چاچ

نور و فتوولتائیک ۱

تاريخچه سلول هاي خورشيدي

مي دانيم در هسته ي مركزي اتم ها يك يا چند ذره ي ريز به نام الكترون وجود دارد. هنگامي كه اين الكترون ها سست و از اتمي به اتم ديگر رانده مي شوند، جرياني الكتريكي برقرار مي شود.

نور خورشيد انرژي كافي دارد تا الكترون هاي بعضي از انواع اتم ها را آزاد كند. در اين حالت، اگر موادي كه شامل چنين اتم هايي هستند، در معرض نور قرار گيرند، جرياني الكتريكي ايجاد خواهند كرد.

مدت زيادي پيش از آن كه دانشمندان چيزي درباره ي الكترون ها بدانند، اين رابطه ي ميان نور و الكتريسيته را كشف كردند. در سال 1873 شيميداني به نام ويلوبي اسميت<!--[if !supportFootnotes]-->[1]<!--[endif]-->  به طور تصادفي كشف كرد كه فلز سلنيم، وقتي كه نور بر آن مي‌تابد مي‌تواند جرياني الكتريكي را هدايت كند. در حالي كه اين فلز در تاريكي نمي‌تواند جريان الكتريكي را هدايت كند.

در ابتدا اين كشف تنها چيزي عجيب به حساب مي آمد، زيرا مقدار الكتريسيته‌ي توليد شده بسيار كم بود. اما عاقبت موارد استفاده اي براي آن پيدا شد.

مثلا، سلنيم مي تواند در چشم هاي الكتريكي به كار رود. چشم الكتريكي محفظه ي كوچكي است كه هواي درون آن تخليه شده است. اين محفظه شامل سطحي فلزي است كه با لايه اي از سلنيم پوشيده شده است.

هنگامي كه نور بر آن مي تابد، الكترون ها از سلنيم رها مي شوند و در نتيجه جريان الكتريكي كوچكي به راه مي افتد. اين جريان الكتريكي مي‌تواند دستگاه رله اي رابه كار اندازد و با ايجاد جريان الكتريكي بزرگي، در ورودي بزرگي را كه با كشش فنري باز مي شود، بسته، نگاه مي دارد.

چشمي الكتريكي را تصور كنيد كه در يك طرف سالني، درست در جلوي در قرار دارد، نور ضعيفي در طرف ديگر سالن بر چشم الكتريكي مي‌تابد. تا زماني كه نور مي‌تابد، در بسته مي‌ماند. اما اگر شخصي به طرف در نزديك شود، بدن او جلوي راه نور را مي‌گيرد. به محض عبور شخص جريان الكتريكي در چشم الكتريكي متوقف شده‌، در باز مي شود.

چشم الكتريكي نمونه‌اي از سلول فوتو الكتريكي است. فوتو از واژه اي يوناني به معني «نور» گرفته شده است. اگر سلول فوتو الكتريكي با تابش نور خورشيد كار كند در اين صورت به آن سلول خورشيدي مي‌گويند.

براي مدتي طولاني، وسايل فوتو الكتريكي براي دستگاه هاي كوچكي چون چشم هاي جادويي به كار مي رفتند زيرا آن ها فقط مقدار كمي الكتريسيته ايجاد مي كردند. مثلا، سلنيم كمتر از يك درصد انرژي نور خورشيد را كه بر آن مي تابد به الكتريسيته تبديل مي كند.

از طرف ديگر، دانشمندان بر روي وسايل كنترل كننده جريان الكتريكي نيز كار مي‌كردند و مي خواستند آن ها محكم و ظريف باشند و به سرعت كار كنند.

در گذشته، ايشان از حبابهاي شيشه اي خالي از هوا استفاده مي شد. در اين حباب ها قطعه هاي فلزي جا گذاري شده بود. وقتي كه يكي از قطعه هاي فلزي گرم مي شد الكترون‌ها از ميان خلا، از اين قطعه به قطعه ي ديگر، عبور مي كردند.

با تغييردادن خصوصيات اين قطعه ها از بيرون، جريان الكترون‌ها مي‌توانست سريعتر يا كندتر شود. به اين ترتيب، باتغييرات سريع در جريان الكترونها، راديو، تلويزيون و دستگاه‌هاي الكترونيكي ديگرساخته شد.به اين حباب‌هاي شيشه‌اي معمولا لامپ‌هاي‌راديويي نيز مي‌گفتند.

