نیروگاه خورشیدی چیست، چگونه کار می کند و انواع فناوری نصب و راه اندازی آن

نیروگاه خورشیدی (Solar Power Plant) یک مجموعه شگفت انگیز و منحصر به فرد از قطعات مهندسی شده هستند. اما این مجموعه های اعجاب انگیز چگونه کار می کنند؟ اگر این سوال نیز ذهن شما را به خود مشغول کرده است؛ توصیه می کنیم تا پایان این مطلب با ما همراه باشید.

نیروگاه خورشیدی چیست؟

نیروگاه خورشیدی به هر نوع تاسیساتی اشاره دارد که نور خورشید را به صورت مستقیم (نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک) یا غیرمستقیم (نیروگاه های حرارتی خورشیدی) به برق تبدیل می کنند. نیروگاه های خورشیدی انواع مختلفی دارند و در هر کدام از آنها از تکنیک های کاملاً متفاوتی برای مهار قدرت خورشید استفاده می شود.

نیروگاه خورشیدی یک مجموعه گسترده از اجزای مختلف خورشیدی، منجمله پنل های خورشیدی (برای جذب و تبدیل نور خورشید به برق)، اینورتر خورشیدی (برای تبدیل برق DC به AC و نظارت بر سیستم)، باتری های خورشیدی و سایر لوازم جانبی است که برای راه اندازی یک سیستم کاری لازم است.

وظیفه اصلی یک نیروگاه خورشیدی، تامین کامل انرژی به صورت مستقل و در عین حال کاهش هزینه های برق شماست. این اصل در مورد سیستم های خورشیدی کوچک تا بزرگ با ظرفیت یک کیلووات تا چندین مگاوات صدق می کند.

نیروگاه خورشیدی به سیستم انرژی خورشیدی، سیستم خورشیدی و سیستم برق خورشیدی نیز معروف است. در نیروگاه های خورشیدی از فناوری های مختلفی استفاده می شود؛ اما فناوری فتوولتائیک خورشیدی بهترین گزینه برای جمع آوری حداکثر میزان نور خورشید و تبدیل آن به برق است.

سه نوع سیستم انرژی خورشیدی مختلف وجود دارند که آشنایی با آنها به شما کمک می کند تا بهترین سیستم را مطابق با نیازهای خود انتخاب کنید.

انواع نیروگاه خورشیدی

نیروگاه های خورشیدی در اصل در سه نوع مختلف وجود دارند: نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه، نیروگاه خورشیدی خارج از شبکه و نیروگاه خورشیدی هیبریدی.

• سیستم خورشیدی متصل به شبکه: ذخیره + صادرات به شبکه
• سیستم خورشیدی خارج از شبکه: ذخیره + پشتیبانی
• سیستم خورشیدی هیبریدی: متصل به شبکه + خارج از شبکه

امروزه بسیاری از مردم با توجه به مزایای استفاده از انرژی خورشیدی، از آن به عنوان منبع اصلی انرژی خود استفاده می کنند. اما بهتر است قبل از هر اقدامی در این زمینه، با انواع نیروگاه های خورشیدی آشنا شوید. در این صورت راحت تر می توانید بفهمید که آیا یک نوع نیروگاه خورشیدی برای شما مناسب است یا خیر.

از اینرو به شما توصیه می کنیم که اگر در انتخاب نیروگاه خورشیدی مصمم هستید؛ این مقاله را با دقت بخوانید تا به صورت کامل با انواع نیروگاه خورشیدی و جزئیات آنها آشنا شوید.

تفاوت بین نیروگاه های خورشیدی متصل به شبکه، خارج از شبکه و هیبریدی

سیستم های خورشیدی بسته به مشخصات و ویژگی های خود با یکدیگر تفاوت دارند؛ اما همه آنها براساس یک اصل ثابت کار می کنند. در کنار این، برخی از اجزای انواع مختلف سیستم های خورشیدی با هم تفاوت دارد.

در ابتدا از اصول اولیه شروع می کنیم: تفاوت اصلی بین نیروگاه های خورشیدی متصل به شبکه، خارج از شبکه و هیبریدی، به ارتباط آنها با شبکه برق بر می گردد.

یک سیستم خورشیدی متصل به شبکه با شبکه برق کار می کند؛ در حالیکه یک سیستم خورشیدی خارج از شبکه، ارتباطی با شبکه برق ندارد. اما یک سیستم هیبریدی تا حدی به شبکه برق وابسته است. در ادامه این مطلب بیشتر در مورد آنها صحبت خواهیم کرد.

انواع دیگر نیروگاه های خورشیدی

تمام انواع نیروگاه های فوق الذکر را می توان به دو دسته زیر تقسیم کرد:

• نیروگاه های خورشیدی مسکونی (متصل به شبکه / خارج از شبکه / هیبریدی)
• نیروگاه های خورشیدی تجاری (عمدتاً متصل به شبکه و هیبریدی)

برای آشنایی بیشتر با این نیروگاه های خورشیدی بهتر است ادامه مطلب را بخوانید.

