۱۱ فروردین ۱۳۹۹
بازدیدها: 152
بدون نظر

۱- تاریخچه پیدایش و پیشرفت سلول های خورشیدی

شناخت انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز می‌گردد. شاید به دوران سفالگری، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلائی صیقل داده شده و اشعه خورشید، آتشدانهای محراب ها را روشن می‌کردند. یکی از فراعنه مصر معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب بسته می‌شد. ولی مهم‌ترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می‌باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید گفته می‌شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه‌های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته‌است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده‌است.

در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمان‌های قدیم بوده‌است. در عصر حاضر, علی رغم آینکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود، ولی بالا بودن هزینه اولیه چنینسیستم هایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستم ها شده بود تا اینکه افزایش قیمت نفت در سال ۱۹۷۳  باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله تولید انرژی از راههای دیگر (غیر از استفاده سوختهای فسیلی) توجه جدی‌تری نمایند.در حال حاضر نیز, قیمت نفت به بالاترین میزان خود رسیده و جهان را از نظر تامین انرژی با بحران مواجه نموده است.

کشف پدیده فتوولتاییک به فیزیکدان فرانسوی AlexandreEdmond Becquerel نسبت داده می‌شود که در سال ۱۸۳۹ مشاهده نمود که ولتاژ باتری وقتی که صفحات نقره‌ای آن تحت تابش نور خورشید قرار می‌گیرند، افزایش می‌یابد. وی که از کودکی نزد پدر دانشمندش به عنوان دانش آموز و سپس دستیار به تحقیق می پرداخت در سن ۱۹ سالگی این پدیده را مشاهده کرد. پدر او  Antoine César Becquerel (1788-1878) کاشف اثر پیزوالکتریک بود.این اثر ابتدا روی مواد جامد مثل سلنیوم توسط Heinrich Hertz در سال ۱۸۷۰ مطالعه شد. اما اولین گزارش از پدیده PV در یک ماده جامد در سال ۱۸۷۷ بود که دو دانشمند کمبریج R.E. Day و W.G. Adams در مقاله‌ای به انجمن سلطنتی تغییراتی که در خواص الکتریکی سلنیوم وقتی که تحت تابش نور قرار می‌گیرد را توضیح دادند. در سـال ۱۸۸۳ Charles Edgar Fritts که یک مهندس برق اهل نیویورک بود، یک سلول خـورشـیدی سلنیومی ساخت که از برخـی جهات شـبـیه به سـلـولـهای خورشـیـدی سیلیکونی امروزی بود. این ســلـول از یک ویـفـر نازک سـلنیوم تشـکیـل شده بـود که با یک تـوری از سـیـمـهـای خیـلی نازک طـلا و یک ورق حفاظـتی از شـیشه پوشانده شده بود. اما سـلول سـاخت او خـیلی کم بازده بود. کمتر از ۱% انرژی خورشیدی تابیده شده به سطح این سلول ابتدایی به الکتریسیته تبدیل می‌شد. با وجود این، سلول‌های سلنیومی سرانجام در نورسنج‌های عکاسی به طور وسیعی بکار گرفته شد.در سال ۱۸۸۷، Heinrich Hertz کشف کرد که نور ماوراء بنفش حداقل ولتاژ لازم برای ایجاد جرقه برای پرش بین دو الکترود فلزی را تغییر می دهد. در سال ۱۹۰۴ Hallwachs کشف کرد که یک ترکیبی از مس و اکسید مس حساس به نور است. همچنین در این سال Einstein مقاله اش را در زمینه اثر فتوالکتریک منتشر کرد. فهم کامل و مفصل تر از قوانین اساسی سلول های خورشیدی در سال ۱۹۰۵ توسط Einstein و در سال ۱۹۳۰ توسط Schottky بوجود آمد. سلول های خورشیدی از اواسط ۱۹۵۰ موجود بود. اولین سلول خورشیدی سیلیکونی با بازده حدود ۶% با نور مستقیم توسط DarylChapin ، GeraldPearson و CalvinFuller  در سال ۱۹۵۴ بوجود آمد که ابتدا برای کاربردهای ماهواره های فضایی مورد استفاده قرار گرفت. البته بعضی ها اختراع سلول خورشیدی سیلیکونی با بازده زیر ۱% را اولین بار در سال ۱۹۴۱ به Russell Ohl نسبت می دهند.

