بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مشکلات اصلی که جامعه ی بشری با آن رو به رو است بحران انرژی است، از یک سو نیاز به استفاده از انرژی روزبه روز بیشتر می شود و از سوی دیگر منابع تولید آن که اغلب سوخت های فسیلی است محدودیت دارند و در آینده ای نه چندان دور به پایان می رسند. در این بین نقش انرژی الکتریکی در مصرف سوخت های فسیلی بسیار پررنگ است لذا روی آوردن به استفاده از انرژی های نو و تجدید پذیر می تواند راه حل بسیار مناسب و معقولی برای کاهش مصرف سوخت های فسیلی وکاهش آلودگی های زیست محیطی باشد.
خورشید به عنوان یک منبع عظیم انرژی به صورت رایگان و نامحدود در اختیار ما قرار داده شده است که می توان بسیاری از نیازهای جهان را از حیث انرژی برطرف کند. یکی از کاربردهای انرژی خورشیدی، استفاده از آن به طور مستقیم یا غیر مستقیم برای تولید الکتریسیته می باشد، در این مقاله به معرفی تولید مستقیم برق از خورشید توسط سیستم فتوولتائیک، بررسی میدانی کشور ایران از حیث میزان جذب نور خورشید و امکان سنجی استفاده سیستم های فتوولتائیک و در پایان به تحلیل نحوه ی استفاده ی حداکثری از توان سیستم های فتوولتائیک و تحلیل آن توسط نرم افزار MATLAB می پردازیم .
مقدمه
یکی از گزینه های بسیار مناسب برای تأمین انرژی الکتریکی مورد نیاز بشر استفاده از سیستم های فتوولتائیک است که توسط صفحات خورشیدی انرژی نورانی خورشید را مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این سیستم به دلیل رایگان و نامحدود بودن انرژی خورشیدی، هزینه های پائین نگهداری، سهولت در نصب، عمر زیاد به دلیل عدم استفاده از قسمت های متحرک، عدم آلودگی هوا و امکان طراحی و ساخت از توان های بسیار کم تا بسیار زیاد می تواند به منبعی مناسب برای تولید برق تبدیل شود . مسئله ی مهم این است که بتوان با طراحی مناسب هزینه های اولیه ی ساخت آن را پائیین آورد زیرا یکی از مهمترین عیوب سیستم فتوولتائیک هزینه های اولیه ی زیاد می باشد .
البته عیب های مهم دیگری چون در دسترس نبودن انرژی خورشیدی در شب و نیاز به ذخیره سازهای انرژی، تاثیر دمای محیط و زاویه ی تابش خورشید، کاهش تولید توان به دلیل ایجاد سایه را می توان نیز نام برد. تاریخچه ی استفاده از انرژی خورشیدی بسار طولانی است ولی داستان استفاده ی ارشمیدس دانشمند یونانی از انرژی بازتابش خورشید برای آتش زدن کشتی دشمنان در قرن دوم پیش از میلاد بسیار معروف است.
اما استفاده ی الکتریکی از خورشید به سال 1954 میلادی بر میگردد که سه دانشمند آمریکایی اولین سلول خورشیدی را ساختند و پس از آن طراحی،ساخت و استفاده از سلول های خورشیدی به سرعت افزایش یافت. همانطور که بیان شد مهمترین مشکلات استفاده از این سیستم ها هزینه های بالای راه اندازی و عدم استفاده ی حداکثری از ظرفیت آن است که باید حل شود. در ادامه ی مقاله به تحلیل عملی و نرم افزاری نحوه ی بالا بردن استفاده از حداکثر توان پنل های فتوولتائیک می پردازیم.
- 1 پتانسیل یابی کشور ایران برای استفاده از سیستم فتوولتائیک
کشور ایران در بین مدارهای 25 تا 40 درجه عرض شمالی قرار گرفته است و در منطقه ای واقع شده است که به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در بین نقاط جهان در بالاترین رده ها قرار دارد. در ایران حدود 300روز در سال هوا کاملاً آفتابی است که این عدد در بسیاری از استان ها بیشتر است. متوسط تابش در ایران 4/5 تا 5/5 کیلووات ساعت بر متر مربع است که بیشتر از میانگین جهانی می باشد. با مطالعات انجام شده توسط DLR آلمان، در مساحتی بیش از 2000 کیلومترمربع، امکان نصب بیش از 60000 MW نیروگاه حرارتی خورشیدی وجود دارد.
