تعریف پنل خورشیدی سولار

پنل خورشیدی سولار به عنوان کلیدی برای ورود به دنیای انرژی‌ طبیعی و نامیرا شناخته می‌شود. با انتشار خبرهایی درمورد فرسودگی نیروگاه‌ها، افزایش روزافزون نیاز به برق و ناتوانی دولت در تأمین برق مصرفی، احتمال افزایش قیمت برق روز به روز بیشتر می‌شود. از سوی دیگر هر ساله در فصل تابستان با موج گسترده‌ای از قطعی برق مواجه هستیم که می‌تواند برای وسایل برقی بسیار آسیب‌زا باشد.

همچنین تجربه نشان داده است که در بسیاری از باغ‌ها، مزارع و ویلاهای خارج از شهر که به برق شبکه اتصال ندارند، کابل‌کشی و وصل شدن به برق شبکه هزینه بسیار زیادی دارد. از سوی دیگر حفاظت از کابل کشیده شده بسیار فرسایشی و طاقت‌فرسا است. در چنین شرایطی تولید برق در منزل بسیار محبوب شده است. پنل‌ خورشیدی سولار، محصولای است که برق مورد نیاز برای مصرف شخصی را از تابش خورشید تولید می‌کنند.

در چنین شرایطی انتخاب هوشمندانه محصولی که افراد را بی‌نیاز از برق شهری کنند، می‌تواند ما را از بحران‌های آتی حوزه برق حفظ کند. سولار یا پنل خورشیدی با تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی، قادر است تا برق مورد نیاز منازل مسکونی، سازمان‌ها و ادارات و همچنین صنایع تولیدی را تأمین کند.

سرگذشت پنل خورشیدی سولار

نقطه شروع داستان سولار مانند بسیاری از کشفیات دیگر بشر از نگاه کنجکاوانه الکساندر ادموند بکرل (Alexandre-Edmond Becquerel) گذاشته شد. بکرل فیزیک‌دان فرانسوی بود که متوجه افزایش ولتاژ باتری در مواجه با تابش آفتاب شد. در ادامه با تحقیقاتی که انجام شد، دانشمندان متوجه خواص الکتریکی سلنیوم در مواجه با تابش نور آفتاب شدند.

از ترکیب سلول‌های خورشیدی یک ماژول خورشیدی ساخته می‌شود. در ادامه با قرار گرفتن چند ماژول خورشیدی در کنار هم، پنل خورشیدی ساخته می‌شود. در ادامه نیز در نیروگاه‌های انرژی خورشیدی، چندین پنل در کنار هم قرار می‌گیرند که آرایه خورشیدی (Solar Array) نام دارد.

پنل سولار از مونتاژ سلول‌های خورشیدی ساخته می‌شود. صفحه‌های خورشیدی نیمه هادی بوده و به اسامی فئوولتائیک یا همان سولار شناخته می‌شوند. این پنل‌ها سلول‌های خورشیدی متنوعی دارند که شامل سلول‌های سیلیکونی، فسفری (تولید بار منفی) و لایه بور ( تولید بار مثبت) است.

سیستم خورشیدی آف گرید و آن گرید

سیستم خورشیدی آن‌گرید(On Grid)

این نیروگاه خورشیدی به سیستم برق شهری متصل است. در پنل آن گرید نیاز به باتری و ذخیره انرژی الکتریکی تولید شده نیست. از سوی دیگر هر آنچه از برقی که به وسیله پنل خورشیدی تولید می‌شود را می‌توان به وزارت نیرو با نرخ آزاد فروخت تا در شبکه برق محلی مورد استفاده قرار بگیرد.

در نتیجه به‌وسیله‌ی سیستم‌های خورشیدی آن گرید، شما می‌توانید از برق تولید شده توسط نیروگاه خورشیدی درآمدزایی کنید. از سوی دیگر با توجه به عدم نیاز سیستم آن گرید به بخشی از لوازم جانبی مورد استفاده در سیستم آف گرید ، هزینه نصب نیز در سیستم آن گرید پایین می‌آید.

