انرژی خورشیدی: انواع، اجزا و اصول کار

نیروگاه‌های خورشیدی سیستم‌هایی هستند که از انرژی خورشیدی برای تولید برق استفاده می‌کنند. آنها می‌توانند به دو نوع اصلی تقسیم‌بندی شوند: نیروگاه‌های فتوولتائیک (PV) و نیروگاه‌های خورشیدی تمرکزی (CSP). نیروگاه‌های فتوولتائیک با استفاده از سلول‌های خورشیدی نور را مستقیماً به برق تبدیل می‌کنند، در حالی که نیروگاه‌های خورشیدی تمرکزی از آینه‌ها یا لنزها برای تمرکز نور خورشید و گرم کردن یک مایع استفاده می‌کنند که توربین یا موتور را به حرکت درمی‌آورد. در این مقاله، ما مولفه‌ها، طرح و عملکرد هر دو نوع نیروگاه خورشیدی را به همراه مزایا و معایب آنها توضیح خواهیم داد.

نیروگاه فتوولتائیک چیست؟

نیروگاه فتوولتائیک یک سیستم PV مقیاس بزرگ است که به شبکه متصل شده و برای تولید انبوه برق از تابش خورشیدی طراحی شده است. نیروگاه فتوولتائیک شامل چندین مولفه است، مانند:

• ماژول‌های خورشیدی: این‌ها واحد‌های اساسی یک سیستم PV هستند. آنها از سلول‌های خورشیدی تشکیل شده که نور را به برق تبدیل می‌کنند. سلول‌های خورشیدی معمولاً از سیلیکون ساخته شده‌اند که یک ماده نیمه‌رسانا است که می‌تواند فوتون‌ها را جذب کرده و الکترون‌ها را آزاد کند. الکترون‌ها از مدار عبور می‌کنند و یک جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. ماژول‌های خورشیدی می‌توانند در ترتیبات مختلفی مانند سری، موازی یا سری-موازی تنظیم شوند، بسته به نیازهای ولتاژ و جریان سیستم.

• ساختارهای نصب: این‌ها قاب‌ها یا ریک‌هایی هستند که ماژول‌های خورشیدی را پشتیبانی و جهت‌گیری می‌دهند. آنها می‌توانند ثابت یا قابل تنظیم باشند، بسته به مکان و آب و هوای محل. ساختارهای نصب ثابت ارزان‌تر و ساده‌تر هستند، اما حرکت خورشید را ردیابی نمی‌کنند و ممکن است خروجی سیستم را کاهش دهند. ساختارهای نصب قابل تنظیم می‌توانند ماژول‌های خورشیدی را برای دنبال کردن موقعیت خورشید و بهینه‌سازی تولید انرژی میل یا چرخان کنند. آنها می‌توانند دستی یا خودکار باشند، بسته به میزان کنترل و دقت مورد نیاز.

• مبدل‌ها: این دستگاه‌ها جریان مستقیم (DC) تولید شده توسط ماژول‌های خورشیدی را به جریان متناوب (AC) که می‌تواند به شبکه یا بارهای AC منتقل شود، تبدیل می‌کنند.

  

• مبدل‌ها می‌توانند به دو نوع تقسیم‌بندی شوند: مبدل‌های مرکزی و میکرو-مبدل‌ها. مبدل‌های مرکزی واحدهای بزرگی هستند که چندین ماژول یا آرایه خورشیدی را به هم متصل می‌کنند و یک خروجی AC واحد ارائه می‌دهند. میکرو-مبدل‌ها واحدهای کوچکی هستند که به هر ماژول یا پانل خورشیدی متصل می‌شوند و خروجی‌های AC جداگانه ارائه می‌دهند. مبدل‌های مرکزی برای سیستم‌های مقیاس بزرگ از لحاظ هزینه و کارایی مؤثرتر هستند، در حالی که میکرو-مبدل‌ها برای سیستم‌های مقیاس کوچک انعطاف‌پذیرتر و قابل اعتمادتر هستند.

• کنترل‌کننده‌های شارژ: این دستگاه‌ها ولتاژ و جریان ماژول‌ها یا آرایه‌های خورشیدی را تنظیم می‌کنند تا از شارژ بیش از حد یا شارژ کمتر از حد برداشتن باتری‌ها جلوگیری کنند. کنترل‌کننده‌های شارژ می‌توانند به دو نوع تقسیم‌بندی شوند: کنترل‌کننده‌های مدولاسیون عرض ضربه (PWM) و کنترل‌کننده‌های ردیابی نقطه قدرت حداکثر (MPPT). کنترل‌کننده‌های PWM ساده‌تر و ارزان‌تر هستند، اما با تغییر بین روشن و خاموش شدن جریان شارژ، انرژی می‌سوزانند. کنترل‌کننده‌های MPPT پیچیده‌تر و گران‌تر هستند، اما با تنظیم ولتاژ و جریان برای تطابق با نقطه قدرت حداکثر ماژول‌ها یا آرایه‌های خورشیدی، خروجی انرژی را بهینه می‌کنند.

