تولید برق فتوولتائیک: کاوش در اعماق

تولید برق فتوولتائیک، با استفاده از اثر فتوولتائیک در رابط های نیمه هادی، مستقیماً انرژی نوری را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این فناوری شامل سه جزء ضروری است: پنل های خورشیدی (ماژول ها)، کنترلرها و اینورترها. این قطعات، عمدتاً از عناصر الکترونیکی تشکیل شده‌اند، در یک سیستم تولید برق فتوولتائیک یکپارچه با هم ترکیب می‌شوند.

با مزایای متمایز خود، انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گرفته است. تشعشعات خورشیدی فراوان به عنوان یک منبع انرژی حیاتی پدیدار شده است که ویژگی هایی مانند در دسترس بودن بی حد و حصر، ویژگی های بدون آلودگی، مقرون به صرفه بودن و دسترسی نامحدود را در خود دارد. هجوم انرژی خورشیدی در سطح زمین می تواند به سطوح قابل توجه 800 مگاوات ساعت در ثانیه برسد. ویژگی های فریبنده انرژی خورشیدی از دهه 1980 به سیر رشد آن دامن زده است.

اصول اساسی

در هسته تولید برق فتوولتائیک، اثر فوتوالکتریک در نیمه هادی ها قرار دارد. پس از تابش فوتون ها، این نیمه هادی ها انرژی را جذب کرده و الکترون ها را آزاد می کنند. هنگامی که این انرژی آزاد شده بر نیروهای اتصال درون اتم غلبه کند، جریان الکتریکی تشکیل می دهد. سیلیسیم با چهار الکترون بیرونی خود با ترکیب پنج الکترون خارجی از عناصری مانند فسفر به نیمه هادی های نوع N تبدیل می شود. برعکس، بور نیمه هادی های نوع P را تولید می کند. اتصال نیمه هادی های نوع P و نوع N باعث ایجاد اختلاف پتانسیل می شود و سلول خورشیدی را به وجود می آورد. هنگامی که نور خورشید به محل اتصال PN برخورد می کند، جریانی از نوع P به سمت نوع N می رود.

اثر فوتوالکتریک، یک پدیده محوری در فیزیک، زمانی آشکار می شود که مواد خاصی انرژی امواج الکترومغناطیسی را بالاتر از یک فرکانس خاص جذب می کنند و جریان الکتریسیته نوری تولید می کنند.

تولید سیلیکون پلی کریستالی در شمش ها، برش ها و ویفرهای سیلیکونی به اوج خود می رسد که سپس پردازش می شوند. وارد کردن مقادیر کمی از بور و فسفر به ویفر سیلیکونی یک اتصال PN را تشکیل می دهد. چاپ توری ابریشم بعدی، استفاده از خمیر نقره ریز همسان، تف جوشی، کاربرد الکترود پشتی و رسوب پوشش ضد انعکاس مونتاژ سلول خورشیدی را کامل می کند. این سلول‌ها به صورت ماژول‌هایی ترکیب می‌شوند که در محفظه‌ای آلومینیومی با پوشش شیشه‌ای در قسمت جلو، و مجهز به الکترودهای عقب قرار گرفته‌اند. همراه با دستگاه های کمکی، این یک سیستم تولید برق فتوولتائیک را تشکیل می دهد. تبدیل DC به AC نیاز به یک اینورتر دارد که امکان تزریق برق به شبکه عمومی یا ذخیره باتری را فراهم می کند. اجزای باتری معمولاً 50 درصد هزینه‌های سیستم را تشکیل می‌دهند و بقیه شامل مبدل‌ها، هزینه‌های نصب، قطعات کمکی و سایر هزینه‌ها می‌شود.

مزایا و معایب

مزایا

در برابر پس‌زمینه منابع محدود انرژی متعارف در سراسر جهان، انرژی خورشیدی به عنوان یک چراغ راهنما ظاهر می‌شود. ذخایر محدود سوخت فسیلی چین در مقایسه با میانگین جهانی کمرنگ است و تنها 10 درصد است. انرژی خورشیدی، منبعی قابل تجدید، ایمن، بدون سر و صدا و بدون آلودگی است که با محدودیت های جغرافیایی محدود نمی شود. کاربردهای آن روی پشت بام ها، مناطقی با زمین های پیچیده و موارد دیگر را شامل می شود. انرژی خورشیدی نیاز به مصرف سوخت و تولید برق در محل را از بین می برد و به خوبی با استراتژی های انرژی بلند مدت همسو می شود.

