مروری بر فتوولتائیک خورشیدی

مقدمه ای بر تولید برق فتوولتائیک خورشیدی

تولید برق فتوولتائیک خورشیدی روشی برای تولید الکتریسیته با استفاده از اثر فتوولتائیک یک سلول خورشیدی (دستگاه نیمه هادی مشابه دیود کریستالی) برای تبدیل مستقیم انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی است و مبدل انرژی تولید برق فتوولتائیک خورشیدی است. سلول خورشیدی که به عنوان سلول فتوولتائیک نیز شناخته می شود. هنگامی که نور خورشید به سلول خورشیدی (متشکل از دو نوع مختلف مواد نیمه هادی همگن از نوع P و N) برخورد می کند، بخشی از نور منعکس می شود، بخشی از نور جذب می شود و بخشی از نور از سلول عبور می کند. انرژی نوری جذب شده برای تحریک حالت انرژی بالا محدود الکترون، که منجر به ایجاد جفت الکترون - حفره، در محل اتصال PN میدان الکتریکی داخلی، الکترون‌ها، حفره‌ها و حرکت یکدیگر می‌شود (همانطور که در شکل 1-1 نشان داده شده است)، ناحیه N از سوراخ به ناحیه P، ناحیه P الکترون به ناحیه N حرکت سمت نور سلول خورشیدی به طوری که تعداد زیادی بار منفی (الکترون) انباشته شده و تعداد زیادی مثبت بارها (سوراخ) در قسمت نور پشت باتری انباشته شده است. اگر باری به دو سر سلول متصل شود، جریانی از بار عبور می کند و هنگامی که نور همچنان می تابد، جریان ثابتی از بار عبور می کند. یک سلول خورشیدی منفرد یک قطعه نازک از اتصال PN نیمه هادی است، شرایط نور استاندارد، ولتاژ خروجی نامی 0.5 ~ 0.55 V. به منظور به دست آوردن ولتاژ خروجی بالاتر و توان بیشتر ظرفیت، در کاربردهای عملی، اغلب سلول‌های خورشیدی متعدد را به یکدیگر متصل می‌کنند تا یک بسته باتری تشکیل دهند، یا بسته‌های باتری بیشتری را برای تشکیل یک آرایه فتوولتائیک، همانطور که در شکل 1-2 نشان داده شده است. توان خروجی سلول های خورشیدی تصادفی است و توان خروجی همان سلول خورشیدی در زمان های مختلف، در مکان های مختلف، با شدت نور متفاوت و در روش های مختلف نصب متفاوت است.

1-1 اصل تولید انرژی سلول فتوولتائیک خورشیدی

1-2 از سلول‌ها و ماژول‌ها تا آرایه‌های PV

مزایای استفاده از PV خورشیدی

فرآیند تولید برق فتوولتائیک خورشیدی ساده است، بدون قطعات چرخان مکانیکی، بدون مصرف سوخت، بدون انتشار هیچ ماده ای از جمله گازهای گلخانه ای، بدون صدا و بدون آلودگی. منابع انرژی خورشیدی به طور گسترده توزیع شده و پایان ناپذیر است. بنابراین، در مقایسه با فن‌آوری‌های جدید تولید برق مانند تولید برق بادی و زیست توده، تولید برق فتوولتائیک یک فناوری تولید انرژی تجدیدپذیر است که با پایدارترین توسعه (غنی‌ترین منابع و پاک‌ترین فرآیند تولید برق) مشخص می‌شود و مزایای اصلی آن عبارتند از: به شرح زیر است.

(1) منابع انرژی خورشیدی تمام نشدنی هستند، انرژی خورشیدی تابیده شده به زمین تقریباً 6،{2}} برابر بیشتر از انرژی مصرف شده در حال حاضر توسط انسان است، و انرژی خورشیدی تا زمانی که وجود دارد به طور گسترده در زمین توزیع می شود. نور در مکانی است که می توان از سیستم تولید برق فتوولتائیک بدون محدودیت جغرافیایی، ارتفاع و سایر عوامل استفاده کرد.

(2) اگرچه در سطح زمین، ابعاد مختلف، تفاوت در شرایط اقلیمی و سایر عوامل باعث تابش ناهموار خورشید می شود، اما از آنجایی که منابع انرژی خورشیدی در همه جا در دسترس است، می توان به راه حل های تولید برق، تامین برق و برق نزدیک بود. برای جلوگیری از سرمایه گذاری در خطوط انتقال طولانی و از دست دادن انرژی الکتریکی، لازم نیست در مسافت های طولانی حمل و نقل شوند.

(3) تولید برق فتوولتائیک به طور مستقیم از تبدیل فوتون به الکترون است، هیچ فرآیند میانی (مانند انرژی حرارتی تبدیل به انرژی مکانیکی، انرژی مکانیکی تبدیل به انرژی الکترومغناطیسی و غیره) و حرکت مکانیکی، هیچ فرسایش مکانیکی وجود ندارد. . بر اساس تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی، تولید برق فتوولتائیک دارای راندمان تولید برق بسیار بالایی است، تا 80 درصد یا بیشتر، پتانسیل توسعه فناوری.