سیستم برق خورشیدی خارج از شبکه

در بعضی از قسمت های جهان، مناطق دور افتاده ای وجود دارند که شبکه برق به آنها نرسیده است. در این مناطق بسیاری از خانه ها با بحران کمبود برق دست و پنجه نرم می کنند. به علاوه در برخی از نواحی جهان، برق تولیدی کافی نیست و یا به طور مرتب وجود ندارد. برای افرادیکه در چنین مناطقی زندگی می کنند، وجود یک سیستم برق خورشیدی خارج از شبکه یک موهبت بزرگ است؛ زیرا چنین سیستمی برای کار کردن، نیاز به شبکه برق ندارد. این سیستم تقریباً در تمام طول سال می‌تواند برق کافی و پیوسته تولید کند.

اهمیت سیستم انرژی خورشیدی خارج از شبکه

نیروگاه خورشیدی خارج از شبکه متشکل از یک سیستم خورشیدی و بانک باتری است. این باتری می تواند انرژی تولید شده توسط سیستم را ذخیره کند تا در صورت نیاز در آینده مورد استفاده قرار بگیرد. باتری خورشیدی تامین بدون وقفه برق را در مواقعی که نور خورشید وجود ندارد، تضمین می کند.

این سیستم خورشیدی، نور خورشید را به برق جاری و پیوسته تبدیل می کند که به صورت مستمر در دسترس است. برق اضافی این سیستم به صورت خودکار در باتری های خورشیدی ذخیره می شود. این بدان معنی است که در غیاب نور خورشید (در هنگام شب یا هوای ابری) کمبود برق وجود نخواهد داشت.

یک سیستم خورشیدی خارج از شبکه چگونه کار می کند؟

• این نوع از نیروگاه خورشیدی، برق مصرف نشده ای که توسط سیستم خورشیدی تامین می شود را در باتری ها ذخیره می کند.
• اضافه شدن اینورتر خورشیدی به این سیستم اجازه می دهد تا برق DC ذخیره شده در باتری ها را به برق AC (جریان متناوب) تبدیل کند.
• برق AC فرم استاندارد جریان الکتریسیته است و برای تمام وسایل و لوازمی که به برق شهری متصل می شوند مناسب می باشد.
• در واقع انرژی ذخیره شده در باتری این سیستم ها، در صورت نیاز به برق جریان متناوب تبدیل شده و مورد استفاده قرار می گیرد.

نتیجه گیری: اگر سیستم برق شبکه منطقه محل سکونت شما چندان قابل اعتماد نیست و با قطعی مکرر برق مواجه می شوید؛ بهتر است یک نیروگاه خورشیدی خارج از شبکه تهیه کنید.

سیستم برق خورشیدی متصل به شبکه

یک نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه همانطور که از نامش پیداست؛ متصل به شبکه برق است و در صورت نیاز به آن تکیه می کند. سیستم های متصل به شبکه، سیستم های PV خورشیدی هستند و تنها زمانی قادر به تولید برق می باشند که به شبکه برق دسترسی داشته باشند. آنها باید برای کار کردن به شبکه برق متصل شوند. این نوع نیروگاه خورشیدی برای کسانی مناسب است که می خواهند هزینه قبض برق خود را کاهش دهند و در عین حال نمی خواهند مبلغ زیادی روی سیستم های خورشیدی سرمایه گذاری کنند.

اهمیت سیستم انرژی خورشیدی متصل به شبکه

سیستم انرژی خورشیدی متصل به شبکه دارای قابلیت مترینگ خالص (Net Metering) است. در این حالت برق مازاد تولید شده توسط سیستم خورشیدی به شبکه برق تزریق می شود و هزینه آن به عنوان اعتبار در قبض برق لحاظ می گردد. از اینرو با استفاده از این سیستم هم می توانید هزینه قبض برق خود را کاهش دهید و هم کسب درآمد کنید. از آنجاییکه مصرف کننده با استفاده از این سیستم از دو منبع مختلف به برق دسترسی دارد؛ لذا تامین برق او در تمام هفته و 24 ساعت شبانه روز تضمین می شود.

به علاوه امکان استفاده از هر وسیله خانگی جدید برای شما وجود دارد؛ زیرا لازم نیست نگران تامین برق آن باشید. همچنین نصب چنین سیستمی آسان است، هزینه نگهداری آن پایین می باشد و قیمت کمتری نسبت به یک سیستم خورشیدی خارج از شبکه دارد. به طور کلی خرید یک سیستم خورشیدی متصل به شبکه، یک سرمایه گذاری عالی است.

سیستم خورشیدی متصل به شبکه چگونه کار می کند؟

• در این سیستم می توان برق تولید شده توسط سیستم در طول روز را فوراً مورد استفاده قرار داد و یا به شبکه اصلی منتقل کرد. این نوع از سیستم خورشیدی به طور خودکار برق مازاد تولید شده توسط سیستم خورشیدی را به شبکه برق انتقال می دهد.
• در هنگام کمبود برق، برق صادر شده به شبکه عودت داده می شود
• هر وات برق اضافه ای که به شبکه تزریق می شود برای شما درآمد در پی دارد. زیرا بعدها می توانید از طریق برنامه مترینگ خالص از دولت اعتبار کسب کنید.

