نحوه کار سیستم فتوولتاییک چیست و چگونه برق تولید می کند؟

اگر به مبحث انرژی خورشیدی به صورت حرفه ای علاقه مند باشید؛ احتمالاً قادر هستید تا نحوه تولید برق توسط سیستم های خورشیدی فتوولتاییک را توضیح دهید. این فرآیند برای بسیاری مرموز و ناشناخته است، و اغلب تصورات نادرستی در این زمینه بین کسانیکه با انرژی خورشیدی آشنا نیستند، در جریان است. به همین دلیل ما در این مقاله قصد داریم تا در مورد نحوه تولید برق توسط تاسیسات خورشیدی و نحوه عملکرد این فرآیند صحبت کنیم. در ابتدا درباره مبانی نحوه تولید انرژی خورشیدی صحبت می کنیم و در ادامه به مشخصات سیستم های PV یا سیستم فتوولتاییک (Photovoltaics System) هم خواهیم پرداخت.

مبانی یک سیستم فتوولتاییک (PV) خورشیدی

سیستم های PV خورشیدی اساساً ترکیبی از پنل های خورشیدی، سخت افزارهای مورد نیاز برای کمک به جریان یافتن انرژی از پنل ها و اینورترها هستند. سیستم های PV بسته به نوع آنها می توانند از اینورترهای رشته ای، میکرو اینورترها یا بهینه سازهای برق برای تبدیل انرژی استفاده کنند؛ اما ساختار اصلی اکثر سیستم های PV یکسان است.

انرژی خورشیدی در یک سیستم فتوولتاییک (PV) چگونه کار می کند؟

پنل های خورشیدی، انرژی فوتون ها (ذرات نور) را به جریان الکتریسیته تبدیل می کنند. به این فرآیند، اثر فتوولتاییک گفته می شود. وقتی یک فوتون به یک دستگاه فتوولتاییک (PV) برخورد می کند؛ انرژی فوتون به الکترون های محلی ماده منتقل می شود. سپس این الکترون های برانگیخته شده جریان می یابند و بدین صورت جریان الکتریسیته تولید می گردد.

سلول های خورشیدی (که داخل پنل های خورشیدی قرار دارند) جریان مستقیم (DC) را تولید می کنند که معمولاً توسط یک اینورتر به برق جریان متناوب (AC) تبدیل می شود. به این صورت برق تولیدی توسط این پنل ها می تواند به شبکه برق انتقال یابد و یا اینکه برای تامین انرژی وسایل برقی (یا تاسیسات تجاری ساختمان های خورشیدی) مورد استفاده قرار گیرد.

فرآیند نحوه عملکرد پنل های خورشیدی شامل سه مرحله اصلی زیر است:

1. سلول های خورشیدی داخل پنل های خورشیدی، نور خورشید را جذب می کنند و همین باعث می شود تا جریان الکتریکی شروع به جریان یافتن کند.
2. یک اینورتر، برق DC را به برق AC تبدیل می کند.
3. این برق برای تامین انرژی مورد نیاز ساختمان های مشتریان مورد استفاده قرار می گیرد و برق مازاد بر مصرف مشتری، قابل انتقال به شبکه برق است.

چه اتفاقی برای برق تولیدی در سیستم فتوولتاییک (PV) می افتد؟

اکثر مشتریان پنل های خورشیدی در ایالات متحده دارای تاسیسات خورشیدی متصل به شبکه برق هستند. خانه آنها به شبکه برق متصل است؛ از این رو می توانند از انرژی تامین شده توسط شبکه برق در مواقعی که نیازشان بیش از برق تولیدی توسط تاسیسات خورشیدی آنهاست، استفاده کنند (به عنوان مثال در روزهای بارانی و یا در شب ها). در ضمن هر زمان انرژی تولیدی توسط سیستم PV آنها بیش از نیاز مصرفی شان باشد؛ می توانند انرژی مازاد را به شبکه برق انتقال دهند تا دیگران از آن استفاده نمایند.

مترینگ خالص (Net Metering)

امروزه سیاستی به نام مترینگ خالص در سراسر ایالات متحده رواج دارد. در قالب این سیاست، انرژی مازاد خورشیدی مشتریان به شبکه برق انتقال داده می شود؛ این انرژی در واقع جایگزین انرژی مصرفی خانوار از شبکه برق می شود و هزینه های آن را جبران می کند.

سیاست مترینگ خالص نقش مهمی در مقرون به صرفه کردن انرژی خورشیدی داشته است. اما در حال حاضر مشاهده می شود که شرکت های خدمات شهری فعال در آمریکا، تغییراتی در نحوه اجرای این سیاست اعمال کرده اند؛ به گونه ای که بسیاری از آنها دریافتی مشتریان از تاسیسات خورشیدی نصب شده خود را کاهش داده اند.

تعرفه های تشویقی (Feed-in Tariffs)

وضع تعرفه های تشویقی یکی دیگر از راه های جبران هزینه های مشترکان خورشیدی در ازای برقی است که در بعضی از مناطق به شبکه برق ارسال می کنند.

یک سیستم فتوولتائیک از چه اجزایی تشکیل می شود؟

یک سیستم PV در اصل شامل دو جزء اصلی زیر است:

• ماژول های خورشیدی: ماژول های خورشیدی حاوی سلول های خورشیدی هستند که نور خورشید را به جریان الکتریسیته تبدیل می کنند.
• اینورترها: جریان DC را به AC تبدیل می کنند. در ضمن کاربردهای مفید دیگری نیز در شبکه برق دارند.

