پنل های خورشیدی چگونه کار می کنند

پنل های فتوولتائیک خورشیدی (PV) مبتنی بر فناوری پیشرفته اما بسیار ساده هستند که نور خورشید را مستقیماً به برق تبدیل می کند، این ایده ای است که بیش از یک قرن است که وجود داشته است.

در سال 1839 ادموند بکرل دانشمند فرانسوی، کشف کرد که برخی از مواد در هنگام برخورد با نور خورشید جرقه های الکتریسیته ایجاد می کنند. محققان به زودی دریافتند که این خاصیت که اثر فوتوالکتریک نامیده می شود، قابل مهار است. اولین سلول های فتوولتائیک (PV) ساخته شده از سلنیوم، در اواخر دهه 1800 ساخته شد.

در دهه 1950 دانشمندان آزمایشگاه بل مجدداً این فناوری را مورد بررسی قرار دادند و با استفاده از سیلیکون، سلول های PV تولید کردند که می توانست چهار درصد از انرژی نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل کند.

اجزای یک سلول PV

مهمترین اجزای یک سلول PV دو لایه از مواد نیمه هادی است که معمولاً از کریستال های سیلیکون تشکیل شده است.

سیلیکون متبلور به خودی خود رسانای خیلی خوبی برای الکتریسیته نیست، اما زمانی که ناخالصی ها عمداً اضافه می شوند - فرآیندی که دوپینگ نامیده می شود - مرحله برای ایجاد جریان الکتریکی آماده می شود.

لایه زیرین سلول PV معمولاً با بور دوپ می شود که برای تسهیل بار مثبت (P) با سیلیکون پیوند می یابد، در حالی که لایه بالایی با فسفر دوپ می شود که برای تسهیل بار منفی (N) با سیلیکون پیوند می یابد.

سطح بین نیمه هادی های نوع p و نوع n به دست آمده، اتصال P-N نامیده می شود که حرکت الکترون در این سطح یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که به الکترون ها اجازه می دهد فقط از لایه نوع p به لایه نوع n جریان پیدا کنند.

هنگامی که نور خورشید وارد سلول می شود، انرژی آن الکترون ها را در هر دو لایه شل می کند و به دلیل بارهای مخالف لایه ها، الکترون ها می خواهند از لایه نوع n به لایه نوع p جریان پیدا کنند، اما میدان الکتریکی در محل اتصال P-N از این اتفاق جلوگیری می کند.

با این حال، وجود یک مدار خارجی، مسیر لازم را برای الکترون‌های لایه نوع n فراهم می‌کند تا به لایه نوع p بروند، الکترون‌هایی که از این مدار عبور می‌کنند - معمولاً سیم‌های نازکی که در امتداد بالای لایه نوع n قرار دارند - منبع برق را برای صاحب سلول فراهم می‌کنند.

اکثر سیستم‌های PV بر پایه سلول‌های مربعی مجزا در چند اینچ در یک طرف بنا شده‌اند. هر سلول به تنهایی توان بسیار کمی تولید می کند (چند وات)، بنابراین به عنوان ماژول یا پنل در کنار هم قرار می گیرند و سپس پنل ها یا به عنوان واحدهای جداگانه استفاده می شوند یا در آرایه های بزرگتر گروه بندی می شوند.

سه نوع اصلی سلول خورشیدی وجود دارد:

• سلول های تک کریستالی در استوانه های بلند ساخته شده و به صورت ویفرهای نازک بریده می شوند و در حالی که این فرآیند انرژی بر است و از مواد بیشتری استفاده می کند، سلول هایی با بالاترین راندمان تولید می کند، سلول هایی که می توانند بیشترین نور خورشید ورودی را به الکتریسیته تبدیل کنند.

  ماژول های ساخته شده از سلول های تک کریستالی می توانند در برخی از آزمایشات آزمایشگاهی تا 23 درصد راندمان داشته باشند و تک کریستال کمی بیش از یک سوم بازار جهانی PV را تشکیل می دهد.

• سلول های پلی کریستالی از سیلیکون مذاب ساخته شده اند که به صورت شمش ریخته شده و سپس به صورت مربع بریده می شوند. در حالی که هزینه‌های تولید پایین‌تر است، بازده سلول‌ها نیز پایین‌تر است - با راندمان بالای ماژول نزدیک به 20 درصد.

  سلول های پلی کریستالی حدود نیمی از بازار جهانی PV را تشکیل می دهند.

• سلول های لایه نازک شامل پاشیدن یا رسوب مواد (سیلیکون آمورف، تلورید کادمیوم یا موارد دیگر) بر روی سطوح شیشه ای یا فلزی در لایه های نازک است که به جای مونتاژ سلول های جداگانه، کل ماژول را در یک زمان می سازد.

