سلول‌های خورشیدی و انواع پنل‌های خورشیدی

آیا می‌دانستید انرژی مورد نیاز جهان برای یک سال را می‌توان تنها برای یک دقیقه با انرژی خورشیدی پوشش داد؟ در واقع، خورشید در عرض 24 ساعت می‌تواند انرژی بیشتری نسبت به مصرف کل جمعیت در 27 سال تولید کند.

در حال حاضر، تولید انرژی خورشیدی یک روش تولید انرژی تجدیدپذیر بسیار ارزشمند است. پنل‌های خورشیدی را می توان برای طیف گسترده ای از کاربردها از جمله سیستم‌های قدرت از راه دور برای کابین، تجهیزات مخابراتی، سنجش از دور و البته برای تولید برق توسط سیستم های برق خورشیدی مسکونی و تجاری استفاده کرد.

در این صفحه به تاریخچه، فناوری و مزایای پنل‌های خورشیدی پرداخته می‌شود. خواهید دانست که پنل‌های خورشیدی چگونه کار می کنند، چگونه ساخته می شوند، چگونه برق تولید می‌کنند و چگونه می‌توان میزان توان یک پنل خورشیدی را محاسبه و برای استفاده، انتخاب نمود.

پنل‌های خورشیدی

امروزه پنل‌های خورشیدی و سیستم‌های کامل پنل خورشیدی، برای تامین انرژی طیف گسترده ای از تجهیزات در کارخانه ها و ساختمان‌های تجاری استفاده می‌شود. از جمله این ساختمان‌های تجاری می‌توان به دفتر مرکزی گوگل در کالیفرنیا اشاره نمود. در ایران نیز از پنل‌های خورشیدی استفاده‌های مختلفی می گردد از جمله برای آبگرمکن‌های خورشیدی.

بنابراین، انرژی خورشیدی نه تنها یک منبع انرژی قابل اعتماد و پایدار است، بلکه یک منبع انرژی بسیار مقرون به صرفه و کارآمد می‌باشد. البته این درصورتی است که نوع پنل‌های خورشیدی انتخاب شده و محیط کاملاً با یکدیگر مطابقت داشته باشند. چنین چشم‌اندازهای امیدوارکننده‌ در صنعتی رشد کرده‌اند که تلاش زیادی برای توسعه تکنیک‌های کارآمد برای تولید، استفاده و ذخیره انرژی خورشید با استفاده از انواع مختلف پنل‌های خورشیدی و تبدیل نور خورشید به برق انرژی الکتریکی انجام داده‌اند.

اکثر گزینه‌های پنل خورشیدی موجود در حال حاضر در یکی از سه نوع قرار می گیرند: تک‌کریستالی، پلی‌کریستالی (همچنین به عنوان چند کریستالی شناخته می شود)، و لایه نازک. این پنل‌های خورشیدی از نظر نحوه ساخت، ظاهر، عملکرد، هزینه‌ها و نصب‌هایی که هر کدام برای آنها مناسب‌تر است، متفاوت است. بسته به نوع نصبی که مد نظر شما است، یک گزینه ممکن است مناسب‌تر از بقیه باشد.

انواع اصلی پنل های خورشیدی

سه نوع اصلی پنل‌های خورشیدی وجود دارد: تک‌کریستالی، پلی‌کریستالی و لایه نازک. هر نوع مزایا و معایب منحصربه‌فرد خود را دارد و نوع پنل خورشیدی که برای نصب شما مناسب‌تر است، به عوامل ویژگی‌های خاص شما و ویژگی‌های سیستم مورد نظر بستگی دارد.

در زیر، برخی از سوالات و نگرانی‌های رایج در مورد پنل‌های خورشیدی و اینکه چگونه انواع مختلف پنل ها دارای ویژگی‌های متفاوتی هستند بررسی می‌شود.

چه نوع پنل خورشیدی بهتر است؟

پنل‌های خورشیدی کریستالی بالاترین راندمان را در بین تمام پنل‌ها دارند.

این نوع پنل‌ها به صورت تک‌کریستال و پلی‌کریستال می‌باشد.در پنل‌های تک‌کریستالی بین 15 تا 20 درصد راندمان خواهید داشت که در بین تمام پنل‌های کریستالی کارآمدتر می‌باشد.

