باتری خورشیدی

دانشمندان لوح کوچکی ساخته اند که می تواند راهکاری برای ذخیره موثر و ارزان انرژی خورشیدی باشد.

به گزارش تایم او ایندیا، یک شرکت مستقر در یوتا در آمریکا، شیوه جدیدی برای ذخیره انرژی خورشیدی در یک لوح کوچک سرامیکی یافته است که می تواند انرژی زیادی را در فضای کمتری ذخیره کند.
محققان شرکت سراماتک در ایالت یوتا، لوحی ساخته اند که می تواند 20 کیلووات ساعت انرژی را که برای یک روز مصرف خانگی کافی است، ذخیره کند. این باتری جدید بر پایه سولفور سدیم ساخته شده است. این ترکیب در دمای بالای 600 درجه فارنهایت فعال است.
رالف برود کارشناس انرژی می گوید: سدیم -سولفور پر انرژی تر از باتری های اسید سرب است؛ از این رو اگر بتوان به گونه ای آن را به دمای پایین تر آورد، می توان از آن برای مصارف خانگی استفاده کرد.
باتری جدید شرکت سراماتک در دمای کمتر از 200 درجه فارنهایت کار می کند. راز این کار در غشای سرامیکی نازک آن نهفته است که بین سدیم و سولفور قرار می گیرد. فقط یون های مثبت سدیم می توانند از این غشا عبور کنند و الکترون ها برای ایجاد یک جریان الکتریکی مفید باقی می مانند. شرکت سازنده این باتری جدید می گوید: این باتری ها در سال 2011 به بازار عرضه و به قیمت حدود دو هزار دلار به فروش خواهد رساند.
این باتری هنوز برای مصارف خانگی ساخته نشده ، اما تولید کنندگان آن با خوش بینی نسبت به احتمال چنین کاربردی سخن می گویند. تلفیق دو فناوری پیل های انرژی خورشیدی و باتری هایی با قابلیت ذخیره، برای آمریکا که در مضیقه نفت است کاربرد زیادی دارد.

معمولاُ اجسام از لحاظ عبور یا عدم عبور الکتریسیته به دو دسته رسانا و عایق تقسیم می‌شود. اما گروه دیگری از اجسام نیز وجود دارد که بطور کامل رسانا و نه بطور کامل نارساناست. این گروه خاص از اجسام را نیم رسانا می‌گویند.

انواع نیم رسانا
نیم رسانای ذاتی
بخش عمده الکترونیک نوین ، وابسته به کاربرد مواد نیرم رسانا است. دیودهای نورگسیل « LEDها) ترانزیستورها و باتریهای خورشیدی از جمله عناصر الکترونیکی متداولی هستند که از نیم رساناها استفاده می‌کنند. نیم رساناهایی مانند Cds و ورمیلیون (Hgs) رنگهای درخشان دارند و هنرمندان نقاشی ، از آنها استفاده می‌کنند. آنچه که تعیین کننده خواص الکترونیکی نیم رسانا است گاف انرژی (گاف نواری). بین ظرفیت و نوار و رسانش است. در بعضی مواد مانند Cds این شکاف اندازه ثابتی دارد. این مواد ، نیم رساناهای ذاتی نامیده می‌شود.

هنگامی که نور سفید ، با نیم رسانا برهمکنش می‌کند الکترونها تحریک شده و به نوار رسانش می‌روند. Cds ، نور بنفش و تا حدودی نور آبی را در می‌آشامد. اما انرژی سایر بسامدها ، کمتر از انرژی لازم برای برانگیختن یک الکترون ورای گاف انرژی است. این بسامدها بازتاب می‌یابند و رنگی که مشاهده می‌کنیم، زرد است. در برخی نیم رساناها مانند GoAS و Pbs ، گاف نواری ، چنان کوچک است که تمام بسامدهای نور مرئی در آنها دیده می‌شوند. هیچ نور مرئی بازتابی وجود ندارد و ماده تیره رنگ است.

