انرژی فوتوولتائیک خورشیدی

انرژی فوتوولتائیک خورشیدی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه فیزیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

انرژی فوتوولتائیک خورشیدی

مقدمه

فوتوولتائیک(PV) تکنولوژیی بشمار می‌آید که نور خورشید را مستقیما تبدیل به الکتریسیته می‌نماید. این تکنولوژی برای اولین بار در سال ۱۸۳۹ بوسیله بکورل دانشمند فرانسوی مشاهده گردید. وی تشخیص داد به هنگامی که نور بطور مستقیم از یکسو وارد سلول باطری ساده می‌شود، جریان تولید گشته دارای افزایش خواهد بود. در اواخر دهه ۱۹۵۰، یک برنامه فضایی عزم لازم را برای توسعه سلولهای خورشیدی سیلیکون بلورین بوجود آورد. اولین محصول تجاری مولکولهای PV برای کاربردهای زمینی در سال ۱۹۵۳ با معرفی کارخانجات تولید PV اتوماتیک وارد بازار شد.

امروزه، سیستمهای PV در نواحی‌ که از تاسیسات الکتریسیته دورند بکار می‌آید. موارد استعمال آنها عبارتند از: تهیه نیروی موتورهای آبی، نور، فریزرهای واکسن، حصار احشام بصورت الکتریفیلد، ارتباطات از راه دور و بسیاری از کاربردهای دیگر. با توجه به نیازهای جهانی در خصوص کاهش میزان انتشار دی‌اکسید کربن، تکنولوژی PV همچنین محبوبیت خاصی را بعنوان جریان اصلی تولید الکتریسیته بدست آورده است. هم‌اکنون بیش از دهها هزار مورد از آنها تحت استفاده قرار دارند. ولی این تعداد با توجه به میزان وسیع بالقوه‌ای که برای PV بعنوان منبع انرژی می‌تواند وجود داشته باشد، بسیار ناچیز و اندک می‌باشد.

ماژولهای فوتوولتائیک تامین‌کننده منبع مستقل و قابل اطمینان الکتریسیته در شرف استفاده می‌باشند و مخصوصا آن را برای استفاده مناطق دور دست مناسب ساخته است. از نظر تکنیکی یا فنی سیستمهای PV مناسب بوده و از نظر اقتصادی نیز کاربرد آن در موارد مختلف بواسطه کاهش اخیر در هزینه تولید و افزایش میزان کارایی تبدیل آن امکان‌پذیر می‌باشد.

انرژی فوتوولتائیک خورشیدی

استفاده از الکتریسیته PV در کشورهای در حال توسعه

اکثریت کشورهای در حال توسعه در ناحیه گرمسیری استوا قرار گرفته‌اند و از اینرو دارای منبع کافی نور خورشیدی (کل انرژی دریافت شده از خورشید در ناحیه) می‌باشند. همچنین مناطق گرمسیری حتی در فصول بارانی  از داشتن تغییر و تحول فصلی کوتاه مدت که باعث تابش نور خورشید می‌شود بهره می‌جویند. این بدان معناست که، بغیر از کشورهای صنعتی شمال، انرژی خورشید را می‌توان بصورت اقتصادی در کل طول سال بخدمت گرفت.

مسائل فنی

طبیعت و مهیا بودن تابش خورشیدی

تابش خورشیدی با حداکثر تراکم در حدود یک کیلووات در متر مربع(kWm^-2)  به سطح زمین می‌رسد. میزان دقیق این تابش برحسب ناحیه جغرافیایی، پوشش ابر، ساعات تابش در هر روز و غیره تفاوت می‌نماید. بطور واقعی، ‌دانسیته یا تراکم جریان خورشیدی(نظیر تراکم نیرو) از ۲۵۰ تا ۲۵۰۰ کیلووات ساعت در متر مربع در سال(kWhm^-2  در سال ) متغییر می‌باشد. همانگونه که انتظار می‌رود میزان کل تابش خورشیدی در ناحیه استوا، مخصوصا در نواحی بیابانی آفتابی بیشتر می‌باشد.

