X
تبلیغات
وحید-برق - سیستم های فتوولتاییک

وحید-برق

برق قدرت- ابزار دقیق

سیستم های فتوولتاییک

با توجه به مزایای بی شمار و ارزشمند سیستم های فتوولتاییک به این سیستم ها عیب هایی هم وارد است که عباتست از :
1 – بازدهی کم و هزینه بالای سرمایه گذاری اولیه .
2 – محدودیت درساعات کارکرد با تمام ظرفیت در طول روز یا ماه و سال .
3 – عدم امکان پیوند با سیستم های سوخت پشتیبان مثل سیستم سوخت های فسیلی .
4 – نیاز به ذخیره سازی با باتری های الکترو شیمیایی که بسیار گران می باشد .
5 – نیاز به اشغال مساحت زیاد جهت نصب کلکتورها . 
3 – 2 : کاربرد سیستم های فتو ولتائیک 
سیستم های فتوولتائیک در هر مکانی که دارای پتانسیل جذب انرژی خورشیدی بالایی هستند ، قابل استفاده برای تولید انرژی الکتریکی می باشند ولی در حال حاضر با توجه به هزینه بالای تولید سلول های خورشیدی و قیمت ارزان برق تولیدی توسط سوختهای فسیلی از سیستمهای فتوولتائیک در مناطق دور افتاده و با فاصله زیاد از شبکه سراسری برق مانند روستاها و مناطق مرزی استفاده می شود . یکی از دیگر کاربردهای این سیستم ها جهت روشنایی سطح معابر در شهرهاست ، که در این روش هر پایه چراغ روشنایی با توجه به توان مورد نیاز لامپ ها در طول روز ، انرژی خورشیدی را توسط سلولهای خورشیدی که در بالای پایه نصب شده دریافت کرده و توسط سیستم ذخیره انرژی انرا ذخیره می کند و در شب از آن برای تامین برق لازم برای روشنایی لامپ ها استفاده می کند. 
سیستم های پمپاژ خورشیدی با استفاده از سیستم های فتوولتائیک یکی از کاربردهای این سیستم ها است که در آن پمپهای خورشیدی قابلیت استحصال آب از چاه ها ، قنوات ، چشمه ها و رودخانه ها را دارند و تا پایان سال 2000 حدود 35000 پمپ خورشیدی در روستاهای فاقد شبکه سراسری برق نصب و بهره برداری شده است .
سیستم های پرتابل خورشیدی یکی دیگر از کاربردهای سیستم فتوولتائیک است این سیستم ها با قابلیت جابه جایی می توانند در هر نقطه ای که از جهت جذب انرژی خورشیدی مطلوب باشد ، برای تولید برق استفاده شوند .
سیستم های تغذیه ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری اغلب از نوع سیستم فتوولتائیک می باشند، به این خاطر که اغلب این ایستگاهها در مکانهای صعب العبور و دور از شبکه سراسری و پستهای فشار قوی و فشار ضعیف نصب شده اند و تامین توان الکتریکی آنها از راه احداث شبکه توجیه اقتصادی ندارد و با توجه به حساسیت سیستمهای مخابراتی به نویز ، استفاده از سیستم های فتوولتائیک در این پایگاهها بسیار مطلوب می باشد . سیستم های تغذیه روشنایی تونلها در جاده های کوهستانی نیز از موارد استفاده از سیستم های فتوولتائیک است که به علت پایین بودن توان لازم برای روشنایی در تونل ها، با تعداد کمی از سلول های خورشیدی می توان نیاز روشنایی تونل را تامین کرد .

3 -3 : معرفی پدیده فتوولتائیک 
پدیده ای که در اثر تابش نور خورشید بدون استفاده از مکانیزم های محرک الکتریسیته تولید کند ، پدیده فتوولتائیک گویند و به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند ، سیستم فتوولتائیک گویند . در این روش انرژی تشعشعات خورشید بدون هیچ واسطه ای و فقط به کمک سلول های فتوولتائیک به انرژی الکتریکی تبدیل می شود . مبنای اصلی این پدیده بر مبنای اثر فتوالکتریک است که برای اولین بار توسط انیشتن مطرح شد و بیان می داشت ، انرژی نور باعث می شود تا الکترونها از ماده جدا شوند و این اثر ، اساس کار سلول های فتوولتائیک می باشد که در قسمتهای بعد به عنوان اصلی ترین قسمت یک سیستم فتوولتائیک با طرز کار آن آشنا خواهیم شد.
3 – 4 : آشنایی با بخشهای مختلف یک سیستم فتو ولتائیک کامل 
یک نیروگاه فتو ولتائیک درکامل ترین حالت ، از قسمتهای زیر تشکیل شده که عبارتست از سلولهای خورشیدی ( پنل فتوولتائیک )، تنظیم کننده نقطه توان حداکثر ( MppT ) ، تنظیم کننده ولتاژ، کنترل کننده میزان شارژ و دشارژ باطری ، واحد ذخیره سازی انرژی ( باتری ) واینورتر ولتاژ ( در صورت نیاز به ولتاژ خروجی متناوب ). البته اجزاء مطرح شده با توجه به شرایط و نیاز مصرف کننده و برای کاهش هزینه ها می توانند کاهش یابند ، بدین گونه که استفاده از اینورتر ولتاژ یا واحد ذخیره سازی ولتاژ در تمامی سیستم های فتوولتائیک تولید الکتریسته لزوما استفاده نمی شود . 
  در قسمت بعد نمای کلی یک سیستم فتو ولتائیک و اجزای آن و چگونگی ارتباط اجزای آن با یکدیگر را به صورت شماتیک مشاهده می کنیم و سپس اجزای مختلف یک سیستم فتوولتائیک کامل را به صورت مختصر شرح داده و وظیفه و طرز کار هر یک را به اختصار بیان می کنیم.

