فتوولتائیک چیست؟
فتوولتائیک چیست؟دستگاه‌های فتوولتائیک (PV) از طریق یک فرآیند الکترونیکی که به طور طبیعی در انواع خاصی از مواد به نام نیمه‌رساناها رخ می‌دهد، مستقیماً از نور خورشید برق تولید می‌کنند. الکترون‌های موجود در این مواد توسط انرژی خورشیدی آزاد می‌شوند و می‌توانند برای حرکت در یک مدار الکتریکی، تأمین انرژی دستگاه‌های الکتریکی یا ارسال برق به شبکه، القا شوند. دستگاه‌های فتوولتائیک می‌توانند برای تأمین انرژی هر چیزی از لوازم الکترونیکی کوچک مانند ماشین حساب و علائم راهنمایی و رانندگی گرفته تا خانه‌ها و مشاغل تجاری بزرگ استفاده شوند.
سلول‌های فتوولتائیک نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند:
یک سلول فتوولتائیک (PV) که معمولاً سلول خورشیدی نامیده می‌شود، یک وسیله غیرمکانیکی است که نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌کند. برخی از سلول‌های PV می‌توانند نور مصنوعی را به الکتریسیته تبدیل کنند. نور خورشید از فوتون‌ها یا ذرات انرژی خورشیدی تشکیل شده است. این فوتون‌ها حاوی مقادیر مختلفی از انرژی هستند که با طول موج‌های مختلف طیف خورشیدی مطابقت دارند.
یک سلول PV از مواد نیمه‌هادی ساخته شده است. هنگامی که فوتون‌ها به یک سلول PV برخورد می‌کنند، از سلول منعکس می‌شوند، از سلول عبور می‌کنند یا توسط ماده نیمه‌هادی جذب می‌شوند. فقط فوتون‌هایی که جذب می‌شوند، انرژی لازم برای تولید برق را فراهم می‌کنند. هنگامی که ماده نیمه‌هادی به اندازه کافی نور خورشید (انرژی خورشیدی) را جذب می‌کند، الکترون‌ها از اتم‌های ماده جدا می‌شوند. عملیات ویژه روی سطح سلول PV در طول ساخت، سطح جلویی سلول را برای الکترون‌های جدا شده یا آزاد پذیراتر می‌کند، به طوری که الکترون‌ها به طور طبیعی به سطح سلول مهاجرت می‌کنند.
فتوولتائیک چگونه کار می‌کند؟
فناوری فتوولتائیک از نیمه‌رساناها برای تولید برق بر اساس اثر فوتوالکتریک استفاده می‌کند. اگر فوتون‌های نور (چه طبیعی و چه مصنوعی) با انرژی کافی به یک سلول فتوولتائیک نفوذ کنند، می‌توانند الکترون‌ها را به حالت انرژی بالاتر تحریک کنند.
در واقع، الکترون‌های یک نیمه‌رسانا که در حالت عادی آزاد نیستند، آزاد می‌شوند و درست مانند یک ماده رسانا عمل می‌کنند. سپس می‌توان این الکترون‌های آزاد را جذب کرد و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می‌شود که می‌تواند برای تولید برق استفاده شود . هرچه نور بیشتری جذب شود، برق بیشتری توسط فتوولتائیک‌ها تولید خواهد شد. بنابراین با استفاده از پدیده فتوولتائیک، می‌توانیم به راحتی انرژی خورشیدی را به الکتریسیته تبدیل کنیم و آن را به عنوان جایگزینی برای ابزارهای سنتی تولید انرژی به کار ببریم.
آیا پنل‌های خورشیدی و فتوولتائیک یکسان هستند؟
پنل‌های خورشیدی و سیستم‌های فتوولتائیک مترادف هستند. اگر چندین سلول خورشیدی در یک ساختار پشتیبان از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل شوند، یک ماژول فتوولتائیک ساخته می‌شود. شما می‌توانید سلول‌های خورشیدی را به دو روش مختلف به هم متصل کنید: سری و موازی.
به این ترتیب، ماژول‌های PV را می‌توان در ولتاژهای مختلف برای کاربردهای مختلف ساخت. ترکیبی از چندین ماژول (یا پنل) فتوولتائیک، سیستم فتوولتائیک نامیده می‌شود. پنل‌های خورشیدی جریان مستقیم (DC) تولید می‌کنند، اما با یک اینورتر خورشیدی می‌توانید آن را به جریان متناوب (AC) تبدیل کنید که برای لوازم خانگی استفاده می‌شود.
