پنل خورشیدی چیست و از چه موادی ساخته میشود؟
پنل خورشیدی یکی از اجزای اصلی سیستمهای خورشیدی است که وظیفه آن تبدیل انرژی نور خورشید به برق میباشد. در پنلهای خورشیدی فتوولتائیک، این فرآیند منجر به تولید جریان مستقیم (DC) میشود که مبنای عملکرد کل سیستم خورشیدی و تجهیزات الکتریکی متصل به آن است.
بیشتر پنلهای خورشیدی از سیلیکون کریستالی ساخته شدهاند، مادهای فراوان و کارآمد که میتواند به شکل تک کریستالی یا چند کریستالی باشد. این سیلیکون بین لایههای شیشه و پلیمرهای محافظ محصور شده است تا دوام و مقاومت در برابر آب و هوا را تضمین کند، در حالی که یک قاب آلومینیومی استحکام را فراهم میکند. علاوه بر این، از فلزات رسانا مانند نقره یا مس برای تسهیل انتقال برق تولید شده استفاده میشود.
در سیستمهای فتوولتائیک، نوع پنل خورشیدی و آرایش استرینگها مستقیماً بر ولتاژ مدار باز (Voc) تأثیر میگذارد. این مقدار، یکی از پارامترهای اصلی در انتخاب کلید DC است، زیرا کلید باید توانایی قطع ایمن حداکثر ولتاژ DC سیستم را در شرایط دمایی مختلف داشته باشد.
از سوی دیگر، سلولهای فیلم نازک از مواد جایگزینی مانند سیلیکون آمورف، تلورید کادمیوم (CdTe) یا ترکیبی از مس، ایندیوم، گالیوم و سلنید (CIGS) استفاده میکنند.
این ماژولها که در لایههای بسیار نازک روی تکیهگاههایی مانند شیشه، فولاد یا حتی ورقهای انعطافپذیر قرار میگیرند، به دلیل سبکی و سازگاری با سطوح مختلف برجسته هستند. اگرچه راندمان آنها معمولاً کمتر از پنلهای سیلیکون کریستالی است، اما در کاربردهای خاص که وزن و تطبیقپذیری تعیینکننده هستند، مزایایی ارائه میدهند.
جریان تولیدشده توسط پنلهای خورشیدی از نوع جریان مستقیم (DC) است که برخلاف جریان متناوب، نقطه عبور از صفر ندارد. به همین دلیل، قطع این جریان بدون استفاده از کلید DC مخصوص سیستم خورشیدی میتواند منجر به ایجاد قوس الکتریکی پایدار و افزایش ریسک آتشسوزی شود.
پنلهای خورشیدی به ما این امکان را میدهند که از یک منبع تمامنشدنی و رایگان، یعنی نور خورشید، نهایت استفاده را ببریم و آن را از طریق یک فرآیند ۱۰۰٪ پاک به انرژی تبدیل کنیم، زیرا هیچ دیاکسید کربنی تولید نمیشود.
در تابلو خورشیدی DC، کلید DC بهعنوان تجهیز اصلی قطع و ایزولاسیون مدار عمل میکند و امکان جداسازی ایمن پنلها از اینورتر را در شرایط تعمیر، خطا یا اضطراری فراهم میسازد. طراحی صحیح این بخش نقش کلیدی در ایمنی کل سیستم خورشیدی دارد.
انواع پنل های خورشیدی
سه نوع اصلی پنل خورشیدی وجود دارد:
1.پنلهای خورشیدی فتوولتائیک (PV)
این پنلها از سلولهای خورشیدی فتوولتائیک تشکیل شدهاند که هنگام برخورد تابش خورشید به آنها یونیزه میشوند و الکترونهایی را آزاد میکنند که با یکدیگر انرژی الکتریکی تولید میکنند.
در دماهای پایین، ولتاژ خروجی پنلهای خورشیدی افزایش مییابد که این موضوع میتواند فشار الکتریکی بیشتری به تجهیزات DC وارد کند. به همین دلیل، انتخاب کلید DC با ولتاژ نامی مناسب و مطابق استاندارد IEC 60947-3 برای جلوگیری از خرابی تجهیزات الزامی است.
1.1)مونوکریستال
از آنجایی که از سیلیکون بسیار خالص ساخته شدهاند، بالاترین نرخ بازدهی موجود در بازار، بین ۱۵٪ تا ۲۰٪ را ارائه میدهند. مزایای اصلی: تولید توان بالا، عمر مفید طولانی و اندازه مناسب برای خانهها.
