دیجیتال
پنل خورشیدی چیست؟
فروردین
پنل های خورشیدی برای نگهداری انرژی خورشید و تبدیل آنها به برق استفاده می شود. نوع معمولی آنها از سلول های خورشیدی مجزایی تشکیل شده اند که هر کدامشان از لایه هایی از سیلیکون، بور و فسفر ساخته می شوند. لایه های بور و فسفر به ترتیب بارهای مثبت و منفی را جمع‌آوری می کنند، و ویفر سیلیکون (Silicon Wafer) نیز نقش یک نیمه هادی را ایفا می نماید.
صفحات خورشیدی که به آنها “پنل ” PV” نیز گفته می شود. برای تبدیل نور خورشید، از ذراتی به نام “فوتون” تشکیل اند و بعد به انرژی الکتریکی تبدیل می شوند که می تواند برای تأمین بارهای الکتریکی استفاده شود.
تاریخچه پنل خورشیدی
توسعه انرژی خورشیدی به بیش از ۱۰۰ سال پیش برمی گردد. در روزهای اولیه، انرژی خورشیدی در درجه اول برای تولید بخار مورد استفاده قرار می گرفت که از آن می شد برای حرکت ماشین آلات استفاده کرد. اما تا زمان کشف “اثر فتوولتائیک” توسط ادموند بکرل بود که امکان تبدیل انرژی الکتریکی خورشید به نور خورشید را فراهم می آورد.
سپس کشف بکرل منجر به اختراع اولین سلول خورشیدی اصلی توسط چارلز فریتس شد که با پوشاندن ورق های سلنیوم با یک لایه نازک از طلا تشکیل شده بود. و این آغاز رشد دستگاهی بوجود می آید که امروزه به عنوان پنل خورشیدی می شناسیم.
راسل اول ، مخترع آمریکایی شاغل درآزمایشگاه های بل ، در سال ۱۹۴۱ اولین سلول خورشیدی سیلیکونی را ثبت اختراع کرد. اختراع اول منجر به تولید اولین صفحه خورشیدی در سال ۱۹۵۴ توسط همان شرکت شد. صفحات خورشیدی اولین کاربرد اصلی خود را در ماهواره های فضایی یافتند. برای اغلب مردم ، اولین پنل خورشیدی احتمالاً در ماشین حساب جدید آن دوران دیده شد- حدود دهه ۱۹۷۰! امروزه از پنل های خورشیدی و سیستم های تکمیل کننده آن برای تأمین طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شود. هر چند هنوز صفحات خورشیدی به صورت سلول خورشیدی در ماشین حساب استفاده می شود. ولی ، آنها تا جایی رشد کرده اند که برای تأمین انرژی خورشیدی کل یک خانه ، ساختمانهای تجاری ، مانند مقر Google در کالیفرنیا ، یا حتی یک شهر کوچک مورد استفاده قرار می گیرند.
پنل خورشیدی چگونه کار می کند؟
صفحات خورشیدی تمیز انرژی تجدید پذیر را به شکل نور خورشید جمع می کنند و آن نور را به برق تبدیل می کنند و سپس می تواند برای تأمین برق بارهای الکتریکی استفاده شود. صفحات خورشیدی از چندین سلول خورشیدی جداگانه تشکیل شده است که خود از لایه های سیلیکون ، فسفر (که بار منفی را تأمین می کند) و بور (که بار مثبت را تأمین می کند تشکیل شده اند. صفحات خورشیدی فوتون ها را جذب می کنند و با این کار جریان الکتریکی ایجاد می کنند. انرژی حاصل از فوتونهایی که به سطح صفحه خورشیدی برخورد می کنند ، باعث می شود الکترونها از مدار اتمی خود خارج شده و در میدان الکتریکی تولید شده توسط سلولهای خورشیدی آزاد شوند و سپس این الکترونهای آزاد بصورت یک جریان الکتریکی مستقیم (DC) خارج شود. کل این فرآیند به عنوان اثر فتوولتائیک شناخته می شود. جالب است بدانید یک خانه متوسط به اندازه مساحت سقف خود فضای کافی برای نصب تعداد لازم پنل به منظور تولید انرژی الکتریکی و تأمین تمام نیاز خود دارد و حتی برق اضافی تولید شده می در باطریهایی ذخیره شده و در شب مورد استفاده ساکنین منزل قرار گیرد.
مزایای پنل های خورشیدی
استفاده از صفحات خورشیدی یک روش کاملاً کاربردی برای تولید برق برای بسیاری از مصارف است. به عنوان مثال که اگر محل زندگی خارج از شبکه برق باشد به این معنا که زندگی در مکانی است که توسط شبکه اصلی برق تأمین نمی شود این پنل ها به کمک تجهیزات دیگر مثل اینورتر(شتاب دهنده) و باتری می توانند برق ۲۴ ساعته را برای شما تامین کنند . شاید راه اندازی یک سیستم تامین برق خورشیدی به طور بالقوه گران باشد ولی در صورت نگهداری صحیح می تواند برای سه دهه(۳۰سال) یا بیشتر انرژی مورد نیازتان را تأمین کند.