 

 3- 5 : سلولهای خورشیدی و نحوه کار کردن آنها 
 به صفحه ای که انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند ، سلول خورشیدی گویند . سلول خورشیدی می تواند انرژی خورشید را بازدهی 5 تا 20 درصد مستقیما به الکتریسیته تبدیل کند . سلولهای خورشیدی برای اولین بار در دهه 1950 وارد بازار شدند . عنصر اصلی در ساخت سلولهای خورشیدی ، نیمه هادیهایی چون سیلیکن و آرسینوگالیوم است و اساس کار سلولهای خورشیدی بر مبنای تئوری الکترونهای مدارات اتم قابل توجیه است .
  در سطح خارجی تراز انرژی اتم دو سطح تراز مشخص وجود دارد . سطح تراز ظرفیت اتم ( والانس ) که در عملیات شیمیایی دخالت دارد و سطح تراز هدایت اتم ( لایه هدایت ) که در هدایت الکتریکی نقش بازی می کند ومی دانیم هر اتم برای اینکه از تراز ظرفیتی خود به تراز هدایت منتقل شود احتیاج به مقدار مشخص انرژی دارد که این انرژی را انرژی گپ گویند . در عناصر نیمه هادی انرژی گپ بسیار پایین بوده و با حرارتی کم در حد حرارت محیط ، این انرژی را می توان تامین کرد . حال اگر به الکترونی که در تراز ظرفیت میباشد بیش از مقدار انرژی گپ ، انرژی داده شود این الکترون به تراز هدایت رفته و یک الکترون آزاد ویک حفره ایجاد می شود . از همین خاصیت جهت ساخت نیمه هادی های نوع N و P استفاده می شود . 
  اگر یک کریستال نوع Pدر کنار یک کریستال نوع N پیوند داده شود در اثر برخورد نور به سطح نیمه هادی نوع P و N و کسب انرژی گپ ، حاملهای بار الکترون و حفره بوجود می آید که می تواند در داخل نیمه هادی حرکت کرده و باعث بوجود آمدن اختلاف پتانسیل در دو سر نیمه هادی شود که در صورت قرار دادن یک بار الکتریکی یک جریان مستقیم دربار جاری خواهد شد . در صفحه بعد یک نمونه از سلول خورشیدی با چندین پیوند N –P نیمه هادی مشاهده می گردد . 
   

یک سلول فتوولتائیک هم زمان دو کار را انجام می دهد ، دریافت انرژی خورشید و تبدیل آن به بار الکتریکی در دو سر خروجی آن و نیز جریان دادن بار الکتریکی به بیرون از محل تجمع که باعث تولید جریان الکتریکی می شود . انرژی دریافت شده از خورشید به فرکانس امواج بستگی دارد بدین صورت که :
  W = h . f  
که fفرکانس به هرتز و h ثابت پلانک ( 34-10 626/6 ) است . فرکانس تشعشعات به طول موج آن بستگی دارد و با فرض در نظر گرفتن سرعت نور ( C ) برابر 108 9/2 و با توجه به رابطه زیر : 
 
