تولید برق فتوولتایک فناوری ای است که با بهره گیری از اثر فتوولتایک رابط نیمه هادی به طور مستقیم انرژی نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. عنصر کلیدی این فناوری سلول خورشیدی است. پس از اتصال سلول های خورشیدی به صورت سری، می توان آن ها را بسته بندی و محافظت کرد تا یک ماژول سلول خورشیدی با مساحت بزرگ تشکیل دهند، و سپس با کنترل کننده های قدرت و اجزای دیگر ترکیب شوند تا یک دستگاه تولید برق فتوولتایک تشکیل دهند.
1 اثر فتوولتایک
اگر نور به یک سلول خورشیدی ضربه بزند و نور در لایه رابط جذب شود، فتون هایی که انرژی کافی دارند می توانند الکترون ها را از پیوندهای کووالی در هر دو سیلیکون نوع P و از نوع N هیجان زده کنند و در نتیجه جفت الکترون-سوراخ به وجود می آید. الکترون ها و سوراخ های نزدیک لایه رابط توسط اثر میدان الکتریکی بارهای فضایی قبل از ترکیب مجدد از یکدیگر جدا خواهند شد. الکترون ها به سمت منطقه N دارای بار مثبت و سوراخ هایی به سمت منطقه P بار منفی حرکت می کنند. جداسازی بار از طریق لایه رابط یک ولتاژ به بیرون قابل اندازه گیری بین مناطق P و N تولید خواهد کرد. در این زمان می توان الکترودها را به دو طرف ویفر سیلیکونی اضافه کرد و به یک ولت متر متصل کرد. برای سلول های خورشیدی سیلیکون کریستالی، مقدار معمولی ولتاژ مدار باز ۰٫۵ تا ۰٫۶V است. هر چه جفت های الکترون-سوراخ تولید شده توسط نور بر روی لایه رابط بیشتر باشد، جریان جریان بیشتر می شود. هر چه انرژی سبک جذب شده توسط لایه رابط بیشتر باشد، لایه رابط بزرگتر، به عنوان نمونه مساحت سلول، و جریان تشکیل شده در سلول خورشیدی بیشتر است.
۲- اصل
نور خورشید بر روی تقاطع نیمه هادی p-n می درخشد تا یک جفت جدید سوراخ-الکترون تشکیل شود. تحت عمل میدان الکتریکی اتصال p-n، سوراخ ها از منطقه n به منطقه p جریان دارند، و الکترون ها از منطقه p به منطقه n جریان دارند. پس از روشن شدن مدار، جریانی تشکیل می شود. این است که چگونه اثر فتوالکتریک سلول های خورشیدی کار می کنند.
دو راه تولید برق خورشیدی وجود دارد، یکی تبدیل نور-گرما-برق، و دیگری تبدیل مستقیم برق سبک است.
(۱) روش تبدیل نور-گرما-الکتریکی با استفاده از انرژی حرارتی تولید شده توسط تابش خورشیدی، برق تولید می کند. به طور کلی، جمع کننده خورشیدی انرژی حرارتی جذب شده را به بخار محیط کار تبدیل می کند، و سپس توربین بخار را برای تولید برق رانندگی می کند. فرایند سابق یک فرایند تبدیل نور به حرارت است؛ فرایند اخیر یک فرایند تبدیل گرما به برق است که همان تولید برق حرارتی معمولی است. نقطه ضعف تولید برق حرارتی خورشیدی این است که بازده بسیار کم و هزینه بالا است. تخمین زده می شود که سرمایه گذاری آن حداقل بیشتر از سرمایه گذاری تولید برق حرارتی معمولی باشد. ایستگاه های برق ۵ تا ۱۰ برابر گران تر هستند.
(۲) روش تبدیل مستقیم نور به الکتریسیته این روش از اثر فتوالکتریک برای تبدیل مستقیم انرژی تابش خورشیدی به انرژی الکتریکی استفاده می کند. دستگاه اساسی برای تبدیل نور به برق سلول های خورشیدی است. یک سلول خورشیدی دستگاهی است که به دلیل اثر فتوولتیک به طور مستقیم انرژی نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این یک فتودیود نیمه هادی است. هنگامی که خورشید بر روی فتودیود می درخشد، فتودیود انرژی نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل و برق تولید خواهد کرد. فعلی. هنگامی که بسیاری از سلول ها به صورت سری یا موازی به هم متصل می شوند، می تواند به یک آرایه سلول خورشیدی با قدرت خروجی نسبتاً بزرگ تبدیل شود. سلول های خورشیدی نوع جدید امیدوار کننده ای از منبع قدرت با سه مزیت عمده هستند: پاافتاگی، پاکیزگی و انعطاف پذیری. سلول های خورشیدی عمر خدماتی طولانی دارند. تا زمانی که خورشید وجود دارد، سلول های خورشیدی را می توان برای مدت طولانی با یک سرمایه گذاری استفاده می شود؛ و قدرت گرمایی، تولید برق هسته ای. در مقابل، سلول های خورشیدی باعث آلودگی محیط زیست نمی شوند.