نیم رسانای مصنوعی
در بیشتر نیم رساناها که غیر ذاتی نامیده می‌شوند، اندازه گاف نواری ، با افزودن دقیق ناخالصیهایی کنترل می‌شود، که این فرآیند تقویت نامیده می‌شود. سیستم عمل تقویت روی سیلیکون یکی از متداولترین نیم رساناهاست.

نیم رسانای نوع n
وقتی به سیلیکون ، ناخالصی فسفر افزوده شود، تراز انرژی اتمی فسفر ، دقیقا در زیر نوار رسانش سیلیکون قرار می‌گیرد.
هر اتم فسفر ، 4 الکترون از 5 الکترون ظرفیتش را تشکیل نمونه با 4 اتم si مجاور بکار می‌برد و انرژی گرمایی به تنهایی کافی است تا باعث شود، الکترون اضافی ظرفیت به نوار رسانش بر انگیخته شده به یک یون p غیر متحرک را بر جای گذارد. اتمهای فسفر ، دهنده نامیده می‌شود. رسانش الکتریکی در این نوع نیم رسانا عمدتا در اثر حرکت الکترونهای حاصل از اتمهای دهنده در نوار رسانش، به وجود می‌آید. این نوع نیم رسانا نوع n نامیده میشود که در آن n به معنی منفی است، این نوعی بار الکتریکی که توسط الکترونها حمل می‌شود.

نیم رسانای نوع p
وقتی به سیلیکون ناخالص آلومینیم افزوده می‌شود. تراز انرژی اتمهای AL که اتمهای پذیرنده نامیده می‌شوند، درست بالای نوار ظرفیت سیلیکون قرار می‌گیرد. با سه اتم Si مجاور پیوند جفت الکترونی منظمی تشکیل می‌دهد. اما با چهارمین اتم Si فقط یک پیوند تک الکترونی تشکیل می‌دهد. یک الکترون به راحتی از نوار ظرفیت یک اتم آلومینیوم در تراز پذیرنده بر انگیخته می‌شود. در نهایت ، یک یون منفی تا A غیر متحرک بوجود می‌آمد و در نتیجه این فرآیند یک حفره مثبت در نوار ظرفیت پدیدار می‌شود. از آنجا که رسانش الکتریکی در این نوع نیم رسانا عمدتا شامل حرکت حفره‌های مثبت است این نوع نیم رسانا ، نوع P نامیده می‌شود.

کاربرد نیم رساناها در باطری خورشیدی
یک سلول خورشیدی که از نیم رساناها ساخته شده از سیلیکون استفاده می‌شود. لایه نازکی از نیم رسانای نوع P با یک نیم رسانای نوع n ، در ناحیه‌ای به نام پیوندگاه در تماس است. عمدتا عبور الکترونها و حفره‌های مثبت از میان پیوندگاه بسیار محدود است. زیرا چنین حرکتی ، منجر به تفکیک بار می‌شود: حفره‌های سبک ناشی از نیم رسانای نوع p که از پیوندگاه عبور می‌کنند ناگزیر از یونهای غیر متحرک تا A جدا خواهند شد و الکترونهای ناشی از نیم رسانای نوع n که از پیوندگاه عبور می‌کنند به ناچار از یونهای غیر متحرک +P جدا می‌شوند.

حال در نظر بگیرید که نیم رسانای نوع p در معرض باریکه‌ای از نور قرار گیرد. الکترونهای واقع در نوار ظرفیت ، می‌توانند انرژی ، در آشامیده و همراه با ایجاد حفره‌های مثبت در نوار ظرفیت ، به لایه رسانش ارتقاء یابند. الکترونهای رسانش بر خلاف حفره‌های مثبت می‌توانند به راحتی از پیوندگاه عبور کرده وارد نیم رسانای نوع n شوند. این عمل ، سفارش الکترونها (جریان الکتریکی) را برقرار می‌کند. الکترونها می‌توانند توسط سیمها از میان یک مصرف کننده خارجی مانند لامپها ، موتورهای الکتریکی و … انتقال پیدا کنند و سرانجام به نیم رسانای نوع p باز گردند. جایی که آنها حفره‌های مثبت را پر می‌کنند.

