آموزش حرفه و فن
مطالبی مفید و دانستنی هایی فراتر از کتاب های درسی
صفحات وبلاگ
آرشیو وبلاگ
نویسنده: علی خزائی - ٢۸ خرداد ۱۳٩۱

باتری خورشیدی یا سلولهای فوتو ولتایی ابزارهایی الکترونیکی هستند که با استفاده از پدیده فوتو ولتائیک ، نور یا  فوتون را مستقیما به جریان و ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کنند. دانشمندان اولین باتری خورشیدی را در سال 1954 ، با استفاده از ماده نیمه رسانای سیلیسیوم ، در آزمایشگاههای تلفن بل ساختند.


باتری خورشیدی یا سلولهای فوتو ولتایی ابزارهایی الکترونیکی هستند که با استفاده از پدیده فوتو ولتائیک ، نور یا  فوتون را مستقیما به جریان و ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کنند. دانشمندان اولین باتری خورشیدی را در سال 1954 ، با استفاده از ماده نیمه رسانای سیلیسیوم ، در آزمایشگاههای تلفن بل ساختند.

دانشمندان و مهندسان بلافاصله به ارزش باتریهای خورشیدی برای تأمین انرژی ماهواره‌ها پی‌بردند، زیرا این باتریها جرم کمی دارند و هیچ بخش متحرک مکانیکی ندارند. نخستین ماهواره آمریکایی در فضا به باتریهای خورشیدی از جنس سیلیسیوم مجهز شد. و امروزه هم سلول فوتو ولتایی سیلیسیومی هنوز منبع قدرت همه سفینه های فضایی هستند. البته در این میان کاوشگرهایی که به فراسوی منظومه شمسی و مکان میانی که نور خورشید در آنجا ضعیف است رهسپار می‌شوند، استثنا هستند.

تهیه باتری خورشیدی :

باتری خورشیدی اولیه از تک بلور سیلیسیوم (Si) ساخته می‌شد که روی صفحات تختی کنار هم قرار می‌گرفت. کاربرد این روش ، برای مصارف عمومی و تولید انرژی در فضایی بزرگ ، بسیار گران تمام می‌شود. هر چند ماده خام SiO2 برای تهیه Si فراوان است، اما پالایش شن و خالص سازی کافی Si برای تهیه باتریهای خورشید پر هزینه است. برش قطعات بلوری منفرد به صورت قطعه‌ نازکی که ویفر نام دارند، نیازمند بریدن با الماس ، پرداخت بیشتر و بالاخره چندین عمل اضافی برای افزودن ناخالصیهای مناسب است.


کاهش هزینه ساخت:

یک روش ممکن برای کاهش هزینه ، که در مورد بلوری گران قیمت نظیر Si و اخیرا گالیوم ارسنید (GuAs) ، استفاده از عدسی بزرگ و ارزان قیمت فرنل برای تمرکز نور روی سلول کوچک است. ضرایب تمرکز 25 تا 1000 با موفقیت بکار گرفته شده است. اگر چه طراحی تمرکز دهنده‌ها نیاز به ردگیری دو بعدی وضعیت خورشید در طول روز است.

 

سلول های خورشیدی چگونه برق تولید می کنند؟

سلول های فوتوولتائیک به عنوان تولید کننده مستقیم جریان DC به وسیله نور خورشید می باشند. وقتی فوتون های نور به سلول خورشیدی برخورد می کنند به الکترون های آزاد در کریستال سیلیکون برخورد نموده و آن ها را به مدار خارجی (باتری، اینورتور و...) می راند و از سوی دیگر سلول وارد شده تا این فرایند دوباره تکرار شود. ولتاژ خروجی حاصل از یک کریستال حدود 5/0 ولت بوده که به طور مستقیم با مساحت سطح سلول و تقریبا 7 آمپر به ازای یک سلول با 6 اینچ مربع مساحت که از چند کریستال چند لایه ساخته شده متناسب می باشد. به طور نمونه 30 تا 36 سلول به طور سری در هر ماژول خورشیدی متصل می شوند که تولیدی برابر 17 ولت در حداکثر قدرت (با خروجی اسمی 12 ولت) خواهد داشت. با اتصال ماژول ها به صورت سری یا موازی یک آرایه خورشیدی ایجاد خواهد شد.


استفاده از مواد در باتری خورشیدی:

طرح بسیار نوید بخش دیگری برای سلول فوتو ولتایی ، کاربرد ورقه‌های فیلمهای بسیار نازکی است که روی مواد نظیر شیشه یا فولاد زنگ نزن نشانده می‌شوند. سه ماده که به صورت ورقه‌های نازک (به ضخامت تقریبی 1 تا 3 میکرومتر) نتایج فوتوولتایی خوبی بدست داده‌اند. عبارتند از: سیلیسیوم هیدروژن دار آدورف (α - Si:H) ، سی اندپوم دی سلیند (CuLnSe2 یا بطور ساده CIS) و کادمیوم تلورید (CdTe). ماده‌ α - Si:H به صورت ورقه‌های نازک با ساختار آمورف ، ساختار چند بلوری با دانه‌هایی به صورت ورقه‌های نازک با ساختار بلوری با دانه‌هایی به اندازه حدود 1 میکرومتر کاربرد دارند.

