2984 مقاله ای کامل در مورد کار سلول های خورشیدی

پزوهشکده

فتوولتائیک و اساس کار سلولهای خورشیدی

۱- تعریف

۲- مزایا و معایب

۳- عوامل مؤثر بر بازده

———————————————————

۱- انرژی فتوولتاتیک

تبدیل نور خورشید به الکتریسیته از میان یک سلول فتوولتاتیک (pvs) می‌باشد، که بطور معمول یک سلول خورشیدی نامیده می شود. سلول خورشیدی یک ابزار غیر مکانیکی است که معمولاً از آلیاز سیلیکون ساخته شده است.

نور خورشید از فتو نهی، یا ذرات انرژی خورشیدی ساخته شده استاین فتو نهی مقادیر متغیر انرژی را شامل می شود مشابه طول مولد های متفاوت اسپکتروم های نوری هستند .

وقتی فتو نهی به یک سلول فتو ولتاتیک بر خورد می کند، ممکن است منعکس شوند ،مستفیم از میان عبور کنند، یا جذب شوند. فقط فتو نهی جذب شده انرژی را برای تولید الکتریسیته فراهم می کنند .وقتی که نور خورشید کافی یا انرژی توسط جسم نیمه رسانا جذب شود، الکترون از اتم های جسم جابجا می شوند.

رفتار خاصی سطح جسم در طول ساختن باعث می شود سطح جلویی سلولکه برای الکترون های آزاد بیشتر پذیرش یابد. بنا براین الکترون ها بطور طبیعی به سطح مهاجرت می کنند .

زمانی که الکترون ها موقعیت n را ترک می کنند و سوراخ هایی شکل می گیرد. تعداد الکترونها زیاد است، هر کدام یک بار منفی را حمل می کنند و به طرف جلو سطح سلول می روند، در نتیجه عدم توازون بار بین سلولهای جلویی و سطوح عقبی یک پتانسیل ولتاژ. شبیه قطب های مثبت ومنفی یک باطری ایجاد می شود.

وقتی که دو سطح از میان یک راه داخلی مرتبط می شود، الکتریسیته جریان می‌یابد .

سلول فتو ولتاتیک قاعده بلوک ساختمان یک سیستم pv است.

سلولهای انفرادی می توانند در اندازه هایی از حدود cm 1 تا cm10 از این سو به آن سو متغیر می شود .

با این وجود ،توان ۱یا ۲ وات تولید می کند،که انرژی کافی برای بیشتر کار بردها نیست.برای اینکه بازده انرژی را افزایش دهیم، سلولها بطور الکتریکی به داخل هوای بسته یک مدول سخت مرتبط می شود .

مدولها می توانند بیشتر برای شکل گیری یک آرایش مرتبط شوند.

اصطلاح آرایش به کل صفحه انرژی اشاره می کند ،اگر چه آن از یک یا چند هزار مدول ساخته شدهباشد ،آن تعداد مدولها ی مورد نیاز می توانند بهم مرتبط شوند برای اینکه اندازه آرایش مورد نیاز (تولید انرژی) را تشکیل دهند.

اجرای یک آرایش فتو ولتاتیک به انرژی خورشید وابسته است .

شرایط آب وهوایی (همانند ابر ومه ) تاثیر مهمی روی انرزی خورشیدی دریافت شده توسط یک آرایش pv و در عوض ،اجرایی آن دارد .بیشتر تکنولوژی مدول های فتو ولتاتیک در حدود ۱۰ درصد موثر هستند در تبدیل انرژیخورشید با تحقیق بیشتر مرتبط شوند برای اینکه این کار را به ۲۰ درصدافزایش دهند.

سلولهای pv که در سال ۱۹۵۴ توسط تحقیقات تلفنی بل bell کشف شد حساسیت یک آب سیلیکونی حاضر به خورشید را به طور خاصی آزمایش کرد. ابتدا در گذشته در دهه ۱۹۵۰،pvs برای تامین انرژی قمر های فضا در یک مورد استفاده قرار گرفتند.

موفقیت pvs در فضا کار برد های تجاری برای تکنو لوژی pvs تولید کرد. ساده‌ترین سیستم های فتو ولتاتیک انرژی تعدادزیادی از ماشین حساب های کوچک و ساعتهای مچی را هر روز استفاده کردند.

بیشتر سیستم های پیچیده الکتریسیته را برای پمپاژ آب، انرژی ابزارهای ارتباطی، وحتی فراهم کردن الکتریسیته برای خانه هایمان فراهم می کنند .

تبدیل فتوولتاتیک به چندین دلیل مفید است. تبدیل نور خورشیدبه الکتریسیته مستقیم است، بنابراین سیستم های تولید کننده مکانیکی به حجم زیادی لازم نیستند. خصوصیت مدولی انرژی فتو ولتاتیک اجازه می دهد به طور سریع آرایش ها در هر اندازه مورد نیاز یا اجازه داده شده نصب شوند .

همچنین ،تاثیر محیطی یک سیستم فتو ولتاتیک حد اقل است، آب را برای سیستم نیاز ندارد پختن وتولید محصول فرعی نیست .سلولهای فتوولتاتیک، همانند باتریها ،جریان مستقیم (dc)را تولید می کنند که به طور عمومی برای برای راههای کوچکی مورد استفاده است (ابزار الکترونیک).وقتی که جریان مستقیم از سلولهای فتوولتاتیک برای کاربردهای تجاری یا لحیم کردن کار برد های الکتریکی استفاده می‌شود.