پنل‌های پلی‌کریستالی بین 15 تا 17 درصد کارایی دارند.

پنل‌های خورشیدی تک‌کریستالی نه تنها به دلیل کارایی خود بلکه به دلیل اینکه در ماژول‌های با وات بالاتر نیز تولید می شوند، نسبت به انواع دیگر پنل ها توان بیشتری تولید می کنند. بیشتر پنل‌های خورشیدی مونو کریستال با بیش از 300 وات (W) ظرفیت تولید می‌شوند که برخی از آنها در حال حاضر حتی از 400 وات نیز فراتر رفته‌اند. از سوی دیگر، پنل‌های خورشیدی پلی‌کریستال میزان وات کمتری دارند

پنل‌های خورشیدی لایه نازک نسبت به انواع تک‌کریستالی یا پلی‌کریستالی دارای راندمان و ظرفیت کمتری هستند. راندمان بر اساس ماده خاصی که در سلول ها استفاده می شود متفاوت است، اما آنها معمولاً بازدهی نزدیک به 11 درصد دارند.

پنل‌های خورشیدی در چه اندازه‌هایی هستند؟

 

این بدان معنا نیست که پنل‌های خورشیدی تک‌کریستالی و پلی‌کریستالی از نظر فیزیکی اندازه یکسانی ندارند. در واقع، هر دو نوع پنل خورشیدی با 60 سلول سیلیکونی ویا با انواع 72 یا 96 سلولی (معمولاً برای نصب در مقیاس بزرگ) عرضه می شوند. . اما حتی با تعداد سلول‌های یکسان، پنل‌های تک‌کریستالی قادر به تولید الکتریسیته بیشتری هستند.

برخلاف صفحات خورشیدی تک‌کریستالی و پلی‌کریستالی که در انواع استاندارد سلولی 60، 72 و 96 عرضه می شوند، فناوری لایه نازک در اندازه‌های یکنواخت عرضه نمی شود. به این ترتیب، ظرفیت توان از یک پنل لایه نازک به پنل دیگر تا حد زیادی به اندازه فیزیکی آن بستگی دارد. به طور کلی، ظرفیت توان هر فوت مربع پنل خورشیدی تک‌کریستالی یا پلی‌کریستالی از فناوری پنل لایه نازک فراتر خواهد رفت.

پنل‌های خورشیدی تک‌کریستال و پلی‌کریستال از چه چیزی ساخته شده‌اند؟

برای تولید برق، سلول‌های خورشیدی از یک ماده نیمه رسانا ساخته می‌شوند که نور را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. متداول‌ترین ماده‌ای که به عنوان نیمه هادی در فرآیند تولید سلول‌های خورشیدی استفاده می شود سیلیکون است.

دو پنل خورشیدی مونو کریستال(تک‌کریستال) و پلی‌کریستال (چند کریستال) دارای سلول‌های ساخته شده از لایه‌های نازک سیلیکونی هستند. برای ساخت یک پنل تک‌کریستالی یا پلی‌کریستالی، لایه‌ها به صورت ردیف و ستون جمع می شوند تا یک مستطیل تشکیل دهند. سپس با یک ورقه شیشه‌ای پوشانده می‌شوند و با هم قاب می‌شوند.

در حالی که هر دو نوع پنل‌های خورشیدی دارای سلول‌های ساخته شده از سیلیکون هستند، ترکیب سیلیکون پنل‌های مونو کریستال و پلی‌کریستال متفاوت هستند. سلول‌های خورشیدی تک‌کریستالی از یک کریستال خالص سیلیکونی بریده می شوند. از طرف دیگر، سلول‌های خورشیدی پلی‌کریستالی از قطعات کریستال‌های سیلیکونی تشکیل شده اند که قبل از برش‌های لایه‌ای، در یک قالب با هم ذوب می‌شوند.

پنل‌های خورشیدی لایه نازک از چه چیزی ساخته شده اند؟

بر خلاف پنل‌های خورشیدی تک‌کریستالی و پلی‌کریستالی، پنل‌های لایه نازک از مواد مختلفی ساخته می‌شوند.