در سال 1948 كشف شد كه بعضي ديگر از مواد كه در حالت عادي رساناي جريان الكتريكي نيستند، مي توانند الكترون‌هايي از اتم‌هاي خود خارج سازند. به اين ترتيب آن‌ها مي‌توانند جريان را نسبتا خوب هداي كنند. به همين دليل، اين مواد را نيمه رسانا مي‌نامند.

اگر نيمه رساناها از مواد بسيار خالصي، ساخته شوند كه فقط اندكي از اتم‌هاي معين ديگري به آنها افزوده شده باشد، الكترون ها مي توانند با سهولت خاصي از آنها رها و تحت كنترل قرار گيرند. اين الكترون ها را مي توان واداشت كه درست مثل مورد لامپ هاي راديويي تندتر و يا كندتر حركت كنند. اين وسايل نيمه رسانا كه ترانزيستور ناميده مي‌شوند. كم‌كم، جاي لامپ‌هاي راديويي را گرفتند.

در سال هاي دهه ي 1950 دانشمندان خيلي به ترانزيستورها توجه نشان مي دادند.

يكي از موادي كه ترانزيستور ها مي‌توانند از آن ها ساخته شوند سيليسيم است. اين ماده بسيار فراوان است و از اين لحاظ دومين عنصر روي زمين است. تقريبا يك چهارم شن و سنگ محيط اطراف ما از سيليسيم تشكيل شده داست.

در سال 1954، دانشمندان در آزمايشگاه بل- تلفن (جايي كه ترانزيستور در آنجا اختراع شد) مشغول كار با سيليسيم بودند و سعي مي‌كردند كه از آن كاري بهتر بگيرند. وقتي كه آنان سيليسيم را در معرض نور قرار دادند، كاملا به طور تصادفي متوجه شدند كه جريان الكتريكي پديدار مي شود.

 سيليسيم بسيار بهتر از سلنيم عمل مي كرد. حدود 4 درصد انرژي نور خورشيد كه بر سيليسيم مي تاببد به الكتريسيته تبديل مي شد، و در نتيجه سيليسيم پنج مرتبه كاراتر از سلنيم بود.

دانشمندان به كار بر روي سيليسيم ادامه دادند، ذره هاي كوچكي از مواد ديگر را به آن اضافه و سرانجام نمونه هايي از سيليسيم را توليد كردند كه 16 درصد انرژي نور خورشيد را به الكتريسيته تبديل مي‌كرد. اما مشكلي بر سر راه وجود داشت.

اتم‌هاي سيليسيم كه يك چهارم تمام شن و سنگ‌هاي تمام دنيا را مي‌سازد به طوري محكم به اتم هاي اكيژن متصلند. شكستن اين پيوند و رها ساختن اتم هاي سيليسيم كار سختي است، و كوشش، زمان و انرژي زيادي را صرف مي كند.

سيليسيمي كه به اين ترتيب به دست مي آيد بسيار گران است. اگر تكه ي جامدي از سيليسيم داشته باشيم، بايد آن را به صورت ورقه هاي بسيار نازكي بتراشيم و مقدار دقيقي ناخالصي به آن بيفزاييم. اين كارها سبب گرانتر شدن آن مي‌شود. سرانجام، يك سلول خورشيدي سيليسيمي فقط مقدار كمي الكتريسيته توليد مي‌كند، حتي اگر وجود سيليسيم در اين سلول بهتر از وجود سلنيم باشد. براي به دست آوردن الكتريسيته ي كافي براي بسياري از نيازها‌، بايد سلول هاي خوشيدي زيادي با هم كار كنند.

با اين حال سلول هاي خورشيدي ارزش خود را در فضا نشان مي‌دهدند.

 

 


1-پديده فتوولتائيك چيست؟ 

به پديده اي كه در اثر آن انرژي تابشي بطور مستقيم به انرژي الكتريكي تبديل شود، پديده فتوولتائيك گويند.

2-تعريف سيستم فتوولتائيك

به هر سيستم كه از پديده فتوولتائيك (تبديل مستقيم انرژي تابشي به انرژي الكتريكي)استفاده كند، سيستم فتوولتائيك گويند.

3-سلول و يا باطري خورشيدي چيست و جنس مواد سازنده آن چه مي باشد.

به صفحه اي که انرژي تابشي خورشيد را به انرژي الكتريكي تبديل مي كند، سلول يا باطري خورشيدي مي گويند.سلول هاي خورشيدي بطور عمده از سيليسيوم ساخته می شود.

4-تعريف پنل، مدول و آرايه خورشيدي.

