راهنمای جامع راندمان یا کارایی (بهره وری) پنل های خورشیدی

به احتمال زیاد وقتی به کارایی پنل های خورشیدی فکر می کنید؛ به این می اندیشید که یک پنل تا چه اندازه از نور خورشید را می تواند به برق تبدیل کند. هر چند چنین مسئله ای برای مشتریانی که سیستم های فتوولتاییک جدید را انتخاب می کنند بسیار مهم است؛ اما کارایی واقعی سیستم های PV تنها به خود آنها و انتخاب یک سیستم با کارایی بالا مربوط نمی گردد، و عوامل دیگری نیز در این میان دخیل هستند.

لذا ما در این مقاله قصد داریم به چند متغیر مختلف که در بهره وری بالای تاسیسات خورشیدی موثر هستند بپردازیم. در ابتدا بحث خود را با نحوه کارکرد پنل های مختلف و تبدیل نور خورشید توسط آنها به جریان برق شروع می کنیم، و در ادامه به عوامل دیگری مثل برنامه ریزی، نصب و نگهداری این سیستم ها نیز خواهیم پرداخت. اما بیایید از مهم ترین بخش ماجرا، یعنی خود پنل ها شروع کنیم.

کارایی پنل های خورشیدی

بهره وری پنل های خورشیدی طی سال های اخیر سیر صعودی را طی کرده و از حدود 15% به بیش از 20% رسیده است. در ضمن نوید آن می رود که این رقم طی سالیان آینده افزایش یابد؛ چرا که فناوری های جدید و در حال ظهور مانند مواد پروسکایت (Perovskite)، زمزمه افزایش بهره وری پنل های خورشیدی تا 40% را مطرح کرده اند.

در هنگام انتخاب پنل های خورشیدی، درجه کارایی یک معیار مهم برای تعیین میزان برق تولیدی توسط یک پنل در مقایسه با محصولات مشابه است. بر این اساس، بهره وری پنل ها با توجه به دو عامل زیر تعیین می شود:

• بهره وری سلول فتوولتاییک (PV) که ناشی از طراحی سلول ها و مواد اولیه ساخت آنهاست.
• بازده کلی پنل که براساس پیکربندی سلول ها، نحوه طراحی و اندازه پنل تعیین می شود.

حال بیایید به قلب یک سلول PV مدرن، یعنی سلول های آن بپردازیم.

راندمان سلول خورشیدی چیست؟

وقتی بحث راندمان سلول‌های خورشیدی مطرح می شود؛ منظور نسبتی از نور خورشید است که به پنل برخورد کرده و به برق تبدیل می شود. کارایی یک پنل خورشیدی دقیقاً به اندازه ضعیف‌ترین حلقه آن، یعنی سلول هایش است. سلول هایی که از سیلیکون ساخته شده اند؛ فوتون ها را جذب کرده و آنها را به برق تبدیل می کنند.

با این حال همه فوتون ها جذب نمی شوند؛ برخی از فوتون‌ها بسته به طول موج نوری که به سلول برخورد می کند، منعکس می شوند، برخی دیگر از آن عبور می کنند و برخی نیز جذب شده و به گرما تبدیل می شوند. فوتون هایی که در نهایت باقی می مانند؛ می توانند الکترون ها را از سیلیکون جدا کرده و در نتیجه انرژی تولید کنند.

از قدیم‌الایام هدف طراحان سلول های خورشیدی، طراحی سلول هایی بوده که قدرت پذیرش فوتون در آنها حداکثر باشد؛ لذا همواره سعی کرده اند با تغییر عوامل زیر به هدف خود دست یابند:

