انرژی خورشیدی چیست و چگونه به برق تبدیل میشود؟
انرژی خورشیدی یک فناوری سازگار با محیط زیست، یک منبع انرژی عالی و یکی از مهمترین منابع انرژی تجدیدپذیر و سبز است. این فناوری نقش مهمی در دستیابی به راهحلهای انرژی توسعه پایدار ایفا میکند.
بنابراین، حجم عظیم انرژی خورشیدی قابل دستیابی روزانه، آن را به منبعی بسیار جذاب برای تولید برق تبدیل میکند.
هر دو فناوری، کاربردهای انرژی خورشیدی متمرکز یا فتوولتائیک خورشیدی، همیشه در حال توسعه مداوم برای برآوردن نیازهای انرژی ما هستند. آنها پيشرفت توسعه پایدار را برجسته میکنند و پتانسیل کلی اشتغال انرژی تجدیدپذیر را مورد توجه قرار ميدهند.
در پایان سال ۲۰۲۰، بیش از ۷۰۰ گیگاوات نيروگاه انرژی خورشیدی در سراسر جهان نصب شد که حدود ۳ درصد از تقاضای جهانی برق را تأمین میکرد.
با افزایش ظرفیت نصبشده نیروگاههای خورشیدی در جهان، تمرکز از صرف «تولید انرژی» به سمت طراحی ایمن، حفاظت الکتریکی و استانداردسازی تجهیزات DC در سیستمهای خورشیدی حرکت کرده است.
در سیستمهای فتوولتائیک مدرن، انرژی خورشیدی تنها زمانی قابل اتکا و پایدار خواهد بودکه حفاظت DC بهدرستی طراحی و اجرا شود؛ موضوعی که مستقیماً به استفاده صحیح از کلید DC، فیوز DC، SPD و تابلو خورشیدی استاندارد مرتبط است.
انواع سیستمهای خورشیدی از نظر اتصال به شبکه
فناوریهای خورشیدی بهطور کلی به دو دسته اصلی تقسیم میشوند:
-
فتوولتائیک خورشیدی (PV)
-
انرژی حرارتی خورشیدی (CSP)
در ادامه، هر دو فناوری را با نگاه مهندسی و الزامات حفاظتی بررسی میکنیم.
۱.سیستم خورشیدی فتوولتائیک
فتوولتائیک خورشیدی که با نام PV خورشیدی نیز شناخته میشود با استفاده از فناوری خاصي به نام سلول نیمههادی یا سلول PV خورشیدی، نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل میکند.
فتوولتائیک نوعی فناوری خورشیدی فعال است که در سال ۱۸۳۹ توسط فیزیکدان ۱۹ ساله فرانسوی، الکساندر-ادموند بکرل، کشف شد. بکرل کشف کرد که وقتی کلرید نقره را در محلول اسیدی قرار میدهد و آن را در معرض نور خورشید قرار میدهد، الکترودهای پلاتین متصل به آن جریان الکتریکی تولید میکنند. این فرآیند تولید برق مستقیماً از تابش خورشیدی، اثر فتوولتائیک یا فتوولتائیک نامیده میشود.
هر سلول خورشیدی حاوی یک نیمهرسانا است که معمولاً از سیلیکون ساخته شده است. وقتی نیمهرسانا نور خورشید را جذب میکند، الکترونها را آزاد میکند. یک میدان الکتریکی این الکترونهای آزاد را به یک جریان الکتریکی هدایت میکند که در یک جهت جریان مییابد.
اتصالات فلزی در بالا و پایین یک سلول خورشیدی، آن جریان را به یک جسم خارجی هدایت میکنند. جسم خارجی میتواند به کوچکی یک ماشین حساب خورشیدی یا به بزرگی یک نیروگاه باشد.
فتوولتائیک خورشیدی، رایجترین روش تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته است. در این فناوری، سلولهای نیمههادی (عمدتاً از جنس سیلیکون) با جذب فوتونهای خورشید، الکترونهای آزاد تولید کرده و جریان DC ایجاد میکنند.
اجزای اصلی سیستم خورشیدی فتوولتائیک
- پنل خورشیدی
پنلها از اتصال سری و موازی سلولهای خورشیدی تشکیل شدهاند و خروجی آنها جریان مستقیم (DC) است. ولتاژ بالا و جریان پیوسته DC، ریسکهایی مانند جرقه، قوس الکتریکی و آتشسوزی را افزایش میدهد.
- اینورتر خورشیدی
اینورتر وظیفه تبدیل برق DC به AC را بر عهده دارد، اما تا قبل از اینورتر، کل سیستم در ناحیه DC قرار دارد و نیازمند حفاظت تخصصی است.
- تابلو خورشیدی و تجهیزات حفاظتی DC
تابلو خورشیدی قلب ایمنی سیستم فتوولتائیک است و شامل تجهیزات زیر میشود:
-
کلید DC برای قطع ایمن جریان
-
فیوز DC برای حفاظت در برابر جریان اتصال کوتاه
-
SPD برای حفاظت در برابر اضافهولتاژ و صاعقه
-
کمباینر باکس برای تجمیع استرینگهای پنل
نقش حفاظت DC در ایمنی سیستمهای خورشیدی
کلید DC چیست و چرا در سیستم خورشیدی حیاتی است؟
کلید DC امکان قطع ایمن جریان مستقیم را در شرایط بهرهبرداری، تعمیرات و خطا فراهم میکند. برخلاف AC، قطع DC بدون تجهیزات استاندارد میتواند منجر به قوس الکتریکی پایدار شود.
