سیستم های خورشیدی یا فتوولتائیک

سیستم های خورشیدی یا فتوولتائیک جزء اصلی ترین گروه انرژی‌های تجدیدپذیر یا پاک بوده که از منابع طبیعی قابل تجدید  مانند باد و خورشیدی حاصل می شود و همواره در طول زمان تمامی ندارند. این منابع انرژی معمولاً نامحدود و پایدار هستند و تأثیرات زیست‌محیطی کمتری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارند. که می توان بصورت خلاصه به بعضی از این  انرژی‌های تجدیدپذیر زیر اشاره کرد:

1. انرژی خورشیدی:  انرژی خورشید به کل به دو دسته اصلی تقسیم می گردند   الف – انرژی فتوولتائیک که تابش نور خورشیدی به صفحات جاذب (سلول خورشیدی ) الکتریسته تولید می شود  در این فرآیند فتون های نور خورشید به سلول های خورشیدی برخورد و تحت شراط خاص به برق تبدیل می گردند که به سیستم های خورشیدی یا فتوولتائیک معرف هستند ب – انرژی گرمایشی یا حرارتی در این روش نور خورشید در اثر تابش روی اجسام و سیالات به گرما تبدیل می شود مانند آبگرمکن های خورشیدی 
2. انرژی باد: انرژی باد که حاصل از اختلاف فشار هوای بین منطقه گرم و سرد ایجاد شده که  موجب می گردد جریان فشار از منطقه پرفشار به سمت  منطقه کم فشار حرکت نماید سرعت این جابجایی هوا جریان موجب به حرکت درآمدن اسیاب بادی – چرخش پروانه های توربین های بادی گردد  .  توربین‌های بادی، جنبش هوا را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و سپس توسط ژنراتورها به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
3. انرژی آب: انرژی آب از جریان رودخانه‌ها، یا از آب ذخیره شده در سدها توسط توربین های آبی  به دست می‌آید. با استفاده از توربین‌های آبی، انرژی جریان آب به انرژی مکانیکی تبدیل و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
4. زمین، از انرژی داخل زمین تولید می‌شود. از طریق گرماگیرها و پمپ‌های گرمایش زمین، گرمای زمین برای تأمین گرمایش ساختمان‌ها و تأمین آب گرم استفاده می‌شود.
5. انرژی آب دریا ، جریان‌های جزر و مد، و اختلاف دما و شوری دریا به دست می‌آید. با استفاده از تکنولوژی‌های مختلف مانند توربین‌های جزر و مد، این انرژی‌ها به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شوند.
6. انرژی بیوماس: انرژی بیوماس از مواد زیستی مانند چوب، زباله‌های کشاورزی، بقایای گیاهی و حیوانی و سایر منابع آلی به دست می‌آید. این منابع می‌توانند به صورت سوخت، گاز یا حرارت استفاده شوند.

از اینرو بطور کلی انرژی‌های تجدیدپذیر در کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و تأمین انرژی پایدار و پاک نقش بسیار مهمی دارند.

سیستم های خورشیدی یا فتوولتائیک – تصاویر شماتیک سیستم های خورشیدی متصل و منفصل از شبکه

سیستم خورشیدی متصل به شبکه (On grid)

سیستم های خورشیدی متصل و جدا از شبکه

همانطور که در بالا اشاره شده اسیستم های خورشیدی یا فتوولتائیک  یکی از مهمترین  انرژهای گروه انرژیهای تجدید شوده و بزرگترین منبع تولید انرژی در عالم هستی بشمار میرود ، خورشید به عنوان یک منبع نامحدود انرژی، میزان بسیار زیادی انرژی تولید می‌کند. میزان انرژی خورشید که به زمین می‌رسد، به عوامل مختلفی مانند طول روز، اقلیم، فصول سال و محدودیت‌های جغرافیایی بستگی دارد. با این حال، انرژیی که در اثر تابش خورشیدی در یک ساعت به زمین میرسد تقریبا برابر است با ذخیر 4 میلیون تن سوخت فسیلی اعم از ذخیر نفت، گاز طبیعی و ذغال سنگ، طبق آمار های منتشر شده برای تولید 10 کیلووات برق با استفاده از نفت خام در نیروگاه حرارتی، تقریباً 2/5 تا 3   لیتر نفت خام مورد نیاز است. این تخمین بر اساس میزان تلفات 50  درصد خطوط تولید و توان حرارتی محتوای انرژی نفت خام محاسبه شده است