که در فرمول بالا W انرژی فوتون های نوری بر حسب ژول است و طول موج بر حسب متر است . و ما میدانیم که مقدار انرژی مورد نیاز برای آزاد کردن الکترونها در کریستال 19-10 63/ 2 ژول است و این بدان معنی است که طول موجهای کمتر از nm 1150 می تواند الکترونی را در سیلیکن آزاد کند .
3 – 5 – 1 : طبقه بندی سلولهای خورشیدی با توجه به نوع عناصر به کار گرفته شده در آنها  
پرکاربردترین عنصر مورد استفاده در سلول های خورشیدی سیلیکن است و علت اصلی این پدیده رشد سریع تکنولوژی ساخت این عناصر، تولید صنعتی سیلیکن به صورت انبوه ، هزینه کم و بازدهی بالای آن در مقایسه با سایر انواع نیمه هادی می باشد ولی مواد زیادی علاوه بر سیلیکن دارای قابلیت استفاده در سلول های خورشیدی هستند که دو نمونه از این مواد ایندیم- فسفید ( I N – P ) و گا لیم – آرسناید (G A – As) می باشند .
نیمه هادی نوع گالیم آرسناید دارای مزایایی نسبت به نیمه هادی ها نوع سیلیکن است که عبارتست از راندمان بالاتر تا حدود 21 درصد ( حال اینکه ماکزیمم راندمان ممکن در سیلیکن حدود 15درصد است ) و یا عملکرد بهتر در شرایط تغییرات دما و قابلیت کار در دمای تا حدود 200 درجه سانتی گراد ( بیشترین دمایی که سیلیکن می تواند در آن کار کند حدود 100 درجه سانتی گراد است ) و نیز مقاومت نیمه هادی های گا لیم – آرسناید در برابر تشعشعات خورشیدی بیشتر از نیمه هادی های نوع سیلیکن است. ولی مشکل اصلی در کاربرد مواد فتوولتائیک از جنس نیمه هادی نوع گالیوم – آرسناید ، قیمت بالا و قابلیت شکنندگی و وزن بیشتر آنها در مقایسه با مواد نبمه هادی از جنس سیلیکن است .
3-5-2 : طبقه بندی سلول های خورشیدی با توجه به نوع ساختمان کریستالی آنها 
ساختمان داخلی کریستال های نیمه هادی می تواند به 3 دسته کریستال ساده ( تک کریستالی ) ، نیمه هادی چند کریستالی و کریستال آمورف ( بی شکل ) طبقه بندی شود . برای ساخت نیمه هادی با ساختار کریستال ساده پس از خالص سازی سیلیکن دانه ای از کریستال خالص ، آن را داخل کریستال مذاب مرکب غوطه ور کرده و سپس کریستال ساده از داخل مواد مذاب شروع به خارج شدن و رشد کردن می نماید به طوری که طول آن به یک متر می رسد و سپس بوسیله اره الماسه برش های نازکی بر روی شمش کریستال ساده می دهیم تا ضخامت آنها به حدود 250 تا 300 میکرون برسد و سپس پوشش ضد بازتاب را روی آن می کشیم تا از شدت بازتاب های سطحی کاسته شود . 
  کریستال های مرکب از کریستال های ساده و کوچک که به طور نا مشخص کنار هم قرار گرفته اند ، تشکیل شده و ضخامت این لایه ها در حدود 300 میکرون می باشد . سیلیکن آمورف دارای ساختمان منظم نمی باشد و ضریب جذب آن برای سیلیکن خالص بیش از 10 برابر مقدار سیلیکن تک کریستالی است . سیلیکن آمورف را می توان به صورت لایه های بسیار نازک ( در حدود 1 میلیمتر ) در پشت بعضی از مواد مالید و بدین صورت میزان سیلیکن مورد نیاز را کاهش داد و هزینه تولید سلولها را در حجم زیاد بسیار پایین آورد ولی مشکل اصلی سیلیکن های آمورف راندمان پایین آنها است که در حدود 7 تا 10 درصد می باشد و یک مجموعه از سلولهای فوتوولتائیک با ساختار کریستالی آمورف در صحرایی اطراف لوس آنجلس آمریکا در نیروگاه MW50 با بازدهی حدود 7 درصد در حال تولید الکتریسیته است . 
3-5-3 : منحنی مشخصه الکتریکی خروجی سلولهای فوتوولتائیک 
مشخصه خارجی الکتریکی یک سلول فوتوولتائیک عبارتست از تغییرات جریان خروجی سلول در برابر ولتاژ آن ( I = f ( v ) ) و به عبارت دیگر ارتباط میان ولتاژ دو سر یک سلول و جریان آن را به ازای بارهای مختلف نمایش می دهد . در قسمت پایین منحنی جریان ولتاژ یک سلول فوتوولتائیک متداول نشان داده شده است . 

 

  همان طور که مشخص است محل برخورد منحنی با محور جریان نشان دهنده عدم وجود افت ولتاژ روی سلول فوتوولتائیک است که جریان اتصال کوتاه (Isc ) را نشان می دهد و این جریان را می توان با استفاده از بارهای الکتریکی با مقاومت بسیار کم تولید کرد . دراین حالت سلول مانند منبع تولید الکتریسیته با جریان ثابت عمل می کند و این جریان تا میزان زیادی وابسته به میزان تشعشعات جذب شده در سطح سلول می باشد . 
  محل برخورد منحنی با محور ولتاژ نشان دهنده جریان تولیدی صفر می باشد که همان ولتاژ مدار باز (Voc ) را نشان خواهد داد که اگر مصرف کننده الکتریکی دارای مقاومت بار خیلی زیاد باشد می توان به حوالی این ولتاژ در دو سر سلول رسید . این ولتاژ به صورت لگاریتمی با چگالی انرژی تشعشعی رسیده به سطح سلول تغییر می کند و همان طور که در منحنی نمایش داده شده مشخص است ، منحنی جریان – ولتاژ این سلولها به صورت غیر خطی است و نقطه ای که در آن حاصلضرب ولتاژ و جریان بیشترین مقدار را دارا باشد، نقطه توان حداکثر ( Mpp ) سلول نامیده می شود که این نقطه بر روی قسمت زانویی منحنی قرار می گیرد، ولتاژ و جریان متناظر نقطه توان ماکزیمم به ترتیب با Vm و Im نمایش داده شده است و نقطه توان ماکزیمم با Pmax نشان داده شده است و در دیگر شرایط کاری سلول ، توان خروجی سیستم ها عبارتست از حاصلضرب ولتاژ دو سر سلول در شدت جریان عبوری از مصرف کننده الکتریکی که توان خروجی سلول نامیده می شود . 
  منحنی مشخصه ولتاژ – جریان از نظر شکل تا حدودی به مستطیل نزدیک می باشد که میزان نزدیکی شکل منحنی به شکل مستطیل را با کمیتی به نام فاکتور پرکنندگی (FF1 ) بیان می کنند و رابطه محاسبه این فاکتور بیان می دارد که 
 
