فناوری سامانه‌های فوتوولتاییک
عنصر اصلی فناوری خورشیدی، سلول خورشیدی است. سلول‌های خورشیدی (PV) که عموم آن را با نام سلول‌های خورشیدی می‌شناسند، از مواد نیمه رسانای حالت جامد تشکیل شده‌اند. سیلیکون، عمومی‌ترین ماده نیمه رسانا است که به واسطه فراوانی آن در سلول‌های PV مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر چه سیلیکون عنصر فراوانی است و درصد زیادی از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد، ولی سلول‌های سیلیکونی به خاطر فرایند ساخت و خالص سازی سیلیکون، قیمت بالایی دارند.
سلول خورشیدی نور خورشید را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. اصل مقدماتی در این تکنولوژی پدیده ” فتوالکتریک “ است که اولین بار توسط انیشتین مطرح گردید.”فتو” به معنای نور و “ولتائیک” به معنای الکتریسیته می باشد.
سلول‌های خورشیدی همانند ترانزیستور معمولاً از لایه‌های نازک یک ماده نیمه هادی مانند سیلیکون با مقادیر کمی افزودنی‌های خاص به منظور ایجاد مازادی از الکترون در یک لایه و کمبودی از الکترون در لایه دیگر ساخته می‌شوند. فوتون‌های نور در یک لایه الکترو نهای آزاد را بوجود می‌آورند و یک رشته هادی، الکترونها را قادر می‌سازد که در یک مدار خارجی جریان یافته و به لایه‌هایی که فاقد الکترون است دسترسی پیدا کنند.
انواع سامانه‌های فوتوولتاییک
سیستمهای خورشیدی جهت مصارف عمومی و کشاورزی، بصورت نیروگاههای مستقل از شبکه سراسری یا سیستمهای متصل به شبکه سراسری با ساختار نصب ثابت و یا متحرک در واحدهای کوچک باتوان پائین جهت تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز ماشین حساب‌های کوچک تا سیستمهای بزرگ نیروگاهی، به کار می رود. دو نوع اصلی از سامانه‌های خورشیدی (PV)برای استفاده در ساختمان‌ها وجود دارد:
- منفرد
- متصل به شبکه
منفرد
در بسیاری موارد مانند روستاهای دورافتاده یا مناطق دور از شبکه سراسری برق، اتصال به شبکه ممکن نبوده یا نیازمند صرف هزینه‌های سنگین جهت انتقال و بهره‌برداری از برق می‌باشد، این هزینه‌ها می‌تواند شامل نصب تیر برق، خرید امتیاز و نصب کنتور برق یا از این دست موارد باشد. در چنین مواقعی بهتر است از سیستمهای منفصل از شبکه یا منفرد استفاده شود.
سیستمهای منفرد از اجزای اصلی زیر تشکیل می‌شوند:
- صفحات خورشیدی
- دستگاه کنترل کننده شارژ
- باتری
- مبدل برق DC به AC (اینورتر)
در سامانه‌های منفرد از شبکه تعداد پنل‌های نصب شده باید بر اساس مصرف مورد نظر انتخاب شده و برق تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی، برای مصرف در کل شبانه روز در باتری‌ها ذخیره می‌شوند. در این سیستم‌ها برای تأمین برق به هنگام شب یا در روزهای ابری و نیز هنگام نیاز به حداکثر مقدار برق نیاز به چند انباره (باتری) می‌باشد. اندازه آرایه های PV طوری تنظیم می‌شود که هم بارهای معمول روز هنگام و هم شارژ باتری‌ها را مهار کنند.
سیستمهای منفرد دیگر نیازی به اتصال به شبکه برق نداشته و هیچ هزینه‌ای بابت خرید امتیاز و انتقال خطوط برق پرداخت نخواهد شد ولی به علت استفاده از باتری، هزینه‌های تجهیزات اولیه سامانه‌های منفرد اندکی بیشتر از سامانه‌های متصل به شبکه خواهد بود.
متصل به شبکه
برخلاف حالت منفرد، سامانه‌های خورشیدی متصل به شبکه از شبکه سراسری برق نیز استفاده می‌نمایند.
در یک سامانه متصل به شبکه، برای تغییر جریان مستقیم از آرایه PV به جریان متناوب (AC) با ولتاژ مناسب شبکه نیاز به یک مبدل می‌باشد. باید توجه داشت که در این حالت نیازی به انباره یا باتری وجود ندارد و بدین ترتیب صرفه جویی قابل توجهی هم در هزینه و هم در نگهداری سامانه، ایجاد خواهد شد.
اجزای سامانه‌های فوتوولتاییک
اجزای اصلی یک سامانه پرتوتوان عبارتند از:
- صفحات خورشیدی
- باتری‌های ذخیره
- مبدل برق مستقیم به متناوب
- سازه فلزی یا ساختمانی
پنل‌های خورشیدی
کلیدی‌ترین قسمت هر سامانه خورشیدی، پنل‌های خورشیدی هستند. پنل‌های خورشیدی عبارتند از تعدادی ماژول که به هم متصل شده‌اند و از اجتماع پنل‌ها آرایه‌ها به وجود می‌آیند. آرایه‌های خورشیدی به طور کلی به دو حالت سری یا موازی به هم متصل می‌شوند. این آرایه‌ها به حالت ثابت یا ردیاب متحرک که بنابر فصل با زاویه تابش خورشید خود را تطبیق می‌دهند، نصب می‌شوند.
باتری
بانک باتری معمولاً ۱۲ ولتی بوده و تعدادی باتری را شامل می‌شود و به صورت سری به هم متصل شده و ولتاژ مورد نیاز سیستم را تأمین می‌نماید. در سیستمهای منفصل از شبکه، انرژی ذخیره شده در باتری‌ها، در هنگام شب یا مواقع ضروری دیگر به کار گرفته می‌شود. در سیستمهای پشتیبانی در مواقع قطع برق شبکه سراسری از باتری استفاده می‌شود، سیستمهای متصل به شبکه نیازی به باتری ندارند.
مبدل (اینورتر)
برق تولیدی توسط پنل‌های خورشیدی به صورت DC بوده و با کمک مبدل‌ها به برق AC تبدیل می‌گردد. مبدل‌ها در انواع و سایزهای مختلفی ساخته می‌شوند و برخی از آنها بازده بسیار بالایی دارند.
سازه نگهدارنده
از اجزاء اصلی سیستمهای خورشیدی بوده و نگهدارنده ماژول در جهت و زاویه خاص به سمت نور خورشید هستند. جنس سازه‌های ساختمانی از فلز یا مواد مصنوعی مقاوم در برابر عواملی نظیر باد و بارندگی می‌باشد. سازه‌های ساختمانی متناسب با موقعیت استقرار سیستمهای خورشیدی طراحی و انتخاب می‌گردند.
سازه‌های نگهدارنده می‌توانند به ردیاب‌های خورشیدی مجهز شوند. ردیاب‌ها انواع مختلفی دارند و می‌توانند با در نظر گرفتن نیاز، در جهت‌های متنوعی دوران یا حرکت نمایند. ردیاب‌ها همواره پنل‌های خورشیدی را در جهت تابش خورشید نگاه داشته بنابراین موجب افزایش راندمان خروجی پانل‌ها تا ۲ برابر می‌شوند.
هرچند استفاده از ردیاب‌ها موجب افزایش راندمان می‌شود ولی هزینه راه‌اندازی و نگهداری بیشتری نیز در پی خواهد داشت. بنابراین سود‌آوری استفاده از ردیاب خورشیدی باید در حالت‌های مختلف بررسی شده و فقط در موارد مناسب استفاده شود.
