خورشید ستاره درخشان و بزرگی که در مرکز منظومه شمسی قرار گرفته و تامین کننده نور، گرما و بسیاری از انرژی های دیگر در کره زمین است. تابش نور خورشید بصورت 24 ساعته به سمت کره زمین انجام می شود و می توان از این انرژی استفاده های متفاوتی غیر از مسائل طبیعی که روی کره زمین رخ می دهد بهره برد. بدلیل بازتاب، دفع و جذب گاز ها و سایر ذرات موجود در جو تنها 47 درصد از انرژی خورشید به سطح زمین جذب می شود که عددی معادل 17^10*7 کیلو وات ساعت است. با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران که بیشتر وسعت آن را، مناطق خشک و نیمه خشک فرا گرفته و در حدود 300 روز آفتابی را در 90 درصد کشور داریم از نظر پتانسیل انرژی خورشیدی راندمان بسیار بالایی داریم. میزان نور خورشیدی که به کشور عزیزمان ایران می تابد چیزی در حدود 9.000.000.000 مگا وات بر ساعت است که اگر تنها در 1% از مساحت ایران انرژی خورشید را جذب کنیم و راندمان سیستم های سولار یا خورشیدی ما 10% باشد می توانیم 9.000.000 مگاوات ساعت انرژی از خورشید دریافت کنیم.
با توجه به مطالب گفته شده و هزینه های بالای سوخت های فسیلی و آلودگی های زیست محیطی حاصل از آن ها سیستم های سولار در حال افزایش و همه گیری قرار گرفته اند.
تکنولوژی های استفاده از انرژی خورشیدی به سه دسته زیر تقسیم می شوند:
- سیستم های حرارتی – خورشیدی
- سیستم های حرارتی – برقی خورشیدی
- سیستم های فتو ولتائیک
سیستم های حرارتی – خورشیدی:
این گروه از منبع خورشیدی برای مصارف نهایی حرارتی استفاده می شود. اکثر سیستم های حرارتی – خورشیدی برای گرمایش آب استخر های شنا یا آب ساختمان ها، ویلا و …، آب شیرین کن های خورشیدی، خشک کن های خورشیدی، کوره های خورشیدی و … استفاده می شود. از آب گرمکن های خورشیدی می توان به عنوان شناخته شده ترین دستگاه از سیستم های حرارتی – خورشیدی نام برد.
سیستم های حرارتی- برقی خورشیدی:
سیستم های حرارتی – برقی خورشیدی به سیستم هایی گفته می شود که برای تولید الکتریسیته از یک چرخه ترمودینامیکی بهره می برد. بعلت پایین بودن راندمان چرخه های ترمودینامیکی استفاده از این سیستم ها توجیه اقتصادی ندارد.سیستم های فتوولتائیک:
سیستم های فتوولتائیک (PV) ابتدا برای کاربرد های فضائی ابداع گردید. این سیستم ها انرژی نوری را بصورت مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می کند و دیگر نیازی به چرخ های ترمودینامیکی ندارند. سلول های فتوولتائی یا خورشیدی، کریستال هایی هستند که شامل لایه های نازک از جنس نیمه هادی (سیلیکون و آرسینورگالیم) می باشند. این کریستال ها خصایص الکترونیکی متفاوتی دارند و این امر موجب پیدایش میدان الکتریکی درون آن ها می گردد. زمانیکه نور وارد کریستال می شود الکترون های تشکیل شده از نور بوسیله این میدان ها جدا می شوند و باعث بوجود آمدن اختلاف پتانسیل بین سطح بالایی و پایینی سلول می شود.
سیستم های فتوولتایی را به سه بخش کلی تقسیم می کنند:
1- پنل های خورشیدی:
پنل های خورشیدی انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. پنل های فتوولتائیک متشکل از سلول های فتوولتائیک هستند که ولتاژ و جریان الکتریکی خروجی آن ها DC می باشد. ساختار این پنل ها به گونه ای طراحی گردیده که در برابر مخاطرات محیطی همچون گرما و سرمای شدید، رطوبت و باد های شدید مقاومت بالایی دارند. البته چون جنس این پنل ها از شیشه است ممکن است در برابر ضربات شدید بشکنند.
