چگونگی کار سلول های خورشیدی
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) می باشد، 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 می یابد .
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. ساده ترین 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 می شود.
شبکه های الکتریکی بایستی به جریان متناوب (AC)برای استفاده تبدیل کننده ها 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 می توانند اقتصاد واعتبار سیستم توزیع را بهبود بخشد.
سیستمهای فتوولتاییک
به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیزم های محرک، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. سیستم های فتوولتائیک یکی از پر مصرف ترین کاربرد انرژی های نو می باشند و تاکنون سیستم های گوناگونی با ظرفیت های مختلف (۵/۰ وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم ها هر روزه بر تعداد متقاضیان آنها افزوده می شود. از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی می توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلولهای سری و موازی شده پنل (Panel) فتوولتائیک می گویند. امروزه اینگونه سلولها عموماً از ماده سیلیسیم تهیه می شود و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می شود که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت می گردد. بنابراین از نظر تأمین ماده اولیه این سلولها هیچگونه کمبودی در ایران وجود ندارد. سیستمهای شکست در تجزیه (خطای lexing): فتوولتائیک را می توان بطور کلی به سه بخش اصلی تقسیم نمود که بطور خلاصه به توضیح آنها می پردازیم.
۱- پنلهای خورشیدی:
این بخش در واقع مبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی بدون واسطه مکانیکی می باشد. لازم به ذکر است، جریان ولتاژ خروجی از این پنلهاDC (مستقیم) می باشد.
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 می کند 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 می کند.
۳- مصرف کننده یا بار الکتریکی:
با توجه به خروجی DC پنلهای فتوولتائیک، مصرف کننده می تواند دو نوع DC یا AC باشد، همچنین با آرایشهای مختلف پنلهای فتوولتائیک می توان 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 آینده ای نه چندان دور سلولهای خورشیدی به انرژی برق به عنوان 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 ماهواره ها جهت ارسال پیام
• روشنایی خورشیدی :
در حال حاضر روشنایی خورشیدی بالاترین میزان کاربرد سیستم های فتوولتائیک را در سراسر جهان دارد و سالانه دهها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می گردد، مانند برق جاده ها 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 جزیره های 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 می توان 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، چشمه ها، رودخانه ها و ….. را جهت مصارف متنوعی دارا می باشد.
• 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 شده اند.
• ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و وسایل بازی کودکانه یا هر نوع وسیله ای که تاکنون با باطری خشک کار می کرده است یکی دیگر از کاربردهای این سیستم می باشد. مثلاً ژاپن در سال ۱۹۸۳ حدود ۳۰ میلیون ماشین حساب خورشیدی تولید کرده است که سلولهای خورشیدی بکار گرفته در آنها مساحتی حدود ۰۰۰/۲۰ متر مربع و توان الکتریکی معادل ۵۰۰ کیلووات داشته اند.
• نیروگاههای فتوولتائیک:
هم زمان با استفاده از سیستم های فتوولتائیک در بخش انرژی الکتریکی مورد نیاز ساختمانها اطلاعات و تجربیات کافی جهت احداث واحدهای بزرگ تر 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 شده است ولی این تأسیسات دارای هزینه ساخت، راه اندازی و نگهداری بالایی می باشند که فعلاً مقرون به صرفه و اقتصادی نیست.
• یخچالهای خورشیدی:
از یخچالهای خورشیدی جهت سرویس دهی و ارائه خدمات بهداشتی و تغذیه ای در مناطق دور افتاده و صعب العبور استفاده می گردد. عملکرد مناسب یخچالهای خورشیدی تا حدی بوده است که در طی ۵ سال گذشته بیش از ۱۰۰۰۰ یخچال خورشیدی برای کاربردهای بهداشتی و درمانی در سراسر آفریقا راه اندازی شده است.
• سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل:
قابلیت حمل و نقل و سهولت در نصب و راه اندازی از جمله مزایای این سیستم ها می باشد بازده توان این سیستم ها از ۱۰۰ وات الی یک کیلو وات تعریف شده است. از جمله کاربردهای آن می توان به تأمین برق اضطراری در مواقع بروز حوادث غیر مترقبه، سیستم تغذیه کننده یک چادر عشایری و کمپ های جنگلی اشاره نمود.
