بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر برای کاهش وابستگی کشور به سوختهای فسیلی و کاهش انتشار گازهای گلخانهای مورد نیاز است. سیستمهای فتوولتاییک میتواند یک گزینه برای استفاده از انرژی-های تجدیدپذیر باشد. سیستمهای فتوولتاییک متمرکزکننده یکی از جدیدترین فناوریهای فتوولتاییک است که راندمان سلولی بالایی دارد.
در این مطالعه یک مدل نظری از سیستم فتوولتاییک متمرکزکننده برای محاسبه میزان انرژی تولیدی ساعتی، روزانه، ماهیانه و سالیانه برای چند شهر کرمان ارائه شده است و تاثیر تغییر ضریب تمرکز و تغییر تعداد سلولهای هر ماژول بر توان تولیدی نیز برای شهر ماهان به عنوان شهر نمونه انجام شده است. در ابتدا می بایست اندازه سیستم و اجزای سیستم را انتخاب کرد که در این مطالعه از اپتیک انکساری فرنل و سلولهای سه-گانهInGaP/InGas/Ge با ردیاب دو محوره برای بدست-آوردن یک سیستم با تمرکز بالا، استفاده شده است و نتایج آن ارائه خواهد شد.
.1 مقدمه
با توجه به رشد روز افزون مصرف انرژی و گسترش صنایع انرژی بر که با کاهش منابع انرژی های فسیلی همراه شده است، لزوم استفاده از منابع جدید و تجدیدپذیر بیش از بیش روشن می شود. در حال حاضر تأمین قسمتی از این انرژی از انرژی خورشید به عنوان راه حلی مطمئن و همسو با ملاحظات زیست محیطی مد نظر بسیاری از دولت ها در سراسر جهان قرار گرفته است.
خورشید بزرگترین و اصلیترین منبع تولید و تأمین انرژی در جهان می باشد ولیکن در گذشته وجود موانعی از جمله - عدم درک اهمیت موضوع در نهادهای سیاست گذار، ضعف علمی و تکنیکی به علت کمبود دانش و تجربه میدانی، گستردگی و متناوب بودن مقدار انرژی به دلیل تغییرات جوی و فصول سال و زوایای تابش - موجب گردیده تا در بسیاری از نقاط جهان استفاده کمی از این انرژی صورت گیرد. بسیاری از کشورها در سرتاسر جهان برای جایگزینی سوختهای فسیلی از انرژیهای تجدیدپذیر و علی الخصوص سیستمهای فتوولتاییک به عنوان یک جایگزین مناسب استفاده میکنند.
راههای متعددی برای تولید برق از انرژی خورشیدی وجود دارد که به طور گسترده از فتوولتاییک صفحه تخت استفاده میشود، دیگر روشها مانند سیستم های فتوولتاییک متمرکزکننده در حال توسعه و پیشرفت هستند.
یکی از مزیتهای فتوولتاییک متمرکزکننده نسبت به فتوولتاییک صفحه تخت استفاده کمتر از مواد برای ساخت سلول فتوولتاییک است که همین امر باعث ارزانتر شدن قیمت ماژولهای متمرکزکننده نسبت صفحه تخت میباشد. به عبارت دیگر این سیستمها می-توانند با متمرکز کردن نور خورشید بر روی سلولهای کوچکی که از چند لایه تشکیل شدهاند، هزینه را کاهش دهند . لایههای مختلف سلولها نور با طول موجهای مختلف را جذب میکنند و باعث میشود تا کارایی سلول فتوولتاییک متمرکزکننده از فتوولتاییک صفحه تخت بیشتر شود.
بازدهی سلولهای چندگانه میتواند بیشتر از 40درصد باشد[3]، این سلولها به طور معمول اتلافات حرارتی کمتری در مقایسه با سلولهای معمول دارند به طوری که در سلولهای چندگانه این اتلافات برابر-0.15 %/◦C تا -0.24 %/◦Cو برای سلولهای معمولی -0.50 %/◦Cمیباشد که این عامل باعث میشود تا در دماهای بالا سیستم فتوولتاییک متمرکزکننده عملکرد بهتری نسبت به فتوولتاییک صفحه تخت داشته باشد. در حالت کلی بازدهی سلولهای فتوولتاییک با افزایش دمای سلول، کاهش می یابد که این کاهش در سیستم های فتوولتاییک صفحه تخت با سرعت بیشتری نسبت به فتوولتاییک متمرکزکننده رخ میدهد.
متمرکزکننده هایی که برای متمرکزکردن نور خورشید بر روی سلول استفاده میشوند میتوانند تابش خورشید را تا بیش از500 برابر سطح تابش نرمال متمرکز کنند. شکل 1 یک متمرکزکننده انعکاسی که از دو آینه برای متمرکزکردن نور خورشید بر روی سلولهای چندگانه بهره می برد را نشان میدهد.
شکل :1 متمرکزکننده انعکاسی
.2 توصیف سیستم فتوولتاییک متمرکزکننده
.2.1 انواع سیستمهای فتوولتاییک با متمرکزکننده
سیستمهای متمرکزکننده به سه دسته تقسیم میشوند. سیستمهای با تمرکز بالا، سیستمهای با تمرکز متوسط و سیستمهای با تمرکز پایین.