اما از سوی دیگر استفاده از نیروگاه خورشیدی آن گرید شما را از خطر قطعی برق حفظ نمی‌کند. از آنجا که سیستم آن گرید تنها برای درآمدزایی مورد استفاده قرار گرفته و تمام برق تولید بر اساس قرارداد با وزارت نیرو باید عیناً به شکبه برق محلی تزریق شود. در حالیکه از سوی دیگر وجود پنل آف گرید این امکان را به شما می‌دهد تا به کلی نسبت به برق شهری بی‌نیاز شوید.

سیستم خورشیدی آف گرید(Off  Grid)

این دست از نیروگاه ها جدای از سیستم برق شهری مورد استفاده قرار گرفته و برای ویلاها، باغ‌ها، کارگاه‌ها، تابلوبرق‌ها و زمین‌های کشاورزی که به شبکه برق دسترسی ندارند، بسیار کاربردی هستند. همچنین در روزهایی از هفته که صنایع تولیدی از شبکه سراسری برق نمی‌توانند استفاده کنند، وجود نیروگاه خورشیدی آف گرید می‌تواند به عنوان نیروگاهی مستقل، برق مورد نظر آن‌ها را تأمین کند.

سیستم خورشیدی آف گرید نسبت به مدل آن گرید نیاز به تجهیزات بیشتری دارد. برای مثال، سیستم خورشیدی آف گرید دارای باتری، صفحه پنل، اینورتر، کنترل شارژر، سانورتر (ترکیب اینورتر و کنترل شارژر)، کابل پنل خورشیدی و دیگر محصولات است. در این میان وجود باتری خورشیدی در سیستم آف گرید بسیار ضروری بوده و منجر به ذخیره انرژی الکتریکی می‌شود. این انرژی به وسیله اینورتر تبدیل به جریان AC مناسب برای وسایل برقی منزل شده و با کابل و اتصالات به وسایل برقی متصل می‌شود. معمولاً باتری‌های مورد استفاده در نیروگاه خورشیدی آف گرید شامل باتری دیپ‌سایکل می‌شود.

پنل خورشیدی چگونه کار می‌کند؟

ساختار پنل خورشیدی

پنل‌های خورشیدی دارای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی یا سلول فتوولتاتییک (Photovoltaic) یا pv هستند. این سلول‌ها فوتون‌های حاصل از نور خورشید را جذب می‌کنند. سلول خورشیدی دارای بخش‌های متعددی است که شامل سطح ضد انعکاس، فلز رسانا، هادی با بار منفی، نیمه هادی کریستالی عموماً سیلیکونی و لایه‌ی بازتابنده می‌شود.

تولید انرژی الکتریکی

در ابتدا نور خورشید از شیشه ضد انعکاس وارد سلول خورشیدی شده و امکان خارج شدن ندارد، عدم خروج نور خورشید باعث می‌شود تا از تمام انرژی آن استفاده شود. در ادامه لایه‌های نیمه رسانای اغلب سیلیکونی بر رو و زیر سلول خورشیدی قرار می‌گیرند.

سلول خورشیدی شامل لایه منفی و مثبت است. لایه منفی از الکترون‌های بیشتری تشکیل شده است. از سوی دیگر لایه مثبت فضاهای خالی دارد تا الکترون‌ها در فضاهای خالی حرکت کنند. برق نیروی محرکه الکترون‌ها است تا از لایه منفی به مثبت منتقل شوند. در نتیجه برای تولید برق از پنل خورشیدی، نیاز به حرکت الکترون‌ها از لایه منفی به لایه مثبت بوده تا جریان برق ایجاد شود.