اگر مساحتی معادل 100×100 کیلومترمربع زمین را به ساخت نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک اختصاص دهیم، برق تولیدی آن معادل کل تولید برق کشور در سال 1389 خواهد بود. موجب جاری شدن جریان بین آنها میشود. از آنجا که سلولهای PV کوچک، شکننده بوده و تنها مقدار کمی برق تولید میکنند آنها را به صورت مدول شکل میدهند. مدو لها در اندازههای متنوع عرضه میگردند ولی برای سهولت جابجایی ابعاد آنها به ندرت از 90 سانتیمتر عرض در 150 سانتیمتر طول تجاوز میکند.
پتانسیل تابش خورشید در ایران
ابرناکی در شرایط جوی و آب و هوایی به مقدار ابر موجود در آسمان میگویند. به عبارتی به میزان پوشیدگی ابرها در آسمان ابرناکی میگویند. بدیهی است هرچه تعداد روزهایی که ابر در آسمان کمتر است بیشتر باشد، نشان دهنده ی پتانسیل بالاتر آن منطقه از لحاظ دریافت انرژی الکتریکی است که در نقشه زیر این مناطق از کشور مشخص شده است.
- 2 ساختار سیستم های فتوولتائیک
قسمت اصلی سیستم های فتوولتائیک، سلول های خورشیدی هستند که از لایه های نازک از جنس سیلیکون ساخته می شود که بر اساس نظریه ی انیشتن وقتی که یک کوانتوم انرژی نوری یعنی یک فوتون در یک ماده نفوذ می کند، این احتمال وجود دارد که به وسیله ی الکترون جذب شود و الکترون انتقال پیدا کند. انیشتن به مناسبت توضیح این پدیده در سال 1921 میلادی جایزه ی نوبل را دریافت کرد.
هر سلول فتوولتائیک از نیمه هادی های نوع N و P تشکیل می شود وقتی نور خورشید به آن میتابد، به الکترونها در آن انرژی بیشتری میبخشد. با تابش نور خورشید الکترونها در نیمه هادی پلاریزه شده، الکترونهای منفی در سیلیکون نوع N و یونهای مثبت در سلیکون نوع P بوجود میآیند. بدین ترتیب بین دوالکترود، اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر برای بدست آوردن ولتاژ و جریان مورد نظر سلولها را با آرایشهای مختلف به هم متصل کرده و بصورت ماژول در میآورند.ماژولها روی یک صفحه یا قاب فلزی - معمولاً آلومینیومی - نصب شده و پنل یا صفحه فتوولتائیک را تشکیل میدهند.
مدار معادل سلول فتوولتائیک
با توجه به شکل فوق این مدل دارای یک منبع جریان وابسته است که میزان جریان آن با تغییرات دما و شدت تابش تغییر میکند.دیود به کار رفته به منظور مدل کردن پیوند p-n است.Rs مدل کننده مقاومت محل اتصال پایه فلزی با نیمه هادی،مقاومت بین لایه p وn ، مقاومت لایه n با شبکه فلزی نازک روی آن و مقاومت شبکه فلزی است.همچنین Rp مدل کننده جریان نشتی موجود در پیوند p-n است که بسته به روش ساخت - منو کریستال،پلی کریستال و ... - متفاوت میباشد.
