فهرست مطالب
Toggleبا توجه به چالش روزافزون برق شبکه و قطعی آن ، استفاده از پنل های خورشیدی به عبارتی دیگر انرژی های تجدیدپذیر، به عنوان راهکاری موثر و پایدار مطرح می شود. با توجه به تابش فراوان خورشید در بیشتر نقاط کشور، استفاده از تولید برق با پنل خورشیدی گزینه ای مناسب و اقتصادی به شمار می رود . اگرچه استفاده از سیستم برق اضطراری با سوختهای فسیلی یکی از راهکارهای برون رفت از این معضل است. اما مسئله اینجا حاد میشود که این سوختها نیز بدلایل مختلف در کشور ما نایاب شده و استفاده از آن بدون مجوز جریمهای گزاف دارد و همین مواردی سبب میشود تا استفاده از انرژی سیستمهای خورشیدی و یا انرژی بادی و در مجموع استفاده از انرژیهای تجدید خودنمایی کند. که با توجه به ستون هوا در اکثر نقاط کشور استفاده از انرژی خورشیدی موجهتر بنظر میرسد.
سیستم انرژی خورشیدی چیست؟
سیستمهای انرژی خورشیدی یکی از روشهای تولید انرژی پاک و تجدیدپذیر هستند، که نور خورشید را برای تولید برق و یا گرما استفاده میکنند، این سیستمها به دودسته تقسیم میشوند: سیستم فتوولتائیک ( (PV) Photovoltaic) و سیستم حرارتی (Solar Termal) که در این مقاله به بررسی سیستم فتوولتائیک میپردازیم.
اجزای اصلی سیستم انرژی خورشیدی
اجزای اصلی یک سیستم انرژی خورشیدی (فتوولتائیک) عبارتند از:
- پنلهای خورشیدی (Solar Panels)
- اینورتر ( Inverter)
- باتریها ( Batteries) (اختیاری)
آگاهی دقیق از مشخصات فنی و ویژگیها پنلهای خورشیدی کمک مهمی در مقدار و نحوه استفاده از این سیستم را فراهم میکند لذا در ادامه به بررسی جامع و دقیق پنل خورشیدی فتوولتائیک میپردازیم.
پنلهای خورشیدی
پنلهای خورشیدی (Solar Panels) نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. این پنلها از سلولهای فتوولتائیک تشکیل شدهاند که معمولاً از سیلیکون ساخته میشوند.
سلول فتوولتائیک چیست
سلولهای فتوولتائیک(PV) اجزای اصلی پنلهای خورشیدی هستند که وظیفه تبدیل انرژی نورانی خورشید به برق را بر عهده دارند. وقتی فوتونهای نور خورشید به سطح سلول برخورد میکنند، انرژی آنها به الکترونهای موجود در سیلیکون منتقل میشود. این انرژی اضافی باعث میشود الکترونها از اتمهایشان آزاد شوند. میدان الکتریکی موجود در اتصال pn، این الکترونها را به سمت الکترودها هدایت کرده و جریان الکتریکی ایجاد میکند.در ادامه جزئیات این سلولها ارائه شده است
ساختار سلولهای فتوولتائیک
به طور کلی سلولهای فتوولتائیک شامل چهار بخش به شرح زیر میباشند:
- ماده نیمه رسانا
- لایه های سلول
- الکترودها
- پوشش محافظ
در ادامه هر کدام از این بخش ها را به اختصار شرح میدهیم.
ماده نیمهرسانا
سیلیکون به دلیل خواص عالی، ماده اصلی سلولهای فتوولتائیک است. سه نوع سیلیکون رایج عبارتاند از:
- سیلیکون تککریستالی :(Monocrystalline) بازدهی بالا اما هزینه بالاتر.
- سیلیکون چندکریستالی :(Polycrystalline) مقرونبهصرفهتر اما با بازدهی کمتر.
- سیلیکون آمورف :(Amorphous Silicon) انعطافپذیر، مناسب برای شرایط نور کم، اما بازدهی پایینتر.
لایههای سلول PV
لایه های سلول فتوولتائیک به شرح زیر است:
- لایه: n-type دارای الکترونهای آزاد.
- لایه: p-type حاوی حفرههای مثبت.
- اتصال: pn میدان الکتریکی ایجادشده در محل تماس این لایهها، بارهای الکتریکی را جدا میکند.
الکترودها (Electrodes)
الکترودهای فلزی روی سطح سلول، الکترونهای تولیدشده را جمعآوری میکنند.
پوشش محافظ
یک لایه شفاف از شیشه یا پلاستیک که از سلولها در برابر عوامل محیطی مانند آب، گرد و غبار و اشعه UV محافظت میکند.
ویژگیهای کلیدی سلولهای فتوولتائیک
سلولهای فتوولتائیک دارای 4 ویژگی اصلی به شرح زیر هستند که در انتخاب آنها به عنوان بهترین روش تولید برق از انرژی خورشیدی اثرگذار است:
- بازدهی (Efficiency)
نسبت انرژی الکتریکی تولیدی به انرژی نور خورشید دریافتی، معمولاً بین 15% تا 20% است. - دما
با افزایش دما، بازدهی سلولها کاهش مییابد. - طول عمر
سلولهای PV با کیفیت، عمری بیش از 25 سال دارند.
- هزینه
شامل هزینه تولید، نصب و نگهداری که بر انتخاب نوع سلول تأثیر میگذارد.