• مواد اولیه: نوع و جنس مواد (مونو کریستالی، پلی کریستالی و غیره) نقش مهمی در بهره وری کلی پنل های خورشیدی ایفا می کند. کارآمدترین سلول ها از خالص ترین سیلیکون ها ساخته می شوند. ناخالصی ها می توانند باعث ایجاد نوترکیباتی گردند که خود ناشی از ترکیب مجدد الکترون ها در هنگام مواجه با ناخالصی ها و نقایص در ساختار کریستالی سلول هستند.
• سیم کشی و گذرگاه انتقالی: سلول های حاوی باسبارهای (Busbars) متعدد و غیر فعال کننده ها، به جذب و انتقال کارآمد جریان برق کمک می کنند.
• انعکاس: به حداقل رساندن مقدار نور منعکس شده از سطح سلول، نیز یکی دیگر از عوامل مهمی است که بر کارایی سیستم های خورشیدی تاثیر می گذارد. به همین دلیل سلول هایی که با پوشش های ضد انعکاسی (رنگ های آبی و سیاهی که روی پنل های خورشیدی مشاهده می کنید) پوشانده شده اند، بالاترین راندمان را دارند.

کارایی یا راندمان پنل خورشیدی چیست؟

بازده یا کارایی پنل های خورشیدی با در نظر گرفتن یک سطح، تحت شرایط آزمایشی کاملاً کنترل شده به نام شرایط آزمون استاندارد (STC) اندازه گیری می شود. این شرایط با قرار دادن یک پنل در معرض منبع نور و دمای ثابت، و اندازه گیری جریان و ولتاژ تولید شده در مقاومت های مختلف ایجاد می گردد. شرایط آزمون استاندارد عبارتند از: دمای سلول 25 درجه سانتیگراد، تابش  W/m² 1000 و جرم هوا 1.5.

کارایی یک پنل با در نظر گرفتن حداکثر توان پنل در شرایط آزمون استاندارد، تقسیم بر مساحت پنل (برحسب متر) تعیین می شود:

کارایی = ([توان حداکثر / مساحت] / 1000) × 100%

یک پنل خورشیدی یک متر مربعی تحت شرایط آزمون استاندارد با کارایی 15% قادر است 150 وات برق تولید کند. با این حال میانگین کارایی پنل ها در دنیای واقعی، داستان دیگری دارد. راندمان پنل های خورشیدی در شرایط آزمایشی استاندارد کارخانه اندازه گیری می شود؛ به همین دلیل کارایی پنل ها در دنیای واقعی با آنچه که تبلیغ می شود متفاوت است. این بدان معنی است که بهره وری پنل های خورشیدی، تنها به کارآمدی آزمایشی آنها بستگی ندارد؛ بلکه عوامل دیگری نیز در این میان دخیل هستند که عبارتند از:

• سیم کشی و گذرگاه انتقالی مورد استفاده برای جذب و انتقال برق
• انعکاس پرتوهای خورشید
• نحوه نصب و جایگذاری پنل
• خروجی توان خورشیدی بالقوه منطقه
• سن پنل
• آب و هوا
• سایه
• رنگ سقف و پوشش محافظ پنل ها

انواع پنل های خورشیدی و میزان کارایی‌ آنها

امروزه در بازار مصرفی، 4 نوع پنل اصلی موجود هستند که هر کدام مزایا، معایب و پیکربندی های خاص خود را دارند:

• سلول های مونو کریستالی (Monocrystalline) در اصل یک بلور سیلیکونی جامد هستند. سلول های مونو کریستالی فضای بیشتری را برای جریان یافتن الکترون ها فراهم می کنند؛ در نتیجه پنل های ساخته شده با آنها کوچک تر و کارآمدتر هستند. اما تنها نکته منفی آنها، گران بودنشان است.
• سلول های پلی کریستالی (Polycrystalline) از تکه های سیلیکون ذوب و درهم ادغام شده ساخته می شوند. سلول های پلی به اندازه سلول های مونو کارایی ندارند؛ اما در عوض حاوی قیمت پایین تری هستند.
• سلول های فیلم نازک (Thin-film) به اندازه کافی انعطاف پذیر و نازک هستند؛ از این رو برای کاربردهای مقیاس کوچک و یا موارد قابل حمل مناسب می باشند، اما برای استفاده در تاسیسات بزرگ مناسب نیستند.

