پنل های خورشیدی
پیشینه ی استفاده از انرژی خورشید
ولی مهمترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می‌باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید گفته میشود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه‌های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته‌است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده‌است. در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمان‌های قدیم بوده‌است.
منابع تجدید پذیر:
انرژی های نو
مسایل و مشکلات زیست محیطی بطوری که امروزه حفظ سلامت اتمسفر از مهمترین پیش شرطهای توسعه اقتصادی پایدار جهانی به شمار می آید. از این رو است که دهه های آینده بعنوان سالهای تلاش مشترک جامعه انسانی برای کنترل انتشار کربن، کنترل محیط زیست و در واقع تلاش برای تداوم انسان بر روی کره زمین خواهد بود
بنابراین استفاده از منابع جدید انرژی به جای منابع فسیلی امری الزامی است. سیستمهای جدید انرژی در آینده باید متکی به تغییرات ساختاری و بنیادی باشد که در آن منابع انرژی بدون کربن نظیر انرژی خورشیدی و بادی و زمین گرمایی و کربن خنثی مانند انرژی بیوماس مورد استفاده قرار می گیرند. بدون تردید انرژی های تجدیدپذیر با توجه به سادگی فن آوریشان در مقابل فن آوری انرژی هسته ای از یک طرف و نیز بدلیل عدم ایجاد مشکلاتی نظیر زباله های اتمی از طرف دیگر نقش مهمی در سیستمهای جدید انرژی در جهان ایفا می کنند. در هر حال باید اذعان داشت که در عمل عوامل متعددی بویژه هزینه اولیه و قیمت تمام شده بالا، عدم سرمایه گذاری کافی برای بومی نمودن و بهبود کارآیی تکنولوژیهای مربوطه ، به حساب نیامدن هزینه های خارجی در معادلات اقتصادی، نبود سیاستهای حمایتی در سطح جهانی، منطقه ای و محلی، نفوذ
و توسعه انرژی های نو را بسیار کند و محدود ساخته است. ولی پژوهشگران و صنعتگران همواره تلاش خود را جهت رفع این مشکلات مبذول می دارند.
بطور کلی عمده فعالیتهای مربوط به احداث پایلوتهای سازگار با محیط زیست با بکار بردن منابع انرژی های تجدیدپذیر و اجرای پروژه های مهندسی و انجام خدمات مشاوره ای و مدیریت بر طرحها، در چهار بخش ذیل متمرکز شده است:
انرژی هسته ای •
انرژی باد و امواج •
انرژی زمین گرمایی •
انرژی های خورشیدی •
انرژی خورشیدی
یکی از منابع عظیم انرژی قابل استفاده برای انسان که هم محیط زیست را تخریب نمیکند هم پایان ناپذیر است انرژی خورشیدی می باشد.
خورشید منبع عظیم انرژی بلکه سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژیهای دیگر است. در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می‌گذرد و در هر ثانیه2/4 میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل میشود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را میتوان به‌عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد.
خورشید از گازهایی نظیر هیدروژن (۸/۸۶ درصد) هلیوم (۳ درصد) و ۶۳ عنصر دیگر که مهمترین آنها اکسیژن ، کربن ، نئون و نیتروژن است تشکیل شده‌است.
میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می‌باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر میشود.
زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید میزان کمی از کل انرژی تابشی آن می‌باشد. حتی سوختهای فسیلی ذخیره شده در زمین، انرژیهای باد ، آبشار ، امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین انرژی دریافتی زمین از خورشید می‌باشد
عمل همجوشی هسته ای و تبدیل هیدروژن به هلیم در خورشید سبب می شود تا انرژی بسیاری در فضا پراکنده شود و قسمت زیادی از این انرژی به زمین برسد.این انرژی نور و گرمای مورد نیاز حیات را در زمین فرا هم می کند.
حال انسان توانسته که به شیوه های گوناگون برای تآمین انرژی از خورشید بهره گیرد.
یکی ان آن ها صفحات خورشیدیست که آن ها با جذب نور خورشید (پرتو مادون قرمز) گرم می شوند و این حرارت را می توان برای مصارف کوناگونی استفاده کرد، مانند آب گرمکن های خورشیدی.
