پنل های خورشیدی

پنل های خورشیدی یکی از اجزای مهم نیروگاه های خورشیدی است که در این مقاله به تفصیل راجب آن صحبت می کنیم. در اعماق خورشید و قسمت مرکزی این کره ی سوزان، واکنش های هسته ای عظیمی رخ می دهد که موجب انتشار تابش های شدیدی از آن می گردد. این تابش ها به نوبه ی خود باعث ایجاد فوتون ها یعنی حامل های انرژی نوری می گردند. فوتون ها فاقد جرم فیزیکی بوده ولی مقادیر قابل توجهی از انرژی را با خود حمل کرده و به واسطه آن از تکانه یا اندازه حرکت بالایی برخور دارند.

یک سلول خورشیدی برای تولید برق از پدیدهای که اثر فتوولتانی نامیده می شود استفاده می کند. فتوولتانیک یا فتوولتانی به مفهوم تولید مستقیم الکتریسیته از نور می باشد .نخستین پایه گذار و مبتکر این پدیده،» ادموند بکرل «فرانسوی است. که در سال 1839 با چاپ یک مقاله، کشف آن را نوید داد در ادامه ی راه وی، در سال 1931 دو پژوهشگر دیگر به نامهای» دی « و » آدامز «تحقیقات او را پی گرفته و چند سال بعد یک مهندس آمریکایی به نام» فریتس «یافته های جدیدی را به اندوخته های محققان قبلی افزود و سرانجام در سال 1948 و با ظهور نیمه هادی ها و به خصوص ابداع ترانزیستور فصل نوینی در علم الکترونیک پا به عرصه ی وجود گذاشت. کمی بعدتر در اوایل سال 1953 یک تیم تحقیقاتی متشکل از سه دانشمند به نام های» فولر «، » چاپین «و» پیرسون «داشته های محققان پیشین را تکمیل کرده و تولد نخستین سلول های خورشیدی را به جامعه ی علمی و صنعتی جهان بشارت دادند.

این پدیده بیانگر این موضوع بود که مواد خاصی وجود دارند که وقتی در معرض تابش نور قرار میگیرند باعث جاری شدن یک جریان الکتریکی در مدار خود می گردند. برای خلق این پدیده دو لایه از مواد نیمه هادی خاص را باید با یکدیگر تلفیق نمود. یکی از این لایه ها باید با کمبود الکترونها مواجه باشد لایه های مزبور در مواجهه با نور خورشید، فوتونها را جذب میکنند. با این عمل الکترونها تحریک شده و برخی از آنها از یک لایه به لایه بعدی جهش کرده و با این کار خود باعث ایجاد یک جریان الکتریکی می گردند.

وقتی یک فوتون جذب ماده سیلیکونی می شود جریان الکتریکی از دو ترمینال یا سر سیم های سلول نوری گرفته می شود هر چه شدت نور و نتیجتاً تعداد فوتون ها بیشتر باشد میزان بیشتری از آنها جذب سلول خورشیدی شده و جریان الکتریکی بیشتری تولید می گردد. سلولهای خورشیدی قسمت بیشتر از برق تولیدی خود را از تابش مستقیم نور خورشید تأمین می نمایند. هر کدام از سلولهای خورشیدی مجزا فقط قادر به تولید مقدار اندکی انرژی الکتریکی می باشند در این صورت و برای کسب یک انرژی الکتریکی قابل توجه باید تعدادی از این سلولها را در کنار هم و به دنبال یکدیگر به هم متصل ساخت از تجمع تعدادی از این سلولها به دنبال یکدیگر یک مدول یا پنل خورشیدی ایجاد میگردد که گاهی اوقات به آن مدول فتوولتائی هم اطلاق می شود.

پنل خورشیدی چگونه کار می کند؟

صفحات خورشیدی تمیز انرژی تجدید پذیر را به شکل نور خورشید جمع می کنند و آن نور را به برق تبدیل می کنند و سپس می تواند برای تأمین برق بارهای الکتریکی استفاده شود. صفحات خورشیدی از چندین سلول خورشیدی جداگانه تشکیل شده است که خود از لایه های سیلیکون ، فسفر (که بار منفی را تأمین می کند) و بور (که بار مثبت را تأمین می کند) تشکیل شده اند. صفحات خورشیدی فوتون ها را جذب می کنند و با این کار جریان الکتریکی ایجاد می کنند. انرژی حاصل از فوتونهایی که به سطح صفحه خورشیدی برخورد می کنند  باعث می شود الکترونها از مدار اتمی خود خارج شده و در میدان الکتریکی تولید شده توسط سلولهای خورشیدی آزاد شوند و سپس این الکترونهای آزاد بصورت یک جریان الکتریکی مستقیم (DC) خارج شود. کل این فرآیند به عنوان اثر فتوولتائیک شناخته می شود.