شبکه های الکتریکی بایستی به جریان متناوب (AC)برای استفاده تبدیل کننده‌ها تبدیل شوند، ابزارهای حالت جامد که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می کنند. به طور تاریخی PVSدر جاهای دور برای تولید الکتریسیته بکار گرفته شده است .با این وجود یک بازار برای تولید از PVSرا توزیع کنند ممکن است با بی نظمیقیمتهای تبدیل و توزیع همزمان با بی نظمی الکتریکی توسعه داده شود .

جایگزین ژنراتو های کوچک مقیاس عددی در تغذیه کنندهای الکتریکی می‌توانند اقتصاد واعتبار سیستم توزیع را بهبود بخشد.

سیستمهای فتوولتاییک

به پدیده‌ای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیزم‌های محرک، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده‌ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. سیستم‌های فتوولتائیک یکی از پر مصرف‌ترین کاربرد انرژی‌های نو می‌باشند و تاکنون سیستم‌های گوناگونی با ظرفیت‌های مختلف (۵/۰ وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده‌است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم‌ها هر روزه بر تعداد متقاضیان آنها افزوده می‌شود. از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی می‌توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلولهای سری و موازی شده پنل (Panel) فتوولتائیک می‌گویند. امروزه اینگونه سلولها عموماً از ماده سیلیسیم تهیه می‌شود و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می‌شود که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت می‌گردد. بنابراین از نظر تأمین ماده اولیه این سلولها هیچگونه کمبودی در ایران وجود ندارد. سیستمهای شکست در تجزیه (خطای lexing): فتوولتائیک را می‌توان بطور کلی به سه بخش اصلی تقسیم نمود که بطور خلاصه به توضیح آنها می‌پردازیم.

۱- پنلهای خورشیدی:

این بخش در واقع مبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی بدون واسطه مکانیکی می‌باشد. لازم به ذکر است، جریان ولتاژ خروجی از این پنلهاDC (مستقیم) می‌باشد.

۲- تولید توان مطلوب یا بخش کنترل :

این بخش در واقع کلیه مشخصات سیستم را کنترل کرده وتوان ورودی پنلها را طبق طراحی انجام شده و نیاز مصرف کننده به بار یا باتری تزریق و کنترل می‌کند لازم به ذکر است که در این بخش مشخصات و عناصر تشکیل دهنده با توجه به نیازهای بار الکتریکی و مصرف کننده و نیز شرایط آب و هوایی محلی تغییر می‌کند.

۳- مصرف کننده یا بار الکتریکی:

با توجه به خروجی DC پنلهای فتوولتائیک، مصرف کننده می‌تواند دو نوع DC یا AC باشد، همچنین با آرایشهای مختلف پنلهای فتوولتائیک می‌توان نیاز مصرف کنندگان مختلف را با توانهای متفاوت تأمین نمود. با توجه به کاهش روز افزون ذخائر سوخت فسیلی و خطرات ناشی از بکارگیری نیروگاههای اتمی، گمان قوی وجود دارد که در آینده‌ای نه چندان دور سلولهای خورشیدی به انرژی برق به‌عنوان جایگزین مناسب و بی خطر برای سوختهای فسیلی و نیروگاههای اتمی توسط بشر بکار گرفته شود.

مصارف و کاربردهای فتوولتائیک

• مصارف فضانوردی و تأمین انرژی مورد نیاز ماهواره‌ها جهت ارسال پیام

• روشنایی خورشیدی :

در حال حاضر روشنایی خورشیدی بالاترین میزان کاربرد سیستم‌های فتوولتائیک را در سراسر جهان دارد و سالانه دهها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می‌گردد، مانند برق جاده‌ها و تونلها بخصوص در مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارند، تأمین برق پاسگاههای مرزی که دور از شبکه برق هستند، تأمین برق مناطقی شکاربانی و مناطق حفاظت شده نظیر جزیره‌های دور افتاده که جنبه نظامی دارند.

• سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی:

انرژی مورد نیاز کلیه لوازم برقی منازل (شهری و روستایی) و مراکز تجاری را می‌توان با استفاده از پنلهای فتوولتائیک و سیستمهای ذخیره کننده و کنترل نسبتاً ساده، تأمین نمود.

• سیستم پمپاژ خورشیدی:

سیستم پمپهای فتوولتائیک قابلیت استحصال آب از چاهها، قنوات، چشمه‌ها، رودخانه‌ها و ….. را جهت مصارف متنوعی دارا می‌باشد.

• سیستم تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری:

اغلب ایستگاههای مخابراتی و یا زلزله نگاری در مکانهای فاقد شبکه سراسری و صعب العبور و یا در محلی که احداث پست فشار قوی به فشار ضعیف و تأمین توان الکتریکی ایستگاه مذکور صرفه اقتصادی و حفاظت الکتریکی ندارد نصب شده‌اند.

• ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و وسایل بازی کودکانه یا هر نوع وسیله‌ای که تاکنون با باطری خشک کار می‌کرده‌است یکی دیگر از کاربردهای این سیستم می‌باشد. مثلاً ژاپن در سال ۱۹۸۳ حدود ۳۰ میلیون ماشین حساب خورشیدی تولید کرده‌است که سلولهای خورشیدی بکار گرفته در آنها مساحتی حدود ۰۰۰/۲۰ متر مربع و توان الکتریکی معادل ۵۰۰ کیلووات داشته‌اند.

• نیروگاههای فتوولتائیک:

هم‌زمان با استفاده از سیستم‌های فتوولتائیک در بخش انرژی الکتریکی مورد نیاز ساختمانها اطلاعات و تجربیات کافی جهت احداث واحدهای بزرگ‌تر حاصل گردید و همه اکنون در بسیاری از کشورهای جهان نیروگاه فتوولتائیک در واحدهای کوچک و بزرگ و به صورت اتصال به شبکه و یا مستقل از شبکه نصب و راه اندازی شده‌است ولی این تأسیسات دارای هزینه ساخت، راه اندازی و نگهداری بالایی می‌باشند که فعلاً مقرون به صرفه و اقتصادی نیست.