تولید آب گرم مصرفی ساختمانها اقتصادی‌ترین روشهای استفاده از انرژی خورشیدی است میتوان از انرژی حرارتی خورشید جهت تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکانهایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد. چنانچه ظرفیت این سیستمها افزایش یابد میتوان از آنها در حمامهای خورشیدی نیز استفاده نمود. تاکنون با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران تعداد زیادی آب گرمکن خورشیدی و چندین دستگاه حمام خورشیدی در نقاط مختلف کشور از جمله استان‌های خراسان – سیستان و بلوچستان و یزد نصب و راه اندازی شده‌است
شیوه ی دوم کوره های خورشیدیست،این کوره ها از تجمع تعداد زیادی آینه کوچک درست شده است که نور را در یک نقطه کانونی می کند.در کانون این کوره ها دما گاه به 6000 درجه نیز می رسد (مای سطحی خورشید).
در این نیروگاهها، از منعکس کننده‌هایی که به صورت سهموی خطی می‌باشند جهت تمرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آنها استفاده میشود و گیرنده به صورت لوله‌ای در خط کانونی منعکس کننده‌ها قرار دارد. در داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم و داغ می‌گردد
روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاههای حرارتی انتقال داده میشود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد.
برای بهره‌گیری بیشتر و افزایش بازدهی لوله دریافت کننده سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد پوشش میدهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشه‌ای به صورت لفاف پوشیده میشود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری گردد و نیز از لوله دریافت کننده محافظت بعمل آید. امروزه پروژه‌های متعددی در زمینه کوره‌های خورشید در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می‌باشد.
سلول های خورشیدی
هم چنین می توان از انرژی خورشید به صورت مستقیم و بدون استفاده از نیروگاه های حرارتی الکتریسیته تولید نمود. برای این کار از اثر فتوولتایک استفاده می شود. در این روش قطعاتی که اثر فتوولتایک از خود نشان می دهند، انرژی خورشید را جذب می کنند و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. این قطعات سلول خورشیدی نام دارند.
سلول خورشیدی یا سلول فوتوولتاییک ابزاری است که انرژی خورشیدی را تحت اثر فوتوولتاییک به الکتریسیته مبدل می‌کند. فن‌آوری فوتوولتاییک شاخه‌ای از فن‌آوری است که به کاربرد سلولهای خورشیدی می‌پردازد. گاهی اصطلاح «سلول خورشیدی» تنها برای ابزارهایی به کار می‌رود که مختص تبدیل انرژی نور خورشید هستند، در حالی که عبارت «سلول فوتوولتاییک» به صورتی عام‌تر به کار می‌رود
سلول خورشیدی
سلول خورشیدی ساخته شده از ویفر سیلیکون تک‌بلوری
سلول خورشیدی یا سلول فوتوولتاییک ابزاری است که انرژی خورشیدی را تحت اثر فوتوولتاییک به الکتریسیته مبدل می‌کند. فن‌آوری فوتوولتاییک شاخه‌ای از فن‌آوری است که به کاربرد سلولهای خورشیدی می‌پردازد. گاهی اصطلاح «سلول خورشیدی» تنها برای ابزارهایی به کار می‌رود که مختص تبدیل انرژی نور خورشید هستند، در حالی که عبارت «سلول فوتوولتاییک» به صورتی عام‌تر به کار می‌رود. سازه‌ای که از کنار هم چیدن سلولهای خورشیدی به دست می‌آید را واحد خورشیدی گویند که خود این سازه‌ها را میتوان به هم متصل ساخت تا آرایهٔ فوتوولتاییک به دست آید.
سلولهای خورشیدی کاربرد بسیاری دارند. سلولهای تکی برای فراهم کردن توان لازم دستگاههای کوچک‌تر مانند ماشین حساب الکترونیکی به کار می‌روند. آرایه‌های فوتوولتاییک الکتریسیتهٔ بازیافت‌شدنی‌ای را تولید میکنند که عمدتاً در موارد عدم وجود سیستم انتقال و توزیع الکتریکی کاربرد دارد. برای مثال میتوان به محل‌های دور از دسترس، ماهواره‌های مدارگرد، کاوش‌گرهای فضایی و ساختمان‌های مخابراتی دور از دسترس اشاره کرد. علاوه بر این استفاده از این نوع انرژی امروزه در محل‌هایی که شبکهٔ توزیع هم موجود است مرسوم شده‌است.
