مبانی برق خورشیدی

انرژی خورشیدی که تحت عنوان برق خورشیدی نیز شناخته می شود، تبدیل انرژی از نور خورشید به الکتریسیته است که به طور مستقیم با استفاده از فتوولتائیک (PV) یا به طور غیرمستقیم با استفاده از متمرکزکننده انرژی خورشیدی انجام می شود. پنل های خورشیدی از اثر فتوولتائیک برای تبدیل نور به جریان الکتریکی استفاده می کنند. سیستم‌های انرژی خورشیدی متمرکز از عدسی‌ها یا آینه‌ها و سیستم‌های ردیابی خورشیدی استفاده می‌کنند تا ناحیه بزرگی از نور خورشید را، اغلب برای به حرکت درآوردن یک توربین بخار، به یک نقطه داغ متمرکز کنند. در سال 2023، برق خورشیدی 6 درصد از برق جهان را تولید کرده که در مقایسه با میزان 1 درصد سال 2015 افزایش قابل توجهی داشته است.

پنل های خورشیدی قلب تپنده سیستم های برق خورشیدی هستند و در وهله اول و پیش از سایر اجزای یک نیروگاه خورشیدی، نگاه هر بیننده ای را به عنوان نماد این صنعت به خود جلب می‌کنند. این موضوع به این دلیل است که تقریباً نیمی از انرژی خورشیدی تولید شده در سال 2022 به واسطه نصب پنل های خورشیدی بر روی پشت بام ها بوده است. این پنل ها انواع مختلفی دارند که نسل اول آنها سیلیکون کریستالی نام دارد و بسیار متدوال و شناخته شده است. تا سال 2022 بیش از 90 درصد از بازار پنل های خورشیدی از جنس سیلیکون کریستالی بوده است.

سلول خورشیدی ثین فیلم سلول خورشیدی نسل دوم هستند که با قرار دادن یک یا چند لایه نازک (TF) از مواد فتوولتائیک بر روی یک بستر مانند شیشه، پلاستیک یا فلز ساخته می‌شود. سلول های خورشیدی لایه نازک به صورت تجاری در چندین فناوری از جمله تلورید کادمیوم (CdTe)، گالیوم دیزلنید ایندیم مس (CIGS) و سیلیکون لایه نازک آمورف a-Si TF-Si استفاده می شود.

اما سلول خورشیدی پروسکایت (PSC) نوع دیگری از سلولهای خورشیدی است که شامل ترکیبی با ساختار پروسکایت است، که معمولاً یک ماده ترکیبی آلی- معدنی سربی مبتنی بر مواد هالید قلع به عنوان لایه فعال جذب کننده نور است. این مواد ارزان هستند و تولید آنها ساده است. راندمان سلول های خورشیدی پروسکایت در مقیاس آزمایشگاهی و در معماری های تک اتصالی از 3.8 درصد در سال 2009  به 25.7 درصد در سال 2021، و در سلول های پشت سر هم مبتنی بر سیلیکون، به 29.8 درصد افزایش یافته است. سلول‌های خورشیدی پروسکایت تا سال 2016 سریع‌ترین پیشرفت فناوری خورشیدی را داشته‌اند. با پتانسیل دستیابی به راندمان بالاتر و هزینه های تولید بسیار پایین، سلول های خورشیدی پروسکایت از نظر تجاری جذاب شده اند. مشکل اصلی و موضوع مورد تحقیق درباره آنها بیشتر پیرامون ثبات کوتاه مدت و بلندمدتشان است.

