اصول مهمی که در زمینه انرژی خورشیدی باید بدانیم
انرژی خورشیدی از تابش خورشید بهدست میآید و میتوان از آن برای تولید برق، گرمایش آب و تأمین گرما استفاده کرد. برای شناخت و طراحی سیستمهای خورشیدی، آشنایی با مفاهیم زیر ضروری است.
۱. تابش خورشیدی
خورشید انرژی خود را به شکل امواج الکترومغناطیسی به زمین میفرستد. این تابش شامل نور مرئی، پرتوهای مادونقرمز و فرابنفش است.
شدت تابش یا تابندگی IrradianceIrradiance
مقدار توان خورشیدی دریافتی در واحد سطح است.
G=PA G=\frac{P}{A}
واحد آن:
W/m2 W/m^2
برای مثال، در شرایط استاندارد آزمایشگاهی، شدت تابش معمولاً برابر با:
1000W/m2 1000W/m^2
در نظر گرفته میشود.
انرژی تابشی یا تابش تجمعی IrradiationIrradiation
مجموع انرژی دریافتی در یک بازه زمانی است.
واحدهای رایج:
kWh/m2/day kWh/m^2/day
یا:
Wh/m2 Wh/m^2
این مقدار برای تخمین تولید روزانه یا سالانه سیستم خورشیدی اهمیت زیادی دارد.
۲. تابش مستقیم، پراکنده و بازتابی
تابش خورشیدی روی سطح زمین به سه شکل دریافت میشود:
تابش مستقیم
مستقیماً از خورشید به پنل میرسد و معمولاً بیشترین اثر را در تولید انرژی دارد.
تابش پراکنده
بر اثر برخورد نور با ابرها، گردوغبار و مولکولهای هوا پراکنده میشود و از جهات مختلف به پنل میرسد.
تابش بازتابی
از سطح زمین، ساختمانها، برف یا سایر اجسام بازتاب میشود.
مجموع این تابشها را تابش کل یا تابش روی سطح مینامند.
۳. مسیر خورشید و زاویه تابش
مقدار انرژی دریافتی پنل به موقعیت خورشید در آسمان بستگی دارد.
عوامل مهم عبارتاند از:
در نیمکره شمالی، پنلها معمولاً رو به جنوب نصب میشوند؛ اما جهت و زاویه دقیق باید با توجه به موقعیت جغرافیایی و هدف سیستم تعیین شود.
۴. زاویه آزیموت و زاویه شیب
زاویه آزیموت
جهت افقی پنل نسبت به شمال، جنوب، شرق و غرب است.
زاویه شیب
زاویه پنل نسبت به سطح افق است.
زاویه مناسب باید طوری انتخاب شود که پنل در ساعات و فصلهای موردنظر بیشترین تابش را دریافت کند. برای تولید سالانه، معمولاً زاویهای نزدیک به عرض جغرافیایی محل مناسب است؛ اما برای طراحی دقیق باید از دادههای تابش منطقه استفاده شود.
۵. اثر فتوولتائیک
اثر فتوولتائیک اساس تولید برق از پنل خورشیدی است.
وقتی فوتونهای نور به سلول نیمهرسانا، معمولاً سیلیکون، برخورد میکنند، الکترونها آزاد میشوند. حرکت این الکترونها باعث ایجاد جریان مستقیم یا DC میشود.
ساختار ساده سلول خورشیدی شامل موارد زیر است:
۶. مشخصات مهم پنل خورشیدی
روی پلاک پنل معمولاً مشخصات زیر نوشته میشود:
توان بیشینه PmaxP_{max}
توان نامی پنل در شرایط استاندارد است.
ولتاژ نقطه بیشینه توان VmpV_{mp}
ولتاژی که پنل در آن بیشترین توان را تولید میکند.
جریان نقطه بیشینه توان ImpI_{mp}
جریان پنل در نقطه بیشینه توان است.
Pmax=Vmp×Imp P_{max}=V_{mp}\times I_{mp}
ولتاژ مدار باز VocV_{oc}
ولتاژ پنل زمانی است که هیچ باری به آن متصل نیست.
