آموزش طراحی وب و برق

اجزای نیروگاههای فتوولتاییک

جستجو در گروه برق
خلاصه آمار
بازدید امروز : 99 نفر
بازدید دیروز : 32 نفر
کل بازدید ها : 155071 نفر
تعداد کل مطالب : 240
افراد آنلاین : 3 نفر
ایمیل گروه: azubargh@samenblog.com
آخرین بروز رسانی در: 1396/4/28
طبقه بندی موضوعی
دوستان ما
تبادل لینک



الف – ۱) تعاریف و مشخصه های الکتریکی سلولهای خورشیدی

مدار معادل: یک سلول خورشیدی را زمانی که در مقابل تشعشعات خورشیدی قرار گرفته است و به آن باری متصل می باشد، می توان از نظر الکتریکی به طور ساده مطابق با شکل (۴-۳) مدل نمود. این مدار ترکیبی از یک منبع جریان ، یک دیود ، یک مقاومت سری و یک مقاومت موازی می باشد.

مقاومت ها در مدار معادل، معرف تلفات درسلول می باشند. تلفات در سلول معلول مواردی نظیر انعکاس نور خورشید درسطح سلول، جذب فرتونها بدون ایجاد الکترون و حفره های آزاد ، ترکیب مجدد الکترون و حفره های آزاد شده و … می باشد. با صرفنظر نمودن از مقاومت موازی داخلی، معادله مشخصه سلول خورشیدی به شکل زیر قابل بیان می باشد:

(۴-۱)

که در آن   Iphoto  معرف جریان تولید شده توسط تابش نور،  Isat  مصرف جریان اشباع معکوس، A معرف ضریب وابسته به همجنس نیمه هادی ، q معرف باریک الکترون، k معرف ثابت بولتزمان، معرف ثابت بولتزمان، T معرف دمای سلول بر حسب درجه کلوین و Rsمعرف مقاومت سری سلول می باشد.

شدت جریان اتصال کوتاه:

اگر دو انتهای یک دیود را به وسیله یک هادی اتصال کوتاه کنیم هیچ جریانی در مدار مذکور جاری نخواهد شد، زیرا ولتاژ دو سر دیود صفر است. بین تمایل جریان حاصل به علت عمل انتشار و اثر باز دارندگی مانع پتانسیل موجود در محل پیوند توازن حساس وجود دارد. همانطور که در شکل (۴-۴) نشان داده شده ، با تابش نور بر روی دیود این توازن به هم می خورد و جریانی که آن را بدرستی جریان اتصال کوتاه Isc ، نامیده انداز انتهای طرف P  به انتهای طرفn  در مدار جاری می شود.

مناسب ترین راه تجزیه و تحلیل جریان اتصال کوتاه، تقسیم طیف خورشیدی است به چندین بخش ،که هر یک از آنها گسترده باریکی از طول موج را در بر می گیرد و سپس یافتن جریان ناشی از هر یک از این بخش های طیفی ، چون هر یک از این بخش های طیفی اساساً تک رنگ هستند می توان از یک طول موج منفرد  l  و یک ضریب جذب   استفاده کرد. چنانچهF(l)  تعداد فرتونهای تأیید شده در این بخش طیفی بر سانتی متر مربع بر ثانیه باشد، میزان تولید حاصل ( برحسب    cm-3s-1) به قرار زیر است.

که R مقدار باز تابندگی سطح سلول خورشیدی بوده و به طور کلی تابعی از l  است. معادلات پیوستگی حامل اقلیت عبارتند از:

(۴-۴)                                برای الکترونها در ماده نوع p

(4-5)                                  برای حفره ها در ماده نوع n

که در فرمول های بالا Jn و Jp از رابطه های زیر به دست می آیند:

که در روابط بالا J چگالی جریان،  قابلیت تحرک و     ضریب انتشار است. اندیسهای n,p بر الکتروونها و حفره ها دلالت دارند به جز در موردPn, np که به ترتیب تراکم الکترون در طرف p و تراکم حفره ها در طرف n است. اندیس ۰ معرف حالت تقارن است.

به فرض اینکه میدان های الکتریکی خارج از ناحیه ی تخلیه صفر باشد، پاسخ کلی معادله (۴-۵) به قرار زیر است:

مقادیر A , B را می توان از روی شرایط مرزی تعیین کرد معادلات شرایط مرزی عبارتند از :

(۴-۹)                                                                          x=xj            Pn=Pn0eJv/KT

(4-10)                                                                  Np=np0 eJv/KT          x= xj+w

درمعادلات بالا s سرعت ترکیب مجدد سطحی می باشد.

شرایط مرزی قابل اعمال هستند مگر در حالتی که در معادلات (۴-۹ ) و (۴-۱۰)  باشد (یعنی اتصال کوتاه باشد).

جریان نوری پدید آمده حفره در محل پیوند ،  x=xj  عبارت است از :

این جریان نوری ناشی از حفرهایی است که در لایه بالایی یک سلول خورشیدی با پیوند  تولید و توسط آن پیوند جمع آوری شده است. به طور مشابه ، معادله (۴-۴) را نیز می توان حل کرد تا جریان نوری پدید آمده از الکترونها، که از لایه p پشت پیوند در محل پیوند جمع دشه اند ، به دست آید.

