بیلدینگ پلاس
بیلدینگ پلاس

سلول های خورشیدی فتوولتائیک ( پنل فتوولتائیک )

از انرژی خورشیدی و تابش خورشیدی برای تولید انرژی گرمایی ، نور و قدرت به شکل برق ( انرزی الکتریکی ) استفاده می شود. این نوشته استفاده از انرژی خورشیدی و تبدیل آن به برق را معرفی و شرح می دهد. در این مقاله به بررسی و چگونگی ساخت و کارکرد سلول های خورشیدی در پنل فتوولتائیک پرداخته شده است و همچنین انواع سلول های خورشیدی نیز شرح داده شده اند. در ادامه نیز به چگونگی محاسبه مقدار تولید برق خورشیدی هر سلول خورشیدی با کمک منحنی ولتاژ و جریان ( VI ) پرداخته می شود. در پایان فیلم نحوه تولید برق خورشیدی سلول های فتوولتائیک نمایش داده می شود.

چگونه پنل خورشیدی برای تولید برق خورشیدی بسازیم. سلول های خورشیدی فتوولتائیک

استفاده از پنل خورشیدی فتوولتائیک برای تولید برق خورشیدی

انرژی خورشیدی می تواند به عنوان برق خورشیدی مورد استفاده قرار گیرد و کلید استفاده از انرژی خورشیدی در سلول های خورشیدی یا پنل فتوولتائیک می باشد. انرژی خورشیدی قابل اعتماد ترین و پاکترین انرژی های تجدید پذیر است زیرا نور خورشید در همه جا به راحتی  در دسترس می باشد و می توان با استفاده از پنل خورشیدی ، انرژی الکتریکی یا برق خورشیدی تولید کرد. پنل فتوولتائیک با اتوجه به اثر فتوولتائیک عمل می کند و از لحاظ فنی به نام سلول های خورشیدی فتوولتائیک یا PV شناخته می شوند.

پنل خورشیدی فتوولتائیک ، یک تجهیز نیمه هادی سیلیکونی شبیه به دیود های الکترونیکی و ترانزیستوری می باشد. پنل فتوولتائیک بدون استفاده از بخش متحرک ، تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی را انجام می دهد و نور خورشیدی که شامل نور مرئی ، اشعه ماوراء بنفش ( UV ) و تابش مادون قرمز ( RI ) است ، با استفاده از اثر فتوولتائیک سلول های خورشیدی به برق خورشیدی تبدیل می شود. یکی از انواع پنل های خورشیدی فتوولتائیک ، نوع سیلیکونی می باشد که از نیمه هادی های سیلیکون مخصوص تولید شده است و به عنوان پنل خورشیدی فتوولتائیک سیلیکونی شناخته می شود.

نور خورشید تمیز ، قابل دسترس و آسان است و برای تولید برق خورشیدی ، تنها هزینه اولیه احداث نیروگاه خورشیدی و خرید پنل خورشیدی مهم می باشد. احداث نیروگاه خورشیدی خانگی ، یک انتخاب ایده آل برای تولید برق خانگی و یک درآمد زایی فوق العاده در ایران محسوب می شود. نیروگاه برق خورشیدی بسیار سازگار با محیط زیست می باشد و هیچ گونه آلودگی هوا یا آب را در پی ندارد. همچنین هیچ گونه مواد زائد یا زباله ای به صورت پسماند ندارد و یک سیستم امن و آرام برای آینده محسوب می شود.

تبدیل نور خورشید به برق در سلول خورشیدی

تولید برق خورشیدی از سلول خورشیدی شروع می شود. سلول های فتوولتائیک ( PV ) قطعات نیمه هادی سیلیکونی هستند که به صورت لایه بندی و با ناخالصی خاصی ساخته می شوند. این ناخالصی ها موجب فراوانی الکترون های آزاد ( منفی ) و حفره ها ( مثبت ) در ساختار شبکه پنل فتوولتائیک می شوند. سلول های فتوولتائیک ، انرژی خورشیدی را به یک جریان الکتریکی ضعیف با ولتاژ خروجی بین ۰٫۵ تا ۰٫۶ ولت تبدیل می کنند که این انرژی برق می تواند با استفاده از باتری های خورشیدی ذخیره شود.