تاریخچه برق خورشیدی

فتوولتائیک فرآیند تبدیل مستقیم نور خورشید به برق با استفاده از سلول های خورشیدی است و امروزه به عنوان یک جایگزین تجدیدپذیر سوختهای فسیلی، به سرعت در حال رشد فزاینده ای است، اما در مقایسه با سایر فناوری های تولید برق، با ورود اولین دستگاه های فتوولتائیک عملی در دهه 1950، فناوری نسبتاً تازه واردی محسوب می‌شود. تحقیقات منجر به توسعه فتوولتائیک اولین گامهای خود را از سمت صنعت فضایی در دهه 1960 دریافت کرد که به منبع تغذیه جدا از برق “شبکه” برای کاربردهای ماهواره ای نیاز داشت. این سلول‌های خورشیدی فضایی چندین هزار برابر گران‌تر از امروز بودند، اما سلول‌های خورشیدی به یک جهش علمی جالب برای توسعه سریع ترانزیستورهای سیلیکونی تبدیل شدند. بحران نفت در دهه 1970 توجه جهانیان را بر منابع انرژی جایگزین معطوف نمود، و تحقیقات فتوولتائیک را به عنوان وسیله ای برای تولید برق ترویج داد. اگرچه بحران نفت کوتاه مدت بود و انگیزه مالی برای توسعه سلول های خورشیدی کاهش یافت، سلول های خورشیدی به عنوان یک فناوری تولید برق وارد عرصه شدند. کاربرد و مزیت آنها به ویژه در مناطق دور از شبکه برق به سرعت باعث توسعه صنعت برق خورشیدی شد. ابزارهای کاربردی قابل حمل در ابعاد کوچک (مانند ماشین حساب و ساعت) مورد استفاده قرار گرفتند و پروژه های تولید برق در مناطق دور شروع به بهره مندی از فتوولتائیک کردند

در دهه 1980 تحقیقات روی سلول های خورشیدی سیلیکونی نتیجه داد و منجر به به افزایش کارایی سلول های خورشیدی شد. در سال 1985 سلول های خورشیدی سیلیکونی به نقطه عطف بازده 20 درصد دست یافتند. طی دهه بعد، صنعت فتوولتائیک نرخ رشد ثابتی بین 15 تا 20 درصد را تجربه کرد که عمدتاً توسط بازار منابع تغذیه نقاط دور دست ارتقاء یافت. سال 1997 رشد 38 درصدی داشت و این رشد طی دهه‌ها ادامه داشته است و امروزه سلول‌های خورشیدی نه تنها به عنوان امکانی برای تامین برق و افزایش کیفیت زندگی برای کسانی که به شبکه برق دسترسی ندارند شناخته می‌شود، بلکه وسیله‌ای برای تامین انرژی شبکه برق سراسری نیز می‌باشد و بخش‌ قابل‌توجهی از آن را می‌تواند فراهم کند.

گسترش بازار برق خورشیدی به این معنی است که با بیش از 100 گیگاوات تولیدی در سال به یک تجارت بزرگ تبدیل شده اند. سیستم‌های فتوولتائیک در حال حاضر اغلب با باتری‌ به کار می‌روند تا سیستم بتواند حتی پس از غروب خورشید به تامین برق ادامه دهد. هدف این مطلب آموزشی ارائه یک نمای کلی از فتوولتائیک به افراد غیر متخصص است و امید است با استفاده از آن اصول سیستم برق خورشیدی و عملکرد آن را درک و کاربردهای مناسب آن را شناسایی کنید. نهایتا امیدواریم بتوانیم استفاده از فتوولتائیک را در کاربردهای درخور آن افزایش دهیم.

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی به هر شکلی منبع تقریباً تمام انرژی روی زمین است. انسان ها مانند همه جانوران و گیاهان دیگر برای گرما و غذا به خورشید متکی هستند. با این حال، مردم انرژی خورشید را به طرق مختلف دیگری هم مهار می کنند. به عنوان مثال، سوخت های فسیلی، مواد گیاهی مربوط به اعصار زمین شناسی گذشته، برای حمل و نقل و تولید برق استفاده می شود و اساساً انرژی خورشیدی ذخیره شده میلیون ها سال پیش هستند. به طور مشابه، زیست توده ای که انرژی خورشید را به سوخت تبدیل می کند، می تواند برای گرما، حمل و نقل یا برق استفاده شود. انرژی باد که سالهاست برای تامین انرژی مکانیکی یا حمل و نقل استفاده می شود، از جریان های هوایی بهره می برد که هوای گرم شده توسط خورشیدی و چرخش زمین ایجاد می شود. امروزه توربین های بادی نیروی باد را به برق و همچنین مصارف سنتی آن تبدیل می کنند. حتی برق آبی نیز از خورشید گرفته می شود. انرژی آبی به تبخیر آب توسط خورشید و بازگشت آن به زمین به صورت باران برای تامین آب در سدها بستگی دارد. فتوولتائیک (اغلب به اختصار PV) یک روش ساده و زیبا برای مهار انرژی خورشید است. دستگاه‌های PV (سلول‌های خورشیدی) از این نظر منحصربه‌فرد هستند که مستقیماً تشعشعات خورشیدی تابیده شده را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند، بدون سر و صدا، آلودگی یا قطعات متحرک. سلول های خورشیدی بر اساس همان اصول و مواد سازنده انقلاب عصر ارتباطات و کامپیوتر هستند و این مطلب آموزشی سعی خواهد کرد کارکرد و کاربرد سیستم های فتوولتائیک را انعکاس دهد.

