سیر تا پیاز سيستم‌هاي فتوولتائيك

سيستمي كه در آن انرژي خورشيدي بدون بهره‌گيري از مكانيزم‌هاي متحرك و شيميايي به انرژي الكتريكي تبديل شود، اثر آن را فتوولتائيك مي‌نامند. عاملي كه در اين فرآيند بكار مي‌رود سلول خورشيدي ناميده مي‌شود. اگر چه انرژي الكتريكي نوري هنوز به ميزان كافي از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نمي‌باشد ولي در سال هاي اخير كاهش چشمگيري در هزينه‌هاي مربوط به بهره‌برداري از اين سيستم‌ها مشاهده گرديده و انتظار مي‌رود در آينده نيز با تحقيقات لازم در نوع سلولهاي نوري، كاهش قيمت ادامه يابد ولي نبايد فراموش كرد در مناطق دور و در جاهایي كه دسترسي به سوخت و الكتريسته ارزان مقدور نباشد از سيستم‌هاي فتوولتائيك استفاده مي‌شود. با استفاده از انرژي خورشيد و سلول‌هاي خورشيدي و با ايجاد اختلاف پتانسيل فشار الكتريكي در نيمه‌هادئي كه بطور مناسب ساخته شده‌اند الكتريسته توليد مي‌شود. امروزه مؤثرترين و ارزانترين سلول هاي خورشيدي ماده‌اي به نام سيليسيم مي‌باشد. ماسه يكي از منابع مهم سيليسيم بوده كه پس از پالايش آن كريستال هاي سيليسيم بدست مي‌آيد و پس از بريده شدن بصورت صفحه آماده مي‌شود.سيسليسيم يك نيمه هادي است كه به طور خالص از نظر هدايت الكتريكي هادي ضعيفي است ولي اگر در موقع پالايش به آن فسفر اضافه شود بار منفي (الكترون) پيدا كرده و در صورتيكه بود اضافه شود بار مثبت (حفره) پيدا مي‌كند. نوع اول را سيليسيم نوع N و نوع دوم را سيليسيم نوع P مي‌نامند. مي‌دانيم كه سيليسيم داراي 4 الكترون در مدار خارجي خود مي‌باشد. هنگامي كه تعدادي اتم فسفر به داخل كريستال سيليسيم وارد شود با توجه به اينكه فسفر داراي 5 الكترون در مدار خارجي خود دارد، 4 الكترون مدار خارجي فسفر با 4 الكترون مدار خارجي فسفر با 4 الكترون مدار خارجي سيليسيم يك مدار بوجود آورده و به اين ترتيب يك الكترون به صورت آزاد باقي مانده يعني سيليسيم با بار منفي باردار شده و نيمه‌هادي نوع N بوجود مي‌آيد. از طرفي اگر بجاي فسفر از اتم بور كه سه الكترون در مدار خارجي دارد استفاده شود حفره‌هایي كه مثل الكترون قابليت حركت دارند ايجاد شده و سيليسيم بطور مثبت باردار مي‌شود يعني نيمه‌ هادي نوع P بوجود مي‌آيد. حال اگر يك طرف يك سيليسيم نوع P را از نوع N الكترون هاي آزاد و اتم‌هاي فسفر با بار مثبت وجود دارند. حال اگر يك فوتون به اتصال P-N برخورد كند، الكترون از اتم سيليسيم جدا كرده و در نتيجه حفره بوجود آورد. حفره‌هاي مزبور تحت تأثير ميدان موجود به سمت ناحيه P و الكترون به سوي ناحيه N حركت كرده و اين دو حركت مخالف با بارهاي مختلف، يك جريان الكتريكي بوجود مي‌آورند. با اتصال كنتاكت هایي به رويه‌هاي قطعات نيمه هادي، مداري تشكيل مي‌شود كه اجازه برگشت الكترون‌ها را به اتصال نوع ‌P از ميان يك بار خارجي مي‌دهد.پدیده فتوولتاییک:به پدیده ای که در اثر آن و بدون استفاده از مکانیزم های مکانیکی انرژی تابشی به انرژی الکتریکی تبدیل شود را پدیده فتوولتائیک نامند. در واقع این پدیده از فرضیه ذره ای بودن انرژی تابشی بنا نهاده شده است. هر سیستمی نیز که از این خاصیت استفاده نماید را سیستم فتوولتائیک گویند. این مطلب در شکل زیر نشان داده شده است. سیستم فتوولتائیک انرژی موجود در نور خورشید را توسط سلول های خورشیدی مستقیماً به برق از نوع DC تبدیل می کند. با استفاده از برق حاصله و بهره جویی از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی موجود، می توان انرژی الکتریکی کلیه بارهای DC و AC را تأمین نمود.