ضمنا این واقعیت که پنل های خورشیدی امکان زندگی در خارج از شبکه را فراهم می کنند ، شاید بزرگترین مزیتی باشد که از استفاده از انرژی خورشیدی می توان برد در عین حالی که ین برق تولیدی هم منبع تمیز و هم تجدید پذیر انرژی است. می دانید که با ظهور تغییرات آب و هوایی جهانی ، بسیار حائز اهمیت شده است که ما هر کاری از دستمان بر می آید برای کاهش فشار وارد شده بر جو زمین ناشی از انتشار گازهای گلخانه ای انجام دهیم. صفحات خورشیدی فاقد قطعات متحرک بوده و نیاز به نگهداری کمی دارند. آنها محکم ساخته شده اند و برای دهه ها دوام می آورند.
واما نه کم اهمیت ترین مزایای صفحات خورشیدی و انرژی خورشیدی این است که ، هنگامی که یک مشترک هزینه های نصب اولیه خود را پرداخت کرد ، برق تولید شده برای باقیمانده عمر سیستم ، که می تواند تا ۱۵-۲۰ سال بسته به کیفیت سیستم باشد، کاملاً رایگان است!
سلول خورشیدی استاندارد
یک سلول پنل خورشیدی استاندارد حاوی دو لایه سیلیکون است که معمولاً به دلیل رفتار بار منفی و مثبت آنها “نوع n” و “نوع p” نامیده می شود. یک پنل خورشیدی زمانی که نور خورشید به سلولهای خورشیدی برخورد می‌کند، الکتریسیته ایجاد می‌کند و الکترونها را از لایه نوع n جدا می‌کند، زیرا لایه نوع p آنها را می‌پذیرد و میدان الکتریکی ایجاد می‌کند.
کل این فرآیند اثر فتوولتاییک نامیده می شود، به همین دلیل است که پنل های خورشیدی به پنل های فتوولتاییک یا PV هم معروف هستند. غالباً یک پنل خورشیدی معمولی حاوی ۶۰، ۷۲ یا ۹۰ سلول خورشیدی مجزاست.
(منبع: Aurora Solar – مقطع ساده شده یک سلول خورشیدی سیلیکونی.)
از مقطع فوق، می‌توان دید که نور خورشید (قرمز) به سلول خورشیدی برخورد می‌کند و نور الکترونهای (آبی) را در داخل ماده سیلیکونی شل می‌کند. الکترون هایی که راه خود را به تماس الکتریکی باز می کنند، می توانند از طریق یک مدار متصل جریان یافته و انرژی الکتریکی را فراهم کنند.
(منبع نمودار: Aurora Solar)
اکثر ماژول های سیلیکونی دارای لایه هایی هستند که به جلوگیری از تلفات کمک می کند. در همین حال، لایه جلویی تلفات بازتابی را کاهش می دهد و از گم شدن الکترون ها در لبه جلویی جلوگیری می کند. سپس میدان سطح پشتی، الکترونها را دفع می‌کند و تعداد آنها را به تماس عقب کاهش می‌دهد.
سلول خورشیدی PERC
PERC مخفف عبارت ” passivated emitter and rear contact” یا ” rear cell” است. علاوه بر این، پنل های خورشیدی ساخته شده با سلول های PERC دارای یک لایه اضافی در پشت سلول های خورشیدی قدیمی هستند. در نتیجه، این لایه اضافی اجازه می دهد تا نور خورشید بیشتری جذب شود و به الکتریسیته تبدیل شود و سلول های PERC کارآمدتر از سلول های قدیمی باشد. همچنین، ماژول‌های PERC می‌توانند نوترکیب عقب را کاهش دهند و از تبدیل شدن طول موج‌های طولانی‌تر به گرما که عملکرد سلول را مختل می‌کند، جلوگیری می‌کنند.
(منبع نمودار: Aurora Solar)
ما می توانیم از ماژول های PERC برای به حداکثر رساندن تولید در یک منطقه سقف محدود استفاده کنیم. سپس، اگر روی مناطق یا ساختمانهای کوچک نیمه سایه نصب می‌کنید، ماژول‌های PERC گزینه خوبی خواهند بود.
۴ نوع اصلی پنل خورشیدی
امروزه پنل های خورشیدی موجود در بازار به ۴ نوع اصلی تقسیم می شوند: پنل های مونو کریستال (Monocrystalline)، پلی کریستال (Polycrystalline)، PERC و پنل های فیلم نازک (Thin-Film).