تفاوت بین تابش خورشیدی و انرژی حرارتی چیست؟
یکی از مهمترین نکاتی که باید در مورد انرژی خورشیدی بدانید این است که می‌تواند به دو روش مختلف برای ما مفید باشد . می‌تواند:
- تولید برق با استفاده از پدیده فتوولتائیک
- تولید انرژی حرارتی با استفاده از کلکتورها و مایعات (معمولاً آب)
در روش اول، پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک روی سقف شما نور خورشید را جذب کرده و آن را به برق قابل استفاده برای خانوار شما تبدیل می‌کنند.
در رویکرد دوم، انرژی نور خورشید ماده‌ای را که معمولاً آب است و در پنل‌های حرارتی خورشیدی قرار دارد، گرم می‌کند . این یک سیستم گرمایش آب خورشیدی است که می‌تواند نیازهای آب خانوار شما را برآورده کند. همچنین خوب است بدانید که محققان اخیراً مطالعات زیادی برای توسعه سلول‌های ترمو-فتوولتائیک یکپارچه انجام داده‌اند تا از نور خورشید به هر دو روش استفاده کنند: گرما و برق.
مزایای پنل‌های خورشیدی PV چیست؟
حالا که می‌دانید پنل فتوولتائیک چیست و چگونه کار می‌کند، وقت آن رسیده که مزایای استفاده از این فناوری را بدانید .
در اینجا خلاصه‌ای از مزایای انرژی خورشیدی آورده شده است :
تجدیدپذیر و فراوان است
مهمترین مزیت انرژی خورشیدی این است که هر روز در دسترس است و ما آن را تمام نخواهیم کرد. به گفته دانشمندان، خورشید حداقل ۵ میلیارد سال خواهد درخشید و انرژی خورشیدی را برای ما فراهم خواهد کرد.
تمیز و سازگار با محیط زیست است
برخلاف سوخت‌های فسیلی، انرژی خورشیدی هیچ تأثیر مضری بر محیط زیست ندارد. بنابراین وقتی از انرژی خورشیدی استفاده می‌کنید، به نجات سیاره زمین کمک می‌کنید.
هزینه‌های نگهداری پایین است
خوشبختانه، قطعات متحرک زیادی در سیستم‌های انرژی خورشیدی وجود ندارد و در نتیجه، به هزینه نگهداری زیادی نیاز ندارند. تقریباً همه تولیدکنندگان معتبر، 20 تا 25 سال گارانتی برای پنل‌های خود ارائه می‌دهند. شما فقط باید سطح پنل‌ها را نسبتاً تمیز نگه دارید.
استفاده از انرژی خورشیدی، هزینه‌های برق شما را کاهش می‌دهد
هرچه برق بیشتری از انرژی خورشیدی دریافت کنید، وابستگی کمتری به شبکه برق خواهید داشت و در نتیجه، هزینه‌های انرژی شما بیشتر کاهش می‌یابد. البته، اگر می‌خواهید بخش بزرگی از هزینه‌های انرژی خود را پوشش دهید، باید از سیستم‌های پنل خورشیدی تجاری بزرگ استفاده کنید.
فناوری PV چگونه کار می‌کند؟
فوتون‌ها به ماده نیمه‌هادی روی پنل خورشیدی برخورد کرده و آن را یونیزه می‌کنند و باعث می‌شوند الکترون‌های بیرونی از پیوندهای اتمی خود آزاد شوند. به دلیل ساختار نیمه‌هادی، الکترون‌ها در یک جهت مجبور به حرکت می‌شوند و جریانی از جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. سلول‌های خورشیدی در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی کریستالی ۱۰۰٪ کارآمد نیستند، تا حدی به این دلیل که فقط نور خاصی در این طیف می‌تواند جذب شود.
بخشی از طیف نور منعکس می‌شود، بخشی برای ایجاد برق (مادون قرمز) بسیار ضعیف است و بخشی (ماوراء بنفش) به جای برق، انرژی گرمایی ایجاد می‌کند.
نمودار یک سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی معمولی. برای ساخت این نوع سلول، ویفرهای سیلیکونی با خلوص بالا با ناخالصی‌های مختلف “دوپ” شده و با هم ترکیب می‌شوند. ساختار حاصل مسیری برای جریان الکتریکی در داخل و بین سلول‌های خورشیدی ایجاد می‌کند.