اجزای تعادلی سیستم (BOS)

معمولاً به تمام اجزای یک سیستم PV به علاوه ماژول ها، اجزای تعادلی سیستم (BOS) گفته می شود. برخی از اجزای BOS عبارتند از: اینورترها، قطع کننده ها، قفسه بندی و سیم کشی. البته این تنها یک نمای کلی از قطعات مختلف یک سیستم خورشیدی و نحوه قرار گرفتن آنها در کنار یکدیگر را به تصویر می کشد. چنانچه بخواهید بیشتر با روش های اتصال پنل ها و اینورترها به هم (ردیف کاری) آشنا شوید، و یا اگر به مبحث جایگزین های اینورترهای سنتی (که به الکترونیک قدرتی سطح ماژول یا MLPE معروف هستند) علاقه دارید؛ می توانید مقالات مرتبط را در این زمینه مطالعه بفرمایید.

چه عواملی بر کارآیی سیستم فتوولتائیک خورشیدی تاثیر می گذارند؟

باید توجه داشته باشید که فرآیند تولید برق از انرژی خورشید، هرگز 100% نیست. عوامل محیطی مانند دما، گرد و خاک و سایه، به علاوه اتلاف در اجزای الکتریکی این سیستم ها، می توانند بر بهره وری یک سیستم PV تاثیر بگذارند. مجموعه عواملی که باعث اتلاف انرژی می شوند، معمولاً عبارتند از:

• دما: معمولاً کارآیی پنل های خورشیدی در دماهای مختلف، متفاوت است. به گونه ای که دمای بالا تاثیری منفی بر کارآیی آنها می گذارد.
• گرد و خاک و کثیفی: گرد و خاک و موادی که روی سطح پنل های PV انباشته می شوند؛ مانع از رسیدن نور خورشید به سلول های خورشیدی می شوند، و در نتیجه توان تولیدی آنها را کاهش می دهند. اتلاف برق در اثر گرد و خاک و کثیفی، به نوع آلودگی و تعداد دفعات تمیز کردن سطح پنل ها بستگی دارد.

• سایه: انسداد تابش خورشید توسط درختان، ساختمان ها، زمین و سایر اشیای موجود در محیط است. تاثیر سایه بر روی توان خروجی تاسیسات خورشیدی به شدت متغیر می باشد.
• سیم کشی و اتصالات: وجود مقاومت در اتصالات الکتریکی تاسیسات خورشیدی، معمولاً مسبب چند درصد اتلاف برق این تاسیسات است.
• عدم انطباق: معمولاً ویژگی های الکتریکی ماژول های یک نوع به دلیل تنوع در ساخت، تا اندازه ای با هم متفاوت است. لذا عدم انطباق بین ماژول ها، گاهاً باعث کاهش عملکرد آنها می شود.
• راندمان اینورتر: معمولاً بهره وری فرآیند تبدیل برق DC به AC حدود 96% تا 97% است. اینورترها معمولاً زمانیکه توان ورودی DC زیاد است؛ بهره وری بالاتری دارند. اما چنانچه توان ورودی بسیار کمتر از توان اسمی اینورتر باشد؛ راندمان تبدیل به شدت پایین می آید.
• سن: معمولاً راندمان پنل های خورشیدی با افزایش سن آنها کاهش می یابد. غالباً کاهش عملکرد آنها سالیانه 0.5% در نظر گرفته می شود.

عوامل	مقدار معمول
دما	0.5%- بر درجه سانتیگراد
راندمان اینورتر	96.5%
عدم انطباق	98%
سیم کشی / اتصالات	98%
گرد و خاک و کثیفی	95% (بسیار متغیر)
سن	0.5%- در سال
سایه	به شدت وابسته به محیط زیست است.

ضریب کاهشی سیستم

تمامی عوامل فوق در ضریبی به نام ضریب کاهشی سیستم وارد می گردند؛ این ضریب تلفات کلی یک سیستم نصب شده خورشیدی را نشان می دهد. به عنوان مثال PVWatts که یک برنامه محاسباتی محاسبه میزان انرژی تولیدی یک سیستم PV است و توسط NREL پشتیبانی می شود، از ضریب کاهشی پیش فرض 86% استفاده می کند.

با این حال این مقدار در اصل به طراحی سیستم و شرایط محیطی بستگی دارد و ممکن است کمتر یا بیشتر شود. با کمک نرم افزارهای پیشرفته طراحی خورشیدی، می توان میزان اتلاف سیستم PV و میزان انرژی تولیدی توسط سیستم خود را محاسبه نمود.

راندمان پنل های خورشیدی (ماژول ها) نشان می دهد که یک ماژول تا چه اندازه از تابش خورشید را تحت شرایط استاندارد (شرایط STC، تابش W/m² 1000 و دمای محیط 25 درجه سانتیگراد) به برق تبدیل می کند. در ضمن با استفاده از فرمول زیر، می توان کارآیی یک سیستم PV را در هنگام تبدیل تابش نور خورشید به انرژی برق تحت شرایط STC تخمین زد:

$$ / زمینه (بهره وری کلی سیستم) = / زمینه (بهره وری ماژول) / زمان / زمینه (ضریب کاهش) $$