میدان الکتریکی ناحیه تخلیه به قدری قوی است که تقریباً همه حامل های پدید آمده از نور قبل از آنکه فرصت یابند دوباره با هم ترکیب شوند، از ناحیه تخلیه رانده میشوند. بنابراین، جریان نوری حاصل از ناحیه تخلیه (Jd2)  برابر تعداد فوتونهای جذب شده ضرب در Jاست

کل جریان نوری اتصال کوتاه   (Jsc) برابر مجموع جریان پدیده از حفره ها و جریان پدید آمده از الکترونها و جریان پدید آمده از ناحیه تخلیه است. اگر در معادله های (۴-۱۳) و (۴-۱۴) به جای اندیس n ، اندیس p و بالعکس قرار دهیم ، می توانیم آنها را برای سلول های   بنویسیم. جریان اتصال کوتاه تابعی از طرح سلول بوده و متناسب با شارفرتونی است.

ولتاژ مدار باز: ولتاژ دو سر یک سلول را هنگامی که بار خارج به آن متصل نباشد، ولتاژ مدار باز می نامند توان خروجی یک سلول خورشیدی: حاصلضرب ولتاژ دو سر سلول وشدت جریان عبوری از مدار، را هنگامی که یک بار به سلول متصل شده باشد، توان خروجی سلول می نامند.

همانطور که در این شکل مشهود استفاده مشخصه ولتاژ جریان سلولهای خورشیدی شدیداً غیر خطی می باشد نقطه ای که در آن حاصلضرب ولتاژ و جریان بیشترین مقدار خود را داشته باشد و نقطه توان حداکثر MPP ، سلول نامیده می شود. این نقطه در شکل با Pmaxو ولتاژ و جریان متناظر با آن به ترتیب باIm, Vm   نمایش داده شده اند. درا ین شکل  Voc معرف ولتاژ مدار باز و Isc معرف شدت جریان اتصال کوتاه است.

میزان مستطیلی بودن: منحنی مشخصه ولتاژ – جریان در نظر شکل ظاهری تا حدودی به مستطیل نزدیک می باشد، که این میزان نزدیکی را به فاکتوری موسوم به فاکتور پرکنندگی FF  نمایش می دهند و مطابق رابطه زیر محاسبه می نمایند:

(۴-۱۶)

هر قدر مقدار فاکتور پر کنندگی به عدد یک نزدیکتر باشد، سلول از نوع مرغوبتری است. مقدار این فاکتور برای سلولهای تجاری موجود بین۶/۰ تا ۸/۰ می باشد.

بازدهی سلولهای خورشیدی: همانطور که ذکر گردید ، حداکثر توان قابل استخراج از سلول خورشیدی که در صورت بارگیری مناسب از آن حاصل می شود ، نقطه توان حداکثر سلول نامیده می شود.نسبت میزان حداکثر توان حاصله از سلول pmax   به میزان کل توان دریافتی توسط آن pt ، به عنوان بازدهی سلول خورشیدی   در نقطه توان حداکثر محسوب می گردد.

عوامل تأثیر گذار بر منحنی مشخصه ولتاژ – جریان:

 منحنی مشخصه ولتاژ – جریان همزمان با دو فاکتور میزان تابش خورشید و دمای محیط تغییر می کند. افزایش دما، اثرات نامطلوبی بر عملکرد سلولها دارد و به طور کلی بازدهی آنها را کاهش می دهد. میزان افت ولتاژ مدار باز سلولها حدود ۳/۰ تا ۴/۰ درصد برای هر درجه افزایش دمای محیط می باشد، در حالی که افزایش جریان اتصال کوتاه تنها حدود ۰۲۵/۰ تا ۰۷۵/۰ درصد باری هر درجه افزایش دما است، و نتیجه کلی کاهش بازدهی سلول به اندازه ۰۵/۰ درصد با زای هر درجه سانتیگراد افزایش های محیط می باشد.

الف – ۲) مدار تشکیل دهنده سلولهای خورشیدی

متداول ترین سلولهای مورد استفاده خورشدی از نوع سیلیکون می باشند. دلیل اصلی این امر، توسعه سریع، و تولید صنعتی سیلیکون، به صورت انبوه، هزینه کم و بازدهی بالای آن در مقایسه با سایر نیمه هادی ها می باشد. درسالهای اخیر سلولهای گالیوم – آرسناید (GaAs) بصورت جدی مطرح و مورد استفاده قرار گرفته اند. کاربرد سلولهای چند طبقه ای (متشکل از چند نیمه هادی ) در مراحل تحقیقاتی می باشند و هنوز به صورت صنعتی تولید نشده اند . از جمله مزایای گالیوم آرسنایددرمقایسه با سلولهای سیلیکونی بازدهی بیشتر ، عملکرد بهتر درشرایط تغییر دما و مقاومت بیشتر آنها در مقابل تشعشعات خورشیدی می باشد و از جمله محدودیتهای آنهاف وزن و قابلیت های شکنندگی بیشتر می باشد. در حال حاضر بعلت تولیدات محدود قیمت سلولهای گالیوم – آرسناید درمقایسه با سلولهای سیلیکونی بیشتر می باشد.

 (w/kg) جدول (۴-۱) نیمه هادیهای مورد استفاده در سلولهای خورشیدی

نوع سلول

بازدهی {%}

ضخامت(mm)

توان خروجی

سیلیکون

۱۵%

۵۰۳

۷۵

گالیوم ارسناید

۲۱%

۲۰۰۳

۸۵

چند طبقه ای

۳۰%

-

-

ب) مدولهای خورشیدی

انرژی خورشیدی بسیار محدود می باشد، بنابراین برای به دست آوردن ولتاژ جریان بالا، سلولهای خورشیدی به صورت سدی و موازی استفاده می گردند. هنگامی که سلولها تنها بصورت سری استفاده شوند، خروج یک سلول از مداربعلت خرابی یا عدم تابش نو بدلیل خورشید گرفتگی با سایه باعث قطع انرژی کل سیستم خواهد شد. ترکیب سری – موازی سلولها در بهبود عملکرد سیستم هنگام خرابی یا خروج یک یا تعدادی از سلولها از سیستم کمک می کند و از تغییرات ناگهانی توان خروجی بعلت خروج یک یا تعدادی از سلولها از مدار جلوگیری می نماید.