نتیجه گیری: اگر به برق قابل اعتماد و پیوسته دسترسی دارید، اما هزینه قبض برق شما زیاد است؛ توصیه می شود از یک نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه استفاده کنید.

سیستم انرژی خورشیدی هیبریدی

سیستم انرژی خورشیدی هیبریدی، ترکیبی از دو سیستم فوق الذکر است. این سیستم شامل مجموعه ای از باتری های خورشیدی است که در صورت نیاز می توانند با شبکه اصلی برق ارتباط برقرار کنند. در نتیجه استفاده از چنین سیستمی، قبض برق شما را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد، و خیلی زود هزینه خرید و راه اندازی آن سر به سر می‌شود. به همین دلیل می توان گفت که سیستم خورشیدی متصل به شبکه + سیستم خورشیدی خارج از شبکه = سیستم خورشیدی هیبریدی است.

اهمیت سیستم انرژی خورشیدی هیبریدی

یک نیروگاه خورشیدی هیبریدی (ترکیبی) همواره برای تغییر و توسعه در آینده آماده است؛ زیرا هم از باتری و هم از شبکه برق استفاده می کند.

شما با راه اندازی و نصب یک سیستم هیبریدی خورشیدی نه تنها می توانید مصرف برق خود را افزایش دهید؛ بلکه قادرید با مصرف کمتر برق شبکه، هزینه قبض برق خود را نیز پایین بیاورید. از اینرو چنین سیستمی ضمن کاهش هزینه قبض برق شما، دسترسی مستمر به جریان برق مناسب را نیز تضمین می کند.

سیستم انرژی خورشیدی هیبریدی چگونه کار می کند؟

• در این سیستم، پنل های خورشیدی در طول روز برق تولید می کنند و برق مورد نیاز خانه شما را تامین می کنند. به طور همزمان، برق مازاد مصرف نشده در باتری های خورشیدی این سیستم ذخیره می گردد.
• این سیستم مجهز به یک اینورتر خورشیدی هیبریدی است که از طریق باتری ها، برق DC را به AC تبدیل کرده و انتقال می دهد.
• اینورتر در صورت لزوم، جریان برق متناوب AC را بین خانه شما و شبکه ردیابی می کند.
• وقتی باتری های خورشیدی به صورت کامل شارژ شدند؛ برق مازاد به صورت خودکار به شبکه برق انتقال می یابد.

نتیجه گیری: سیستم خورشیدی هیبریدی همزمان دارای ویژگی های سیستم های خورشیدی متصل به شبکه و خارج از شبکه است. از اینرو اگر می خواهید برق مازاد خود را به شبکه برق انتقال دهید و از تسهیلات آن استفاده کنید و از طرفی در صورت نیاز به برق شبکه دسترسی داشته باشید؛ سیستم هیبریدی برای شما بسیار مناسب است.

نیروگاه خورشیدی تجاری

عموماً نیروگاه های خورشیدی تجاری، شامل سیستم های فتوولتائیک خورشیدی با ظرفیت بالا هستند که معمولاً به منظور کاهش هزینه قبض و یا فروش برق و کسب درآمد از آن، نصب و راه اندازی می شوند.

سیستم های خورشیدی تجاری عمدتاً متصل به شبکه هستند و در صورت در دسترس بودن شبکه برق شهری، برق تولید می کنند. در اینجا وقتی پنل خورشیدی با در نظر گرفتن مترینگ خالص، مازاد بر مصرف شما برق تولید می کند؛ برق مازاد به شبکه برق ارسال می شود. قیمت این برق صادر شده در قالب اعتبار در قبض برق شما لحاظ می گردد.

از آنجاییکه نصب و راه اندازی یک نیروگاه خورشیدی تجاری یک سرمایه گذاری نسبتاً بزرگ محسوب می شود؛ لذا نصب آن باید با دقت و برنامه ریزی کامل صورت بگیرد. در اینجا باید تمام عوامل دخیل را با هوشیاری مورد بررسی قرار داد. برخی از عواملی که باید به آنها توجه کرد، عبارتند از:

• بار الکتریکی مورد نیاز برای راه اندازی ماشین آلات، به منظور تعیین کردن تعداد پنل های خورشیدی مورد نیاز.
• نوع برق مورد نیاز: AC، DC، تک فاز یا سه فاز.
• نوع باتری برای ذخیره برق تولید شده: در اینجا بیشتر از باتری های اسیدی- سربی استفاده می شود.
• اینورتر برای تبدیل برق AC به DC
• وجود شبکه برای اطمینان از جریان مناسب برق.
• نوع نیروگاه خورشیدی مورد نیاز.