خورشید

خورشید یک کره داغ گازی است که دمای داخلی آن به بیش از 20 میلیون کلوین می رسد که دلیل آن واکنش های همجوشی هسته ای در هسته خورشید و تبدیل هیدروژن به هلیوم است. تابش هسته داخلی قابل مشاهده نیست زیرا شدیدا توسط لایه اتم های هیدروژن در سطح خورشید جذب می شود.

کل نیروی ساطع شده از خورشید از یک طول موج تشکیل نمی شود، بلکه از طول موج های زیادی تشکیل شده و به چشم انسان سفید یا زرد به نظر می رسد. این طول موج های مختلف را می توان با عبور نور از یک منشور یا قطرات آب به مانند رنگین کمان مشاهده کرد. طول موج‌های مختلف به صورت رنگ‌های متفاوت نشان داده می‌شوند، اما همه طول‌موج‌ها را نمی‌توان دید، زیرا برخی از آن‌ها برای چشم انسان “نامرئی” هستند.

نور خورشید

نوری که ما هر روز می بینیم تنها کسری از کل انرژی ساطع شده از تابش خورشید به زمین است. نور خورشید شکلی از “تابش الکترومغناطیسی” است و نور مرئی که ما می بینیم زیرمجموعه کوچکی از طیف الکترومغناطیسی می‌باشد.

چندین ویژگی کلیدی در انرژی نور تابشی خورشیدی وجود دارد که در تعیین نحوه تعامل نور خورشید با پنل خورشیدی بسیار مهم است. این ویژگی های مهم عبارتند از:

    محتوای طیفی نور تابشی؛

    چگالی توان تابشی از خورشید؛

    زاویه ای که تابش خورشیدی به ماژول فتوولتائیک برخورد می کند. و

    انرژی تابشی خورشید در طول یک سال یا روز بر یک سطح خاص.

تابش خورشید

در حالی که تابش خورشیدی در جو زمین نسبتاً ثابت است، تابش در سطح زمین به طور گسترده ای به دلایل زیر متفاوت است:

    اثرات جوی، از جمله جذب و پراکندگی؛

    تغییرات محلی در جو، مانند بخار آب، ابرها و آلودگی؛

    عرض جغرافیایی مکان؛ و

    فصل سال و زمان روز.

عوامل فوق تأثیر‌گذاری زیادی بر تابش خورشیدی دریافتی در سطح زمین دارند. این تاثیرات شامل تغییرات در توان کلی دریافتی، محتوای طیفی نور و زاویه ای است که نور در آن روی یک سطح تابش می کند. علاوه بر این، یک تاثیر کلیدی تغییرپذیری تابش خورشید در یک مکان خاص است که به طور چشمگیری افزایش می یابد. تغییرپذیری به دلیل اثرات محلی مانند ابرها و تغییرات فصلی و نیز به دلیل اثرات دیگر مانند طول روز در عرض جغرافیایی خاص می‌تواند باشد. مناطق بیابانی به دلیل پدیده های جوی محلی مانند ابرها، تغییرات کمتری دارند. مناطق استوایی هم بین فصول تغییرپذیری کمی دارند.

لازم به ذکر است مقدار انرژی که در هر ساعت به سطح زمین می رسد بیشتر از انرژی مصرف شده توسط جمعیت زمین در طول یک سال است.