انواع دیگر فناوری فتوولتائیک چیست؟
علاوه بر سیلیکون کریستالی (c-Si)، دو نوع اصلی دیگر از فناوری فتوولتائیک وجود دارد:
- سلول‌های خورشیدی لایه نازک، بخش کوچکی از بازار تجاری انرژی خورشیدی را تشکیل می‌دهند که به سرعت در حال رشد است. بسیاری از شرکت‌های لایه نازک، استارت‌آپ‌هایی هستند که فناوری‌های آزمایشی را توسعه می‌دهند. آنها عموماً نسبت به ماژول‌های c-Si راندمان کمتری دارند – اما اغلب ارزان‌تر هستند.
- در ایالات متحده، آرایه‌های فتوولتائیک متمرکزکننده عمدتاً در مناطق بیابانی جنوب غربی یافت می‌شوند. آنها از لنزها و آینه‌ها برای بازتاب انرژی خورشیدی متمرکز بر روی سلول‌های با راندمان بالا استفاده می‌کنند. آنها برای بیشترین اثربخشی به نور مستقیم خورشید و سیستم‌های ردیابی نیاز دارند.
- فتوولتائیک‌های یکپارچه با ساختمان، هم به عنوان لایه بیرونی سازه عمل می‌کنند و هم برق را برای استفاده در محل یا ارسال به شبکه برق تولید می‌کنند. سیستم‌های BIPV می‌توانند در هزینه‌های مصالح و برق صرفه‌جویی کنند، آلودگی را کاهش دهند و به جذابیت معماری ساختمان بیفزایند.
کاربردهای سیستم فتوولتائیک چیست؟
وقتی خورشید می‌تابد، سیستم‌های فتوولتائیک می‌توانند برق تولید کنند تا مستقیماً دستگاه‌هایی مانند پمپ‌های آب را تغذیه کنند یا شبکه‌های برق را تغذیه کنند . سیستم‌های فتوولتائیک همچنین می‌توانند باتری را شارژ کنند تا در مواقعی که خورشید نمی‌تابد، برق دستگاه‌های منفرد، خانه‌های تکی یا شبکه‌های برق را تأمین کنند.
برخی از مزایای سیستم‌های PV عبارتند از:
- سیستم‌های فتوولتائیک می‌توانند برق را در مکان‌هایی که سیستم‌های توزیع برق (خطوط برق) وجود ندارند، تأمین کنند و همچنین می‌توانند برق را به شبکه‌های برق تأمین کنند.
- آرایه‌های PV را می‌توان به سرعت نصب کرد.
- اثرات زیست‌محیطی سیستم‌های فتوولتائیک مستقر در ساختمان‌ها حداقل است.
تاریخچه فناوری فتوولتائیک چیست؟
اثر فتوولتائیک در اوایل سال ۱۸۳۹ توسط الکساندر ادموند بکرل مشاهده شد و در اوایل قرن بیستم موضوع تحقیقات علمی بود. در سال ۱۹۵۴، آزمایشگاه‌های بل در ایالات متحده اولین دستگاه فتوولتائیک خورشیدی را معرفی کردند که مقدار قابل توجهی برق تولید می‌کرد و تا سال ۱۹۵۸، سلول‌های خورشیدی در طیف وسیعی از کاربردهای علمی و تجاری در مقیاس کوچک مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
بحران انرژی دهه ۱۹۷۰ شاهد آغاز علاقه شدید به استفاده از سلول‌های خورشیدی برای تولید برق در خانه‌ها و مشاغل بود، اما قیمت‌های گزاف (تقریباً ۳۰ برابر بیشتر از قیمت فعلی) کاربردهای در مقیاس بزرگ را غیرعملی کرد. پیشرفت‌ها و تحقیقات صنعتی در سال‌های بعد، دستگاه‌های فتوولتائیک را امکان‌پذیرتر کرد و چرخه‌ای از افزایش تولید و کاهش هزینه‌ها آغاز شد که حتی امروز نیز ادامه دارد.
لایه‌های یک سلول فتوولتائیک چیست؟
یک سلول فتوولتائیک از لایه‌های زیادی از مواد تشکیل شده است که هر کدام هدف خاصی دارند. مهمترین لایه یک سلول فتوولتائیک، لایه نیمه‌هادی مخصوص است. این لایه از دو لایه مجزا ( نوع p و نوع n – شکل 3 را ببینید) تشکیل شده است و در واقع همان چیزی است که انرژی خورشید را از طریق فرآیندی به نام اثر فتوولتائیک به برق مفید تبدیل می‌کند.