مدار معادل ساده سلول خورشیدی
دیود موجود در این شکل معادل اتصال p-n سلول و منبع جریان وابسته به شدت تابش نور خورشید میباشد.مقاومت قابل تنظیم متصل شده به سلول خورشیدی به عنوان بار مصرفی است.جریان خروجی سلول طبق رابطهی زیر بدست میآید. - 1 - 2 اینورتر ولتاژ اگر انرژی تولیدی مبدل فتوولتائیک به شبکهی قدرت تزریق شود،لازم است که ولتاژ خروجی DC تولید شدهی مبدل توسط یک مدار الکترونیکی به ولتاژ متناوب تبدیل شود.که بسته به نوع کاربرد میتواند تکفاز یا سه فاز باشد . مدار الکترونیکی مورد استفاده در تبدیل ولتاژ DC به AC اینورتر نامیده میشود . ولتاژ DC ورودی به اینورتر در یک نیروگاه فتوولتائیک میتواند از خروجی آرایههای خورشیدی و یا خروجی باتری بوجود آمده باشد.
معادل سمبلیک اینورتر
در اغلب موارد، علاوه بر کنترل ولتاژ خروجی اینورتر، کنترل فرکانس خروجی آن نیز مورد نظر میباشد.اگر منبع DC ورودی اینورتر یک منبع قابل کنترل باشد در این صورت تنها استفاده از یک اینورتر با ضریب تبدیل ثابت جهت کنترل سیستم AC کافی خواهد بود.ولی در صورتی که منبع DC ورودی کنترل نشده باشد - آرایه - PV باید جهت کنترل آن از تنظیم کنندههای پهنای پالس - کانورترهای DC به - DC ولتاژ که قبلتر توضیح داده شدند استفاده نمود. به طور کلی شکل موج خروجی اینورترها یک شکل موج غیر سینوسی میباشد که در اغلب موارد هارمونیهای ولتاژ ناشی از آن بر روی عملکرد سیستمهای AC تأثیر نامطلوبی میگذارد.تأثیر این هارمونیها را میتوان به قیمت استفاده از مدارهای اینورتر پیچیدهتر تا حد زیادی کاهش داد که البته از نظر اقتصادی میبایست میزان کاهش تأثیر هارمونیها مورد بررسی قرار گیرد.
کانورتر DC/DC به عنوان رابط بین منبع و بار
وظیفهی کانورتر نگه داشتن نقطهی کار مبدل pv در یک نقطهی یا نزدیکی نقطهی توان ماکزیموم - - MPP تحت تمامی شرایط عملی مختلف - تغییرات تابش نور خورشید،تغییرات دما،مشخصه بار و غیره - میباشد.انتقال ضروری از یک بار اهمی به یک مقاومت تعدیل مطلوب - برای رسیدن به - MPP،بدست خواهد آمد. کانورتر DC/DC ولتاژ خروجی را رگوله نمیکند بلکه به بیان دقیقتر ولتاژ ورودی را به یک ولتاژ ثابت میرساند توسط رگولاتورMPP .ولتاژ خروجی حاصل بصورت اتوماتیک از برابری ورودی و خروجی حاصل میشود،اگر تلفات داخلی کانورتر ناچیز باشد.در مرحلهی اول کار مبدل DC/DC را بدون مدار واسط شرح میدهیم. کانورترهای DC/DC امکان تبدیل جریان مستقیم با یک ولتاژ معین به جریان مستقیم با ولتاژ دیگر - بیشتر قابل تنظیم - یا حتی تغییر پلاریته ی ولتاژ را فراهم میکنند.
- 3 - 2 واحد ذخیره سازی انرژی الکتریکی به خاطر وجود تغییر در میزان شدت تابش پرتوهای خورشیدی در طول روز و در فصول مختلف،یک باتری به منظور ذخیره کردن انرژی الکتریکی تولیدی توسط آرایههای فتوولتائیک و به عنوان یک عامل واسط بین آرایههای خورشیدی و مصرف کنندهی انرژی الکتریکی برای بهره وری بیشتر مورد نیاز میباشد.یک سیستم فتوولتائیک خورشیدی در طول روز که تابش خورشید وجود دارد انرژی خورشیدی را به الکتریکی تبدیل میکند ولی زمانی که انرژی خورشیدی در حد ماکزیمم خود است به ندرت اتفاق میافتد که دقیقاً منطبق با لحظهی ماکزیمم مصرف باشد.