در نتیجه اتصال سری و یا موازی سلولها، منحنی مشخصه آنها در محور ولتاژ (حالت سری) و یا در محور جریان (حالت موازی) با یکدیگر جمع می شوند. بدین ترتیب همواره یک منحنی واحد برای مجموع سلولها پدید می آید، که در ظاهر شبیه منحنی مشخصه یک سلول منفرد است.

۴-۲ سرمایش و جمع آوری انرژی حرارتی :

تمرکز نور خورشید مسلماً باعث بالا رفتن دمای سلول می شود. برای حفظ حداکثر بازده سلول باید از سرد کننده فعال یا غیر فعال استفاده کرد و این خود موجب افزایش هزینه سیستم خواهد شد. از طرف دیگر، انرژی حرارتی به محصولی فرعی از سیستم های فتوولتایی متمرکز کننده تبدیل می شود که از لحاظ اقتصادی موجب افزایش هزینه خواهد شد.

دمای سلول از روی نفوذ توان حرارتی و مقاومت حرارتی مسیر گرما،Ro  تعیین می شود.

(۴-۱۸)                                                          مساحت پیل ×

در این فرمول Tc دمای سلول Ta دمای هوا یا مایع سرد کننده محیطی ، X نسبت تمرکز و   بازده سلول است. افزایشX  سبب بالا Tc رفتن می شود . با افزایش دمای سلول ، Isc  شروع به بالا رفتن می کند که این به علت اصلاح طول عمرهای حاصل است ، اما عامل پر کنندگی و ولتاژ مدار باز کاهش می یابند. تأثیر کلی این مطلب این است که بازده سلولهای خورشیدی سیلیکونی عبارت است از :

(۴-۱۹)                                                      (۲۵ْc).[1-0/004(Te-25)]  (Tc)=

واضح است که با به حداقل رسیدن Tc مقدار  به حداکثر می رسد و این خود باعث خواهد شد هزینه مبدل حرارتی به حداکثر برسد.

۴-۳مکانیسم تلف در سلولها : در این بخش تلفاتی را مورد بررسی قرار می دهیم که درسوللهای حقیقی می توانند سبب کاهش بازده به اندازه کمتر از سطوح نظری ( تا ۲۴ درصد) شوند .

۴-۳-۱ تلفات نوری

این تلفات بر دو نوع اند:

۱-   افت های بازتاب

۲-   جذب خارجی غیر سودمند توسط لایه ها یا فصول مشترک

تلفات نوری ممکن است بین ۵ تا ۲۵ درصد متغیر باشد که از صفر تا ده درصد این رقم مربوط به جذب خارجی است. افت های بازتاب چندین سطح مشترک از حداقل ۵ درصد تا ۱۸ درصد متفاوت است که در مرز بین هوا و محفظه سلول (صفر تا ۳ درصد) کنتاکت شفاف (۵ تا ۱۰ درصد با اختلاف اندک رنگ؛ اگر یک اکسید هادی به کار رود میزان تلفات بین صفر تا ۲ درصد خواهد بود). سطوح مشترک نیمه هادی (صفر تا ۵ درصد ) ور د محل کنتاکت (کمتر از ۲ درصد) صورت می گیرند.

۴-۳-۲ تلفات الکتریکی

این تلفات معمولاً به سه دسته تقسیم می شوند:

۱- تلفات جریان که ناشی از حاملهای اقلیتی است که جمع آوری نشده و به حاملهای اکثریت تبدیل نگشته اند.

۲- تلفات ولتاژ که تقلیل، Voc به کمتر از ولتاژ حداکثر احتمالی است و از تحریک حاملها به باند هدایت درون نیمه هادی جذب کننده – تولید کننده ناشی می شود.

۳- تلفات مقاومت که ناشی از مقاومت سری و موازی و نیز مشخصه نامطلوب دیود است و همگی اینها عامل پرکنندگی (ff) را در نقطه حداکثر توان کاهش می دهند.

سلول های مناسب ، تلفات جریان ناشی از ترکیب مجدد حاملها در حجم سلول ممکن است از ۵ تا ۲۰ درصد، ترکیب مجدد سطحی از صفر تا ۵ درصد است. تلف جریان ناشی از ترکیب مجدد درسطح مشترک یک سلول با پیوند ناهمگن قابل توجه است.

تلفات ولتاژ درسلولهای مسدود کننده شاتکی وسلولهای نوع پیوند pn  با عوامل تعیین کننده Vocمانند طول عمر ترکیب مجدد حجمی یا نرخ ترکیب مجدد سطحی و فصل مشترکی، و همچنین با شکاف انرژی و سطوح ناخالصی در طرفین مخالف پیوند کنترل می شود. درسطوح ناخالصی زیاد؛ کم شدن فاصله نوارها، اثرات نزول و ترکیب مجدد سبب افزایش میزان تلفات ولتاژ می شوند.

