به پدیده‌ای که در اثر تابش نور و بدون استفاده از مکانیسم محرک، انرژی الکتریکی تولید کند، پدیده­ی فتوولتاییک گفته می‌شود. همچنین به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند، سیستم فتوولتائیک می گویند. سیستم فتولتائیک یکی از پرکاربردترین سیستم‌های مرتبط با انرژی­های نو می‌باشد و تاکنون سیستم­های گوناگونی با ظرفیت‌های مختلف در سراسر جهان نصب و راه‌اندازی شده است. در این سیستم­ها می‌توان از سری و موازی کردن سلول­های آفتابی، به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست‌یافت. درنتیجه به مجموعه ای از سلول­های سری و موازی شده پنل می­گویند. پنل­های خورشیدی تنها بخشی از سیستم­های PV را تشکیل می­دهند. ماژول­های خورشیدی قلب سیستم می‌باشند و معمولاً ژنراتور توان نامیده می­شوند. یکی از نکات دیگر نصب مناسب ماژول­ها می‌باشد که باید به‌طرف آفتاب نصب شوند. برای سیستم­های PV که الزاماً باید در طول شب یا در شرایط بدآب‌وهوایی کار کنند باید سیستم­های ذخیره الکتریسیته مانند باتری­ها تعبیه شود. خروجی ماژول‌های PV وابسته به‌شدت تابش خورشید و درجه حرارت سلول است؛ برای شارژ مناسب باتری و تامین توان مورد نیاز بار مصرفی به صورت یکنواخت به تجهیزاتی جهت یکسان سازی سیستم خورشیدی و کنترل شارژ مناسب باتری­ها تحت ولتاژ ثابت نیاز است[۱۶]. برای کاربرد­های AC موردنیاز( جریان متناوب) اینورتر DC/AC در سیستم­های PV اجراشده است. درنهایت، لوازم‌خانگی، مانند رادیو و تلویزیون، لامپ­ها و تجهیزات مصرف کننده توان می باشند که بار الکتریکی نامیده می­شود. اجزا سیستم PV در شکل ۱-۱۹ به‌طور شماتیک نشان داده‌شده است.

 

به‌طور خلاصه، سیستم خورشیدی PV شامل سه بخش می‌باشد:

  • ماژول­های PV یا آرایه ­های خورشیدی
  • سیستم کنترلی
  • بار الکتریکی [۱۶]

پنلهای خورشیدی

سلول­های خورشیدی واحدهای اصلی سیستم‌های PV می‌باشند. هر یک از سلول‌های خورشیدی جریان مستقیم DC تولید کرده و اصولاً توانی بین ۱ تا ۲ وات دارند، که به‌تنهایی برای تولید توان اکثر کاربردها کافی نیستند. برای مثال، در مورد سلول‌های خورشیدی کریستالی سیلیکونی با مساحت ۱۰*۱۰ سانتی‌متر مربع توان خروجی عموماً حدود W5/1 با ولتاژ V6/0 و جریانA 5/3 است. برای کاربرد عملی ، سلول­های خورشیدی به‌صورت سری موازی به هم متصل شده و ماژول‌های PV را تشکیل می دهند.

جریان خروجی از ماژول­های سلول مستقیماً وابسته به تابش خورشیدی است و می‌تواند بااتصال سلول‌های خورشیدی به‌صورت موازی افزایش یابد. ولتاژ سلول­های خورشیدی خیلی به تابش خورشید بستگی ندارد بلکه در درجه اول به دمای سلول وابسته است. ماژول­های PV می‌توانند برای کار در ولتاژهای مختلف به‌صورت اتصال سری سلول­های خورشیدی طراحی شوند. جدول۱-۱ شامل پارامترهایی است که در برگه مشخصات ماژول­ها برای توصیف ماژول‌های PV استفاده می‌شود. چهار مثال ماژول­های PV با توان خروجی به‌منظور مقایسه در جدول ۱-۱ آورده شده است

-تجهیزات جانبی:

