خط مهندسی
مجله ی آنلاین مهندسی

انرژی خورشیدی چیست و پنل‌های خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟

مقدمه‌ای بر انرژی خورشیدی و نحوه کار پنل های خورشیدی (قسمت اول)

0 73

تعریف عام مردم از انرژی خورشیدی، جذب انرژی حاصل از تابش خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی (برق) است. در حالیکه کاربرد انرژی خورشیدی بسیار گسترده تر است که در نوشته‌های بعدی به آن‌ها خواهیم پرداخت.

در ادامه این نوشته با موضوعات زیر آشنا خواهید شد :

  • ماهیت انرژی خورشیدی
  • ظرفیت انرژی خورشیدی
  • نحوه کار پنل‌های خورشیدی
  • پدیده فتوولتاییک
  • اجزا تشکیل دهنده پنل خورشیدی
  • اینونتور خورشیدی
  • وضعیت ایران و جهان در بهره‌برداری از انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی چیست؟

خورشید ما در واقع یک راکتور هسته‌‌ای طبیعی است که بسته‌های کوچک انرژی که فوتون نامیده می‌شوند را به فضا منتشر می‌کند. نور خورشید ۹۳ میلیون مایل (حدود ۱۵۰ میلیون کیلومتر) را در زمان تقریبی ۸/۵ دقیقه، برای رسیدن به زمین طی می‌کند.

از نظر تئوری، انرژی خورشیدی که کره زمین در یک ساعت دریافت می‌کند، برای تامین انرژی کل کره زمین به مدت یک سال کافی است.

انرژی خورشیدی همچنین فراوان‌ترین منبع انرژی در کره زمین است.

درباره ماهیت و چیستی انرژی بیشتر بخوانید.

پنل‌های خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟

می‌توانید نور را به صورت جریانی از ذرات کوچک به نام فوتون در نظر بگیرید، که از خورشید شلیک می‌شوند. زمانی که یکی از این فوتون‌ها با انرژی کافی به سلول سیلیکونی برخورد می‌کند، می‌تواند یک الکترون را از پیوند بیرون بیاورد، و یک حفره به جا گذارد. الکترون با بار منفی و حفره با بار مثبت اکنون آزادند تا به اطراف حرکت کنند.

اما به خاطر میدان الکتریکیِ موجود در پیوندگاه P / N ، تنها به یک سو خواهند رفت. الکترون به سمت N کشیده می‌شود در حالی که حفره به سمت P کشیده می‌شود. الکترون‌هایِ در حال حرکت، توسط یک لایه نازک فلزی در بالای سلول جمع آوری می‌شوند. آنها از آنجا در یک مدار خارجی جریان می‌یابند، و کار برقی‌خود، مانند تأمین انرژی یک لامپ را انجام می‌دهند و از  ورق آلومینیوم رسانایی که  در پشت (زیر) سلول است، باز می‌گردند.

در ویدیو زیر، نحوه کار پنل‌های خورشیدی به خوبی توضیح داده شده است. توصیه می‌کنیم ویدیو زیر را از دست ندهید.
(ویدیو دارای زیرنویس فارسی است)

پدیده فتوولتاییک

هنگامی که نور در قالب فوتون، به سطح سیلیکون های نوع N برخورد کند، می تواند الکترون غیر وابسته اتم فسفر را از آن جدا کند. این رویداد در ناحیه P با ایجاد حفره اضافی همراه است. اگر ما یک مسیر جریان به وجود آوریم، بطوریکه الکترون ها مسیری برای پیوستن به حفره های لایه زیرین پیدا کنند، به این ترتیب می توانیم الکترون ها را به جریان بیندازیم.

دوازده سلول فتوولتائیک برای شارژ یک تلفن همراه کافی است

هر سلول سیلیکون نیم ولت برق تولید می‌کند، اما با سری‌کردن آنها در یک ماژول می‌توان برق بیشتری بدست آورد. دوازده سلول فتوولتائیک برای شارژ یک تلفن همراه کافی است، ولی برای تامین برق یک خانه به ماژول های بسیاری از این سلولها نیاز داریم. الکترون تنها بخش‌های متحرک در یک سلول خورشیدی هستند، و همه آنها به جایی بر می‌گردند که از آنجا می‌آیند.
هیچ چیز در این سیستم فرسوده و یا مصرف نمی‌شود، بنابراین سلول‌های خورشیدی برای دهه‌ها دوام می‌آوردند. پس چه چیز ما را از اتکای کامل به برق خورشیدی باز می‌دارد؟
پنل-خورشیدی

پنل‌های خورشیدی از چه چیزی تشکیل شده‌اند؟

پنل‌های خورشیدی متداول برای تولید الکتریسیته را به اصطلاح پنل‌های فوتوولتاییک (Photovoltaic (PV) solar panels) می‌نامند. این پنل‌ها از تعداد زیادی سلول خورشیدی تشکیل شده اند و ماده اصلی تشکیل دهنده پنل‌های خورشیدی نیز در حال حاضر سیلیکون می‌باشد.