• یخچالهای خورشیدی:

از یخچالهای خورشیدی جهت سرویس دهی و ارائه خدمات بهداشتی و تغذیه‌ای در مناطق دور افتاده و صعب العبور استفاده می‌گردد. عملکرد مناسب یخچالهای خورشیدی تا حدی بوده‌است که در طی ۵ سال گذشته بیش از ۱۰۰۰۰ یخچال خورشیدی برای کاربردهای بهداشتی و درمانی در سراسر آفریقا راه اندازی شده‌است.

• سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل:

قابلیت حمل و نقل و سهولت در نصب و راه اندازی از جمله مزایای این سیستم‌ها می‌باشد بازده توان این سیستم‌ها از ۱۰۰ وات الی یک کیلو وات تعریف شده‌است. از جمله کاربردهای آن می‌توان به تأمین برق اضطراری در مواقع بروز حوادث غیر مترقبه، سیستم تغذیه کننده یک چادر عشایری و کمپ‌های جنگلی اشاره نمود.

تعریف سلول‌های خورشیدی :

سلول‌های خورشیدی (solar cells) از نیمه‌هادیها ساخته شده و با اتصال سیلیکون‌های نوع N و P شکل می‌گیرند. وقتی نور خورشید به یک سلول خورشیدی می‌تابد، به الکترون‌ها در آن انرژی بیشتری می‌بخشد. با تابش نور خورشید الکتورنها در نیمه‌هادی پلاریز شده، الکترونهای منفی در سیلیکون نوع N و یونهای مثبت در سیلیکون نوع P بوجود می‌آیند. بدین ترتیب بین دو الکترود، اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آنها می‌گردد.

در زیر ۴ شکل برای درک بهتر این مطلب گنجانده شده‌اند که همگی بیانگر صعود الکترون‌ها به سطح نیمه هادی از نوع N و ایجاد حفره‌هایی در نیمه هادی نوع P و در نتیجه ایجاد اختلاف پتانسیل می‌باشند.

سلول خورشیدی قاعده بلوک ساختمان یک سیستم pv است. سلول‌های انفرادی می‌توانند در اندازه‌هایی از حدود ۱ سانتی‌متر تا ۱۰ سانتی‌متر متغیر باشند. با این وجود تنها توان ۱ یا ۲ وات تولید می‌کنند که انرژی کافی برای بیشتر کاربردها نیست. برای اینکه بازده انرژی را افزایش دهیم، سلولها بطور الکتریکی در یک مدول به یکدیگر مرتبط می‌شوند. مدولها می‌توانند بیشتر برای شکل‌گیری یک آرایش مرتبط شوند. اصطلاح آرایش به کل صفحه انرژی اشاده می‌کند، اگر چه آن از یک یا چند هزار مدول ساخته شده باشد.

اساس کار سلولهای خورشیدی :

سلول خورشیدی عبارت از قطعات نیمرسانایی هستند که انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند.رسانندگی این مواد به طور کلی به دما ,روشنایی ,میدان مغناطیسی و مقدار دقیق ناخالصی موجود در نیم رسانا بستگی دارد.

از ویژگی های سلولهای خورشیدی میتوان به این موارد اشاره کرد:

جای زیادی اشغال نمی کنند .قسمت متحرک ندارند .بازده انها با تغییرات دمایی محیط تغییرات چندانی نمی کنند.نسبتا به سادگی نصب می شوند.به راحتی با سیستمهای به کار رفته در ساختمان جور می شوند.

همچنین از اشکالات سلولهای خوشیدی می توان به تولید وسایل فتوولتائیک که هزینه زیادی دارد و چگالی انرژی تابشی که بسیار کم است اشاره کرد که در فصول مختلف و ساعات متفاوت شبانه روز تغییر می کند که باید ذخیره شود و همین موضوع بسیار هزینه بر است.

کاربردهای سلولهای خوشیدی :

۱) تامین نیروی حرکتی ماهواره ها و سفینه های فضایی

۲) تامین انرژی لازم دستگاهایی که نیاز به ولتاژهای کمتری دارند مثل ماشین حساب و ساعت

۳) تهیه برق شهر توسط نیروگاههای فتوولتائیک

۴) تامین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایقهای کوچک

2- معایب و مزایای سلولهای فتوولتائیک

تکنولوژی فتوولتائیک یک منبع بی‌خطر برای تولید انرژی برق می‌باشد. این تکنولوژی مزایای بسیاری نسبت به روش فعلی تولید برق دارد که در زیر به آنها می‌پردازیم :

۱- انرژی خورشید مهم‌ترین منبع قابل تجدید انرژی بر روی کره زمین است نگرانی‌هایی که مورد سوخت‌های فسیلی و هسته‌ای وجود دارد، در مورد این منبع انرژی بی‌معنا است. این انرژی مانع سوخت‌های فسیلی تمام نمی‌شود و یا مانند سوخت‌های هسته‌ای دارای ضایعات اتمی نمی‌باشد.

۲- سیستم‌های خورشیدی معمولاً دارای ضریب ایمنی بسیار بالا می‌باشند.

۳- توان فتوولتائیک می‌تواند در هر نقطه از کره زمین به وسیله خورشید تولید شود (مناطق گرم استوایی، مناطق با آب و هوای معتدل یا حتی سرد، شهرها و روستاها علی الخصوص مناطق دور افتاده از شبکه برق رسانی).