تابشهای خورشیدی بشکل یک پرتوی مستقیم وارد اتمسفر بیرونی زمین می‌شود. این تابش پس از آن دارای پراکندگی جزئی خواهد بود. عواملی که این پراکندگی را سبب می‌شوند شامل ابر، مه، گرد و غبار و دیگر پدیده‌های جوی(شکل ۳ ) می‌باشند. بنابراین ما تابش خورشیدی را یا بصورت تابشهای مستقیم دریافت می‌کنیم و یا تابشهای غیرمستقیم یا پراکنده. نسبت دریافت تابش بستگی به شرایط جوی دارد. تنها وجه تمایز بین این دو تابش آن است که تابش پراکنده با حالت تمرکز یا تغلیظ به ما نمی‌رسد.

هندسه زمین، خورشید و پانلها یا صفحات جمع‌کننده

زمین با زاویه ۵/۲۳ درجه در حول محور بدور خورشید می‌چرخد. این زاویه باعث بوجود آمدن فصلها می‌شود. نیروی تراکم جریان خورشیدی بستگی به زاویه‌ای دارد که با آن به زمین برخورد می‌نماید. با تغییر این زاویه در خلال سیکل سالیانه تابش اشعه خورشیدی نیز تغییر می‌کند. از اینرو، در کشورهای شمال، در فصل زمستان میزان حضور خورشید در آسمان و حرکت آن بسمت جنوب کم بوده و یا حتی در نواحی قطب شمال اصلا دیده نمی‌شود. در این نواحی خورشید بصورت اریب به زمین تابیده و میزان بده خورشیدی(محصول خورشیدی) کم می‌باشد. چنانچه ما از یک پانل فوتوولتائیک خورشیدی جهت تصرف انرژی خورشید استفاده کنیم، مسیر و زاویه قرار گرفتن این پانل در میزان بدست آوردن انرژی از خورشید مهم خواهد بود. ایجاد ارتباط و رابطه مناسب در این خصوص پیچیده بوده و تنها با استفاده از سیستمهای ردیاب پیچیده می‌توان حداکثر انرژی را برای هر منطقه بدست آورد

انرژی فوتوولتائیک خورشیدی

سلول PV ، ماژولها و آرایه‌ها

به هنگامی که نور بر روی سطح فعال تابیده می‌شود، الکترونهای داخل سلول خورشیدی دارای انرژی می‌گردند. این انرژی در تناسب با تراکم و طیف توزیع(توزیع طول موج) نور می‌باشد. به هنگامی که سطح انرژی از یک نقطه تجاوز کرد، یک تفاوت بالقوه در طول سلول بوجود می‌آید. بدینوسیله توانایی راندن جریان بسوی بار خارجی مهیا می‌گردد.

کلیه دستگاههای مدرن و تجاری PV از سیلیکون بعنوان مواد اصلی یا پایه استفاده می‌نمایند. این استفاده  معمولا بصورت سلولهای تک‌ بلورین یا چند بلورین می‌باشد، ولی اخیرا نمونه‌های غیر متبلور آن نیز عرضه گردیده است. مواد دیگری نظیر ایندیم دیس‌الناید مس و کادمیوم تلراید به منظور کاهش هزینه و بالا بردن کارایی توسعه داده شده است. یک سلول سیلیکون تک بلورین از کریستال سیلیکون ساخته شده از ویفر نازک  با خلوص بالا با اضافه شدن کیفیت بور تولید می‌گردد. فسفر در سطح فعال ویفر انتشار می‌یابد. در ناحیه جلویی، کنتاکت الکتریکی از یک شبکه فلزی ساخته شده است. در ناحیه پشت نیز کنتاکت معمولا کل سطح را می‌پوشاند. یک پوشش ضد واکنشی در سطح جلویی بکار گرفته شده است. قطر اندازه معمولی سلولها در حدود cms15 می‌باشد. فرآیند ساخت سلولهای خورشیدی کارا بواسطه استفاده از سیلیکون خالص و مصرف انرژی هزینه‌بر می‌باشد. اما با توجه به رشد تکنولوژی هزینه‌ها کم‌کم کاهش یافته و تکنولوژی PV را جذابتر نشان می‌دهد.