جریان اتصال کوتاه IscI_{sc}
بیشترین جریان اندازهگیریشده در شرایط اتصال کوتاه است.
۷. اثر دما بر پنل
افزایش دمای پنل معمولاً باعث کاهش ولتاژ و کاهش توان خروجی میشود. بنابراین، پنل در هوای بسیار گرم الزاماً عملکرد بهتری ندارد.
عوامل مؤثر بر دمای پنل:
۸. راندمان پنل خورشیدی
راندمان نشان میدهد چه مقدار از انرژی خورشیدی به برق تبدیل میشود.
η=PالکتریکیG×A×100 \eta= \frac{P_{\text{الکتریکی}}} {G\times A} \times100
۹. عوامل کاهشدهنده تولید انرژی
تولید واقعی معمولاً کمتر از توان اسمی پنل است. مهمترین دلایل عبارتاند از:
سایه
سایه یک درخت، دودکش یا ساختمان میتواند تولید یک رشته از پنلها را بهشدت کاهش دهد.
گردوغبار و آلودگی
خاک، برف، فضولات پرندگان و آلودگی سطح پنل را میپوشانند و میزان نور ورودی را کاهش میدهند.
دمای بالا
افزایش دما موجب افت ولتاژ و توان میشود.
تلفات کابل
مقاومت کابل باعث افت ولتاژ و اتلاف توان میشود.
Ploss=I2R P_{\text{loss}}=I^2R
تلفات اینورتر
تبدیل برق DC به AC با راندمان صددرصد انجام نمیشود.
عدم تطابق پنلها
اختلاف در توان، زاویه، دما یا شرایط کاری پنلها باعث کاهش توان کل میشود.
تلفات باتری
در سیستمهای ذخیرهساز، بخشی از انرژی هنگام شارژ و دشارژ باتری از بین میرود.
۱۰. شرایط استاندارد آزمایشگاهی
توان اسمی پنل در شرایط استاندارد آزمایشگاهی یا STC اعلام میشود. این شرایط معمولاً شامل موارد زیر است:
۱۱. انواع فناوریهای خورشیدی
فتوولتائیک
برای تبدیل نور خورشید به برق استفاده میشود.
حرارتی خورشیدی
برای گرمکردن آب یا هوا بهکار میرود؛ مانند آبگرمکن خورشیدی.
نیروگاه خورشیدی حرارتی
با استفاده از آینهها، نور خورشید را متمرکز کرده و بخار تولید میکند. بخار، توربین و ژنراتور را به حرکت درمیآورد.
۱۲. انواع سیستمهای خورشیدی
سیستم متصل به شبکه یا On-Grid
ترکیبی از پنل، باتری، شبکه برق و گاهی ژنراتور است.
۱۳. نقش اینورتر
پنل برق DC تولید میکند، اما بیشتر لوازم خانگی و شبکه برق با AC کار میکنند. اینورتر وظایف زیر را انجام میدهد:
۱۴. ذخیرهسازی انرژی
چون خورشید در شب تابش ندارد و در هوای ابری تولید کاهش مییابد، میتوان انرژی را در باتری ذخیره کرد.
انرژی تقریبی باتری:
E=V×Ah E=V\times Ah
انرژی قابل استفاده:
[ E_{\text{usable}}
V\times Ah\times DoD\times\eta ]
۱۵. نسبت عملکرد سیستم
نسبت عملکرد یا PerformanceRatioPerformance Ratio نشان میدهد سیستم واقعی چه مقدار از انرژی نظری خود را تولید میکند.
PR=تولید واقعیتولید نظری PR= \frac{\text{تولید واقعی}} {\text{تولید نظری}}
این شاخص تمام تلفات ناشی از دما، کابل، کثیفی، اینورتر، سایه و سایر عوامل را دربرمیگیرد.