و هر چقدر مقدار این فاکتور پرکنندگی به عدد 1 نزدیکتر باشد ، سلول فوتوولتائیک کیفیت بالاتری دارد . سلولهای متداول امروزی دارای فاکتور پرکنندگی بین 6/0 تا 8/0 می باشند . 
3-5-4 : راندمان سلولهای خورشیدی 
همان طور که ذکر گردید ، حداکثر توان قابل دریافت از یک سلول خورشیدی در نقطه توان حداکثر (Mpp ) رخ خواهد داد و کمیتی را می توان به عنوان بازدهی سلول خورشیدی در نقطه توان حداکثر به صورت نسبت میزان حداکثر توان دریافت شده از سلول (Pmax ) به میزان کل توان دریافتی توسط سلول ( Pt ) بیان کرد که توان دریافتی کل سلول ( Pt ) عبارتست از حاصلضرب سطح مفید سلول (A ) در شدت تابش خورشید (Ps ) که با توجه به فرمول راندمان داریم : 
 

3-5-5 : تاثیر افزایش درجه حرارت محیط بر پارامترهای مشخصه الکتریکی سلول خورشیدی : 
هنگامی که یک سلول خورشیدی در حال کار است و جریان را به سمت بار روانه می کند ، درجه حرارت آن از درجه حرارت محیط اطراف بیشتر می شود و این افزایش درجه حرارت با میزان تشعشع خورشیدی مستقیما تغییر می کند . در شرایطی که دمای محیط بالا می باشد ( حدود 25 درجه سانتی گراد ) دمای سلول می تواند تا 50 درجه سانتی گراد برسد ودر دمای محیط حدود 5 درجه سانتیگراد افزایش دما به همان میزان 25 درجه سانتی گراد است و دمای سلول به حدود 30 درجه سانتی گراد می رسد ،در مواقعی که دمای محیط بالا باشد نقطه کار سلول می تواند به قدری بالا برود که باعث بروز صدمات جدی به عملکرد سلول شود .
  افزایش دما ، اثرات نامطلوبی را بر عملکرد سلولها دارد بدین صورت که میزان افت ولتاژ مدار باز سلولها حدود 3/0 تا 4/0 درصد برای هر درجه افزایش دمای محیط می باشد در حالی که افزایش جریان اتصال کوتاه تنها حدود 25 % تا 5 % درصد برای هر درجه افزایش دما است و نتیجه کلی بدین صورت می شود که بازدهی کل سلول به اندازه 5/0 درصد برای هر درجه سانتی گراد افزایش دمای محیط ، کاهش خواهد یافت زیرا این افزایش درجه حرارت اثر کمی در افزایش جریان اتصال کوتاه دارد اما کاهش شدیدی را در میزان ولتاژ مدار باز ایجاد خواهد کرد که در مجموع کاهش توان ماکزیمم در یک میزان ثابت از انرژی تشعشعات جذب شده از خورشید را سبب خواهد شد . 
3- 5 – 6 : تاثیر تغییر میزان انرژی جذب شده از خورشید در منحنی مشخصه الکتریکی سلول خورشیدی 
 سطح انرژی تشعشعات جذب شده توسط سلول فتوولتائیک رابطه مستقیم با توان تولیدی در سلول دارد و در صورت افزایش میزان انرژی جذب شده در سلول ، منحنی مشخصه الکتریکی خروجی سلول تغییر می کند . در قسمت پایین منحنی خروجی یک سلول خورشیدی به ازای سطوح مختلف از جذب انرژی تشعشعات خورشید نمایش داده شده ، که مشاهده می گردد با افزایش سطح تشعشعات جذب شده جریان تولیدی سلول افزایش می یابد که باعث افزایش مقدار توان تولیدی سلول می شود .
 