آینده سلولهای فتوولتائیک
تحقیقات در حال پیشرفت، با هدف افزایش بازدهی، کاهش هزینهها و بهبود پایداری محیطزیستی این سلولها ادامه دارد. فناوریهای جدید مانند سلولهای چندلایه (Tandem) و استفاده از مواد نوآورانه نوید آیندهای روشنتر برای سیستمهای خورشیدی میدهند.
قبل از ادامه و بررسی ویژگیهای پانل خورشیدی به دو موضوع مهم یک بررسی شرایط آزمایشگاهی STC و همچنین بدست آوردن توان انرژی خورشید در طول روز از سایت ناسا (NASA) میپردازیم.
شرایط استاندارد STC جهت بررسی عملکرد پنل خورشیدی
شرایط آزمایشی استانداردSTC (Standard Test Conditions)، یک معیار جهانی برای ارزیابی و مقایسه عملکرد پنلهای خورشیدی است. این شرایط بهمنظور شبیهسازی وضعیتهای ایدهآل و یکسان برای تمامی پنلها تعریف شدهاند. این شرایط عبارتند از:
- شدت نور
۱۰۰۰ وات بر متر مربع، که معادل تابش مستقیم خورشید در ساعات اوج تابش در یک روز آفتابی است.
- دمای پنل
۲۵ درجه سانتیگراد، که به دمای سطح پنل (و نه دمای محیط) اشاره دارد.
- زاویه تابش نور
پرتوهای خورشید به صورت عمود بر سطح پنل میتابند، که حداکثر انرژی ممکن را به پنل منتقل میکند.
- دمای محیط و فشار هوا
دمای محیط ۲۵ درجه سانتیگراد و فشار هوا معادل سطح دریا (یک اتمسفر).
- طیف نور خورشید
استفاده از تابشی با طیف مشخصی به نام AM 1.5 (Air Mass 1.5)، که نشاندهنده نسبت تابش نور خورشید به جو زمین در سطح دریاست.
به دلایل زیر اهمیت STC مورد توجه سازندگان مختلف میباشد.
- مقایسه عملکرد: این شرایط استاندارد امکان مقایسه پنلهای مختلف را تحت شرایط یکسان فراهم میکند.
- ارزیابی قدرت تولیدی: توان تولیدی و راندمان پنلها (Efficiency) تحت این شرایط مشخص میشود.
- معیار طراحی: دادههای بهدستآمده از تستهای STC، پایهای برای طراحی سیستمهای خورشیدی و محاسبات بازدهی است.
چگونه شدت نورخورشید را در یک نقطه مورد نظر از سایت ناسا بدست آوریم؟
سایت NASA POWER یک سایت با پوشش جهانی است که امکان دسترسی به داده به دست آمده از ماهوارههای ناسا با دقت بالا، تابش خورشید در هر نقطه را فراهم میکند این دادهها رایگان بوده و در فرمتهای مختلف در دسترس هستند.
برای بهدستآوردن توان انرژی خورشیدی در طول روز از سایت ناسا پاور (NASA POWER) و دریافت فایل اکسل دادهها، میتوانید از مراحل زیر استفاده کنید: وارد سایت رسمی NASA POWER شوید:
- انتخاب نوع داده مورد نیاز
- منطقه جغرافیایی موردنظر خود را انتخاب کنید (با وارد کردن مختصات جغرافیایی یا کلیک روی نقشه).
- نوع داده مورد نیاز را مشخص کنید. برای محاسبه توان انرژی خورشیدی، پارامترهای مرتبط با تابش خورشیدی مانند Solar Irradiance (GHI, DNI, یا DHI) و Daily Solar Radiation را انتخاب کنید.
- تنظیم بازه زمانی
- بازه زمانی دلخواه خود را انتخاب کنید (روزانه، ماهانه، یا سالانه).
- برای محاسبه توان خورشیدی در طول روز، دادههای روزانه مناسبتر هستند.
- دریافت دادهها
- پس از انتخاب پارامترها و بازه زمانی، گزینه Download را انتخاب کنید.
- فرمت خروجی فایل را به Excel (CSV) تنظیم کنید.
- تحلیل دادهها
- فایل اکسل دانلودشده شامل ستونهایی از دادههای مختلف مانند تاریخ، تابش خورشیدی (kWh/m²/day) و دیگر متغیرها خواهد بود.
- از دادههای تابش خورشیدی روزانه (Solar Radiation) میتوانید برای محاسبه انرژی تولیدی استفاده کنید.
در زیر یک نمونه فایل اکسل که شدت نور را در محدوده شرکت نیکسا ( تهران – سیدخندان) نمایش میدهد برای روز 1/12/2024 را آوردهایم.
- محاسبه توان خورشیدی
برای محاسبه توان انرژی خورشیدی، فرمول محاسبه انرژی خورشیدی E=H×A×η است که هر کدام از پارامترها به شرح زیر است:
- Hمیانگین تابش خورشیدی روزانه (kWh/m²/day) از دادههای ناسا.
- Aمساحت پنل خورشیدی (m²).
- η راندمان پنل خورشیدی (مثلاً ۰.۱۵ برای بازدهی ۱۵٪).
با جایگذاری مقادیر بهدستآمده از فایل اکسل، میتوانید توان خورشیدی قابل تولید را در طول روز محاسبه کنید.
اطلاعات دریافتی ار سایت ناسا به شرح زیر میباشد.