فهرست
فهرست.....2
چکیده.......4
کلمات کلیدی....4
مقدمه........5
تعریف کلی سلول های خورشیدی........8
بلوک ساختمانی یک پنل خورشیدی.....8
تئوری سلول های خورشیدی.....10
کارایی سلول های خورشیدی.....11
فناوری های سیستم های حرارتی خورشیدی.......11
برخی مفاهیم اولیه در سیستم های حرارتی.12
کاربرد های حرارتی خورشید......15
کاربرد های غیر نیروگاهی حرارتی خورشید.15
آب گرمکن خورشیدی(Solar Water Heater) ........15
گرمایش و سرمایش ساختمان (Solar Heating & Cooling) ........16
آب شیرین کن خورشیدی(Solar desalinization) .17
خشک کن خورشیدی(Solar dryer) .18
اجاق خورشیدی(Solar cooker) 18
کوره خورشیدی(Solar Furnace) ....19
کاربرد های نیروگاهی حرارتی خورشید........20
نیروگاههای دریافت کننده مرکزی(CRS)........22
نیروگاههای بشقابک سهموی (Parabolic Dish).23
نیروگاههای دودکش خورشیدی (Solar Chimney)......24
نیروگاه کلکتورهای فرنل Fresnel Collector))..26
سیستمهای فتوولتائیک......26
کاربردها و چگونگی بکارگیری سیستم های فتوولتاییک.......29
روش های بکارگیری سیستم های فتوولتائیک....29
اهم کاربرد های سیستم های فتوولتائیک....30
نتیجه گیری.....33
مراجع......34
چکیده:
سلولهای خورشیدی عبارت از قطعات نیمرسانایی هستند که انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند.رسانندگی این مواد به طور کلی به دما ,روشنایی ,میدان مغناطیسی و مقدار دقیق ناخالصی موجود در نیم رسانا بستگی دارد.
از ویژگی های سلولهای خورشیدی میتوان به این موارد اشاره کرد:
جای زیادی اشغال نمی کنند .قسمت متحرک ندارند .بازده انها با تغییرات دمایی محیط تغییرات چندانی نمی کنند.نسبتا به سادگی نصب می شوند.به راحتی با سیستمهای به کار رفته در ساختمان جور می شوند.
همچنین از اشکالات سلولهای خوشیدی می توان به تولید وسایل فتوولتائیک که هزینه زیادی دارد و چگالی انرژی تابشی که بسیار کم است اشاره کرد که در فصول مختلف و ساعات متفاوت شبانه روز تغییر می کند که باید ذخیره شود و همین موضوع بسیار هزینه بر است.[1]
کلمات کلیدی:
سلول خورشیدی, نیمرسانا, دما, نور, حرارت, ولتاژ, فتوولتائیک, انرژی, الکتریسیته, برق,سهموی
مقدمه:
وابستگى شدید جوامع صنعتى به منابع انرژى ، بویژه سوختهاى نفتى و بکار گیرى و مصرف بى‌رویه آنها سبب شده ، این منابع که در قرنهاى متمادى در زیر لایه‌هاى زیرین زمین تشکیل شده ، تخلیه شود. انرژیهاى فسیلى مانند نفت و زغال سنگ پایان پذیر و تجدید ناپذیر هستند، اما انرژیهاى نو یا جانشین از جمله باد ، آب و خورشید چنین نیستند. خورشید یکى از منابع مهم تجدید ناپذیر انرژى است که به فناوریهاى پیشرفته و پرهزینه نیاز ندارد و مى‌تواند به عنوان یک منبع مفید و تأمین کننده انرژى در بیشتر نقاط جهان بکار گرفته شود. استفاده از این انرژى برخلاف انرژى هسته‌اى ، خطرى ندارد و براى کشورهاى فاقد منابع انرژى زیرزمینى ، مناسبترین راه براى دستیابى به نیرو و رشد و توسعه اقتصادى است. هم اکنون از انرژى خورشیدى بوسیله سیستمهاى مختلف و براى اهداف گوناگون استفاده و بهره گیرى مى‌شود که مهمترین آنها سیستمهاى فوتوبیولوژیک، شیمى خورشیدى (Helios Chemical) ، گرماى خورشیدى (Helios Thermal) ، برق خورشیدى (Helios Electrical) ، سیستمهاى فتوشیمیایى ، سیستمهاى فوتوولتاییک، سیستمهاى حرارتى و برودتى هستند.[2]
خورشید، گوی غول پیکر درخشانی در وسط منظومه شمسی و تامین کننده نور، گرما و انرژی های دیگر زمین است. تقریبا تمامی منابع انرژی روی زمین بوسیله خورشید تامین می گردد. فقط انرژی اتمی، انرژی داخل زمین و آن قسمتی از انرژی جذر و مد که بوسیله نیروی جاذبه ماه می باشد بوسیله خورشید تامین نمی شود.