3- 5 – 7 : افزایش راندمان سلولهای فتوولتائیک 
همانطور که ذکر شد راندمان سیستم های فتو ولتائیک ساده ، با توجه به هزینه بالای تولید سلولهای خورشید در حد 7 تا 15 درصد می باشد که چندان مطلوب نمی باشد و اگر بتوان به روشهایی این راندمان را بالاتر برد ، نیروگاههای فتو ولتائیک دارای توجیه اقتصادی بهتری خواهند شد . همانطور که گفته شد پارامترهای الکتریکی مشخصه ولتاژ – جریان سلول خورشیدی با تغییر شدت نور تغییر خواهد کرد و جریان تولید شده توسط سلول خورشیدی تغییرات زیادی با تغییر شدت تابش نور پیدا می کند و طبیعتا با افزایش سطح انرژی تشعشعات جذب شده توسط سلول ، جریان الکتریکی و در پی آن توان تولیدی سلول افزایش می یابد ، پس نکته مهم در فرایند افزایش راندمان سلولهای خورشیدی ، افزایش سطح نور جذب شده توسط سلول می باشد که این کار به دو روش انجام می گیرد .
  با توجه به حرکت خورشید در طول روز و تغییر زاویه تابش خورشید در طول روز ، ماه و سال و تاثیر مستقیم زاویه تابش خورشید در میزان جذب انرژی تشعشعات خورشیدی ، می توان با استفاده از یک ساختار مکانیکی که در زیر سلولهای خورشیدی نصب می شود و قابلیت حرکت دادن کلکتورها در طول روز برای تعقیب خورشید در آسمان را دارند ، همواره شرایطی را فراهم کرد که تابش خورشید بر روی سلولها به صورت عمودی باشد تا بیشترین میزان جذب انرژی توسط سلولها انجام گیرد و با این روش می توان راندمان سلولهای فتوولتائیک و توان تولیدی آن ها را افزایش داد .
  روش دیگر در افزایش راندمان سلولهای خورشیدی استفاده از متمرکز کننده های خورشیدی است . متمرکز کننده های خورشیدی با توجه با انواع آنها شامل متمرکز کننده صفحه ای ، متمرکز کننده سهموی ترکیبی ، متمرکز کننده تصویری و غیر تصویری و دیش سهمی و غیره می تواند راندمان کاری سلولهای خورشیدی را بین 25 تا 50 درصد افزایش دهند . یک کمیت که اغلب در متمرکز کننده ها بسیار مهم است نسبت تمرکز سیستم می باشد و بدین صورت تعریف می گردد که اگر سطح مجموع لنزهای منعکس کننده 100 برابر سطح سلول خورشیدی باشد ، نسبت تمرکز سیستم 100 می باشد و به صورت X 100 نشان داده میشود و این موضوع بدین معنی است که با استفاده از یک متمرکز کنندهX 100، می توان میزان جذب انرژی را 100 برابر حالت طبیعی دریافت انرژی خورشیدی افزایش داد .
با توجه به مطالب ذکر شده و با ترکیب دو ویژگی فوق یعنی ساخت یک آرایه فوتوولتائیک متحرک با قابلیت تعقیب خورشید ( در دو جهت ) و همچنین استفاده از آینه های منعکس کننده که خود قابلیت حرکت و تنظیم زاویه و افزایش شدت نور بر حسب فصول مختلف سال را دارند می توان راندمان کاری این سلولها را تا حد 80% افزایش داد . 
3 – 5 – 8 : مدار معادل الکتریکی سلول خورشیدی 
یک سلول خورشیدی در حالی که در حین تولید توان الکتریکی است و باری به آن متصل شده را می توان از لحاظ الکتریکی به طور ساده به صورت یک مدار شامل منبع جریان ، دیود و یک مقاومت سری و یک مقاومت موازی مدل کرد . مقاومتها در مدار معادل ، نماینگر تلفات در سلول خورشیدی هستند و تلفات در سلولهای خورشیدی به علت عواملی چون انعکاس نور خورشید در سطح سلول ، جذب فتونها بدون ایجاد الکترون و حفره های آزاد و ترکیب مجدد الکترون و حفره های آزاد شده ، می تواند باشد . در قسمت پایین مدار معادل یک سلول فتوولتائیک را خواهیم دید .
 
با معرفی کمیت هایی Iphoto به عنوان جریان تولید شده توسط تابش نور ،Isat به عنوان جریان اشباع معکوس ، A معرف ضریب وابسته به جنس نیمه هادی ، q معرف بار یک الکترون ، K معرف ثابت بولتزمان ، T معرف دمای سلول بر حسب درجه کلوین و Rs معرف مقاومت سری سلول رابطه ولتاژ خروجی دو سر سلول (uL) و جریان عبوری از بار (IL ) بدین صورت خواهد بود . 
 
