پنل های خورشیدی به سرعت در حال تبدیل شدن به یکی از جذابترین روش های استفاده از انرژی های تجدید پذیر هستند که استفاده از آن ها بطور غیرقابل انکاری به نفع محیط زیست نیز میباشد. روند تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی یکی از دستاوردهایی است که طی چند دهه ی اخیر بطور قابل توجهی بهبود یافته و هم اکنون از همیشه کاملتر است. در ادامه مطلب به نحوه کارکرد پنل های خورشیدی اشاره خواهیم کرد.
در طول سالیان گذشته، استفاده ای که از پنل های خورشیدی محدود به دستگاه های کوچکی مانند ماشین حساب ها بود؛ ولی هم اکنون صحبت از خانه ها و یا اداراتی است که با انرژی حاصله از این پنل های خورشیدی برق مورد نیاز خود را تامین میکنند.
با این علم که خورشید طول عمری بسیار طولانی خواهد داشت، یکی از مهمترین منابع انرژی های تجدید پذیرِ موجود است. اشعه های خورشید که به سطح زمین تابیده میشود توانایی تولید ۱۰۰۰ وات برق را در ازای هر متر مربع داراست. جمع آوری این انرژی ها این توانایی را دارد که وابستگی ما را به سوخت های فسیلی از بین ببرد.
سلول های خورشیدی از نور خورشید برای تولید الکتریسیته استفاده میکنند، بدین معنی که میتواند از آنها برای برق رسانی به منزل و یا محل کار خود استفاده کرده و با اینکار انتشار کربن و تاثیر آن بر محیط زیست را کاهش دهید.
مبدا انرژی خورشیدی همانطور که از نام آن نیز پیداست خورشید میباشد. هر پنل خورشیدی شامل تعداد زیاد و مختلفی از سلول های سیلیکونی و خورشیدی است که نور خورشید، و یا به عبارتی دیگر انرژی خورشید، را جذب کرده و آنرا به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند.
برای اینکه بدانید چگونه پنل های خورشیدی برق مورد نیاز یک خانه در ابعاد متوسط را تولید میکنند لازم است که از نحوه ی کار این پنل ها مطلع باشید.
- پنل های خورشیدی بر روی سقف خانه ها نصب میشوند تا اشعه های خورشیدی (فوتون ها) را جذب کنند.
- سلول های سیلیکونی و کنداکتورهای موجود در پنل، اشعه های خورشید را به برق جریان مستقیم (DC) تبدیل کرده و آنرا به سمت اینورتز هدایت میکنند.
- اینور برق جریان مستقیم را به برق جریان متناوب (AC) تبدیل میکند تا در مدار خانه قابل استفاده باشد.
- الکتریسیته ی اضافه که مورد استفاده قرار نمیگیرد میتواند به شبکه بازگشت داده شود.
- اگر پنل خورشیدی شما تولیدی کمتر از نیاز شما دارد میتوانید باقی مانده ی برق مورد نیاز را از شبکه ی برق سراسری تهیه نمایید.
روند تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته
پنل های خورشیدی از روند خاصی برای تبدیل فوتون ها به الکترون جهت ایجاد جریان استفاده میکنند و در این روند از سلول هایی که با نام فتوولتائیک شناخته میشوند کمک میگیرند. این سلول ها بطور معمول در پنل جلویی ماشین حساب ها و یا ابزار الکترونیکی کوچک پیدا میشوند. وقتی تعداد زیادی از این سلول ها به هم متصل میگردند مجموعه ای با نام پنل خورشیدی تشکیل میدهند.
سلول های فتوولتائیک از مواد نیمه رسانایی مانند سیلیکون ساخته میشوند. این مواد نیمه رسانا اشعه های خورشید را جذب میکنند. سپس فتون های موجود در اشعه ی خورشید به برخی از الکترون های این ماده ی نیمه رسانا ضربه زده و باعث جریان پیدا کردن آنها میشوند.