هزینه اصلی‌ترین مانع در استفاده گسترده تکنولوژی PV می‌باشد. هزینه ماژول‌های PV معمولا برحسب پیک(نقطه اوج) وات(Wp) می‌باشد، که نرخ نیروی پانل در شرایط پیک است- یعنی ۱kWm^-2‌ با تابش ۲۵ درجه سانتیگراد.

سلولهای خورشیدی به صورت سری و پشت‌سر هم به یکدیگر متصل می‌شوند تا بتوانند میزان مورد نظر از ولتاژ و جریان را بدست‌آورند. از آنها بوسیله قرارگیری بین شیشه و یک رزین سخت محافظت بعمل می‌آید. این روند با استفاده از استیل ضدزنگ یا قالب آلومینیومی جهت تشکیل یک ماژول انجام می‌پذیرد. این ماژولها معمولا از ۳۰ سلول PV تشکیل شده است. ماژولها می‌توانند به صورت موازی یا سری جهت افزایش ولتاژ و جریان به هم متصل گردند و از اینرو می‌توان خصیصه‌های آرایه خورشیدی مورد نیاز را که با میزان بار منطبق باشد بدست آورد. اندازه معمولی ماژول Wp50 می‌باشد و قادر است تا الکتریسیته جریان مستقیم را تا میزان ۱۲ ولت تولید نماید(به طور مثال برای شارژ باطری).

ماژولهای موجود تجاری برحسب سلولهای خورشیدی استفاده شده به سه دسته تقسیم می‌گردند:

• …

سیستمهای PV خورشیدی

سیستمهای PV معمولا برای کاربردهای مستقل به کار گرفته می‌شوند. آنها می‌توانند جهت تهیه بار الکتریکی مستقیم نظیر پمپهای آب مورد استفاده قرار گیرند. آب به هنگام ساعات وجود نور خورشید پمپ شده و برای استفاده ذخیره می‌گردد و یا آنکه یک باتری می‌تواند از این روش جهت ذخیره نیرو و روشن‌کردن محیط در شب استفاده نماید. چنانچه در سیستم شارژ باتری مورد استفاده قرار گیرد می‌بایست از ادوات کنترل الکترونیکی جهت نظارت بر سیستم استفاده نمود. دیگر اجزا به غیر از ماژول PV به عنوان اجزای ترازـ سیستم(BOS) شناخته می‌شوند. در شکل ۵ سه پیکربندی محتمل از سیستم PV مستقل نشان داده شده است. چنین سیستمهایی می‌تواند به صورت کیت عرضه گردند و یک فرد نیمه‌ماهر قادر به نصب آنها خواهد بود.

برای داشتن اندازه‌های درست سیستمهای PV، کاربر می‌بایست نیاز خود به سیستم را تخمین زند. همچنین می‌بایست اطلاعاتی را در خصوص میزان تابش خورشیدی در ناحیه مورد استفاده جمع‌آوری نماید(در صورت عدم وجود اطلاعات آماده می‌توان آن را تخمین زد). معمولا در نظر گرفته شده است که برای هر یک از میزان نیروی Wp این ماژول باید در حدود۸۵/۰ وات انرژی را در ساعت برای هر kWhm^-2 در هر روز خورشیدی می‌تابد، تولید نماید. بنابراین چنانچه ما ماژول نرخ Wp200 را در نظر داشته باشیم و میزان نوردهی محل ما در هر روز kWhm^-25 باشد(معمولا میزان  نواحی گرمسیری)، بنابراین سیستم ما میزان Wh850 را در روز تولید خواهد کرد(یعنی ۲۰۰*.۸۵*۵=۸۵۰ ).

برخی از سیستمها از لنزها یا آینه‌ها جهت متمرکز ساختن اشعه مستقیم خورشید به نواحی کوچکتر سلولهای خورشیدی استفاده می‌کنند. از آنجایی که خروجی نیرو مستقیما متناسب با نیروی خورشید تابیده به سلول PV می‌باشد، این روش برای کاهش ناحیه مورد نیاز جمع‌آوری نور مناسب می‌باشد. هزینه متمرکز سازها معمولا، حتی ممکن است برابر با قیمت ماژولهای کاهش یافته باشد.