نیروگاه خورشیدی زمینی

معمولاً هدف از راه اندازی این نوع از پروژه ها، فروش برق به دولت ها یا شرکت هاست. براساس آخرین بررسی ها، انرژی خورشیدی متمرکز می تواند برق کافی را در زمان اوج تقاضا تامین کند. ظرفیت این نوع از نیروگاه های خورشیدی، معمولاً بسیار زیاد است.

احتمالاً شما نیز زمین های وسیعی را دیده اید که تماماً توسط پنل های خورشیدی پوشانده شده اند. ظرفیت نیروگاه های خورشیدی معمولاً بسیار زیاد است. هدف این نوع نیروگاه ها تامین انرژی مورد نیاز کسب و کارها، صنایع و ایجاد زمینه توسعه پایدار است.

اگر قصد راه اندازی یکی از این نیروگاه ها را دارید؛ حتماً باید موارد زیر را مدنظر داشته باشید:

• اندازه پروژه
• شیب ماژول ها
• مشخصات فنی طول کابل، باید مطابق با سایت مورد نظر باشد.
• مکان راه اندازی نیروگاه خورشیدی

هزینه نیروگاه خورشیدی

نصب نیروگاه خورشیدی، مستلزم یک سرمایه گذاری سنگین است. اما نباید فراموش کرد که هزینه این سرمایه‌گذاری دیر یا زود در آینده به شما باز می گردد. به همین دلیل خیلی زود به این نتیجه می رسید که این اقدام، ارزش این سرمایه گذاری را دارد. قیمت یک سیستم انرژی خورشیدی به عوامل مختلفی منجمله ظرفیت، راندمان، برند، نوع و محل نصب آن بستگی دارد.

فناوری به کار رفته در نیروگاه های خورشیدی

در نیروگاه های خورشیدی، عمدتاً از سه نوع فناوری استفاده می شود که عبارتند از:

• نیروگاه خورشیدی متمرکز
• نیروگاه خورشیدی حرارتی
• نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک

نیروگاه خورشیدی متمرکز

در این نوع نیروگاه خورشیدی از لنزها، آئینه ها و سیستم های ردیابی برای متمرکز کردن انرژی خورشیدی استفاده می شود. در این صورت انرژی خورشید به حرارت معمولی تبدیل میگردد. در نهایت از این حرارت برای به کار انداختن توربین های بخار یا موتورهای مولد برق استفاده می شود.

این یک سیستم سطح بالا است؛ زیرا از فناوری TES برای ذخیره انرژی استفاده می کند. بزرگترین مزیت نیروگاه های خورشیدی متمرکز در این است که قابل اعتماد هستند و هزینه آنها قابل پیش بینی است.

نیروگاه های خورشیدی حرارتی

این نوع نیروگاه های خورشیدی، در اصل بر پایه فناوری خورشیدی وابسته به حرارت که در نیروگاه های خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرد، ساخته می شوند. در این فناوری، پرتوهای خورشید با استفاده از کلکتورهای خورشیدی در یک نقطه متمرکز می شوند تا دمای مناسب برای تولید برق به دست بیاید.

این نوع از پنل های خورشیدی در اصل دارای دو جزء بازتابنده (برای جمع آوری نور خورشید) و گیرنده (برای متمرکز کردن نور جمع آوری شده) هستند. سپس گرمای تولید شده ناشی از تمرکز پرتوهای خورشید، باعث بخار شدن یک سیال می شود. این بخار پره های توربین را به گردش در می آورد؛ در این صورت انرژی لازم برای تولید برق توسط ژنراتور تامین می گردد. قسمت گیرنده این نوع از پنل های خورشیدی مجهز به ردیاب است که همواره جهت پرتوهای خورشید را در هنگام تغییر جهت آن در آسمان، ردیابی می کند.

نیروگاه های حرارتی خورشیدی با تمرکز و جمع آوری نور خورشید، برق تولید می کنند؛ زیرا آنها از این انرژی جمع آوری شده برای تولید بخار به منظور تغذیه توربین ها و تولید برق استفاده می کنند. نیروگاه های حرارتی خورشیدی به سه نوع متمایز زیر تقسیم می گردند:

• خطی (Linear)
• حرارتی خورشیدی سهموی خطی (Parabolic Trough Solar Thermal)
• نیروگاه های بشقابک خورشیدی (Solar Dish Power plants)

مشخصه متداول ترین نوع نیروگاه های خورشیدی، استفاده از میدان های کلکتورهای خطی، کلکتورهای سهموی خطی یا بشقابک های خورشیدی است. این نوع از تاسیسات معمولاً از یک میدان بزرگ که متشکل از ردیف های موازی از کلکتورهای خورشیدی است، تشکیل می شوند.

آنها شامل سه نوع سیستم مجزای زیر هستند:

سیستم های سهموی خطی

در سیستم های سهموی خطی از بازتابنده های سهمی شکلی استفاده می شود که قادرند بین 30 تا 100 برابر بیشتر، نور خورشید را بر روی کلکتور متمرکز کنند. این روش برای گرم کردن یک سیال مورد استفاده قرار می گیرد و سپس این سیال در یک مکان مرکزی جمع آوری می شود تا بخار با فشار بالا و فوق العاده گرم تولید کند.

