انواع پنل های خورشیدی موجود

انواع بسیار متنوعی از سلولهای خورشیدی به صورت تجاری یا در مراحل آزمایشگاهی وجود دارد که آنها را به شرح زیر می‌توان دسته‌بندی کرد:
1) مونوکریستالی (Mono-Crystalline)
2) پلی کریستالی (Poly-Crystalline)
3) فیلم نازک (Thin Film)
4) پلیمری یا ارگانیک (Polymeric/Organic)

1) سلولهای مونوکریستالی (Mono-Crystalline):
جنس تمامی سلولهای خورشیدی رایج در سطح تولید تجاری، سیلیکون می باشد که برای افزایش کارایی و بازدهی، مواد دیگری از طریق فرآیند تغلیظ (Doping) بدان افزوده می گردد. فرآیند تولید سلولهای مونو به این صورت می باشد که یک دانه (Seed) اولیه کوچک سیلیکون طی یک فرآیند کند و تدریجی به یک شمش (Ingot) بزرگ تا طول 2 متر و وزن صدها کیلوگرم رشد داده می شود.سپس این شمش به شکل ویفرهای بسیار نازک سیلیکون با ضخامت چند صد میکرون به شکلهای مختلف (عموماً هشت ضلعی یا مربع) برش داده می شود و شکل آشنای سلولهای مونو را تشکیل می دهد.یک پنل سولار مونو به این صورت ساخته می شود که ابتدا سلولها به صورت ماتریسی از سلولهای سری (برای افزایش ولتاژ) و موازی (برای افزایش جریان) به هم متصل می شوند. سپس داخل یک قاب فلزی مستحکم نصب گردیده و یک پوشش شیشه‌ای شفاف و ضخیم برای حفاظت در برابر ضربات فیزیکی روی سلولها نصب می شود و خروجی الکتریکال پنل توسط دو کابل با کانکتور قفل‌دار به بیرون هدایت می گردد. اصلی ترین ویژگی یک پنل توان ماکزیمم آن و سپس ولتاژ و جریان در بار ماکزیمم می باشد.سلولهای مونو دارای بالاترین بازده و همچنین بیشترین قیمت بین سایر انواع می باشند.بازده این نوع سلولها در انواع خاص در رده کاربری نظامی تا %25 نیز می رسد. اما انواع رایج در بازار ایران دارای بازدهی بین %16 تا %20 می‌باشند. (تکنولوژی فعلی سال 2015)
 