سلول های خورشیدی فتوولتائیک یک جریان DC متغیر تولید می کنند که با سایز پنل فتوولتائیک خورشیدی و مقدار تابش خورشید بر روی لایه های سلول فتوولتائیک تناسب دارند. صفحات نیمه هادی سیلیکونی ، شامل یک لایه مثبت P-type و یک لایه منفی N-type هستند که این لایه ها با یکدیگر ترکیب می شوند و یک اتصال PN را ایجاد می کنند. ساختار سلول های فتوولتائیک خورشیدی بسیار شبیه به دیود اتصال PN می باشد.

سلول خورشیدی فتوولتائیک از بلور های سیلیکون ساخته شده است که اتم های کریستال سیلیکون دارای چهار الکترون در مدار خارجی خود هستند. این چهار الکترون با اتم های سیلیکون کنار خود به اشتراک گذاشته می شوند تا اوربیتالی کامل از هشت الکترون با ساختاری پایدار را ایجاد کند. با تابش نور خورشید به لایه های سیلیکونی پنل فتوولتائیک خورشیدی ،  الکترون های اربیتال آخر اتم سیلیکون به الکترون های آزاد تبدیل می شوند. به عبارت دیگر ، با ایجاد قطب های مثبت و منفی در صفحه خورشیدی ، این الکترون های آزاد در هادی های صفحه خورشیدی ، جریان می یابند.

انواع پنل های خورشیدی خانگی متصل به شبکه

پنل فتوولتائیک خانگی

پنل خورشیدی نیمه هادی نوع N

برای ایجاد الکترون آزاد ، به کریستال سیلیکون مقداری ناخالصی از اتم فسفر اضافه می شود که این اتم های فسفر ۵ الکترون در لایه های بیرونی خود برای اشتراک گذاری دارند. بنابراین اتم های فسفر ۵ الکترونی با اتم های همسایه سیلیکونی که ۴ الکترون در لایه بیرونی خود دارند ، به اشتراک می گذارند و یک الکترون آزاد می ماند که با گرفتن کمی انرژی و تابش فوتون های نوری به حرکت در می آید و به سمت قطب های پنل فتوولتائیک به جریان در می آید. بنابراین هنگامی که یک الکترون اضافی در مجاورت اتم های سیلیکون و فسفر باقی می ماند ، پانل خورشیدی نوع N با قطب منفی را تشکیل می دهد. به سلول های خورشیدی نوع N اهدا کننده الکترون نیز می گویند و جریان با حرکت الکترون ها اتفاق می افتد.

قیمت پنل های خورشیدی خانگی

نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه

پنل فتوولتائیک نیمه هادی نوع P

اگر به بلور های سیلیکون ، ناخالصی بور ( B ) با ۳ الکترون در لایه خارجی و ۵ حفره ( جای خالی الکترون در اتم با پلاریته مثبت ) برای اشتراک گذاری اضافه کنند ، آنگاه سلول خورشیدی نوع P ساخته می شود که تنها ۳ الکترون در لایه آخر خود دارد و ۵ الکترون برای تکمیل اربیتال خود و پایداری نیازمند می باشد. بنابراین در کنار بلور های سیلیکون با ۴ الکترون قابل اشتراک ، اتصال پایدار امکان پذیر نیست و یک حفره با پلاریته مثبت ایجاد می شود.

در این نوع ساختار ، یک حفره در بلور سیلیکون همواره وجود دارد، با تابش نور خورشید به پنل فتوولتائیک ، یک الکترون همسایه به حفره و جای خالی حرکت می کند. بنابراین الکترون برانگیخته شده با فوتون نوری ،یک حفره یا حای خالی در پشت خود باقی گذاشته است که هر حفره سلول خورشیدی به نوبه خود الکترون دیگری را جذب می کند و یک جریان مثبت عبوری از طریق ساختار بلوری نیمه رسانا ایجاد می شود. این حرکت حفره ها با پلاریته مثبت باعث ایجاد قطب مثبت می شود.

حرکت حفره ها منجر به کمبود الکترون در سیلیکون می شود که کل کریستال سلول خورشیدی را به قطب مثبت تبدیل می کند. بنابراین ماده نیمه هادی نوع P دارای حفره های بیشتری نسبت به الکترون ها است و هر اتم ناخالصی بور یک حفره ایجاد می کند. سلول های خورشیدی نوع P به طور کلی به عنوان “پذیرنده ها” شناخته می شوند، زیرا آنها به طور مداوم “الکترون” اضافی یا آزاد را به سمت خود جذب می کنند.