(4) تولید برق فتوولتائیک به خودی خود از سوخت استفاده نمی کند، انتشار گازهای گلخانه ای و سایر مواد خروجی تقریباً صفر است، صدا تولید نمی کند و هوا و آب را دوستدار محیط زیست آلوده نمی کند. آیا از بحران انرژی یا تاثیر بی ثباتی بازار سوخت رنج نمی برند، انرژی خورشیدی یک انرژی تجدید پذیر سبز واقعی است.

(5) فرآیند تولید برق فتوولتائیک نیازی به آب خنک کننده ندارد و دستگاه تولید برق را می توان در بیابان و گوبی که آب وجود ندارد نصب کرد. تولید برق فتوولتائیک همچنین می تواند به راحتی با سقف ها و دیوارهای ساختمان ها ترکیب شود و یک سیستم تولید برق یکپارچه ساختمانی یا ساختمانی فتوولتائیک ایجاد کند که نیازی به اشغال زمین به طور جداگانه ندارد و می تواند منابع ارزشمند زمین را ذخیره کند.

(6) تولید برق فتوولتائیک فاقد قطعات انتقال مکانیکی، عملیات و نگهداری ساده و عملیات پایدار و قابل اعتماد است. مجموعه ای از سیستم تولید برق فتوولتائیک تا زمانی که خورشید وجود دارد، اجزای باتری می توانند برق تولید کنند، همراه با استفاده گسترده از فناوری کنترل خودکار، اساساً می توانند هزینه های تعمیر و نگهداری بدون مراقبت و کم را درک کنند.

(7) عملکرد سیستم تولید برق فتوولتائیک پایدار و قابل اعتماد است، عمر طولانی (بیش از 30 سال)، عمر سلول خورشیدی سیلیکون کریستالی می تواند تا 25 تا 35 سال باشد. در سیستم تولید برق فتوولتائیک، تا زمانی که طراحی معقول و انتخاب مناسب باشد، عمر باتری نیز می تواند به 10 تا 15 سال برسد.

(8) ساختار ماژول سلول خورشیدی ساده، اندازه کوچک و وزن سبک است که حمل و نقل و نصب آن آسان است. چرخه ساخت و ساز سیستم تولید برق فتوولتائیک کوتاه است، و با توجه به ظرفیت بار قدرت می تواند بزرگ یا کوچک، راحت و انعطاف پذیر، بسیار آسان برای ترکیب، گسترش باشد.

علاوه بر این، پرکاربردترین سیستم تولید برق پراکنده فتوولتائیک در سالهای اخیر است که با استفاده از سقف ساختمانها و تأسیسات کشاورزی مختلف و همچنین پشت بام خانه های خانوادگی ساخته شده است که علاوه بر مزایایی که در بالا ذکر شد، می باشد. همچنین دارای برتری های زیر است.

(1) تولید برق فتوولتائیک توزیع شده اساساً منابع زمین را اشغال نمی کند و می تواند برای تولید و تامین برق در مجاورت، بدون یا با خطوط انتقال کمتر استفاده شود، که هزینه های انتقال را کاهش می دهد. ماژول های PV همچنین می توانند به طور مستقیم جایگزین مصالح سنتی دیوار و سقف شوند.

(2) سیستم تولید برق فتوولتائیک توزیع شده، تولید برق و همزیستی نیرو در هنگام اتصال به شبکه توزیع است. در منبع تغذیه شبکه در دوره اوج تولید برق است، می تواند به طور موثر نقش تسطیح اوج را بازی کند، بار منبع تغذیه اوج گران قیمت در شهر را کاهش دهد، می تواند تا حدی تنش مصرف برق در مناطق محلی را کاهش دهد.

معایب PV خورشیدی

(1) چگالی انرژی کم. اگرچه انرژی خورشید به زمین بسیار زیاد است، اما از آنجایی که سطح زمین نیز بسیار بزرگ است و بیشتر سطح زمین توسط اقیانوس پوشانده شده است، انرژی واقعی خورشید تنها می تواند به سطح زمین برسد تا به محدوده زمین برسد. انرژی تابشی 10 درصد یا بیشتر، در نتیجه یک واحد سطح زمین می تواند مستقیماً به انرژی خورشید دسترسی داشته باشد، معمولاً به تابش خورشید برای بیان سطح زمین بالاترین مقدار حدود 1.2 کیلووات ساعت / متر مربع است. اکثریت قریب به اتفاق مناطق و بیشتر زمان تابش آفتاب کمتر از 1 کیلووات ساعت در متر مربع است. متر مربع، و اکثریت قریب به اتفاق مناطق و بیشتر ساعات آفتابی کمتر از 1 کیلووات ساعت بر متر مربع است. استفاده از انرژی خورشیدی در واقع یک مجموعه انرژی با چگالی کم، استفاده است.