امروزه نیروگاه های خورشیدی بزرگی در سراسر جهان ساخته شده یا در حال ساخت هستند. نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک آمارلخا Amareleja Photovoltaic Power Station در کشور پرتغال، به عنوان بزرگترین نیروگاه خورشیدی در جهان شناخته می شود. این نیروگاه در منطقه شهری مورا در کشور پرتغال قرار گرفته و موقعیت جغرافیائی آن به گونه ای است که در آفتاب گیر ترین بخش قاره اروپا واقع شده است. ساخت این نیروگاه دارای دو مرحله کلی بوده بخش نخست در سال ۲۰۰۸ میلادی شروع شده و ۱۳ ماه به طول انجامید و بخش دوم آن در سال ۲۰۱۰ شروع شده و تکمیل شد. هزینه کلی این نیروگاه خورشیدی ، ۲۵۰ میلیون یورو تخمین زده می شود. این نیروگاه منطقه ای در حدود ۲۵۰ هکتار را در بر گرفته و توانائی تولید ۹۳ گیگا وات انرژی الکتریکی در ساعت را دارد. در این نیرگاه بیش از ۳۷۶ هزار پنل خورشیدی نصب شده است که ۱۹۰ هزار عدد از آن ها دارای پایه ثابت هستند و ما بقی پنل ها می توانند زاویه خود را نسبت به جهت تابش نور خورشید، تغییر دهند.

شرکت ژاپنی Kyocera اقدام به تاسیس نیروگاهی خورشیدی Kagoshima Nanatsujima  در مناطق ساحلی کشور ژاپن کرده است که این تجربه موفق ، الهام بخش مهندسان ژاپنی برای ارائه طرح بزرگترین نیروگاه انرژی خورشیدی شناور جهان شده است. در این پروژه ، بیش از ۵۰ هزار مجموعه صفحات خورشیدی شناور روی سطح آب  مخزن دریاچه سد یاکامورا Yakamura قرار می گیرد . این صفحات خورشیدی ، سطح آب را به مساحت ۱۸۰ هزار متر مربع می پوشانند و  بر این اساس طراحان پروژه برآورد می کنند که این نیروگاه خورشیدی توانائی تولید پانزده و نیم مگاوات برق در ساعت داشته باشد . این میزان انرژی تولید شده ، پاسخگوی به طور میانگین ،  ۴ هزار و ۷۰۰ منزل مسکونی خواهد بود . 

یکی دیگر از نیروگاه های خورشیدی بزرگ در جهان نیروگاه آکاتاما است. این نیروگاه که در شمال کشور شیلی و در منطقه آتاکاما Atacama قرار گرفته است ، نیروگاهی با قدرت ۱۴۱ مگا وات به شمار می رود. این نیروگاه خورشیدی توانائی تامین  نیروی برق یکصد و هفتاد هزار خانه مسکونی و یا تامین نیازمندی های الکتریکی سیصد و چهل هزار نفر را در سراسر این کشور آمریکای جنوبی دارد.  پروژه مورد ذکر ، بزرگترین پروژه تولید نیروی الکتریسته از خورشید در آمریکای جنوبی محسوب شده و برق تولید شده توسط این نیروگاه از طریق سازمان برق کشور شیلی وارد شبکه توزیع سراسری شده و در مناطق مختلف این کشور توزیع می شود.

