ساخت ماکت خانه سبز - جلسه چهارم
آشنایی با پدیده فتوولتاییک و انواع آن و پنل های خورشیدی و انواع آن
اهداف جلسه : آشنایی با پدیده فتوولتاییک و انواع آن و پنل های خورشیدی و انواع آن
وسایل مورد نیاز : ...............
4-1- پدیده فتوولتاییک
پدیده ای که در اثر آن و بدون استفاده از مکانیزم های مکانیکی انرژی تابشی به انرژی الکتریکی تبدیل شود پدیده فتوولتاییک نام دارد و هر سیستمی که از این خاصیت استفاده نماید سیستم فتوولتاییک نامیده می شود .
سلول فتوولتائیک نور خورشید را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. اصل مقدماتی در این تکنولوژی پدیده ” فتوالکتریک “ است که اولین بار توسط انیشتین مطرح گردید."فتو" به معنای نور و "ولتائیک" به معنای الکتریسیته می باشد. عنصر اصلی در ساخت سلول های خورشیدی، نیمه هادی هایی مانند سیلیکون و گالیم آرسناید می باشد. اساس کار سلولهای خورشیدی بر مبنای تئوری الکترون های مدارات اتم قابل توجیه است.
در سطح خارجی تراز انرژی اتم دو سطح تراز مشخص وجود دارد. سطح تراز ظرفیت اتم(والانس) که در عملیات شیمیایی دخالت دارد و سطح تراز هدایت اتم(لایه هدایت) که در هدایت الکتریکی نقش دارد. همان طور که می دانید هر اتم برای اینکه از تراز ظرفیتی خود به تراز هدایت انتقال یابد، احتیاج به مقدار مشخصی انرژی دارد که به آن انرژی گپ می گویند. علت استفاده از نیمه هادی ها هم دقیقا به این خاطر است که این عناصر نیاز به انرژی گپ بسیار پائین دارند تا به تراز هدایت منتقل گردند و با حرارتی کم در حد حرارت محیط می توانند این انرژی را تامین نمایند. در نیمه هادی ها با اضافه کردن ناخالصی به کریستال خالص آنها می توان میزان انرژی گپ را بیش از پیش کاهش داد. اگر به سیلیسیم که یک نیمه هادی است فسفر اضافه شود دارای بار منفی و اگر ( بر ) اضافه شود دارای بار مثبت می گردد.
حال اگر به الکترونی که در تراز ظرفیت است انرژی بیش از مقدار انرژی گپ داده شود به تراز هدایت منتقل شده و باعث ایجاد الکترون و حفره ای آزاد می گردد. لذا از همین خاصیت برای ساخت نیمه هادی های نوع N و P استفاده می گردد.
در اثر برخورد نور به سطح نیمه هادی نوع PN و کسب انرژی گپ، حاملهای بار(الکترون – حفره) بوجود آمده که می توانند در داخل نیمه هادی حرکت نموده و تولید الکتریسیته نمایند.
شکل 4-1 پدیده فتوولتاییک
4-2- سلول خورشیدی
سلول های خورشیدی از نیمه هادی های کریستالی سیلیکون یا آرسینورگالیم تشکیل شده اند . ماده اصلی تشکیل دهنده بیشتر سلول های خورشیدی رایج سیلیسیوم می باشد . بر طبق خواص فیزیکی نیمه هادی ها با آلاییدن ماده اصلی به ناخالصی از نوع N مانند فسفر و نوع P مانند بور ، میدان الکتریکی در سطوح خارجی سلول ایجاد می گردد . بر اساس قوانین حاکم بر فیزیک مواد تشکیل دهنده در برابر انرژی تابشی (نور خورشید) قادر به تولید جریان الکتریکی می باشد . جریان و ولتاژ خروجی این سلول ها DC است .
شکل 4-4 سلول خورشیدی
4-3- فن آوری های تولید سلول های فتوولتاییک
4-3-1- نسل اول فن آوریهای فتوولتائیک :
سلولهای کریستالی :
سیلیکون یکی از فراوان ترین عناصر حال حاضر کره زمین می باشد. این عنصر یک نیمه هادی بسیار مناسب برای استفاده در سیستمهای فتوولتائیک می باشد. سلولهای کریستالی سیلیکون بسته به این که ویفرهای سیلیکونی به چه روش ساخته می شوند به ۲ دسته کلی تقسیم بندی می شوند: مونو کریستال سیلیکونی و پلی کریستال سیلیکونی. دسته دیگر از سلولهای کریستالی شامل گالیم آرسناید می باشد.
4-3-2- سل دوم فن آوریهای فتوولتاییک:
سلولهای خورشیدی تین فیلم :
پس از بیش از ۲۰ سال تحقیق و توسعه، سلولهای خورشیدی تین فیلم شروع به گسترش نمودند. تین فیلم ها به طور قابل ملاحظه ای در هزینه تولید الکتریسیته نسبت به ویفرهای سیلیکونی کاهش ایجاد نمودند.