توجه کنید که با کلمه در حال حاضر جنس پنل را بیان کردیم زیرا که این پنل‌ها موضوع داغ مطالعاتی و صنعتی در کشور‌های پیشرفته هستند و تضمینی وجود ندارد که در سال‌های آینده نیز از جنس سیلیکون باشند!

پنل‌های خورشیدی در دو لایه‌ی مثبت و منفی ساخته می‌شوند که در مجاورت یکدیگر باعث تشکیل یک میدان الکتریکی می‌شود.

پنل‌های خورشیدی چگونه برق تولید می‌کنند؟

پنل-خورشیدی-توزیع-برق

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، در صورت نصب پنل خورشیدی، امکان استفاده از برق تولیدی در مصرف خانگی و فروش برق اضافی به شبکه برق شهری وجود دارد.

پنل‌های خورشیدی فتوولتاییک، جریان مستقیم برق (DC) تولید می‌کنند. در جریان مستقیم، الکترون‌ها در یک مسیر در مدار حرکت می‌کنند. درست مانند مثال لامپی که با باتری روشن می‌شود، الکترون‌ها از قطب منفی باتری حرکت کرده و با گذر از لامپ به قطب مثبت بازمی‌گردند.

در جریان متناوب برق (AC) الکترون‌ها نوسان می‌کنند. به نوعی می‌توان گفت انگار کشیده می‌شوند و بعد از آن هل داده می‌شوند. برق تولید شده در ژنراتور‌های متداول، اعم از نیروگاه‌های حرارتی، هسته‌ای و توربین‌های بادی، از نوع جریان متناوب است. همچنین انتقال برق با جریان متناوب به صرفه تر بوده و اتلاف آن در مسیر کمتر است. در نتیجه شبکه برق بیشتر کشور‌ها از جمله ایران با جریان متناوب تامین می‌شود.

اما برق تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی از نوع جریان مستقیم (DC) است. راه حل چیست؟
استفاده از اینونتور‌های تبدیل جریان مستقیم به متناوب.

یک اینونتور خورشیدی (Solar Inventor) چه‌کار می‌کند؟

اینوتور-خورشیدی

ایونتور خورشیدی جریان مستقیم (DC) را از پنل خورشیدی گرفته و آن‌را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند. علاوه بر این اینونتور‌ها همانند مغز سیستم عمل می‌کنند و علاوه بر تبدیل جریان، وظیفه‌ی خطای اتصال به زمین (Ground Fault Protection) و پایش وضعیت سیستم که شامل ولتاژ و شدت جریان در مدار‌های AC و DC، تولید انرژی و ردیابی نقطه حداکثر توان (Maximum Power Point Tracking) را نیز بر عهده دارند.

اینونتور‌های مرکزی از ابتدا تا کنون در صنعت انرژی خورشیدی نقش بسزایی داشته اند. معرفی میکرو اینونتور‌ها یکی از مهم ترین پیشرفت‌ها در تکنولوژی انرژی خورشیدی است.

میکرو اینورتور‌ها بر خلاف اینونتور‌های مرکزی که برای کل سیستم تولید انرژی خورشیدی تنظیم می‌شدند، برای هر پنل خورشیدی به طور جداگانه نصب شده و تولید انرژی در آن را بهینه سازی می‌کنند. این امر باعث شده است که هر پنل به طور جداگانه و مستقل از شرایط کل سایت، در نقطه بهینه خود برای تولید حداکثر توان کار کند.

اینونتور-خورشیدی

هنگامی که از اینونتور‌های مرکزی استفاده می‌شد، ایجاد مشکل در یکی از پنل‌های خورشیدی (مثلاً کثیف شدن آن یا افتادن سایه روی آن) باعث کاهش کارایی کل نیروگاه خورشیدی می‌شد، اما با فناوری جدید میکرو اینونتور‌ها، فقط کارایی همان پنل کاهش یافته و بقیه پنل‌ها با کارایی بالا به کار خود ادامه می‌دهند.

وضعیت ایران و جهان در پیشرفت و بهره‌برداری از انرژی خورشیدی

طبق آمار انستیتو تحقیقات انرژی در سال ۲۰۱۶ تنها ۰/۶ از یک درصد انرژی (۰.۶٪) ایالات متحده آمریکا از انرژی خورشیدی تامین می‌شود. اما آمار‌ها نشان می‌دهند که با پیشرفت فناوری در صنعت انرژی خورشیدی، قیمت برق خورشیدی در حال ارزان‌تر شدن است. در نتیجه با ارزان‌تر شدن این فناوری، توانایی ما در بهره‌برداری از این منبع انرژی بی پایان نیز بیشتر می‌شود.