انرژی خورشید به واسطه واکنش های ترکیبی اتمی در اعماق هسته آن تامین می شود. در یک واکنش ترکیبی دو هسته اتم با یکدیگر همراه شده و هسته ای جدید را به وجود می آورند. ترکیب هسته ای در مرکز خورشید به دلیل دما و تراکم فوق العاده زیاد می تواند صورت پذیرد. از آنجائیکه بار ذرات مثبت است، تمایل به دفع یکدیگر دارند اما دما و تراکم هسته خورشید به قدری زیاد است که می تواند آنها را در کنار یکدیگر نگاه دارد. رایج ترین ترکیب هسته ای در مرکز خورشید زنجیره پروتون-پروتون نام دارد. این فرایند زمانی انجام می گیرد که ساده ترین شکل از هسته های هیدروژن (دارای یک پروتون) در یک آن کنار هم قرار می گیرند. نخست، هسته ای متشکل از دو ذره به وجود می آید، سپس هسته ای با سه ذره و در نهایت هسته ای با چهار ذره شکل می گیرد. در این فرایند همچنین یک ذره الکتریکی خنثی به نام نوترینو پدیدار می گردد. هسته نهایی شامل دو پروتون و دو نوترون است که در واقع هسته هلیوم می باشد. جرم این هسته به مقدار بسیار اندکی کمتر از جرم چهار پروتونیست که هسته از آن تشکیل شده است. جرم از دست رفته به انرژی تبدیل شده است. این مقدار از انرژی به کمک فرمول مشهور فیزیکدان آلمانی، آلبرت انیشتین، E=mc2 قابل محاسبه است. در این معادله E به معنای انرژی، m به معنای جرم و c به معنای سرعت نور می باشد.
خورشید کره ای است که به طور کامل از گاز تشکیل شده و بخش بیشتر این گاز از نوعی می باشد که به نیروی مغناطیسی حساس است که دانشمندان به آن پلاسما می گویند.
شعاع خورشید (فاصله بین مرکز تا سطح آن) حدود 695.500 کیلومتر، تقریبا 109 برابر شعاع زمین است.
دمای سطح خورشید 5800 درجه کلوین و دمای هسته خورشید بیش از 15میلیون درجه کلوین می باشد.
جرم خورشید 99.8 درصد از جرم کل منظومه شمسی و 333.000 برابر جرم زمین است.
میانگین چگالی آن حدود 90 پوند در هر فوت مکعب و یا 1.4 گرم در هر سانتیمتر مکعب می باشد. این مقدار تقریبا معادل 1.4 برابر چگالی آب و کمتر از یک سوم میانگین چگالی زمین است.بیشتر اتمهای خورشید، مانند اغلب ستارگان، اتمهای عنصر شیمیایی هیدروژن می باشند. بعد از هیدروژن، عنصر هلیوم در خورشید بسیار یافت می شود و بقیه جرم خورشید از اتمهای هفت عنصر دیگر تشکیل شده است. به ازای هر 1 میلیون اتم هیدروژن در کل خورشید، 98.000 اتم هلیوم، 850 اتم اکسیژن، 360 اتم کربن، 120 اتم نئون، 110 اتم نیتروژن، 40 اتم منیزیوم، 35 اتم آهن و 35 اتم سیلیکون وجود دارد. بنابراین حدودا 94 درصد از اتمها، هیدروژن و حدود 0.1 درصد اتمهایی غیر از هیدروژن و هلیوم می باشند. و اما از لحاظ جرمی هیدروژن که سبک ترین عنصر است 73.46 درصد، هلیوم 24.85 درصد، اکسیژن 0.77 درصد، کربن 0.29 درصد، آهن 0.16 درصد، گوگرد0.12 درصد، نئون 0.12 درصد، نیتروژن 0.09 درصد، سیلیکون 0.07 درصد و منیزیوم 0.05 درصد از کل جرم خورشید را به خود اختصاص داده اند.
طبق برآوردهای علمی در حدود 4.5 بیلیون سال از تولد این گوی آتشین می گذرد و تا 5 میلیارد سال آینده همچنان می توان آن را به عنوان یک منبع عظیم انرژی به حساب آورد.
در هر ثانیه تقریباٌ 1/1 در 10 به توان 20 کیلووات ساعت انرژی از خورشید ساطع می شود.
تنها یک دو میلیاردم این انرژی به سطح بیرونی جو زمین برخورد می کند.
این انرژی معادل 1/5 در 10 به توان 18 کیلووات ساعت در سال است.
بدلیل بازتاب، تفرق و جذب توسط گازها و ذرات معلق در جو تنها 47% از این انرژی به سطح زمین می رسد.