سیستم خورشیدی منفصل از شبکه

احداث نیروگاه خورشیدی در منزل

سلول های خورشیدی

به طور کلی نیمه هادی های نوع N و نوع P به صورت الکتریکی خنثی هستند، اما هنگامی که در لایه های مختلف سلول های خورشیدی قرار می گیرند و ترکیب می شوند ، باعث ایجاد و شارش جریان می شوند. یعنی الکترون های آزاد نوع N با دریافت کمی انرژی ، مانند فوتون نوری ، برانگیخته می شوند و به سمت حفره های نیمه هادی نوع P حرکت می کنند. حرکت الکترون ها را جریان الکتریکی می نامند.

نور خورشید یک تابش الکترومغناطیسی محسوب می شود و از واحدهای بسیار کوچک انرژی به نام فوتون تشکیل شده است. هنگامی که یک فوتون نوری ، به پیوندهای PN سلول های خورشیدی برخورد می کند، انرژی فوتون باعث برانگیختگی الکترون های آزاد می شود و این امر موجب می شود که الکترون های آزاد بتوانند آزادانه از طریق لایه تخلیه حرکت کنند و یک حفره یا یک بار مثبت را جایگزین کنند.

در نیمه هادی نوع P این الکترون های آزاد به راحتی از طریق لایه تخلیه به سمت نیمه هادی نوع N عبور می کنند، اما این حرکت الکترون ها یک طرفه است، زیرا الکترون ها قادر به عبور از لایه تخلیه به سمت نوع P نیستند. در نتیجه، الکترون های آزاد در مواد نیمه هادی نوع N  بیشتر می شوند که یک جریان الکتریکی را درون سلول خورشیدی ایجاد می کنند و تا زمانی که پنل فتوولتائیک در معرض نور خورشید قرار گیرد، به طور نامحدود تولید برق خورشیدی ادامه می یابد. سیم های کوچک فلزی به مواد نیمه هادی نوع P و N متصل می شوند تا این انرژی الکتریکی تولیدی را به شکل جریان مستقیم DC به کار ببندند که در شکل زیر نشان داده شده است.

سلول خورشیدی چگونه ساخته می شود و برق را تولید می کند

چگونگی ساخت سلول های خورشیدی فتوولتائیک

سلول خورشیدی فتوولتائیک از لایه های سیلیکونی تشکیل شده و با پوشش ضد انعکاسی پوشانده شده اند تا به راحتی جذب نور خورشید میسر شود. سیم های الکتریکی اتصال بین مواد نیمه هادی و بار الکتریکی خارجی مانند لامپ الکتریکی یا باتری را فراهم می کنند. هنگامی که نور خورشید به یک سلول خورشیدی تابیده می شود، فوتون های نوری به سطح مواد نیمه هادی برخورد می کنند و الکترون ها را از ساختار اتم جدا می کنند. برخی از مواد شیمیایی ناخالص به ترکیب نیمه هادی ها اضافه می شود تا به ایجاد بیشتر الکترون های آزاد کمک کند.

نوار های فلزی در سراسر سطح سلول فوتوولتائیک قرار می گیرند تا این الکترون های آزاد شده را جمع آوری کنند و اتصال مثبت را تشکیل دهند. در صفحهی پشتی پنل فتوولتائیک ، شامل یک لایه از آلومینیوم یا مولیبدن فلز است که اتصال منفی سلول های خورشیدی را تشکیل می دهد. سپس یک سلول خورشیدی فتوولتائیک دو قطب الکتریکی ( یک مثبت و یک منفی ) برای شارش جریان معمولی دارد.