امروزه سلول­هاي فتوولتائیک براي تبديل انرژي خورشيدي به انرژي الکتريکي يکي از جذابترين موضوعات تحقيقاتي مي­باشد. با استفاده از مواد غير ارگانيک بازدهي مناسبي در اينگونه سلول­ها بدست آمده است. از سوي ديگر فرآيند توليد چه در بخش مواد و چه در قسمت تکنيکي داراي هزينه بالايي است. به همين دليل سلول هاي فتوولتاييک بر پايه مواد ارگانيک به دليل امکان ساخت ادواتي اقتصادي تر مورد توجه کلي قرار گرفته است. متاسفانه بازدهي سلول­هاي ارگانيک به مقدار قابل توجهي کمتر از ادوات مشابه با مواد غير ارگانيک هستند، که هم اکنون معرف ضعف بسيار بزرگي در اينگونه مواد مي­شود. اين اشکال اساسا به دليل شکاف باند بسيار بزرگتر مواد ارگانيک نسبت به مواد غير ارگانيک است. در مجموع سلول­هاي ارگانيک نسبت به اکسيژن و آب بسيار حساسند.مدار معادل سلول فتوولتائیک :یک سلول PV پس از ساخت و ترکیب به صورت سری و موازی با تعداد زیادی از سلول های دیگر به یک ماژول تبدیل می شود. با کنار هم قرار دادن تعداد زیادی از ماژول ها یک آرایه از سلول های خورشیدی حاصل می گردد. همانطور که می دانیم با سری کردن تعداد زیادی سلول می توانیم به یک ولتاژ بالاتر و با موازی کردن آنها به جریان های بالاتری دست پیدا کنیم.سلول PV می تواند به عنوان یک منبع جریان موازی با یک دیود مدل شود. هنگامی که هیچ نوری برای تولید جریان وجود نداشته باشد سلول همانند یک دیود رفتار می کند. هنگامی که شدت نور تابیده شده به سلول افزایش می یابد؛ سلول شروع به تولید جریان می کند.همانطور که در شکل زیر نیز مشاهده می کنید مدار معادل یک تک سلول خورشیدی به صورت زیر می باشد. البته مدل دقیق تر آن با دو دیود ساخته می شود. اگرچه مدل های پیشنهادی مختلفی نیز در مقالات مختلف بررسی شده است.منحنی I-V سلول PV که تحت تابش خارجی قرار گرفته نیز مطابق شکل زیر خواهد شد. در ادامه برخی از ویژگی های این منحنی را شرح خواهیم داد.جریان اتصال کوتاه Isc مربوط به جریان پنل در حالت اتصال کوتاه است زمانی که امپدانس دو سر پنل بسیار ناچیز بوده و ولتاژ نیز برابر صفر باشد. جریان اتصال کوتاه در شروع بایاس مستقیم در مدار برقرار می گردد و حداکثر مقدار جریان در ربع قدرت می باشد. برای یک سلول ایده آل حداکثر مقدار جریان کل تولید شده در سلول های خورشیدی هنگام تحریک فوتون است.ولتاژ مدار باز نیز هنگامی در سلول اتفاق می افتد که سلول هیچ گونه جریانی ندهد. ولتاژ مدار باز حداکثر مقدار کل ولتاژ تولید شده در سلول های خورشیدی هنگام بایاس مستقیم مدار می باشد.توان تولید شده توسط سلول برحسب وات به راحتی با توجه به منحنی I-V سلول خورشیدی به راحتی قابل محاسبه می باشد. در نقاط Isc و Voc توان تولید شده توسط پنل برابر صفر می باشد و بیشترین توان خروجی پنل در نقطه ای بین آن ها اتفاق می افتد. مقادیر ولتاژ و جریان در این نقطه توسط Vmp و Imp نشان داده شده است. در زیر منحنی های جریان-ولتاژ و توان-ولتاژ برای یک تک سلول خورشیدی نشان داده شده است.پارامتر Fill Factor یکی از ویژگی های اساسی سلول خورشیدی می باشد. مقدار آن از مقایسه حداکثر توان تولیدی سلول خورشیدی و حداکثر توان تئوری محاسبه شده با توجه نقاط Isc و Voc قابل محاسبه می باشد. پارامتر FF را نیز می توان با توجه به نسبت مساحت های دو مستطیل زیر بر روی منحنی I-V نیز بر حسب درصد بیان نمود.پارامتر FF هر چه قدر بزرگتر باشد بهتر است و معمولا برای یک سلول خورشیدی عددی بین 5/0 تا 82/0 است. این پارامتر گاهی اوقات بر حسب درصد نیز بیان می شود.همچنین به نسبت توان خروجی به توان ورودی برای یک سلول خورشیدی رانده مان سلول گفته می شود. توان خروجی را می توان همان حداکثر توان تولیدی سلول قرار داد. توان ورودی سلول را نیز می توان از حاصل ضرب شدت تابش نور تابیده شده به سلول بر حسب وات بر متر مربع در مساحت سلول که در معرض تابش است بر حسب متر مربع بدست آورد. ضمنا رانده مان ماکزیمم بدست آمده در تست یک سلول خورشیدی در آزمایشگاه صرفا نشان دهنده میزان عملکرد آن سلول نیست بلکه عوامل متعدد دیگری نیز در این امر دخالت دارند. از جمله آن ها شرایط محیطی همچون دما، رطوبت، باد و چگالی شدت نور تابیده شده به سطح سلول نیز ماثر می باشند.