به مجموعه چند سلول خورشيدي که در کنار يکديگر، يک صفحه را تشکيل مي‌دهند، پنل يا مدول گفته مي شود و به مجموعه پنلهاي فتوولتائيك، يك آرايه خورشيدي گفته مي شود.

5- مشخصه جريان و ولتاژ حاصل از پنل هاي فتوولتائيك.

جريان‌الكتريكي‌حاصل از پنل‌هاي فتوولتائيك از نوع‌جريان‌و ولتاژ مستقيم(D C) مي‌باشد.

6- آيا باطري هاي خورشيدي قدرت ذخيره سازي دارند؟

پيل يا باطري هاي خورشيدي تنها مبدل انرژي تابشي خورشيد به انرژي الكتريكي باجريان الكتريكي از نوع مستقيم مي باشند و توانايي ذخيره سازي انرژي را ندارند.

از ابزار ذخيره سازي در اين سيستم ها استفاده از باطريهاي الكتروشيميايي مي باشد.

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

7- مشخصه پنلها بر اساس تابش و دما به چه صورت تغيير مي كند؟

 مشخصه جريان ولتاژ پنلها بر اساس دماي ثابت و تابش متغير و نيز تابش ثابت و دمای متغير متفاوت مي باشد.

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

8- طول عمر مفيد سلولهاي خورشيدي بطور متوسط چند سال مي‌باشد و به چند نوع مي باشند. 

طول عمر مفيد پنلهاي فتوولتائيك بطور عمده 25 (20 الي 30) سال مي باشد.

انواع سلولهاي خورشيدي عبارتند از:

 مونوكريستال – پلي كريستال و آمورف

9-سيستم هاي فتوولتائيك از سه بخش عمده تشكيل شده است. 

3 بخش اصلي سيستم هاي فتوولتائيك را:

- پنلهاي خورشيد

- بخش واسطه

- مصرف كننده تشكيل داده است.

10- وظيفه پنلهاي خورشيدي در سيستم فتوولتائيك چه مي باشد. 

وظيفه اين بخش تأمين انرژي و منبع تغذيه مورد نياز سيستم الكتريكي مي باشد.

در واقع بدليل استفاده از پنلهاي خورشيدي جهت تأمين انرژي الكتريكي مورد نياز در يك سيستم الكتريكي، به آن سيستم فتوولتائيك گويند.

11- وظيفه بخش واسطه

بخش واسطه يا تطبيق توان در واقع، وظيفه كنترل و تطبيق توان الكتريكي حاصل از پنلها و مصرف كننده را بر عهده دارد.

12- انواع كاربرد سيستمهاي فتوولتائيك عبارتند از: 

- سيستم هاي مستقل از شبكه سراسري برق

- سيستم هاي متصل به شبكه سراسري برق

- سيستم هاي هيبريد

13- تعريف سيستمهاي مستقل، متصل و هيبريد

سيستمهاي مستقل : به سيستمهايي گفته مي شود كه انرژي مورد نياز بطور كامل از طريق پنلهاي خورشيدي تأمين مي گردد و نيازي به شبكه سراسري برق و يا منبع تغذيه ديگري نمي باشد.

سيستمهاي متصل به شبكه سراسري: به سيستمهايي گفته مي شود که انرژي الكتريكي حاصل از پنلهاي خورشيدي مستقيماً به شبكه سراسري برق تزريق مي گردد. در واقع در اين نوع سيستم ضمن تزريق انرژي الكتريكي به شبكه سراسري برق از مزاياي شبكه برق نيز استفاده مي گردد.

سيستمهاي هيبريد: به سيستمهايي گفته مي شود كه از چند منبع تغذيه براي تامين انرژي الكتريكي مورد نياز استفاده مي گردد و سيستم فتوولتائيك يکي از منابع تغذيه اصلي مي باشد. از جمله منابع تأمين كننده انرژي ديگري که در اين مجموعه استفاده مي گردند شبكه سراسري برق، ديزل ژنراتور، توربينهاي بادي و ... مي باشند.(در اين مدل، بر اساس موقعيت و نياز بار استفاده از هر يك از منابع تغذيه مذکور، اولويت بندي و كنترل مي گردند).

 14- مقايسه سيستمهاي مستقل، متصل و هيبريد با يكديگر

در سيستمهاي مستقل تنها منبع تأمين کننده انرژي سيستم فتوولتائيك است.

در سيستمهاي متصل ضمن بهره جويي از مزاياي شبکه سراسري برق از سيستمهاي P.V نيز جهت كمك به شبكه سراسري و جلوگيري از افت ولتاژ استفاده مي گردد

در سيستمهاي هيبريد منابع تأمين كننده انرژي چندگانه و در صورت قطع هر کدام از منبع ديگر استفاده مي گردد. در اين مدل احتمال قطع برق به حداقل مي رسد.