تلفات مقاومت سری از عبور جریان درمسیرهای مقاومتی درون لایه جلو سلول پیوند  pn ناشی می شود و بنابراین به مواد زیر بستگی دارد:

فاصله بندی شبکه، ضخامت لایه مذکور و وجود هر گونه نقصان که باعث پراکندگی حاملها در آن لایه میشود. مقاومت موازی محدود ممکن است از نشت سطحی پیوند یا مسیرهای هدایت کننده ای ناشی شود که توسط انتشار ناخالصیها در امتداد مرزهای دانه یا احتمالاً با ایجاد دالانهایی در میان پیوند به وجود می آیند که در آن دالانها ناخالصی نامتجانسی هست که میدان الکتریکی را متمرکز می کنند.

۴-۳-۳ تلفات ناشی از فرایند های تنزل کارآیی

به چند دلیل ممکن است خروجی سلولهای خورشیدی به تدریج از مقادیر اولیه شان کمتر گردند. گرد و غبار بر روی پیل ها جمع می شوند ولی به تناوب می توان آن را پاک کرد. فرایندها ی غیر قابل برگشت تنزل کار آیی درونی عبارتند از پراکندگی ناخواسته مواد اتصال یا ناخالصیها و حتی فرایند جدا سازی الکتریکی ماده در مناطقی که چگالی جریان زیاد است. فرآیند های غیر ذاتی عبارتند از اکسیداسیون لایه های نیمه هادی، فساد اتصال یا پوشش ضد بازتاب و تیرگی محفظه به علت تشعشع ماورای بنفش و قرار گرفتن آنها در شرایط جوی مختلف و اثرات دوره ای دمای شدید در زمانی که سلول در حین کار است. درسایه قرار گرفتن یک مجموعه یکپارچه سری ممکن است پیل هایی که درسایه واقع می شوند را خراب کند. بر اثر ولتاژ بایاس معکوس پیل های تحت نور در صورتی که دیودهای محافظ برسد راه آنها تعبیه نشده باشد صورت می گیرد.

۴-۴ تنظیم کننده نقطه حداکثر توان

هنگامی که یک آرایه خوریدی درمعرض تابش خورشید قرار می گیرد و باری تغذیه می نماید، لزوماً بارگیری بر نقطه توان حداکثر منطبق نمی باشد. لذا با توجه به قیمت زیاد آرایه خورشیدی ضروری است که همواره نقطه کار آن در نقطه توان حداکثر قرار گیرد تا بیشترین توان ممکن از آرایه جذب شود. حال سوال این است که درباره این عدم انطباق چه باید کرد؟

آنچه واضح است این است که یک ترانسفورماتورdc  مورد نیاز است. عمل تبدیل ولتاژ dc توسط مداری صورت می گید که به برش کننده یا کندرتور dc به Dc موسوم است.

در شکل ۴-۵ چنین مداری ترسیم شده . ترانزیستور مدار در حالت کلید زنی عمل می کند. این ترانزیستور یا قطع است (مدار باز ) یا در ناحیه اشباع کار می کند. و تقریباً یک اتصال کوتاه را (با حداکثر چند ولت افت ولتاژ ) تشکیل می دهد. هنگامی که این ترانزیستور وصل استفاده دیود بایاس معکوس است و جریان از خود عبور نمی دهد و جریان مجموعه یکپارچه سلول خورشیدی از سلف و ترانزیستور می گذرد. درا ین مدت جریان افزایش می یابد و انرژی ذخیره شده درسیم پیچ(۱/۲Li2)  زیاد می شود .

هنگامی که ترانزیستور قطع است ، جریان مجموعه یکپارچه پیل از سلف و دیود می گذرد و به باتری می رسد. در این مدت، تفاوت بین  VB,V(نشان داده خواهد شد که  VB  از V بزرگتر است) سبب کاهش جریان سلف می شود.

در یک دوره زمانی ، انرژی خروجی مجموعه یکپارچه میباید در انرژی داده شده به باتری برابر باشد. با نادیده گرفتن تلفات انرژی در سلف، ترانزیستور و دیود خواهیم داشت:

(۴-۲۰)                                                          V.I.(Ton+Tovv) =VB.I.Toff                         

درصورت حذف I از دو طرف معادله داریم:

به این ترتیب فقط با تنظیم نسبت   ، مجموعه یکپارچه می تواند با هر ولتاژی کمتر از ولتاژ VB کار کند.

چگونه می توانیم دریابیم که  I,V  چه موقع در نقطه حداکثر توان تنظیم شده اند؟

احتمالاً ساده ترین روش تشخیص آن است که در نقطه حداکثر توان، مشتق  نسبت به v یا i معادل صفر باشد.

چون v , i به طور پیوسته تغییر می کنند (شکل ۴-۶) مشتق   را می توان در هر سیکل حساب کرد و با   مقایسه کرد. هرگاه آنها با هم برابرباشند، نقطه حداکثر توان به دست آمده است.

معادله (۴-۲۳) . اگر   بزرگتر از -  باشد، در این صورت V بزرگتر از ولتاژ نقطه حداکثر توان است و باید افزایش   آن را کاهش داد و برعکس.

برای جلوگیری از انحراف بیش از حد از نقطه حداکثر توان باید با استفاده از اندوکتانس (ضریب خودالقایی ) زیاد یا مدت کم + T off Tonو یا هر دو، تغییرات  i , V را محدود کرد. ترانزیستورهایی وجود دارند که تا ۱۰۰ آمپر و ۵۰۰ ولت قابلیت تحمل دارند. برای دارا بودن توان بیشتر از ترانزیستور استفاده می کنیم.