• باتری‌ها: این دستگاه‌ها انرژی بیش از حد تولید شده توسط ماژول‌ها یا آرایه‌های خورشیدی را برای استفاده در زمان عدم وجود نور خورشید یا در زمان قطع شبکه ذخیره می‌کنند. باتری‌ها می‌توانند به دو نوع تقسیم‌بندی شوند: باتری‌های سرب-اسید و باتری‌های یون-لیتیوم. باتری‌های سرب-اسید ارزان‌تر و معمول‌تر هستند، اما دارای چگالی انرژی کمتر، عمر کوتاه‌تر و نیاز به تعمیر و نگهداری بیشتری هستند. باتری‌های یون-لیتیوم گران‌تر و کمتر معمول هستند، اما دارای چگالی انرژی بالاتر، عمر طولانی‌تر و نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری هستند.

• سوئیچ‌ها: این دستگاه‌ها بخش‌های مختلف سیستم را مانند ماژول‌های خورشیدی، مبدل‌ها، باتری‌ها، بارها یا شبکه‌ها را به هم متصل یا جدا می‌کنند. سوئیچ‌ها می‌توانند دستی یا خودکار باشند، بسته به سطح ایمنی و کنترل مورد نیاز. سوئیچ‌های دستی نیاز به مداخله انسانی برای عملکرد دارند، در حالی که سوئیچ‌های خودکار بر اساس شرایط یا سیگنال‌های پیش‌تعیین شده عمل می‌کنند.

• مترها: این دستگاه‌ها پارامترهای مختلف سیستم را مانند ولتاژ، جریان، قدرت، انرژی، دما یا تابش اندازه‌گیری و نمایش می‌دهند. مترها می‌توانند آنالوگ یا دیجیتال باشند، بسته به نوع نمایش و دقت مورد نیاز. مترهای آنالوگ از سوزن‌ها یا دایره‌ها برای نشان دادن مقادیر استفاده می‌کنند، در حالی که مترهای دیجیتال از اعداد یا نمودارها برای نشان دادن مقادیر استفاده می‌کنند.

• کابل‌ها: این‌ها سیم‌هایی هستند که برق را بین مولفه‌های مختلف سیستم منتقل می‌کنند. کابل‌ها می‌توانند به دو نوع تقسیم‌بندی شوند: کابل‌های DC و کابل‌های AC. کابل‌های DC جریان مستقیم را از ماژول‌های خورشیدی به مبدل‌ها یا باتری‌ها منتقل می‌کنند، در حالی که کابل‌های AC جریان متناوب را از مبدل‌ها به شبکه یا بارها منتقل می‌کنند.

طرح یک نیروگاه فتوولتائیک بسته به چندین عامل مانند شرایط محل، اندازه سیستم، اهداف طراحی و نیازهای شبکه متفاوت است. با این حال، یک طرح معمولی شامل سه بخش اصلی است: بخش تولید، بخش انتقال و بخش توزیع.

بخش تولید شامل ماژول‌های خورشیدی، ساختارهای نصب و مبدل‌ها است که برق را از نور خورشید تولید می‌کنند.

بخش انتقال شامل کابل‌ها، سوئیچ‌ها و مترها است که برق را از بخش تولید به بخش توزیع منتقل می‌کنند.

بخش توزیع شامل باتری‌ها، کنترل‌کننده‌های شارژ و بارها است که انرژی را ذخیره یا مصرف می‌کنند.

نمودار زیر یک مثال از طرح یک نیروگاه فتوولتائیک را نشان می‌دهد:

عملکرد یک نیروگاه فتوولتائیک بسته به چندین عامل مانند شرایط آب و هوایی، تقاضای بار و وضعیت شبکه متفاوت است. با این حال، یک عملکرد معمول شامل سه حالت اصلی است: حالت شارژ، حالت دیشارژ و حالت متصل به شبکه.

حالت شارژ زمانی رخ می‌دهد که نور خورشید بیش از حد و تقاضای بار کم باشد. در این حالت، ماژول‌های خورشیدی بیشتر از انرژی مورد نیاز تولید می‌کنند. انرژی بیش از حد از طریق کنترل‌کننده‌های شارژ برای شارژ باتری‌ها استفاده می‌شود.

حالت دیشارژ زمانی رخ می‌دهد که نور خورشید نباشد یا تقاضای بار بالا باشد. در این حالت، ماژول‌های خورشیدی کمتر از انرژی مورد نیاز تولید می‌کنند. انرژی کمبود از طریق مبدل‌ها توسط باتری‌ها تأمین می‌شود.

حالت متصل به شبکه زمانی رخ می‌دهد که شبکه موجود و نرخ تعرفه‌های مساعد باشد. در این حالت، ماژول‌های خورشیدی برق تولید شده را از طریق مبدل‌ها به شبکه تزریق می‌کنند.

حالت متصل به شبکه همچنین می‌تواند زمانی رخ دهد که قطعی شبکه رخ داده و نیاز به برق اضطراری باشد. در این حالت، ماژول‌های خورشیدی برق تولید شده را از طریق مبدل‌ها به بارها تزریق می‌کنند.

نیروگاه خورشیدی تمرکزی چیست؟

نیروگاه خورشیدی تمرکزی یک سیستم CSP مقیاس بزرگ است که از آینه‌ها یا لنزها برای تمرکز نور خورشید به یک گیرنده استفاده می‌کند که یک مایع را گرم می‌کند و آن را به حرکت درمی‌آورد تا توربین یا موتور را به حرکت درآورد و برق تولید کند. نیروگاه خورشیدی تمرکزی شامل چندین مولفه است، مانند:

پاداش