 15- مهمترين مزايا و معايب سيستمهاي فتوولتائيك به اختصار به شرح زير است.

مزايا:

عدم نياز به شبكه سراسري

عدم نياز به سوخت

سازگاري با محيط زيست، محيط زيست را آلوده نمي كند

آلودگي صوتي ندارد

براي توليد برق نياز به آب ندارد

معايب:

هزينه سرمايه گذاري اوليه بالا است

وابستگي به تغييرات تابش خورشيد در طي روز و ماه هاي مختلف

 16- چند نمونه از كاربردهاي سيستمهاي فتوولتائيك را نام ببريد؟

روشنايي خورشيدي (معابر، تونلها، منازل، مدارس، جاده ها، چراغهاي دريايي و ...)

پمپ آب (كشاورزي، دامپروري و آبشخور حيوانات، پرورش ماهي، آب شرب و ...)

سيستمهاي نيروگاهي (بصورت مستقل و متصل)

سيستمهاي پرتابل

يخچال هاي خورشيدي

17- نام 5 توليد كننده مهم پنلهاي فتوولتائيك در دنيا.

شركت Sharp ژاپن

شركت Kyocera ژاپن

شركت Solar cell

شركت Qcell

 18- توليد كنندگان پنل فتوولتائيك در داخل كشور.

تنها توليد كننده پنل فتوولتائيك در داخل كشور شركت – كارخانه كابلهاي مخابراتي شهيد قندي مي باشد. تلفن تماس 4-4406651

 19- آيااين سيستمها اقتصادي هستند و موارد كاربرد اقتصادي آنها را نيز نام ببريد.

تا كنون اين سيستمها در جهان اقتصادي نشده اند، اما متخصصان در تلاش براي كاهش قيمت اين سيستمها و اقتصادي نمودن آنها مي باشد اما در بعضي از مكانها كه فاصله از شبكه سراسري برق زياد بوده و يا امكان سوخت رساني نمي باشد ويا صعب العبور است. بعلاوه آنكه هزينه سوخت نيز بالا مي باشد استفاده از اين سيستمها اقتصادي استكه از آن جمله مي توان به:

روستاهاي خارج از شبكه

ماشينهاي حمل مواد غذايي و فاسد شدني بويژه در كشورهاي آفريقايي كه ميزان تابش مناسب مي باشد.

كمپهاي تفريحي خارج از شبكه سراسري برق

مراكز مخابراتي و ايستگاههاي هواشناسي و ... كه در مكانهاي صعب العبور و فاقد برق مي باشند.

20- چند نمونه از فعاليتهاي سانا در زمينه سيستمهاي فتوولتائيك. 

 روشنايي خورشيدي

 پمپ آب

 سيستمهاي متصل به شبكه سراسري

 سيستم مستقل از شبكه براي تأمين برق مورد نياز يك منطقه مسكوني

 

21- چند نمونه از كاربردهاي غير نيروگاهي حرارتي انرژي خورشيدي را نام ببريد.

خوراك پز خورشيدي، آبگرمكنهاي خورشيدي، آبشيرين كنهاي خورشيدي،يخچال خورشيدي،خشك كن خورشيدي و گلخانه خورشيدي

22- انواع كلكتورهاي بكار رفته در آبگرمكنهاي خورشيدي را نام ببريد. 

كلكتورهاي نوع صفحه تخت (Flat Plate Collectors - FPC)

كلكتورهاي نوع جفت سهموي (Compound parabolic collectors)

كلكتورهاي لوله خلاء (ETC Evacuated tube collectors)

اين كلكتورها اغلب بصورت ثابت در محل خود نصب ميشوند و نيازي به دنبال كردن خورشيد ندارند.

23- نحوه قرار گيري و اجزاي كلكتورهاي FPC چگونه مي باشد؟ 

 اين كلكتورها بايد رو به خط استوا نصب شوند، بطوريكه در نيمكره شمالي به سمت جنوب و در نيمكره شمالي بسمت شمال قرار گيرند. زاويه شيب مناسب براي اين كلكتورها برابر با عرض جغرافيايي منطقه نصب است كه بسته به نوع سيستم، اين زاويه بين 5 تا 10 درجه افزايش يا كاهش مي يابد.

كلكتورهاي صفحه تخت عموماٌ از قسمتهايي كه در شكل 2 نمايش داده شده اند تشكيل مي شوند.