سلول های این پنل ها را می توان به گونه ای پیکربندی کرد که کارایی آنها به حداکثر برسد. در ادامه قصد داریم به انواع مختلف سلول های خورشیدی و کارایی آنها نگاهی بیاندازیم؛ اما در ابتدا می خواهیم برخی از کلمات اختصاری را توضیح دهیم:

• PERC (ساطع کننده غیر فعال و سلول عقبی): نور را به داخل سلول باز می تابانند؛ از این رو تمایل الکترون ها به ترکیب مجدد را کاهش می دهند. مزیت آنها این است که طول موج های بلندتری از نور را جذب می کنند؛ در نتیجه راندمان آنها در مقایسه با ماژول های سنتی بالاتر است.
• MBB (باسبارهای چندگانه): با کوتاه کردن طول مسیر جریان عبوری از یک ویفر سلولی، تلفات جریان را کاهش می دهند.
• IBC (اتصال پشتی پیوندی): انرژی در پشت سلول تبدیل می شود و به تمام قسمت جلویی سلول اجازه می دهد نور خورشید را جذب کند؛ از این رو کارایی، بازده و قابلیت اطمینان سلول بالاتر می رود.

کارآمدترین انواع پنل های خورشیدی کدام ها هستند؟

در زیر رتبه بندی انواع پنل های خورشیدی را براساس کارایی آنها مشاهده می کنید:

• PERC پلی کریستالی: راندمان 16% تا 17%
• PERC مونو کریستالی: راندمان 17% تا 19%
• مونو کریستالی شینگل: راندمان 18% تا 20%
• PERC مونو کریستالی نیمه برشی: راندمان 18% تا 20%
• باسبارهای چندگانه PERC مونو کریستالی نیمه برشی: راندمان 19% تا 20.5%
• PERC مونو کریستالی شینگل: راندمان 19% تا 20.5%
• MBB نامتجانس نیمه برشی: راندمان 20% تا 22%
• IBC نوع N: راندمان 20% تا 23%

کارآمدترین پنل های خورشیدی کدام ها هستند؟

10 مورد از کارآمدترین پنل های خورشیدی حال حاضر عبارتند از (منبع: Clean Energy Reviews):

• SunPower Maxeon 3 (400 وات)، راندمان 22.8%
• LG Neon R (380 وات)، راندمان 22%
• REC Alpha Pure (405 وات)، راندمان 21.9%
• Panasonic EverVolt (380 وات)، راندمان 21.7%
• Silfab Elite BK (405 وات)، راندمان 21.4%
• Jinko Solar Tiger N-type 66TR (410 وات)، راندمان 21.4%
• FuturaSun FU 360 M Zebra (360 وات)، راندمان 21.3%
• Hyundai HiE-S400UF (400 وات)، راندمان 21.3%
• Trina Solar Vertex S (405 وات)، راندمان 21.1%
• SPIC Solar Andromeda (355 وات)، راندمان 21%

راهکارهایی برای به حداکثر رساندن کارایی سیستم خورشیدی

باید توجه داشت که بین تنظیم رکوردهای بهره وری حداکثری و حفظ عملکرد پنل ها در دنیای واقعی، تفاوت زیادی وجود دارد. همانطور که پیشتر هم توضیح دادیم؛ ممکن است یک پنل فوق العاده کارآمد در آزمایشگاه عالی به نظر بیاید، اما فاقد کارایی لازم برای کاربردهای عملی باشد.

اگر هدف شما به حداکثر رساندن توان خروجی سیستم خورشیدی است؛ باید در کنار کارایی پنل، به فناوری هایی چون ماژول های هوشمند و الکترونیک قدرتی سطح ماژول نیز توجه نمایید. به حداکثر رساندن کارایی سیستم های PV علاوه بر افزایش توان خروجی آنها، مزایای دیگری مثل افزایش درآمد از محل مترینگ خالص را هم به دنبال دارد.

هیچ چیز خوبی رایگان به دست نمی آید؛ حقیقت این است که پنل های خورشیدی کارآمد قیمت بالایی دارند. اگر فضای محدودی دارید؛ ناچارید از این پنل ها استفاده کنید، اما در موارد دیگر ممکن است حتی یک پنل اقتصادی نیز نیازهای انرژی مشتری را تامین کند و در عین حال محدودیتی از نظر بودجه هم برای مشتری به وجود نیاورد. اما بعد از اینکه یک سیستم را انتخاب کردید؛ توجه به برخی از ملاحظات اولیه می تواند به بالا نگهداشتن کارایی سیستم کمک کند.