بدین ترتیب انرژی تابیده شده به سطح زمین سالانه حدوداً معادل 7 در 10 به توان 17 کیلووات ساعت است.[3]
انرژی خورشیدی یکی از منابع انرژیهای تجدیدپذیر و از مهمترین آنها می باشد. میزان تابش انری خورشیدی در نقاط مختلف جهان متغیر بوده و در کمربند خورشیدی زمین بیشترین مقدار را داراست. کشور ایران نیز در نواحی پرتابش واقع است و مطالعات نشان می دهد که استفاده از تجهیزات خورشیدی در ایران مناسب بوده و میتواند بخشی از انرژی مورد نیاز کشور را تأمین نماید. ایران کشوری است که به گفته متخصصان این فن با وجود 300 روز آفتابی در بیش از دو سوم آن و متوسط تابش 5.5 – 4.5 کیلووات ساعت بر متر مربع در روز یکی از کشورهای با پتانسیل بالا در زمینه انرژی خورشیدی معرفی شده است. برخی از کارشناسان انرژی خورشیدی گام را فراتر نهاده و در حالتی آرمانی ادعا میکنند که ایران در صورت تجهیز مساحت بیابانی خود به سامانه‌های دریافت انرژی تابشی میتواند انرژی مورد نیاز بخش‌های گسترده‌ای از منطقه را نیز تأمین و در زمینه صدور انرژی برق فعال شود.با مطالعات انجام شده توسط DLR آلمان، در مساحتی بیش از 2000 کیلومترمربع، امکان نصب بیش از MW 60000 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.[4]
تعریف کلی سلولهای خورشیدی:
سلول خورشیدی(photoelectric cell , photovoltaic cell , solar cell) یک قطعه الکترونیکی حالت جامد است که انرژی نور خورشید را مستقیما توسط اثر فتوولتائیک به الکتریسیته تبدیل میکند. سلولهای خورشیدی ساخته شده از ویفر سیلیکون، کاربرد بسیاری دارند. سلولهای تکی برای فراهم کردن توان لازم دستگاه‌های کوچکتر مانند ماشین حساب الکترونیکی به کار می‌روند. آرایه‌های فوتوولتاییک الکتریسیته بازیافت‌شدنی را تولید میکنند که عمدتاً در موارد عدم وجود سیستم انتقال و توزیع الکتریکی کاربرد دارد. برای مثال میتوان به محلهای دور از دسترس، ماهواره‌های مدارگرد، کاوشگرهای فضایی و ساختمان‌های مخابراتی دور از دسترس اشاره کرد. علاوه بر این استفاده از این نوع انرژی امروزه در محل‌هایی که شبکه توزیع هم موجود است، مرسوم شده‌است.[5]
در مقابل سلولهای خورشیدی، کلکتورهای گرمایی خورشیدی، با جمع‌آوری نور خورشید حرارت را جذب میکنند و از آن برای تولید غیر مستقیم برق و یا گرمایش مستقیم استفاده میکنند. از طرف دیگر، سلولهای فتوالکترولیتیک (photoelectrolytic cell) یا سلولهای فتوالکتروشیمیایی (photoelectrochemical cell) نوعی سلول فتو ولتاییک یا وسیله‌ای هستند که با استفاده از نور خورشید، آب را مستقیما به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میکنند.
بلوک ساختمانی یک پنل خورشیدی
از ساختار سلولهای خورشیدی برای ساختن ماژول‌های خورشیدی استفاده و از نور خورشید برق تولید میکنند. سلولهای مختلف یک گروه تشکیل می‌دهند که همگی بر روی یک صفحه جهت‌گیری شده‌اند و ایجاد یک پنل فتوولتاییک خورشیدی (solar photovoltaic panel) یا ماژول فتوولتاییک خورشیدی (solar photovoltaic module) میکنند که در مقابل ماژول گرمایی خورشیدی (solar thermal module) یا پنل آب گرم خورشیدی (solar hot water panel) قرار می‌گیرند. انرژی خورشیدی تولید شده در ماژول‌های خورشیدی به توان خورشیدی معروف است. یک گروه از ماژول‌های خورشیدی متصل به هم یک آرایه (array) تشکیل می‌دهند که می‌توانند بر روی یک سیستم ترکر نصب شوند.
ماژول‌های فتوولتاییک اغلب دارای یک ورق شیشه‌ای در سمت رو به خورشید خود هستند که امکان عبور نور خورشید را می‌دهد ولی از ویفرهای نیمه‌رسانا (semiconductor wafers) در برابر برخورد غبار ناشی از باد، باران، تگرگ و مانند آن محافظت میکنند. سلولهای خورشیدی به صورت سری در ماژول‌ها متصل می‌شند و ولتاژ تولیدی آنها با هم جمع میشود. اتصال موازی سلول‌ها باعث افزایش جریان میشود. مسایل زیادی در رابطه با اتصال موازی وجود دارد. مثلا اثر سایه میتواند رشته موازی (تعدادی سلول متصل به صورت سری) ضعیف‌تر (دارای تابش کمتر) را خاموش کند که باعث کاهش زیاد توان و آسیب به رشته ضعیف‌تر به دلیل بایاس معکوس (reverse bias) زیاد توسط رشته‌های دارای نور بر روی سلولهای بدون نور، گردد.