۶- سلولهای فتوولتائیک منبعی از انرژی هستند که به سوخت احتیاج ندارند در نتیجه آلودگی ناشی از سوخت‌های فسیلی مانند دی اکسید کربن، منواکسید کربن و همچنین آلودگی‌های مهم ناشی از سوخت‌های هسته‌ای و غیره را نیز ندارند. به طور کلی سلولهای فتوولتائیک هیچ گونه آلودگی محیط زیستی را دربر ندارند و به عنوان تمیزترین و سالم‌ترین نوع انرژی شناخته شده‌اند. به عنوان مثال در کشور انگلستان به ازای هر کیلو وات الکتریسیته تولید شده توسط سلولهای فتوولتائیک یک سال توزیع دی اکسید کربن که مهمترین عوامل آلودگی است به میزان یک تن کاهش می‌یابد.

۵- تکنولوژی فتوولتائیک به دلیل خاصیت مدولی بودن قابل ساخت در اندازه‌های مختلف قابل گسترش تا اندازه‌های بسیار بزرگ می‌باشد. فتوولتائیک تنها منبع انرژی است که می‌تواند توسط مورد نیاز را مقیاسی در حدود میلی وات تا مگا وات به راحتی و با هزینه اقتصادی مناسبی تهیه کند.

یک سلول فتوولتائیک در پیک تابش خورشید توانی حدود Wp ۵/۱ تولید می‌کند که جریان به صورت DC می‌باشد. یک مدول فتوولتائیک می‌تواند Wp50 را تولید کند. بزرگترین شبکه فتوولتائیک جهان با مدولهای متعدد در نیروگاهی در ایتالیا واقع است که توانی حدود MWp ۳/۳ تولید می‌کند (منظور از Wp توان تولید شده بر حسب وات در پسک خورشید می‌باشد).

۶- حجم ماده به کار رفته در این سلولها کم بوده و ساخت آنها نسبتاً آسان است.

۷- سلول‌ها و مدول‌های فتوولتائیک دارای هیچ قسمت متحرکی نیستند پس هیچگونه اتلافی در اثر اصطکاک در آن وجود ندارد.

۸- هیچ گونه ضایعاتی را به وجود نمی‌آورند و ماده مورد استفاده در آنها بی‌خطر و غیر سمی می‌باشد و در ضمن هیچ تشعشعی از خود صادر نمی‌کنند.

۹- بسیار آرام و ساکت کار می‌کنند و در حین کار هیچ صدایی تولید نمی‌کنند پس آلودگی صوتی که در اکثر مکانیزم‌های مکانیکی و الکتریکی وجود دارد، در این سیستم‌ها وجود ندارد.

۱۰- مانند سایر دستگاه‌ها که در دمای نسبتاً بالا کار می‌کنند احتیاج به آب خنک کننده ندارند.

۱۱- این سلولها دارای قابلیت اعتماد بالایی بوده و به آسانی قابل استفاده هستند. نصب آنها ساده است و اگر درست نصب شوند به هیچ گونه تجهیزات اضافی و یا خدمات بعدی احتیاج ندارند.

۱۲- این سلول‌ها عمر زیادی دارند. اکثر سلول‌های خورشیدی تجاری به مدت ۲۵ سال گارانتی دارند. اغلب وسایل اضافی مانند باتری‌هایی که برای ذخیره انرژی به کار می‌روند عمر کوتاه‌تری دارند و ممکن است نیاز به تعویض یا سرویس داشته باشند.

۱۳- این سلول‌ها نمای خارجی نامناسبی ندارند و حتی اگر با اندکی دقت طراحی شوند می‌توانند از نظر معماری به زیبایی نمای ساختمان هم کمک کنند.

معایب سلول‌های خورشیدی

به طور کلی سه اشکال در این سلول‌ها وجود دارد :

۱- تفاوت و تغییر نور خورشید در فصول مختلف سال. انرژی خورشیدی در طول شب بی‌معنا است و متأسفانه تجهیزات ارزان قیمت و روش‌های کارآمدی برای ذخیره انرژی الکتریکی وجود ندارد، که این یکی از عواملی است که باعث توقف در رشد و گسترش این سیستم‌ها می‌شود. برای کاربردهای جداگانه و معمولاً چندان بزرگ باتری‌های قابل شارژ تنها وسیله عملی برای ذخیره انرژی برق می‌باشند. در این رابطه باید پیشرفت‌هایی در زمینه الکترونیک برای انتقال و ذخیره الکتریکی صورت گیرد.

مشخص دیگر ناشی از تغییر خورشید در فصول مختلف سال که کاهش به عنوان یک مشکل نیز در نظر گرفته می‌شود، چگالی پایین توان است. توانی که توسط سطح زمین جذب می‌شود به طور متوسط بین شب و روز تابستان و زمستان در یک منطقه معتدل تا در خط استوا تغییر می‌کند. بنابراین همه تکنولوژی‌های خورشیدی احتایج به تبدیل کننده‌های خورشیدی و یا متمرکز کننده‌های اپتیکی دارند تا مقدار توان را به مقدار قابل توجهی بالاتر ببرند. به عنوان مثال جنوب کشور انگلستان حدوداً (۱ قرن وات ساعت بر کیلومتر مربع در سال) انرژی دریافت می‌کند. بنابراین برای تامین برق مصرفی این کشور که حدوداً است به منطقه‌ای با مساحت ۲۵۰۰Km2 نیاز داریم تا با مدول‌های فتوولتائیک با راندمان حدود ۱۵ درصد پوشانده شود. یکی از روش‌های مناسب این است که مدول‌ها بر روی سقف خانه‌ها نصب شوند. هنگام نصب باید توجه شود که مدول در سایه نباشد.