پنل های خورشیدی مونو کریستال
این پنل ها که به پنل های تک بلوری هم معروف هستند؛ از طریق یک کریستال (بلور) سیلیکونی خالص که به صورت ویفرهای متعددی برش می خورد، ساخته می شوند. از آنجاییکه آنها با سیلیکون خالص تولید می گردند؛ لذا به راحتی به واسطه رنگ سیاه تیره پشت شان قابل شناسایی هستند. در ضمن استفاده از سیلیکون خالص باعث می شود تا پنل های مونو کریستالی در بین سایر انواع پنل های خورشیدی از دو جنبه استفاده بهینه از فضا و دوام زیاد، برتری داشته باشند.
با این حال ساخت آنها بسیار هزینه بر است؛ چرا که مقدار زیادی سیلیکون برای تولید یک سلول تک بلوری تلف می شود (درصد اتلاف سیلیکون گاهی اوقات حتی به ۵۰% هم می رسد). به همین دلیل این پنل ها غالباً قیمت های گزافی دارند.
پنل های خورشیدی پلی کریستالی
همانطور که از نامشان پیداست؛ منشاء آنها برخلاف پنل های مونو کریستالی، ناشی از چند بلور سیلیکونی متفاوت است. برای تولید پنل های خورشیدی پلی کریستالی، قطعات سیلیکون ذوب گردیده و در قالب های مربعی ریخته می شوند. به همین دلیل سلول های پلی کریستالی بسیار مقرون به صرفه تر از نوع قبلی هستند؛ زیرا ضایعات آنها بسیار محدود بوده و شکل مربعی مشخصی دارند.
با این حال همین امر باعث می شود تا آنها از نظر تبدیل انرژی و فضای اشغالی کارآیی پایین تری داشته باشند؛ زیرا خلوص سیلیکون و ساختار آنها نسبت به سلول های مونو کریستالی در سطح پایین تری قرار دارد. در ضمن مقاومت این پنل ها در برابر حرارت پایین تر است؛ لذا در محیط های با دمای بالا کارآیی کمتری دارند.
پنل های PERC
پنل های خورشیدی PERC که از دو فناوری ساطع کننده غیر فعال (Passivated Emitter) و سلول عقبی (Rear Cell) استفاده می کنند؛ در اصل نسخه ای اصلاح شده از سلول های مونو کریستالی سنتی هستند. این فناوری نسبتاً جدید با افزودن یک لایه غیر فعال به سطح پشتی سلول، کارآیی آن را در قالب روش های زیر ارتقا می دهد:
- باعث انعکاس نور به داخل سلول می شود؛ از این رو مقدار تابش خورشیدی جذب شده افزایش می یابد.
- باعث کاهش تمایل طبیعی الکترون ها به ادغام مجدد و مهار جریان الکترون ها در سیستم می شود.
- اجازه می دهد طول موج های بیشتری از نور خورشید منعکس شوند. از آنجاییکه امواج نوری با طول موج بیش از ۱۱۸۰ نانومتر نمیتوانند توسط ویفرهای سیلیکونی جذب شوند و به سادگی از آنها عبور کنند؛ لذا نهایتاً ورقه فلزی پشت سلول گرم شده و کارآیی آن کاهش می یابد. لایه غیر فعال مذکور، این طول موج های بلندتر را منعکس کرده و از گرم شدن صفحه پشتی سلول خورشیدی جلوگیری می کند.
پنل های PERC امکان جمع آوری انرژی خورشیدی بیشتری را در قالب سطوح کوچک تر فراهم می کنند؛ به همین دلیل برای فضاهای محدود بسیار مناسب می باشند. روند تولید آنها به دلیل وجود مواد اضافی مورد نیاز، تنها اندکی گران تر از تولید پنل های سنتی است؛ اما در عوض می توان آنها را با استفاده از همان تجهیزات تولید سنتی پنل ها تولید کرد. با این حال به دلیل افزایش کارآیی شان، متوسط هزینه تولید هر وات انرژی کاهش می یابد.
پنل های خورشیدی فیلم نازک
مشخصه پنل های خورشیدی فیلم نازک، لایه های بسیار ظریفی است که به دلیل نازک بودن، انعطاف پذیر هستند. در اینجا هر پنل به قاب پشتی نیاز ندارد؛ پس سبک تر بوده و راحت تر نصب می شوند. این پنل ها برخلاف پنل های سیلیکونی کریستالی که تنها در اندازه های استاندارد ۶۰، ۷۲ و ۹۶ سلولی عرضه می شوند؛ این قابلیت را دارند که در اندازه های مختلف مطابق با نیازهای خاص تولید گردند. در ضمن آنها نسبت به پنل های خورشیدی سیلیکونی معمولی، کارآیی کمتری دارند.
