پنل خورشیدی چیست و چگونه برق تولید می کند؟
پنل خورشیدی به‌عنوان اصلی‌ترین عضو یک سیستم خورشیدی درواقع اصل و اساس کار تولید برق خورشیدی را برعهده دارد. با وجود اقبالی که امروز تولید و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر به‌ویژه انرژی خورشیدی با آن مواجه است، بیشتر مردم علاقه‌مندند که بدانند یک سیستم خورشیدی دقیقاً به چه شکل کار می‌کند و اصلا چطور ممکن است بدون نیروگاه فسیلی و یا ایجاد رآکتور اتمی برای تولید حرارت، برق تولید کرد.
برخی با این دید به انرژی خورشیدی نگاه میکنند که خب، این انرژی خوب است ولی نه برای مصارف بزرگ و صرفاً در حد مصرف پائین می تواند مناسب باشد. اما واقعیت این است که جدا از بحث آینده فوق روشن و بسیار گسترده‌ای که پیش روی انرژی خورشیدی وجود دارد، امروز نیز نیروگاه‌های خورشیدی در ایران و جهان سهم خوبی در تامین برق مورد نیاز را برعهده گرفته‌اند. با این وجود درصورتی‌که تولید ادوات و محصولات انرژی خورشیدی بهینه‌تر و ارزان‌تر شود و موانع پیش روی آن حذف گردد، تولید این انرژی پاک و ستودنی به‌مراتب ارزان‌تر و کم عواقب تر از تولید برق با روش‌های سنتی و استفاده از سوخت فسیلی خواهد بود.
دراین‌میان تصویر ذهنی که در افراد پس از شنیدن نام انرژی خورشیدی ایجاد می‌شود، عموما تصویری از صفحاتی ویفر مانند است که با تعدادی زیاد در محیطی وسیع در کنار هم و رو به خورشید قرار گرفته‌اند. اگر افراد، کمی و فقط کمی بیشتر درباره‌ی انرژی خورشیدی بدانند، این صفحات را به نام پنل خورشیدی می‌شناسند.
پنل های خورشیدی همان صفحاتی هستند که با دریافت نور از خورشید به خاطر مکانیزم و جنس ساختمانشان، این انرژی را به الکتریسیته تبدیل میکنند.
انرژی خورشید بی کران
خورشید کره ای درخشان در مرکز منظومه‌ی شمسی، با انرژی بی‌نهایت است که از گازی بنام پلاسما تشکیل شده‌است. این ستارۀ عظیم، 99.8 درصد از جرم کل منظومه شمسی را به خود اختصاص داده و طبق رابطۀ جرم و انرژی این عجیب نیست که به‌همین میزان در تامین انرژی این منظومه سهیم باشد.
دمای خورشید 5800 درجه کلوین است و در هر ثانیه در حدود 1.1 در 10 به توان 20 کیلووات ساعت انرژی از آن ساطع می‌شود. چیزی در حدود یک دو میلیاردم این انرژی به جو خارج از سطح زمین می‌رسد که معادل 1.7 در 10 به توان 18 کیلووات ساعت در سال می‌شود و با وجود پدیده‌هایی مانند جذب توسط گازها و ذرات معلق و بازتاب، 48 درصد از این انرژی به سطح زمین می‌رسد.
48 درصد این مقدار می‌شود چیزی در حدود 8 در 10 به توان 17 کیلووات ساعت در سال. با این حساب زمین ازنظر دریافت انرژی از خورشید بسیار ثروتمند محسوب می‌شود و می‌توان گفت با منبعی بی‌نهایت طرفیم که اگر تمام منابع انرژی را هم‌کنار بگذاریم می‌توانیم به وسیله آن انرژی مورد نیاز خود به هفتاد نسل آینده‌مان را تامین کنیم. این به توانمندی بشر برمی‌گردد که چطور بتواند از این منبع فوق‌العاده عظیم به‌نحو احسن استفاده کند. یکی از روش‌هایی که به کمک آن می‌توان بخش بسیار بسیار کوچکی از این انرژی را دریافت و به شکل مورد استفاده آن توسط انسان، یعنی برق تبدیل کرد استفاده از پنل های خورشیدی است.
