بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله، تأثیر شیب پنل های فتوولتاییک بر میزان انرژی الکتریکی تولید شده را در شرایط آب و هوایی شهر کرمان ارائه می دهد. در این تحقیق، انرژی الکتریکی تولید شده، هر مدول در زوایای شیب صفر، بهینه ی ماهیانه، بهینه فصلی و بهینه سالیانه با استفاده از یک مدل ریاضی و داده های هواشناسی اداره هواشناسی کرمان تعیین شدند. نتایج نشان می دهد، انرژی الکتریکی تولید شده در طول سال برای یک مدول با شیب ماهیانه از شیب فصلی و سالیانه بیشتر می باشد. همچنین ماکزیمم انرژی الکتریکی تولید شده سالانه مربوط به مدول مونو کریستال و کمترین انرژی الکتریکی تولید شده سالانه مربوط به مدول آمورف سیلیکون می باشد. انرژی الکتریکی تولید شده در شیب بهینه ی ماهیانه نسبت به سطح افق برای ماژول مونو کریستال سیلیکون % 16/9 افزیش یافته است و همچنین در شیب های بهینه ی فصلی و سالیانه افزایش این انرژی برای این ماژول به ترتیب %14/7 و %11/8 می باشد.
-1 مقدمه
انرژی خورشیدی یکی از در دسترس ترین منابع انرژی می باشد. زیرااساساً استفاده از انرژی خورشیدی مجانی و هیچ کشوری نیازمند هزینه کردن برای خرید این انرژی نمی باشد. جوامع بشری باید در دریافت این انرژی لایزال و از آن به بهترین شکل استفاده و بهره برداری نمایند. کشور ایران در بین مدارهای 25 تا 40 درجه عرض شمالی قرار گرفته و در منطقهای واقع شده است که به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در جهان در بالاترین ردهها قرار دارد. فتوولتائیک سیستمی است که قادر به تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریسیته میباشد. استفاده از سیستمهای فتوولتائیک به ما این قابلیت را میدهد که محیط زیست پاکیزهای داشته باشیم، چرا که سیستم تولید الکتریسیته فتوولتائیک اثرات جانبی بسیار ناچیزی بر طبیعت دارد و برخلاف سوختهای فسیلی که تجدید ناپذیر هستند و روزی به پایان میرسند، انرژی خورشیدی منبعی تجدید پذیر به شمار میآید و تا روزی که حیات در کره خاکی وجود دارد قابل استفاده و بهره برداری است. سلولهای فتوولتائیک از چندین لایه نازک سیلیکونی ساخته شدهاند. هنگام برخورد نور خورشید الکترونهای درون سلول جدا و با جذب نور، الکترونهای اتم سیلیکون منحرف میشوند و حفرههای مثبت را بر جای میگذارند. الکترونهای آزاد و حفرهها در حالت طبیعی در کنار هم قرار دارند. بنابراین برای تولید برق باید الکترونها و حفرهها از هم جدا شوند. این کار با تزریق بارهای مخالف به لایه های سلولی انجام می شود. در نتیجه الکترونها نمیتوانند به بار مثبت حفرهها برگردند. وقتی که اتصال الکتریکی خارجی صورت بگیرد الکترونهای آزاد در مدار به سمت حفرههای بار مثبت جاری میشوند که این باعث جریان الکتریکی میشود. در حال حاضر چندین تکنولوژی غالب در تولید سلول های فتوولتائیکی در سطح دنیا وجود دارد که شامل مونو کریستال، پلی کریستال و تکنولوژی لایه نازک - آمورف - می باشند. الفاظ مونو و پلی در واقع به ماهیت تک کریستالی یا چند کریستالی بودن سیلیکون به کار رفته در ساخت سلول اشاره دارند. تفاوت سلول های خورشیدی مونو کریستال و پلی کریستال در نوع سیلیکون - سیلیسیم - بکار رفته در ساخت آنهاست. سلولهای مونو کریستال با استفاده از یک کریستال بزرگ سیلیس - دی اکسید سیلیسیم - تولید می شوند در صورتی که برای ساخت سلولهای پلی کریستال از تجمع چندین کریستال سیلیس در یک سلول استفاده می شود. پنل های ساخته شده از سلولهای مونو کریستال به میزان بسیار جزئی دارای سطح کوچکتری نسبت به پنل های پلی کریستال مشابه خود هستند - بدلیل راندمان بالاتر - اما از طرف دیگر، بدلیل گرانتر بودن سیلیکون تک کریستال، قیمت آنها نیز کمی بیشتر است. روی هم رفته هزینه ی لازم برای استحصال برق از طریق فتوولتائیک با هر دو پنل مونوکریستال و پلی کریستال تقریبا برابر است. اصول عملکردی سلولهای آمورف مشابه سلولهای کریستالی می باشد با این تفاوت که راندمان آنها به مراتب کمتر است. به همینعلت، عموماً ابعاد یک پنل ساخته شده با تکنولوژی آمورف، در یک رنج توانی یکسان، بزرگتر از پنل های ساخته شده با سلولهای کریستالی می باشد. از جمله مزایای سلولهای لایه نازک - آمورف - ، انعطاف پذیری و نشکن بودن آنهاست. برای پنلهای ثابت در مقایسه با پنلهای ردیاب که بیشینه تشعشع خورشید را ردگیری می نمایند، جهت جنوبی در نیمکره شمالی، بهترین جهت به منظور جمع آوری تشعشعات خورشیدی در یک سطح قابل قبول است. در برخی مناطق بهتر است زاویه شیب تعیین شده در تمام طول سال ثابت باشد اما گاهی اوقات برای دستیابی به راندمان بیشتر، می توان زاویه شیب را چندین بار در طول سال تغییر داد. پیش از این تحقیقات گسترده ای در زمینه ی فتوولتائیک انجام شده است که به تعدادی از آنها اشاره خواهیم کرد. فراهت و همکاران [1] در سال 2009، بهینه سازی اگزرژیک یک مدول فتوولتائیک حرارتی را مورد مطالعه قراردادند. در این تحقیق، پارامترهایی همچون ابعاد کلکتور خورشیدی، قطر لوله ها، دبی جرمی، دمای ورودی و خروجی سیال و ضریب افت حرارت کلی به عنوان متغیر در نظر گرفته شدند. نتایج آنها دقت خیلی خوبی در مقایسه با داده های تجربی تحقیقات گذشته داشت. پاندی و همکاران [2] درسال 2010، در تحقیقی عملکرد کنترل شده ی دمای ماژول سیستم های فتوولتائیک یک ساختمان یکپارچه را در شرایط گرمسیری بررسی نمودند. نتایج انها نشان داد، در یک سرعت ثابت هوا مدول های سری شده عملکرد بهتری نسبت به مدول های موازی شده دارند. عبدل زاده و مهرابیان[3] در سال 2011، میزان تشعشع خورشیدی کل دریافتی روی یک سطح شیبدار رو به جنوب در کرمان را با استفاده از یک مدل ریاضی تخمین و زاویه ی بهینه ی ماهیانه، فصلی، سالانه را برای کلکتورهای خورشیدی در کرمان بدست آوردند و میزان افزایش انرژی دریافتی از خورشید، در مقایسه با مقادیر انرژی دریافتی بر روی سطح افق در طول یک سال به ترتیب با استفاده از زوایای بهینه ماهیانه، فصلی و سالانه به ترتیب %17، %15/9و %9/36 تعیین نمودند. ایکواردو و همکاران [4] در سال 2011، پتانسیل دریافت انرژی خورشیدی از طریق سقف منازل مسکونی را در اسپانیا مورد بررسی قرار دادند. آنها میزان انرژی دریافتی توسط سیستم های خورشیدی را در یک سطح منطقه ای معین بدست آوردند. نتایج انها نشان داد که سیستم فتوولتاییک با اتصال سری عملکرد بهتری نسبت به سیستم اتصال موازی دارد. تیواری و همکاران [5] درسال 2013، عملکرد اگزرژی اقتصادی، اقتصاد زیست محیطی و هزینه ی سرمایه گذاری شده صفحات مختلف فتوولتائیک را مورد بررسی قرار دادند.. نتایج انها نشان