رایج‌ترین نوع پانل‌های خورشیدی لایه نازک از تلورید کادمیوم ساخته شده است. برای ساخت این نوع پنل لایه نازک، سازندگان لایه‌ای از تلورید کادمیوم را بین لایه‌های رسانای شفاف قرار می‌دهند که به جذب نور خورشید کمک می‌کند. این نوع از فناوری لایه نازک همچنین دارای یک لایه شیشه ای در قسمت بالایی برای محافظت است.

پنل‌های خورشیدی لایه نازک را می توان از سیلیکون آمورف (a-Si) نیز ساخت که مشابه ترکیب پنل‌های تک‌کریستالی و پلی‌کریستالی است. اگرچه این پنل‌های لایه نازک در ترکیب خود از سیلیکون استفاده می‌کنند، اما از لایه‌های سیلیکونی جامد ساخته نشده‌اند. در عوض، آنها از سیلیکون غیر کریستالی تشکیل شده‌اند که روی شیشه، پلاستیک یا فلز قرار گرفته است.

در نهایت، پنل‌های مس ایندیوم گالیوم سلنید (CIGS) یکی دیگر از انواع محبوب فناوری لایه نازک است. پنل‌های CIGS دارای هر چهار عنصر هستند (یعنی شیشه، پلاستیک، آلومینیوم یا فولاد) که بین دو لایه رسانا قرار می‌گیرند و الکترودهایی در جلو و پشت مواد برای گرفتن جریان‌های الکتریکی قرار می‌گیرند.

پنل‌های خورشیدی تک‌کریستالی (Mono-SI)

این نوع پنل‌های خورشیدی (ساخته شده از سیلیکون مونو کریستال) خالص ترین آن‌هاست. شما به راحتی می توانید آن‌ها را از ظاهر تیره یکنواخت و لبه‌های گرد تشخیص دهید. خلوص بالای سیلیکون باعث می شود که این نوع پنل خورشیدی بالاترین نرخ راندمان را داشته باشد که به بالای 20 درصد می رسد.

پنل‌های تک‌کریستالی قدرت خروجی بالایی دارند، فضای کمتری را اشغال می‌کنند و بیشترین طول عمر را دارند. البته، این به این معنی است که آنها گران‌ترین این دسته هستند. مزیت دیگری که باید در نظر گرفت این است که در مقایسه با پنل‌های پلی‌کریستالی، کمتر تحت تأثیر دماهای بالا قرار می‌گیرند.

پنل‌های خورشیدی پلی‌کریستالی (Poly-SI)

شما می‌توانید به سرعت این پنل‌ها را تشخیص دهید زیرا این نوع پنل‌های خورشیدی مربع هستند، زوایای آن بریده نشده است و ظاهری آبی و خالدار دارد. آنها با ذوب سیلیکون خام ساخته می‌شوند. فرآیندی سریعتر و ارزان تر از پنل‌های تک‌کریستالی است.

این منجر به قیمت نهایی پایین‌تر، راندمان پایین‌تر (حدود 15%)،  فضای کمتر و طول عمر کوتاه‌تر می‌شود، زیرا آن‌ها به میزان بیشتری تحت تأثیر دمای گرم قرار می‌گیرند. با این حال، تفاوت بین انواع تک و پلی‌کریستالی پنل‌های خورشیدی چندان قابل توجه نیست و انتخاب به شدت به موقعیت خاص شما بستگی دارد.

پنل‌های خورشیدی نسل دوم

این سلول ها انواع مختلفی از سلول‌های خورشیدی لایه نازک هستند و عمدتاً برای نیروگاه‌های فتوولتائیک، یکپارچه در ساختمان ها یا سیستم‌های خورشیدی کوچکتر استفاده می‌شوند.

سلول‌های خورشیدی لایه نازک (TFSC)

اگر به دنبال گزینه ای ارزان‌تر هستید، ممکن است بخواهید به دنبال سلول‌های خورشیدی لایه نازک باشید. پنل‌های خورشیدی لایه نازک با قرار دادن یک یا چند لایه از مواد فتوولتائیک (مانند سیلیکون، کادمیوم یا مس) بر روی یک بستر، تولید می‌شوند. این نوع پنل‌های خورشیدی به صورت ساده‌تری تولید می‌شوند وبه دلیل مواد کمتری که برای تولید آن مورد نیاز است ارزان تر می‌باشد.