تأمین این انرژی بر عهده نور خورشید است. فوتون‌های موجود در آفتاب در تمام طول روز بر صفحه خورشیدی می‌تابند و انرژی لازم برای حرکت الکترون‌ها از لایه منفی به لایه مثبت تأمین می‌شود. به عبارت دیگر، انرژی فوتون‌ها باعث آزاد شدن الکترون آزاد یا خروج از مدار اتمی‌شان را می‌دهد و این الکترون‌های آزاد، از لایه منفی به لایه مثبت منتقل می‌شود.

الکترون‌ها برای حرکت نیاز به مسیری دارند که میدان الکتریکی نام دارد. الکترون‌های آزاد شده به وسیله میدان الکتریکی در جریان الکتریکی هدایت می‌شوند و الکتریسیته تولید شده قابل استفاده می‌شود. میدان الکتریکی از اتصال کانکتور به بخش مثبت و منفی لایه‌های موجود در سلول‌های خورشیدی ایجاد می‌شود. بطور خلاصه وجود بار مثبت و منفی در لایه‌های سلول خورشیدی باعث ایجاد میدان الکتریکی و در پی آن هدایت جریان الکتریکی می‌شود. روند جریان الکتریکی “اثر فوتوولتائیک” نام دارد. عبور الکترون‌های آزاد شده در مدار الکتریکی باعث تولید الکتریسیته می‌شود.

تبدیل جریان برق به برق مصرفی

برق تولید شده از پنل خورشیدی، جریان مستقیم یا DC است. جریان برق DC به معنای حرکت الکترون‌ها در مسیری واحد و اطراف یک مدار است. در جریان DC الکترون‌ها به شکلی هدایت می‌شوند تا از مسیر واحد خود منحرف نشوند.

از سوی دیگر جریان برق شهری، AC است؛ زیرا برق با جریان AC میزان اتلاف انرژی کمتری در فواصل طولانی دارد. در چنین شرایطی مسئله استفاده از برق DC حاصل از پنل خورشیدی در شبکه برق خانگی AC مطرح می‌شود.

دقیقاً نقش مبدل جریان برق با اینورتر مطرح می‌شود. اینورتر در قسمت انتهایی پنل‌های خورشیدی نصب می‌شوند. تعداد اینورترهای مورد نیاز برای پنل خورشیدی یا نیروگاه برق خورشیدی به میزان برق تولید شده بستگی دارد.

اگر پنل خورشیدی از نوع آف گرید باشد(یعنی به شبکه برق متصل نباشد)، کنترل کننده شارژ و معکوس کننده از بخش‌های بسیار مهم آن است. کنترل کننده شارژ، جریان مستقیم شارژ را به مخزن باتری منتقل می‌کند. در ادامه انرژی ذخیره شده از باتری وارد معکوس‌کننده می‌شود. معکوس‌کننده جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می‌کند.

جریان متناوب مخصوص وسایل برقی خاصی است که نیاز به برق با جریان متناوب برای فعالیت دارد. انرژی حاصل از پنل خورشیدی با توجه به معکوس‌کننده در وسایل برقی متفاوتی از جمله وسایل برقی مورد استفاده در خانه، دستگاه‌های صنایع تولیدی، دستگاه‌های ارتباطی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عبارت دیگر معکوس‌کننده با تعیین جریان متناوب برق، مشخص می‌کند که برق مورد نظر برای چه منظوری کاربرد دارد.

چه ملاک‌هایی را برای انتخاب مبدل یا اینورتر انتخاب کنیم؟

مبدل‌ها دارای دو نوع میکرواینورتر(Micro inverter)  و استرینگ اینورتر(String Inverter) است. اینکه کدام یک از مبدل‌ها برای شما مناسب است، به موضوعات متعددی وابسته است.

• هزینه

اینورتر‌های ریزمبدل تعداد خروجی‌های بیشتری دارند اما از سوی دیگر بطور میانگین از هزینه بیشتری نیز برخوردار هستند.

• محل نصب

اگر قسمتی از صفحه خورشیدی در مواجه با تابش نور آفتاب قرار نمی‌گیرد، باید توجه داشته باشیم که استفاده از اینورتر رشته‌ای انرژی حاصل نور خورشید را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.