سه نوع اصلی سلول های خورشیدی تین فیلم که در حال حاضر تجاری شده اند شامل:
• سیلیکونهای آمورف (a-Si و a-Si/μc-Si)
• کادمیوم تلورید (Cd-Te)
• مس- ایندیم- سلنید (CIS) و مس – ایندیم – گالیم- دیسلنید (CIGS)
4-3-3-نسل سوم فن آوریهای فتوولتاییک:
فن آوری های این نسل در مرحله پیش از تجاری سازی به سر می برند.
فن آوری های نسل سوم به دسته های زیر تقسیم می شوند :
• سلول های خورشیدی ارگانیک
• سلول های خورشیدی حساس به رنگ
• سلول های خورشیدی پلیمری
• سلول های خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع
4-4- ماژول (پنل) خورشیدی و آرایه خورشیدی :
به مجموعه ای از سلول ها که در کنار یکدیگر سری و موازی می گردند پنل یا ماژول فتوولتاییک می گویند .
به مجموعه ای از پنل ها که باهم سری و موازی شده اند آرایه خورشیدی می گویند .
شکل 4-5 آرایه ، پنل و سلول خورشیدی
4-5 سری و موازی کردن پنل ها
در طراحی سیستم های فتوولتاییک برای فراهم نمودن شرایط دلخواه و رسیدن به توان مورد نیاز گاهی نیاز است که از 2 یا چند پنل خورشیدی استفاده کنیم . پنل های خورشیدی نیز مانند سایر تجهیزات الکترونیکی مانند مقاومت ، خازن و ... به صورت سری و موازی با یکدیگر قابل اتصال هستند . سری و موازی کردن پنل ها را به اصطلاح سربندی می گوییم .
4-5-1- سری کردن پنل ها
پنل هایی که سری می شوند باید همگون باشند یعنی مشخصات الکتریکی یکسانی داشته باشند و با زاویه های شیب و جهت یکسان رو به روی خورشید قرار بگیرند . هنگامی که پنل ها را سری می کنیم مانند سایر تجهیزات الکترونیکی ولتاژ خروجی سیستم برابر است با جمع جبری ولتاژ های پنل های سری شده برای مثال در شکل زیر 3 پنل با ولتاژ های V 15 با یکدیگر سری شده اند که ولتاژ خروجی سیستم برابر است با جمع ولتاژ های هر 3 پنل :
شکل 4-6 سری کردن پنل های خورشیدی
4-5-2- موازی کردن پنل های خورشیدی
هنگامی که پنل ها را موازی می کنیم مانند سایر تجهیزات الکترونیکی جریان خروجی سیستم برابر است با جمع جبری جریان پنل های موازی شده برای مثال در شکل زیر 3 پنل با جریان های A 3 با یکدیگر موازی شده اند که جریان خروجی سیستم برابر است با جمع جریان های هر 3 پنل :
شکل 4-7موازی کردن پنل های خورشیدی
4-6 انواع پنل های رایج
4-6-1- پنل های مونو کریستالی :
مشخصات :
- بالاترین بازده
- قیمت بالاتر نسبت به پلی کریستال و آمورف (لایه نازک)
- از نظر ظاهری رنگ یک دست و متمایل به مشکی و وجود فضاهای خالی در سطح پنل به علت ساختار سلول ها
شکل 4-8 پنل خورشیدی مونوکریستال
4-6-2- پنل های پلی کریستالی :
مشخصات :
- بازده کمتر از مونوکریستال و بیشتر از آمورف
- قیمت پایین تر نسبت به مونوکریستال و بالاتر از آمورف (لایه نازک)
- از نظر ظاهری رنگ ناهمگون و متمایل به آبی و استفاده حداکثری از سطح پنل و عدم وجود فضاهای خالی در سطح آن
شکل4-9پنل خورشیدی پلی کریستال
4-6-3- پنل های لایه نازک ( آمورف ) :
مشخصات :
- کمترین بازده
- کمترین قیمت
- از نظر ظاهری رنگ یکدست کامل و متمایل به مشکی
- کاربرد در مناطق با هوای ابری و مکان هایی که سایه پراکنده زیاد وجود دارد
- کارایی بهتر در نور کم نسبت به پنل های مونو و پلی کریستال
- بسیار سبک و باریک
- قابلیت انعطاف پذیری شکل 4-10پنل خورشیدی لایه نازک (آمورف)
تکلیف 1 : عناصر نیم هادی چه خاصیت هایی دارند؟ چند نمونه از آن ها را بیان کنید
تکلیف 2 : با توجه به ویژگی های انواع پنل های خورشیدی کدام یک از آن ها متناسب با شهر محل زندگی شما است ؟
منابع مطالعه : 1_ شان باکلی، مترجم: احمد سیدی نوقابی، کتاب از طلوع تا غروب خورشید
2_ کتاب مبانی انرژی خورشیدی – نوشته دافی و بکمن
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه اول
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه دوم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه سوم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه چهارم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه پنجم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه ششم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هفتم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هشتم
وسایل مورد نیاز : ...............