2)

نگاه اجمالی

باتری خورشیدی یا سلولهای فوتو ولتایی ابزارهایی الکترونیکی هستند که با استفاده از پدیده فوتو ولتائیک ، نور یا فوتون را مستقیما به جریان و ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کنند. دانشمندان اولین باتری خورشیدی را در سال 1954 ، با استفاده از ماده نیمه رسانای سیلیسیوم ، در آزمایشگاههای تلفن بل ساختند.

سیر تحولی و رشد
دانشمندان و مهندسان بلافاصله به ارزش باتریهای خورشیدی برای تأمین انرژی ماهواره‌ها پی‌بردند، زیرا این باتریها جرم کمی دارند و هیچ بخش متحرک مکانیکی ندارند. نخستین ماهواره آمریکایی در فضا به باتریهای خورشیدی از جنس سیلیسیوم مجهز شد. و امروزه هم سلول فوتو ولتایی سیلیسیومی هنوز منبع قدرت همه سفینه‌های فضایی هستند. البته در این میان کاوشگرهایی که به فراسوی منظومه شمسی و مکان میانی که نور خورشید در آنجا ضعیف است رهسپار می‌شوند، استثنا هستند.

تهیه باتری خورشیدی
باتری خورشیدی اولیه از تک بلور سیلیسیوم (Si) ساخته می‌شد که روی صفحات تختی کنار هم قرار می‌گرفت. کاربرد این روش ، برای مصارف عمومی و تولید انرژی در فضایی بزرگ ، بسیار گران تمام می‌شود. هر چند ماده خام SiO2 برای تهیه Si فراوان است، اما پالایش شن و خالص سازی کافی Si برای تهیه باتریهای خورشید پر هزینه است. برش قطعات بلوری منفرد به صورت قطعه‌ نازکی که ویفر نام دارند، نیازمند بریدن با الماس ، پرداخت بیشتر و بالاخره چندین عمل اضافی برای افزودن ناخالصیهای مناسب است.

کاهش هزینه ساخت
یک روش ممکن برای کاهش هزینه ، که در مورد بلوری گران قیمت نظیر Si و اخیرا گالیوم ارسنید (GuAs) ، استفاده از عدسی بزرگ و ارزان قیمت فرنل برای تمرکز نور روی سلول کوچک است. ضرایب تمرکز 25 تا 1000 با موفقیت بکار گرفته شده است. اگر چه طراحی تمرکز دهنده‌ها نیاز به ردگیری دو بعدی وضعیت خورشید در طول روز است.

استفاده از مواد در باتری خورشیدی
طرح بسیار نوید بخش دیگری برای سلول فوتو ولتایی ، کاربرد ورقه‌های فیلمهای بسیار نازکی است که روی مواد نظیر شیشه یا فولاد زنگ نزن نشانده می‌شوند. سه ماده که به صورت ورقه‌های نازک (به ضخامت تقریبی 1 تا 3 میکرومتر) نتایج فوتوولتایی خوبی بدست داده‌اند. عبارتند از: سیلیسیوم هیدروژن دار آدورف (α - Si:H) ، سی اندپوم دی سلیند (CuLnSe2 یا بطور ساده CIS) و کادمیوم تلورید (CdTe). ماده‌ α - Si:H به صورت ورقه‌های نازک با ساختار آمورف ، ساختار چند بلوری با دانه‌هایی به صورت ورقه‌های نازک با ساختار بلوری با دانه‌هایی به اندازه حدود 1 میکرومتر کاربرد دارند.