۲- نیروگاه خورشیدی

نیروگاه خورشیدی( solar power plant) نیروگاهی است که انرژی خود را به طور مستقیم از خورشید دریافت می کند. یک نیروگاه خورشیدی مجموعه ای از  تاسیسات است که انرژی تابشی خورشید را جمع آوری کرده و با متمرکز کردن آن، درجه حرارت های بالایی ایجاد می کند. انرژی جمع آوری شده از طریق مبدل حرارتی، ژنراتور توربین ها و یا موتورهای بخار به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد. نیروگاه های خورشیدی بر اساس نوع متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند. انرژی خورشیدی یکی از پاک ترین و بزرگ ترین منابع انرژی های تجدیدپذیر است که به علت نیاز نداشتن به فن آوری های پیشرفته و پرهزینه، به عنوان یک منبع مفید و تأمین کننده انرژی در اکثر نقاط جهان رو به وسعت است. ۹۹ درصد از مجموع انرژی هایی که به زمین منتقل می گردند، منشا خورشیدی دارند. علاوه بر روند رو به رشد قیمت انرژی های فسیلی، اثرات مخرب زیست محیطی آن ها از قبیل: آلودگی ها، افزایش دمای کره زمین و تخریب لایه ی ازن، میل به استفاده از این انرژی در دسترس را دو چندان افزایش می دهد. به طور معمول نقاطی برای این سایت ها مناسب هستند که آب و هوا و گیاهان منطقه، رطوبت و گرد وغبار زیادی را در اتمسفر ایجاد نمی کنند مانند استپ ها، بوته زار، صحراهای نیمه خشک و صحراها که به طور معمول در عرض جغرافیایی شمال یا جنوب کمتر از ۴۰ درجه قرار دارند. از مناطق مستعد می توان به جنوب غربی ایالات متحده آمریکا، کشورهای مدیترانه ای اروپا، خاور میانه، ایران و صحراهای هند، پاکستان، چین و استرالیا اشاره نمود.

۳- انوع نیروگاه خورشیدی

۱-۳- نیروگاه های خورشیدی که دریافت کننده آنها به صورت سهموی خطی است:

در این نیروگاه ها پرتوهای خورشید در خط کانونی جمع شده و گیرنده آنها به صورت لوله ای می باشد که در داخل آنها روغن های مخصوصی قرار دارد که در اثر تابش خورشید گرم می شوند. دریافت کننده ها دارای سطوح صاف و صیقلی هستند و به شکل های مورد نظر قابلیت خم شدن را دارند. سیال گرم شده توسط مبدل های موجود به بخار تبدیل شده و به نیروگاه فرستاده می شوند. نیروگاه خورشیدی شیراز از نوع نیروگاه خورشیدی سهموی می باشد.

۲-۳- نیروگاه های خورشیدی که دریافت کننده های آنها به صورت بشقابی است:

دریافت کننده های بشقابی به شکل سهموی هستند که دارای سطحی صاف وشفاف می باشند. براق و صیقلی نبودن سطوح باعث ایجاد تلفات انعکاسی می شود. نکات قابل توجه در این دریافت کننده ها کانون آن ها  است که در یک نقطه قراردارد. مکانیزم آنها به گونه ای است که انرژی خورشید را در ناحیه کانونی جمع می کند  سپس توسط یک سیکل تر مودینامیکی آن انرژی  را در نیروگاه مورد استفاده قرار می دهد. این بشقاب سهموی می تواند از چندین آینه تشگیل شده باشد.

۳-۳- نیروگاه های خورشیدی که دریافت کننده آنها به صورت مرکزی است:

در این سیستم توسط تعداد زیادی آینه به نام هلیوستات که بر روی یک گیرنده در بالای یک برج بلند قرار دارند انرژی خورشید جذب می شود. این انرژی توسط سیالل موجود در دریافت کننده جذب شده و گرم می شود و سپس توسط مبدل های موجود سیال عامل به بخار تبدیل شده و برای تولید برق به توربین فرستاده می شود. هلیوستات یک لغت یونانی است که به معنای خورشید می باشد و به طور کلی به مجموعه ای از آینه ها که حول یک محور دوار قرار دارند و قادرند نور خورشید را به طور پیوسته به نقطه ای خاص انعکاس دهند نیز گفته  می شود که میدان آنها به دو شکل احاطه شده و شمالی قرار دارند. تلفات انرژی در میدان هلیوستات ها شامل تلفات انعکاسی و تلفات کسینوسی می باشد. امروزه نرم افزار هایی وجود دارند که زاویه شیب وجهت هلیوستات را محاسبه می کنند به گونه ای که نور انعکاسی را در نقطه ای ثابت جمع می کنند.