امروزه انسان با پیشرفت‌هایی که در زمینه‌های مختلف کرده، نیازی روز افزون به انرژی پیدا کرده و این امر او را بر آن داشت تا با روشهای گوناگون انرژی مورد نیاز خود را کسب کند. یکی از این روشها که طی ۲۰ سال اخیر، انسان از آن استفاده می‌کند، استفاده از باتری‌های خورشیدی است. خورشید در هر ثانیه حدود ۱۰۰۰ ژول انرژی به هر متر مربع از سطح زمین منتقل می‌کند که با جمع‌آوری کردن آن میتوان انرژی مورد نیاز برای کارهای مختلفی را تأمین کرد.
انرژی مورد نیاز بشر و انرژی خورشید
انرژی که از طریق خورشید به زمین می‌رسد ۱۰۰۰۰ بار بیشتر از انرژی مورد نیاز انسان است . مصرف انرژی در سال ۲۰۵۰ یعنی سال ۱۴۲۹ ه. شی (۴۰ سال دیگر) ۵۰ تا ۳۰۰ درصد بیشتر از مصرف امروزی آن خواهد بود. با اینحال اگر فقط ۰٫۱ درصد از سطح زمین با مبدلهای انرژی خورشیدی پوشیده شوند و تنها ۱۰ ٪ بازده داشته باشند برای تأمین انرژی مورد نیاز بشر کافی است
در مرکز خورشید هر ثانیه ۷۰۰ تن هیدروژن به انرژی تبدیل میشود ( به صورت فوتون یا نوترینو). دمای خورشید در مرکز آن ۱۵ میلیون و در سطح آن ۶ میلیون درجه سانتیگراد است. انرژی تولید شده در سطح خورشید بعد از ۸ دقیقه به سطح زمین می‌رسد. نور خورشید که به زمین می‌رسد شامل طول موجهای زیر است:۴۷ درصد زیرقرمز ,۴۶ درصد نور مرئی , ۷ درصد فرابنفش. از این رو سلولهای خورشیدی باید در ناحیه زیرقرمز و نور مرئی جذب بالایی داشته باشند.
ساختار باتری خورشیدی
باتری‌های خورشیدی معمولاً از مواد نیمه‌رسانا، مخصوصاً سیلیسیم، تشکیل شده‌است. هر اتم سیلیسیم با چهار اتم دیگر پیوند تشکیل می‌دهد و بدین صورت، شکل کریستالی آن پدید می‌آید. در باتری‌های خورشیدی به سیلیسیم مقداری جزئی ناخالصی اضافه میکنند. اگر اتم ناخالص ۵ ظرفیتی باشد (اتم سیلیسیم ۴ ظرفیتی است) آنگاه در ارتباط با چهار اتم سیلیسیم یک لایهٔ آن بدون پیوند باقی می‌ماند (یک تک الکترون). به همین دلیل چون بار نسبی منفی پیدا می‌کند به آن سیلیسیم نوع N) Negative) می‌گویند. و همین طور اگر اتم ناخالص دارای ظرفیت ۳ باشد آنگاه یک حفرهٔ اضافی ایجاد میشود. حفره را به گونه‌ای میتوان گفت که جای خالی الکترون است، با بار مثبت (به اندازهٔ الکترون) و جرمی برابر با جرم الکترون. که این امر هم باعث مثبت شدن نسبی ماده میشود و به آن سیلیسیم نوع P) Positive) می‌گویند . هر باتری خورشیدی از ۶ لایه تشکیل شده که هر لایه را ماده‌ای خاص تشکیل می‌دهد که در شکل مشخص شده‌است.