به حداکثر رساندن پتانسیل خروجی با برنامه ریزی مناسب

صرف نظر از اینکه کدام نوع از پنل های خورشیدی را انتخاب کرده اید؛ باید توجه داشته باشید که عواملی مانند برنامه ریزی دقیق، توجه به منابع و انتخاب بهترین مکان برای نصب پنل ها نقش مهمی در کارایی آنها دارند. اولین قدم این است که از نصب پنل ها در مکان های سایه اجتناب کنید و آنها را در جایی قرار دهید که بیشترین تابش خورشید به آنها برخورد می کند.

با مراجعه به شرکت های فعال در این زمینه می توانید انواع برندهای مختلف را بررسی کنید تا ببینید که هر کدام در یک پروژه معین تا چه اندازه برق تولید می کنند و بدین وسیله سیستمی را انتخاب کنید که در عین کارایی بالا، قیمت مناسبی هم داشته باشد.

نظافت و نگهداری

کار شما پس از نصب سیستم خورشیدی به پایان نمی رسد. باید همانطور که از ماشین تان نگهداری می کنید، از سیستم های خورشیدی نیز مواظبت کرده و آنها را به موقع تعمیر کنید؛ زیرا چنین کارهایی برای اطمینان از کارایی حداکثری این پنل ها ضروری است. تجمع گرد و خاک بر روی پنل ها در طول یک سال، ممکن است خروجی آنها را تا 4.4% کاهش دهد؛ پس اگر در منطقه ای با آب و هوای خشک زندگی می کنید و باران به صورت منظم پنل های شما را به صورت طبیعی شستشو نمی دهد، بهتر است هر از چند گاهی آنها را تمیز نمایید.

حتی اگر در منطقه ای با بارش زیاد باران زندگی می کنید؛ باید مرتباً پنل ها را از نظر وجود گرده گل ها، فضولات پرندگان، برگ ها، خاکستر و سایر آلاینده ها بررسی نمایید. ابتدا پنل ها را به آرامی با شلنگ آب بشویید و اگر هنوز کثیف بودند؛ آنها را به صورت ملایم با یک شوینده بشویید تا کاملاً تمیز شوند.

چرا کارایی پنل های خورشیدی مهم است؟

همانطور که عنوان شد؛ راندمان پنل های خورشیدی در کنار همه عوامل دیگر، بخش مهمی از طراحی یک سیستم PV کارآمد محسوب می شود. کارآمدی یک پنل خورشیدی مانند راندمان سوخت در یک خودرو، به معنای استفاده از مواد اولیه کمتر، ردپای زیست محیطی کوچک تر و فضای کمتر برای تولید انرژی است.

در برخی از موارد، استفاده از پنل های خورشیدی با بهره وری بالا، تنها گزینه است. چنانچه فضای شما محدود است؛ توجه به کارایی پنل های خورشیدی به منظور اطمینان از تولید انرژی کافی بسیار اهمیت دارد. این اصل بیشتر برای ساختمان های مسکونی کوچک تر که مساحت سقف یا زمین های بلااستفاده در آنها محدود است، صدق می کند.

اما اگر به دنبال سیستم های فتوولتاییک کامل هستید؛ باید بدانید که راندمان پنل ها تنها چیزی نیست که باید به آن توجه کنید. اکثر خانه ها فضای کافی برای نصب پنل های خورشیدی مطابق با نیازهای انرژی خود را دارند؛ در این صورت حتی می توان از پنل های با کارایی کمتر هم استفاده کرد.

