 و با ولتاژ نامی 600-1000 ولت DC است.
4- آزمایش الکتریکی و کنترل کیفیت نهایی
پس از اتمام ساخت پنل خورشیدی تست های زیر جهت اطمینان از عملکرد پنل بر روی آن انجام می‌شود:
- اندازه‌گیری: IV Curve منحنی جریان-ولتاژ برای تعیین بالاترین میزان توان (P_Max) تحت شرایط استاندارد اندازه‌گیری می‌شود.
- تست عایق الکتریکی: مقاومت عایق (Insulation Resistance) با اعمال ولتاژ بالا مورد بررسی قرار می‌گیرد.
- آزمون فلاش :(Flash Test) نور مصنوعی برای شبیه‌سازی خورشید و تأیید راندمان الکتریکی بر سطح پنل اعمال می‌شود.
5- ملاحظات طراحی الکتریکی
در طراحی الکتریکی پنل های خورشیدی بهتر است به نکات زیر توجه نمایید:
- تلفات اهمی: مقاومت سری و موازی (R_S) و (R_SH) باید بهینه شوند تا عامل پرکنندگی (Fill Factor) بالا بماند.
- دما: افزایش دما ولتاژ را کاهش می‌دهد.
- سازگاری با اینورتر: پنل‌ها باید با ولتاژ ورودی اینورتر هماهنگ باشند.
سخن پایانی ساخت پنل‌های خورشیدی
فرآیند ساخت پنل‌های خورشیدی شامل چندین مرحله کلیدی است که از تهیه مواد اولیه آغاز می‌شود و تا تولید سلول‌های خورشیدی، مونتاژ، آزمایش و بسته‌بندی پنل‌ها ادامه می‌یابد. این فرآیند نیازمند دقت بالا و استفاده از فناوری‌های پیشرفته است تا پنل‌هایی با بازدهی بالا و دوام طولانی تولید شوند. برای طراحی و نصب پنل خورشیدی و سیستم‌های خورشیدی بصورت بهینه و متناسب با نیازهای خود، می‌توانید از خدمات نیکسا جهت طراخی و ساخت نیروگاه خورشیدی متناسب با نیازهای شما بهره‌مند شوید.