دسته‌بندی اینورتر بر اساس نوع کارکرد

میکرواینورتر یا ریزمبدل(String Inverter)

میکرواینورتر همان‌طور که از اسمش نیز  برمی‌آید، قطعات الکترونیکی کوچکی هستند که زیر صفحه خورشیدی قرار می‌گیرند. یک میکرواینورتور توانایی تبدیل جریان برق خروجی از یک یا حداکثر دو پنل خورشیدی را دارد. در برخی از برندهای سولار دیده شده که میکرواینورتر یا ریزمبدل‌ها را با پنل خورشیدی ادغام می‌کنند. نتیجه ادغام این دو ماژول جریان متناوب یا AC Module نام دارد.

مبدل رشته‌ای یا استرینگ اینورتر(String Inverter)

مبدل رشته‌ای بر خلاف ریزمبدل‌ها، قادر است تا جریان برق تعداد بسیار بیشتری از صفحات خورشیدی را به جریان AC تبدیل کند. برای مثال مبدل رشته‌ای کوچکی که قادر است تا 3 کیلووات جریان را تبدیل کند، برای  10 تا 12 صفحه خورشیدی را پوشش می‌دهد.

یا از سوی دیگر مبدل رشته‌ای بزرگی که قادر است تا 5 مگاوات انرژی الکتریکی را تبدیل کند، امکان پوشش دادن 20000 صفحه خورشیدی را دارد.

استرینگ اینورتر از میکرواینورترها بزرگ‌تر بوده و قادر هستند تا برق ناشی از چندین پنل خورشیدی را برق متناوب تبدیل کنند.

تفاوت میان جریان AC و DC

استفاده از برق AC یا DC در میان دانشمندان با نظراتی متفاوتی همراه بود. نهایتاً جامعه جهانی در عصر حاضر با تسلا هم‌نظرتر هستند. در نتیجه امروزه اکثر لوازم برقی و الکتریکی از جریان برق AC استفاده می‌کنند. از سوی دیگر باتری‌ها و پنل‌های خورشیدی جریان برق DC تولید می‌کنند و تغییر جریان برق DC اهمیت پیدا کرده است.

جریان‌های AC و DC دارای یک تفاوت اصلی هستند، یکی این که در جریان DC الکترون‌ها تنها به یک طریق حرکت کرده و از الکترود منفی به مثبت منتقل می‌شوند. درواقع جریان DC جریانی مستقیم و پیوسته است.  به عبارت دیگر جهت جریان از در یک مسیر بوده و از قطب مثبت به سمت قطب منفی حرکت می‌کند. اما از سوی دیگر، حرکت الکترون‌ها در جریان متناوب یا Alternative Current (AC) به شکل خط صاف نیست.

بطور کلی تفاوت‌های دیگر موجود در دو جریان AC و DC در زیر آمده است:

تفاوت	جریان DC	جریان AC
میرایی انرژی در حرکت	نامناسب برای فواصل دور	مناسب برای فواصل دور
جهت جریان الکترون‌ها	مغناطیسی ثابت و در یک مسیر	آهنربایی سینوسی در یک مسیر
فرکانس	صفر	بین 50Hz تا 60Hz
جهت متغیر یا ثابت	در یک جهت	تغییر جهت
جریان	ثابت	متغیر
جریان برق	به طور مداوم و رو به جلو	مسیرها رو به جلو و عقب تغییر می‌کنند
منبع	پنل خورشیدی یا باطری	ژنراتور و نیروگاه
فاکتور قدرت	فقط 1	بین 0 تا 1
انواع	خالص و دارای ضربان	میدان سینوسی، ترافیکی، مثلثی و میدانی