بین سلول ها مداری وجود دارد که باعث هدایت این جریان از الکترونها به سمت خاصی میشود. زمانیکه این الکترون ها به ساختار فلزی قرار داده شده در سلول فتوولتائیک برخورد میکنند تبدیل به انرژی قابل استفاده در دستگاه ها میگردند.
دلیل استفاده از سیلیکون
سیلیکون اغلب به شکل کریستالی پیدا میشود. هر اتم سیلیکون دارای ۱۴ الکترون در آرایش سه لایه ی خود است. ۲ لایه از این ۳ لایه تکمیل است و در لایه ی ظرفیت نیز ۴ الکترون، یعنی نیمی از ظرفیت، وجود دارد. جهت تکمیل کردن لایه ی ظرفیت، سیلیکون این لایه را با ۴ اتم کناری خود به اشتراک میگذارد. به همین علت این عنصر ساختاری کریستالی دارد.
سیلیکون در حالت طبیعی خود، بر خلاف مس، به علت نداشتن الکترون آزاد یک ماده ی رسانای خوب نیست. جهت آزاد کردن جنبش این الکترون ها، سیلیکون استفاده شده در پنل های خورشیدی نوعی ویژه و خالص شده از این ماده است. با ترکیب کردن سیلیکون و دیگر اتم ها، ساختاری نامتوازن از الکترون ها ایجاد میگردد. این الکترون ها ساختاری ناپایدار تشکیل میدهند تا با ضربه ی اشعه های خورشید آزاد شوند.
سیلیکون به طور طبیعی براق و منعکس کننده است. به همین علت و برای جلوگیری از بازتاب فوتون ها، سلول ها توسط ماده ای جاذب نور و ضد انعکاس پوشانده میشوند. در اغلب موارد نیز سطح خارجی سلولها توسط یک شیشه پوشانده میشود که دلیل این امر محافظت سلول ها در برابر عوامل خارجی است.
میدان الکتریکی
وقتی سیلیکون با بار منفی و سیلیکون با ابر مثبت به هم برخورد میکنند، الکترون های آزاد یک طرف به طرف دیگر جذب میشوند. هنگامیکه این دو ذره با هم مخلوط میشوند حاملی را ایجاد میکند که با نام میدان الکتریکی شناخته میشود. این میدان، الکترون ها را از ذره ی با بار مثبت به ذره با بار منفی انتقال میدهد ولی اجازه حرکت در خلاف این جهت را به الکترون ها نمیدهد.
وقتی فوتون ها با سلول فتوولتائیک برخورد میکنند، جفت حفره های الکترونیکی از هم جدا میشوند. وقتی این اتفاق رخ میدهد، الکترون ها آزاد میشوند و محلی برای دیگر الکترون ها ایجاد میشود. الکترون به سمت منفی حرکت میکند و حفره ها نیز به سمت مثبت حرکت میکند که اینکار توازن را در سلول بر هم خواهد زد. با قرار دادن یک کنداکتور، میتوانیم از این حرکت هایی که الکترون ها دارند در راستای ایجاد جریان و تولید ولتاژ استفاده کنیم. که حاصل این دو نیروی برق خواهد بود.
اتلاف انرژی
یکی از اصلی ترین مشکلات انرژی خورشیدی راندمان پایین آن نسبت به دیگر روش های تولید انرژی مانند استفاده از سوختهای فسیلی است. دلایل زیادی برای این اتلاف انرژی وجود دارد.
از مهمترین ترین دلایل این اتلاف انرژی این است که اشعه های خورشید با طول موج های مختلف از خورشید تابیده میشوند. مقداری از این طول موج ها دقیقا طبق انتظار عمل کرده و بوسیله ی فوتونها الکترون ها را از حفرها جدا میکنند. ولی تعدادی از این طول موج ها انرژی کافی برای اینکار را ندارند. و دسته ی دیگر این تابش ها بیش از حد قدرتمند هستند که باعث از دست رفتن انرژی زیادی میشوند.
با وجود اینکه مواد دیگر احتیاج به انرژی کمتری برای آزاد شدن الکترون هایشان دارند، اما این موضوع بدین معنی ست که ولتاژ ایجاد شده توسط آنها نیز بسیار کمتر خواهد بود. حال برای افزایش بهره وری و کارایی، باید بین جریان ایجاد شده توسط سلول های خورشیدی و ولتاژ یک توازن وجود داشته باشد. بدون این توازن کارایی نیز از بین خواهد رفت.