در هر دو طرف نیمه‌هادی، لایه‌ای از ماده رسانا وجود دارد که برق تولید شده را “جمع می‌کند”. توجه داشته باشید که قسمت پشتی یا سمت سایه‌دار سلول می‌تواند به طور کامل با رسانا پوشانده شود، در حالی که قسمت جلویی یا سمت روشن باید از رساناها به مقدار کم استفاده کند تا از رسیدن بیش از حد تابش خورشید به نیمه‌هادی جلوگیری شود.
لایه نهایی که فقط به سمت روشن سلول اعمال می‌شود، پوشش ضد انعکاس است. از آنجایی که همه نیمه‌هادی‌ها به طور طبیعی بازتابنده هستند، تلفات بازتاب می‌تواند قابل توجه باشد. راه حل، استفاده از یک یا چند لایه پوشش ضد انعکاس (شبیه به پوشش‌های مورد استفاده در عینک و دوربین) برای کاهش میزان تابش خورشیدی منعکس شده از سطح سلول است.
اثر فتوولتائیک چیست؟
اثر فتوولتائیک فرآیندی است که در آن ، هنگامی که یک سلول فتوولتائیک در معرض نور خورشید قرار می‌گیرد، ولتاژ یا جریان الکتریکی در آن تولید می‌شود . این سلول‌های خورشیدی از دو نوع نیمه‌رسانای مختلف – یک نوع p و یک نوع n – تشکیل شده‌اند که برای ایجاد یک اتصال pn به یکدیگر متصل شده‌اند.
با اتصال این دو نوع نیمه‌رسانا، یک میدان الکتریکی در ناحیه اتصال تشکیل می‌شود، زیرا الکترون‌ها به سمت مثبت p و حفره‌ها به سمت منفی n حرکت می‌کنند. این میدان باعث می‌شود ذرات با بار منفی در یک جهت و ذرات با بار مثبت در جهت دیگر حرکت کنند.
نور از فوتون‌ها تشکیل شده است که به سادگی دسته‌های کوچکی از تابش الکترومغناطیسی یا انرژی هستند. هنگامی که نور با طول موج مناسب به این سلول‌ها برخورد می‌کند، انرژی فوتون به یک الکترون از ماده نیمه‌رسانا منتقل می‌شود و باعث می‌شود که به حالت انرژی بالاتری که به عنوان نوار رسانش شناخته می‌شود، پرش کند . این الکترون‌ها در حالت برانگیخته خود در نوار رسانش، آزادانه می‌توانند در ماده حرکت کنند و این حرکت الکترون است که جریان الکتریکی را در سلول ایجاد می‌کند.
راندمان سلول خورشیدی
راندمان یک نگرانی طراحی برای سلول‌های فتوولتائیک است، زیرا عوامل زیادی وجود دارند که راندمان آنها را محدود می‌کنند. عامل اصلی این است که یک چهارم انرژی خورشیدی به زمین نمی‌تواند توسط یک نیمه‌رسانای سیلیکونی به برق تبدیل شود. فیزیک نیمه‌رساناها برای حذف یک الکترون از یک ساختار کریستالی به حداقل انرژی فوتون نیاز دارد که به عنوان انرژی شکاف باند شناخته می‌شود.
اگر یک فوتون انرژی کمتری نسبت به شکاف باند داشته باشد، فوتون به عنوان انرژی حرارتی جذب می‌شود . برای سیلیکون، انرژی شکاف باند 1.12 الکترون ولت است. از آنجایی که انرژی فوتون‌های خورشید طیف وسیعی از انرژی‌ها را پوشش می‌دهد، مقداری از انرژی ورودی از خورشید انرژی کافی برای جدا کردن یک الکترون در یک سلول PV سیلیکونی ندارد.
حتی از نوری که می‌تواند جذب شود، هنوز یک مشکل وجود دارد. هر انرژی بالاتر از انرژی شکاف باند به گرما تبدیل می‌شود . این امر همچنین راندمان را کاهش می‌دهد زیرا آن انرژی گرمایی برای هیچ کار مفیدی استفاده نمی‌شود. از الکترون‌هایی که در دسترس قرار می‌گیرند، همه آنها در واقع به تماس فلزی نمی‌رسند و برق تولید نمی‌کنند. برخی از الکترون‌ها به اندازه کافی توسط ولتاژ داخل نیمه‌رسانا شتاب نمی‌گیرند تا سیستم را ترک کنند. این اثرات با هم ترکیب می‌شوند تا راندمان نظری سلول‌های فتوولتائیک سیلیکونی حدود 33٪ باشد.