هنگام عملکرد سلول خورشیدی رانده مان سلول به دلیل اتلاف های صورت گرفته در مدار کاهش می یابد. این اتلاف ها را به صورت دو مقاومت سری و موازی در مدار معادل سلول خورشیدی مدل می کنند. برای یک سلول ایده آل مقدار مقاومت موازی بینهایت است و مقدار مقاومت سری نیز صفر می باشد.کاهش مقاومت موازی و یا افزایش مقاومت سری باعث کاهش پارامتر FF و توان ماکزیمم مطابق منحنی زیر می گردد. کاهش مقاومت موازی باعث کاهش ولتاژ مدار باز و افزایش مقاومت سری باعث کاهش جریان اتصال کوتاه می گردد.ملاحظات اندازه گیری دما :کریستالی که برای ساخت پنل های PV مورد استفاده قرار می گیرد مشابه نیمه هادی های دیگر نسبت به تغییرات دما حساس می باشند. همانطور که در شکل زیر اثر دما را بر روی منحنی I-V سلول خورشیدی ملاحظه می کنید افزایش دمای سلول باعث افزایش جریان اتصال کوتاه و کاهش مقدار ولتاژ مدار باز می گردد.در یک شرایط محیطی ویژه بالا رفتن دما موجب کاهش چشمگیر در مقدار حداکثر توان خروجی سلول خورشیدی می گردد. دمای پنل های خورشیدی نیز معمولا با استفاده از سنسورهای RTD و ترمیستورها و ترموکوبل ها اندازه گیری می گردد.برای یک ماژول یا آرایه ای از سلول های خورشیدی شکل منحنی جریان-ولتاژ از نظر ظاهری هیچ گونه تغییری نمی کند. تنها تفاوت آن در مقدار جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز است که بسته به تعداد تک سلول های سری و موازی شده افزایش می یابد. مطابق شکل زیر m تعداد سلول های موازی شده و n تعداد سلول های سری شده در یک آرایه از پنل خورشیدی را نشان می دهد.خطاهای پنل فتوولتاییک:مولد های توان فتوولتائیک امروزه کاربردهای زیادی در سیستم های مختلف صنعتی، خانگی، تجاری پیدا کرده اند. از این رو قابلیت اطمینان بالا و توانایی کار در شرایط خاص و رانده مان بالای این پنل ها از اهمیت بالایی برخوردار است و نسبت به ان باید توجه ویژه ای لحاظ گردد.با پیشرفت های صورت گرفته در زمینه مواد مرغوب، رانده مان بالا و تکنولوژی های جدید نصب برای سلول های فتوولتاییک بحث عمده قابلیت اطمینان معمولا به قسمت انتقال توان این واحد ها مربوط می شود. اگرچه آمارها و آزمایش ها نشان داده اند که در زمان های متمادی پنل هل دچار خطاهایی در نصب و کاهش رانده مان به دلیل شرایط محیطی مختلف می گردند.خطا های احتمالی در پنل فتوولتایک شامل خطاهای نصب، اثرات محیطی و خرابی مواد مورد استفاده در پنل می باشد. آزمایشات نشان می دهد که این امر مهم است که واحد انرژی را در مقابل خطاهای پنل محافظت کنیم تا به یک مدل دقیق و قابل اطمینان از واحد انرژی خورشیدی دست پیدا کنیم. این مدل باید خاصیت انعطاف پذیری بالایی داشته باشد و قابل استفاده و تعمیم برای بسیاری از واحد های انرژی خورشیدی که به صورت توپولوژی های مختلف سری و موازی و مرکب مورد بهره بردای قرار می گیرند داشته باشد.پنل های PV یکی از قابل اطمینان ترین بخش های سیستم های سلول خورشیدی می باشند. اگرچه گزارشات شفاهی بسیاری در زمینه خطاهای اتفاق افتاده در این بخش از سیستم ارائه شده است که می تواند منجر به بد عمل کردن کل سیستم گردد. مطالعات و آمارها نشان می دهد که قابلیت اطمینان یک پنل فتوولتائیک به شدت به جنس عواملی همچون مواد، دما، رطوبت و تابش محیط اطراف وابسته باشد.پنل های فتوولتائیک با جنس سیلیکن های تک کریستالی و چند کریستالی که در بیش از 90 درصد از شرکت های سازنده از این جنس ساخته می شوند؛ با کوچکترین شرایط نامناسبی خاصیت خود را به طور معقول از دست می دهند. پنل های فتوولتائیک با جنس های سیلیکن نامنظم و کوپر ایندیم دی سلنوئید حساسیت بیشتری نسبت به شرایط نا مناسب دارند و با سرعت بیشتری خراب می گردند.به طور کلی خرابی پنل های PV در دو سطح اتفاق می افتد. در یک سال اول، میزان تولید توان پنل فتوولتائیک در حدود 1 درصد الی 3 درصد کاهش می یابد. بعد از یک سال اول، میزان تولید توان پنل PV در حدود نیم درصد الی یک درصد در هر سال کاهش می یابد. در هر دو سطح فوق میزان کاهش عملکرد تقریبا به طور خطی اتفاق می افتد.