عملکرد باتری خورشیدی
با اتصال یک نیمه هادی نوع p به یک نیمه هادی نوع n، الکترون‌ها از ناحیه n به ناحیه p و حفره‌ها از ناحیه p به ناحیه n منتقل می‌شوند. با انتقال هر الکترون به ناحیه p، یک یون مثبت در ناحیه n و با انتقال هر حفره به ناحیه n، یک یون منفی در ناحیه p باقی می¬ماند. یون‌های مثبت ومنفی میدان الکتریکی داخلی ایجاد میکنند که جهت آن از ناحیه n به ناحیه p است. این میدان با انتقال بیشتر باربرها (الکترون‌ها و حفره‌ها)، قوی تر و قوی تر شده تا جایی که انتقال خالص باربرها به صفر می‌رسد. در این شرایط ترازهای فرمی دو ناحیه با یکدیگر هم سطح شده‌اند و یک میدان الکتریکی داخلی نیز شکل گرفته‌است. اگر در چنین شرایطی، نور خورشید به پیوند بتابد، فوتون‌هایی که انرژی آنها از انرژی شکاف نیمه هادی بیشتر است، زوج الکترون-حفره تولید کرده و زوج‌هایی که در ناحیه تهی یا حوالی آن تولید شده‌اند شانس زیادی دارند که قبل از بازترکیب، توسط میدان داخلی پیوند از هم جدا شوند(). میدان الکتریکی، الکترون‌ها را به ناحیه n و حفره‌ها را به ناحیه p سوق می‌دهد. به این ترتیب تراکم بار منفی در ناحیه n و تراکم بار مثبت در ناحیه p زیاد میشود. این تراکم بار، به شکل ولتاژی در دو سر پیوند قابل اندازه گیری است. اگر دو سر پیوند با یک سیم، به یکدیگر اتصال کوتاه شود، الکترون‌های اضافی ناحیه n، از طریق سیم به ناحیه p رفته و جریان اتصال کوتاهی را شکل میدهند. اگر به جای سیم از یک مصرف کننده استفاده شود، عبور جریان از مصرف کننده، به آن انرژی می‌دهد. به این ترتیب انرژی فوتون‌های نور خورشید به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. هر چه میدان الکتریکی درون پیوند قوی تر باشد، ولتاژ مدار باز بزرگتری بدست می‌آید. برای دست یافتن به یک میدان الکتریکی بزرگ، باید اختلاف ترازهای فرمی دو ماده p و n از یکدیگر زیاد باشد. برای این منظور باید انرژی شکاف نیمه هادی بزرگ انتخاب شود. بنابراین ولتاژ مدار باز یک سلول خورشیدی با انرژی شکاف آن افزایش می‌یابد. اما افزایش انرژی شکاف سبب میشود، فوتون‌های کمتری توانایی تولید زوج الکترون-حفره داشته باشند و بنابراین جریان اتصال کوتاه کمتری نیز تولید شود. بنابراین افزایش انرژی شکاف، روی ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه سلول دو اثر متفاوت دارد.
فناوری‌های ساخت سلولهای خورشیدی
در حال حاضر دو فناوری در ساخت سلولهای خورشیدی غالب است: فناوری نسل اول و نسل دوم. فناوری نسل اول بر پایه ویفرهای سیلیکونی با ضخامت ۴۰۰-۳۰۰ میکرومتر است که ساختاری بلوری یا چند بلوری دارند که یا از بریدن شمش بدست میآیند یا از روش EFG و با کمک خاصیت مویینگی رشد داده می‌شوند. تکنولوژی نسل دوم یا تکنولوژی لایه نازک ، براساس لایه نشانی نیمهه هادی روی بسترهای شیشه‌ای، فلزی یا پلیمری، در ضخامت¬های ۵-۳ است[۱]. هزینه مواد اولیه در تکنولوژی نسل دوم، پایین¬تر است و از آن گذشته، اندازه سلول تا ۱۰۰ برابر بزرگتر از اندازه سلول ساخته شده با تکنولوژی نسل اول است که مزیتی برای تولید انبوه آن محسوب میشود. در عوض بازدهی سلولهای نسل اول، که اغلب سلولهای بازار را تشکیل میدهند، به دلیل کیفیت بالاتر مواد، از بازدهی سلولهای نسل دوم بیشتر است. انتظار می‌رود اختلاف بازدهی میان سلولهای دو نسل با گذشت زمان کمتر شده و تکنولوژی نسل دوم جایگزین نسل اول شود[۲] در سال 1961، Shockley و Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی پیوندی به شکل یک جسم سیاه با دمای 300 کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی یک سلول خورشیدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن، 30% است که در انرژی شکاف eV1.4 یعنی انرژی شکاف