3. ترکیب سیستم
سیستم تولید برق فتوولتیک از آرایه های سلول های خورشیدی، بسته های باتری، کنترل کننده های شارژ و تخلیه، اینورترها، کابینت های توزیع برق AC، سیستم های کنترل ردیابی خورشید و دیگر تجهیزات تشکیل شده است. برخی از کارکردهای تجهیزات آن از این قرارند:
آرایه باتری
هنگامی که نور وجود دارد (چه نور خورشید باشد و چه نور تولید شده توسط روشنایی های دیگر)، باتری انرژی نور را جذب می کند، و تجمع بارهای سیگنال مخالف در هر دو انتهای باتری رخ می دهد، به این معنی که یک «ولتاژ فتوژنراته» تولید می شود که «اثر فتوولتایک» است. تحت عمل اثر فتوولتایک، دو انتهای سلول خورشیدی نیروی الکتروموتیک تولید می کنند که انرژی نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند که یک دستگاه تبدیل انرژی است. سلول های خورشیدی عموماً سلول های سیلیکونی هستند که به سه نوع تقسیم می شوند: سلول های خورشیدی سیلیکونی تک کرستال، سلول های خورشیدی سیلیکونی پلی کریستال و سلول های خورشیدی سیلیکونی آمورفوس.
بسته باتری
عملکرد آن این است که ذخیره انرژی الکتریکی ساطع شده توسط آرایه سلول های خورشیدی زمانی که آن را روشن و برای تامین قدرت به بار در هر زمان. الزامات اساسی برای بسته باتری مورد استفاده در تولید برق سلول های خورشیدی هستند: a. نرخ خود تخلیه پایین; ب. عمر خدمات طولانی; ج- قابلیت تخلیه عمیق قوی؛ د. بهره وری شارژ بالا; ه. تعمیر و نگهداری کمتر و یا بدون تعمیر و نگهداری؛ f. دمای کار محدوده گسترده; g. قیمت پایین.
کنترل
دستگاهی است که می تواند به طور خودکار از شارژ بیش از حد باتری و شارژ بیش از حد جلوگیری کند. از آنجا که تعداد چرخه های شارژ و تخلیه و عمق تخلیه باتری از عوامل مهم در تعیین عمر سرویس باتری هستند، یک کنترل کننده بار و تخلیه که می تواند شارژ بیش از حد یا تخلیه بیش از حد بسته باتری را کنترل کند، یک دستگاه ضروری است.
اینورتر
دستگاهی که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می کند. از آنجا که سلول های خورشیدی و باتری ها منابع قدرت DC هستند،
هنگامی که بار یک بار AC است، یک اینورتر ضروری است. با توجه به حالت عملیات، اینورترها را می توان به اینورترهای عملیات مستقل و اینورترهای متصل به شبکه تقسیم کرد. اینورترهای مستقل در سیستم های قدرت سلول خورشیدی مستقل به بارهای مستقل قدرت استفاده می شوند. اینورترهای متصل به شبکه برای سیستم های تولید برق سلول های خورشیدی متصل به شبکه استفاده می شوند. اینورتر را می توان با توجه به شکل موج خروجی به اینورتر موج مربع و اینورتر موج سیسین تقسیم کرد. اینورتر موج مربعی دارای مدار ساده و هزینه کم است اما جزء هارمونیک بزرگی دارد. این است که به طور کلی در سیستم های زیر چند صد وات و با الزامات هارمونیک پایین استفاده می شود. اینورترهای موج سیسین گران قیمت هستند، اما می توانند در بارهای مختلف اعمال شوند.
4. طبقه بندی سیستم
سیستم تولید برق فتوولتیک به سیستم تولید برق فتوولتیک مستقل، سیستم تولید برق فتوولتایک متصل به شبکه و سیستم تولید برق فتوولتایک توزیع شده تقسیم می شود.