  این رویکرد منجر به راندمان کمتر می شود، اما می تواند هزینه کمتری داشته باشد و سلول های لایه نازک حدود ده درصد از بازار جهانی PV را تشکیل می دهند.

از لحاظ تاریخی بیشتر پنل‌های PV برای مقاصد خارج از شبکه، تامین انرژی خانه‌ها در مکان‌های دور، دکل‌های تلفن همراه، علائم جاده‌ای و پمپ‌های آب مورد استفاده قرار می‌گرفتند و با این حال، در سال‌های اخیر، انرژی خورشیدی رشد قابل‌توجهی را در ایالات متحده و سایر کشورها برای کاربردهایی که در آن برق به شبکه برق تغذیه می‌شود، تجربه کرده است.

چنین کاربردهای PV متصل به شبکه اکنون بیش از 99 درصد از بازار جهانی خورشیدی را به خود اختصاص داده است.

نحوه ادغام انرژی خورشیدی در شبکه برق

انتقال به یک سیستم برق با مقدار بیشتری از انرژی خورشیدی مزایای بسیاری را به همراه دارد و طیف وسیعی از فناوری‌ها، از جمله سیستم‌های خورشیدی توزیع‌شده در مقیاس کوچک (عمدتاً سیستم‌های روی پشت بام) و سیستم‌های PV در مقیاس بزرگ، دارای مزایای متفاوتی برای صاحبان خانه، مشاغل و تاسیسات هستند.

برق تولید شده توسط پنل های خورشیدی پشت بام ابتدا نیازهای محل را تامین می کند و شبکه برق اضافی را در صورت نیاز تامین می کند. هنگامی که خانه یا کسب و کار بیشتر از مصرف برق تولید می کند، برق به شبکه بازگردانده می شود.

یکی از بزرگترین مزایایی که خورشیدی روی پشت بام برای شبکه فراهم می کند این است که اغلب در زمانی که – و در کجا – این نیرو با ارزش تر است، برق تولید می کند.

به عنوان مثال در بسیاری از مناطق، تقاضا برای سیستم برق در بعدازظهرها در روزهای گرم و آفتابی، زمانی که استفاده از تهویه مطبوع زیاد است و خورشیدی روی پشت بام عملکرد قوی دارد، به اوج خود می رسد، بنابراین چنین سیستم‌هایی به شرکت‌های برق کمک می‌کنند تا بدون راه‌اندازی نیروگاه‌هایی که به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرند که هم گران‌تر و هم آلاینده‌تر از اکثر گزینه‌های دیگر هستند، اوج تقاضا را برآورده کنند.

سیستم‌های پشت بام همچنین فشار وارده بر تجهیزات توزیع و انتقال برق را کاهش می‌دهند و به خانه‌ها و مشاغل اجازه می‌دهند که ابتدا به جای اتکای کامل به شبکه برق، برق را در محل مصرف کنند و مزایا دوچندان است: استفاده از برق در محل از ناکارآمدی حمل و نقل الکتریسیته در فواصل طولانی جلوگیری می‌کند، و سیستم‌های در محل به طور بالقوه به شرکت اجازه می‌دهند تا ارتقاء گران قیمت زیرساخت خود را به تعویق بیندازند.

سیستم های خورشیدی در مقیاس بزرگ، برخلاف خورشیدی روی پشت بام، برق خود را مستقیماً به شبکه برق فشار قوی تغذیه می کنند و بنابراین شباهت هایی با نیروگاه های متمرکزی دارند که سیستم الکتریکی ایالات متحده در اطراف آنها تکامل یافته است.

PV در مقیاس بزرگ، مانند سیستم‌های پشت بام، این مزیت را دارد که اغلب با بالاترین ظرفیت کار می‌کند، زمانی که تقاضا نیز بیشترین میزان را دارد.

علاوه بر این ماهیت ذاتی ماژولار فناوری PV به انعطاف پذیری بیشتر سیستم های PV در برابر آب و هوای شدید نسبت به نیروگاه های سنتی که جایگزین می شوند، کمک می کند.

نیروگاه‌های بزرگ زغال‌سنگ، گاز طبیعی و هسته‌ای در صورت آسیب دیدن بخشی از سیستم، مستعد خرابی‌های آبشاری هستند و با PV در مقیاس بزرگ، حتی اگر بخشی از یک پروژه خورشیدی آسیب ببیند، بیشتر سیستم احتمالاً به کار خود ادامه خواهد داد.