۲- قیمت بالای سلول‌های فتوولتائیک، مشکل عمده این سیستم‌ها است. سازندگان این سلول‌ها از یک عملکرد پیچیده استفاده می‌کنند که رشد دقیق کریستال و درجه خلوص بالا و فرآیندهای متعددی مورد نیاز می‌باشد. تمام این فرآیندها باعث می‌شوند قیمت سلول‌ها بالا رود. البته با رشد بازار و تولید بیشتر این سلول‌ها، قیمت آنها نسبت به ۲۰ سال گذشته ۵ الی ۶ برابر و نسبت به اولین سلول‌های به کار رفته در فضا ۱۵ الی ۲۰ برابر کاهش یافته است.

۳- سومین مشکلی که سیستم‌های فتوولتائیک با آن مواجه است، نادیده گرفته شدن آن توسط تکنولوژی فعلی و مردم است. حتی اگر مصرف کنندگان از مزایای سیستم فتوولتائیک مطلع شوند به ندرت می‌توانند یک سیستم (Plug & Play) را بر روی سقف خانه خود نصب کنند. تکنولوژی فتوولتائیک بر سر دو راهی قرار گرفته است. این تکنولوژی از نظر ساعت رشد دومین تکنولوژی در جهان می‌باشد ولی هنوز برای برخی ناآشنا و از نظر آنها حتی امتحان نشده است.

مزیت سلولهای خورشیدی :

(سلول‌های خورشیدی کارآمدتر با استفاده از نانوسیم‌ها)

میلیون‌ها نانوسیم تقریباً نامرئی، ممکن است راه حلی برای ساخت سلول‌های خورشیدی که یک منبع انرژی جایگزین قابل‌دسترسی هستند، باشد. نوع خاصی از فناوری‌ نانوسیم که در دانشگاه «مک مستر» توسعه یافته ‌است، در مقایسه با سلول‌های خورشیدی موجود، نور بیشتری را جذب می‌کند و با کارآیی بالاتری آن را به الکتریسیته تبدیل می‌کند.

به گزارش ایسنا، رای لاپیری، استادیار فیزیک مهندسی در دانشگاه مک مستر و رئیس همکاران این پروژه، گفت: “یکی از موانع بزرگ در استفاده گسترده از سلول‌های خورشیدی به‌ عنوان یک منبع انرژی پاکیزه، قیمت آن است. کار ما تا این مرحله در ساخت نانوسیم‌ها پتانسیل بیشتری را برای کارآیی انرژی با مواد ارزان‌قیمت نشان داده ‌است.”

نانوسیم‌ها نسبت به فیلم‌های نازک و سیلیکون بلوری که هم‌اکنون در تولید سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شوند، مزایای بیشتری دارند که شامل استفاده از مقدار کم مواد، بستر‌های ارزان‌قیمت، مواد عاری از نقص با کارآیی تبدیل بالا و جذب و به دام‌اندازی قوی نور هستند.

تونی ورلی، رئیس مرکز انرژی‌های پاک و سازنده توربین بادیV3.5با محور عمودی، گفت:”ما منتظر استفاده از سلول‌های خورشیدی در خط تولید محصولات انرژی جایگزین شده‌ایم. تحقیقات دکتر لاپیری بر روی سلول‌های خورشیدی برای طیف وسیعی از افراد که دنبال منابع انرژی ماندگارتر به منظور برآورده‌کردن نیازهای خود هستند، بسیار نویدبخش بوده ‌است“.

هزینه سه سال آغازین این طرح بیش از نیم میلیون دلار ارزیابی شده است، که از این میزان ۲۷۹ هزار دلار را مراکز خلاقیت انتاریو و ۳۰۰ هزار دلار را مراکز انرژی‌های پاک تامین می‌کند. دانشگاه مک‌مستر نیز مسئولیت تأمین محققان و وسایل را بر عهده گرفته است. این دانشگاه از بودجه به دست آمده در جهت تدارک دوره‌های فوق دکتری و نیز تعریف پروژه‌های فوق‌لیسانس و دکتری، همچنین خرید مواد و تجهیزات استفاده خواهد کرد.

دون ویلفورد، مدیر مرکز خلاقیت فوتونیک، گفت :« حمایت کردن از شرکت‌ها و مراکز تحقیقاتی هم‌فکر مانند ” مرکز انرژی پاک“ و ”دانشگاه مک مستر“، باعث خواهد شد تا اُنتاریو تبدیل به رهبر انرژی جایگزین گردد. این قدم‌های اولیه مطمئناً باعث مناسب شدن قیمت انرژی خورشیدی خواهد شد.»

ابداع تکنیکی جدید برای تولید سلول‌های خورشیدی با راندمان کاری بالا

دانشمندان با هدف دستیابی موثر به منابع انرژی جایگزین موثر و مقرون به صرفه تر، تکنیکی را ارایه کرده اند که با استفاده از آن نور بیشتری از خورشید در سلول های خورشیدی جذب می شود. نتیجه استفاده از این تکنیک تولید محصولی جدید است که به میزان قابل توجهی راندمان سلول های خورشیدی در آن بالا بوده و این امکان برای سازندگان تاسیسات ساختمانی فراهم شده است تا تولیدات خود را با هزینه های کمتری ارایه کنند. سیلیکن هسته سلول های خورشیدی است و طبیعت درخشان آن به معنای آن است که حدود ۳۰ درصد از نور خورشید که به این سلول ها تابیده می‌شود به سمت آسمان منعکس می شود. برای آنکه راندمان کاری سلول های خورشیدی تا حد ممکن افزایش یابد، سیلیکن باید با بالاترین درصد خلوص مورد استفاده قرار گیرد. طی سالهای گذشته حل این مساله ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده است که در این راستا وارد شدن هیدروژن به فرآیند تولید سلول های خورشیدی مهمترین گام بوده است.