یک ساختار فلزی در انتهای سلول ها وجود دارد تا الکترون ها را هدایت کند. این ساختار تمام انرژی ایجاد شده را جمع آوری نمیکند و بخشی از این انرژی از بخش بالایی سلول ها تلف میشود. پوشاندن بخش بالایی سلول ها باعث جلوگیری از جذب نور خورشید میشود و همینطور قرار دادن کنداکتور (هدایت کننده) در اطراف خارج سلول نیز باعث میشود تا الکترون ها مستلزم به طی مسافت بسیار بیشتری شوند. به همین دلیل، گاهی اوقات سلول ها بوسیله ی شبکه ای فلزی و نازک پوشانده میشوند تا الکترون ها مسافت کمتری را طی کنند.
مصارف انرژی خورشیدی
با چسباندن پنل های خورشیدی روی سقف خانه ها، سلول های فتوولتائیک کار تولید برق را انجام خواهند داد، که این برق تولید شده میتواند مستقیما برای مصرف در خانه استفاده شده و یا برق را در باتری های بزرگی ذخیره کند تا بعدها این باتری ها در نقش ژنراتور کار تامین برق را انجام دهند. البته باید این موضوع را مد نظر قرار دهید که اگر در قسمت تاریکتر کره ی زمین زندگی میکنید کارایی پنل های خورشیدی بسیار کمتر خواهد بود.
زمانی که الکتریسیته ی تولید شده از انرژی خورشیدی بیش از نیاز شما باشد میتوانید مقدار برق اضافه را به شبکه های توزیع برق بفروشید. یعنی در زمانی که خورشید در حال تابش نور است. علاوه بر اینکه بوسیله نور خورشید برق دستگاه های خود را تامین میکنید، درآمدزایی نیز خواهید داشت. البته در زمان هایی که نور خورشید در دسترس نیست میتوانید انرژی مورد نیاز خود را از شبکه ی اصلی برق تامین کنید تا نیازی به باتری و ژنراتور نداشته باشید. پنل های خورشیدی در سفینه های فضایی نیز استفاده میشوند تا برق مورد نیاز کامپیوترها و دیگر وسایل برقی داخل سفینه را تامین کنند. این موضوع بیانگر این است که حتی در فضا نیز از کارایی پنل های خورشیدی کاسته نمیشود زیرا خورشید همیشه در حال تابش است و به همین دلیل و با تکیه بر این مورد، سفینه های فضایی از انرژی خورشیدی بعنوان یک منبع قابل اتکا از انرژی استفاده میکنند تا از مشکلات حمل باتری های بزرگ وسوخت های سنگین رهایی یابند.
این پنل ها در برخی از ماهواره ها، سفینه های اکتشافی و همچنین شاتل ها مورد استفاده قرار میگیرد. به عنوان مثال در این زمینه میتوان به مریخ نورد اشاره کرد.
جمع بندی
هر پنل خورشیدی حاوی تعداد مختلف و زیادی از سلول های خورشیدی و سیلیکونی است. هر سلول خورشیدی ولتاژ الکتریسیته ی کمی تولید میکند. فوتون ها با ضربه زدن به سطح این سلول ها جریان الکتریکی تولید میکنند. سقف خانه و ساختمان اداره جات معمول ترین مکان برای نصب پنل های خورشیدی هستند زیرا بیشتر از سایر مکان ها در معرض نور خورشید قرار میگیرند.
پنل های فتو ولتائیک که بر روی پنل های خورشیدی هستند انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. جریان الکتریسیته ی تولید شده توسط این پنل ها معمولا بصورت مستقیم (DC) است که بوسیله ی اینورتر (مبدل) به جریان متناوب (AC) تبدیل میشود. و در آخر، سیلیکون معمول ترین ماده برای تولید پنل های خورشیدی است.
آخرین دیدگاه‌ها