برای محاسبه مقدار دقیق انرژیی که خورشید به زمین می‌فرستد، مفهومی به نام جریان تابش خورشیدی (Solar Irradiance)   استفاده می‌شود. جریان تابش خورشیدی به واحد وات بر متر مربع (1000W/m²) نشان می‌دهد که چه مقدار توان نور در یک نقطه‌ی خاص بر زمین تابیده می‌شود. در سطح جو، میانگین جریان تابش خورشیدی حدود 1361 وات بر متر مربع است. مقدار انرژی خورشیدی که توسط یک سیستم خورشیدی فتوولتائیک جذب و تبدیل به برق می‌شود، بستگی به کارایی و عملکرد پنل‌های خورشیدی، شدت تابش خورشیدی در منطقه مورد نظر، و شرایط محیطی ، طول و عرض جغرافیایی(اقلیم منطقه ) ، فصل سال و ساعت تابش  دارد. به طور معمول، راندمان عملکرد پنل‌های خورشیدی در حدود 15 تا 25 درصد قرار دارد، یعنی تقریباً توان تولید یک پنل خورشیدی با مساحت 1 متر مربع و راندمان 25 درصدی درصورتیکه مطابق استاندارد نور خورشیدی بر آن تابیده شود حدود 250 وات برق توسط پنل خورشیدی تولید خواهد کرد .بنابراین، میزان دقیق انرژی تولید شده توسط سیستم‌های خورشیدی وابسته به محل و شرایط محیطی است، آنها دارد

سیستم های خورشیدی یا فتوولتائیک با بهره‌گیری از انرژی خورشید، به عنوان یک منبع نامحدود انرژی، نقش مهمی در تأمین یک انرژی پایدار  برای  بشر و کاهش مصرف بی رویه سوخت های فسیلی و در نتیجه کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و  تأثیرات مخرب بر محیط زیست ایفا می‌کنند. با توجه به مزایا و فواید سیستم‌های خورشیدی، در دهه های اخیر روند گسترش ، استفاده و بهره‌برداری از این فناوری پربازده بسیار مورد توجه قرار است.

سیستم های خورشیدی یا فتوولتائیک  تجهیزاتی و دستگاه هایی هستند که انرژی تابشی یا گرمایشی  خورشید را  به  انرژی الکتریکی یا حرارتی تبدیل  می‌کنند. به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند:

1- سیستم های خورشیدی یا فتوولتائیک  (Photovoltaic solar systems): در این نوع سیستم، پنل‌های خورشیدی از نور خورشید استفاده می‌کنند تا انرژی الکتریکی تولید کنند. وقتی نور خورشید روی پنل‌های فتوولتائیک تابیده می‌شود، انرژی فوتون‌ها تبدیل به جریان الکتریکی می‌شود که سپس با استفاده از اینورترهای طراحی شده برای این سیستم ، به صورت جریان مستقیم (DC) یا جریان متناوب (AC) تبدیل و برای استفاده در دسترس قرار می‌گیرد. سیستم‌های خورشیدی فتوولتائیک معمولاً برای تأمین انرژی الکتریکی در ساختمان‌ها، خانه‌ها، مزارع، کارخانه‌ها و حتی در فضا استفاده می‌شوند. ولی در سیستم های مستقل از شبکه برق تولیدی ابتدا در باتری های ذخیره ، ذخیره و سپس در تجهیزات خانگی یا صنعتی استفاده می گردد.