3-5-9 : پنل یا مدول خورشیدی 
انرژی الکتریکی خروجی یک سلول خورشیدی به صورت منفرد بسیار محدود است و به منظور تامین مقادیر ولتاژ و جریان در اندازه های بیشتر باید از ترکیب سلول خورشیدی به صورت سری و موازی استفاده کرد . پنل یا مدول خورشیدی به ترکیب سری و موازی ( مختلط) سلولهای خورشیدی برای رسیدن به یک ولتاژ و جریان دلخواه گویند . برای تامین ولتاژهای بیشتر باید تعدادی از سلول های خورشیدی باهم سری شوند و برای تامین جریان های بالاتر باید تعدادی از سلول های خورشیدی با هم موازی شوند . در نتیجه اتصال سری سلولها منحنی مشخصه الکتریکی آنها در محور ولتاژ و در اثر اتصال موازی سلولها منحنی مشخصه الکتریکی آنها در محور جریان به ازای مقدارهای برابر با هم جمع می شود و بدین ترتیب یک منحنی مشخصه الکتریکی خروجی واحد بدست می آید که از دیدگاه مصرف کننده این سلولهای سری و موازی شده مشابه یک سلول خورشیدی منفرد با توان بیشتر خواهد بود .

 3- 6 : تنظیم کننده (MPPT ) 
هنگامی که یک پانل خورشیدی در معرض تابش خورشید قرار می گیرد و در آن پتانسیلی ایجاد می شود و باری را تغذیه می کند همیشه نقطه بارگیری در نقطه توان حداکثر (Pmax) قرار ندارد و با توجه به قیمت بالای سیستم های فوتوولتائیک و اهمیت میزان توان تولیدی سیستم ، همواره ضروری است که نقطه کار در نقطه توان حداکثر قرار گیرد تا بیشترین توان ممکن از پانل خورشیدی دریافت گردد ، این عمل توسط تنظیم کننده نقطه توان حداکثر (MPPT ) انجام می شود . سیستم MPPT با تنظیم جریان آرایه ویا ولتاژ آن ، نقطه کار را به سمت نقطه توان ماکزیمم (MPP ) هدایت می کند . 
3-7 : واحد ذخیره سازی انرژی در سیستم های فوتوولتائیک 
باتغییر شرایط محیط مانند دما و شدت نور، توان تولید شده در سلولهای خورشیدی تغییر خواهد کرد که ممکن است این توان زمانی بیشتروزمانی کمتر از توان مورد نیاز بار باشد ، بنابراین نیاز به یک سیستم ذخیره سازی انرژی الکتریکی تولیدی در سلولهای خورشیدی در سیستم های جدا از شبکه ضروری به نظر می رسد تا توان مازاد تولید شده توسط سلولهای خورشیدی در آن ذخیره شده و در شرایط کاهش تولید الکتریسیته مثل روزهای ابری یا شب ها، کمبود توان مورد نیاز را جبران کند . 
  در حال حاضر روش معمول جهت ذخیره سازی انرژی الکتریکی مازاد سیستم های فوتوولتائیک ، استفاده از باتری های الکتروشیمیایی با قابلیت شارژ مجدد می باشد تا انرژی ذخیره شده در باتری ها ، در مواقع مورد نیاز در اختیار مصرف کننده قرار گیرد . باتری ها در انواع مختلف با سطوح ولتاژ ، جریان ، ظرفیت و مدت زمان دشارژ متفاوت طراحی می گردد و جهت فراهم آوردن ولتاژ و ظرفیت مورد نیاز باتری ها از یک مجموع سری وموازی باتری که به سلول باتری معروف است ، استفاده می شود . در هنگام شارژ باتری الکترونها از آند به سمت بار جاری می شوند این عمل باعث اکسید شدن آند و احیا مواد تشکیل دهنده کاتد به علت جذب الکترونها می گردد . در الکترولیت یون های منفی به سمت آند و یونهای مثبت به سمت کاتد جاری می شود . پروسه دشارژ باتری مشابه حالت شارژ است با این تفاوت که الکترودی که در روند شارژ نقش آند را داشته است در حالت دشارژ نقش کاتد را به خود می گیرد . 
  نوع باتری به کاربرد سلولهای فوتوولتائیک بستگی دارد . برای مثال در کاربردهای فضایی عمدتا از باتری نیکل کادیوم و یا نیکل هیدروژن استفاده می شود . این باتری ها دارای ظرفیت بالایی می باشند و توانایی شارژ و دشارژ نامحدود را دارند ( بدون آسیب دیدگی ) و می توانند سرمای زیادی را تحمل کنند و نیز توانایی باقی ماندن شارژ در مدت زمان زیاد را دارند ولی قیمت زیاد و بازدهی انرژی کم از معایب این باتری ها هستند . 
  نوع دیگر سیستم های پیشرفته ذخیره سازی انرژی ، استفاده از سیستم های متشکل از الکترولایزر و پیل سوختی است . در این سیستم ها انرژی الکتریکی مازاد تولیدی در پانلهای خورشیدی در دستگاه الکترولیز آب جهت تولید هیدروژن مورد استفاده قرار می گیرد ، هیدروژن تولید شده در مخازنی ذخیره می شود و در مواقع نیاز در پیلهای سوختی تولید برق می کند و نیز از هیدروژن ذخیره شده می توان در نیروگاههای متداول حرارتی برای تولید برق یا در تجهیزات گرمایش برای تولید گرما استفاده نمود . 
3- 8 : تنظیم کننده ولتاژ خروجی 
با توجه به این موضوع که ولتاژ خروجی MPPT و نیز باتری ها ( در صورت استفاده از آنها به عنوان ذخیره کننده انرژی ) ثابت نمی ماند و همچنین سطح ولتاژ مورد نیاز در مصرف کننده ها بالا است ، معمولا یک مبدل ولتاژ DC به DC به منظور بالا بردن سطح ولتاژ و تثبیت آن در یک ولتاژ مرجع مورد استفاده قرار می گیرد . 
3- 9 : اینورتر ولتاژ 
اگر مصرف کننده های سیستم فوتوولتائیک از نوع مصرف کننده های با جریان متناوب باشند ، لازم است که ولتاژ خروجی DC تولید شده در پنل فوتوولتائیک توسط یک مبدل به ولتاژ متناوب تبدیل شود که بسته به کاربرد سیستم می تواند تک فاز یا سه فاز باشد . مدار الکترونیکی که کار تبدیل ولتاژ DC به AC را انجام می دهد اینورتر می نامند . ولتاژ DC ورودی به اینورتر یک نیروگاه فوتوولتاییک می تواند از خروجی سلولها یا از خروجی باتری های ذخیره کننده ، به اینورتر متصل شده باشد . مدار یک اینوتور سه فاز DC به AC در قسمت پایین نمایش داده شده است .
  