این سیستم ها برای ردیابی نور خورشید در طول روز منحرف می شوند. بزرگترین پروژه نیروگاه حرارتی خورشیدی در جهان که سیستم های تولید انرژی خورشیدی (SEGS) نام دارد؛ در صحرای موهاوی کالیفرنیا قرار دارد و جزء نیروگاه های سهموی حرارتی است. اولین نیروگاه به نام SEGS 1 در سال 1984 ساخته شد.

آخرین نیروگاه ساخته شده، SEGS IX نام دارد که با ظرفیت تولید 92 مگاوات (MW) برق در سال 1990 آغاز به کار کرد. در حال حاضر 9 نیروگاه SEGS در این سایت با ظرفیت ترکیبی حدود 354 مگاوات خالص (394 مگاوات ناخالص) نصب شده اند؛ به همین دلیل این نیروگاه بزرگترین نیروگاه حرارتی خورشیدی در جهان محسوب می شود.

در این نوع از نیروگاه حرارتی خورشیدی، نور خورشید با استفاده از آینه های سهموی بلند بر روی لوله های گیرنده که در نقطه کانونی آینه به صورت طولی نصب شده اند، متمرکز می گردد. این انرژی متمرکز شده خورشیدی، سیالی را گرم می کند که به صورت مداوم در داخل این لوله ها جریان دارد.

این سیال گرم شده سپس به یک مبدل حرارتی فرستاده می شود تا آب را داخل توربین بخار به جوش بیاورد و با به حرکت درآوردن پره های توربین، برق تولید می شود.

سیستم های متمرکز خطی

سیستم های متمرکز خطی گاهی اوقات بازتابنده های فرنل (Fresnel) نیز نامیده می شوند. این سیستم ها از میدان های بزرگ متشکل از آینه های ردیاب خورشید تشکیل شده اند که تمایل دارند به منظور جذب بیشتر نور خورشید، در جهت شمال به جنوب قرار بگیرند. ساختار این آینه ها به آنها اجازه می دهد تا نور خورشید را از شرق به غرب در طول روز ردیابی کنند.

سیستم های متمرکز خطی نیز مانند آینه های سهموی خطی، انرژی خورشید را با استفاده از آینه های بلند مستطیلی و U شکل جمع آوری می کنند. با این حال در سیستم های بازتابنده خطی فرنل برخلاف سیستم های سهموی خطی، لوله های گیرنده در بالای آینه ها قرار می گیرند تا راحت تر بتوانند جهت نور خورشید را ردیابی کنند.

در این نوع سیستم ها از اثر لنز فرنل استفاده می شود که امکان استفاده از یک آینه بزرگ متمرکز با فاصله کانونی کوتاه را فراهم می کند. تنظیمات این نوع از سیستم ها به آنها اجازه می دهد تا نور خورشید را تقریباً 30 برابر بیشتر از حالت معمولی متمرکز کنند.

بشقابک ها و موتورهای خورشیدی

از بشقابک های خورشیدی نیز مانند آینه ها برای متمرکز کردن انرژی خورشید بر روی یک کلکتور استفاده می شود. این سیستم ها معمولاً شامل بشقابک های ماهواره ای هستند؛ این بشقابک ها از آینه های کوچکی که مانند موزائیک در کنار هم قرار گرفته اند تشکیل می شوند. در نهایت تمام این آینه ها انرژی خورشید را بر روی یک گیرنده که در نقطه کانونی قرار دارد متمرکز می کنند.

سطح آینه ای این بشقابک ها مانند سیستم های سهموی و خطی، نور خورشید را روی یک گیرنده حرارتی که در کانون آن قرار دارد متمرکز می کند. سپس این گیرنده، گرمای تولید شده را به ژنراتور موتور منتقل می کند.

رایج ترین نوع موتور حرارتی مورد استفاده در سیستم های بشقابک / موتور، یک نوع موتور استرلینگ (Stirling) است. در اینجا سیال گرم شده با گیرنده بشقابک، پیستون های موتور را برای ایجاد نیروی مکانیکی به حرکت در می آورد.

سپس این نیروی مکانیکی به ژنراتور یا دینام می رسد تا به برق تبدیل شود.

سیستم های بشقابک / موتور همیشه مستقیماً به سمت خورشید هستند و انرژی خورشید را در نقطه کانونی بشقابک متمرکز می کنند. نسبت تمرکز در بشقابک خورشیدی، بسیار بالاتر از سیستم های متمرکز خطی است و دمای سیال در آن به بالاتر از 749 درجه سانتیگراد می رسد.

تجهیزات تولید برق را می توان مستقیماً در نقطه کانونی بشقابک نصب کرد (این ایده برای مکان های دوردست مناسب است) یا مجموعه ای از بشقابک ها و دستگاه های تولید برق را می توان در یک نقطه مرکزی گرد هم آورد.