کلید DC در کنار فیوز DC و SPD، بخشی از زنجیره حفاظت DC در سیستم خورشیدی محسوب میشود و وظیفه آن محدودکردن گسترش خطا، جلوگیری از تداوم قوس الکتریکی و افزایش ایمنی تجهیزات و کابلهای DC است.
1.2)پلیکریستال
این پنلهای خورشیدی که به دلیل رنگ آبیشان به راحتی قابل تشخیص هستند، از سیلیکون خام ساخته شدهاند. آنها ارزانتر از پنلهای مونوکریستال هستند، اما بازدهی کمتری دارند، حدود ۱۵٪، اگرچه تولید برق آنها مشابه است.
آنها فضای بیشتری را اشغال میکنند و نسبت به قرار گرفتن در معرض دمای بالا حساستر هستند، بنابراین برای آب و هوای بسیار گرم توصیه نمیشوند.
1.3)سلولهای خورشیدی آمورف یا لایه نازک
این نوع پنلهای خورشیدی از موادی مانند سیلیکون آمورف، تلورید کادمیوم یا گالیوم با خواص فتوولتائیک استفاده میکنند. به این ترتیب، میتوان یک پنل انعطافپذیر و سبک ساخت.
آنها به اندازه پنلهای فتوولتائیک معمولی، بین ۷ تا ۱۰٪ کمتر، بازدهی کمتری دارند، عمر مفید آنها کوتاهتر است و به فضای بسیار بیشتری نیاز دارند. با این حال، آنها اقتصادیتر هستند، بنابراین معمولاً در تأسیسات بزرگ مانند صنایع یا تأسیسات عمومی استفاده میشوند.
تفاوت پنل های خورشیدی مونوکریستال و پلیکریستال
پنلهای خورشیدی مونوکریستالی و پلیکریستال دو نوع رایج از گیرندههای انرژی خورشیدی هستند. هر دو با استفاده از سلولهای فتوولتائیک ساخته شده از سیلیکون کار میکنند – همان مادهای که در تراشههای ابزارهای الکترونیکی استفاده میشود. تفاوت بین سلولهای خورشیدی مونوکریستالی و پلیکریستال در پیکربندی سیلیکون است.
هر دو نوع پنل خورشیدی هدف یکسانی دارند: تبدیل نور خورشید به برق. با این حال، ساختار سیلیکون کریستالی سلولهای خورشیدی منفرد بر عملکرد و ظاهر آنها تأثیر میگذارد. در واقع، میتوانید نوع پنل را با مشاهده ساده شکل و رنگ سلولهای خورشیدی آن تشخیص دهید.
-
تفاوت در راندمان و ساختار کریستالی
راندمان یک پنل خورشیدی، نسبت بین میزان انرژی جمعآوریشده به میزان انرژی تولیدشده است و بقیه به صورت گرما تلف میشود. راندمان ۲۰٪ به این معنی است که ۲۰٪ از تابش خورشیدی به برق تبدیل میشود و ۸۰٪ باقیمانده به گرما تبدیل میشود. هرچه راندمان بالاتر باشد، میزان برق تولید شده بیشتر است.
با این اوصاف، پنلهای خورشیدی مونوکریستالی عملکرد بهتری نسبت به پنلهای خورشیدی پلیکریستال دارند، زیرا سلولهای خورشیدی مونوکریستالی از یک کریستال واحد به جای مجموعهای از کریستالها تشکیل شدهاند که پاسخ طیفی آنها و در نتیجه تولید انرژی آنها را افزایش میدهد.
به طور مشخص، راندمان پنلهای خورشیدی مونوکریستالی بین ۱۶ تا ۲۴ درصد متغیر است در حالی که راندمان پنلهای خورشیدی پلیکریستال بین ۱۴ تا ۲۰ درصد متغیر است. این بدان معناست که در یک سطح مساوی، پنلهای خورشیدی مونوکریستالی کارآمدتر هستند. این پنلها اغلب برای کسانی که فضایشان یک عامل محدودکننده است، پیشنهاد میشوند.