2) سلولهای پلی کریستالی (Poly-Crystalline):
بر خلاف سلولهای مونوکریستال که از یک شمش با ساختار کریستالی یکنواخت برش می‌خورند، سلولهای پلی‌کریستال از برش شمشهایی که دارای ساختار غیر یکنواخت هستند بدست می‌آیند. برای تولید این نوع سلولها، سیلیکون مذاب به جای شکل گیری دور یک Seed اولیه به صورت یکپارچه، درون یک قالب طی یک فرآیند متالورژی ساده‌تر و سریعتر به شکل نواحی به شکل کاملاً مشخص (Grain) شکل گرفته و سپس به شکل ویفرهای سیلیکونی برش می خورد. ظاهر پوسته‌پوسته یا فلس (Flake) مانند این نوع سلولها نیز به سبب همین فرآیند خاص تولید می باشد.این فرآیند کم‌هزینه‌تر و سریعتر سبب ارزانتر بودن این نوع سلولها و در مقابل، پایین‌تر بودن راندمان آنها به نسبت سلولهای مونو می باشد.ساختار پنلهای پلی‌کریستال نیز دقیقاً مانند پنلهای مونو می باشد که شامل ماتریسی از سلولها درون یک قاب فلزی و دارای یک پوشش شیشه‌ای است.راندمان سلولهای پلی‌کریستال تجاری بین %12 تا %16 و در مراحل آزمایشگاهی و تحقیقاتی حدود %19 می باشد. (تکنولوژی فعلی سال 2015)هر دو نوع سلول فوق، نسل اول پنل خورشیدی  را که بر پایه ویفر سیلیکون هستند، تشکیل می‌دهند که امروزه بیش از %90 بازار سلولهای خورشیدی را در اختیار دارند.
مزایا:
بازده خوب، پایداری خوب، استحکام فیزیکی خوب، عدم کاهش بازده در کوتاه مدت
معایب:
وزن زیاد، ضخامت زیاد، انعطاف‌ناپذیری، فرآیند تولید بسیار پرهزینه به دلیل نیاز به انرژی فراوان در فرآیند تولید
 3) سلولهای خورشیدی فیلم نازک ( "Thin Film Solar Cell "TFSC):
این نوع سلولهای خورشیدی، نسل دوم سلولها را تشکیل می دهند که تکنولوژی ساخت آنها به چهار گروه زیر تقسیم می‌شود:
1) سیلیکون آمورف (a-Si)
2) تلورید کادمیوم/سولفید کادمیوم (CdTe/CdS)
3) سلنید گالیوم اینیدیوم مس (CIGS)
4) ارسنید گالیوم (GaAs)
فرآیند کلی تولید این نوع سلولها به صورت رسوب یا نشست (Deposition) یک لایه یا فیلم بسیار نازک از مواد فتوولتاییک با ضخامت چند نانومتر تا چند میکرون روی بستر (Substrate) با ضخامت کم از جنس شیشه، پلاستیک یا فلز می باشد. بازده این نوع سلولها در سطح تولید تجاری بین %10 تا %15 می باشد. اما بازده سلولهای بسیار گرانقیمت GaAs حدود %30 می‌باشد که به دلیل سبکی و بازده خوب، برای ساخت پنلهای خورشیدی فضاپیماها و ماهواره‌ها استفاده می‌شود که وزن و راندمان، فاکتورهای مهمتری از هزینه برایشان محسوب می‌گردد.انعطاف‌پذیری و شفافیت نسبی سلولهای فیلم نازک، کاربردهایی مانند نصب در نمای ساختمان یا استفاده در نماهای شیشه‌ای مات را ممکن ساخته است. همچنین، این نوع سلولها برای رسیدن به توان نامی نیازی به قرارگیری در معرض تابش مستقیم خورشید ندارند و بنابراین برای استفاده در فضاهای سرپوشیده مانند تغذیه ماشین‌حسابهای رومیزی نیز مناسب می باشند.
مزایا:
انعطاف‌پذیری، وزن کم، امکان تولید به صورت نیمه شفاف، فرآیند تولید کم هزینه‌تر، عدم نیاز به تابش مستقیم خورشید
معایب:
بازده و پایداری کمتر نسبت به سلولهای نسل اول، وابستگی به فلزات سنگین مضر برای محیط زیست (مانند کادمیوم Cadmium) یا عناصر کمیاب (مانند تلوریوم Tellurium)
سلولهای خورشیدی پلیمری یا ارگانیک (Polymerc/Organic Solar Cells):
به طور کلی، تمام انواع این نوع از سلولهای خورشیدی از حل کردن پلیمرها در حلالهای ارگانیک و قراردادن آنها روی بستر (Substrate) از جنس شیشه یا پلاستیک نوع پت (PET: Poly-Ethylene Terephthalate) توسط تکنیکهای مختلف چاپ یا پوشش می باشد.
ساختار سلولهای پلیمری از لایه های زیر تشکیل شده است:
1) لایه فعال (Active Layer):
کارکرد تمامی انواع سلولهای خورشیدی بر پایه تبدیل انرژی فوتونهای نور برای ایجاد زوج الکترون-حفره یا همان Exciton انجام می‌پذیرد که این عمل در همین لایه انجام می‌گردد.
2) لایه‌های انتقال (ETL (Electron Transport Layer و (HTL (Hole Transport Layer:
وظیفه اصلی این لایه‌ها، ایجاد مسیری برای جلوگیری از پدیده بازترکیب (Recombination) زودهنگام الکترونهای جداشده از حفره ها می‌باشد که این پدیده یکی از دلایل کاهنده بازده سلولهای خورشیدی است.
3) الکترودهای مثبت و منفی:
این الکترودها، ترمینالهای الکتریکی سلول برای عبور جریان به سمت مدار خارجی می باشند.
انواع چیدمان سلولهای پلیمری به صورت نرمال و معکوس (Inverted) می‌باشد. در نوع نرمال، نور پس از عبور از بستر شفاف شیشه‌ای یا پلاستیکی و الکترود مثبت شفاف و لایه انتقال حفره شفاف (HTL) به لایه فعال می‌رسد  (مانند شکل پایین). اما در چیدمان معکوس، نور پس از عبور از بستر شیشه‌ای یا پلاستیکی شفاف و الکترود منفی شفاف و لایه انتقال الکترون شفاف (ETL) به لایه فعال می‌رسد. لایه فعال نیز از دو بخش «دهنده» (Donor) و «پذیرنده» (Acceptor) تشکیل شده است که که وظیفه آن، شکستن پیوند الکترون-حفره (Exciton Bond) و هدایت الکترون به سمت پذیرنده و حفره به سمت دهنده می باشد. برای جلوگیری از بازترکیب زوج الکترون-حفره که به سرعت انجام می‌پذیرد، فاصله دهنده و پذیرنده می‌بایست کمتر از 10 نانومتر باشد.چون در هر لایه فعال بسته به جنس ماده سازنده، فقط طول موجی خاصی از نور خورشید سبب تحریک الکترونها و ایجاد زوج الکترون-حفره می گردد و بقیه طیف طول موج به صورت گرما تلف می‌گردد، جهت افزایش بازده از ساختار متوالی (Tandem) دارای چند لایه فعال استفاده می‌گردد که تحریک الکترون و ایجاد Exciton در هر لایه توسط فوتونهای با طول موج متفاوت انجام شده و به زبان ساده، استفاده بیشتری از میزان ثابت نور ورودی به سلول جهت استخراج انرژی الکتریکی انجام می‌گردد. بازده این نوع سلولها در مراحل تجاری بین %6 تا %12 و در مراحل آزمایشگاهی تا %15 می باشد. (تکنولوژی فعلی سال 2015)
مزایا:
سبک، شفاف، انعطاف‌پذیر، هزینه مواد اولیه پایین، هزینه تولید پایین ، قابلیت چاپ با رنگها و طرحهای متنوع با استفاده از تکنیکهای متداول مانند چاپ رولی (Roll-to-Roll)
معایب:
بازده پایین، پایداری پایین، کاهش بازده به مرور زمان