ارتش ایالات متحده در حال حاضر در حال توسعه یک سیستم 1.5 مگاواتی در Tooele Army Depot در منطقه یوتا است که در آن از بشقابک خورشیدی حاوی موتور استرلینگ استفاده می شود.

برج های انرژی خورشیدی

در برج های انرژی خورشیدی، صدها و شاید هزاران آینه مسطح و ردیاب خورشیدی (خورپاها)، انرژی خورشید را روی یک برج مرکزی منعکس و متمرکز می کنند. در این روش نور خورشید 1500 برابر بیشتر از نور مستقیم خورشید متمرکز می شود.

یک نمونه جالب از این نوع نیروگاه خورشیدی در شهر یولیش ایالت نوردراین وستفالن آلمان قرار دارد. این تاسیسات مساحتی بالغ بر 18000 کیلومتر مربع دارد و شامل بیش از 2000 خورپا است که نور خورشید را روی یک برج مرکزی 60 متری متمرکز می کنند.

وزارت انرژی ایالات متحده و سایر شرکت های فعال در زمینه تولید برق در دهه های 1980 و 1990، اولین برج خورشیدی ایالات متحده را در نزدیکی شهر بارستوی کالیفرنیا نصب و راه اندازی کردند. در حال حاضر یک نیروگاه از این نوع در شیلی در حال توسعه است.

امروزه در ایالات متحده 3 نیروگاه برجی خورشیدی وجود دارند که عبارتند از: تاسیسات انرژی خورشیدی 392 مگاواتی ایوانپا در دریاچه خشک ایوانپا کالیفرنیا، پروژه انرژی خورشیدی 110 مگاواتی Crescent Dunes در نوادا (که در حال حاضر فعالیت نمی کند) و برج 5 مگاواتی سیرا سان در صحرای موهاوی کالیفرنیا (که بسته شده است).

در اینجا انرژی متمرکز شده خورشیدی، هوای برج را تا 700 درجه سلسیوس گرم می کند. سپس این گرما به یک دیگ بخار انتقال می یابد و با کمک توربین بخار برای تولید برق از آن استفاده می شود.

در برخی از برج ها نیز از آب به عنوان سیال انتقال دهنده حرارت استفاده می شود. در حال حاضر سیستم های پیشرفته تری مورد تحقیق و آزمایش قرار گرفته اند که در آنها نمک های نیترات به کار برده می شود؛ زیرا خواص انتقال حرارت و ذخیره سازی انرژی در آنها بالاتر از آب و هوا است.

قابلیت ذخیره سازی انرژی حرارتی به یک سیستم خورشیدی امکان می دهد تا در آب و هوای ابری یا در طول شب، برق تولید کند.

این نوع نیروگاه های خورشیدی برای مناطقی با شرایط آب و هوایی نامساعد مناسب هستند. از آنها در صحرای موهاوی کالیفرنیا استفاده شده و به راحتی در برابر طوفان های شن مقاومت کرده اند. تا کنون دو مورد از این نیروگاه ها راه اندازی شده؛ اما مشکل این است که راه اندازی آنها بسیار گران تمام می شود.

حوضچه خورشیدی

در حوضچه های خورشیدی برای جمع آوری و ذخیره سازی انرژی حرارتی خورشید از یک استخر آب شور استفاده می شود. در این استخرها، یک فناوری به نام گرادیان شوری به کار می رود. با استفاده از این روش یک تله حرارتی در حوضچه ایجاد می شود که در آن هم می توان انرژی تولید گردیده را به صورت مستقیم استفاده کرد و هم آن را برای استفاده های بعدی ذخیره نمود.

حوضچه های خورشیدی در بوجی هند (در حال حاضر فعال نیست) و ال پاسو تگزاس ساخته شده اند که در آنها از حجم عظیمی از آب شور برای جمع آوری و ذخیره انرژی حرارتی خورشید استفاده می شود. آب شور به طور طبیعی یک گرادیان عمودی شوری را تشکیل می دهد که به شوری شیب (نمک مرز) معروف است؛ در این صورت آب با شوری کمتر در بالا و آب با شوری بیشتر در پایین قرار می گیرد.

در اینجا سطح غلظت نمک با عمق افزایش می یابد؛ به همین دلیل چگالی از سطح تا کف دریاچه افزایش پیدا می کند. این شرایط تا زمانی ادامه می یابد که غلظت محلول در عمق معین یکنواخت شود. اصول کار این استخر بسیار ساده است. پرتوهای خورشید به حوضچه نفوذ می کنند و در نهایت به کف استخر می رسند.

در یک حوضچه معمولی یا بدنه آبی، آب کف حوضچه گرم می شود، چگالی آن کاهش پیدا می کند و سپس جریان همرفتی به وجود می آید. اما حوضچه های خورشیدی به گونه ای طراحی شده اند که با افزودن نمک به آب تا زمانیکه سطح پایین تر به طور کامل به اشباع برسد، از وقوع این روند جلوگیری کنند.