علم فتوولتائیک یا تبدیل نور خورشید به الکتریسیته
به علم تبدیل نور خورشید به الکتریسیته فتوولتائیک می‌گویند. باوجود دسترسی ما به این مقدار از انرژی خورشید، در اختیار داشتن علمی که بتوان به وسیله آن برق خورشیدی تولید کرد می‌تواند بسیار شگفت‌انگیز باشد. PV به معنای فناوری تبدیل مستقیم نور خورشید به برق است. به‌این‌ترتیب که “فتو” تداعی‌کنندۀ معنای اشعه یا نور و “ولتا” تداعی گر معنای برق می‌باشد.
تبدیل فتوولتائیک علوم گسترده‌ای را در کنار هم می‌طلبد. داشتن دانش درباره اشعه و فوتون‌های خورشید، علم الکترونیک، دانش نیمه‌رساناها و چگونگی ایجاد جریان الکترونی در این مواد، علم رسیدن به ساختار و جنس بهینه برای پنل ها و چگونگی استفاده از برق خورشیدی، همه و همه باید در کنار هم قرار داشته باشند تا بتوان به تکنولوژی تبدیل نور به برق رسید.
جدا از بحث‌های مهندسی و فیزیکی، باید شاخه‌ای از علوم اقتصادی برای بررسی این امر که چگونه تولید برق خورشیدی می‌تواند در حالتی بهینه و ارزان قرار بگیرد نیز در این میدان وارد عمل شود.
جنس پنل خورشیدی
پنل های خورشیدی ساخته‌شده از سیلیکون هستند. سیلیکون نوعی از مواد نیمه رسانا می‌باشد که در طبیعت به‌وفور وجود دارد. این ماده را می‌توان در صخره‌ها و شن‌های ساحلی پیدا کرد. البته سیلیکون مورد استفاده در پنل خورشیدی باید از نوع کریستالی و البته خالص باشد.
دلیل استفاده از مواد نیمه رسانا در پنل خورشیدی
همانطور که می دانید و یا شاید ندانید و حالامتوجه شوید، سیلیکون یک ماده نیمه رسانا است به این معنا که با دریافت انرژی بسیار کمی در آن، الکترون آزاد ایجاد می شود. با وجود اینکه سیلیکون انرژی خیلی کمی را برای انتقال الکترون آزاد نیاز دارد، در ساخت پنل های خورشیدی به آن مقداری ناخالصی اضافه میکنند تا این انرژی مورد نیاز به مراتب کمتر بشود و با دریافت حد کمی از انرژی الکترون آزاد بیشتری تولید شود.
در درون مواد نیمه رسانا در صورت ایجاد الکترون آزاد و جای خالی الکترون آزاد که به آن حفره گفته می شود، امکان ایجاد جریان الکتریسته ایجاد می شود. اگر بتوان به نحوی میزان این الکترون های آزاد و حفره ها را افزایش داد، در واقع امکان برقراری جریان الکتریسته ایجاد شده است و این دقیقا همان روشی است که در سیستم های خورشیدی به کار گرفته می شود.
همانطور که گفته شد این مواد با دریافت انرژی، الکترون آزاد بیشتری تولید می کنند. اما این کافی نیست. سازندگان پنل های خورشیدی با اضافه کردن میزانی از ناخالصی، مقدار این الکترون ها و حفره ها و در نتیجه جریان به راه افتادۀ الکترونی را افزاش داده اند.
به طور کلی 2 نوع ناخالصی به اتم سیلیکون اضافه می کنند. ناخالصی نوع N و ناخالصی نوع P. در این روش در یک محدوده از سیلیکون الکترون به وفور یافت شده و در بخش دیگر آن حفره.