روش‌هایی برای بهبود راندمان سلول‌های PV وجود دارد که همه آنها با افزایش هزینه همراه هستند. برخی از این روش‌ها شامل افزایش خلوص نیمه‌هادی، استفاده از یک ماده نیمه‌هادی کارآمدتر مانند گالیوم آرسنید، با افزودن لایه‌های اضافی یا اتصالات pn به سلول، یا با متمرکز کردن انرژی خورشید با استفاده از فتوولتائیک‌های متمرکز است.
از سوی دیگر، سلول‌های PV نیز به دلیل عوامل مختلفی از جمله قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش و چرخه‌های آب و هوایی، در طول زمان تخریب می‌شوند و انرژی کمتری تولید می‌کنند. یک گزارش جامع از آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) بیان می‌کند که میانگین نرخ تخریب 0.5٪ در سال است.
طول عمر یک ماژول فتوولتائیک چقدر است؟
یکی از جنبه‌های بسیار مثبت سرمایه‌گذاری در فتوولتائیک این است که این محصول طول عمر بالایی دارد . عدد دقیق به متغیرهای مختلفی مانند کیفیت پنل و شرایط آب و هوایی بستگی دارد، اما به طور کلی، ماژول‌های PV بیش از ۴۰ سال عمر می‌کنند. علاوه بر این، سیستم‌های فتوولتائیک به نگهداری بسیار کمی نیاز دارند و معمولاً دارای ۲۵ سال گارانتی عملکرد هستند.
با این حال، اینورترهای خورشیدی فتوولتائیک که وظیفه تبدیل برق DC خورشیدی به برق AC شبکه را بر عهده دارند، ممکن است پس از ۱۲ تا ۱۵ سال نیاز به تعویض داشته باشند و معمولاً دارای ۵ سال ضمانت هستند.
با طول عمر متوسط ۲۵ سال، ضایعات سلول‌های خورشیدی در جهان می‌تواند تا سال ۲۰۵۰ به ۷۸ میلیون تن برسد . به همین دلیل است که توسعه فناوری‌های بازیافت پنل‌های خورشیدی اکنون توجه کارشناسان و سیاست‌گذاران در کشورهای توسعه‌یافته را به خود جلب کرده است.
با نصب پنل خورشیدی می‌توانید درآمد کسب کنید
طرح ضمانت صادرات هوشمند (SEG) بخشی از طرح بریتانیا برای انتشار خالص صفر کربن است . این طرح، صاحبان خانه در بریتانیا را با ارائه تعرفه‌های صادراتی در ازای استفاده از فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر تشویق می‌کند.
به عبارت ساده، شما می‌توانید انرژی تجدیدپذیر را به شبکه برق صادر کنید و از شرکت‌های انرژی تعرفه دریافت کنید. بنابراین می‌توانید از انرژی خورشیدی به عنوان یک سرمایه‌گذاری عاقلانه استفاده کنید و در کنار آن درآمد کمی نیز کسب کنید.
آینده فتوولتائیک چیست؟
همچنین خوب است که چشم‌انداز فناوری‌های فتوولتائیک را بدانیم تا رویکردی عاقلانه برای استفاده از پنل‌های فتوولتائیک یا حتی سرمایه‌گذاری در آنها انتخاب کنیم.
اول، شما باید در مورد کمک‌های مالی پنل خورشیدی به عنوان مشوق‌های دولتی در مورد فناوری‌های تجدیدپذیر، به ویژه فتوولتائیک، اطلاعات کسب کنید. در بریتانیا، اگر می‌خواهید در انرژی خورشیدی سرمایه‌گذاری کنید، چند نوع کمک هزینه در دسترس شماست:
- ضمانت صادرات هوشمند (SEG)
- کاهش مالیات بر ارزش افزوده برای محصولات صرفه‌جویی در مصرف انرژی
- تعرفه تغذیه‌ای (FIT) (دیگر برای درخواست‌های جدید قابل استفاده نیست)
- طرح تشویقی گرمایش تجدیدپذیر (RHI) (دیگر برای درخواست‌های جدید باز نیست)
بنابراین شما می‌توانید با توجه به شرایط خود، یک برنامه مناسب برای استفاده از فتوولتائیک‌ها انتخاب کنید. یکی دیگر از موضوعات مهم در این زمینه، انرژی خورشیدی فضایی (SBSP) است. این یک فناوری پیشرفته و آینده‌نگر است که هدف آن جمع‌آوری انرژی خورشید در فضا و سپس انتقال بی‌سیم آن به سیاره ما است. برخی کشورها مانند چین، ایالات متحده و ژاپن به شدت روی این ایده به عنوان آینده فتوولتائیک سرمایه‌گذاری می‌کنند.