2- بخش کنترل:
بخش کنترل شامل اجزای مختلفی همچون باطری، اینورتر، MPPT، سیستم های کنترلی، شارژ کنترل و … می باشد. لزوماَ تمامی موارد نام برده شده در بخش کنترل برای هر مصرف کننده ای استفاده نمی شود و فقط آن بخش که مورد نیاز سیستم خورشیدی مربوط به کاربرد آن مورد استفاده قرار می گیرد.حال به شرح اجزای مختلف بخش کنترل می پردازیم:
الف) باطری و ذخیره انرژی: بدلیل آنکه انرژی تابشی خورشید در روزها و فصول مختلف سال متفاوت می باشد وجود ذخیر کننده انرژی و باطری لازم است. سیستم های فتوولتائیک به دو دسته با منبع ذخیره و بدون منبع ذخیره تقسیم می شوند. منبع ذخیره خود به دو دسته تقسیم می شود:
1- ذخیره محصول تولیدی مثلا در پمپاژ خورشیدی زمانیکه انرژی تابشی خورشیدی داریم آب لازم در منبع ذخیره جمع آوری می شود و زمانیکه انرژی خورشیدی نیست از حجم آب ذخیره شده استفاده کنیم.
2- ذخیره در باطری ها که در این روش انرژی حاصل از پنل های فتوولتائیک در باطری ذخیره و مواقع لزوم مصرف می شود.
ب) شارژ کنترل و واحد کنترل بار: وظیفه این بخش کنترل وضعیت شارژ و دشارژ باطری ها برای استفاده حداکثری از عمر مفید باطری هاست. وظیفه این دستگاه عبارتست از : تست ولتاژ و جریان خروجی پنل ها، تست دمای محیط، تصمیم گیری قطع و وصل ولتاژ و جریان خروجی پنل ها جهت شارژ باطری ها یا مصرف کننده
ج) MPPT: این قسمت یک مبدل DC به DC می باشد که امپدانس بین مقاومت دینامیکی پنل های خورشیدی و مصرف کننده را تامین می کند.
د) اینورتر: اینورتر ها وسایلی هستند که توان DC را به توان AC تبدبل می کنند. از آنجاییکه ولتاژ و جریان خروجی از پنل های فتوولتائیک DC می باشد و ولتاژ وجریان لازم برای اکثر مصرف کننده ها AC است از اینورتر ها در سیستم های فتوولتائیک استفاده می شود.
3- مصرف کننده یا بار الکتریکی:
با در نظر گرفتن اینکه خروجی پنل های خورشیدی DC می باشد ما می توانیم مصرف کننده را در دو نوع AC و DC انتخاب کنیم. همچنین با توجه به چینش و آرایش پنل ها می توان در توان های مختلف از آن ها استفاده کرد به همین دلیل سیستم های خورشیدی فتوولتائیک بخش بزرگی از بازار تجاری در زمینه انرژی های پاک را از آن خود کرده اند.انواع روش های استفاده از سیستم فتوولتائیک:
1- سیستم های مستقل از شبکه
2- سیستم های متصل به شبکه
3- سیستم های تغذیه چند گانه
سیستم های مستقل از شبکه: سیستم های مستقل از شبکه به منظور تامین برق مورد نیاز مناطقی که شبکه سراسری برق وجود ندارند مورد استفاده قرار می گیرد. در این سیستم از پنل های فتوولتائیک و سیستم های ذخیره انرژی استفاده شده و توانایی آن ها از چند وات تا چند مگاوات می باشد. از مزایای این سیستم ها می توان به عدم نیاز به شبکه سراسری برق، هزینه تعمیر و نگهداری پایین، عدم نیاز به سوخت و مشکلات سوخت رسانی در مناطق صعب العبور اشاره کرد.
سیستم های متصل به شبکه سراسری برق: این سیستم به منظور کمک به شبکه برق سراسری و جلوگیری از فشار آمدن به نیروگاه های برق تعبیه شده است.
سیستم های چندگانه: هنگامیکه سیستم های خورشیدی فتوولتائیک به کمک سایر منابع تامین کننده انرژی و برق مانند توربین های باد، دیزل ژنراتورها و سایر نیروگاه ها و… انرژی مورد نیاز منطقه ای را تامین کنند به این سیستم اصطلاحا چند گانه گفته می شود.
مزایای استفاده از سیتم های فتوولتائیک:
1- امکان نصب و راه اندازی نیروگاه های فتوولتائیک بسیار آسان است.
2- پنل های فتوولتائیک انرزی دریافتی از خورشید را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند و نیازی به واسطه ها و مکانیزم های دینامیکی ندارند.
3- سیستم های فتوولتائیک در مقیاس کوچک از حدود میلی وات تا مقیاس های بزرگ تا چندین مگا وات کاربرد دارند.
4- زمان اجرای سیستم های فتوولتائیک نسبت به سایر انرژی های پاک همچون توربین های باد و … بسیار سریع تر است.
5- سیستم های فتوولتائیک قابلیت استفاده در تمامی مکان ها از جمله شهر ها، روستاها، منطق صعب العبور و … را دارند.