۴-۳- نیروگاه های خورشیدی با دودکش خورشیدی:

این سیستم از یک برج نیرو تشکیل شده که از خاصیت دودکش برای به حرکت در آوردن توربین استفاده می کنند. هوایی که در محفظه های اطراف توسط انرژی خورشید جمع شده اند به داخل دود کش هدایت شده و به علت زیاد بودن ارتفاع هوا با سرعت بیشتری  صعود می کند. در نتیجه باعث به حرکت در آوردن ژنراتوری که در پایین نصب شده است می شود و به تولید الکتریسیته منجر می شود.

۴- مزایای نیروگاه خورشیدی

از مزایای نیرو گاه خورشیدی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  1. این نیروگاه ها نیاز به سوخت ندارند.
  2. این نیروگاه ها نیاز به آب ندارند، به خصوص در نوع دودکش خورشیدی،لذا در مناطق کویری و کم آب ایران مناسب می باشند.
  3. این نیروگاه ها علاوه بر این که قادرهستند به شبکه های بزرگ برق برسانند، در شبکه های کوچک برای انتقال برق نیاز به کابل های فشار قوی ندارند.
  4. این نیروگاه ها به دلیل نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر زیادی هستند.
  5. این نیروگاه ها تولید هیچ نوع آلاینده ای که باعث آلودگی هوا شود را ندارند.

 

۵- ساختار نیروگاه خورشیدی

انرژی خورشیدی به طور مستقیم قابلیت استفاده را نداشته و باید تبدیل به سایر صورت های انرژی از قبیل انرژی الکتریکی شود. این کار معمولا در سطح جزئی توسط باتری های خورشیدی و در سطح کلان توسط نیروگاه های خورشیدی که شامل سطح وسیعی که از سلول های باتری خورشیدی پوشانده شده اند، انجام می شود. در این نیروگاه ها انرزی خورشیدی از طریق مبدل حرارتی به روش های مختلفی تبدیل به انرژی الکتریکی شده و می تواند جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی محسوب شود. سلول های خورشیدی ، از مواد مختلفی ساخته می شوند که رایج ترین ان ها سلول های فتوولتائیک و سیلیکون هستند که می توانند انرژی دریافتی از خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این انرژی قابلیت ذخیره سازی در باتری های ویژه ای را دارد که البته مهمترین مشکل پیش روی گسترش استفاده از این انرژی ، دشواری های موجود در ذخیره سازی آن است.

سلول های خورشیدی که امروزه اصلی ترین وسیله جهت دریافت و ذخیره این انرژی محسوب می شوند، معمولا از موادی نیمه رسانا از جمله ترکیبات سیلیسیم ساخته می شوند. هر اتم سیلیسیم با چهار اتم دیگر پیوند تشکیل می‌دهد و بدین صورت، شکل کریستالی آن پدید می‌آید.

در باتری‌های خورشیدی به سیلیسیم مقداری جزئی ناخالصی اضافه می‌کنند. اگر اتم ناخالصی ۵ ظرفیتی باشد (اتم سیلیسیم ۴ ظرفیتی است) ، آنگاه در ارتباط با چهار اتم سیلیسیم یک لایهٔ آن بدون پیوند باقی می‌ماند (یک تک الکترون) . به همین دلیل چون بار نسبی منفی پیدا می‌کند به آن سیلیسیم نوع منفی Negative  می‌گویند.

درصورتی که اتم ناخالصی دارای ظرفیت ۳ باشد، آنگاه یک حفرهٔ اضافی ایجاد می‌شود. حفره را به گونه‌ای می‌توان گفت که جای خالی الکترون است، با بار مثبت (به اندازهٔ الکترون) و جرمی برابر با جرم الکترون؛ که این امر هم باعث مثبت شدن نسبی ماده می‌شود و به آن سیلیسیم نوع P) Positive) می‌گویند.