خورشید فوتو ولتایی در باتری خورشیدی CdTe
فرآیند فوتو ولتایی در باتری خورشید CdTe در شکل زیر داده شده است. هر کوانتوم نور (فوتون) دارای انرژی hv است که در آن h ثابت پلانک و v بسامد نور است. (υ = C/λ) که در آن C سرعت نور و λ طول موج نور است). چنانچه انرژی فوتون بیشتر از گاف انرژی نیم رسانا (فاصله میان نوارهای نوارهای ظرفیت و رسانش) باشد، به آن صورت فوتون جذب ماده می‌شود و الکترونی را از نوار ظرفیت برانگیخته می‌کند و به نوار رسانش می‌برد که الکترون در آنجا می‌تواند آزادانه درون بلور به حرکت در آید.

الکترون بار منفی دارد، اما حفره ایجاد شده در نوار ظرفیت دارای بار مثبت است. وقتی که الکترون حفره به سرعت از هم جدا نشوند، الکترون جذب حفره مثبت می‌شود و بدون ایجاد هیچ جریانی نابود خواهد شد. بنابراین لازم است که میدان الکتریکی برای جداسازی بارها برقرار شود. این کار با افزودن مقدار کمی ناخالصی آلاییده به نیم رسانا و ایجاد پیوندگاهی میان مناطق نوع n (که ذرات حامل بار در آن بار منفی دارند) و نوع p (که با ذرات حامل در آن مثبت است) انجام می‌شود، شکل 1 پیوند ناهمگنی را نشان می‌دهد که کادمیوم سولفید (CdS) نوع n و کادمیوم تلورید (CdTe) نوع p تشکیل شده است.
هنگامی که فوتون ، زوجهای الکترون - حفره را در نزدیکی این پیوندگاه n - p که در آن میدان الکتریکی قوی برقرار است ایجاد کند، فرآیند فوتو ولتایی بیشترین بازدهی را خواهد داشت. باتری خورشیدی در این حال حفظ به اتصال های فلزی نیاز دارد. تا با سیم هایی که به جریان الکتریکی در وسیله ای خارجی امکان عبور می دهند مرتبط شود. برای باتری CdS/CdTe ، اکسید قلع (SnO2) به عنوان اکسید رسانشی شفاف (TCO) برای اتصال به CdS نیز نیکل ، گرانیت ، یا طلا برای اتصال CdTe کاربرد دارند.

مزیت یا بازده باتریهای خورشیدی
باتری خورشیدی معمولا ولتاژهای قله‌ای تولید می‌کند که تقریبا معادل دو سوم گاف انرژی نیم رسانا است. گاف انرژی بهینه برابر 1.0 ev و 1.7 ev است. در روز صاف و هنگامی که آفتاب بالای سر است شدت نور خورشید تقریبا برابر 1000 w/m² است. مدول خورشیدی با بازدهی 10% ، در روز آفتابی توانی در حدود 100 ولت تولید می‌کند. با تابش خورشیدی بدون ابر ، در حد متوسط 6 ساعت در روز ، تعدادی مدول خورشیدی با مساحت 60 متر مربع تقریبا 1000 کیلو وات ساعت برق در هر ماه تولید می‌کند، این در همان حدود مقدار مصرفی است که در خانواده‌های کشورهایی مانند ایالات متحده آمریکا دارد.

سوالات متداول مربوط به اینورتر (FAQ)

لیست سوالات

اینورتر چیست؟
تفاوت میان موج سینوسی و موج سینوسی متغییر چیست؟
تفاوت میان موج سینوسی و موج سینوسی متغییر چیست؟
آیا می توانم موج سینوسی متغییر اینورتر را برای تجهیزات پزشکی خودم استفاده کنم؟
روش کار اینورتر هایی که موج مربعی تولید می کنند، چگونه است؟
چگونه می توانم بفهمم که وسیله برقی من موج سینوسی کامل نیاز دارد یا اینکه می تواند با موج سینوسی متغییر نیز کار کند؟
چرا من هنگام استفاده از اینورتر با موج سینوسی متغییر صدای بوز از استریو ام می شنوم؟
چرا من نمی توانم میزان ولتاژ اینورتر موج سینوسی متغییر را به کمک مولتی متر اندازه گیری کنم؟
چگونه باید اینورتری با توان مطلوب را انتخاب کنم؟
چه تفاوت بین باتری خودرو و باتری با سیکل طولانی (Deep Cycle) است؟
توان مورد نیاز مایکروویو چقدر است؟
در مورد آمپلی فایر نیز آیا به همین گونه است؟
آیا می توان از سیم آلومینیومی استفاده کنم یا باید حتما از سیم مسی استفاده کنم؟
آیا می توانم با اینورتر از پرینتر لیزری استفاده کنم؟

