ترکیب کننده های پنل‌های خورشیدی

دستگاه های فتوولتائیک (PV) از طریق یک فرآیند الکترونیکی که به طور طبیعی در انواع خاصی از مواد به نام نیمه هادی ها اتفاق می افتد، برق را مستقیماً از نور خورشید تولید می کنند. الکترون‌های موجود در این مواد توسط انرژی خورشیدی آزاد می‌شوند و می‌توانند از طریق یک مدار الکتریکی حرکت کنند، دستگاه‌های الکتریکی را تغذیه کنند یا برق را به شبکه ارسال کنند.

دستگاه های PV را می توان برای تامین انرژی هر چیزی از وسایل الکترونیکی کوچک مانند ماشین حساب و علائم جاده گرفته تا خانه ها و مشاغل تجاری بزرگ استفاده کرد.

فناوری PV چگونه کار می کند؟

فوتون ها به مواد نیمه هادی روی صفحه خورشیدی برخورد کرده و یونیزه می کنند و باعث می شوند الکترون های بیرونی از پیوندهای اتمی خود جدا شوند. به دلیل ساختار نیمه هادی، الکترون ها در یک جهت مجبور به ایجاد جریان الکتریکی می شوند. سلول های خورشیدی در سلول های خورشیدی سیلیکونی کریستالی 100% کارآمد نیستند، تا حدی به این دلیل که فقط نور خاصی در طیف قابل جذب است. مقداری از طیف نور منعکس می شود، برخی برای ایجاد الکتریسیته ضعیف تر از آن هستند (مادون قرمز) و برخی (فرابنفش) به جای الکتریسیته انرژی گرمایی ایجاد می کنند. 

نمودار یک سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی معمولی. برای ساخت این نوع سلول، ویفرهای سیلیکونی با خلوص بالا با ناخالصی‌های مختلف «دوپ» می‌شوند و با هم ذوب می‌شوند. ساختار حاصل مسیری برای جریان الکتریکی در داخل و بین سلول های خورشیدی ایجاد می کند .

انواع دیگر فناوری فتوولتائیک

علاوه بر سیلیکون کریستالی (c-Si)، دو نوع اصلی دیگر از فناوری PV وجود دارد:

• PV لایه نازک  بخش کوچکی از بازار خورشیدی تجاری است که به سرعت در حال رشد است. بسیاری از شرکت‌های تولید لایه نازک، استارت‌آپ‌هایی هستند که فناوری‌های تجربی را توسعه می‌دهند. آنها معمولاً کارایی کمتری دارند - اما اغلب ارزان تر - نسبت به ماژول های c-Si.

• در ایالات متحده،  آرایه های PV متمرکز  عمدتاً در صحرای جنوب غربی یافت می شوند. آنها از عدسی ها و آینه ها برای انعکاس انرژی متمرکز خورشیدی روی سلول های با کارایی بالا استفاده می کنند. آنها به نور مستقیم خورشید و سیستم های ردیابی برای مؤثرتر بودن نیاز دارند.

• فتوولتائیک های یکپارچه در ساختمان  هم به عنوان لایه بیرونی یک سازه عمل می کنند و هم برای استفاده در محل یا صادرات به شبکه برق تولید می کنند. سیستم های BIPV می توانند در هزینه های مصالح و برق صرفه جویی کنند، آلودگی را کاهش دهند و به جذابیت معماری ساختمان بیافزایند.

تاریخچه فناوری فتوولتائیک

اثر PV در اوایل سال 1839 توسط الکساندر ادموند بکرل مشاهده شد و در اوایل قرن بیستم موضوع تحقیقات علمی بود. در سال 1954، آزمایشگاه های بل در ایالات متحده اولین دستگاه PV خورشیدی را معرفی کردند که مقدار قابل استفاده برق تولید می کرد و تا سال 1958، سلول های خورشیدی در انواع کاربردهای علمی و تجاری در مقیاس کوچک مورد استفاده قرار گرفتند.