ولتاژ متناوب فاز به زمین (Vph ) خروجی از اینورتر در فرکانس 50 یا 60 هرتز بر طبق فرمول زیر با ولتاژ DC ورودی اینورتر( ( Vdرابطه دارد . 
 
ولتاژ خط به خط خروجی اینورتر برابر Vph است و در حالت پایدار مقدار توان DC ورودی به اینورتر(Pdc ) برابر با مجموع توان تلف شده در اینورتر و توان خروجی سه فاز اینورتر می باشد و می توان بازده اینورتر را از رابطه مقابل به دست آورد . 
 
که PAC توان خروجی از اینورتر و PDC توان ورودی به اینورتر می باشد . 


3- 10 : طبقه بندی سیستم های فوتوولتائیک از لحاظ نحوه تامین بار مصرف کننده 
امروزه سیستم های فوتوولتائیک در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شوند و سیستم های بیشماری در سراسر جهان در حال تولید الکتریسیته می باشند و با توجه به نوع کاربرد و شرایط و نیاز مصرف کننده ، به دو دسته تقسیم می شوند : 
1 – سیستم های مستقل از شبکه (Stand Alone ) 
2 – سیستم های متصل به شبکه (Grid Connected ) 
  در سیستم های مستقل از شبکه همان طور که از نامشان مشخص است ، بار مصرف کننده ها را به صورت منفرد و مجزا از شبکه سراسری تامین می کنند . در حال حاضر با توجه به در دسترس بودن شبکه سراسری توزیع برق در شهرها و اغلب روستاها و ارزانی برق تولید شده توسط سوخت های فسیلی و از سوی دیگر گرانی و هزینه اولیه زیاد پنل های فوتوولتائیک ، استفاده از این سیستم ها در شرایط عادی از لحاظ اقتصادی توجیه ندارد.
  یکی ازکاربردهای استفاده از سیستم های خورشیدی در شرایطی می باشد که منطقه مورد نظر دور از شبکه برق سراسری باشد (مانند مناطق دور افتاده ، کوهستانی و یا مرزی)و احداث و گسترش شبکه سراسری تا آن نقطه باعث بالا رفتن تلفات خط می شود ونیز هزینه بالایی را می طلبد، در این شرایط استفاده از سیستم فوتوولتائیک دارای توجیه فنی و اقتصادی می باشد و می توان با استفاده از سیستم های فوتوولتائیک جدا از شبکه با هزینه بسیار کمتر به سادگی انرژی مورد نیاز ان منطقه را تامین کردٍ.
  البته هزینه اولیه ساخت نیروگاههای فوتوولتائیک روزبه روز در حال کاهش است به طوری که در سال 1973 هزینه سرمایه گذاری سیستم های فوتوولتائیک 30 بوده و در سال 1977 به دلیل پیشرفت تحقیقات 0بیستم مقدار این هزینه به 5 کاهش یافته است و کارشناسان انرژی براین باورند که وقتی هزینه توان ناشی از سیستم های فوتوولتائیک در حدود 6/1 برسد کاربرد این سیستم ها در شهرها با توجه به رایگان بودن هزینه سوخت آن دارای توجیه اقتصادی خواهد شد . قابل ذکر است واحد به معنی هزینه یک ردیف سلول خورشیدی که 1 وات پیک الکتریکی توان را به هنگامی که سلولها نور شدت 1را دریافت می کنند ، می باشد . 
  نوع دیگر استفاده از سیستم های فوتوولتائیک به صورت متصل به شبکه است ،که نیروگاههای بسیاری با ظرفیت بیش از چند مگاوات در سراسر جهان از این نوع سیستم به بهره برداری رسیده است . یکی از علل استفاده از این سیستم ها ، جبران افت ولتاژ خط انتقال است که با توجه به هزینه بسیار بالای جبران سازی در خطوط انتقال ، این امر دارای توجیه اقتصادی بوده و بررسی ها نشان می دهد استفاده از تنها 10 درصد توان تولیدی سیستم های فوتوولتائیک در باس های خط انتقال مورد نیاز، می تواند نیاز به استفاده از خازن های گران قیمت را بر طرف سازد و اصلاح پروفیل ولتاژ را به خوبی انجام دهد . 