۱۶. اهمیت پایش و نگهداری
برای حفظ عملکرد سیستم باید موارد زیر بررسی شود:
۱۷. اصول ایمنی در انرژی خورشیدی
جمعبندی
برای شناخت انرژی خورشیدی، مهمترین اصول عبارتاند از:
P=V×I P=V\times I
و انرژی تولیدی تقریبی سیستم از رابطه زیر بهدست میآید:
Eروزانه≈Pآرایه×Hتابش مؤثر×PR E_{\text{روزانه}} \approx P_{\text{آرایه}} \times H_{\text{تابش مؤثر}} \times PR
که در آن HH تعداد ساعات تابش مؤثر و PRPR نسبت عملکرد واقعی سیستم است.
انرژی خورشیدی از تابش خورشید بهدست میآید و میتوان از آن برای تولید برق، گرمایش آب و تأمین گرما استفاده کرد. برای شناخت و طراحی سیستمهای خورشیدی، آشنایی با مفاهیم زیر ضروری است.
۱. تابش خورشیدی
خورشید انرژی خود را به شکل امواج الکترومغناطیسی به زمین میفرستد. این تابش شامل نور مرئی، پرتوهای مادونقرمز و فرابنفش است.
شدت تابش یا تابندگی IrradianceIrradiance
مقدار توان خورشیدی دریافتی در واحد سطح است.
G=PA G=\frac{P}{A}
واحد آن:
W/m2 W/m^2
برای مثال، در شرایط استاندارد آزمایشگاهی، شدت تابش معمولاً برابر با:
1000W/m2 1000W/m^2
در نظر گرفته میشود.
انرژی تابشی یا تابش تجمعی IrradiationIrradiation
مجموع انرژی دریافتی در یک بازه زمانی است.
واحدهای رایج:
kWh/m2/day kWh/m^2/day
یا:
Wh/m2 Wh/m^2
این مقدار برای تخمین تولید روزانه یا سالانه سیستم خورشیدی اهمیت زیادی دارد.
۲. تابش مستقیم، پراکنده و بازتابی
تابش خورشیدی روی سطح زمین به سه شکل دریافت میشود:
تابش مستقیم
مستقیماً از خورشید به پنل میرسد و معمولاً بیشترین اثر را در تولید انرژی دارد.
تابش پراکنده
بر اثر برخورد نور با ابرها، گردوغبار و مولکولهای هوا پراکنده میشود و از جهات مختلف به پنل میرسد.
تابش بازتابی
از سطح زمین، ساختمانها، برف یا سایر اجسام بازتاب میشود.
مجموع این تابشها را تابش کل یا تابش روی سطح مینامند.
۳. مسیر خورشید و زاویه تابش
مقدار انرژی دریافتی پنل به موقعیت خورشید در آسمان بستگی دارد.
عوامل مهم عبارتاند از:
- عرض جغرافیایی محل
- فصل سال
- ساعت روز
- جهت نصب پنل
- زاویه شیب پنل
- سایه ساختمانها و درختان
در نیمکره شمالی، پنلها معمولاً رو به جنوب نصب میشوند؛ اما جهت و زاویه دقیق باید با توجه به موقعیت جغرافیایی و هدف سیستم تعیین شود.
۴. زاویه آزیموت و زاویه شیب
زاویه آزیموت
جهت افقی پنل نسبت به شمال، جنوب، شرق و غرب است.
زاویه شیب
زاویه پنل نسبت به سطح افق است.
زاویه مناسب باید طوری انتخاب شود که پنل در ساعات و فصلهای موردنظر بیشترین تابش را دریافت کند. برای تولید سالانه، معمولاً زاویهای نزدیک به عرض جغرافیایی محل مناسب است؛ اما برای طراحی دقیق باید از دادههای تابش منطقه استفاده شود.
۵. اثر فتوولتائیک
اثر فتوولتائیک اساس تولید برق از پنل خورشیدی است.
وقتی فوتونهای نور به سلول نیمهرسانا، معمولاً سیلیکون، برخورد میکنند، الکترونها آزاد میشوند. حرکت این الکترونها باعث ایجاد جریان مستقیم یا DC میشود.