نیروگاه برق خورشیدی با استراکچر فلزی قابل ردیاب خورشیدی

پنل با استراکچر قابل ردیاب خورشیدی

مقدار تولید انرژی برق توسط سلول های خورشیدی

نوع سیستم برق خورشیدی که توسط سلول های خورشیدی فتوولتائیک تولید می شود، جریان مستقیم DC  نامیده می شود. در اکثر سلول های خورشیدی فتوولتائیک ، ولتاژ مدار باز یا بدون بار از حدود ۰٫۵ تا ۰٫۶ ولت می باشد. این ولتاژ خروجی ( OUT ) به تقاضای جریان بار ( I ) بستگی دارد. به عنوان مثال در اوایل صبح که تقاضا برای تولید کم است ، سلول می تواند ولتاژ خروجی کامل و با جریان خروجی کاهش یافته ارائه دهد. اما با افزایش تقاضای بار ، افزایش نور خورشید برای حفظ ولتاژ خروجی مورد نیاز است.

با این وجود محدودیت فیزیکی برای حداکثر جریان یک سلول خورشیدی فتوولتائیک وجود دارد. این جریان حداکثر تحویل نامیده می شود و با عنوان MAX نشان داده می شود. مقدار MAX یک سلول خورشیدی فتوولتائیک به موارد زیر بستگی دارد که عبارتند از :

  • اندازه یا سایز سلول خورشیدی
  • مقدار تابش نور مستقیم خورشید
  • نوع ماده نیمه هادی برای سلول های خورشیدی سیلیکونی مانند : ارسنید گالیم ، سولفید کادمیوم ، تلورید کادمیوم
نصب و احداث پنل خورشیدی خانگی

نصب و احداث پنل های خورشیدی بر روی سقف

بیشتر سلول های خورشیدی فتوولتائیک که در بازار تجاری در دسترس هستند دارای رتبه های انرژی خورشیدی هستند که نشان دهنده حداکثر توان خورشیدی قابل تولید می باشد و با یکای وات بیان می شود. حداکثر توان تولیدی سلول خورشیدی برابر است با حاصل ضرب ولتاژ سلول ( V ) ضرب در جریان سلول ( I ) که به صورت زیر نشان داده شده است :

فرمول محاسبه توان انرژی خورشیدی

حداکثر جریان خروجی سلول فتوولتائیک سیلیکونی ۰٫۵ ولت با حداکثر توان خروجی ۱٫۷۵ وات در هنگام تابش کامل خورشید ، برابر است با ۳٫۵ آمپر که این حداکثر جریان از لحاظ نظری و تئوری می باشد و جریان واقعی با نرخ تابش فوتون های نوری تعیین می شود. مقدار جریان الکتریکی تولید شده توسط سلول خورشیدی فتوولتائیک ، به شرایط دمایی منطقه ، تابش نور خورشید و مقدار سایه یا پوشش ابری بستگی دارد.

همانگونه که می دانیم شرایط استاندارد نور خورشید در یک روز روشن در استوا در ظهر، به میزان ۱۰۰۰ وات انرژی خورشیدی در هر متر مربع ( ۱۰۰۰ وات بر متر مربع یا ۱ کیلو وات بر متر مربع ) می باشد و این به عنوان “خورشید کامل” تعریف می شودبه عنوان مثال در تابش خورشید کامل به یک سلول خورشیدی با ولتاژ ۰٫۵۸ ولت ، جریان واقعی خروجی ۱٫۷۳ آمپر اندازه گیری شده است ، بنابراین حداکثر توان خروجی این سلول های خورشیدی ۱ وات می باشد.

منحنی ولتاژ جریان پنل های خورشیدی برای محاسبه دقیق مقدار توان تولیدی در هر تابش خورشیدی

منحنی جریان ولتاژ ( IV ) سلول های خورشیدی

تولید کنندگان سلول های فتوولتائیک پنل خورشیدی ، یک منحنی جریان ولتاز را برای سلول فتوولتائیک تولیدی بر اساس مقدار جریان و ولتاژ ، تحت شرایط تابش خورشید ارائه می دهند که مقدار تولید توان ماکزیمم در هر مقدار تابش نور را به دست می آورد. مقدار توان قابل تولید سلول های خورشیدی در تابش های مختلف بر روی منحنی در آن مقدار تابش می باشد و مقدار توان از حاصلضرب ولتاژ در جریان در همان نقطه بدست می آید.

برای تولید برق بیشتر از یک سلول خورشیدی فتوولتائیک ، باید اثر فتوولتائیک را در نظر گرفت. یعنی مقدار تابش یا نوع و جنس ماده سلول خورشیدی ارتقاء یابد تا به بازدهی ماکزیمم برای تولید برق خورشیدی منجر شود. در حال حاضر بیشتر سلول های خورشیدی فتوولتائیک از سیلیکون تولید می شوند و بازدهی مواد سیلیکونی به یک مقدار مشخصی محدود می باشد.