پوشش های ضد بازتابشی نیز برای کاهش بازتاب نور خورشید به کار رفته اند اما اکنون شرکت بین المللی “براگون” تکنیک جدید هیدروژنی شده و ضد انعکاسی را ارایه کرده است که بسیار ساده بوده و در عین حال به تولید پوشش اسپری ارزان قیمتی برای حل این مشکل منجر شده است. بر اساس گزارش “گیزمگ” در این تکنیک جدید لایه های مولکولی در ابعاد نانویی به کار گرفته می شود و این به معنای آن است که سازندگان سلول های خورشیدی می توانند تولیدات خود را با استفاده از این لایه ها پوشانده و محصولی با راندمان بالاتر تولید کنند.

انرژی خورشید به طور مستقیم یا غیر مستقیم می تواند دیگر اشکال انرژی تبدیل شود ، همانند گرما و الکتریسیته . موانع اصلی ( مشکلات ، یا انتشار برای فائق آمدن ) انرژی خورشیدی شامل :

(۱) روشها متغیر و متناوب که آن به سطح می رسد

(۲) ناحیه بزرگبرای جمع آوری و ذخیره آن در یک سرعت مفید مورد نیاز است.

انرژی خورشید برای حرارت آب، برای استفاده دینامیکی، حرارت قضایی ساختمانها ، خشک کرده تولیدات کشاورزی و تولید انرژی الکتریسیته مورد استفاده قرار می گیرد .

در سال ۱۸۳۰ شاره شنای انگلین به نام جون هر شل John Herschel یک جعبه جمع آوری خورشیدی را برای پختن غذا در طول یک سفر در آفریقا استفاده کرد. هم اکنون مردم تلاش می کنند انرژی خورشیدی را برای چیزهای زیادی استفاده کنند . اربردهای الکتریکی فتوولتایک ها را آزمایش می کنند یک فرایند که توسط آن انرژی نور خورشید به طور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می شود . الکتریسیته می‌تواند به طور مستقیم از انرژی خورشید تولید شود و ابزارهای فتوولتایک استفاده کند یا به طور غیر مستقیم از ژنراتورهای بخار ذخایر حرارتی خورشیدی را برای گرما بخشیدن به یک سیال کاربردی مورد استفاده قرار می دهند .

امروزه، نوآوری ها، سرمایه گذاری ها، و پیشرفت های فنی و علمی فناوری هایی در زمینه انرژی خورشیدی به وجود آورده که با تولید اکتریسیته تاکید بر لزوم وجود زیرساخت ضروری الکتریکی را کاهش می دهند.

مهم ترین فناوری های موجود در زمینه انرژی خورشیدی فناوری های خورشیدی حرارتی، تمرکز انرژی خورشیدی، و فتوولتائیک هستند.

تجهیزات خورشیدی حرارتی از گرمای مستقیم خورشید استفاده کرده و از آن برای هر کاری، از گرم کردن استخرهای شنا گرفته تا تولید بخار در نیروگاه های برق استفاده می کنند.

نیروگاه هایی که انرژی خورشیدی را متمرکز می کنند با تبدیل آفتاب به حرارت‌های بالا توسط آینه های بزرگ و سپس انتقال انرژی این حرارت به ژنراتورهای معمولی برق تولید می کنند. این نیروگاه ها متشکل از دو بخش هستند – یکی که انرژی خورشیدی را جمع آوری و به حرارت تبدیل می کند، و دیگری که انرژی حرارتی را به الکتریسیته تبدیل می کند.

از دو شیوه حرارتی خورشیدی و تمرکز انرژی خورشیدی در سرتاسر جهان استفاده شده که این امر به رشد فناوری های تجدید شونده خورشیدی کمک می کند. اما سریع ترین روند رشد در این زمینه به فناوری فتوولتائیک مربوط می شود. این کلمه متشکل است از فتو به معنی نور و ولتائیک به معنی تولید ولتاژ.

سلول های فتوولتائیک از آفتاب سوخت می گیرند، نه از حرارت. این سلول ها که غالبا از سیلیکن نیمه هادی ساخته شده اند، نور آفتاب را مستقیما به برق تبدیل می کنند.

دن آرویزو مدیر آزمایشگاه ملی انرژی تجدید شونده وزارت انرژی ایالات متحده واقع در کلرادو می گوید، ” فتوولتائیک فناوری بسیار زیباتری است. فتوولتائیک یکی از بزرگ ترین برنامه های در حال اجرای وزارت انرژی است. در واقع، بزرگ ترین برنامه ما در آزمایشگاه است.”

ساده ترین سلول های فتوولتائیک نیروی مورد نیاز ساعت های مچی و ماشین حساب ها را تامین می کنند؛ سیستم های پیچیده تر با اتصال به شبکه برق، برق مورد نیاز برای پمپاژ آب، راه انداختن تجهیزات ارتباطی، روشن کردن منازل و کار کارخانه‌ها را تامین می کنند.

در فرایند فتوولتائیک، ذرات نور که فوتون نام داشته به داخل سلول ها نفوذ کرده و با آزاد کردن الکترون از اتم های سیلیکن جریان الکتریکی تولید می کنند. تا زمانی که تابش نور به داخل سلول در جریان باشد، الکتریسیته تولید می شود. این سلول ها الکترون های خود را مانند باتری ها تمام نمی کنند– آنها مبدل هایی بوده که یک نوع انرژی (خورشیدی) را به نوعی دیگر (جریان الکترون ها) تبدیل می کند.