 سازه­های نگهدارنده

هدف از سازه­های نگهدارنده، نگهداری ایمن ماژول­های PV در محل می باشد، که معمولاً باید حداقل مقاومت نگهداری سازه در برابر بادهای محلی را داشته باشند. هنگامی‌که پنل­ها در مکان‌های عمومی قرار می­گیرند سازه­ها باید به نحوی باشند که از سرقت جلوگیری شود. سازه­ها باید طوری نصب شوند که سایه وجود نداشته باشد و در هنگام تعمیر و نگهداری دسترسی به آن­ها آسان باشد. هزینه سازه­ها بهتر است پایین باشد. برای نصب و اتصال به خانه­ها، سازه­های نگهدارنده که به‌صورت جزئی از ساختمان می باشند. در بعضی موارد از آرایه­های متحرک كه بنا بر فصل با زاويه تابش خورشيد خود را تطبيق مي‌دهند، نصب مي‌شوند. ردياب‌ها دو نوع هستند،‌ ردياب‌هايي كه بر روي يك محور و يا بر روي دو محور دوران مي‌كنند و ردياب‌ها همواره پنل‌هاي خورشيدي را در جهت تـابش خورشيد نگـاه داشته بنابراين موجب افزايش راندمان خروجي پنل‌ها را در پی دارد. نمونه­ی متداول آن‌ها شامل نصب PV ها در نمای ساختمان، در پشت‌بام­ خانه­ها، روشنایی فضای باز و علائم هشداردهنده، و در موانع آلودگی صوتی در بزرگراه­ها می‌باشد. شکل ۱-۲۰ انواع سازه­های نگهدارنده را نشان می­دهد.

 – باتری­ها

 بانك باتري شامل تعدادي باتري است كه معمولاً۱۲ ولتی بوده و به‌صورت سري به هم متصل شده و ولتاژ موردنیاز سيستم را تأمين مي‌نمايند. [۱۷]در سيستم‌هاي منفصل از شبكه، انرژي ذخیره‌شده در باتــري‌ها، در هنگام شب و يا مواقع ضروري ديگر به كار گرفته مي‌شود. در سيستم‌هاي پشتيبان در مواقع قطع برق شبكه سراسري از باتري استفاده مي‌شود، در سیستم های نتصل به شبکه نیز می­توان از سیستم پشتیبان شامل بانک باتری برای مواقع قطع برق شبکه سراسری. استفاده کرد.

 مبدل

برق توليدي توسط پنل‌هاي خورشيدي به‌صورت DC بوده و به وسیله مبـدل‌ به برق AC تبديل مي‌گردد. مبدل‌ها در انواع و سايزهاي مختلفي ساخته مي‌شوند و برخي از آن‌ها بازده بسیار بالایی دارنــد. به‌طورکلی، اینورترها بازده‌هایی در حدود ۹۰% تا ۹۶% برای کل بار دارند.

شارژ کنترلر

دستگاه كنترل شارژ باتري در سيستم‌هاي فتوولتائيك منفصل از شبكه، به‌منظور جلوگيري از تخليه كامل باتري‌ها و يا شارژ بیش‌ازحد باتري‌ها به كار مي‌رود. كليه سيستم‌هاي استاندارد منفصل از شبكه خورشيدي خانگي داراي دستگاه كنترل شارژ باتري هستند که باعث افزایش طول عمر باطری­ها و خروجی یکنواخت برای مبدل سیستم تامین می­کند

 كاربردهاي سلول‌هاي فتوولتائيك

ازجمله موارد کاربرد سلول‌هاي فتوولتائيك عبارت‌اند از:

تأمين انرژی موردنیاز منازل و ساختمان­های اداری و تجاری به منظور کاهش هزینه برق ،تأمين روشنايي مناطق دورافتاده ، سيستم‌هاي مخابراتي راه دور ، پمپاژ آب ، سيستم‌هاي تصفيه آب ، آب شیرین کن ­ها، تأمين برق مناطق روستايي ، ماشین‌حساب، ساعت و اسباب‌بازي‌ها ، سيستم‌هاي اضطراري ، يخچال‌هاي نگهداري واكسن و خون براي مناطق دورافتاده ، سيستم‌هاي تهويه استخرها ، ماهواره‌ها و تجهيزات فضايي.