از آنجاییکه آب با شوری بالا به راحتی با آب با شوری پایین در بالای آن مخلوط نمی شود؛ لذا جریان های همرفتی در هر لایه به صورت گسسته وجود دارند و حداقل اختلاط بین آنها رخ می دهد. این فرآیند باعث متمرکز شدن انرژی حرارتی می شود و اتلاف گرما از بدنه آبی را به حداقل می رساند.

دمای آب با شوری بالا به طور متوسط می تواند به 90 درجه سانتیگراد برسد؛ اما لایه هایی از آب که دارای شوری کمتر هستند، دما را در حدود 30 درجه سانتیگراد حفظ می کنند. سپس می توان از این آب گرم و شور به عنوان یک منبع انرژی حرارتی برای به کار انداختن یک توربین و تولید برق استفاده کرد.

بنابراین انرژی خورشیدی تنها به معنی پنل های خورشیدی فتوولتائیک (PV) نیست. در واقع راه های مختلفی برای مهار انرژی خورشید و استفاده از آن وجود دارد.

نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک یا PV

فتوولتائیک رایج ترین و محبوب ترین نوع فناوری مورد استفاده در نیروگاه های خورشیدی است که در آن پنل خورشیدی با استفاده از اثر فتوولتائیک، نور خورشید را به جریان برق تبدیل می کند. پنل های خورشیدی مهمترین و قابل مشاهده ترین اجزای یک نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک هستند. این نوع از نیروگاه خورشیدی دارای چهار جزء اصلی زیر است:

• پنل خورشیدی
• اینورتر خورشیدی
• باتری خورشیدی
• و لوازم جانبی خورشیدی

از بین فناوری های ذکر شده؛ فتوولتائیک خورشیدی، محبوب ترین و کاربردی‌ترین است که حتی برای نیروگاه های خورشیدی در مقیاس کوچک نیز مناسب است.

نیروگاه های فتوولتائیک در بیشتر مناطق جهان مورد استفاده قرار می گیرند و در آنها از سلول های PV یا خورشیدی برای تبدیل نور خورشید به برق استفاده می شود. این سلول ها معمولاً از آلیاژهای سیلیکون ساخته می شوند و براساس نوعی از فناوری کار می کنند که تقریباً اکثر مردم جهان با آن آشنایی دارند؛ احتمال دارد شما همین الان یکی از این پنل ها را روی سقف خانه خود داشته باشید.

پنل های خورشیدی با روش های مختلف زیر ساخته می شوند:

پنل های خورشیدی کریستالی: همانطور که از نام آنها پیداست از سیلیکون کریستالی (بلوری) ساخته می شوند. آنها ممکن است مونو کریستالی یا پلی کریستالی (که به چند بلوری نیز معروف هستند) باشند. اما قاعده کلی این است که نسخه های مونوکریستالی (تک بلوری) کارآمدتر هستند (راندمان حدود 20% و بالاتر) اما گرانتر از نسخه های جایگزین خود می باشند (که راندمان آنها حدود 15% تا 17% است)؛ هر چند پیشرفت تکنولوژی باعث کاهش فاصله بین آنها شده است.

پنل های خورشیدی لایه نازک: این نوع از پنل ها از یک سری فیلم تشکیل شده اند که نور خورشید را در قسمت های مختلف طیف EM جذب می کنند. این نوع از پنل ها معمولاً از سیلیکون آمورف (a-Si)، کادمیم تلورید (CdTe)، کادمیم سولفید (CdS) و ایندیوم مس (گالیوم) ساخته می شوند. از آنجاییکه این نوع از پنل خورشیدی در اصل یک لایه انعطاف پذیر است؛ لذا برای استفاده روی سطوح مختلف و ادغام در مصالح ساختمانی (مانند کاشی های سقفی) بسیار مناسب است.

برقی که این نوع از پنل های خورشیدی تولید می کنند یا مستقیماً به شبکه سراسری برق تزریق می شود و یا در باتری ها ذخیره می گردد. نیروگاه هایی که از این نوع پنل ها استفاده می کنند دارای اجزای اصلی زیر هستند:

• پنل های خورشیدی، نور خورشید را به برق تبدیل می کنند. معمولاً آنها در نهایت برق جریان مستقیم DC با ولتاژ 1500 ولت تولید می کنند.
• این نوع از نیروگاه ها برای تبدیل برق DC به AC به اینورتر نیاز دارند.
• آنها معمولاً دارای یک سیستم نظارتی هستند که بر عملکرد نیروگاه کنترل دارد و آن را مدیریت می کند.
• اغلب به یک نوع شبکه برق خارجی متصل می شوند.
• اگر نیروگاه خورشیدی بیش از 500 کیلو وات برق تولید کند؛ معمولاً به ترانسفورماتورهای افزایشی (تقویتی) نیاز دارد.

نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک چگونه کار می کند؟

کارکرد نیروگاه های فتوولتائیک خورشیدی همانند پنل های PV در مقیاس کوچک است.