2 – سیستم‌های خورشیدی حرارتی (Solar Thermal): در این نوع سیستم، انرژی حرارتی خورشید جمع‌آوری می‌شود تا از آن برای تولید حرارت در فرآیندهای گرمایشی و سرمایشی استفاده شود. این سیستم‌ها شامل پنل‌های حرارتی خورشیدی هستند که نور خورشید را جذب کرده و حرارت آن را به یک ماده حامل مانند آب یا روغن منتقل می‌کنند. سپس حرارت جمع‌آوری شده برای تأمین گرمایش آب سرمایه‌گذاری، سیستم‌های گرمایشی و سیستم‌های تهویه مطبوع استفاده می‌شود.

سیستم های خورشیدی یا فتوولتائیک

سیستم های خورشیدی فتوولتائیک نیز به دو دسته عمده تقسیم می شوند

الف – سیستم خورشیدی (فتوولتائیک) جدا از برق سراسری  (Off- grid)

ب – سیستم خورشیدی (فتوولتائیک) متصل به شبکه  برق سراسری (On – grid)

سیستم های خورشیدی یا فتوولتائیک و مزایای آن

1- طول عمر بالای پنل های خورشیدی (حداقل 25 سال)

2- عدم ایجاد آلودگی های زیست محیطی

3- عدم آلودگی صوتی

4- قابل نصب در نزدیکی محل مصرف

5- توانایی ارائه ولتاژ و جریان های مختلف با توجه به نیاز 

6- امکان افزایش یا کاهش توان نیروگاه با توجه به نیاز روز

7- عدم نیاز به نگهداری های خاص 

8- رایگان بودن برق تولیدی پس از سرمایه گذاری اولین نصب سیستم

9- در صورت نصب سیستم Off Grid تولید برق بدون نیاز به برق شبکه 

10- ایجاد اشتغال 

11- حذف کابل کشی های مرسوم به انتقال شبکه و کاهش هزینه های مربوطه

12- سایر…

کاربردهای سیستم های خورشیدی

1. استفاده در سیستم های نیروگاهی بامقیاس های کوچک و بزرگ
2. مناسب برای استفاده معابر و بوستان های شهری و خارج از شهر
3. قابل استفاده در سیستم های پرتابل نظامی ، مخابراتی و عشایری
4. قابل استفاده در خانه های روستایی ، خانه های شهری ، ویلاها و هر مکانی که خورشیدی در حال تابش می باشد.
5. استفاده در سیستم های آبیاری کشاورزی 

اجزای اصلی یک سیستم خورشیدی (فتوولتائیک)

1- پنل یا مازول های خورشیدی  (فتوولتائیک)

2- اینورتر یا مبدل جریان DC به AC

3- باتری های ذخیره در سیستم منفصل از شبکه 

4- شارژکنترلر باتری ها در سیستم منفصل از شبکه

توضیح : برای اتصال اجزای اصلی سیستم های خورشیدی به یکدیگر و همچنین ثابت نگه داشتن پنل های خورشیدی به وسایل زیر نیز نیاز خواهد بود 

• کابل با سطح مقطع مختلف باتوجه به طراحی سیستم 
• استرکچر یا پایه های فلزی نگهدارنده پنل های خورشیدی با زوایه تابش مناسب با توجه به طراحی و ظرفیت سیستم
• تابلوهای حفاظتی 
• تابلو های توزیع و کنترل
• جعبه نگهداری باتری های ذخیره یا Backup Room در سیستم های منفصل از شبکه
• سیستم ارتینگ (زمین)
• سیستم مونیتورینگ 

هشدار : در صورت نیاز به اتصال دو سیم به یکدیگر برای عایق کاری از وانیش های حرارتی استفاد کنید و هرگز از نوارچسب برق برای عایق کاری قسمت های بدون پوشش استفاده نکنید