داد، مدولCdTe در مدل آزمایشگاهی حداکثر انرژی الکتریکی تولید شده و در مدل محاسباتی مدول A-Si/nc-Si حداکثر انرژی الکتریکی تولید شده را دارد. سورین و همکاران [6] درسال 2013، به تجزیه و تحلیل فتوولتائیک - PV - و سیستم های فتوولتائیک حرارتی - PV/T - با استفاده از روش اکسرژی پرداختند و ضریب پتانسیل اگزرژی، و راندمان اگزرژی را محاسبه کردند. نتایج نشان می دهد که در یک تشعشع و دمای ورودی ثابت با افزایش دمای محیط راندمان انرژی حرارتی افزایش و راندمان الکتریکی کاهش می یابد و در یک تشعشع و دمای ورودی ثابت با افزایش دمای محیط راندمان اگزرژی الکتریکی کاهش می یابد و راندمان اگزرژی حرارتی ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد. کیتنر و همکاران [7] در سال 2013، عمر سیستم های فتوولتائیک تک کریستالی و آمورف سیلیکون در چرخه زیست محیطی مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان می دهد که پنل های تک کریستال راندمان بهتری در تولید برق نسبت به پنل های آمورف دارند. و سیستم های فتوولتائیک آمورف از نظر زیست محیطی عملکرد بهتری نشان دادند. تیواری و همکاران [8] در سال 2014، آنالیز انرژی و اگزرژی اقتصادی و زیست محیطی روی صفحات مختلف شیبدار تحت زاویه ی 30 درجه پرداختند. تلفات انرژی و نرخ اتلاف انرژی را بدست آوردند. نتایج نشان می دهد که مدول های نیمه شفاف نسبت به مات نرخ اتلاف انرژی کمتری دارند. از نظر آنالیز زیست محیطی مدول های نیمه شفاف نسبت به مات مفیدتر هستند. ماتوری و همکاران [9] درسال 2014، یک مرور کلی بر روی دمای ماژول از انواع مختلف پرداختند. نتایج آنها نشان داد، انرژی حرارتی ماژول نیمه شفاف - شیشه -شیشه - بالاتر ماژول مات - شیشه- مات - است. در این مقاله، تأثیر شیب پنل های فتوولتاییک بر میزان انرژی الکتریکی تولید شده چند نوع مدول فتوولتائیک در شرایط آب و هوایی شهر کرمان مورد ارزیابی و کارایی انرژی خورشیدی جهت تولید الکتریسیته در شهر کرمان بررسی شد. مدول های مورد بررسی در این تحقیق شامل سه مدول مونوکریستال سیلیکون، پلی کریستال سیلیکون و آمورف هستند که کارایی آنها در تولید انرژی الکتریکی با استفاده از آنالیزهای فوق الذکر در شرایط آب و هوایی شهر کرمان مورد بررسی و مقایسه قرار گرفتند.
-2 معادلات حاکم و روش حل
در این بخش به بیان و بررسی معادلات استفاده شده در این تحقیق، پرداخته می شود. این معادلات برای مباحث مختلف به صورت جداگانه ارایه و مورد بررسی قرار می گیرند. نمای کلی از ساختمان مدول فتوولتاییک مورد مطالعه در شکل 1 نمایش و اجزای مختلف آن مشخص گردیده است.
شکل1 :ساختمان پنل خورشیدی مورد مطالعه و لایه های مختلف آن
این مدول از چهار لایه شامل شیشه - بالا - ، EVA، سلول خورشیدی - سیلیکون - و شیشه - پایین - تشکیل شده است. مشخصات کامل لایه ها برای هر مدول در بخش 3 ارایه شده است.
2؛-1 آنالیز انرژی
برای بدست آوردن میزان انرژی دریافتی ساعتی جهت محاسبه ی توان خروجی صفحات فتوولتاییک، از مدل ایزوتروپیک لیو و جردن[10] در این تحقیق استفاده شده است. با استفاده از این مدل کل شار تشعشعی ساعتی رسیده به یک سطح شیبدار شامل سه بخش مستقیم پخشی و بازتاب شده پیش بینی می شود. در این مدل، تشعشع ساعتی روی سطح شیب دار از رابطه 1 بدست می آید .