به‌طورکلی كاربردهاي سلول‌هاي فتوولتائيك را مي‌توان به سه دسته طبقه‌بندي نمود:

كاربرد متصل به شبكه

– كاربرد منفصل از شبكه

-كاربرد سيستم‌هاي پشتيبان

 

 كاربردهاي متصل به شبكه سيستم‌هاي فتوولتائيك

طراحي سيستم‌هاي فتوولتائيك متصل به شبكه،به‌گونه‌ای است كه هم‌زمان و به‌طور متصل به شبكه برق سراسري عمل مي‌نمايند. يكي از اجزاء اصلي سيستم‌هاي فتوولتائيك متصل به شبكه، مبدل‌ها هستند كه برق DC توليدي توسط سلول‌هاي خورشيدي را متناسب با ولتاژ و توان شبكه برق منطقه‌اي به AC تبديل نموده و در هنگام عدم نياز، به‌طور خودكار انتقال نيرو را قطع مي‌نمايد. به‌طورکلی ارتباطي دوجانبه ميان سلول‌هاي فتوولتائيك و شبكه انتقال نيرو وجود دارد به‌نحوی‌که اگر برق DC توليدي توسط سيستم‌هاي فتوولتائيك بيش از نياز سايت باشد، مازاد آن به شبكه برق سراسري تغذيه مي‌گردد و در هنگام شب و مواقعي كه به دلايل اقليمي، امكان استفاده از نور خورشيد وجود ندارد، بار الكتريكي موردنیاز سايت توسط شبكه برق سراسري تأمين مي‌گردد. همچنين در كاربردهاي متصل به شبكه درصورتی‌که سيستم فتوولتائيك به دلايل تعميراتي از مدار خارج گردد، برق موردنیاز سايت از طريق شبكه برق سراسري تأمين خواهد شد.

تجهيزات
شبكه برق
پنل خورشیدی
مبــدل
شكل ۱-۲۱- اجزاء سیستم‌های متصل به شبكه فتوولتائيك

 

۱-۴-۳-۲- كاربردهاي منفصل از شبكه سيستم‌هاي فتوولتائيك

طراحي سيستم‌هاي منفصل از شبكه به‌گونه‌ای است كه مستقل از شبكه برق سراسري عمل نموده و غالباً جهت توليد بار الكتريكي DC و يا AC طراحي مي‌شوند. به‌منظور توليد برق توسط سيستم‌هاي منفصل از شبكه،می‌توان از توربین‌های بادي، ژنراتورها و يا از شبكه برق سراسري به‌عنوان نيروي كمكي استفاده نمود،‌به این‌گونه سيستم‌ها، سیستم هيبريد فتوولتائيك می­گويند. [۱۸]در سيستم‌هاي منفصل از شبكه به‌منظور ذخيره انرژي و به‌کارگیری آن در هنگام شب و يا مواردي كه نور خورشيد به‌اندازه كافي وجود ندارد از باتري استفاده مي­شود.

تجهیزات
باتری
مبــدل
پنل خورشیدی
شكل ۱-۲۲- اجزا سيستم منفصل از شبكه فتوولتائيك

۱-۴-۳-۳- سيستم‌هاي پشتيبان

مهم‌ترین كاربرد سيستم‌هاي پشتيبان فتوولتائيك، در طي دوره قطع برق شبكه سراسري است. يك سيستم پشتيبان فتوولتائيك كوچك تأمین‌کننده برق موردنیاز تجهيزاتي همچون روشنايي، كامپيوتر، تلفن، راديو، فاكس و … مي‌باشد و سيستم‌هاي بزرگ‌تر مي‌توانند برق موردنیاز تجهيزاتي همچون يخچال را در زمان قطع برق تأمين نمايند. [۱۸]

