نوری برقخانه ها

تعریف نیروگاه‌های خورشیدی

نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از انرژی خورشیدی برق تولید می‌کنند و به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: نیروگاه‌های فتوولتائی (PV) و نیروگاه‌های انرژی خورشیدی تمرکزی (CSP).

نیروگاه‌های فتوولتائی

با استفاده از سلول‌های خورشیدی نور را مستقیماً به برق تبدیل می‌کنند و شامل اجزایی مانند ماژول‌های خورشیدی، انورترها و باتری‌ها می‌شوند.

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

• ماژول‌های خورشیدی: واحدهای پایه یک سیستم PV هستند که از سلول‌های خورشیدی تشکیل شده‌اند که نور را به برق تبدیل می‌کنند. سلول‌های خورشیدی معمولاً از سیلیکون ساخته شده‌اند که فوتون‌ها را جذب می‌کنند و الکترون‌ها را آزاد می‌کنند و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. ماژول‌های خورشیدی می‌توانند در سری، موازی یا ترکیبی از سری-موازی تنظیم شوند، بسته به نیازهای ولتاژ و جریان سیستم.

• ساختارهای نصب: می‌توانند ثابت یا قابل تنظیم باشند. ساختارهای ثابت ارزان‌تر هستند اما حرکت خورشید را دنبال نمی‌کنند که ممکن است تولید را کاهش دهد. ساختارهای قابل تنظیم می‌توانند به صورت دستی یا خودکار برای دنبال کردن خورشید میل یا چرخش کنند و تولید انرژی را افزایش می‌دهند.

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

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

• کنترل‌کننده‌های شارژ: جریان و ولتاژ از ماژول‌های خورشیدی را تنظیم می‌کنند تا باتری‌ها از شارژ بیش از حد یا کم از حد محافظت شوند. آنها به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: کنترل‌کننده‌های پالس عرض مدوله (PWM) و کنترل‌کننده‌های تعیین نقطه توان بیشینه (MPPT). کنترل‌کننده‌های PWM ساده‌تر و ارزان‌تر هستند اما برخی از انرژی را می‌سوزانند. کنترل‌کننده‌های MPPT کارآمدتر هستند و با تطبیق نقطه توان بیشینه ماژول‌های خورشیدی، تولید انرژی را بهینه می‌کنند.

• باتری‌ها: این دستگاه‌ها برق اضافی تولید شده توسط ماژول‌ها یا آرایه‌های خورشیدی را برای استفاده بعدی در زمانی که نور خورشید وجود ندارد یا شبکه خراب شده است ذخیره می‌کنند. باتری‌ها به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: باتری‌های سرب-اسید و باتری‌های یون لیتیوم. باتری‌های سرب-اسید ارزان‌تر و رایج‌تر هستند، اما دارای چگالی انرژی کمتر، عمر کوتاه‌تر و نیاز به نگهداری بیشتری هستند. باتری‌های یون لیتیوم گران‌تر و کمتر رایج هستند، اما دارای چگالی انرژی بالاتر، عمر طولانی‌تر و نیاز به نگهداری کمتری هستند.

• سوئیچ‌ها: اجزای مختلف سیستم مانند ماژول‌های خورشیدی، انورترها و باتری‌ها را متصل یا قطع می‌کنند. می‌توانند دستی یا خودکار باشند. سوئیچ‌های دستی نیاز به عملیات انسانی دارند، در حالی که سوئیچ‌های خودکار بر اساس شرایط یا سیگنال‌های پیش‌تعیین شده کار می‌کنند.

• مترها: این دستگاه‌ها پارامترهای مختلف سیستم مانند ولتاژ، جریان، توان، انرژی، دما یا تابش را 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 نمایش مقادیر استفاده می‌کنند، در حالی که مترهای دیجیتال از اعداد یا نمودارها برای نمایش مقادیر استفاده می‌کنند.

• کابل‌ها: این سیم‌ها برق را بین اجزای مختلف سیستم انتقال می‌دهند. کابل‌ها به دو نوع تقسیم‌بندی می‌شوند: کابل‌های DC و کابل‌های AC. کابل‌های DC جریان مستقیم را از ماژول‌های خورشیدی به انورترها یا باتری‌ها منتقل می‌کنند، در حالی که کابل‌های AC جریان متناوب را از انورترها به شبکه یا بارها منتقل می‌کنند.

بخش تولید شامل ماژول‌های خورشیدی، ساختارهای نصب و انورترها 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 برق را ذخیره یا مصرف می‌کنند.نمودار زیر یک مثال از طرح نیروگاه فتوولتائی را نشان می‌دهد:

عملکرد یک نیروگاه فتوولتائی به چندین عامل مانند شرایط آب و هوایی، تقاضای بار و وضعیت شبکه بستگی دارد. با این حال، عملکرد معمول شامل سه حالت اصلی است: حالت شارژ، حالت دی‌شارژ و حالت شبکه‌ای.

حالت شارژ زمانی رخ می‌دهد که نور خورشید اضافی وجود داشته و تقاضا کم باشد. در این حالت، ماژول‌های خورشیدی بیشتر برق تولید می‌کنند از آنچه نیاز است. برق اضافی از طریق کنترل‌کننده‌های شارژ باتری‌ها را شارژ می‌کند.

حالت دی‌شارژ زمانی رخ می‌دهد که نور خورشید وجود نداشته یا تقاضای بار بالا باشد. در این حالت، ماژول‌های خورشیدی کمتر برق تولید می‌کنند از آنچه بارها نیاز دارند. برق کمبود از طریق انورترها توسط باتری‌ها تأمین می‌شود.

حالت شبکه‌ای نیز می‌تواند زمانی رخ دهد که شبکه خراب شده و نیاز به برق پشتیبان باشد. در این حالت، ماژول‌های خورشیدی برق تولید می‌کنند که می‌تواند از طریق انورترها توسط بارها مصرف شود.

مزایا

• نیروگاه‌های خورشیدی از انرژی تجدیدپذیر و تمیز استفاده می‌کنند که گازهای گلخانه‌ای یا آلاینده‌ها را تولید نمی‌کنند.

• نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش داده و امنیت و تنوع انرژی را افزایش دهند.

• نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند برق را در مناطق دورافتاده که اتصال به شبکه غیرممکن یا قابل اطمینان نیست، ارائه دهند.

• نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند مشاغل محلی و مزایای اقتصادی برای جوامع و مناطق ایجاد کنند.

• نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند از انواع مزایا و سیاست‌هایی که توسعه و گسترش انرژی‌های تجدیدپذیر را حمایت می‌کنند، بهره‌مند شوند.

معایب

• نیروگاه‌های خورشیدی نیاز به مساحت زمین بزرگ دارند و ممکن است تأثیرات محیطی بر روی حیات وحش، گیاهان و منابع آب داشته باشند.

• نیروگاه‌های خورشیدی هزینه‌های سرمایه اولیه بالا و دوره بازگشت سرمایه طولانی‌تری نسبت به نیروگاه‌های معمولی دارند.

• نیروگاه‌های خورشیدی عوامل ظرفیت پایین و وابستگی به شرایط آب و هوایی و چرخه‌های روزانه دارند که تولید و قابلیت اطمینان آنها را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

• نیروگاه‌های خورشیدی نیاز به سیستم‌های پشتیبان یا ذخیره‌سازی دارند تا تأمین برق مداوم در زمان‌هایی که نور خورشید کم یا نیست، اطمینان‌بخش باشد.

• نیروگاه‌های خورشیدی با چالش‌های فنی مواجه هستند مانند یکپارچه‌سازی شبکه، اتصال، انتقال و توزیع.