با اضافه کردن عنصری مثل فسفر ساختار نوع N سیلیکون را تشکیل می دهند که در آن الکترون به وفور یافت می شود و به کمترین انرژی بستگی نیاز دارد.
ناخالصی نوع P نیز با اضافه کردن عنصر بور به اتم سیلیکون ایجاد می شود که این ناخالصی باعث افزایش تعداد حفره ها می شود.
با قرار دادن این دو نوع از سیلیکون ناخالص شده در کنارهم، جریان میان آن ها برقرار می شود. به نوعی که نوع N را که سرشار از الکترون است در سمت نور قرار می‌دهند تا به محض دریافت انرژی از خورشید الکترون آزاد کند و این الکترون ها برای رسیدن به حالت پایه به سمت نوع P حرکت می کنند و
جی جی جی جیننننننگ…
الکتریسیته تولید می شود.
تمام این فرایند در یک سلول از سیستم خورشیدی رخ می دهد و با قرار گرفتن تعداد زیادی سلول خورشیدی در کنار هم است که پنل خورشیدی ساخته می شود. در واقع با سری کردن سلول ها ی خورشیدی ولتاژ نهایی پنل به قدر مجموع ولتاژ ایجاد شده توسط هر سلول خواهد شد.
راندمان پنل خورشیدی
پنل خورشیدی را می توان به عنوان جزیی اصلی از یک سامانه فتوولتاییک بزرگ، که هدف آن تولید و ذخیره الکتریسیته در سطوح مختلفی از کاربردها است، در نظر گرفت. هر ماژول پنل خورشیدی با یک توان خروجیDC، درجه‌بندی می شود که تحت شرایط تست استاندارد (STC) عمل کرده و بسته به نوع بین 100 الی32۰ وات متغیر است.
راندمان یک ماژول با مساحت آن (با خروجی توان مشابه) نسبت عکس دارد. (برای مثال ماژول ۲۳۰ واتی با راندمان ۸٪ دارای دو برابر مساحت یک ماژول ۲۳۰ واتی با راندمان ۱۶ درصد است.) تعداد خیلی کمی از انواع پنل خورشیدی وجود دارد که راندمانی بالاتر از ۱۹ درصد داشته باشد. واقعیت این است که یک ماژول خورشیدی تنها، می‌تواند به میزان محدودی توان تولید کند. به همین دلیل اکثر ساختارها دارای ماژول‌های چندگانه هستند.
انواع پنل خورشیدی
پنل های خورشیدی معمول در دو دسته مونو کریستال و پلی کریستال موجود هستند. سری مونوکریستال با کیفیت و درصد خلوص بالاتری می باشند و تولید برق بیشتری می نمایند و البته قیمت بالاتری نیز دارند.
سری پلی کریستال و یا مولتی کریستال ساخته شده از چند نوع سیلیکون، گرچه از درصد خلوص پایین تری برخوردار است اما کارایی های خود را داشته و قیمت ارزان تری نیز دارد. این سری از مقاومت بیشتری برخوردار است و برای کار در مناطق گرم مناسب است. با توجه به این موارد، در توان الکتریکی خروجی یکسان، به دلیل بازدهی پایین تر پنل های پلی کریستال نسبت به پنل خورشیدی نوع مونو، مساحت و ابعاد پنل خورشیدی پلی کریستال بیشتر است.
پنل های خورشیدی که به سقف می چسبند
علاوه بر دو نوع پنل یاد شده نوعی از پنل خورشیدی بسیار جدید نیز در حال روانه شدن به سوی بازار سولار است. اخیرا شرکت سنگاپوری “ماکسون سولار” از طرح ساخت پنل های خورشیدی رونمایی کرد که قاب و حائلی نداشته و منعطف هستند و می توانند به هر محلی که نیاز باشد بچسبند. بازدهی این صفحات خورشیدی ۲۰.۹ درصد بوده و وزن آن‌ها 50 درصد پنل های خورشیدی شیشه ای اعلام شده است. انعطاف پذیری و نصب ساده باعث کاربردی تر شدن و آسان تر شدن استفاده از این نوع پنل خورشیدی شده است.