خورشید فوتو ولتایی در باتری خورشیدی CdTe :

فرآیند فوتو ولتایی در باتری خورشید CdTe در شکل زیر داده شده است. هر کوانتوم نور (فوتون) دارای انرژی hv است که در آن h ثابت پلانک و v بسامد نور است. (υ = C/λ) که در آن C سرعت نور و λ طول موج نور است). چنانچه انرژی فوتون بیشتر از گاف انرژی نیم رسانا (فاصله میان نوارهای نوارهای ظرفیت و رسانش) باشد، به آن صورت فوتون جذب ماده می‌شود و الکترونی را از نوار ظرفیت برانگیخته می‌کند و به نوار رسانش می‌برد که الکترون در آنجا می‌تواند آزادانه درون بلور به حرکت در آید.

الکترون بار منفی دارد، اما حفره ایجاد شده در نوار ظرفیت دارای بار مثبت است. وقتی که الکترون حفره به سرعت از هم جدا نشوند، الکترون جذب حفره مثبت می‌شود و بدون ایجاد هیچ جریانی نابود خواهد شد. بنابراین لازم است که میدان الکتریکی برای جداسازی بارها برقرار شود. این کار با افزودن مقدار کمی ناخالصی آلاییده به نیم رسانا و ایجاد پیوندگاهی میان مناطق نوع n (که ذرات حامل بار در آن بار منفی دارند) و نوع p (که با ذرات حامل در آن مثبت است) انجام می‌شود، شکل 1 پیوند ناهمگنی را نشان می‌دهد که کادمیوم سولفید (CdS) نوع n و کادمیوم تلورید (CdTe) نوع p تشکیل شده است.

هنگامی که فوتون ، زوجهای الکترون - حفره را در نزدیکی این پیوندگاه n - p که در آن میدان الکتریکی قوی برقرار است ایجاد کند، فرآیند فوتو ولتایی بیشترین بازدهی را خواهد داشت. باتری خورشیدی در این حال حفظ به اتصال های فلزی نیاز دارد. تا با سیم هایی که به جریان الکتریکی در وسیله ای خارجی امکان عبور می دهند مرتبط شود. برای باتری CdS/CdTe ، اکسید قلع (SnO2) به عنوان اکسید رسانشی شفاف (TCO) برای اتصال به CdS نیز نیکل،
گرانیت ، یا طلابرای اتصال CdTe کاربرد دارند.

آیا سلول های خورشیدی در هر نقطه ای کار می کنند؟


سلول های خورشیدی در همه نقاط کار می کنند و در بعضی نقاط بهتر کار می کنند. تابش خورشید پارامتری برای اندازه گیری قدرت خورشیدی بر روی سطح زمین بوده و حداکثر آن حدود 1000 وات بر متر مربع می باشد. با یک راندمان معمولی حدود 14 تا 20 درصد برای سلول خورشیدی می توان انتظار داشت حدود 140 الی 200 وات بر متر مربع سلول ها در خورشید کامل تولید گردد. مبنایی برای اندازه گیری انرژی در دسترس خورشید بر حسب ساعات تابش کامل خورشید (مثلا 4 ساعت در روز در تابش 1000 وات بر متر مربع) می توان بیان نمود. بعضی بخش ها در زمین نور بیشتری نسبت به نقاط دیگر دریافت می نمایند. بنابراین نقشه نواحی تابش خورشید یک ایده کلی از میزان انرژی منتقل شده در هر منطقه، در ساعات حداکثر تابش خورشید در روز ارائه می نماید.

چه مولفه هایی در یک سیستم off-grid لازم می باشد؟


مولفه های بسیاری برای تکمیل یک سیستم انرژی خورشیدی وجود دارد ولی چهار مورد ماژول خورشیدی، کنترلر شارژ، باتری و اینورتور از اساسی ترین مولفه ها هستند. ماژول های خورشیدی به طور فیزیکی بر روی استراکچرهایی نصب شده و برق DC تولید شده به کنترلر شارژ قبل از ذخیره شدن در باتری وارد می شود. دو وظیفه اصلی کنترلر شارژ جلوگیری از اضافه شارژ در باتری و نیز حذف جریان معکوس از باتری به ماژول در هنگام شب می باشد. باتری ها وظیفه ذخیره انرژی که توسط سلول ها در روز تولید شده را برای استفاده در هر موقعیت دارند. باتری ها در اندازه ها و گریدهای مختلف تولید می شوند. اینورتور انرژی DC ذخیره شده در باتری ها را به برق متناوب 120 یا 240 ولت AC تبدیل می نماید.

 

منبع: دانشنامه رشد، سایت شرکت سامان انرژی

        

علی خزائی
دبیر حرفه و فن مدرسه راهنمایی ابوریحان بیرونی - سرگروه حرفه و فن و عضو کمیسیون فناوری اطلاعات و ارتباطات مقطع راهنمایی شهرستان اسدآباد
نویسندگان وبلاگ:
کدهای اضافی کاربر :


تماس با ما

.

.

.

.

مشاهده جدول کامل ليگ برتر ايران