۴-۵ واحد ذخیره سازی انرژی

با تغییر شرایط محیط مانند دما و شدت نور ، توان تولید شده آرایه خورشیدی تغییر می کند ، که ممکن است زمانی این توان بیشتر و زمانی کمتر از توان مورد نیاز باشد. بنابراین به یک واحد ذخیره سازی انرژی به خصوص درسیستم های فتوولتایی منفصل از شبکه نیاز است، تا توان مازاد تولید شده توسط مبدل فتوولتاییک را در آن ذخیره کرده و درشرایط کاهش تولید،کمبود توان موردنیاز بار را تأمین نماید. البته با پیوند یک سیستم مجزا و نظیر دیزل ژنراتور به سیستم فتوولتایی، نیز می توان پیوستگی در تأمین برق مشترکین را دریک سیستم منفصل از شبکه سراسری ایجاد نمود.

در مواردی که سیستم به شبکه متصل می باشد، الزاماً نیازی به ذخیره سازی انرژی تولیدی سیستم نمی باشد. در سالیان اخیر در کشورهای پیشرفته ، از سیستم های متشکل از الکترولایزر و پیل سوختی جهت پشتیبانی از سیستم های فتوولتایی برای تولید بدون وقفه انرژی الکتریکی استفاده می گردد. دراین سیستم ها، انرژی الکتریکی مازاد تولیدی در پانلهای خورشیدی، در دستگاه الکترولیز آب ، جهت تولید هیدروژن مورد استفاده قرار می گیرد. هیدروژن حاصل در مخازنی ذخیهر می گردد و در مواقع نیاز در پیل های سوختی تولید برق می نماید. از هیدروژن ذخیره شده ، همچنین می توان در نیروگاههای متداول حرارتی برای تولید برق، در تجهیزات گرمایشی برای تولید گرما و حتی در خودروها به عنوان سوخت استفاده نمود.

در حال حاضر، روش معمول جهت ذخیره سازی انرژی الکتریکی مازاد سیستم های فتوولتایی ، استفاده از باتری های الکتروشیمیایی با قابلیت شارژ مجدد می باشد. انرژی ذخیره شده در باتریها، در مواقع مورد نیاز در دسترس مصرف کنندگان قرار می گیرد. باتری ها در انواع مختلف با سطوح ولتاژ، جریان ، ظرفیت و مدت زمان و شارژ متنوع طراحی و ساخته می شوند. جهت فراهم آوردن ظرفیت و ولتاژ مورد نظر، باتری ها از یک مجموع سری و موازی سلول که به سلول باتری معروف می باشند، استفاده می نمایند. هر سلول باتری از سه قسمت اصلی به نام های آند ، کاتد ، الکترولیت تشکیل می گردد. در هنگام شارژ باتری الکترونها از آند با طرف بار جاری می شوند. این عمل باعث اکسید شدن آند و هم چنین احیاء مواد تشکیل دهنده کاتد (به علت جذب الکترونها) می گردد. در الکترولیت ، آنیون ها (یونهای منفی ) به سمت آند و کاتیونها یا همان یونهای مثبت به سمت کاتد جاری می شوند. روند دشارژ باتری مشابه حالت شارژ می باشد. با این تفاوت که الکترودی که درحالت شارژ نقش آند را به عهده دارد، در حالت دشارژ نقش کاتد را به خود می گیرد.

در کاربرد باتری ها درسیستم فتوولتایی جهت ذخیره انرژی ، مسائلی مانند عمر باتری ( حداکثر تعداد دفعات شارژ و دشارژ باتری) ، زمان شارژ و دشارژ ، دمای مناسب ، میزان تلفات انرژی هنگام شارژ و دشارژ و میزان دشارژ خود به خودبی باتری باید در نظر گرفته شود. نوع باتری به کاربرد مبدل فتوولتاییک بستگی دارد. به عنوان مثال، در کاربردهای فضایی عمدتاً از باتری نیکل – کادمیم و یا نیکل – هیدروژن  استفاده می شود. این باتری ها دارای ظرفیت بالایی می باشند. و در مقایسه با باتری های اسید – سرب نیاز به نگهداری کمتری دارند، اما گرانتر می باشند. برخی از مزایا و معایب باتری نیکل – کادمیم به شرح زیر است:

مزایا

۱-   توانایی شارژ شدن بیش از حد مجاز بدون صدمه دیدگی

۲-   توانایی باقی ماندن باشارژ ناچیز در مدت زمان زیاد بدون صدمه دیدن

۳-   بالا بودن امکان حمل و نقل به دلیل تحمل مکانیکی بیشتر

۴-   توانایی تحمل سرمای زیاد بدون صدمه دیدن

معایب:

۱- قیمت زیاد (در یک ظرفیت برابر باتری اسید – سرب، حدود سه برابر بیشتر است.

۲-   بازدهی ذخیره انرژی کم (۵۵ تا ۶۰ درصد برای کاربرد فتوولتاییک)

۳-   کاهش قابل توجه ظرفیت هنگام دشارژ کم در کاربرد فتوولتاییک

۴-۶ اینورتر ولتاژ

اگر خروج Ac برای مبدل مورد نظر باشد، به عنوان مثال در صورتی که می بایست انرژی تولیدی مبدل فتوولتاییک به شبکه قدرت تزریق شود، لازم است که ولتاژ خروجی Dc تولید شده مبدل ، توسط یک مدار الکترونیکی ، به ولتاژ متناوب تبدیل شود که بسته به نوع کاربرد می تواند تک فاز یا سه فاز باشد. مدار الکترونیکی مورد استفاده در تبدیل Ac , Dc ، اینورتر نامیده می شود. ولتاژ Dc ورودی به اینورتر دریک نیروگاه فتوولتایی می تواند از خروجی آرایه های خورشیدی و یا خروجی باتری مورد استفاده درسیستم فتوولتاییک ، به وجود آمده باشد. درشکل (۴-۸) مدار یک اینورتر سه فاز Dc به Ac نمایش داده شده است.