ذخیره انرژی برق سلولهای خورشیدی

در مورد برق تولید شده از پنل خورشیدی  باید به نکات زیر توجه داشت:
1- به دلیل گران قیمت بودن تجهیزات این سیستمها، معمولا طراحی بر پایه میزان مصرف انجام می شود و حداقل مازاد تولید متصور است.
2- برای ذخیره برق مورد نیاز در زمانهای عدم تابش خورشید دو روش وجود دارد که عبارتند از استفاده از باتری و استفاده از شبکه برق سراسری. در ادامه به توضیح این دو روش می پردازیم.
- در سیستمهای جدا از شبکه یا Off-Grid برای ذخیره برق از باتری استفاده می شود واز محاسن این سیستمها استقلال آن و عدم نیاز یا وابستگی به هر نوع منبع انرژی دیگر است.
- در سیستمهای متصل به شبکه یا On-Grid یا Grid-Connected بجای بانک باتری از شبکه برق سراسری برای ذخیره انرژی استفاده می شود. برای این منظور نیاز به نصب کنتور دو طرفه در محل سیستم وجود دارد و سیستم طوری طراحی می شود که در طول روز یا در دوره تابش خورشید، مقدار مجموع انرژی لازم برای طول شبانه روز را تولید کند.
مقدار انرژی مورد نیاز در طول روز مستقیما مصرف می شود و مازاد تولید که معادل مصرف شبانه است توسط اینورترهای متصل به شبکه به شبکه برق سراسری منتقل می شود. در این حالت کنتور دوطرفه با چرخش معکوس مقدار انرژی تولید و تحویل شده به اداره برق را اندازه گیری و به همان میزان حساب مشترک را طلبکار می نماید. سپس در دوره عدم تابش و مصرف همان میزان انرژی در طول شب، کارکرد و مصرف انرژی بصورت عادی ثبت می شود.
به عبارت ساده تر مازاد انرژی تولید شده به شبکه برق سراسری قرض داده می شود تا در مواقع عدم تابش بازپس گرفته شود.
مشکل این سیستم علیرغم صرفه اقتصادی به دلیل حذف هزینه باتری ها، وابستگی آن به شبکه برق است و فقط در جاهایی قابل استفاده است که شبکه برق وجود دارد.