اینورتر چیست؟

اینورتر برق DC (به عنوان مثال باتری یا سلول خورشیدی) را گرفته و آن را تبدیل به برق AC یا برق خانگی جهت روشن کردن وسایل الکترونیکی می کند.

تفاوت اینورتر و یو پی اس (UPS) چیست؟

یو پی اس به طور معمول شامل باتری و شارژر باتری در یک مجموعه یا پکیج است. همچنین یو پی اس هنگام قطع برق بلا درنگ انرژی مورد نیاز را از باطری ها تامین می کند در صورتی که اینورتر به تنهایی چنین قابلیتی ندارد.

تفاوت میان موج سینوسی و موج سینوسی متغییر چیست؟

جریان متناوب (AC) دارای ولتاژ متغییر پیوسته است که نوسانات آن از مثبت به منفی می باشد. این قضیه مزایای زیادی در انتقال قدرت در مسافتهای طولانی دارد. شرکت تولید کننده برق موج سینوسی کامل را به دقت تنظیم می کند، زیرا این چیزی است که به طور طبیعی از مولد می آید. از سوی دیگر، تولید موج سینوسی کامل بوسیله اینورتر گران تمام می شود و همچنین تولید موج سینوسی نیازمند استفاده از تکنیک های سنگین می باشد که در یک ترانسفورماتور ناکارآمد است. موج سینوسی متغییر روشی علمی است به منظور شبیه سازی موج سینوسی به طوری که به کمک آن اکثر لوازم برقی بتوانند کار کنند.

آیا می توانم موج سینوسی متغییر اینورتر را برای تجهیزات پزشکی خودم استفاده کنم ؟

برای تجهیزات پزشکی مانند دستگاه تولید اکسیژن و غیره با سازنده تجهیزات مشورت کنید. برق خروجی از اینورتر برای استفاده در تجهیزات پزشکی آزمایش نشده است و ما استفاده از آن را برای حفظ حیات خودتان تضمین نمی کنیم.

روش کار اینورتر هایی که موج مربعی تولید می کنند، چگونه است؟

این نوع اینورتر ها که دیگر قدیمی شده اند، دارای هزینه ساخت کم هستند ولی استفاده از آنها مشکل است. آنها تنها ولتاژ را بطور ناگهانی از مثبت به منی تغییر می دهند. آنها کارایی بالایی ندارند چون موج مربعی تولید شده نمی تواند توسط بسیاری از لوازم خانگی مورد استفاده قرار گیرد. موج سینوسی متغییر طوری طراحی شده است که هم توسط اکثر لوازم برقی قابل استفاده باشد و هم تولید آن ارزان باشد.

چگونه می توانم بفهمم که وسیله برقی من موج سینوسی کامل نیاز دارد یا اینکه می تواند با موج سینوسی متغییر نیز کار کند؟

لوازم برقی زیر به خوبی با موج سینوسی متغییر کار می کنند:
باتری های قابل شارژ، کامپیوترها، لوازم خانگی موتور دار مانند چرخ گوشت، توستر، قهوه ساز، اکثر لوزام استریو، پرینتر های جوهر افشان، یخچال و فریزر، تلویزیون، سیستمهای وی سی آر، بسیاری از مایکرو ویو ها، و غیره.
لوازم برقی زیر با موج سینوسی متغییر مشکل دارند:
بعضی از ساعتهای دیجیتال، برخی از باتری های قابل شارژ، برخی از ابزار های دستی یا قابل حمل شارژی.
توجه داشته باشید که برای تجهیزات حساس مانند وسایل ارتباطی، اسیلوسکوپ، تجهیزات ویدئویی، وسایل ارتباطی، و غیره باید از اینورتری با موج سینوسی کامل استفاده کنید.