ولتاژ فاز به زمین (Vph)  خروجی اینورتر در فرکانس پایه مطابق رابطه ذیل با ولتاژ Dc ورودی به اینورتر Vc در ارتباط می باشد.

ولتاژ خط به خط Ac خروجی اینورتر برابر  است. در حالت پایدار، مقدار توان Dc ورودی اینورتر (PDC) مطابق رابطه ذیل برابر مجموع تلفات و توان Ac خروجی اینورتر (Pac) می باشد.

در رابطه فوق  معرف بازدهی اینورتر می باشد.

 

۴-۷ نیروگاههای خورشیدی در مدار زمین.

۴-۷-۱ تولید توان توسط ماهواره های (sps)

این سیستم برای اولین بار توسط دکتر گلاسر در سال ۱۹۶۸ پیشنهاد شد و توسط سازمان ملی هوانوردی و فضایی ایالات متحده آمریکا (NASA) از سال ۱۹۷۲ مورد بررسی و تحقیق قرار گرفت.

جمع آوری نیرو:

به طور مسلم اولین مرحله کار نیروگاههای فضایی جمع آوری اشعه خورشیدی می باشد. سلولهای خورشیدی بعنوان یک وسیله ثابت و بدون احتیاج به تعمیرات و نگهداری وسیله خوب و مطلوبی برای این کار می باشند.

یک سلول خورشیدی فقط در حدود نصف ولت نیرو تولید می کند. اما اتصال تعداد زیادی از این سلولها صدها کیلو وات نیرو تولید می کند. در حالی که سیستم های فتوولتایی غیر متداول سعی در افزایش بازده تبدیل انرژی یا ذخیره انرژی دارند، سیستم تولید الکتریسیته توسط ماهواره ها تابش خورشیدی را بر روی جمع کننده خورشیدی افزایش می دهد و نیاز به ذخیره سازی انرژی را حذف می‌کند.

نیروی تولید شده را می توان توسط سیم به آنتن مرکزی ماهواره منتقل داد تا از آنجا به زمین فرستاده شود. برای انتقال نیرو به آنتن مرکزی می توان از سیمهای هادی بسیار قوی برای کاهش و جلوگیری از هدررفتن نیرو استفاده نمود. سرد بودن فضا عامل موثری برای نگهداری درجه حرارت درسطح خیلی پائین خواهد بود.

سلولها صرف نظر از اوضاع جوی یا دوره شب وروز بیش از ۹۹ درصد از زمان، تابش کامل AMO (عدد توده هوا که نشان دهنده شدت نور خورشید در سطح زمین air mass) دریافت می کنند. مقدار تابندگی آفتاب بر روی سلولها ۳۲ kwh/m2 در روز خواهد بود . برای مقایسه بهتر است بگوئیم که میزان تابندگی دراز مدت آفتاب در یک محل بیابانی بر روی زمین تنها حدود ۶kwh/m2 در روز، بدون سیستم ردیابی خورشید ۷/۵ kwh/m2 در روز با سیستم ردیابی خورشید است.

برای تولید ۱۰ گیگاوات (۱۰۰۰۰۰ مگاوات) الکتریسیته در روی زمین و بازده کلی حدود ۷ درصد به پانل خورشیدی که حدود ۱۱۰ کیلومتر مربع وسعت دارد نیاز است.

برای تقلیل هزینه حمل و نقل مواد، ماهواره تولید کننده توان را می توان در مداری نزدیک زمین ساخت و پس از تکمیل خود خواهد توانست به دسته ای از موشک‌های رانشی – یونی نیرو دهد. این موشکها که برای مدت چندین ماه قادر به کار هستند ماهواره را در مدار ژئوسنکرون به فاصله ۳۵۷۰۰ کیلومتری بالای استوا خواهند راند. در این مدار ماهواره نسبت به زمین ثابت می ماند. ماهواره تولید کننده توان در فضا در نقطه ای ثابت درصفحه استوایی قرار گرفته و فاصله اش تا زمین حدود سه برابر قطر زمین است. بدیهی است که پانل خورشیدی باید هر روز یک بار بچرخد تا بتواند خورشید را ردیاب کند (این در حالی است که آنتن موج مایکرویوی در همه حال رو به زمین است ) . پانل خورشیدی تمام تابش خورشیدی AMo را دریافت می کند به جز هنگامی که توسط سایه زمین پوشیده و تاریک می شود. این گرفتگی ها روزی یک بار در خلال ۲۲ روز قبل و بعد از روزهای اعتدال بهاری (اول فروردین ماه) و اعتدال پاییزی (اول مهرماه) رخ می دهند. این گرفتگیها که همواره حوالی نیمه شب رخ می دهند، بیش از یک ساعت و ۱۲ دقیقه طول نمی کشد و نتیجه دوره متوسطه سالانه کار بیش از ۹۹ درصد است.

برای جلوگیری از هدر رفتن انرژی هنگام سایه شدن خورشید به وسیله زمین می‌توان از چند روش استفاده کرد.۱- از دو ماهواره همزمان بفاصله ۲۱ درجه جدا از هم استفاده نمود. چنین زاویه ای دو ماهواره را به اندازه ۱۲۶۴۰ کیلومتر از هم جدا می کند. این هر دو ماهواره در یک خط مستقیم و رو به یک نقطه معین نیست به زمین قرار می گیرند.

۲- استفاده از یک رشته ماهواره که همه آنها به جز یکی می تواند متوالیاً به نیروگاه زمینی انرژی بفرستند.