-
عملکرد پنلها در دماهای مختلف و نور کم
در نور کم، پنلهای خورشیدی مونوکریستالی در مقایسه با پنلهای پلیکریستال همتای خود عملکرد بهتری دارند. این به دلیل نحوه تولید سلولهای مونوکریستالی است. خلوص بالاتر به همراه شبکه تک کریستالی سلول مونوکریستالی، جاذب بسیار کارآمدی برای تمام فوتونهای نور تابیده شده است. راندمان بالای نور خورشید به ویژه مفید است.
پنل مونوکریستالی تا حد امکان از نور ورودی ضعیف استخراج میکند و سطوح مفید تولید برق را بالا نگه میدارد. برخلاف باور عمومی، پنلهای خورشیدی در هوای سرد عملکرد بهتری دارند؛ زیرا افزایش دما معمولاً باعث کاهش ولتاژ پنلها میشود، در حالی که دمای پایین ولتاژ تولیدی را حفظ میکند.
2.پنلهای خورشیدی حرارتی
پنلهای حرارتی که به عنوان کلکتور یا جمعکننده خورشیدی نیز شناخته میشوند، تابش خورشیدی را به انرژی حرارتی یا گرما تبدیل میکنند.
این پنلها دارای یک پنل برای جمعآوری نور خورشید و یک مخزن یا کلکتور هستند که در آن سیالی قادر به انتقال گرما به سیستمهای گرمایش خانگی و آب گرم است. پنلها مدار سیال انتقال را گرم میکنند که به مبدل حرارتی واقع در مخزن ذخیرهسازی، جایی که آب گرم ذخیره میشود، منتقل میشود.
برخی از انواع پنلهای حرارتی خورشیدی، مانند پنلهای حرارتی خورشیدی متمرکز، این گرما را به بخار تبدیل میکنند تا توربینهای ژنراتور را به کار اندازند.
2.1)کلکتورهای خورشیدی دمای پایین
این کلکتورهای حرارتی خورشیدی به دمایی تا ۵۰ درجه سانتیگراد میرسند. آنها معمولاً برای تأمین انرژی سیستمهای گرمایش و آب گرم خانگی در خانهها یا مشاغل استفاده میشوند.
2.2)کلکتورهای خورشیدی دمای متوسط
این نوع کلکتورها به روشی مشابه کار میکنند، اگرچه دارای یک پوشش شفاف برای جلوگیری از اتلاف گرما هستند. در نتیجه، آنها قادر به رسیدن به دمایی تا ۹۰ درجه سانتیگراد هستند.
2.3)کلکتورهای خورشیدی دمای بالا
این پنلهای خورشیدی دارای دو پوشش هستند که خلاء ایجاد میکنند و به آنها امکان میدهند در دمایی تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد کار کنند. کلکتورهای دما بالا برای تولید برق در نیروگاههای حرارتی استفاده میشوند.
3.پنلهای خورشیدی هیبریدی
فناوری مورد استفاده در این پنلهای خورشیدی که هنوز در دست توسعه است، امکان ترکیب مزایای سلولهای فتوولتائیک و کلکتورهای حرارتی را در یک سیستم واحد فراهم میکند.
پنلهای خورشیدی هیبریدی قادر به تبدیل نور خورشید به برق و گرما هستند و عملکرد سلولهای فتوولتائیک را تا ۱۵٪ افزایش میدهند. علاوه بر این، این سیستمها را میتوان با سایر انرژیهای تجدیدپذیر، مانند انرژی باد، نیز ترکیب کرد تا سهم انرژی بیشتری به دست آید.
نحوه کار پنلهای خورشیدی
اصول کار پنل خورشیدی بر اساس اثر فتوولتائیک است. هنگامی که نور خورشید به سلولهای خورشیدی برخورد میکند، فوتونها الکترونها را به ماده نیمههادی (معمولاً سیلیکون) آزاد میکنند. این حرکت الکترونها جریان الکتریکی مستقیم (DC) تولید میکند که اساس انرژی تولید شده را تشکیل میدهد.
برای اینکه این برق بتواند در خانهها، مشاغل یا صنایع مورد استفاده قرار گیرد، به یک اینورتر متصل میشود که وظیفه تبدیل جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) را که روشی است که اکثر دستگاههای الکتریکی کار میکنند را بر عهده دارد.
انرژی الکتریکی تولید شده توسط سلول های فتوولتائیک یا به صورت جریان DC مستقیما در باتری ها ذخیره میشود و یا پس از تبديل جريان AC به شبكه برق عمومي تغذيه شده و يا در مصارف شخصي در واحد هاي مسكوني و تجاري ميرسد.