گالیم آرسناید بدست می‌آید[۳]. بنابراین بازدهی سلول های خورشید نسل اول و دوم حتی در بهترین حالت نمی‌تواند از حوالی 30% بیشتر شود. این در حالی است که حد کارنو برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی 95% است[۴]. و این مقدار تقریباً سه برابر بیشتر از بازدهی نهایی سلولهای نسل اول و دوم است. بنابراین دستیابی به سلول هایی با بازدهی هایی دو تا سه برابر بازدهی های کنونی، امکان پذیر است. سلول های خورشیدی که دارای چنین بازدهی هایی باشند، نسل سوم سلول های خورشیدی نامیده می‌شوند. سلول های متوالی ، سلول های خورشیدی چاه کوانتومی ، سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی ، سلول های حامل داغ ، نسل سوم سلول های خورشیدی را تشکیل میدهند
ساخت سلولهای خورشیدی با استفاده از مواد آلی
سلولهای خورشیدی ساخته شده از مواد آلی در مقایسه با همتایان سیلیکونی خود بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیت هایی مانند انعطاف پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. شارژر موبایل قابل حمل٫ کار گذاشتن باطری ها در سطوح دارای انحناء مانند بدنه ماشین ها و حتی استفاده از آنها در لباس ها از مصارفی است که برای سلولهای خورشیدی آلی (ارگانیک) پیش بینی میشود. خصوصیت دیگر آنها انعطاف پذیری در طول موجی است که در آن بیشترین جذب را دارند. در نتیجه اگر برای مثال ماده آلی با جذب درناحیه زیر قرمز استفاده شود از سلول خورشیدی آلی میتوان در شیشه‌های اتومبیل٫ شیشه‌های خانه‌ها و هر مکان دیگری که باید شفاف باشد٫ استفاده کرد. ساخت سلولهای خورشیدی آلی از دهه ۷۰ میلادی مورد تحقیق و بررسی علمی قرار گرفته است ولی هنوز نمونه بازاری آن ساخته نشده است. از موادی که آینده روشنی در این صنعت برای آن پیش بینی میشود کریستالهای مایع ستونی هستند.
مصارف انرژی خورشیدی :
1)گرم کننده ها مثل ابگرمکن خورشیدی که برای گرمای خانه ها و کوره های خوشیدی که برای ذوب فلزات حتی با دمای بالا نظیر اهن استفاده می شود و دمایی تا حدود 6000درجه سانتی گراد تولید می کنند.
2)دستگاههای اب شیرین کن که توسط اینه هایی نور خورشید را روی مخازن اب متمرکز می کنند تا کار تبخیر را انجام دهد.
3)الکتریسیته خورشیدی در این روش که نسبت به سایر روشها ارجحیت دارد.انرژی الکتریکی به سادگی قابل تبدیل به سایر انرژی ها بوده و می توان ان را ذخیره کرد.
طریقه دریافت الکتریسیته از انرژی خورشیدی :
1) نیروگاه های حرارتی که حرارت لازم توسط اینه هایی که نور خورشید را روی دیگ بخار متمرکز میکنند, تولید میشود.
2} اثر فتوولتایی:در این روش انرژی تابشی مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.قطعاتی که اثر فتوولتایی از خود نشان میدهند به سلول خورشیدی معروفند .
و در حال حاظر بیشترین استفاده از انرژی خورشیدی با این روش است.در برخی کشورها نیروگاه های فتوولتائیک ساخته شده که برای تولید برق است.
اما بیشترین استفاده از سلولهای خورشیدی در نیروگاه(( فتو ولتائیک50مگاواتی جزیره کرت یونان))است.
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 كند که باید ذخیره شود و همین موضوع بسیار هزینه بر است.
کاربردهای سلولهای خوشیدی :
1)تامین نیروی حرکتی ماهواره ها و سفینه های فضایی
2)تامین انرژی لازم دستگاهایی که نیاز به ولتاژهای کمتری دارند مثل ماشین حساب و ساعت
3)تهیه برق شهر توسط نیروگاههای فتوولتائیک
4)تامین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایقهای کوچک
منابع
ویکی پدیا دانشنامه ی آزاد
سام صالحی
کاملیا صارمی
MS-persian
کلیدواژه:
پنل های خورشیدی-اساس کار سلول های خورشیدی-انرژی های نو-انرژی های تجدیدپذیر-سلول های فتوولتاییک
Solar energic-Solar panel