1. تولید برق فتوولتیک مستقل نیز به نام خارج از شبکه تولید برق فتوولتایک. عمدتاً از اجزای سلول خورشیدی، کنترل کننده ها، و باتری ها تشکیل شده است. برای تامین قدرت به بار AC، یک اینورتر AC نیاز به پیکربندی دارد. ایستگاه های مستقل برق فتوولتیک شامل سیستم های منبع تغذیه روستا در مناطق دورافتاده، سیستم های منبع تغذیه خانگی خورشیدی، منابع تغذیه سیگنال ارتباطی، حفاظت کاتدیک، چراغ های خیابان خورشیدی و دیگر سیستم های تولید برق فتوولتیک با باتری هایی است که می توانند به طور مستقل عمل کنند.
2. شبکه متصل تولید برق فتوولتایک به این معنی است که جریان مستقیم تولید شده توسط ماژول های خورشیدی به جریان متناوب است که برآورده الزامات شبکه اصلی از طریق شبکه متصل اینورتر و سپس به طور مستقیم به شبکه عمومی متصل تبدیل شده است.
می توان آن را به سیستم های تولید برق متصل به شبکه با و بدون باتری تقسیم کرد. سیستم تولید برق متصل به شبکه با باتری قابل برنامه ریزی است و می تواند با توجه به نیازها در شبکه برق یکپارچه یا خارج شود. همچنین دارای عملکرد منبع تغذیه پشتیبان است، که می تواند منبع تغذیه اضطراری را هنگامی که شبکه برق به دلایلی قطع می شود، فراهم کند. سیستم های تولید برق متصل به شبکه فتوولتیک با باتری اغلب در ساختمان های مسکونی نصب می شوند؛ سیستم های تولید برق متصل به شبکه بدون باتری عملکرد قابلیت اعزام و قدرت پشتیبان گیری را ندارد، و به طور کلی بر روی سیستم های بزرگتر نصب شده است. تولید برق فتوولتیک متصل به شبکه، ایستگاه های برق فتوولتیک متصل به شبکه در مقیاس بزرگ را متمرکز کرده است که عموماً ایستگاه های برق در سطح ملی هستند. با این حال این نوع ایستگاه برق به دلیل سرمایه گذاری بزرگ، دوره ساخت طولانی و مساحت زیاد توسعه چندانی پیدا نکرد. فتوولتیک های متصل به شبکه در مقیاس کوچک، به ویژه تولید برق فتوولتایک یکپارچه ساختمان فتوولتایک، جریان اصلی تولید برق فتوولتایک متصل به شبکه به دلیل مزایای سرمایه گذاری کوچک، ساخت سریع، ردپای کوچک، و پشتیبانی سیاست قوی هستند.
3. توزیع فتوولتایک سیستم تولید برق، همچنین به عنوان تولید برق توزیع شده و یا عرضه انرژی توزیع شده شناخته می شود، اشاره به پیکربندی یک سیستم کوچکتر منبع تغذیه فتوولتایک در سایت کاربر و یا در نزدیکی سایت برق برای پاسخگویی به نیازهای کاربران خاص و پشتیبانی از توزیع موجود شبکه عملیات اقتصادی، و یا برآورده کردن الزامات هر دو جنبه در همان زمان.
4. تجهیزات اساسی توزیع سیستم تولید برق فتوولتایک شامل اجزای سلول فتوولتایک، پرانتز آرایه مربع فتوولتایک، جعبه ترکیب کننده DC، کابینت توزیع برق DC، اینورترهای متصل به شبکه، کابینت توزیع برق AC و تجهیزات دیگر، و همچنین دستگاه های نظارت بر سیستم منبع تغذیه و دستگاه نظارت بر محیط زیست است. حالت بهره برداری آن این است که تحت شرایط تابش خورشیدی، آرایه ماژول سلول خورشیدی سیستم تولید برق فتوولتیک انرژی الکتریکی خروجی را از انرژی خورشیدی تبدیل می کند، و آن را از طریق جعبه ترکیب کننده DC به کابینت توزیع برق DC می فرستد، و اینورتر متصل به شبکه آن را به منبع تغذیه AC تبدیل می کند. خود ساختمان بارگیری می شود، و برق اضافی یا ناکافی با اتصال به شبکه تنظیم می شود.
