معرفی انرژی خورشیدی
با گذشت زمان و کاهش ذخاير انرژي در دنيا، هزينه توليد انرژي در حال افزايش است. از اينرو استفاده از منابع انرژي تجديد پذير يکي از کارامد ترين روشها براي توليد انرژي پاک محسوب ميشود. انرژيهاي تجديد پذير به منابعي گفته ميشود که که برخلاف ساير انرژيها (مانند سوخت هاي فسيلي) تمام نميشوند. اين انرژيها به انرژي پاک نيز معروف هستند و استفاده از آنها باعث کاهش توليد آلايندههاي زيست محيطي نيز ميشود.
انرژي خورشيدي جز يکي از مهمترين و پر کاربردترين انرژيهاي تجديد پذير به حساب ميآيد. از اينرو استفاده از انرژي خورشيدي علاوهبر صرفه جويي در هزينههاي توليد انرژي، از ديدگاه ملي نيز باعث کاهش مصرف انرژي اوليه و به دنبال آن باعث کاهش توليد آلايندههاي زيست محيطي نيز ميشود.
باتوجه به ناترازيهاي انرژي پيش آمده در ساليان اخير، استفاده از انرژي خورشيدي براي تامين بخشي از انرژي الکتريکي مورد نياز ساختمانها و صنايع ميتواند روش کارآمدي باشد.
انرژی خورشيدي چيست؟
خورشيد به عنوان يک راکتور هستهاي طبيعي، هر ثانيه مقدار عظيمي انرژي از خود ساطع ميکند. انرژي توليد شده در خورشيد از طريق امواج الکترومغناطيسي به سطح زمين ميرسد. بر اين اساس ميتوان انرژي خورشيدي را اين گونه توصيف کرد:
انرژي حاصل از احتراقهاي صورت گرفته در خورشيد است که با استفاده از تکنولوژيهاي مختلف به انرژي گرمايي و يا الکتريکي تبديل ميشود.
در قرن 21 انرژي خورشيدي به عنوان يکي از منابع تجديدپذير بسيار مورد توجه قرار گرفته است که دليل آن اتمام نشدن منبع انرژي آن و ويژگي غير آلاينده بودن آن است، که اين ويژگي در تضاد کامل با سوختهاي فسيلي مانند ذغال سنگ، نفت و گاز طبيعي ميباشد. استفاده از انرژي خورشيدي به دليل مزاياي زيستمحيطي، اقتصادي و امنيتي، در سالهاي اخير به شدت در حال گسترش است و بسياري از کشورهاي دنيا در حال سرمايهگذاري در اين زمينه هستند. امروزه در کشور ايالات متحده آمريکا بيش از (GW) 200 انرژي از طريق انرژي خورشيد تامين ميشود. اين ميزان انرژي براي تامين نياز انرژي حدود 36.1 ميليون خانه در آمريکا کافي ميباشد. در طول دهه گذشته در ايالات متحده ميزان توجه و استفاده از انرژي خورشيدي، با نرخ متوسط %25 درصد در سال در حال رشد است .
در کشورما نيز با توجه به ناترازيهاي انرژي پيش آمده و افزايش روز افزون هزينههاي انرژي استفاده از انرژي خورشيدي به منظور توليد انرژي الکتريکي و گرمايي در حال افزايش است. در نتيجه استفاده از آن علاوه بر توجيح عملي و اقتصادي بازگشت سرمايه مناسبي را نيز در پيش دارد.
-
پديده فتوولتاييک
در پنلهاي خورشيدي پديدهاي به اسم اثر فتوولتاييک اتفاق ميافتاد. پديده فتوولتاييک به پديدهاي گفته ميشود که در اثر آن و بدون استفاده از مکانيزم هاي مکانيکي انرژي تابشي به انرژي الکتريکي تبديل ميشود. وقتي يک فوتون به يک سلول فتوولتاييک (PV) برخورد ميکند؛ انرژي فوتون به الکترونهاي محلي ماده منتقل ميشود. سپس اين الکترونها برانگيخته شده و جريان مييابند و بدين صورت جريان الکتريسيته توليد ميگردد.