همانطور که عنوان گردید؛ اکثر پنل های فتوولتائیک خورشیدی از مواد نیمه هادی، معمولاً نوعی سیلیکون ساخته می شوند. وقتی فوتون های نور خورشید به مواد نیمه هادی برخورد می کنند؛ الکترون های آزاد تولید می شوند که می توانند در داخل ماده جریان یابند و جریان الکتریکی مستقیم تولید کنند.

این به اثر فوتوالکتریک معروف است. سپس برق جریان مستقیم (DC) با استفاده از یک اینورتر باید به برق جریان متناوب (AC) تبدیل شود تا بتوان مستقیماً از آن استفاده کرد و یا آن را به شبکه برق تزریق نمود.

پنل های فتوولتائیک با دیگر انواع نیروگاه های خورشیدی تفاوت دارند؛ زیرا مستقیماً از اثر فوتوالکتریک استفاده می کنند و نیازی به فرآیندها یا دستگاه های جانبی ندارند. به عنوان مثال آنها مانند نیروگاه های حرارتی خورشیدی، نیازی به استفاده از یک عامل انتقال حرارت (مانند آب) ندارند.

پنل های فتوولتائیک، انرژی را متمرکز نمی کنند. آنها تنها فوتون ها را به برق تبدیل کرده و آن را به جای دیگری انتقال می دهند.

نحوه انتخاب بهترین نیروگاه خورشیدی

بسیاری از افراد در هنگام انتخاب نیروگاه خورشیدی به دلیل کمبود اطلاعات دچار سردرگمی می شوند. اما اگر در هنگام انتخاب به موارد زیر توجه کنید؛ هرگز دچار سردرگمی نمی شوید:

نیروگاه خورشیدی خارج از شبکه: ذخیره + پشتیبانی

اگر شبکه برق منطقه شما قابل اعتماد نیست و یا مرتباً از قطعی برق رنج می برید؛ یک سیستم خورشیدی خارج از شبکه به شما کمک می کند تا از این مشکل خلاص شوید. سیستم خورشیدی خارج از شبکه شامل باتری خورشیدی است که پشتیبانی برای برق مصرفی شما محسوب می شود و در عین حال هزینه قبض برق مصرفی تان را کاهش می دهد.

نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه: صرفه جویی + صادرات

سیستم خورشیدی متصل به شبکه برای کسانیکه با قبوض سنگین برق مواجه هستند، بسیار مناسب است. یک سیستم خورشیدی متصل به شبکه این امکان را برای شما فراهم می کند تا با استفاده از برنامه مترینگ خالص، برق مازاد بر مصرف خود را به شبکه برق ارسال کنید. در این صورت هزینه برق صادر شده به شبکه، در قالب تعدیل هزینه قبوض برق در آینده، خود را نشان می دهد.

نیروگاه خورشیدی هیبریدی: صرفه جویی + صادرات به شبکه + پشتیبانی

اگر می خواهید از تسهیلات مترینگ خالص در کنار باتری پشتیبان استفاده کنید؛ سیستم های خورشیدی هیبریدی برای شما بسیار مناسب هستند. یک سیستم خورشیدی هیبریدی دارای باتری خورشیدی است و از طرفی می توان برق مازاد بر مصرف تولید شده توسط آن را به شبکه برق صادر کرد. از اینرو این سیستم خورشیدی علاوه بر اینکه هزینه قبض برق شما را کاهش می دهد؛ امکان استفاده از برق ذخیره شده توسط باتری ها را نیز برای شما فراهم می کند.

مزایا و معایب نیروگاه خورشیدی

نیروگاه های خورشیدی مزایای زیادی برای صاحبان خانه ها و کسب و کارها دارند که از جمله آنها می توان به کاهش هزینه قبض برق و امکان استفاده از برق خورشیدی اشاره کرد. برخی دیگر از مزایای یک سیستم انرژی خورشیدی عبارتند از:

مزایا:

• صرفه جویی حداکثری در هزینه قبوض برق (گاهی اوقات تا 100%).
• یک بار سرمایه گذاری و یک عمر استفاده از برق رایگان.
• استفاده از یارانه 30% تا 90% در هنگام خرید پنل های خورشیدی.
• بازگشت سرمایه تنها در عرض 3 تا 5 سال.
• استفاده از یک روش سازگار با محیط زیست برای تولید برق.
• افزایش ارزش دارایی های مشهود و نامشهود.
• امکان استفاده از یک روش مقرون به صرفه تولید برق.
• نصب آسان و هزینه پایین نگهداری.
• امکان استفاده از قابلیت پشتیبان گیری در سیستم های خارج از شبکه و هیبریدی.
• امکان استفاده از قابلیت مترینگ خالص.

معایب (محدودیت ها):

• نیاز به سرمایه گذاری اولیه سنگین.
• نصب سیستم انرژی خورشیدی، مستلزم دسترسی به یک منطقه فاقد سایه است.
• نگهداری منظم از این سیستم به منظور تولید منظم برق ضروری است.