ساختار ساده سلول خورشیدی شامل موارد زیر است:
- لایه نیمهرسانا
- اتصال P−NP-N
- کنتاکتهای فلزی
- پوشش ضدبازتاب
- شیشه محافظ
۶. مشخصات مهم پنل خورشیدی
روی پلاک پنل معمولاً مشخصات زیر نوشته میشود:
توان بیشینه PmaxP_{max}
توان نامی پنل در شرایط استاندارد است.
ولتاژ نقطه بیشینه توان VmpV_{mp}
ولتاژی که پنل در آن بیشترین توان را تولید میکند.
جریان نقطه بیشینه توان ImpI_{mp}
جریان پنل در نقطه بیشینه توان است.
Pmax=Vmp×Imp P_{max}=V_{mp}\times I_{mp}
ولتاژ مدار باز VocV_{oc}
ولتاژ پنل زمانی است که هیچ باری به آن متصل نیست.
جریان اتصال کوتاه IscI_{sc}
بیشترین جریان اندازهگیریشده در شرایط اتصال کوتاه است.
نقل قول:در طراحی باید توجه کرد که VocV_{oc} در هوای سرد افزایش مییابد و ممکن است از حداکثر ولتاژ مجاز اینورتر بیشتر شود.
۷. اثر دما بر پنل
افزایش دمای پنل معمولاً باعث کاهش ولتاژ و کاهش توان خروجی میشود. بنابراین، پنل در هوای بسیار گرم الزاماً عملکرد بهتری ندارد.
عوامل مؤثر بر دمای پنل:
- دمای محیط
- تابش خورشید
- جریان هوا
- فاصله پنل از سطح زیرین
- رنگ و جنس سقف
۸. راندمان پنل خورشیدی
راندمان نشان میدهد چه مقدار از انرژی خورشیدی به برق تبدیل میشود.
η=PالکتریکیG×A×100 \eta= \frac{P_{\text{الکتریکی}}} {G\times A} \times100
- GG: شدت تابش برحسب W/m2W/m^2
- AA: مساحت پنل
- PP: توان خروجی
۹. عوامل کاهشدهنده تولید انرژی
تولید واقعی معمولاً کمتر از توان اسمی پنل است. مهمترین دلایل عبارتاند از:
سایه
سایه یک درخت، دودکش یا ساختمان میتواند تولید یک رشته از پنلها را بهشدت کاهش دهد.
گردوغبار و آلودگی
خاک، برف، فضولات پرندگان و آلودگی سطح پنل را میپوشانند و میزان نور ورودی را کاهش میدهند.
دمای بالا
افزایش دما موجب افت ولتاژ و توان میشود.
تلفات کابل
مقاومت کابل باعث افت ولتاژ و اتلاف توان میشود.
Ploss=I2R P_{\text{loss}}=I^2R
تلفات اینورتر
تبدیل برق DC به AC با راندمان صددرصد انجام نمیشود.
عدم تطابق پنلها
اختلاف در توان، زاویه، دما یا شرایط کاری پنلها باعث کاهش توان کل میشود.
تلفات باتری
در سیستمهای ذخیرهساز، بخشی از انرژی هنگام شارژ و دشارژ باتری از بین میرود.
۱۰. شرایط استاندارد آزمایشگاهی
توان اسمی پنل در شرایط استاندارد آزمایشگاهی یا STC اعلام میشود. این شرایط معمولاً شامل موارد زیر است:
- شدت تابش: 1000W/m21000W/m^2
- دمای سلول: 25∘C25^\circ C
- طیف استاندارد تابش
۱۱. انواع فناوریهای خورشیدی
فتوولتائیک
برای تبدیل نور خورشید به برق استفاده میشود.
حرارتی خورشیدی
برای گرمکردن آب یا هوا بهکار میرود؛ مانند آبگرمکن خورشیدی.
نیروگاه خورشیدی حرارتی
با استفاده از آینهها، نور خورشید را متمرکز کرده و بخار تولید میکند. بخار، توربین و ژنراتور را به حرکت درمیآورد.
۱۲. انواع سیستمهای خورشیدی
سیستم متصل به شبکه یا On-Grid
- به شبکه برق متصل است.
- معمولاً باتری ندارد.