مبدل سینوسی و مبدل شبه سینوسی

مبدل سینوسی

مبدل سینوسی دارای مدار الکتریکی قدرتمندی بوده و توانایی تبدیل جریان برق DC به AC را دارد. برای انتقال جریان به مصرف‌کننده هایی که دارای الکتروموتور یا سلف هستند مانند یخچال، پنکه، کولر از مبدل سینوسی استفاده می‌شود. اصلی‌ترین تفاوت اینورتور سینوسی با شبه‌سینوسی، به طول موج خروجی از آن برمی‌گردد. شکل موج برق سینوسی تولید شده موجی پیوسته، پایدار، با نوسانات دوره‌ای و منظم است. این مدل از موج در جریان برق آسیبی به وسایل برقی وارد نمی‌کند.

وسایلی که نیاز به اینورتور سینوسی دارند عبارت‌اند از:

• لوازمی که موتور AC دارند مانند یخچال و مایکروویو(حتما باید مبدل سینوسی باشد)
• برخی از تجهیزت پزشکی
• تجهیزات صنعتی

مبدل شبه سینوسی

اینورترهای شبه سینوسی یا پله‌ای مانند سینوسی قادر به تولید جریان متناوب نیستند اما در دو مرحله برق مستقیم DC را به برق قابل استفاده برای ابزار برقی که حساسیت کمتر الکتریکی داشته، نیاز به دقت یا قدرت بالا نداشته یا ابزار الکتریکی که دارای موتور نیستند، تبدیل می‌کند. در مرحله اول جریان برق مستقیم با ولتاژ پایین را به جریان برق مستقیم با ولتاژ بالاتر تبدیل کرده و در مرحله دوم به جریان برق شبه سینوسی تبدیل می‌کند. موج شبه سینوسی چیزی ما بین موج  سینوسی و موج مربعی است. استفاده از اینورتر شبه سینوسی به اندازه اینورتر سینوسی کم‌خطر نیست اما از آن سو، قیمت آن کمتر از اینورتر سینوسی است.

مواردی که برای ساخت نیروگاه خورشیدی خانگی باید به آن آگاه باشید چیست؟

• مقاومت سقف

وزن تمام اجزاء پکیج برق خورشیدی که شامل پنل‌های خورشیدی و سیستم‌های جانبی آن است، حدود 20 کیلوگرم بر مترمربع می‌شود. بنابراین استحکام سقف منزل باید به میزانی با ثبات باشد تا بتواند تحمل این وزن را داشته باشد.

• زاویه تابش خورشید

این سیستم زمانی با بیشترین بازدهی ممکن کار می‌کند که تابش خورشید بر روی آن با زاویه 35 درجه باشد. البته که انحرافات کوچک از آن، باعث کاهش بهره‌وری قابل توجهی نمی‌شوند. اگر این میزان انحراف زیر 20 درجه باشد، انرژی حاصله از تابش خورشید حداکثر تا 5 درصد کاهش پیدا می‌کند.

• هزینه سازه بسته به نوع سقف

• سقف‌های مسطح

با توجه به عدم وجود زاویه در سقف‌های مسطح، این سقف‌ها نیاز به سازه بیشتری برای نصب پنل داشته و هزینه سازه افزایش می‌یابد.

• سقف‌های شیروانی

استفاده از پنل خورشیدی بر روی شیروانی‌ها یا سقف‌های شیب‌داری که بیشتر در مناطق شمالی استفاده می‌شوند، کاملاً امکان‌پذیر بوده و حتی بهتر است. از سوی دیگر سقف شیروانی بطور پیش‌فرض دارای زاویه بوده و میزان سازه کمتری برای نصب پنل نیاز دارد. در نتیجه هزینه کمتری در پی خواهد داشت.

افتادن سایه بر روی پنل خورشیدی

در بعضی مواقع ساختمان‌های کناری، درخت‌ها و حتی تجهیزات کولر آبی یا ماهواره می‌تواند بر روی پنل خورشیدی سایه بیندازد. بطور کلی سایه بر روی میزان بازدهی پنل خورشیدی اثر بسیار قابل توجهی دارد.