بحران انرژی در دهه 1970 شروع علاقه‌مندی عمده به استفاده از سلول‌های خورشیدی برای تولید برق در خانه‌ها و مشاغل بود، اما قیمت‌های بازدارنده (تقریبا 30 برابر بیشتر از قیمت فعلی) کاربردهای در مقیاس بزرگ را غیرعملی کرد.

پیشرفت‌ها و تحقیقات صنعت در سال‌های بعد، دستگاه‌های PV را امکان‌پذیرتر کرد و چرخه‌ای از افزایش تولید و کاهش هزینه‌ها آغاز شد که تا امروز ادامه دارد.

هزینه های فتوولتائیک خورشیدی

کاهش سریع قیمت ها انرژی خورشیدی را مقرون به صرفه تر از همیشه کرده است. میانگین  قیمت یک سیستم PV تکمیل شده  طی دهه گذشته 59 درصد کاهش یافته است.

فتوولتائیک مدرن

هزینه PV به طور چشمگیری کاهش یافته است زیرا صنعت تولید را افزایش داده و به تدریج فناوری را با مواد جدید بهبود بخشیده است. هزینه های نصب نیز با نصابان با تجربه و آموزش دیده کاهش یافته است. در سطح جهانی، ایالات متحده سومین بازار بزرگ تاسیسات PV را دارد و به سرعت در حال رشد است.

اکثر سلول های خورشیدی مدرن از سیلیکون کریستالی یا مواد نیمه هادی لایه نازک ساخته شده اند. سلول های سیلیکونی در تبدیل نور خورشید به الکتریسیته کارآمدتر هستند، اما به طور کلی هزینه های تولید بالاتری دارند. مواد لایه نازک معمولاً کارایی پایین تری دارند، اما می توانند ساده تر و هزینه کمتری برای تولید داشته باشند. یک دسته تخصصی از سلول های خورشیدی - که سلول های چند پیوندی یا پشت سر هم نامیده می شوند - در کاربردهایی که به وزن بسیار کم و راندمان بسیار بالا نیاز دارند، مانند ماهواره ها و کاربردهای نظامی استفاده می شود. انواع سیستم های PV امروزه به طور گسترده در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

امروزه هزاران مدل پانل فتوولتائیک جداگانه از صدها شرکت موجود است.  صفحات خورشیدی را  بر اساس کارایی، توان خروجی، ضمانت‌ها و موارد دیگر در EnergySage مقایسه کنید.

اصول زیربنایی کار سلول های فتوولتائیک

سلول‌های خورشیدی (غیر آلی) معمولاً از مواد سیلیکونی دوپ شده تشکیل شده‌اند (هم‌اکنون می‌توان از نانومواد نیز استفاده کرد)، و اتصالات با داشتن یک سیلیکون نوع p در کنار سیلیکون نوع n ایجاد می‌شوند. برای مرجع، یک ماده دوپ شده که یک ماده از نوع n است دارای اتم هایی است که حاوی یک الکترون اضافی در شبکه اتمی خود هستند، در حالی که مواد آلاییده شده از نوع p دارای اتم هایی هستند که یک الکترون کمتر دارند. این منجر به تشکیل الکترون ها و حفره های اضافی برای مواد نوع n و p به ترتیب می شود.

هر دو حامل بار با مکانیسم تبدیل انرژی درگیر هستند. لازم به ذکر است که فقط مواد خاصی را می توان برای ساخت اتصالات در یک سلول فتوولتائیک استفاده کرد، زیرا مواد باید توانایی تحت تأثیر فوتوالکتریک را داشته باشند - که تولید ولتاژ در حضور نور است.