- برق تولیدی مستقیماً مصرف یا به شبکه تزریق میشود.
- هنگام قطع شبکه، معمولاً برای ایمنی خاموش میشود.
- به شبکه برق وابسته نیست.
- معمولاً به باتری نیاز دارد.
- برای مناطق دورافتاده مناسب است.
ترکیبی از پنل، باتری، شبکه برق و گاهی ژنراتور است.
۱۳. نقش اینورتر
پنل برق DC تولید میکند، اما بیشتر لوازم خانگی و شبکه برق با AC کار میکنند. اینورتر وظایف زیر را انجام میدهد:
- تبدیل DC به AC
- کنترل نقطه بیشینه توان یا MPPT
- حفاظت در برابر خطا
- پایش ولتاژ، جریان و توان
- هماهنگی با شبکه در سیستمهای متصل به شبکه
۱۴. ذخیرهسازی انرژی
چون خورشید در شب تابش ندارد و در هوای ابری تولید کاهش مییابد، میتوان انرژی را در باتری ذخیره کرد.
انرژی تقریبی باتری:
E=V×Ah E=V\times Ah
انرژی قابل استفاده:
[ E_{\text{usable}}
V\times Ah\times DoD\times\eta ]
- DoDDoD: عمق مجاز دشارژ
- η\eta: راندمان باتری و تجهیزات
۱۵. نسبت عملکرد سیستم
نسبت عملکرد یا PerformanceRatioPerformance Ratio نشان میدهد سیستم واقعی چه مقدار از انرژی نظری خود را تولید میکند.
PR=تولید واقعیتولید نظری PR= \frac{\text{تولید واقعی}} {\text{تولید نظری}}
این شاخص تمام تلفات ناشی از دما، کابل، کثیفی، اینورتر، سایه و سایر عوامل را دربرمیگیرد.
۱۶. اهمیت پایش و نگهداری
برای حفظ عملکرد سیستم باید موارد زیر بررسی شود:
- تمیزبودن پنلها
- نبود سایه جدید
- سلامت کابل و کانکتور
- داغنشدن اتصالات
- عملکرد اینورتر
- وضعیت باتری
- مقدار تولید روزانه و ماهانه
- سلامت ارت و تجهیزات حفاظتی
۱۷. اصول ایمنی در انرژی خورشیدی
- پنل در حضور نور برق تولید میکند؛ پوشاندن ظاهری پنل بهتنهایی ایمنی کامل ایجاد نمیکند.
- پیش از کار، مدار DC و AC را جدا و نبود ولتاژ را اندازهگیری کنید.
- کانکتورهای DC را هنگام عبور جریان جدا نکنید.
- از کلید و فیوز مخصوص DC استفاده کنید.
- قطب مثبت و منفی را با مولتیمتر بررسی کنید.
- سازه فلزی و قاب پنلها را طبق مقررات ارت کنید.
- باتری را با فیوز مناسب و نزدیک ترمینال نصب کنید.
- هنگام کار روی سقف از تجهیزات جلوگیری از سقوط استفاده کنید.
- در زمان رعدوبرق، بارندگی یا خیسبودن تجهیزات کار نکنید.
جمعبندی
برای شناخت انرژی خورشیدی، مهمترین اصول عبارتاند از:
- تابش و شدت تابش
- زاویه و جهت تابش
- اثر فتوولتائیک
- توان و راندمان پنل
- اثر دما
- سایه و آلودگی
- سری و موازیکردن پنلها
- نقش کنترلر، باتری و اینورتر
- افت کابل و تلفات سیستم
- حفاظت، ارت و ایمنی
- پایش و نگهداری سیستم
P=V×I P=V\times I
و انرژی تولیدی تقریبی سیستم از رابطه زیر بهدست میآید:
Eروزانه≈Pآرایه×Hتابش مؤثر×PR E_{\text{روزانه}} \approx P_{\text{آرایه}} \times H_{\text{تابش مؤثر}} \times PR
که در آن HH تعداد ساعات تابش مؤثر و PRPR نسبت عملکرد واقعی سیستم است.