4-1- پدیده فتوولتاییک
پدیده ای که در اثر آن و بدون استفاده از مکانیزم های مکانیکی انرژی تابشی به انرژی الکتریکی تبدیل شود پدیده فتوولتاییک نام دارد و هر سیستمی که از این خاصیت استفاده نماید سیستم فتوولتاییک نامیده می شود .
سلول فتوولتائیک نور خورشید را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. اصل مقدماتی در این تکنولوژی پدیده ” فتوالکتریک “ است که اولین بار توسط انیشتین مطرح گردید."فتو" به معنای نور و "ولتائیک" به معنای الکتریسیته می باشد. عنصر اصلی در ساخت سلول های خورشیدی، نیمه هادی هایی مانند سیلیکون و گالیم آرسناید می باشد. اساس کار سلولهای خورشیدی بر مبنای تئوری الکترون های مدارات اتم قابل توجیه است.
در سطح خارجی تراز انرژی اتم دو سطح تراز مشخص وجود دارد. سطح تراز ظرفیت اتم(والانس) که در عملیات شیمیایی دخالت دارد و سطح تراز هدایت اتم(لایه هدایت) که در هدایت الکتریکی نقش دارد. همان طور که می دانید هر اتم برای اینکه از تراز ظرفیتی خود به تراز هدایت انتقال یابد، احتیاج به مقدار مشخصی انرژی دارد که به آن انرژی گپ می گویند. علت استفاده از نیمه هادی ها هم دقیقا به این خاطر است که این عناصر نیاز به انرژی گپ بسیار پائین دارند تا به تراز هدایت منتقل گردند و با حرارتی کم در حد حرارت محیط می توانند این انرژی را تامین نمایند. در نیمه هادی ها با اضافه کردن ناخالصی به کریستال خالص آنها می توان میزان انرژی گپ را بیش از پیش کاهش داد. اگر به سیلیسیم که یک نیمه هادی است فسفر اضافه شود دارای بار منفی و اگر ( بر ) اضافه شود دارای بار مثبت می گردد.
حال اگر به الکترونی که در تراز ظرفیت است انرژی بیش از مقدار انرژی گپ داده شود به تراز هدایت منتقل شده و باعث ایجاد الکترون و حفره ای آزاد می گردد. لذا از همین خاصیت برای ساخت نیمه هادی های نوع N و P استفاده می گردد.
در اثر برخورد نور به سطح نیمه هادی نوع PN و کسب انرژی گپ، حاملهای بار(الکترون – حفره) بوجود آمده که می توانند در داخل نیمه هادی حرکت نموده و تولید الکتریسیته نمایند.
4-2- سلول خورشیدی
سلول های خورشیدی از نیمه هادی های کریستالی سیلیکون یا آرسینورگالیم تشکیل شده اند . ماده اصلی تشکیل دهنده بیشتر سلول های خورشیدی رایج سیلیسیوم می باشد . بر طبق خواص فیزیکی نیمه هادی ها با آلاییدن ماده اصلی به ناخالصی از نوع N مانند فسفر و نوع P مانند بور ، میدان الکتریکی در سطوح خارجی سلول ایجاد می گردد . بر اساس قوانین حاکم بر فیزیک مواد تشکیل دهنده در برابر انرژی تابشی (نور خورشید) قادر به تولید جریان الکتریکی می باشد . جریان و ولتاژ خروجی این سلول ها DC است .
4-3- فن آوری های تولید سلول های فتوولتاییک
4-3-1- نسل اول فن آوریهای فتوولتائیک :
سلولهای کریستالی :
سیلیکون یکی از فراوان ترین عناصر حال حاضر کره زمین می باشد. این عنصر یک نیمه هادی بسیار مناسب برای استفاده در سیستمهای فتوولتائیک می باشد. سلولهای کریستالی سیلیکون بسته به این که ویفرهای سیلیکونی به چه روش ساخته می شوند به ۲ دسته کلی تقسیم بندی می شوند: مونو کریستال سیلیکونی و پلی کریستال سیلیکونی. دسته دیگر از سلولهای کریستالی شامل گالیم آرسناید می باشد.
4-3-2- سل دوم فن آوریهای فتوولتاییک:
سلولهای خورشیدی تین فیلم :
پس از بیش از ۲۰ سال تحقیق و توسعه، سلولهای خورشیدی تین فیلم شروع به گسترش نمودند. تین فیلم ها به طور قابل ملاحظه ای در هزینه تولید الکتریسیته نسبت به ویفرهای سیلیکونی کاهش ایجاد نمودند.