در مقایسه با تولید برق حرارتی معمولی، تولید برق فتوولتائیک دارای چندین مزیت است:

1: بدون خطرات ذاتی

2: کاملا ایمن و قابل اعتماد، عاری از سر و صدا و آلودگی

3: غیرقابل نفوذ در برابر محدودیت های جغرافیایی، مناسب برای مکان های مختلف

4: مستقل از سوخت، نیاز به تولید برق در محل را از بین می برد

5: انرژی با کیفیت بالا ارائه می دهد

6: از نظر عاطفی توسط کاربران پذیرفته شده است

7: چرخه ساخت و ساز سریع و تولید انرژی مقرون به صرفه

معایب

با این حال، تولید پنل های خورشیدی می تواند انرژی بر و برای محیط زیست مضر باشد. تولید پنل های خورشیدی فعلی، در حالی که برای جهان مفید است، می تواند آلودگی خارجی ایجاد کند و در داخل کشور را آلوده کند. ساخت یک پنل خورشیدی 1 متر در 1.5 متر نیاز به سوزاندن بیش از 40 کیلوگرم زغال سنگ دارد، در حالی که کارآمدترین نیروگاه های حرارتی چینی می توانند 130 کیلووات ساعت برق با همان مقدار زغال سنگ تولید کنند. علاوه بر این، چالش ها عبارتند از:

1: چگالی انرژی کم که نیاز به استفاده گسترده از زمین دارد

2:تولید انرژی متغیر بر اساس شرایط هواشناسی

3: هزینه تولید بالاتر در مقایسه با توان حرارتی

4: فرآیندهای تولید غیر دوستدار محیط زیست برای پانل های فتوولتائیک

طبقه بندی سیستم ها

تولید برق فتوولتائیک مستقل

تولید برق فتوولتائیک مستقل که به عنوان تولید برق فتوولتائیک خارج از شبکه نیز شناخته می شود، از پنل های خورشیدی، کنترلرها و باتری ها تشکیل شده است. در مواردی که نیاز به برق متناوب دارند، یک اینورتر ضروری است. این برنامه کاربردی مانند منبع تغذیه روستا در مناطق دورافتاده، سیستم های برق خانگی خورشیدی، منبع تغذیه سیگنال ارتباطی، حفاظت کاتد، و روشنایی خیابان خورشیدی را ارائه می دهد.

تولید برق فتوولتائیک متصل به شبکه

تولید برق فتوولتائیک متصل به شبکه، الکتریسیته DC را از صفحات خورشیدی به برق AC تبدیل می‌کند که استانداردهای شبکه برق شهری را از طریق اینورترهای متصل به شبکه برآورده می‌کند. این طبقه بندی شامل سیستم های با و بدون ذخیره سازی باتری می شود.

سیستم های متصل به شبکه با باتری ویژگی های قابل تنظیمی را ارائه می دهند و می توانند در صورت نیاز به شبکه برق متصل یا جدا شوند. آنها می توانند به عنوان پشتیبان اضطراری در هنگام قطع برق عمل کنند. چنین سیستم هایی اغلب در ساختمان های مسکونی نصب می شوند. از سوی دیگر، سیستم‌های متصل به شبکه بدون باتری، برنامه‌ریزی انرژی و عملکردهای پشتیبان را ارائه می‌کنند و معمولاً برای تأسیسات بزرگ‌تر استفاده می‌شوند.

تولید برق فتوولتائیک پراکنده

تولید برق فتوولتائیک پراکنده مستلزم سیستم‌های فتوولتائیک در مقیاس کوچک در محل‌های کاربری یا نزدیک به آن است تا نیازهای انرژی خاص را برآورده کند یا شبکه برق موجود را تقویت کند. این شامل اجزایی مانند پانل های فتوولتائیک، براکت ها، جعبه های اتصال DC، اینورترهای متصل به شبکه و کابینت های توزیع برق AC است. این سیستم که تحت تابش خورشیدی کار می کند، انرژی خورشیدی را به برق DC تبدیل می کند و با اتصال به شبکه، تعادل انرژی را تنظیم می کند.