این موضوع سبب شده تا در بسیاری از نقاط دنیا شاهد استفاده گسترده تر از این انرژی باشیم . بر اساس آمارهای موجود، امروزه بخش اعظم انرژی الکتریکی خانه ها در نیوزلند از طریق انرژی خورشیدی تامین شده و یا در حال حاضر یک میلیون واحد در ایالات متحده امریکا از این سیستم انرژی استفاده می کنند که البته این رقم هنوز بسیار ناچیز بوده و نشان دهنده استفاده یک درصدی از انرژی خورشیدی در آمریکا است. از سوی دیگر باید در نظر داشت که  فناوری مبتنی ار انرژی خورشیدی به تازگی آغاز به کار کرده و ما هنوز در ابتدای راه هستیم.از سوی دیگر به باور برخی کارشناسان در حال حاضر مهمترین مشکل پیش روی مردم برای استفاده از انرژی خورشیدی، گران بودن تجهیزات و ادوات اولیه است که باید برای این منظور هزینه کنند. این هزینه اولیه بسیار بالا سبب شده بسیاری از مردم کماکان در صدد تهیه برق مصرفی خود از طریق شبکه های برق شهری باشند. تامین نیروی برق شهری معمولا از طریق نیروگاه های مختلف آبی یا اتمی صورت می گیرد که هر یک به نوبه خود دارای تاثیراتی مخرب بر محیط زیست هستند و نیروگاه های بادی نیز اگرچه به محیط زیست آسیب نمی رسانند ولی به دلیل فراهم نبودن شرایط استفاده از آن ها در بسیاری از نقاط دنیا کاربری چندانی نداشته و در این میان تنها استفاده از انرژی خورشیدی می تواند گزینه ای همیشگی و در دسترس برای عموم مردم باشد.  خورشید به عنوان ستاره منظومه شمسی و مرکز و منبع سیارات این منظومه؛ انرژی گرمکایشی و نور سیارات منظومه خود را تامین می کند. بر اساس محاسبات دانشمندان؛ خورشید در هر ثانیه هزار ژول انرژی به یک متر مربع از زمین منتقل می کند. میزان انرژی تولید شده توسط خورشید که در کره زمین دریافت می شود، به اندازه ای زیاد است که هزاران برابر بیشتر از میزان کل انرژی مصرف شده توسط انسان است و تنها مشکل موجود در این زمینه، چگونگی جمع اوری و ذخیره این انرژی است.

انرژی موجود در خورشید از طریق تبدیل هیدروزن به صورت فوتونی یا نوترینو انجام شده و این انرژی به شکل گرمایش شدید که در مرکز این ستاره حدود ۱۵ میلیون  درجه سانتیگراد بوده و در سطح آن ۶ هزار درجه است، با سرعتی زیاد و تنها هشت دقیقه بعد از جدا شدن از منبع خود، به کره زمین می رسد.

solar cell

زمانی که استفاده از انرژی خورشیدی در سال ۱۹۷۰ میلادی آغاز شد، این تکنولوژی تنها برای مصارف جزئی مانند چراغ های شهری ، چراغ های راهنمائی و رانندگی و مراکز ارتباطی دورافتاده در کوهستان ها مناسب بود . ولی امروزه ما تلاش می کنیم که از انرژی خورشیدی برای تمامی سطوح جامعه استفاده کنیم. که این هدف تنها از طریق رشد نیروگاه های خورشیدی محقق خواهد شد. این انرژی توسط صفحات خورشیدی موجود در نیروگاه های خورشیدی جمع آوری می شوند.  از نظر ساختار فنی، هر باتری خورشیدی از ۶ لایه تشکیل شده که هر لایه را ماده‌ای خاص تشکیل می‌دهد. البته باید توجه داشت که امروزه انواع مختلفی از سلول های خورشیدی وجود دارند که مهمترین آن ها عبارتند از:

سلول های خورشیدی سیلیکون کریستالی که خود به دو گروه سیلیکون های تک کریستالی و چند کریستالی تقسیم می شوند.

سلول های خورشیدی سیلیکون غیر کریستالی

سلول های خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی

سلول های خورشیدی ساخته شده از مواد آلی مانند سلول های خورشیدی کریستال مایع؛ سلول های حساس به رنگ و سلول های خورشیدی پلیمری

سلول های خورشیدی لایه نازک GaAs

در این سیستم باتری قابل شارژ ، سلول های خورشیدی انرژی لازم را از نور خورشید جذب کرده و سپس در باتری های مخصوصی ذخیره می کنند.

pv system