این نوع سلول‌ها همچنین انعطاف پذیر هستند  و این باعث ایجاد فرصت‌های زیادی برای کاربردهای مختلف آن باز می‌کند همچینین این سلول خورشیدی کمتر تحت تأثیر دماهای بالا قرار می‌گیرند. مسئله اصلی در استفاده از این سلول‌ها این است که آنها فضای زیادی را اشغال می‌کنند و به طور کلی آنها را برای استفاده در تاسیسات مسکونی نامناسب می‌کند. علاوه بر این، آنها دارای ضمانت نامه‌های کوتاه مدت هستند، زیرا طول عمر آن‌ها نسبت به انواع تک و پلی‌کریستالی پنل‌های خورشیدی کوتاه‌تر است. با این حال، آن‌ها می‌توانند گزینه خوبی برای انتخاب در بین انواع مختلف پنل‌های خورشیدی که فضای زیادی در دسترس دارند، باشند.

سلول خورشیدی سیلیکونی آمورف (A-Si)

آیا تا به حال از ماشین حساب جیبی با انرژی خورشیدی استفاده کرده اید؟ آری؟ پس حتما قبلاً این نوع پنل‌های خورشیدی را دیده‌اید. سلول خورشیدی سیلیکونی آمورف یکی از انواع مختلف پنل‌های خورشیدی است که عمدتاً در چنین ماشین حساب‌های جیبی استفاده می‌شود. این نوع پنل خورشیدی از فناوری سه لایه استفاده می‌کند که بهترین نوع لایه نازک است.

فقط برای اینکه تصوری مختصر از معنای “نازک” داشته باشید، در مورد ضخامت 1 میکرومتر (یک میلیونیم متر) صحبت شده‌است. این سلول‌ها با نرخ بازدهی تنها 7 درصد، نسبت به سلول‌های سیلیکونی کریستالی که دارای نرخ بازدهی حدود 18 درصد هستند، راندمان کمتری دارند ولی در عوض دارای هزینه‌های نسبتا پایینی نیز هستند. هستند.

پنل‌های خورشیدی نسل سوم

پنل‌های خورشیدی نسل سوم شامل انواع فناوری‌های لایه نازک هستند، اما بیشتر آنها هنوز در مرحله تحقیق یا توسعه هستند. برخی از آن‌ها را با استفاده از مواد آلی برق تولید می‌کنند و برای برخی دیگر، از مواد معدنی (به عنوان مثال CdTe) استفاده می‌شود.

سلول خورشیدی بیوهیبرید

سلول خورشیدی Biohybrid یکی از انواع پنل‌های خورشیدی است که هنوز در مرحله تحقیقاتی است. این نوع سلول خورشیدی توسط یک تیم متخصص در دانشگاه واندربیلت کشف شده است. ایده پشت این فناوری جدید، استفاده از سیستم فتوسنتز یا به طور واضح تر، تقلید از فرآیند طبیعی فتوسنتز است. بسیاری از مواد مورد استفاده در این سلول مشابه روش‌های سنتی هستند، اما تنها با ترکیب لایه‌های متعدد فتوسیستم، تبدیل از انرژی شیمیایی به الکتریکی بسیار موثرتر می شود (تا 1000 برابر کارآمدتر از انواع نسل اول پنل‌های خورشیدی).

سلول خورشیدی تلوراید کادمیوم (CdTe)

در میان مجموعه ‌ی از انواع مختلف پنل‌های خورشیدی، این تکنیک فتوولتائیک از تلورید کادمیوم استفاده می‌کند که امکان تولید سلول‌های خورشیدی را با هزینه نسبتا کم و در نتیجه زمان بازپرداخت کوتاه تر (کمتر از یک سال) فراهم می‌کند. از بین تمام فناوری‌های انرژی خورشیدی، این فناوری به کمترین میزان آب برای تولید نیاز دارد. تنها عیب استفاده از تلورید کادمیوم، سمی بودن آن در صورت بلع یا استنشاق است. به ویژه در اروپا، این یکی از بزرگترین موانعی است که باید بر آن غلبه کرد.