لازم به ذکر است که هزینه تولید پنل خورشیدی شیشه ای بالا بوده و حمل و نقل آن نیز دشوار است و آسیب پذیری زیادی دارند و این ها شاید دلایلی کافی برای رفتن به سمت فناوری های جدید برای تولید پنل های خورشیدی جدیدتری باشد.
محافظت از پنل های خورشیدی
محافظت از پنل های خورشیدی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. درست است که این پنل های خورشیدی دارای لایه‌های محافظتی می‌باشند، اما حفاظت از همین لایه‌های محافظ نیز اهمیت بسیار زیادی در بازدهی این پنل های خورشیدی دارد. سطح روئی پنل خورشیدی از جنس شیشه می‌باشد و باید در نظر گرفت که محافظت از این سطح شیشه‌ای بسیار پراهمیت است.
در صورت بروز خط و خش، ایجاد شکستگی حین نصب و یا تمیز کردن و یا حین استفاده از پنل خورشیدی، امکان ورود گرد و غبار و آشغال به داخل صفحات کریستالی پنل خورشیدی وجود دارد و درنتیجه بازدهی پنل ممکن است با خلل مواجه شود. با این وصف محافظت از پنل خورشیدی و قرار دادن آن در جایی که مصون از آسیب باشد، می‌تواند از اهمیت زیادی برخوردار باشد.
تمیز کردن پنل خورشیدی
تمیز کردن پنل های خورشیدی یکی از اقداماتی است که در افزایش بازدهی این پنل ها تاثیر بسیار زیادی دارد. همانطور که می‌دانید پنل خورشیدی با دریافت نور خورشید و تبدیل آن به الکتریسیته است که موفق به تولید برق می‌شود. درنتیجه هر مانع و حائلی که باعث عدم دریافت صحیح و شفاف نور خورشید شود، می‌تواند در تولید برق و درنتیجه بازدهی پنل ها خلل ایجاد کند.
با تمیز کردن دوره‌ای سطح پنل خورشیدی می‌توانید اطمینان حاصل کنید که بر روی پنل شما گرد و خاکی ننشسته و به‌درستی نور خورشید را دریافت می‌کند. در نظر بگیرید که تمیز کردن پنل خورشیدی باید با احتیاط و توسط یک دستمال مناسب صورت بگیرد تا باعث ایجاد خط و خش روی سطح شیشه‌ای پنل نشود.
تاثیر سایه روی پنل های خورشیدی
یکی دیگر از مواردی که ممکن است باعث ایجاد افت در بازده پنل های خورشیدی شود، این است که پنل ها را در نقاطی قرار می دهند که بخشی و یا حتی همۀ آن در ساعاتی از روز تحت تأثیر سایه قرار می‌گیرد. سایه ساختمان‌ها، درختان و یا حتی وسایلی که ممکن است در اطراف محل نصب پنل خورشیدی باشند، می‌توانند از دریافت صحیح نور توسط سطح پنل و تولید برق جلوگیری کند. در نتیجه ممکن است وسایل خورشیدی شما آن میزان برقی را که شما انتظار دارید دریافت نکرده و شما شاهد کاهش بازدهی سیستم خورشیدی خود باشید. با این توضیحات بهتر است حتما در هنگام نصب پنل های خورشیدی دقت کنید که این پنل‌ها در تمام طول روز در تحت تاثیر هیچ سایه‌ای قرار نگیرند.
دراین مقاله سعی شد درباره هرآنچه که از ماهیت، ساختار و مراقبت از پنل های خورشیدی، پراهمیت محسوب می شود، صحبت گردد. با این حال در صورت داشتن هر سوالی در خصوص پنل های خورشیدی، انواع برندهای ایرانی و خارجی موجود و حتی نحوۀ خرید پنل خورشیدی، می توانید در ذیل این مقاله کامنت درج کرده و یا با شماره های موجود در سایت تماس حاصل کنید.