ما دوست داریم که هر گونه لوازمی که شما هنگام استفاده از موج سینوسی متغییر، با آن دچار مشکل شده اید یا با موفقیت از آن استفاده کرده اید، را به این پرسش و پاسخ اضافه کنیم.

چرا من هنگام استفاده از اینورتر با موج سینوسی متغییر صدای بوز از استریو ام می شنوم؟

برخی از استریو های ارزان قیمت در حالت عادی قادر به از بین بردن نویز های اطراف نیستند. جهت رفع این مشکل باید از اینورتری با موج سینوسی کامل استفاده شود.

چرا من نمی توانم میزان ولتاژ اینورتر موج سینوسی متغییر را به کمک مولتی متر اندازه گیری کنم؟

اکثر مولتی متر ها طوری طراحی شده اند که فقط قادر به اندازه گیری موج سینوسی کامل هستند و نه سایر انواع موج. آنها ممکن است بین 2 تا 20 درصد ولتاژ پایین تر از اندازه واقعی را نشان دهند. در چنین مواردی برای اندزه گیری ولتاژ باید از ولت متری که نشان True RMS را دارا است استفاده کنید.

چگونه باید اینورتری با توان مطلوب را انتخاب کنم؟

پاسخ ساده این است که اول ماکزیمم توان مصرفی لوازم برقی خود را بدانید و سپس اینورتری که قادر به تامین آن توان باشد را خریداری کنید. اما لوازمی مانند یخچال دارای توان بسیار بالایی هستند. البته اینورتر هایی هستند که قادر به تامین این توان باشند که در این صورت برای اینگونه لوازم برقی باید اینورتری با توان بالاتر از چیزی که پیش بینی کرده اید، تهیه کنید. توجه داشته باشید که برای تامین توان های بالا، اینورتر مناسب تنها چیزی نیست که مورد نیاز است. باتری نیز باید قادر به تامین آن توان باشد و همچنین کابل انتقال دهنده نیز باید از پس انتقال آن توان بر آید و آن را هدر ندهد.

چه تفاوت بین باتری خودرو و باتری با سیکل طولانی (Deep Cycle) است؟ باتری های خودرو معمولا برای اینوترهای کوچک (کمتر از 500 وات) مناسب هستند. هنگامی که در اتومبیل استفاده می شود، ما پیشنهاد میکنیم که موتور خودروی خود را در حال استفاده از اینورتر روشن بگذارید. در صورت استفاده از اینورتر در حالی که موتور خاموش است، شما باید به طور منظم موتور را روشن کنید و اجازه دهید باطری شارژ شود. باتری با سیکل طولانی (Deep Cycle) یا باتری دریایی بهترین راه حل برای آنهایی است که به اینورتر بزرگتر و با توان بیشتر نیاز دارند زیرا این باتری ها طوری طراحی شده اند که می توان آنها را صدها بار شارژ و دشارژ کرد.
برای اطلاعات بیشتر در مورد باتری ها به اینجا مراجعه کنید

باتری خورشیدی

سوالات متداول مربوط به اینورتر (FAQ)

مطالب مشابه :

باتری خورشیدی

باطری های خورشیدی

220 - سلول خورشیدی/باطری" باتری " خورشیدی چیست و چگونه کار می کند؟ (کلیک کنید)

باتری خورشیدی

برق خورشیدی

انرژی خورشیدی

باطری های خورشیدی (solar cell)

ساخت باطری خورشیدی دستی ساده

آموزش ساخت باطری خورشیدی با ترانزیستور

درباره باطری خورشیدی