۱-۴-۴-شرايط مناسب جهت نصب و راه‌اندازي سيستم‌هاي فتوولتائيك

ميزان راندمان پنل‌هاي فتوولتائيک بستگي به جهت‌يابي ، مكان‌يابي و شرايط آب و هوايي دارد. عواملی كه باید در هنگام نصب سیستم‌های فتوولتائيک بايد موردبررسی قرار گيرد به صورت زیر است:

– تعداد روزهاي ابري ،

– وزش باد و سرعت آن براي تعيين استحكام سازه فلزي يا ساختماني،

– ميزان بارندگي و ارتفاع برف براي تعيين ارتفاع صفحات خورشيدي از سطح زمين،

– ميزان شرجي بودن و يا بخارآلود بودن هوا ،

-ميزان صاعقه و رعد وبرق براي پيش‌بيني تجهيزات ايمني مناسب.

الف) زاویه نصب پنل‌هاي PV برای تولید بازده ماكزيمم، داراي اهميت بسيار است. براي پنل‌هاي ثابت در مقايسه با پنل‌هاي ردياب كه ماكزيمم تشعشع خورشيد را ردگيري مي‌نمايند جهت جنوب در نيم‌كره شمالي بهترين جهت به‌منظور جمع‌آوری تشعشعات خورشيدي است. ۱۵ درجه انحراف به غرب يا شرق تأثير چنداني بر بازده پنل‌هاي خورشيدي نخواهد داشت .

ب) علاوه بر جهت، زاويه انحراف پنل نيز عامل مهمي در طراحي سيستم‌هاي خورشيدي است. زاويه انحراف، زاويه‌اي است كه پنل‌هاي خورشيدي با سطح افق مي‌سازند و ميزان آن از ۰ الي ۹۰ درجه متغير است. به دليل انحراف محور زمين زاويه تابش خورشيد در طول سال تغيير مي‌كند، بنابراين زواياي انحراف در زمستان و تابستان باهم متفاوت مي‌باشند. در تابستان زاويه انحراف معمولاً بين ۱۰ الي ۱۵ درجه كمتر از عرض جغرافيايي و در تمام فصول سال زاويه انحراف در حدود ۱۰ الي ۱۵ درجه بيشتر از عرض جغرافيايي منطقه موردنظر است. بارش برف نيز در مقدار زاويه اپتيمم انحراف مؤثر است. به‌منظور جلوگيري از تجمع برف بر روي پنل‌هاي خورشيدي معمولاً زاويه انحراف را حدود ۶۰ درجه در نظر مي‌گيرند .

ج) در بررسي موقعيت مکانی محل نصب و شرايط آن نسبت به حركت خورشيد، امكان وجود سايه ارتفاعات و كوه‌هاي اطراف و يا حتي سايه ساختمان‌ها و درختان و تعيين ساعاتي از روز كه ممكن است وجود اين سايه‌ها مانع از تابش مستقيم نور خورشيد به صفحات خورشيدي باشد، بررسي مي‌شود. بنابراين سعي بر اين است كه نه‌تنها پنل‌هاي خورشيدي بر يكديگر، بلكه ساختمان‌ها و موانع طبيعي ديگر نيز بر روي پنل‌هاي خورشيدي سايه نیندازند. وجود ۵۰% سايه بر روی آرايه‌هاي PV توان خروجي را ۲۰% کاهش می­دهد. براي منازل با دودكش محل نصب آرايه‌ها تا حد امكان بايستي از سايه دودكش همچنین ذرات دوده خروجي از دودكش دور باشد .