سلول های فتوولتائیک معمولا در مدول هایی که هر یک از ۴۰ سلول تشکیل شده ترکیب می شوند. ده مدول اینچنینی در یک مجموعه فتوولتائیک نصب می شود. با استفاده از این مجموعه ها می توان به اندازه یک ساختمان، یا در تعداد بیشتر به اندازه یک نیروگاه برق تولید کرد.

به گفته آرویزو، اگر چه هزینه بیشتر است، اما “در میان فناوری های خورشیدی، بیشترین فعالیت در زمینه فتوولتائیک صورت می گیرد. هزینه هر کیلووات ساعت برق تولید شده با روش فتوولتائیک ۲۰ تا ۲۵ سنت است. اما به دلیل شکل مدولار این فناوری، می توان آن را در سیستم های کوچک تر اجرا کرد.” در مقایسه، هزینه هر کیلووات ساعت برق تولید شده با فناوری باد پنج تا شش سنت است.

چاک مک گوین، رهبر فنی در زمینه انرژی باد در موسسه تحقیقات نیروی برق که مرکز مستقل و غیر انتفاعی ای است، می گوید بخشی از دلیل گرانی فناوری خورشیدی در مقایسه با دیگر انواع فناوری های انرژی های تجدید شونده راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته است.

“راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته چیزی در حدود ۱۰ درصد است. اگر فقط ۱۰ درصد از انرژی به برق تبدیل می شود، پس یعنی ۹۰ درصد دیگر آن به صورت گرما تلف می شود. در صورتی که راندمان تبدیل ۲۰ درصد بود، مساحت سلول‌های خورشیدی لازم برای تولید برق با ضریب دو کاهش می یافت.”

آرویزو گفت، علی رغم هزینه، یکی از مزیت های سیستم های فتوولتائیک این است که می توان از آنها در مناطق دور دست استفاده کرد. “در هر جایی که ژنراتورهای دیزلی فناوری منتخب محسوب شده، سیستم های فتوولتائیک از لحاظ هزینه در دراز مدت اغلب گزینه برتر محسوب می شوند.”

سیستم های خوداتکا مستقل از شبکه برق نیرو تولید می کنند. در برخی مکان هایی که خارج از شبکه قرار داشته، حتی با فاصله نیم کیلومتر از خطوط برق، استفاده سیستم های خوداتکا فتوولتائیک می تواند از کشیدن انشعاب مقرون به صرفه تر باشد. این سیستم ها خصوصا برای مناطق دور، و از لحاظ زیست محیطی حساسی مانند پارک های ملی، کلبه ها، خانه های واقع در مناطق دور مناسب است.

در بسیاری از مناطق روستایی، از مجموعه های خورشیدی کوچک خوداتکا برای روشنایی، شارژ حصارهای برقی و پمپاژ آب برای دام ها استفاده می شود. بعضی از سیستم های مرکب انرژی خورشیدی را با انرژی باد یا دیزل ترکیب می کنند.

مزیت دیگر فناوری فتوولتائیک این است که می تواند با مصالح ساختمانی ترکیب شده و در خود ساختمان و نه فقط روی سقف جاسازی شود.

در چنین ساختمان هایی، سیستم های فتوولتائیک تبدیل به بخشی از عناصر تشکیل دهنده ساختمان می شوند.

مک گوین گفت، “شرکت ها پانل های خورشیدی ای تولید کرده که شبیه مصالح ساختمانی هستند – برای مثال توفال های شیروانی. همچنین می توان با قرار دادن لایه ای نازک [از موادی با نام آمورفوس سیلیکن] روی شیشه، پنجره های سلولهای خورشیدی تولید کرد.”

صنعت فتوولتائیک در سرتاسر جهان صنعت چند میلیارد دلاری ای بوده که در حال کمک کردن به رشد و توسعه فناوری خورشیدی است.

برنامه سیستم های نیروی فتوولتائیک برای مثال، موافقتنامه تحقیق و توسعه گروهی ای بوده که آژانس بین المللی انرژی از آن حمایت می کند.

این طرح از طریق شبکه ای از تیم های ملی کشورهای عضو، که شامل ایالات متحده هم می شود، فعالیت می کند. ماموریت آن “بهبود همکاری های بین المللی ای است که موجب می شوند انرژی خورشیدی فتوولتائیک در آینده نزدیک به منبع انرژی تجدید شونده مهمی مبدل گردد.”

به گفته آژانس بین المللی انرژی، این طرح فرض می کند که سیستم های فتوولتائیک ساختمانی، بازار سیستم های فتوولتائیک را به تدریج از بازارهای محلی کابردهای در دور دست ها و محصولات مصرفی به سمت بازارهای گسترده تری هدایت خواهد کرد.

به منظور حمایت از این گسترش، شرکای این برنامه – ۲۱ کشور و کمیسیون اروپا – جهت کاهش هزینه فناوری فتوولتائیک و از میان برداشتن مشکلات فنی و سایر موانع برسر راه توسعه آن، اطلاعات خود در خصوص عملکرد سیستم های فتوولتائیک، دستورالعمل های طراحی، روش های برنامه ریزی و دیگر جوانب این فناوری را به اشتراک می گذارند.

تحقیقات در آزمایشگاه ملی انرژی تجدید شونده، در حال کمک به کاهش های احتمالی در هزینه فتوولتائیک است. پیشرفت های مهم علمی شامل سازه های نانو (در سطح مولکولی) و نقطه ها و میله های کوانتوم است. اینها ذرات آنچنان کوچکی از ماده هستند که اضافه کردن یا کم کردن یک الکترون می تواند در خواص آنها تغییر ایجاد کند.

آرویزو گفت، “چون مهندسی در سطح مولکولی انجام و کارایی لازم در آنجا گرفته می شود، مفاهیم جدیدی در زمینه سازه های نانو در حال شکل گیری است [که راندمان را افزایش و هزینه را کاهش می دهد].”