انرژی فوتوولتائیک خورشیدی

برخی از مزایای سیستمهای فوتوولتائبک:

• عدم نیاز به سوخت- در نواحی دور تهیه سوخت‌های دیزلی یا فسیلی دشوار و هزینه‌بر می‌باشد. در حالی‌که هزینه نگهداری و پشتیبانی از سیستمهای PV کم می‌باشد.

• طراحی ماژولی- یک آرایه خورشیدی از ماژولهای منفرد PV تشکیل شده است. این ماژولها را می‌توان به هم متصل نمود تا یک نیاز خاص را مرتفع نماید.

• قابلیت اطمینان ماژولهای PV – قابلیت اطمینان این ماژولها به میزان قابل توجهی بیشتر از ژنراتورهای دیزلی می‌باشد.

• …

انرژی فوتوولتائیک خورشیدی

کاربردهای PV  در کشورهای کمتر توسعه یافته

۱-   برق رسانی به روستاها

• تامین نیرو و برق برای ساختمانها و تاسیسات دور دست (مساجد، کلیساها، معابد، مزارع، مدارس و جان‌پناههای کوهها(توصیه می‌شود از لامپهای فلورسنت کم وات استفاده شود).

• تامین نیرو برای دهکده‌های دور دست

• تامین برق چراغ خیابانها

• سیستمهای ذخیره انفرادی

• شارژ باطری

• شبکه‌های کوچک

۲-   سیستمهای پمپ آب و موارد مرتبط

• پمپ آب آشامیدنی

• پمپ آب برای مصارف آبیاری

• آب‌گیری و زهکشی

• تولید یخ

• سیستمهای نمک‌زدایی آب شور(آب شیرین کن)

• تصفیه آب

انرژی فوتوولتائیک خورشیدی

۳-   سیستمهای پمپ آب و موارد مرتبط

• برق رسانی به کلینیکهای روستایی

• ارسال و دریافت UHF بین مراکز بهداشتی

• فریزرهای واکسن

• فریز نمودن یخ برای حمل واکسن

• استرلیزه نمایی

• فریزرهای ذخیره خون

۴-   ارتباطات

• تکرار‌کننده‌های رادیویی

• دریافت‌کننده‌های از راه‌دور رادیو و تلویزیون

• اندازه‌گیری آب و هوا از راه دور

• رادیوهای همراه

• کیوسکهای تلفن روستایی

• دریافت و ارسال اطلاعات(بطور مثال، سطح رودخانه و گزارشات زلزله‌نگاری).

۵-   کمک به حمل و نقل

• روشنایی علائم جاده‌ای

• تقاطعهای راه‌آهن و سیگنالهای آن

• چراغهای هشداردهنده و خطر

• راهنمای شناور

• کمک به جاده‌سازان

۶-   سیستمهای امنیتی

• نور امنیتی و محافظتی

• سیستمهای زنگ اخبار از راه دور

• حصارهای الکتریکی

۷-   متفرقه

• سیستمهای تهویه مطبوع

• ماشین حسابها

• پمپ و سیستم تغذیه اتوماتیک در مزارع پرورش ماهی

• پمپهای گرم‌کن گردشی خورشیدی

• نیروی قایق / کشتی

• تهیه برق شارژ وسائط نقلیه سنگین

• سیستمهای نظارت بر زمین لرزه

• برق اضطراری برای امداد در مواقع وقوع بلایا

انرژی فوتوولتائیک خورشیدی

موارد دیگر

تولید در کشورهای در حال رشد

تکنولوژی PV پیچیده بوده و تاسیسات تولیدی نیز گران می‌باشند. شاید توجه کمی به تولیدکنندگان محلی در نواحی روستایی کشورهای در حال رشد معطوف شده باشد، با وجود آنکه، ‌برخی از قطعات و ابزارهای BOS نظیر چارچوبهای نصب ماژولهای PV را بتوان در کارگاههای کوچک ساخت و از هزینه گران حمل و نقل پرهیز نمود. با این وجود،‌ تولید‌کنندگان زیادی در کشورهای در حال رشد وجود دارند که در حال تولید PV می‌باشند. بطور مثال در هند، مرکز الکترونیک قاضی‌آباد نه تنها بعنوان بزرگترین تولیدکننده ملی PV در سطح کشور می‌باشد، بلکه پنجمین تولیدکننده سیلیکون تک بلورین سلولهای خورشیدی در جهان می‌باشد. در حدود ۶۰ شرکت در هند وجود دارند که مشغول تولید سلولهای خورشیدی، ماژولها و سیستمهای مرتبط با آن می‌باشند.