فیوز DC چگونه انتخاب میشود؟
فیوز DC باید بر اساس:
-
جریان نامی استرینگ
-
جریان اتصال کوتاه پنل
-
ولتاژ سیستم
انتخاب شود. استفاده از فیوزهای غیراستاندارد، یکی از دلایل اصلی آسیب به پنلها و تابلوهای خورشیدی است.
نقش SPD در جلوگیری از آتشسوزی
SPD یا سرج ارستر DC از تجهیزات حیاتی برای حفاظت در برابر:
-
صاعقه غیرمستقیم
-
اضافهولتاژهای گذرا
میباشد و نبود آن، ریسک تخریب اینورتر و آتشسوزی سیستم را بهشدت افزایش میدهد.
۲. انرژی حرارتی خورشیدی
نوع دیگری از فناوری خورشیدی فعال، انرژی خورشیدی متمرکز یا توان خورشیدی متمرکز (CSP) است. فناوری CSP از لنزها و آینهها برای متمرکز کردن خورشید از یک منطقه بزرگ به یک منطقه بسیار کوچکتر استفاده میکند. این منطقه تابش، یک سیال را گرم میکند که به نوبه خود برق تولید میکند یا فرآیند دیگری را تغذیه میکند.
انرژی حرارتی خورشیدی، نور خورشید را به گرما (که به عنوان انرژی حرارتی نیز شناخته میشود) تبدیل میکند، که میتواند برای اهداف مختلفی از جمله ایجاد بخار برای به حرکت درآوردن ژنراتور برق مورد استفاده قرار گیرد.
نیروگاههای بزرگ از CSP برای تولید برق استفاده میکنند. میدانی از آینهها معمولاً پرتوها را به یک برج بلند و باریک در یک نیروگاه CSP هدایت میکنند. بنابراین، از تعداد زیادی هلیوستات (آینه) مسطح بزرگ برای ردیابی خورشید و متمرکز کردن نور آن بر روی یک گیرنده در سیستمهای برج قدرت، که گاهی اوقات به عنوان گیرندههای مرکزی شناخته میشوند، استفاده میشود.
سیال داغ میتواند بلافاصله برای تولید بخار استفاده شود یا برای استفاده بعدی ذخیره شود. یکی دیگر از مزایای بزرگ نیروگاه CSP این است که میتوان آن را با نمکهای مذاب ساخت تا گرما را ذخیره کرده و در خارج از ساعات روز برق تولید کند.
سیستم خورشیدی ON-GRID
یک سیستم خورشیدی ongrid که به عنوان سیستم خورشیدی متصل به شبکه نیز شناخته میشود، مستقیماً به شبکه برق محلی متصل است. این سیستمها به گونهای طراحی شدهاند که در طول روز برق تولید کنند و برق اضافی را از طریق مکانیزمی به نام اندازهگیری خالص به شبکه برگردانند. در شب یا در هنگام کم بودن نور خورشید، شبکه هرگونه کمبود انرژی را جبران میکند.
مزایا:
ذخیره باتری اختیاری: در حالی که سیستمهای سنتی متصل به شبکه شامل باتری نبودند، این سیستم امکان ادغام باتری را فراهم میکنند و به کاربران امکان میدهند انرژی را برای دورههای پشتیبان یا اوج تقاضا ذخیره کنند.
اندازهگیری خالص: انرژی اضافی به شبکه وارد میشود و به کاربران امکان میدهد هزینههای برق خود را جبران کنند.
راندمان بالا: انرژی به محض تولید استفاده میشود و هدررفت به حداقل میرسد.
سیستم متصل به شبکه، برق تولیدی را مستقیماً به شبکه تزریق میکند. در این سیستمها:
- حفاظت DC قبل از اینورتر الزامی است.
- استفاده از SPD و کلید DC مطابق استاندارد IEC ضروری میباشد.
سیستمهای خورشیدی OFF-GRID
یک سیستم خورشیدی OFF-GRID مستقل از شبکه برق عمل میکند و کاملاً به پنلهای خورشیدی و ذخیرهسازی باتری متکی است. این سیستمها خودکفا هستند و همین امر آنها را برای مناطق دورافتادهای که دسترسی به شبکه برق در دسترس نیست، ایدهآل میکند.
مزایا:
ذخیره باتری: انرژی تولید شده در طول روز در باتریها ذخیره میشود تا در شب یا در هنگام کم بودن نور خورشید استفاده شود.
عملکرد مستقل: سیستمهای مستقل از شبکه تحت تأثیر قطعی برق قرار نمیگیرند.
سیستم مستقل از شبکه که به باتری متکی است. در این سیستمها:
- جریانهای DC بالا رایج است.
- طراحی صحیح تابلو DC و فیوز استرینگ اهمیت بیشتری دارد.
سیستمهای خورشیدی HYBRID
یک سیستم خورشیدی هیبریدی مزایای سیستمهای ON-GRID و OFF-GRID را با هم ترکیب میکند. این سیستم به شبکه برق متصل است، اما از ذخیرهسازی باتری نیز پشتیبانی میکند. این مدل انعطافپذیری بیشتری را فراهم میکند، زیرا میتواند انرژی خورشیدی اضافی را ذخیره کند و در صورت نیاز از شبکه برق بگیرد.
مزایا:
عملکرد دوگانه: با برق شبکه و باتریها کار میکند.
برق پشتیبان: به لطف انرژی ذخیره شده، در هنگام قطع شبکه برق را تأمین میکند.
بهینهسازی انرژی: کاربران میتوانند انرژی خورشیدی، انرژی ذخیره شده یا برق شبکه را بر اساس در دسترس بودن و هزینه اولویتبندی کنند.
ترکیبی از ON-GRID و OFF-GRID که پیچیدگی حفاظتی بیشتری دارد و نیازمند:
- چند سطح حفاظت DC
- تابلو خورشیدی مهندسیشده