برای جامعه علمی، نقطه ها و میله های کوانتوم فرصت دست یافتن به راندمان‌های بسیار بالایی را فراهم می کنند. راندمان های معمول در سیستم های فتوولتائیک بین ۱۰ تا ۱۵ درصد بوده، و این پیشرفت ها می تواند این رقم را به بیشتر از ۵۰ برساند.”

پیش بینی اینکه چنین فناوری هایی چه زمان به بازار می رسد دشوار است، اما آرویزو گفت سیستم های فتوولتائیک عملی “مطمئنا در همان چارچوب زمانی سلولهای سوختی و افتصاد هیدروژنی قرار دارند.”

او افزود، فناوری سازه های نانو احتمالا تا ۲۰ سال دیگر در دسترس خواهد بود، “اما آنچه که مردم را واقعا به هیجان می آورد این واقعیت است که می توان فناوری روز را به این سیستم های پیشرفته تبدیل کرد – بدون نیاز به یک تغییر مدل جدید.

۳- بازده یا کارایی سلولهای خورشیدی :

بازده سلول خورشیدی را به صورت زیر تعریف می‌کنند.

که در آن Pin توان نور ورودی است و Pout توان نور خروجی است و داریم :

که در آن Vmp ولتاژ در نقطه توان ماکزیمم و Imp جریان در نقطه توان ماکزیمم است.

حداکثر جریان ولتاژ قابل حصول در یک سلول خورشیدی به ترتیب عبارتند از : Isc و Voc نسبت مقیاس مفیدی است از توانی که می‌توان از منحنی
I-V صفحات قبلی بدست آورد. این نسبت را عامل پرکنندگی می‌نامند و برای یک سلول خورشیدی خوش ساخت ۷/۰ تا ۸/۰ است.

البته ولتاژ در نقطه توان بیشینه (Vmp) با گرفتن بدست می‌آید که در آن P عبارت است از :

پس می‌توان Pout را بصورت زیر نوشت :

: داریم

برای بدست آوردن بازده تبدیل زیاد ضروری است که Isc زیاد یا بازده جمع‌آوری زیاد و Uoc زیاد و عامل پرکنندگی زیاد باشد.

عواملی که بر بازده سلول تاثیر می‌گذارند عبارتند از :

۱) انرژی شکاف بین باند Eg : با افزایش مقدار Eg بر مقدار Voc نیز افزوده می‌شود. اما می‌دانیم که حداکثر مقدار Isc ممکن با افزایش Eg کاهش می‌یابد. در نتیجه می‌توان انتظار داشت که بازده سلول خورشیدی به ازای مقدار معینی Eg به اوج خود می‌رسد.

۲) دما : با افزایش دما کاهش می‌یابد. Isc نسبت به دما حساس نیست اما سبب وابستگی ازده به دما می‌شود. به ازای یک درجه سانتی‌گراد افزایش دما، تقریباً ۴/۰ درصد از Voc در دمای اتاق کاهش می‌یابد از این رو می‌توان فهیمد که بازده نیز به همین اندازه کاهش می‌یابد. برای مثال سلول خورشیدی سیلسیومی که در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد ۲۰ درصد بازده دارد و در دمای ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد حدود ۱۲ درصد بازده خواهد داشت. در مورد گالیوم آرسناید مقدار Voc به ازای هر درجه سانتی‌گراد ۲/۰ درصد کاهش خواهد یافت.

۳) طول عمر باز ترکیب یا حامل اقلیت :

طول عمر زیاد حاملهای اقلیت ما را در رسیدن به Isc زیاد کمک می‌کند. طول عمرهای طولانی، جریان I’ (بدون تابش نور بر سلول) را کاهش می‌دهد و مقدار Voc را افزایش می‌دهند. برای رسیدن به طول عمرهای طولانی باید از تشکیل مراکز بازترکیب در طول آماده سازی مواد و ساخت سلولها جلوگیری کرد.

با استفاده از روش مشکل خارج کردن گازهای بجا مانده و از بین بردن مراکز باز ترکیب می‌توان طول عمر را افزایش داد.

۴) سرعت ترکیب مجدد سطحی : سرعتهای پایین‌ ترکیب مجدد سطحی به افزایش جریان Isc کمک می‌کند. این سرعتها علاوه بر این با کاستن از مقدار I0 ، ولتاژ Vocرا بهبود می‌بخشد.

۵) شدت نور : با فرض اینکه شدت نور خورشید x برابر متمرکز شود، در این صورت توان ورودی بر سطح پیل و Isc هر دو x برابر می‌شود و همچنین Vocنیز افزایش می‌یابد. به این ترتیب توان خروجی بیش از x برابر افزایش می‌یابد. پس با تمرکز نور سفید، بازده افزایش می‌یابد.

۶) چگالی ناخالصی : هر چه چگالی ناخالصی بیشتر باشد، Voc نیز افزایش می‌یابد.

از سایر عواملی که بر روی عملکرد سلول تاثیر می‌گذارد می‌توان از عوامل زیر نام برد :

مطالب مشابه :

2984 مقاله ای کامل در مورد کار سلول های خورشیدی

2984 مقاله ای کامل در مورد کار سلول های خورشیدی

مقاله اي درمورد "سلول خورشيدي" ...

مقاله ای در مورد انرژي خورشيدي

کاربرد الکتریسته خورشیدی در ساختمان

جنس لایه نازک سلول خورشیدی

تحقیق درباره انرژی خورشیدی (یاهو)

سلول خورشیدی چگونه کار میکند ؟

کاربرد الکتریسته خورشیدی در ساختمان وراهنمایی رانندگی