یخ زدن پنل های خورشیدی

در مورد پکیج های برق خورشیدی، نوع پانل ها عمدتاً SHARP، SUNTECH، E-SUN و LG هستند که با توجه به توان مدولهای موجود در انواع پکیج ها استفاده شده است. در هر صورت کلیه این پانل ها دارای 25 سال گارانتی راندمان بوده و از استانداردهای معتبر بین المللی برخوردار هستند. پنل خورشیدی  در دمای 40- درجه تا 70+ درجه دمای محیطی قابل استفاده هستند و در محدوده 30- درجه تا 50+ درجه دمای محیط شامل گارانتی تعویض هستند.
تمامی کنتورهای قدیمی که دارای یک دیسک گردان می باشند از نوع دو طرفه هستند و هم اکنون انواعی از کنتور های دوطرفه دیجیتالی توسط شرکت کنتورسازی ایران (محل کارخانه قزوین - شهر صنعتی البرز) نیز تولید می شوند.
در صورتی که برای اتصال سیستم ON-Grid به شبکه برق نیاز به کنتور دو طرفه دارید، می توانید بجای این کار از دو کنتور جداگانه برای محاسبه تولید و مصرف برق نیز استفاده نمایید. البته تمامی این فرآیند ها می بایست با مجوز وزارت نیرو و اطلاع رسانی به شرکت برق منطقه ای باشد.

ترانسفورمر (ترانسفورماتور) در سیستم برق خورشیدی

در مورد استفاده از ترانسفورمر (که در فارسی به اشتباه ترانسفورماتور ترجمه شده است) برای سیستم برق خورشیدی، باید توجه داشته باشیم که هدف استفاده از این دستگاه چیست؟
در سیستمهای برق خورشیدی جدا از شبکه، برق 220 ولت AC با فرکانس 50 هرتز و شکل موج سینوسی توسط اینورتر تولید می شود. برق تولید شده به این روش کاملاً مشابه برق شبکه بوده و قابلیت استفاده مشابه را نیز دارد ولی، دقت کنید که هرقدر توان مورد نیاز در اینورتر افزایش پیدا کند، شدت جریان برق DC گرفته شده از باتریها نیز افزایش خواهد یافت. در مورد سوال دوم، اگر میزان تولید برق توسط پنل خورشیدی  به اندازه ای باشد که جوابگوی مصرف (شارژر یا اینورتر) باشد می توان تنها به برق حاصل از پنلها اکتفا نمود ولی معمولاً به دلایل زیر این کار را انجام نمی دهیم:
1- فرض کنید شما به مدت 1 ساعت در طول روز نیاز به 1 کیلووات ساعت انرژی دارید. اگر بخواهیم این میزان انرژی را مستقیماً از پنلها دریافت کنیم باید میزان 1000 وات به اضافه افت سیستم و تلفات اینورتر و ... پنل خورشیدی نصب کنیم. هرچند این موضوع نیز تنها برای ساعات کوتاهی از روز که حداقل تابش 1000 وات بر متر مربع وجود داشته باشد صادق خواهد بود.
بجای این کار، اگر 6 ساعت تابش داشته باشیم، می توانیم با یک ششم پنل مورد نیاز در طول ساعات روز انرژی مورد نیاز را تامین و در باتری ذخیره کرده و در طول 1 ساعت استفاده کنیم.
2- در صورتی که مستقیماً از پنل خورشیدی برای تامین برق استفاده نماییم، با شدت و ضعف یافتن تابش خورشید، برق خروجی نیز تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. استفاده از باتری باعث وجود منبع یک نواخت و قابل اعتماد تری در سیستم خواهد شد.