(2) پوشش یک منطقه بزرگ. چگالی انرژی خورشیدی کم است، که باعث می شود سیستم تولید برق فتوولتائیک منطقه بزرگی را پوشش دهد، هر 10 کیلو وات برق تولید برق فتوولتائیک مساحتی در حدود 70 متر مربع را پوشش می دهد، متوسط ​​توان تولید برق در هر متر مربع مساحت حدود 160 وات است. با ارتقای تولید برق پراکنده فتوولتائیک و بلوغ و توسعه فناوری تولید برق یکپارچه ساختمان‌های فتوولتائیک، می‌توان از سیستم‌های تولید برق فتوولتائیک بیشتری در پشت بام و نمای ساختمان‌ها و سازه‌ها استفاده کرد که به تدریج کاستی‌های تولید برق فتوولتائیک را بهبود می‌بخشد. سیستم هایی با فضای کف بزرگ

(3) راندمان تبدیل کمتر. اساسی ترین واحد تولید برق فتوولتائیک، ماژول سلول خورشیدی است. راندمان تبدیل تولید برق فتوولتائیک به نسبت انرژی نور تبدیل به الکتریسیته اشاره دارد. در حال حاضر، بالاترین راندمان تبدیل سلول های فتوولتائیک سیلیکونی کریستالی در 21 درصد یا بیشتر، ساخته شده از راندمان تبدیل اجزای باتری 16 درصد به 17 درصد، راندمان تبدیل ماژول فتوولتائیک سیلیکون آمورف تا بیش از 13 درصد است. با توجه به راندمان تبدیل فوتوالکتریک کم، چگالی توان سیستم تولید برق فتوولتائیک کم است، تشکیل یک سیستم تولید برق بالا دشوار است.

(4) کار متناوب. در سطح زمین، سیستم تولید برق فتوولتائیک فقط در طول روز می تواند برق تولید کند، اما در شب نه، که با روش استفاده از برق و عادات مردم ناسازگار است. مگر اینکه تفاوتی بین روز و شب در فضا وجود نداشته باشد، سلول های خورشیدی می توانند به طور مداوم برق تولید کنند.

(5) تحت تأثیر شرایط طبیعی و عوامل آب و هوایی. انرژی تولید برق فتوولتائیک خورشیدی مستقیماً از تابش نور خورشید حاصل می شود و تابش نور خورشید در سطح زمین توسط شرایط طبیعی و آب و هوا تأثیر زیادی بر فصول سال، تناوب روز و شب، عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا و سایر موارد طبیعی دارد. شرایط و همچنین ابری و صاف، باران، برف، مه یا حتی تغییر در پوشش ابر تاثیر جدی بر وضعیت تولید برق سیستم خواهد داشت. علاوه بر این، تأثیر عوامل محیطی نیز بسیار زیاد است، به ویژه ذرات معلق در هوا (مانند گرد و غبار و غیره) روی سطح ماژول باتری فرود می آیند، که بخشی از تابش نور را مسدود می کند، به طوری که راندمان تبدیل باتری ماژول کاهش می یابد و تولید برق کاهش می یابد.

(6) وابستگی شدید جغرافیایی. موقعیت های جغرافیایی مختلف، به طوری که منابع آفتاب در مناطق مختلف بسیار متفاوت است. سیستم تولید برق فتوولتائیک تنها در استفاده از مناطق غنی از انرژی خورشیدی خوب است، بازده سرمایه گذاری بالا است.

(7) هزینه سیستم بالا است. راندمان تولید برق فتوولتائیک خورشیدی نسبتاً پایین است و تاکنون هزینه تولید برق فتوولتائیک نسبت به سایر روش‌های تولید برق معمولی (مانند انرژی حرارتی و آبی) بیشتر است. این نیز یکی از عوامل اصلی محدود کننده کاربرد گسترده آن است. با این حال، باید دید که با گسترش مداوم ظرفیت سلول خورشیدی و بهبود مستمر بازده سلول خورشیدی تراشه های سلولی، هزینه سیستم تولید برق فتوولتائیک بسیار سریع کاهش یافته است و قیمت ماژول های سلول خورشیدی از بیشتر کاهش یافته است. از 10 یوان در هر وات در چند سال گذشته به حدود 2.5 یوان / وات در حال حاضر.

(8) فرآیند تولید باتری های سیلیکونی کریستالی از نظر آلودگی و مصرف انرژی بالا است. ماده اولیه اصلی باتری های سیلیکونی کریستالی سیلیکون خالص است. سیلیسیم دومین عنصر فراوان روی زمین پس از اکسیژن است که عمدتاً به شکل ماسه (سیلیکا) وجود دارد. تبدیل تدریجی از ماسه به سیلیکون کریستالی خالص با محتوای بیش از 99.9999 درصد به فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی متعددی نیاز دارد که نه تنها مقدار زیادی انرژی مصرف می کند بلکه باعث آلودگی محیطی خاصی نیز می شود.

علیرغم کاستی ها و کاستی های ذکر شده در تولید برق فتوولتائیک خورشیدی، کاهش تدریجی انرژی فسیلی جهانی و گرمایش جهانی و تخریب محیط زیست ناشی از مصرف بیش از حد انرژی فسیلی، تهدید بزرگی برای بقای انسان است. بنابراین، توسعه قوی انرژی های تجدیدپذیر یکی از اقدامات اصلی برای حل این مشکل است.