هنگامی که این دو ماده سیلیکونی دوپ شده در کنار یکدیگر قرار می گیرند، یک اتصال نیمه رسانا را تشکیل می دهند. در یک طرف این اتصال تعداد زیادی حفره و در طرف دیگر تعداد زیادی الکترون قرار دارد. در بین این دو ناحیه حامل بار، یک ناحیه الکتریکی خنثی وجود دارد که به عنوان منطقه تخلیه شناخته می شود - که به عنوان رابط اتصال بین دو منطقه حامل بار عمل می کند. منطقه تخلیه زمانی تشکیل می شود که نور خورشید به سلول فتوولتائیک تابیده نشود.

خود منطقه تخلیه از برهم کنش و به هم پیوستن برخی از الکترون ها و حفره ها تشکیل می شود. هر دو حامل بار با هم ترکیب می شوند و گونه ای خنثی را تشکیل می دهند که حامل های بار دیگر را از یکدیگر جدا می کند.

منطقه خنثی علاوه بر جداسازی گونه های باردار، یک میدان الکتریکی داخلی در سلول خورشیدی ایجاد می کند و این میدان الکتریکی از ترکیب کامل دو ناحیه حامل بار با یکدیگر جلوگیری می کند. این بسیار مهم است زیرا اگر این دو منطقه به طور کامل با یکدیگر برخورد کنند، نتیجه یک ماده کاملاً خنثی الکتریکی خواهد بود که آنطور که در نظر گرفته شده عمل نمی کند. این به این دلیل است که مهاجرت این بارها تحت تحریک نور دلیلی است که سلول های خورشیدی کار می کنند و انرژی فتوولتائیک تولید می شود و یک ماده از نظر الکتریکی خنثی جریان الکتریکی ایجاد نمی کند.

تولید انرژی فتوولتائیک

هنگامی که فوتون‌های نور به سلول خورشیدی برخورد می‌کنند، جریان الکتریکی ایجاد می‌شود، زیرا فوتون‌های نور انرژی را به محل اتصال نیمه‌رسانا منتقل می‌کنند، که به نوبه خود انرژی را به حامل‌های بار آزاد در دو طرف منطقه اتصال/تخلیه منتقل می‌کند. هنگامی که حامل های شارژ دارای انرژی افزایش یافته ای هستند، تحرک آنها به قدری افزایش می یابد که وارد منطقه تخلیه می شوند.

هنگامی که حامل های بار وارد منطقه تخلیه می شوند، پهنای منطقه تخلیه کاهش می یابد. عرض در نهایت به نقطه ای کاهش می یابد که میدان الکتریکی داخلی (که از ناحیه تخلیه ایجاد شده است) دیگر به اندازه کافی قوی نیست که حرکت حامل های بار را خنثی کند. این باعث می شود که الکترون ها به سمت حفره ها حرکت کنند و در آنجا دوباره ترکیب شوند. این فرآیند نوترکیبی حامل بار یک جریان الکتریکی ثابت تولید می کند که همچنین تولید انرژی فتوولتائیک الکتریکی است که می تواند ذخیره شود.

هنگامی که جریان الکتریکی تولید می شود، در حالی که نور خورشید به محل اتصال برخورد می کند، در این حالت باقی می ماند. هنگامی که حامل های بار با هم ترکیب می شوند، ضخامت منطقه تخلیه را به طور موقت افزایش می دهد، اما این تنها تا زمانی که فوتون بعدی برخورد کند که انرژی بیشتری به حامل های بار می دهد، ادامه می یابد. بنابراین، انرژی فتوولتائیک را می توان به طور مداوم به شرط وجود نور خورشید برداشت کرد. منطقه تخلیه به حالت استراحت/ضخامت طبیعی خود باز نمی گردد تا زمانی که نور خورشید به آن برخورد نکند.

هنگامی که نور خورشید وجود ندارد، دستگاه "تنظیم مجدد" می شود و منطقه تخلیه به ضخامت اولیه خود باز می گردد و حامل های شارژ یک بار دیگر از هم جدا می شوند. پس از بازگشت نور خورشید، این فرآیند دوباره شروع می شود.

منبع: seia.org

    azocleantech