د) طول و عرض جغرافيايي و نيز ارتفاع محل نصب سيستم‌هاي خورشيدي فاكتورهاي اصلی براي محاسبه توان تابش نور خورشيد مي‌باشند. معمولاً ۸۰ الي ۸۵ درصد نور خورشيد (W/m21000) در روزهاي آفتابي دريافت مي‌شود و اين ميزان در ارتفاعات و مناطق بياباني بيشتراست. بسته به سايز آرايه‌هاي PV در شرايط سايت، آرايه‌ها ممكن است بر روي پشت‌بام، زمين و يا دكل‌ها نصب شوند. طراحي ماژول‌هاي نصب‌شده بر روي ساختمان‌ها، به‌گونه‌ای است كه در مقابل سرعت بادي معادل km/h175 مقاوم هستند. به‌منظور نصب پنل‌هاي PV بر روي زمين از پايه‌هاي بتوني براي ثابت نگاه‌داشتن آن‌ها استفاده مي‌شود.ارتفاع نصب ماژول‌ها از سطح زمين بايستي بالاتر از ارتفاع ماكزيمم بارش برف در منطقه باشد. در مورد سيستم‌هاي كوچك ( ۱ يا ۲ ماژول) مي‌توان ماژول‌هاي خورشيدي را بر روي دكل‌هايي نصب كرد تا از منابع سایه‌ساز اطراف ازجمله درختان و ساختمان‌ها به دور باشند.

ح) بازده كليه انواع ماژول‌ها در دماهاي بالا تا حدودی افت پيدا مي‌كند. تا زماني كه دماي محيط به بيش از ºC27 نرسد، اين امر چندان اهميت ندارد. موقعيت ماژول‌ها بايد به‌گونه‌ای باشد كه امكان تهويه كامل وجود داشته باشد. چرخش آزاد جريان هوا در اطراف ماژول‌ها، کار آیی آن‌ها را بالاتر خواهد برد. اين امر همچنين مانع افزايش رطوبت و تجمع مواد زائد جامد در زير ماژول‌هاي خورشيدي مي‌شود كه درنتیجه از پوسيدگي سقف و خرابي اتصالات الكتريكي جلوگيري کند.

 

۱-۴-۵- مزايا و معايب استفاده از سيستم های فتوولتائيک

برخی از مزايای استفاده ازسیستم‌های فتوولتاییک عبارت‌اند از :

    انرژي خورشيدي تجدید پذیر و نامحدود مي‌باشد.

    توليد برق توسط PV هيچ‌گونه انتشار آلاینده زیست‌محیطی را در پي ندارد.

    ماژول‌هاي خورشيدي بدون اتلاف انرژي ، نور خورشيد را مستقيماً به برق تبديل مي‌نمايند.

    سيستم‌هايPV داراي اجزاء ‌متحرك نمي‌باشند به همين دليل نياز به حداقل نگهداري و هزينه تعمير دارند.

    سيستم‌هايPV به‌راحتی با افزودن تعداد ماژول‌ها و باتري‌هاي ذخیره‌سازی انرژي قابل‌گسترش مي‌باشند.

    خطر آتش‌سوزي در سيستم‌هاي PV به‌مراتب كمتر از ساير سيستم‌ها مي‌باشد.

    به‌کارگیری سلول‌هاي فتوولتائيك براي توليد برق در مناطق دورافتاده بسيار مفيد مي‌باشد.

    سلول‌هاي PV در كاربردهاي خانگي ، تجاري و صنعتي قابل‌نصب بر روي پشت‌بام‌ها مي‌باشند ازاین‌رو فضاهاي موجود اشغال نشده و براي ساير موارد به كار مي‌روند.

برخی از معايب استفاده از اين سیستم‌ها عبارت‌اند از :

    برق توليدي از انرژي خورشيدي همواره در دسترس نمي‌باشد و ميزان توليدات به شرايطي نظير حالت وضعي خورشيد، شرايط اتمسفر، ابري بودن و … بستگي دارد.

    هزينه‌هاي اوليه نصب سيستم‌هاي PV زياد است.

    به‌منظور استفاده از انرژي خورشيدي در شب بايد از باتري براي ذخیره‌سازی انرژي استفاده گردد.

    براي مصارف زياد الكتريسيته، نياز به مساحت زيادي براي نصب سلول‌هاي PV مي‌باشد.

برق خورشیدی
Rate this post