۳- استفاده از یک دسته ماهواره که هر کدام از آنها دارای ایستگاههای مختلف برروی زمین بر اساس زمان تعیین شده برای هر کدام هستند

  ۴-۷-۲ انتقال نیروگاه به زمین

مرحله بعدی پس از جمع آوری نیرو در دستگاههای انتقال دهنده مرکزی فرستادن این نیروی الکتریسیته به زمین می باشد. این نیرو به صورت کاملاً متفاوت یا از اشعه خورشیدی یاانرژی الکتریکی تولید شده به وسیله سلولهای خورشیدی به زمین فرستاده می شود، زیرا برای جلوگیری از هدررفتن انرژی و پائین آوردن درصد « افت» به حداقل ممکن از امواج میکروویو – که موجهای خیلی کوچک الکترومغناطیس می باشند. برای انتقال نیرو به زمین استفاده می‌شود.

امواج میکرویو شبیه امواج رادار هستند و درمورد استفاده و مشخصات و عملکرد این امواج الکترومغناطیس، دانشمندان اطلاعات وسیعی دارند. انتقال درست و دقیق امواج میکروویو به زمین مشکلات زیادی دارد . دستگاه فرستنده باید برای حفظ کارآیی سیستم انتقال و تأمین محیط زیست، امواج را مستقیماً به آنتن بی سیم در زمین منتقل کند. زیرا در اجرای این کار اگر انحراف بیش از ۵۰۰ فوت شود، نه تنها گیرنده زمین قادر به گرفتن امواج نمی شود، بلکه امواج میکروویو هر چیزی را که به آن برخورد نمایند به خاکستر تبدیل خواهند نمود در نتیجه آنتن های قوی و دقیق برای این کار لازم است.

نوع سلولهای مورد استفاده درطرحهای (sps)

آن دسته از سلولهای خورشیدی سلیسیومی را معمولاً درطرحهای تولید توان درفضا (sps) استفاده می کنند که بدون سیستم تمرکز خورشیدی با ۱۵ درصد بازده کار می کنند.

مواد ویژه سلول و نحوه آرایش آن با ملاحظات متداول هزینه و بازده و نیز نیازمندیهای اضافی وزن کم و مقاومت در مقابل تابش ذرات پرانرژی تعیین می شود. الکتریسیته جریان مستقیم به وسیله میلیونها نوسان ساز و تقویت کننده با لامپ خلاء به امواج ماکروویو ۴۵/۲ گیگا هرتز (طول موج ۱۲ سانتی متر) تبدیل می شود. این فرکانس انتخاب شده است زیرا فرکانسهای پایین تر به آنتنهای بزرگتری نیاز دارند و فرکانسهای بالاتر سبب افزایش تلفات انرژی در تقویت کننده های مایکروویو و بالا رفتن تلف انتقال در جو می شود. آنتن انتقال دهنده دارای قطر یک کیلومتر است و باید سطح موجی تولید کند که نسبت به یک چهارم طول موج (۳ سانتیمتر) صاف باشد؛ این امر از طریق اعمال دقت زیاد و یا کنترل الکترونیکی فازهای قسمتهای فرعی آنتن حاصل می شود. آنتن مذکور باید دقت خود را در حفظ جهت که بر حسب ثانیه قوسی اندازه گیری می شود همچنان نگه دارد و به سوی مجموعه آنتن گیرنده درسطح زمین معطوف باشد، قطر منطقه ای که توسط مجموعه آنتن گیرنده اشغال می شود تقریباً ۱۰ کیلومتر است که این شامل تعداد زیادی آنتن دو قطبی است که هر یک از آنها توان امواج مایکروویو را به یک سد کننده مجزای آرسنیدگالیوم ارسال می کنند که در آنها توان بطور موثری به الکتریسیته جریان مستقیم تبدیل می شود . به این ترتیب با به کار بردن یک اینورتر (مبدل) می توان الکتریسیته جریان مستقیم را به شبکه انتقال برق متصل کرد.

۴-۷-۳ خطر تشعشعات امواج میکروویو

بسیاری از مردم از خطر بالقوه ای که توسط مایکروویو پر قدرت پیش می آید در اضطرابند شدت پرتو مایکروویو در مرکز حوزه آنتن گیرنده حدود ۲۳ میلی وات بر سانتی متر مربع است که با نزدیک شدن به کناره حوزه مذکور مقدار آن بتدریج تقلیل می یابد. در خارج کناره منطقه حفاظتی دور حوزه آنتن شدت امواج مایکروویو ۱/۰ میلی وات بر سانتی متر مربع است که ۱۰۰ بار کمتر از میزان استاندارد جاری ایالات متحده درمعرض پرتو قرار گرفتن (۱۰ m w/cm2)  است ولی باز هم ۱۰ برابر بیشتر از استاندارد شغلی اتحاد جماهیر شوروی (۰/۰۱ m w/cm2)    است.

مزایا

۱-   هدر نرفتن انرژی بعلت وجود ابر و باد و موانع دیگر

۲-   در فضا در مدت ۲۴ ساعت می شود از نور خورشید استفاده نمود.

۳-   احتیاج به مساحت کمتر نسبت به نیروگاه های زمینی

۴-   نیازی به ذخیره سازی جداگانه انرژی گرمایی وجود ندارد.