تعریف سلول های خورشیدی :
سلول های خورشیدی (solar cells) از نیمه هادیها ساخته شده و با اتصال سیلیکون های نوع N و P شکل می گیرند. وقتی نور خورشید به یک سلول خورشیدی می تابد، به الکترون ها در آن انرژی بیشتری می بخشد. با تابش نور خورشید الکتورنها در نیمه هادی پلاریز شده، الکترونهای منفی در سیلیکون نوع N و یونهای مثبت در سیلیکون نوع P بوجود می آیند. بدین ترتیب بین دو الکترود، اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آنها می گردد.
در زیر ۴ شکل برای درک بهتر این مطلب گنجانده شده اند که همگی بیانگر صعود الکترون ها به سطح نیمه هادی از نوع N و ایجاد حفره هایی در نیمه هادی نوع P و در نتیجه ایجاد اختلاف پتانسیل می باشند.
سلول خورشیدی قاعده بلوک ساختمان یک سیستم pv است. سلول های انفرادی می توانند در اندازه هایی از حدود ۱ سانتی متر تا ۱۰ سانتی متر متغیر باشند. با این وجود تنها توان ۱ یا ۲ وات تولید می کنند که انرژی کافی برای بیشتر کاربردها نیست. برای اینکه بازده انرژی را افزایش دهیم، سلولها بطور الکتریکی در یک مدول به یکدیگر مرتبط می شوند. مدولها می توانند بیشتر برای شکل گیری یک آرایش مرتبط شوند. اصطلاح آرایش به کل صفحه انرژی اشاده می کند، 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 بی خطر برای تولید انرژی برق می باشد. این تکنولوژی مزایای بسیاری نسبت به روش فعلی تولید برق دارد که در زیر به آنها می پردازیم :
۱- انرژی خورشید مهم ترین منبع قابل تجدید انرژی بر روی کره زمین است نگرانی هایی که مورد سوخت های فسیلی و هسته ای وجود دارد، در مورد این منبع انرژی بی معنا است. این انرژی مانع سوخت های فسیلی تمام نمی شود و یا مانند سوخت های هسته ای دارای ضایعات اتمی نمی باشد.
۲- سیستم های خورشیدی معمولاً دارای ضریب ایمنی بسیار بالا می باشند.
۳- توان فتوولتائیک می تواند 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 سوخت های فسیلی مانند دی اکسید کربن، منواکسید کربن و همچنین آلودگی های مهم ناشی از سوخت های هسته ای و غیره را نیز ندارند. به طور کلی سلولهای فتوولتائیک هیچ گونه آلودگی محیط زیستی را دربر ندارند و به عنوان تمیزترین و سالم ترین نوع انرژی شناخته شده اند. 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 می یابد.
۵- تکنولوژی فتوولتائیک به دلیل خاصیت مدولی بودن قابل ساخت در اندازه های مختلف قابل گسترش تا اندازه های بسیار بزرگ می باشد. فتوولتائیک تنها منبع انرژی است که می تواند 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 می کند که جریان به صورت DC می باشد. یک مدول فتوولتائیک می تواند Wp50 را تولید کند. بزرگترین شبکه فتوولتائیک جهان با مدولهای متعدد در نیروگاهی در ایتالیا واقع است که توانی حدود MWp ۳/۳ تولید می کند (منظور از Wp توان تولید شده بر حسب وات در پسک خورشید می باشد).
۶- حجم ماده به کار رفته در این سلولها کم بوده و ساخت آنها نسبتاً آسان است.
۷- سلول ها و مدول های فتوولتائیک دارای هیچ قسمت متحرکی نیستند پس هیچگونه اتلافی در اثر اصطکاک در آن وجود ندارد.
۸- هیچ گونه ضایعاتی را به وجود نمی آورند و ماده مورد استفاده در آنها بی خطر و غیر سمی می باشد و در ضمن هیچ تشعشعی از خود صادر نمی کنند.
۹- بسیار آرام و ساکت کار می کنند و در حین کار هیچ صدایی تولید نمی کنند پس آلودگی صوتی که در اکثر مکانیزم های مکانیکی و الکتریکی وجود دارد، در این سیستم ها وجود ندارد.
۱۰- مانند سایر دستگاه ها که در دمای نسبتاً بالا کار می کنند 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 سلول ها عمر زیادی دارند. اکثر سلول های خورشیدی تجاری به مدت ۲۵ سال گارانتی دارند. اغلب وسایل اضافی مانند باتری هایی که برای ذخیره انرژی به کار می روند عمر کوتاه تری دارند و ممکن است نیاز به تعویض یا سرویس داشته باشند.
۱۳- این سلول ها نمای خارجی نامناسبی ندارند و حتی اگر با اندکی دقت طراحی شوند می توانند از نظر معماری به زیبایی نمای ساختمان هم کمک کنند.