توزیع

چشم‌انداز وسیعی در هند برای استفاده از تکنولوژی PV بصورت بالقوه وجود دارد. هنوز در این سرزمین ۹۰۰۰۰ هزار روستا به برق نیاز دارند. با درک اهمیت تکنولوژی PV در هند، دولت هند یک برنامه بلند مدت ۱۵ ساله برای استفاده از این تکنولوژی را طراحی و اجرا نموده است. در میان فعالیتهای این برنامه اهداف زیر به چشم می‌خورد:

• استقرار ۴۰۰۰۰۰ فانوس متناسب برای جایگزینی با فانوسهای نفتی

• برق‌رسانی به روستاها بوسیله سیستم PV و تحت پوشش قرار دادن ۴۰۰ روستا و دهکده

• برنامه مخصوص جهت سیستمهای پمپ آب

• تاکید بر تحقیقات و توسعه در تکنولوژی به منظور کاهش هزینه‌

• تجاری نمودن سیستمهای PV برای کاربردهای مختلف و تاکید بر جهت‌گیری آن بسمت بازار در برنامه و ارتقای تولید و فعالیتهای مرتبط به آن

در نتیجه این اقدامات بود که هند در زمره کشورهای پیشرو در جهان در زمینه ارتقا و استفاده از تکنولوژی PV قرار گرفت.

انرژی فوتوولتائیک خورشیدی

سیستمهای هیبرید

سیستمهای PV خورشیدی را می‌توان همراه با دیگر تکنولوژیهای  انرژی جهت  مهیا نمودن یک سیستم مجتمع و قابل‌انعطاف برای ژنراتور برق از راه دور  بکار گرفت. این سیستمها  بنام سیستمهای مرکب یا هیبرید خوانده می‌شوند. پیکربندیهای مشترک سیستمهای هیبرید می‌تواند شامل یک آرایه خورشیدی PV، ژنراتور بادی و ژنراتور دیزلی باشد، که اجازه تولید نیرو را تحت هر شرایط آب و هوایی می‌دهد. چنین سیستمهایی به برنامه‌ریزی منظم و با دقت نیاز دارند.

فانوسهای خورشیدی

نوآوری جدید در تکنولوژی خورشیدی فانوس خورشیدی می‌باشد. این فانوسها بطور ابتدایی برای بازار تفریحی در کشورهای غرب طراحی شده بود. فانوسهای ساده با ماژول ساده PV(5 الی ۱۰ وات) کاملا برای استفاده در مناطق روستایی کشورهای در حل توسعه بجای چراغهای نفتی مناسبند. البته هنوز هزینه یک عامل بازدارنده محسوب می‌گردد، اما اکنون محدوده‌ وسیعی از فانوسهای خورشیدی قوی و ساده در حال تولید و انتشار می‌باشند.

شبکه‌های کوچک یا مستقل

تکنولوژی PV خورشیدی در حال حاضر بهترین حالت استفاده برای کاربردهای مستقل می‌باشند، اما این تکنولوژی را می‌توان برای مهیا نمودن نیرو جهت سیستمهای شبکه‌ای کوچک با تولید برق مرکزی بکار گرفت. با کاهش هزینه تولید سلولهای PV، استفاده از آن بعنوان ژنراتورهای رده متوسط گسترده‌تر خواهد گردید. همچنین محدوده عملکرد این تکنولوژی در مقیاس بزرگتر تولید الکتریسیته بعنوان تهیه‌کننده پیک(نقطه‌ اوج ) نیرو نیز وجود دارد.