انواع پنل های خورشیدی

امروزه پنل های خورشیدی موجود در بازار به 6 نوع اصلی تقسیم می شوند:

• پنل های مونو کریستال (Monocrystalline)
• پلی کریستال (Polycrystalline)
• پنل های PERC
• پنل های Half Cell
• پنل های فیلم نازک (Thin-Film)
• پنل های خورشیدی پلیمری و آلی

1-    پنل های خورشیدی مونو کریستال

این پنل ها که به پنل های تک بلوری هم معروف هستند؛ از طریق یک کریستال (بلور) سیلیکونی خالص که به صورت ویفرهای متعددی برش می خورد، ساخته می شوند. از آنجاییکه آنها با سیلیکون خالص تولید می گردند لذا به راحتی به واسطه رنگ سیاه تیره پشت شان قابل شناسایی هستند. در ضمن استفاده از سیلیکون خالص باعث می شود تا پنل های مونو کریستالی در بین سایر انواع پنل های خورشیدی از دو جنبه استفاده بهینه از فضا و دوام زیاد، برتری داشته باشند.

با این حال ساخت آنها بسیار هزینه ‌بر است؛ چرا که مقدار زیادی سیلیکون برای تولید یک سلول تک بلوری تلف می شود (درصد اتلاف سیلیکون گاهی اوقات حتی به ۵۰% هم می رسد). به همین دلیل این پنل ها غالباً قیمت های گزافی دارند.

• پنل های خورشیدی پلی کریستالی

همانطور که از نامشان پیداست؛ منشاء آنها برخلاف پنل های مونو کریستالی، ناشی از چند بلور سیلیکونی متفاوت است. برای تولید پنل های خورشیدی پلی کریستالی، قطعات سیلیکون ذوب گردیده و در قالب های مربعی ریخته می شوند. به همین دلیل سلول های پلی کریستالی بسیار مقرون به صرفه تر از نوع قبلی هستند زیرا ضایعات آنها بسیار محدود بوده و شکل مربعی مشخصی دارند.

با این حال همین امر باعث می شود تا آنها از نظر تبدیل انرژی و فضای اشغالی کارآیی پایین تری داشته باشند زیرا خلوص سیلیکون و ساختار آنها نسبت به سلول های مونو کریستالی در سطح پایین تری قرار دارد. در ضمن مقاومت این پنل ها در برابر حرارت پایین تر است لذا در محیط های با دمای بالا کارآیی کمتری دارند.

3-   پنل PERC

یکی از معروف ترین تکنولوژی های تولید سلول خورشیدی و در نتیجه پنل خورشیدی در سال های اخیر، تکنولوژی پرک است که این نام مخفف واژه Passivated Emitter and Rear Contact  بوده و این تکنولوژی در سال 1989 اختراع شده است. در سلول خورشیدی قدیمی، نور خورشید پس از برخورد به سلول خورشیدی، باعث آزاد شدن یک الکترون و در نتیجه تبدیل انرژی می شد. اما درصدی از فوتون های برخورد کننده با سلول خورشیدی توانایی آزاد کردن الکترون را نداشته و پس از عبور از کنار الکترون با لایه پشتی سلول برخورد و باعث ایجاد حرارت در سلول خورشیدی می شد.

در تکنولوژی پرک، از یک لایه رفلکتور در قسمت پشت سلول استفاده می شود که در صورتی که فوتون های موجود در نور خورشید، در تلاش اول نتوانستند الکترون را آزاد نمایند، پس از برخورد با لایه انتهایی، منعکس شوند و در نتیجه در برگشت احتمال آزاد شدن الکترون افزایش یابد که در این صورت تلفات سلول خورشیدی به طرز چشمگیری افزایش و در نتیجه باعث افزایش راندمان سلول می شود.

امروزه بیشتر پنل های خورشیدی تولید شده به خصوص از نوع مونوکریستال همگی از نوع پرک هستند. تکنولوژی پرک صرفا تلفات را در محدوده سلول خورشیدی کاهش می دهد اما همچنان بخشی از انرژی در مسیر انتقال انرژی الکتریکی از سلول به خروجی پنل خورشیدی تلف می شود که در اینجا از تکنولوژی  Half cell  استفاده می شود و در ادامه این نوشته به آن پرداخته خواهد شد.