معایب سلول های خورشیدی
به طور کلی سه اشکال در این سلول ها وجود دارد :
۱- تفاوت و تغییر نور خورشید در فصول مختلف سال. انرژی خورشیدی در طول شب بی معنا است و متأسفانه تجهیزات ارزان قیمت و روش های کارآمدی برای ذخیره انرژی الکتریکی وجود ندارد، که این یکی از عواملی است که باعث توقف در رشد و گسترش این سیستم ها می شود. برای کاربردهای جداگانه و معمولاً چندان بزرگ باتری های قابل شارژ تنها وسیله عملی برای ذخیره انرژی برق می باشند. در این رابطه باید پیشرفت هایی 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 می شود، چگالی پایین توان است. توانی که توسط سطح زمین جذب می شود به طور متوسط بین شب و روز تابستان و زمستان در یک منطقه معتدل تا در خط استوا تغییر می کند. بنابراین همه تکنولوژی های خورشیدی احتایج به تبدیل کننده های خورشیدی و یا متمرکز کننده های 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 می کند. بنابراین برای تامین برق مصرفی این کشور که حدوداً است به منطقه ای با مساحت ۲۵۰۰Km2 نیاز داریم تا با مدول های فتوولتائیک با راندمان حدود ۱۵ درصد پوشانده شود. یکی از روش های مناسب این است که مدول ها بر روی سقف خانه ها نصب شوند. هنگام نصب باید توجه شود که مدول در سایه نباشد.
۲- قیمت بالای سلول های فتوولتائیک، مشکل عمده این سیستم ها است. سازندگان این سلول ها از یک عملکرد پیچیده استفاده می کنند که رشد دقیق کریستال و درجه خلوص بالا و فرآیندهای متعددی مورد نیاز می باشد. تمام این فرآیندها باعث می شوند قیمت سلول ها بالا رود. البته با رشد بازار و تولید بیشتر این سلول ها، قیمت آنها نسبت به ۲۰ سال گذشته ۵ الی ۶ برابر و نسبت به اولین سلول های به کار رفته در فضا ۱۵ الی ۲۰ برابر کاهش یافته است.
۳- سومین مشکلی که سیستم های 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 می توانند 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 می باشد ولی هنوز برای برخی ناآشنا و از نظر آنها حتی امتحان نشده است.
مزیت سلولهای خورشیدی :
(سلول های خورشیدی کارآمدتر با استفاده از نانوسیم ها)
میلیون ها نانوسیم تقریباً نامرئی، ممکن است راه حلی برای ساخت سلول های خورشیدی که یک منبع انرژی جایگزین قابل دسترسی هستند، باشد. نوع خاصی از فناوری نانوسیم که در دانشگاه «مک مستر» توسعه یافته است، در مقایسه با سلول های خورشیدی موجود، نور بیشتری را جذب می کند و با کارآیی بالاتری آن را به الکتریسیته تبدیل می کند.
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 سلول های خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی پاکیزه، قیمت آن است. کار ما تا این مرحله در ساخت نانوسیم ها پتانسیل بیشتری را برای کارآیی انرژی با مواد ارزان قیمت نشان داده است.”
نانوسیم ها نسبت به فیلم های نازک و سیلیکون بلوری که هم اکنون در تولید سلول های خورشیدی استفاده می شوند، مزایای بیشتری دارند که شامل استفاده از مقدار کم مواد، بستر های ارزان قیمت، مواد عاری از نقص با کارآیی تبدیل بالا و جذب و به دام اندازی قوی نور هستند.
تونی ورلی، رئیس مرکز انرژی های پاک و سازنده توربین بادیV3.5با محور عمودی، گفت:”ما منتظر استفاده از سلول های خورشیدی در خط تولید محصولات انرژی جایگزین شده ایم. تحقیقات دکتر لاپیری بر روی سلول های خورشیدی برای طیف وسیعی از افراد که دنبال منابع انرژی ماندگارتر به منظور برآورده کردن 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 انرژی های پاک تامین می کند. دانشگاه مک مستر نیز مسئولیت تأمین محققان و وسایل را بر عهده گرفته است. این دانشگاه از بودجه به دست آمده در جهت تدارک دوره های فوق دکتری و نیز تعریف پروژه های فوق لیسانس و دکتری، همچنین خرید مواد و تجهیزات استفاده خواهد کرد.