در فیلم آموزشی زیر ، نحوه کار سلول های خورشیدی فتوولتائیک و چگونگی تولید برق خورشیدی نشان داده می شود.

منبع : Alternative Energy Tutorials , Home Power

تحریریه کلینیک ساختمان بیلدینگ پلاس

“برداشت از مطالب با ذکر منبع و لینک سایت بیلدینگ پلاس کاری حرفه ای و اخلاقی است”

Review: 5 - "سلول های خورشیدی فتوولتائیک ( پنل فتوولتائیک )" by , written on خرداد ۲, ۱۳۹۷

از انرژی خورشیدی و تابش خورشیدی برای تولید انرژی گرمایی ، نور و […]

مقالات مرتبط

پنل تولید برق خورشیدی

تولید برق خورشیدی

انرژی خورشیدی یکی از بهترین راه حل های انرژی در هزاره جدید است و یک منبع تجدید پذیر و بی پایان محسوب می ...

پنل خورشیدی خانگی

پنل خورشیدی ( صفحه خورشیدی فتوولتائیک )

پنل خورشیدی از نور خورشید برای تولید برق استفاده می کند و انواع پنل های خورشیدی از لحاظ فنآوری ساخت سلو ...

نیروگاه خورشیدی منفصل از شبکه

سیستم خورشیدی منفصل از شبکه ( Off-Grid )

در این نوشته نیروگاه خورشیدی منفصل از شبکه را معرفی نموده و در مورد اجزای اصلی این سیستم خورشیدی مطالبی ...

دیدگاه ( 6 )

  1. پرویزی۰۱ تیر ۱۳۹۷

    سلول خورشیدی در پنل خورشیدی تمام می شوند ؟ چند سال عمر یک نیروگاه خورشیدی می باشد ؟

    پاسخ
    • هیات تحریریه بیلدینگ پلاس۰۲ تیر ۱۳۹۷

      با سلام. تولید برق خورشیدی توسط سلول های خورشیدی یا پنل خورشیدی انجام می گیرد که حرکت الکترون ها را در بر دارد. این الگپکترون ها جایگزین می شوند و تا ابد یک پنل خورشیدی می تواند الکترون آزاد را به حرکت در بیاورد. به طور تقریبی عمر یک نیروگاه خورشیدی به صورت ۳۰ سال می باشد که ادوات و تجهیزات فراوانی در این موضوع تاثیر گذار هستند.

      پاسخ
  2. parsa۱۵ تیر ۱۳۹۷

    پنل فتوولتائیک چگونه می تواند بازدهی حداکثری داشته باشد ؟ اگر فضا کمتر باشد برای نصب پنل خورشیدی بر روی پشت بام ، چگونه می توان حداکثر توان را دریافت نمود؟

    پاسخ
    • هیات تحریریه بیلدینگ پلاس۱۷ تیر ۱۳۹۷

      با سلام. ممنون از توجه شما به مقاله پنل فتوولتائیک
      هنگامی که فضای مفید قابل استفاده کمتر از مقدار مورد نیاز برای تولید توان باشد از ردیاب خورشیدی یا آفتاب گردان خورشیدی برای پیدا کردن نقطه حداکثر توان ( MPPT ) استفاده می شود که بازدهی را افزایش می دهد اما طول عمر را محدود می کند.

      پاسخ
  3. سازوار۳۱ تیر ۱۳۹۷

    برای افزایش بازدهی پنل های خورشیدی خانگی نصب بر روی پشت بام خانه چه باید کرد ؟ ممنون

    پاسخ
    • هیات تحریریه بیلدینگ پلاس۳۱ تیر ۱۳۹۷

      برای افزایش کارایی و بازدهی انواع پنل های خورشیدی و سلول های خورشیدی فتوولتائیک ، از ردیاب های خورشیدی یا آفتاب گردان استفاده نمایید که نقطه حداکثر قدرت یا توان را برای پنل خورشیدی می یابند و افزایش بازدهی را در بر دارند.

      پاسخ

دیدگاه ها

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*
*



معرفی انواع پنل های خورشیدی