 سلول PV متمرکز (CVP و HCVP)

سلول های PV متمرکز مانند سیستم های فتوولتائیک، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند. این نوع سلول خورشیدی از جمله پنل‌‌های خورشیدی چند پیوندی دارای نرخ بازدهی تا 41 درصد هستند. این نوع سلول‌ها تا کنون در بین تمام سیستم‌های فتوولتائیک دارای بالاترین نرخ بازدهی بوده است.

نام چنین سلول‌های CVP به چیزی مربوط می‌شود که آن‌ها را در مقایسه با انواع دیگر پنل‌های خورشیدی بسیار کارآمد می‌کند. سطوح آینه‌ای منحنی، لنزها و گاهی اوقات حتی سیستم‌های خنک‌کننده برای ذخیره سازی پرتوهای خورشید و در نتیجه افزایش کارایی آن‌ها

به این ترتیب، سلول‌های CVP به یکی از کارآمدترین پنل‌های خورشیدی تبدیل شده‌اند که عملکرد و راندمان بالایی تا 41 درصد دارد.  چنین پنل‌های خورشیدی CVP تنها در صورتی می‌توانند به همان اندازه کارآمد باشند که با زاویه‌ای کامل با خورشید روبرو شوند. برای دستیابی به چنین نرخ‌های بازده بالایی، یک ردیاب خورشیدی در داخل پنل خورشیدی وظیفه دنبال کردن خورشید را بر عهده دارد.

روش محاسبات و انتخاب تعداد پنل خورشیدی

برای استفاده از پنل خورشیدی مناسب جهت تامین برق منزل یا محل کار، بایستی ابتدا میزان مصرف انرژی وسایل مورد استفاده در محل را محاسبه نمایید. این میزان مصرف برای یک روز محاسبه می‌گردد.

به طور مثال فرض نمایید که در منزل شما به مدت 5 ساعت در هر روز یک لامپ فلورسنت 18 وات روشن است. یک یخچال با مصرف 75 وات به صورت 24 ساعته نیزکار می‌کند. در نظر بگیرید که کمپرسور این یخچال 12 ساعت روشن و 12 ساعت خاموش است. حال محاسبه‌ی میزان کل مصرف الکتریکی به صورت زیر خواهد بود.

Wh/day) 990) = (ساعت5×وات18)+(ساعت 24×0.5×وات75)= میزان کل مصرف الکتریکی

حال برای تعیین میزان وات ساعت مورد نیاز که پنل بایستی تولید نماید عدد بدست آمده را در ضریب تلفات انرژی در سیستم (1.3) ضرب کنید.

Wh/day)1287=1.3×990) =میزان مصرف وسایل الکتریکی

برای استفاده از پنل‌های خورشیدی با توجه به میزان مصرف انرژی، اندازه‌های مختلفی وجود دارد. هر چه اندازه پنل بزرگتر باشد میزان توان بیشتری را می‌تواند تولید کند. برای تعیین اندازه پنل PV خود باید ابتدا وات پیک(Wp) یا همان بیشترین توان تولیدی را بدست آورید. تعیین وات پیک نیازمند دانستن فاکتور‌های ظریب تابش و میزان کل وات ساعت‌های مصرفی است. با فرض اینکه ظریب تابش 3.4 است محاسبه‌‌ی وات پیک به شکل زیر خواهد بود.

378.6(Wp)=3.4  / (Wh/day)1287=وات پیک کل

در مرحله ی آخر عدد بدست آمده را در توان نامی پنل خود تقسیم کرده و عدد بدست آمده را به سمت بزرگتر گرد کنید. این عدد نشاندهنده ی تعداد پنل مورد نیاز شما می‌باشد.

و در پایان…

در پایان باید گفت که با گسترش جمعیت و محدود بودن منابع انرژی بر روی زمین، بهترین راهکار استفاده از نرژی‌های دائمی بر روی زمین از جمله باد، نورخوشید و نیروی حاصل شده از موج‌های تولید شده در اقیانوس‌ها و دریا‌ها است. انرژی‌های تجدید پذیری که هیچ‌گاه پایان ندارد.