سلول خورشیدی یا فتوولتاییک

تعریف

سلول فتوولتائی (PV) دستگاه نیمه‌رسانا است که نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. ولتاژ تولید شده توسط سلول PV بستگی به شدت نور وارد شده دارد. اصطلاح "فتوولتائی" از قابلیت آن برای تولید ولتاژ ("ولتائی") از طریق نور ("فوتو") نشأت گرفته است.

در مواد نیمه‌رسانا، الکترون‌ها توسط پیوندهای کووالانسی متصل هستند. تابش الکترومغناطیسی شامل ذرات کوچک انرژی به نام فوتون‌ها است. وقتی فوتون‌ها به ماده نیمه‌رسانا برخورد می‌کنند، الکترون‌ها تحریک می‌شوند و شروع به جابجایی می‌کنند.

این الکترون‌های تحریک‌شده به عنوان فتوالکترون‌ها شناخته می‌شوند و پدیده تابش الکترون‌ها به آن اثر فتوالکتریک گفته می‌شود. عملکرد یک سلول فتوولتائی بر اساس اثر فتوالکتریک است.

ساختار سلول فتوولتائی

مواد نیمه‌رسانا مانند آرسنید، ایندیوم، کادمیم، سیلیکون، سلنیوم و گالیم برای ساخت سلول‌های PV استفاده می‌شوند. سیلیکون و سلنیوم بیشتر برای ساخت این سلول‌ها استفاده می‌شوند.

به عنوان مثال، ساختار یک سلول فتوولتائی سیلیکونی زیر را در نظر بگیرید:

• سطح بالایی سلول از لایه‌ای نازک از ماده p-نوع ساخته شده است تا نور به راحتی بتواند وارد ماده شود.

• حلقه‌های فلزی حول مواد p-نوع و n-نوع قرار داده می‌شوند که به ترتیب به عنوان ترمینال‌های خروجی مثبت و منفی عمل می‌کنند.

سلول‌های فتوولتائی تکی از مواد نیمه‌رسانا یک‌بلوری یا چندبلوری ساخته می‌شوند.

سلول‌های یک‌بلوری از یک سنگه بلوری تراشیده می‌شوند، در حالی که سلول‌های چندبلوری از مواد با ساختارهای بلوری چندگانه تولید می‌شوند.

ولتاژ و جریان خروجی یک سلول تکی بسیار پایین است، معمولاً حدود ۰٫۶V و ۰٫۸A به ترتیب. برای افزایش کارایی، سلول‌ها در ترکیبات مختلف ترکیب می‌شوند. سه روش اصلی برای اتصال سلول‌های PV وجود دارد:

ترکیب موازی سلول‌های PV

در ترکیب موازی، ولتاژ روی سلول‌ها ثابت می‌ماند، در حالی که جریان کل دوبرابر می‌شود (یا به تعداد سلول‌ها افزایش می‌یابد). منحنی مشخصه سلول‌های PV متصل شده به صورت موازی در زیر نشان داده شده است.

ترکیب سری-موازی سلول‌های PV

در ترکیب سری-موازی، هم ولتاژ و هم جریان به طور متناسب افزایش می‌یابند. پنل‌های خورشیدی معمولاً با استفاده از این ترکیب سلول‌ها ساخته می‌شوند تا خروجی قدرت بالاتری داشته باشند.

ماژول خورشیدی با اتصال سلول‌های خورشیدی تکی ساخته می‌شود. ترکیب چندین ماژول خورشیدی به عنوان یک پنل خورشیدی شناخته می‌شود.

عملکرد سلول PV

وقتی نور به ماده نیمه‌رسانا برخورد می‌کند، می‌تواند از آن عبور کند یا انعکاس یابد. سلول‌های PV از نیمه‌رساناهایی ساخته شده‌اند که نه رسانای کامل و نه عایق کامل هستند. این ویژگی آن‌ها را برای تبدیل انرژی نوری به انرژی الکتریکی بسیار کارآمد می‌کند.

وقتی نیمه‌رسانا نور را جذب می‌کند، الکترون‌های آن شروع به تابش می‌کنند. این اتفاق می‌افتد زیرا نور از ذرات کوچک انرژی به نام فوتون‌ها تشکیل شده است. وقتی الکترون‌ها فوتون‌ها را جذب می‌کنند، تحریک می‌شوند و درون ماده شروع به حرکت می‌کنند. یک میدان الکتریکی داخلی این ذرات را مجبور می‌کند در یک جهت حرکت کنند و جریان تولید می‌کنند. الکترودهای فلزی روی نیمه‌رسانا اجازه می‌دهند تا جریان بیرون رود.

شکل زیر یک سلول فتوولتائی سیلیکونی متصل به بار مقاوم را نشان می‌دهد. سلول شامل لایه‌های نیمه‌رسانا P-نوع و N-نوع است که برای تشکیل یک جفت PN ادغام شده‌اند.

پیوند PN واسطه بین مواد P-نوع و N-نوع است. وقتی نور روی پیوند می‌تابد، الکترون‌ها شروع به حرکت از یک منطقه به منطقه دیگر می‌کنند.
چگونه سلول‌های خورشیدی در یک نیروگاه خورشیدی نصب می‌شوند؟
دستگاه‌هایی مانند ردیاب‌های نقطه بیشینه قدرت (MPPT)، انواع ترانسفورماتورها، کنترل‌کننده‌های شارژ و باتری‌ها برای تبدیل تابش خورشیدی به ولتاژ الکتریکی استفاده می‌شوند.

ردیاب نقطه بیشینه قدرت (MPPT)

MPPT یک کنترل‌کننده دیجیتال تخصصی است که موقعیت خورشید را ردیابی می‌کند. از آنجا که کارایی سلول‌های PV بستگی به شدت نور خورشید دارد که در طول روز به دلیل چرخش زمین متغیر است، MPPT‌ها جهت پنل‌ها را تنظیم می‌کنند تا جذب نور و خروجی قدرت را به حداکثر برسانند.

کنترل‌کننده شارژ

کنترل‌کننده شارژ ولتاژ خروجی از پنل خورشیدی را تنظیم می‌کند و از بیش‌بار شدن یا بیش‌ولتاژ شدن باتری جلوگیری می‌کند تا ذخیره انرژی به صورت ایمن و کارآمد انجام شود.

ترانسفورماتور

ترانسفورماتور جریان مستقیم (DC) خروجی از پنل‌ها را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند تا برای استفاده با وسایل استاندارد که معمولاً نیاز به انرژی AC دارند، مناسب باشد.