و در حالی که سیستم‌های خورشیدی در مقیاس بزرگ به خطوط انتقالی وابسته هستند که ممکن است تحت تأثیر آب و هوای شدید قرار گیرند، خود پروژه‌ها اغلب به زودی پس از رویدادها در خدمت هستند.

راه حل هایی برای سطوح بالای انرژی خورشیدی

با توجه به تمام مزایایی که خورشیدی ارائه می دهد، رسیدن به سطوح بالای استفاده از PV مطلوب است، اما چالش هایی را نیز به همراه دارد، این چالش ها غیر قابل حل نیستند و ارتقاء فناوری و به روز رسانی در نحوه خرید و فروش برق می تواند به افزایش سطح نفوذ خورشید کمک کند.

یک چالش برای خورشیدی پشت بام این است که جریان برق از مشتریان، به جای آنها، وضعیت نسبتا جدیدی برای تاسیسات است؛ محله‌هایی که خانه‌های زیادی از انرژی خورشیدی استفاده کرده‌اند، می‌توانند به نقطه‌ای نزدیک شوند که در آن سیستم‌های پشت بام می‌توانند بیش از آن چیزی که محله در طول روز استفاده کند، تولید کند.

با این حال خطوط تغذیه کننده که به مشتریان چنین محله هایی خدمات رسانی می کنند ممکن است برای اداره جریان برق در جهت مخالف آماده نباشند.

پروژه‌های PV در مقیاس بزرگ با چالش‌های خاص خود روبرو هستند، زیرا می‌توانند دور از مراکز شهری قرار گیرند و اغلب به خطوط انتقال نیاز دارند تا برق را به جایی که واقعاً مورد استفاده قرار می‌گیرد، منتقل کنند.

این نیاز به سرمایه گذاری در ساخت خود خطوط دارد و منجر به تلفات خط می شود زیرا بخشی از انرژی به گرما تبدیل می شود و از دست می رود.

تغییرپذیری تولید خورشیدی مرتبط با PV در هر دو مقیاس چالش‌های جدیدی را ارائه می‌کند زیرا اپراتورهای شبکه نمی‌توانند خروجی این سیستم‌ها را مانند بسیاری از نیروگاه‌های تجدیدناپذیر با چرخاندن یک کلید کنترل کنند.

میزان تولید از سیستم های PV به میزان تابش خورشید در هر زمان معین بستگی دارد.

هنگامی که ابرها خورشید را مسدود می کنند، تولید از یک آرایه خورشیدی می تواند ناگهان کاهش یابد.

برعکس، در روزهای آفتابی به خصوص با مقادیر بالای انرژی خورشیدی در شبکه، اگر خروجی نیروگاه‌های انرژی تجدید ناپذیر کاهش نیابد تا امکان تولید خورشیدی فراهم شود، عرضه برق می‌تواند از تقاضا بیشتر شود. هر دو وضعیت می تواند منجر به بی ثباتی در شبکه شود.

اما مسائل مربوط به افزودن PV بیشتر به شبکه کاملاً قابل حل است.

رفع مشکلات مربوط به انتقال و تغذیه تا حد زیادی اقتصادی است، نه فنی و چالش‌های تغییرپذیری تا حدی به خوبی درک شده‌اند زیرا اپراتورهای شبکه از قبل نوسانات ناشی از تغییر مداوم تقاضای برق و کاهش منابع برق را زمانی که نیروگاه‌های بزرگ یا خطوط انتقال به‌طور غیرمنتظره از کار می‌افتند مدیریت می‌کنند.

بسیاری از تغییرات ذاتی در تولید خورشیدی نیز قابل پیش‌بینی و مدیریت هستند و می‌توانند به روش‌های مختلفی از جمله:

• استفاده از ابزارهای پیش‌بینی بهتر برای پیش‌بینی دقیق‌تر زمان کاهش تولید خورشیدی

• نصب خورشیدی در یک منطقه جغرافیایی بزرگ برای به حداقل رساندن هر گونه تأثیر تنوع تولید به دلیل پوشش ابر محلی

• تغییر منبع برق و ذخیره انرژی اضافی برای استفاده بعدی

• تغییر تقاضای برق با تشویق مشتریان به استفاده از برق در زمانی که به راحتی در دسترس است

• همکاری با مناطق همسایه برای گسترش قابلیت‌های واردات/صادرات برق و اشتراک منابع

به طور کلی، منابع انرژی تجدیدپذیر از جمله انرژی خورشیدی به تثبیت و انعطاف پذیری بیشتر سیستم برق ایالات متحده چه از نظر اقتصادی و چه از نظر زیست محیطی کمک می کند.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.