طبق گزارشی از آژانس بین المللی انرژی در سال ۲۰۱۷، انرژی خورشیدی به عنوان سریع ترین منبع انرژی در حال توسعه معرفی شد. و این موضوع نوید بخش آن است که در سال‌های آینده بهره برداری از این منبع انرژی پاک بیشتر خواهد شد.

برای آشنایی با ۱۰ منبع اصلی انرژی روی لینک کلیک کنید.

وضعیت ایران در بهره برداری از انرژی خورشیدی چگونه است؟

انرژی-خورشیدی-ایران

در ایران نیز طبق گزارشی از سازمان انرژی‌های تجدیدپذیر و بهره‌وری انرژی برق (ساتبا) به شرح زیر آمده است:

ایران کشوری است که به گفته متخصصان این فن با وجود ۳۰۰ روز آفتابی در بیش از دو سوم آن و متوسط تابش ۴/۵ – ۵/۵ کیلووات ساعت بر متر مربع در روز یکی از کشورهای با پتانسیل بالا در زمینه انرژی خورشیدی معرفی شده است. برخی از کارشناسان انرژی خورشیدی گام را فراتر نهاده و در حالتی آرمانی ادعا می‌کنند که ایران در صورت تجهیز مساحت بیابانی خود به سامانه‌های دریافت انرژی تابشی می‌تواند انرژی مورد نیاز بخش‌های گسترده‌ای از منطقه را نیز تأمین و در زمینه‌ صدور انرژی برق فعال شود.

با مطالعات انجام شده توسط DLR آلمان، در مساحتی بیش از ۲۰۰۰ کیلومترمربع، امکان نصب بیش از ۶۰۰۰۰ مگاوات نیروگاه حرارتی خورشیدی وجود دارد.

اگر مساحتی معادل ۱۰۰×۱۰۰ کیلومترمربع زمین را به ساخت نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک اختصاص دهیم، برق تولیدی آن معادل کل تولید برق کشور در سال ۱۳۸۹ خواهد بود.

برای مطالعه گزارش انرژی های تجدیدپذیر در ایران روی لینک کلیک کنید.

سیاست‌های انقلابی عربستان در استفاده از انرژی خورشیدی

خبرهای گسترش برق خورشدی در کشور عربستان نیز در هفته‌های اخیر به شدت جنجالی شده است. عربستان به عنوان کشوری که به صادرات نفت و وابستگی به سوخت‌های فسیلی در جهان مشهور بوده است، اکنون در برنامه جدید توسعه خود قصد احداث بزرگ ترین نیروگاه خورشدی جهان را دارد.

جالب اینجاست که هدف عربستان از این پروژه کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، سرمایه‌گذاری بلند مدت و همچنین ایجاد هفت هزار شغل بیان شده است.

طبق گزارش Russia Today و به نقل از خبرگزاری تابناک :

مدیر دفتر توسعه پروژه های تجدید پذیر عربستان سعودی، ترکی الشهری، در مصاحبه ای با بلومبرگ خاطر نشان کرد که “ما به دنبال ایجاد ارزش می باشیم. قصد ما صرفا آوردن شرکت هایی که امکانات تولیدی را در سطوح کیفی بالا ارائه می دهند و باعث کاهش هزینه های مصرف کنندگان می شود نیست، بلکه ما تصمیم داریم محصولی را تولید کنیم که بتواند با بازار های خارجی رقابت کند و صادر شود.”

به عنوان بخشی از چشم انداز ۲۰۳۰ عربستان قصد دارد با تنوع بخشیدن به بخش های اقتصادی کشورش از سوخت های فسیلی فاصله بگیرد و به سمت ترغیب صنعت داخلی در جهت ساخت محصولات صادراتی گام بردارد.
این برنامه همچنین شامل ایجاد بانک ، صنعت گردشگری و تولید می باشد که قرار است هزینه های این پروژه ها از درآمد حاصل از تولید انرژی تامین شود.
با این اوصاف که حتی عربستان سعودی به عنوان بزرگترین صادرکننده نفت نیز به انرژی‌های تجدیدپذیر روی آورده است، باید دید که تصمیم دولت مردان ایران چه خواهد بود.

تیم خط مهندسی، اطلاع رسانی و ارتقا دانش در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر را برای کمک به توسعه اقتصاد ایران و همچنین حفظ محیط زیست، از رسالت‌ها معنوی خود می‌داند. پس اگر به انرژی‌های نو علاقمند هستید، برای اطلاع از مقالات جدید در خبرنامه ایمیلی خط مهندسی عضو شوید.