معایب

۱-   خطر استفاده از امواج مایکروویو

۲-   اندازه و پیچیدگی سیستم تولید توان در فضا

۴-۸ محاسبه ابعاد نیروگاههای فتوولتایی

یکی از معایب نیروگاههای خورشیدی که ناشی از بازدهی کم سلولهای خورشیدی و چگالی کم انرژی خورشیدی می باشد، نیاز آنها به مساحت زیاد جهت تولید برق در توانهای بالااست. در این مبحث میزان سطح زمین مورد نیاز و نیز مشخصات برخی از اجزای یک نیروگاه فتوولتاییک ۲۰۰ کیلوواتی مستقل از شبکه به طور ساده محاسبه می گردند. مطابق فرضیات، نیروگاه مورد طراحی می بایست به طور پیوسته و در تمامی بیست و چهار ساعت شبانه روز توان ثابتی معادل ۲۰۰ کیلووات را در خروجی خود تحویل مصرف کنندگان دهد. جهت تحقق این امر ، می بایست الزاماً نیروگاه درطور روز علاوه بر تأمین انرژی مورد نیاز مصرف کنندگان، باتری های ذخیره کننده انرژی را نیز برای استفاده در شب شارژ نماید. برای روزهای ابری جهت ساده نمودن محاسبات هیچ پیش بینی صورت نپذیرفته است.

انرژی تولیدی نیروگاه درطول یک شبانه روز:

جهت ساده نمودن محاسبات ، طول روز و شب در تمامی ایام سال برابر با ۱۲ ساعت درنظر گرفته می شود با فرض آنکه بازدهی باتری های مورد استفاده در نیروگاه برابر با ۶۰ درصد باشد ، میزان کل انرژی تولیدی نیروگاه Eg ، که برابر با حاصل جمع میزان انرژی مصرفی Ev و میزان انرژی مورد نیاز برای شارژ باتری ها Ebg می باشد ، مطابق با رابطه زیر برابر با ۷۰۴۰ کیلووات ساعت می شود.

تعداد و مساحت کل پانلها

جهت انجام محاسبات، میزان توان حداکثر هر یک از پانلهای انتخابی  Pmax برابر با ۱۵۰ وات و مساحت هر یک از آنها برابر ۲۵/۱ متر مربع در نظر گرفته می شود. با فرض آنکه توان متوسط هر پانل   برابر با ۵۰ درصد توان حداکثر آن باشد، هر پانل مطابق محاسبات ذیل در طول یک شبانه روز قادر به تولید ۹۰۰ وات ساعت انرژی خواهد بود.

Pm=Pmax*0/5=75w

Ep=75w*12h=900wh

تعداد پانل ها Np  و مساحت کل پانل ها Apg  از روابط ذیل محاسبه می شوند:

مساحت میدان آرایه ها:

جهت حداکثر استفاده از مساحت پانل ها، می بایست در هنگام نصب آنها در میدان آرایه ها ، با قرار دادن فاصله میان آنها، از سایه اندازی آنها بر روی یکدیگر جلوگیری نمود. بیشترین مقدار سایه اندازی پانلها بر روی یکدیگر در فصل زمستان، که خورشید کاملاً مایله به سطح زمین می تابد، مشاهده می گردد.

بنابراین هر پانل وقتی روی زمین سایه می اندازد، مساحتی معادل ۵/۱ برابر مساحت خود را اشغال می کند. با حاصلضرب مساحت کل پانلها در عدد ۵/۱ مساحت میدان آرایه ها به دست می آید:

Aarray1/5Apg= 1/5*9777/5 = 14666m2

با اضافه نمودن مساحت های مورد نیاز برای نصب تجهیزات و ادوات نیروگاه ، اتاق پرسنل، انبار، محوطه و غیره به مساحت میدان آرایه ها ، مساحت کل نیروگاه تعیین می گردد.

تعداد باتری ها

برای محاسبه تعداد باتری ها فرض می شود، که در نیروگاه مورد طراحی از باتری ها سرب – اسید (۲۴ ولت ، ۶۰ آمپر ساعت ) برای ذخیره انرژی استفاده می گردد. انرژی ذخیره شده در باتری ها تنها برای شب هنگام مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به مشخصات باتری های مورد استفاده ، هر باتری قادر به ذخیره ۱۴۴۰ وات ساعت انرژی می باشد.

Eb=60Ah*24v=1440wh

از آنجایی که کل انرژی ذخیره شده در باتری ها   برابر با ۴۴۰۰ کیلووات ساعت می باشد، لذا تعداد باتری های مورد نیاز  Nb با توجه به رابطه ذیل برابر ۳۰۵۵ عدد می باشد.

معایب و مزایای نیرگاههای فتوولتاییک

این نیروگاهها دارای معایب زیر می باشند:

۱-   بازدهی نسبتاً کم و هزینه های بالای سرمایه گذاری

۲-   محدودیت ساعت کارکرد به تمام ظرفیت درطول سال

۳- عدم امکان پیوند با سیستم پشتیبان سوخت فسیلی (نیاز به سیستم مجزای پشتیبانی یا برق شبکه ای برای جبران نوسانهای انرژی خورشیدی دارد )

۴- ذخیره سازی با باتری های الکتروشیمیایی برای این شیوه تولید، بسیار گران قیمت است.

۵-   نیاز به مساحت زیاد

از مزایای این نیروگاهها می توان موارد ذیل را برشمرد:

۱-   قطعات متحرک ندارند

۲-   عمر مفید طولانی دارند

۳-   به تعمیر و نگهداری اندکی نیاز دارند.

۴-   امکان تولید متمرکز یا پراکنده با این سیستمها وجود دارد .



مطالب مشابه

**نظرات**

ارسال نظر

برای دریافت پاسخ حتما ایمیل خودتونو وارد کنید





capcha