• پنل های خورشیدی Half Cell

یکی از جدیدترین تکنولوژی های اضافه شدن به صنعت تولید پنل خورشیدی، تکنولوژی سلول نیمه یا همان هف سل Halfcell است. برای فهم دقیق تر این تکنولوژی لازم است ابتدا با ساختار سلول ها در یک پنل خورشیدی آشنا شوید. هر پنل خورشیدی از تعدادی سلول خورشیدی تشکیل شده است که این سلول ها به منظور افزایش توان همگی با یکدیگر سری شده اند. جریان الکتریکی برای خروج از پنل خورشیدی باید از تمام این مسیر گذر کند و در نتیجه به دلیل وجود مقاومت الکتریکی اندک در مسیر عبور جریان که شامل خطوط باس بار در پنل خورشیدی می شود، موجب به وجود آمدن تلفات توان می شود. بنابر این در سلول های قدیمی بخشی از توان در مسیر انتقال جریان از سلول به خروجی پنل تلف می شود.

به منظور کاهش طول مسیر انتقال از پایین پنل خورشیدی تا بالاترین نقطه که درآن قسمت اتصال خروجی قرار گرفته است، از تکنولوژی سلول نیمه یا Halfcell استفاده می شود. در این تکنولوژی سلول ها از وسط نصف شده و پنل خورشیدی به دو بخش بالایی و پایینی تقسیم می شود. در هر قسمت سلول ها دارای سیم کشی مجزا هستند و اتصال خروجی پنل خورشیدی در وسط صفحه قرار گرفته است. به همین دلیل مسیر عبور جریان برای سلول های هر بخش نصف شده و بخش قابل توجهی از تلفات سلول کاهش پیدا می کند. علاوه بر کاهش تلفات و همچنین دمای پنل خورشیدی در ساعات آفتابی، تکنولوژی Halfcell ویژگی مهم دیگری را به پنل خورشیدی اضافه کرده و آن هم کاهش تلفات سلول خورشیدی در سایه است. در سلول خورشیدی قدیمی، در صورتی که بر روی تمامی ردیف سلول ها، سایه قرار بگیرد، توان خروجی پنل صفر می شود اما در تکنولوژی سلول نیمه یا همان هف سل، توان خروجی نصف می شود.

• پنل های خورشیدی فیلم نازک

مشخصه پنل های خورشیدی فیلم نازک، لایه های بسیار ظریفی است که به دلیل نازک بودن، انعطاف پذیر هستند. در اینجا هر پنل به قاب پشتی نیاز ندارد؛ پس سبک تر بوده و راحت تر نصب می شوند. این پنل ها برخلاف پنل های سیلیکونی کریستالی که تنها در اندازه های استاندارد ۶۰، ۷۲ و ۹۶ سلولی عرضه می شوند؛ این قابلیت را دارند که در اندازه های مختلف مطابق با نیازهای خاص تولید گردند. در ضمن آنها نسبت به پنل های خورشیدی سیلیکونی معمولی، کارآیی کمتری دارند.

• پنل های خورشیدی پلیمری و ارگانیک

تکنولوژی سلول های خورشیدی ارگانیک و پلیمری هم اکنون در مراحل آزمایشگاهی و تحقیقاتی هستند، اما در آینده موثر و کاربردی خواهند بود. به دلایل زیر سلول های خورشیدی ارگانیک و پلیمری هم می توانند در صنعت فتوولتائیک در آینده حرف هایی برای گفتن داشته باشند :

1. وزن سبک و مواد اولیه کمی مصرف می کنند چرا که به راحتی به لایه های بسیار نازک تبدیل می شوند و شکل آنها قابل انعطاف و هزینه مواد اولیه اندک است.
2. قابل تلفیق با سایر موادی مثل پوشاک، سیستم های قابل انعطاف و …

انواع پنل های خورشیدی براساس کارآیی

کارایی یا بازده انواع مختلف پنل های خورشیدی به صورت زیر می باشد:

• پنل خورشیدی مونو کریستال 17 – 20 درصد
• پنل خورشیدی پلی کریستال 15 – 17 درصد
• پنل های خورشیدی PERC 20 – 22 درصد
• پنل های خورشیدی halfcell 21 – 23 درصد
• پنل های خورشیدی لایه نازک (thin film) 12 – 15 درصد
• پنل های خورشیدی پلیمری و آلی 8 – 12 درصد