سلولهاي خورشيدي (فتوولتاييک) از دو نوع نيمه رسانا از نوع P و نوع N تشکيل شدهاند و از به هم پيوستن اين دو نوع نيمه رسانا سلول فتوولتاييک شکل ميگيرد. با تابش پرتوهاي خورشيدي به سطح سلولهاي فتوولتايک در محل اتصال اين دو نيمه رسانا يک ميدان الکتريکي شکل ميگيرد که باعث ميشود که ذرات بار منفي (الکترون) در يک جهت شروع به حرکت کنند. شکل زیر فرايند صورت گرفته در سلولهاي فتوولتاييک را نشان ميدهد.
صفحه های خورشيدي (پنلهاي فتوولتاييک)
هر سلول فتوولتاييک توان الکتريکي بسيار کمي در حدود 1 تا 2 (watt) را توليد ميکند. از اينرو براي افزايش توان خروجي سلولهاي فتوولتاييک، آنها را به صورت زنجيرهاي به هم متصل ميکنند تا واحدهاي بزرگتري به نام ماژول يا پنل را تشکيل دهند. پنلها را ميتوان به صورت جداگانه استفاده کرد و يا ميتوان چندين پنل را به هم متصل کرد تا اصطاحا آرايههايي از آنها ايجاد شود سپس يک يا چند آرايه به عنوان بخشي از يک سيستم فتوولتاييک کامل به شبکه برق متصل ميشود. براي درک بهتر از اين موضوع ميتوان به شکل زیر توجه کرد. به خاطر همين ويژگي ميتوان از پنلهاي خورشيدي (فتوولتاييک) براي توليد توانهاي مختلف استفاده کرد.
بزرگترين مزرعه خورشيدي ايجاد شده در کشور آمريکا در شهر کاليفرنيا واقع شده است. مزرعه خورشيدي star با توان توليدي 579 مگاوات، TOPAZ و Desert Sunlight هرکدام با ظرفيت توليد 550 مگاوات جز بزرگترين مزرعههاي توليد انرژي الکتريکي، از طريق پنلهاي خورشيدي در ايالات متحده آمريکا ميباشند. شکل زیر نمايي از مزرعه خورشيدي star را نشان ميدهد.
اجزاي يک سيستم فتوولتاييک
در حالت کلي اجزاي يک سيستم فتوولتاييک براي تامين انرژي الکتريکي يک ساختمان به شرح زير ميباشد.
- صفحههاي خورشيدي (پنلهاي فتوولتاييک): صفحات خورشيدي مهمترين بخش يک سيستم فتوولتاييک براي توليد انرژي الکتريکي مي باشند.
- اينورتر (inverter): پنل هاي فتوولتاييک انرژي الکتريکي را به صورت جريان مستقيم (direct current) توليد ميکنند. از اينرو براي تبديل اين نوع جريان به جريان الکتريکي متناوب (alternating current) نياز به تجهيزي به اسم اينورتر است.
يک سيستم فتوولتاييک ميتواند داراي اجزاي مختلف ديگري نيز باشد که اين موارد براساس درخواست شخص و کارفرما ميباشد.
ارزيابي تعداد پنل هاي فتوولتاييک مورد نياز براي يک ساختمان
اولين قدم در راستاي تعيين ميزان و تعداد پنلهاي فتوولتاييک مورد نياز براي ساختمان، برآود ميزان انرژي الکتريکي مورد نياز ساختمان مورد نظر است. براي اين منظور ميتوان از آناليز قبوض برق ساختمان استفاده کرد.
دومين قدم در اين راستا برآورد ميزان پنل فتوولتاييک مورد نياز براي ساختمان است. براي اين منظور از نرم افزار RETScreen براي شبيهسازي و برآورد ميتوان استفاده کرد. اين نرم افزارکه توسط کارشناسان وابسته به دولت کانادا طراحي شده، يک نرم افزار مديريت انرژي پاک براي تحليل راندمان انرژي، انرژيهاي تجديد پذير و امکان سنجي اجراي پروژههاي توليد همزمان نيرو و حرارت و همچنين بررسي راندمان پروژههاي در دست اقدام ميباشد. بر همين اساس اين نرم افزار، يک نرم افزار قدرتمند در زمينه براورد و تعيين ميزان توان مورد نياز پنلهاي فتوولتاييک ميباشد.
با تعيين شدن ميزان توان مورد نياز براي ساختمان ميتوان تعداد پنل هاي فتتولتاييک را تعيين کرد.