5. مزایا و معایب
در مقایسه با سیستم های تولید برق که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند، مزایای تولید برق فتوولتیک خورشیدی عمدتاً در آن منعکس می شود:
انرژی خورشیدی ایده آل ترین انرژی جدید نامیده می شود. (1)بدون خطر تهی شدن؛ (2)امن و قابل اعتماد، بدون سر و صدا، بدون تخلیه آلودگی، کاملا تمیز (بدون آلودگی)؛ (3)آن را با توزیع جغرافیایی منابع محدود نیست، و مزایای سقف ساختمان می تواند مورد استفاده قرار گیرد؛ (4)بدون نیاز به مصرف سوخت و نصب خطوط انتقال تولید برق محلی و منبع تغذیه؛ (5)کیفیت انرژی بالا؛ (6)کاربران آسان به پذیرش عاطفی؛ (7)دوره ساخت و ساز کوتاه است، و زمان لازم برای به دست آوردن انرژی کوتاه است.
کاستی:
(1)چگالی توزیع انرژی تابش کوچک است، که، آن را طول می کشد تا یک منطقه بزرگ؛ (2)انرژی به دست آمده مربوط به چهار فصل، روز و شب، ابری و آفتابی و دیگر شرایط هواشناسی است. استفاده از انرژی خورشیدی برای تولید برق هزینه های تجهیزات بالایی دارد، اما میزان بهره برداری از انرژی خورشیدی کم است، بنابراین نمی توان از آن به طور گسترده ای استفاده کرد. عمدتاً در برخی محیط های خاص مانند ماهواره ها مورد استفاده قرار می گیرد.
6. مناطق کاربرد
1. منبع تغذیه خورشیدی کاربر: (1) منبع تغذیه کوچک اعم از 10-100W، مورد استفاده در مناطق دور افتاده بدون برق مانند فلات، جزایر، مناطق رعیتی، های مرزی و دیگر برق زندگی نظامی و غیر نظامی، مانند روشنایی، تلویزیون، ضبط نوار، و غیره؛ (2) 3 -5KW خانوار پشت بام شبکه متصل به سیستم تولید برق؛ (3) پمپ آب فتوولتایک : حل مشکل نوشیدن و آبیاری چاه های عمیق در مناطق بدون برق.
2. میدان های ترافیکی مانند چراغ های ناوبری، ترافیک / چراغ های سیگنال راه آهن، هشدار ترافیک / چراغ سیگنال، چراغ خیابان Yuxiang، چراغ انسداد ارتفاع بالا، بزرگراه / راه آهن غرفه های تلفن های بی سیم، بدون مراقبت جاده شیفت منبع تغذیه، و غیره.
3. ارتباطات / زمینه های ارتباطی: خورشیدی بدون مراقبت ایستگاه رله مایکروویو، ایستگاه تعمیر و نگهداری کابل نوری، پخش / ارتباطات / صفحه بندی سیستم منبع تغذیه؛ روستایی حامل تلفن سیستم فتوولتایک، ماشین ارتباطی کوچک، منبع تغذیه جی پی اس برای سربازان، و غیره.
4. نفت، دریایی و میدان های هواشناسی: حفاظت کاتدیک سیستم انرژی خورشیدی برای خطوط لوله نفت و دروازه مخزن، عمر و منبع تغذیه اضطراری برای سکوهای حفاری نفت، تجهیزات تشخیص دریایی، تجهیزات هواشناسی / هیدرولوژیکی مشاهده، و غیره.
۵- منبع تغذیه لامپ های خانگی: مانند لامپ باغ، لامپ های خیابانی، لامپ های قابل حمل، لامپ های کمپینگ، لامپ کوهنوردی، لامپ های ماهیگیری، چراغ های چراغ سیاه، لامپ های شنود، لامپ های صرفه جویی در مصرف انرژی و...
6. ایستگاه برق فتوولتایک: 10KW - 50MW مستقل نیروگاه فتوولتایک، باد خورشیدی (دیزل) ایستگاه برق مکمل، ایستگاه های مختلف پارکینگ بزرگ شارژ، و غیره.
7. ساختمان های خورشیدی ترکیب تولید انرژی خورشیدی با مصالح ساختمانی قادر به ساختمان های بزرگ در آینده برای رسیدن به خودکفایی در برق، که یک جهت توسعه بزرگ در آینده است.
8. زمینه های دیگر عبارتند از: (1) تطبیق با خودرو: وسایل نقلیه خورشیدی / وسایل نقلیه الکتریکی، تجهیزات شارژ باتری، تهویه مطبوع خودرو، طرفداران تهویه، جعبه نوشیدنی سرد، و غیره؛ (2) سیستم های تولید برق بازسازی برای تولید هیدروژن خورشیدی و سلول های سوختی؛ (3) آب دریا منبع تغذیه تجهیزات آب شیرین کن. (4) ماهواره ها ، فضاپیماها ، ایستگاه های انرژی خورشیدی فضایی ، و غیره.