سیستمهای با تمرکز بالا به ردیاب دو محوره با دقت بالا نیاز دارند - تلرانس کمتر از 0,2درجه - انواع سیستمهای با تمرکز بالا شامل متمرکزکنندههای دیش سهموی و متمرکزکنندههای فرنل می باشند.[5] سیستم های با تمرکز متوسط دارای ضریب تمرکز بیشتر از10 و کمتر از100 می باشند و به طور کلی به دو قسمت تقسیم میشوند؛متمرکز کنندههای سهموی خطی و آنهایی که از آینه های فرنل استفاده میکنند.[5] سیستمهای با تمرکز پایین که ضریب تمرکز کمتر از10دارند و معمولا ساکن میباشند و نیازی به ردیاب خورشید ندارند سیستمهای فلوروسنت و هلوگرافیک در این دسته قرار دارند
.2.2 انواع اپتیک های متمرکزکننده
در سیستمهای متمرکزکننده معمولا از دو نوع اپتیک استفاده می-شود:انکساری و انعکاسی
اپتیکهای انکساری ارزان تر از انعکاسی هستند اما عملکرد پایینتری را عمدتاً به دلیل انحراف پرتو دارا میباشند. مقادیر معمول برای بازدهی انکساری فرنل حدود 80درصد و برای انعکاسی حدود 90 درصد می-باشد.[8] در حالت کلی اپتیکهای انعکاسی نیاز به دقت بیشتری در پردازش تصویر در آینه دارند و بالطبع هزینههای بالاتری دارند.
.2.3 انواع پیکربندیهای متمرکز کننده
پیکربندیهای سیستمهای متمرکزکننده معمولا به سه دسته تقسیم می-شوند:تمرکز نقطهای، تمرکز خطی، آرایههای متراکم.
در سیستمهای تمرکز نقطهای، هر لنز یا آینه نور خورشید را فقط روی یک سلول متمرکز میکند. در این مدل از لنزهای با مواد اکریلیک که ضریب عبور 0,8تا0,95دارند، استفاده میشود.
در سیستمهای تمرکز خطی، نور خورشید معمولاً بر روی یک خط که سلولهای خورشیدی روی آن قرار دارند متمرکز میشوند. این سیستمها از اپتیک انکساری و انعکاسی بر اساس متمرکزکننده-های سهموی استفاده میکنند.
در سیستمهای آرایه متراکم، از اپتیک انعکاسی استفاده میشود که تابش خورشید روی یک سری از سلولها که در کنار هم قرار گرفتهاند متمرکز میشود. معمولاً از سلولهای چندگانه و ردیاب دو محوره نیز در این سیستمها استفاده میشود. سیستم ردیاب دو محوره افزایش تابش را تا 36 درصد بهبود می بخشد که برای استحصال برق در دماهای بالا مناسب است.
.3 مدل سازی سیستم فتوولتاییک متمرکزکننده
سیستم فتوولتاییک متمرکز کننده که در بالا توضیح داده شد نیاز به تعریف متغیرهای داخلی و خارجی دارد.منظور از متغیرهای خارجی ، متغیرهای غیرقابل کنترل شامل: تابش خورشیدی،شرایط جوی، دمای محیط و ... می باشد و منظور از متغیرهای داخلی، متغیرهای قابل کنترل شامل: نوع اپتیک، اندازه سلول، ضریب تمرکز و... می باشد.
مدلسازی سیستم فتوولتاییک متمرکزکننده توسط نرم افزار MATLAB انجام شده است و مطابق گامهای زیر خواهد بود.
گام اول مربوط به واردکردن دادهها مثل: اپتیک،سایز سلول، موقعیت جغرافیایی و... میباشد.
گام دوم مربوط به متغیرهای اصلی سیستم مثل: دمای سلول، بازدهی سلول و... میباشد.
و در نهایت نتایج مدلسازی مثل: انرژی الکتریکی، بازدهی ماژول و ...محاسبه میشود.
.3.1 داده های ورودی مدل
در ابتدا مهم است که سیستم را در کدام منطقه میخواهیم نصب کنیم، طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا برای شهر کرمان در مدل قرار داده شده است. علاوه بر این برای محاسیه تابش مستقیم نرمال ،متوسط پوشش ابر نیز در نظر گرفته شده است و دادههای دیگر که نوع اپتیک، تعداد سلول و اندازه سلول میباشد نیز وارد میشود..
.3.2 تابش مستقیم نرمال
برای محاسبه تابش مستقیم نرمال ضروری است که تمام زاویههای خورشیدی را محاسبه کنیم.[17] لازم است که جرم توده هوا و تابش مستقیم نرمال را بر روی سطح محاسبه کنیم.[10,11] علاوه بر این لازم است که شرایط آب و هوایی را نیز در نظر بگیریم. برای محاسبه جرم توده هوا از فرمول زیر استفاده میکنیم:
در فرمول بالا θz نشانگر زاویه بین پرتو خورشید و عمود بر سطح است.
پس از محاسبه توده هوا با استفاده از فرمول زیر می توان تابش مستقیم را محاسبه کرد
در فرمول بالا h نشانگر ارتفاع مرجع بر حسب کیلومتر و a ثابت برابر با 0,14 بیان شده است و ثابت خورشیدی برابر با1353وات بر مترمربع میباشد .
مقدار واقعی تابش مستقیم با یک فاکتور پوشش ابر - - قابل محاسبه است که در فرمول زیر آورده شده است