تفاوت ولتاژ نامی و حداکثر ولتاژ در پنلهای خورشیدی

نکاتی که باید به آن توجه کنید عبارتند از: 1- تفاوت ولتاژ نامی و ولتاژ مدار باز در پنلهای خورشیدی. 2- محل تامین ولتاژ برای بارهای مصرفی باتری است نه پنل. در مورد پنل های خورشیدی، درصورتی که پنل به جایی متصل نباشد و با قراردادن آن در معرض تابش اقدام به اندازه گیری ولتاژ نمایید، مقدار ولتاژ نمایش داده شده به عنوان ولتاژ مدار باز یا Open Circuit Voltage و به اختصار VOC خواهد بود که عموماً بالاتر از ولتاژ نامی پنل است. به عنوان مثال حداکثر ولتاژ مدار باز پنل خورشیدی با ولتاژ نامی 12 ولت، ممکن است تا 21 یا 23 ولت نیز باشد که این عدد به منزله ولتاژ خروجی پنل خورشیدی نیست. معمولاً ولتاژ موثر در فرآیند شارژ با Vpm یا Voltage at Maximum Power یا ولتاژ در حداکثر توان نشان داده می شود که این مقدار نیز بیشتر از ولتاژ نامی پنل خواهد بود. توجه داشته باشید که پنل خورشیدی  مانند منابع جریان یا منابع ولتاژ، قادر به تامین یکنواخت انرژی الکتریکی در طول مدت عملکرد نیست. توان الکتریکی و به تبع آن ولتاژ و جریان حاصل از پنل خورشیدی از مقدار صفر هنگام طلوع تا مقدار توان نامی افزایش یافته و مجدداً به میزان صفر در هنگام غروب می رسد. این فرآیند بصورت منحنی ولتاژ و جریان در بروشور یا اطلاعات فنی مربوط به هر پنل توسط سازنده اعلام می شود.به همین دلیل الزاماً در تمام طول مدت شارژ، ولتاژ بالاتر از توان نامی از پنل خارج نمی شود و همچنین شارژ کنترلرها (MPPT یا PWM) نیز با توجه به ولتاژ نامی کارکردشان، از دامنه ولتاژ مورد نیاز خود در سمت ورودی از پنل خورشیدی استفاده می کنند. (نه از ولتاژ ثابت) در سیستمهای مبتنی بر ولتاژ 12، 24، 36، 48، 60 ولت یا بالاتر، از باتری استفاده می شود. در مورد باتری ها نیز ولتاژ مدارباز با ولتاژ تحت بار متفاوت است. به عنوان مثال باتری با ولتاژ نامی 12 ولت بصورت مدارباز 13.7 ولت را نشان خواهد داد. یا ممکن است اندازه گیری ولتاژ مدار باز عددی بالاتر از 12 ولت را برای باتری نشان دهد در صورتی که هنگام قرار گرفتن زیر بار ولتاژ به زیر 10.5 ولت افت پیدا کند. (که در این صورت باتری خراب شده است) هرچند ولتاژ حاصل از پنلهای خورشیدی در طول روز متفاوت است، ولی حاصل و عملکرد تولید این پنلها توسط شارژ کنترلر به باتری ها منتقل شده و در آنها ذخیره می شود. در واقع پنل خورشیدی به تنهایی فقط در طول ساعات یا شاید دقایقی خاص از کل شبانه روز قادر به تامین مستقیم ولتاژ و جریان مورد قبول برای مصرف کننده است و باتری یا بانک باتری وظیفه اصلی تامین انرژی الکتریکی در سیستمهای جدا از شبکه را به عهده دارند که همواره خروجی یکنواخت و قابل استفاده توسط مصرف کننده را ارایه می دهند.

محاسبه انرژی حاصل از تابش خورشید

میزان استحصال انرژی الکتریکی از انرژی خورشیدی توسط پنل خورشیدی ، در هر منطقه از جهان بسته به شدت تابش خورشید در آن منطقه متفاوت است. برای بدست آوردن جواب دقیق سوال خود باید میانگین شدت تابش خورشید در محل مورد نظر را بر حسب "کیلووات ساعت بر متر مربع در روز" اعلام نمایید. در حالت بسیار بهتر و دقیق تر، جدولی شامل 13 ردیف و 4 ستون ترسیم نمایید. در 12 خانه ستون اول نام ماههای سال را وارد کنید و در 3 ستون مقابل آنها به ترتیب کمترین، بیشترین و میانگین میزان تابش در آن ماه را یادداشت نمایید. پس از تکمیل جدول در ردیف آخر یا ردیف 13 می توان میانگین مینیمم، میانگین ماکزیمم و متوسط سالانه تابش در منطقه مورد نظر را بدست آورد که این حالت بهترین روش محاسبه میزان انرژی قابل دریافت از خورشید است. همچنین برای دریافت اطلاعات تابش خورشید می توانید به سازمان هواشناسی منطقه خود مراجعه نمایید یا از طریق سایتهای مربوط به اطلاعات آب و هوایی جهان، به آنها دسترسی یابید.
پس از گردآوری و اعلام نتایج فوق، با توجه به طول متغیر روز و مدت زمان تابش در هر ماه از سال، می توان محاسبات مورد نظر جنابعالی را انجام داد. برای رسیدن به نتیجه علمی تر و قابل استناد می توانید از نرم افزارهایی نظیر Polysun یا Homer نیز استفاده نمایید.