شيشه: يك يا چند صفحه شفاف شيشه اي يا از جنس مواد دياترموس (عبور دهنده پرتو)

لوله ها،پره ها، كانالها :براي هدايت و انتقال سيال عامل از ورودي به خروجي

صفحات جاذب: صفحه هايي تخت، موج دار، يا شيار داري كه لوله ها، پره ها يا كانالهايي به آنها وصل شده اند. يا اينكه ممكن است لوله ها بصورت يكپارچه و قسمتي از صفحات باشند.

هدرها يا مانيفولدها: براي جمع آوري و تخليه سيال

عايق: براي به حداقل رساندن افت حرارتي در اطراف صفحه جاذب

محفظه نگهدارنده: براي در بر گرفتن اجزاي فوق الذكر به جهت حفاظت از آنها در مقابل گرد و خاك، رطوبت هوا و غيره.

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

24- آبگرمكنهاي خورشيدي چگونه كار مي كنند؟

مهمترين قسمت هر سيستم آبگرمكن خورشيدي يا SWH (Solar water heating) عبارتست از آرايه كلكتورهاي آن كه وظيفه جذب انرژي خورشيدي و تبديل آن به حرارت را به عهده دارند. حرارت دريافت شده از طريق سيال عامل (آب، مايع ضد يخ يا هوا) كه از داخل كلكتور عبور ميكند جذب ميشود. اين حرارت ميتواند مستقيماً مورد استفاده قرار گيرد يا اينكه در يك منبع ذخيره حرارتي، براي استفاده هاي بعدي ذخيره شود. اجزاء مختلف سيستمهاي انرژي خورشيدي دائماً در معرض شرايط جوي هستند، لذا اين قطعات بايد بتوانند در مقابل يخ زدگي يا افزايش بيش از حد حرارت و هنگامي كه تقاضا براي مصرف كم است بطور مناسب محافظت شوند.

در سيستمهاي آبگرمكن خورشيدي، آب مصرفي يا بطور مستقيم با عبور از كلكتور گرم ميشود (سيستمهاي گردش مستقيم) يا اينكه بطور غير مستقيم و توسط يك مبدل حرارتي كه خود در يك سيكل بسته توسط سيال داخل كلكتور گرم شده است، گرما ميگيرد (سيستم گردش غير مستقيم). سيال عامل نيز يا به صورت طبيعي ( غير فعال يا پسيو) جابجا ميشود يا اينكه بصورت اجباري به گردش در ميآيد (فعال يا اكتيو). گردش طبيعي سيال عامل بر اثر پديده ترموسيفون بوجود ميآيد در حاليكه براي گردش اجباري اين سيال از يك پمپ استفاده ميشود. غير از سيستمهاي ترموسيفون و سيستمهايي كه كلكتور و منبع ذخيره يكپارچه دارند، ساير سيستمهاي گرمايش آب توسط ترموستاتهاي تفاضلي كنترل ميشوند.

پنج نوع از سيستمهاي خورشيدي ميتوانند براي گرم كردن آب مصرفي يا بهداشتي مورد استفاده قرار گيرند كه عبارتند از: ترموسيفون، كلكتور- مخزن يكپارچه، گردش اجباري، غير مستقيم و هوا. دوسيستم اول سيستمهاي غير فعال (پسيو) ناميده ميشوند، اما سه سيستم ديگر سيستمهاي فعال (اكتيو) هستند، چون يك پمپ يا فن براي گردش سيال عامل در آنها نصب ميشود. براي جلوگيري از يخ زدگي كلكتور در سيستمهاي مستقيم از گردش معكوس(recirculation) يا تخليه (drain-down) و در سيستمهاي غير مستقيم از تخليه برگشتي (drain-back) استفاده مي‌شود.

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

تمامي اين سيستمها داراي مزاياي‌اقتصادي خوبي هستند وبسته به نوع‌سوخت جايگزين، دوره بازگشت سرمايه براي آنها بين 4 سال (براي الكتريسيته) و 7 سال (براي ديزل) مي باشد.

البته دوره بازگشت سرمايه، در كشورهاي مختلف بستگي به شاخصهاي اقتصادي، نظير ميزان تورم و قيمت انواع سوخت و غيره دارد. امروزه در دنيا به ميزان بسيار زيادي از كلكتورهاي خورشيدي براي آبگرمكنهاي خورشيدي استفاده ميشود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


[1]<!--[endif]--> Willouby Smith

   + پارسا هوشمند ; ٩:٠٠ ‎ب.ظ ; ۱۳۸٦/٤/۱٦
comment نظرات ()