سه نوع اصلی سلول های خورشیدی تین فیلم که در حال حاضر تجاری شده اند شامل:
• سیلیکونهای آمورف (a-Si و a-Si/μc-Si)
• کادمیوم تلورید (Cd-Te)
• مس- ایندیم- سلنید (CIS) و مس – ایندیم – گالیم- دیسلنید (CIGS)
4-3-3-نسل سوم فن آوریهای فتوولتاییک:
فن آوری های این نسل در مرحله پیش از تجاری سازی به سر می برند.
فن آوری های نسل سوم به دسته های زیر تقسیم می شوند :
• سلول های خورشیدی ارگانیک
• سلول های خورشیدی حساس به رنگ
• سلول های خورشیدی پلیمری
• سلول های خورشیدی مبتنی بر کریستال های مایع
4-4- ماژول (پنل) خورشیدی و آرایه خورشیدی :
به مجموعه ای از سلول ها که در کنار یکدیگر سری و موازی می گردند پنل یا ماژول فتوولتاییک می گویند .
به مجموعه ای از پنل ها که باهم سری و موازی شده اند آرایه خورشیدی می گویند .
4-5 سری و موازی کردن پنل ها
در طراحی سیستم های فتوولتاییک برای فراهم نمودن شرایط دلخواه و رسیدن به توان مورد نیاز گاهی نیاز است که از 2 یا چند پنل خورشیدی استفاده کنیم . پنل های خورشیدی نیز مانند سایر تجهیزات الکترونیکی مانند مقاومت ، خازن و ... به صورت سری و موازی با یکدیگر قابل اتصال هستند . سری و موازی کردن پنل ها را به اصطلاح سربندی می گوییم .
4-5-1- سری کردن پنل ها
پنل هایی که سری می شوند باید همگون باشند یعنی مشخصات الکتریکی یکسانی داشته باشند و با زاویه های شیب و جهت یکسان رو به روی خورشید قرار بگیرند . هنگامی که پنل ها را سری می کنیم مانند سایر تجهیزات الکترونیکی ولتاژ خروجی سیستم برابر است با جمع جبری ولتاژ های پنل های سری شده برای مثال در شکل زیر 3 پنل با ولتاژ های V 15 با یکدیگر سری شده اند که ولتاژ خروجی سیستم برابر است با جمع ولتاژ های هر 3 پنل :
4-5-2- موازی کردن پنل های خورشیدی
هنگامی که پنل ها را موازی می کنیم مانند سایر تجهیزات الکترونیکی جریان خروجی سیستم برابر است با جمع جبری جریان پنل های موازی شده برای مثال در شکل زیر 3 پنل با جریان های A 3 با یکدیگر موازی شده اند که جریان خروجی سیستم برابر است با جمع جریان های هر 3 پنل :
4-6 انواع پنل های رایج
4-6-1- پنل های مونو کریستالی :
مشخصات :
- بالاترین بازده
- قیمت بالاتر نسبت به پلی کریستال و آمورف (لایه نازک)
- از نظر ظاهری رنگ یک دست و متمایل به مشکی و وجود فضاهای خالی در سطح پنل به علت ساختار سلول ها
4-6-2- پنل های پلی کریستالی :
مشخصات :
- بازده کمتر از مونوکریستال و بیشتر از آمورف
- قیمت پایین تر نسبت به مونوکریستال و بالاتر از آمورف (لایه نازک)
- از نظر ظاهری رنگ ناهمگون و متمایل به آبی و استفاده حداکثری از سطح پنل و عدم وجود فضاهای خالی در سطح آن
4-6-3- پنل های لایه نازک ( آمورف ) :
مشخصات :
- کمترین بازده
- کمترین قیمت
- از نظر ظاهری رنگ یکدست کامل و متمایل به مشکی
- کاربرد در مناطق با هوای ابری و مکان هایی که سایه پراکنده زیاد وجود دارد
- کارایی بهتر در نور کم نسبت به پنل های مونو و پلی کریستال
- بسیار سبک و باریک
- قابلیت انعطاف پذیری
تکلیف 1 : عناصر نیم هادی چه خاصیت هایی دارند؟ چند نمونه از آن ها را بیان کنید
تکلیف 2 : با توجه به ویژگی های انواع پنل های خورشیدی کدام یک از آن ها متناسب با شهر محل زندگی شما است ؟
منابع مطالعه : 1_ شان باکلی، مترجم: احمد سیدی نوقابی، کتاب از طلوع تا غروب خورشید
2_ کتاب مبانی انرژی خورشیدی – نوشته دافی و بکمن
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه اول
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه دوم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه سوم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه چهارم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه پنجم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه ششم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هفتم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هشتم