دون ویلفورد، مدیر مرکز خلاقیت فوتونیک، گفت :« حمایت کردن از شرکت ها و مراکز تحقیقاتی هم فکر مانند ” مرکز انرژی پاک“ و ”دانشگاه مک مستر“، باعث خواهد شد تا اُنتاریو تبدیل به رهبر انرژی جایگزین گردد. این قدم های اولیه مطمئناً باعث مناسب شدن قیمت انرژی خورشیدی خواهد شد.»
ابداع تکنیکی جدید برای تولید سلول های 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 می شود 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 می تواند 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 حرارت های 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 کارخانه ها 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 سلول های 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 راندمان های 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 می کنند.
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 می توان از منحنی
I-V صفحات قبلی بدست آورد. این نسبت را عامل پرکنندگی می نامند و برای یک سلول خورشیدی خوش ساخت ۷/۰ تا ۸/۰ است.
البته ولتاژ در نقطه توان بیشینه (Vmp) با گرفتن بدست می آید که در آن P عبارت است از :
پس می توان Pout را بصورت زیر نوشت :
: داریم
برای بدست آوردن بازده تبدیل زیاد ضروری است که Isc زیاد یا بازده جمع آوری زیاد و Uoc زیاد و عامل پرکنندگی زیاد باشد.
عواملی که بر بازده سلول تاثیر می گذارند عبارتند از :
۱) انرژی شکاف بین باند Eg : با افزایش مقدار Eg بر مقدار Voc نیز افزوده می شود. اما می دانیم که حداکثر مقدار Isc ممکن با افزایش Eg کاهش می یابد. در نتیجه می توان انتظار داشت که بازده سلول خورشیدی به ازای مقدار معینی Eg به اوج خود می رسد.
۲) دما : با افزایش دما کاهش می یابد. Isc نسبت به دما حساس نیست اما سبب وابستگی ازده به دما می شود. به ازای یک درجه سانتی گراد افزایش دما، تقریباً ۴/۰ درصد از Voc در دمای اتاق کاهش می یابد از این رو می توان فهیمد که بازده نیز به همین اندازه کاهش می یابد. برای مثال سلول خورشیدی سیلسیومی که در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد ۲۰ درصد بازده دارد و در دمای ۱۲۰ درجه سانتی گراد حدود ۱۲ درصد بازده خواهد داشت. در مورد گالیوم آرسناید مقدار Voc به ازای هر درجه سانتی گراد 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 می کند. طول عمرهای طولانی، جریان I’ (بدون تابش نور بر سلول) را کاهش می دهد و مقدار Voc را افزایش می دهند. 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 می توان طول عمر را افزایش داد.
۴) سرعت ترکیب مجدد سطحی : سرعتهای پایین ترکیب مجدد سطحی به افزایش جریان Isc کمک می کند. این سرعتها علاوه بر این با کاستن از مقدار I0 ، ولتاژ Vocرا بهبود می بخشد.
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 می شود و همچنین Vocنیز افزایش می یابد. به این ترتیب توان
مطالب مشابه :
سلول خورشیدی
programming lar - سلول خورشیدی - برنامه نویسی 1- مسئله انرژي. دسترسي اقتصادي و پايا بودن منابع
220 - سلول خورشیدی/باطری" باتری " خورشیدی چیست و چگونه کار می کند؟ (کلیک کنید)
ساخت ، روش ، اندیشه - 220 - سلول خورشیدی/باطری" باتری " خورشیدی چیست و چگونه کار می کند؟ (کلیک
انواع(1)Solar Cell
سلول های خورشیدی - انواع(1 قیمت این نوع سلولها در چند سال اخیر رشد چشمگیری داشته واین
سلول هاي خورشيدي
سلول خورشیدی حساس به رنگ (dssc) از دسته سلول های لایه نازک به شمار می آید و تنها مدلی از
انرژی خورشیدی
اولین سلول خورشیدی کاربردی تولید ارزان قیمت مبدل های خورشیدی توسط دانشمندان مختلف در
چگونگی کار سلول های خورشیدی
سلول خورشیدی یک ابزار غیر البته با رشد بازار و تولید بیشتر این سلول ها، قیمت آنها نسبت به
جزئیات نصب و راه اندازی سلول های خورشیدی برای استفاده خانگی
تفريح ، سرگرمي ، علمي ، نرم افزار ، خنده - جزئیات نصب و راه اندازی سلول های خورشیدی برای
ساخت سلول های خورشیدی با طرح ها ورنگ های مختلف در پنجره ساختمان ها
نوین انرژی - ساخت سلول های خورشیدی با طرح ها ورنگ های مختلف در پنجره ساختمان ها - استفاده از
برچسب :
قیمت سلول خورشیدی