بیایید یک مثال عملی را بررسی کنیم تا بهتر با قضیه آشنا شوید. فرض کنید خانه ای دارای سقف شیبدار با مساحت 1500 فوت مربعی است، مصرف برق آن روزانه حدود 30 کیلو وات ساعت می باشد و روزانه حدود 3 تا 5 ساعت اوج تابش خورشید را دریافت می کند. حال چگونه می توان 30 کیلو وات ساعت مصرف روزانه این ساختمان را با برق خورشیدی تامین کرد؟ (توجه داشته باشید که تمام محاسبات زیر تخمینی هستند؛ لذا محاسبات براساس کارایی پنل ها، فاصله زمانی دریافت تابش آفتاب، مکان ساختمان، فصل و عوامل دیگر تغییر می کند).

چنانچه برای این ساختمان از پنل های خورشیدی با کارایی 15% استفاده کنیم؛ می توانیم به ازای هر متر مربع سقف در فاصله زمانی تابش نور خورشید حدود 0.45 تا 0.47 کیلو وات ساعت برق تولید نماییم. در این صورت اگر مساحت مفید سقف تحت پوشش پنل ها را 40 تا 70 متر مربع (یا 430 تا 750 فوت مربع) در نظر بگیریم؛ به راحتی می توانیم 30 کیلو وات ساعت مصرف روزانه برق این ساختمان را تامین کنیم.

اما با استفاده از پنلی که 20% کارایی دارد؛ می توانیم به ازای هر متر مربع سقف در فاصله زمانی تابش نور خورشید حدود 0.6 تا 1 کیلو وات ساعت، برق ایجاد نماییم. از این رو تنها به 30 تا 50 متر مربع (320 تا 540 فوت مربع) از پشت بام برای نصب پنل ها نیاز داریم.

هر پنل از این نوع تقریباً 40 فوت مربع مساحت دارد. البته باید توجه داشت که تمام قسمت های این سقف 1500 فوتی برای نصب پنل های خورشیدی مناسب نیست؛ اما در این مورد احتمالاً فضای کافی برای نصب پنل ها وجود دارد. در ضمن همواره انتخاب یک پنل در دسترس، مقرون به صرفه و کارآمد یک انتخاب عالی محسوب می شود.

به عنوان مثال پنل های پلی کریستالی حدود 15% راندمان دارند و جزء ارزان ترین پنل های موجود در بازار هستند؛ اما در عین حال گزینه ای مناسب برای اکثر ساختمان ها و محیط ها می باشند. با این حال خالی از لطف نیست که بدانید معمولاً طول عمر پایین تری نسبت به پنل های مونو کریستالی (کارآمدتر و گران قیمت تر) دارند. بنابراین اگر طول عمر پنل ها برایتان بسیار مهم هستند؛ احتمالاً باید پنل های مونو گران قیمت تر را انتخاب کنید.

پس از انتخاب یک پنل مناسب، باید بدانید که کسب حداکثر بازده از آن، منوط به نصب و جایگذاری صحیح سیستم PV است. نصب و راه اندازی نامناسب پنل های خورشیدی (مثل استفاده از پنل های پشتی نامناسب، عدم استفاده از تجهیزات جانبی کافی و غیره) به شکل قابل توجهی باعث کاهش راندمان پنل های خورشیدی می شود.

در نتیجه می توان گفت که کارایی پنل های خورشیدی بخش مهمی از ملاحظات گسترده تر در هنگام استفاده از انرژی خورشیدی است. به علاوه نصاب ها باید تمام جنبه های یک پروژه (اعم از هزینه، ارزش، نیازهای صاحبخانه و مسائل زیبایی شناسانه) را در نظر بگیرند و براساس آنها بهترین پنل را انتخاب کنند.

نکات کلیدی در مورد کارایی پنل های خورشیدی:

• در هنگام انتخاب پنل بین کارایی و قیمت باید توازن برقرار باشد. در این صورت پنل باید براساس نیازها و بودجه مشتری انتخاب شود.
• پنل های خورشیدی ممکن است در نهایت به بهره وری 40% برسند؛ اما این موضوع از اهمیت انتخاب بهترین پنل های خورشیدی امروزی نمی کاهد.
• امروزه کارآمدترین پنل های خورشیدی توسط شرکت های SunPower (22.6%)، LG (22%) و REC Solar (21.7%) تولید می شوند.