  علاوه بر کاربرد ذکر شده ، استفاده از سیستم های فوتوولتائیک در مساحت های بالا با توجه به تکنولوژی پیشرفته افزایش راندمان پنل ها ، در حال حاضر یکی از منابع تولید انرژی الکتریکی است که مانند دیگر روشهای تولید الکتریسیته در شرایط خاص و مناسب استفاده می شوند و نقشی در تامین توان برق شبکه سراسری را ایفا می کنند . در حال حاضر یک نیروگاه فوتوولتاییک از نوع متصل به شبکه در سایت طالقان با ظرفیت KW 30 در حال کمک به تامین برق شبکه سراسری ایران است واین نیروگاه می تواند سالانه حدود MW 40 توان به شبکه برق سراسری تحویل دهد . 
  یکی دیگر ازمتداول ترین کاربردهای سیستم های متصل به شبکه علاوه برتولیدات نیروگاهی استفاده ازسیستم های فوتوولتائیک درپشت بام های منازل مسکونی جهت تولید برق می باشد . این سیستم ها در عین سادگی بسیار کارآمد بوده و به سهولت بر بام منازل مخصوصا خانه های دارای سقف شیروانی نصب شده و منازل مسکونی که به عنوان مصرف کننده توان شناخته می شدند، حال عملا به یک تولید کننده تبدیل می شوند و در طی روز و در زمان تابش خورشید ، انرژی الکتریکی حاصل از تابش خورشید در پنل های فوتوولتائیک به شبکه برق سراسری تزریق شده و در نهایت میزان مصرف یک خانواده در یک دوره ، از تفاضل انرژی الکتریکی تولیدی و مصرفی آن خانواده محاسبه می گردد .
3-11 : محاسبات مربوط به یک نیروگاه فوتوولتائیک ساده 
با فرض اینکه سیستم نیروگاه فوتوولتائیک مورد نظر باید توان KW 100 را در طول 24 ساعت شبانه روز به مصرف کننده الکتریکی تحویل دهد و با فرض برابر بودن ساعات شب با روز در طول سال ( 12 ساعت شب و 12 ساعت روز ) و استفاده از پنل های خورشیدی با Pmax برابر 200 وات و توان متوسط 5/0 توان Pmax که مساحت هر یک از آنها 25/1 متر مربع است و در نظر گرفتن راندمان باتری ها در حدود 7/0 داریم . 
Eg = Ev + Eb 
که Eg میزان کل انرژی الکتریکی تولیدی نیروگاه در 24 ساعت بر حسب Kwh است و Ev میزان کل انرژی مصرف شده در 12 ساعت روز و Eb میزان انرژی مورد نیاز برای شارژ باتری ها است که هر دو بر حسب Kwh می باشند . 
 
حال چون می دانیم توان متوسط هر سلول برابر با 5/0 توان ماکزیمم آن است پس توان هر سلول برابر 100 وات است که در 12 ساعت مجموعا هر سلول قادر به تولید توان 1200 وات ساعت خواهد بود پس تعداد کل سلولهای مورد نیاز عبارتست از : 

  2430 = 103 2915 ( میزان کل انرژ تولیدی نیروگاه ) Eg = (N ) تعدادکل سلولها 
  1200 (کل انرژی تولید شده در هر سلول فوتوولتائیک ) Ep
  (m2 )2430 1/25 = 3036 = مساحت کل پنل ها
و برای محاسبه باتری ها فرض می شود از باتری های سرب اسید با ولتاژ 24 ولت و ظرفیت 60 آمپر ساعت استفاده کنیم و انرژی ذخیره شده در باتری ها در شب استفاده می شود که در هر باتری با توجه به محاسبات پایین ، 1440 وات ساعت انرژی ذخیره می شود پس تعداد باتری ها برابر می شود با 
60 × 24 = 1440(Wh) = انرژی ذخیره شده در یک باتری 
 = 1714*103 = 1190 میزان انرژی مورد نیاز برای شارژ باتری = تعدادکل باتری ها
1440 انرژی ذخیره شده در یک باتری
پس با استفاده از 2430 پنل با توان متوسط 100 وات و استفاده از 1190 باتری با ظرفیت ذخیره سازی 60 آمپر ساعت می توان در فضای 3036 متر مربع ، توان 100 کیلو وات را برای مصرف کننده در طول 24 ساعت شبانه روز فراهم نمود .
+ نوشته شده در  سه شنبه بیست و ششم بهمن 1389ساعت 11:46 قبل از ظهر  توسط وحید ودوستان  |