انرژی‌خورشیدی کارخانه‌های برق
تعریف نیروگاه‌های خورشیدی
نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از انرژی خورشیدی برق تولید می‌کنند و به دو نوع نیروگاه فتوولتائیک (PV) و نیروگاه خورشیدی تمرکزی (CSP) تقسیم‌بندی می‌شوند.
نیروگاه‌های فتوولتائیک
با استفاده از سلول‌های خورشیدی نور را مستقیماً به برق تبدیل می‌کنند و شامل مولفه‌هایی مانند ماژول‌های خورشیدی، انورترها و باتری‌ها می‌شود.
نیروگاه فتوولتائیک یک سیستم PV در مقیاس بزرگ است که به شبکه متصل شده و برای تولید برق الکتریکی در مقیاس بزرگ از تابش خورشیدی طراحی شده است. یک نیروگاه فتوولتائیک از چندین مولفه تشکیل شده است، مانند:
ماژول‌های خورشیدی: واحدهای پایه یک سیستم PV که از سلول‌های خورشیدی تشکیل شده‌اند که نور را به برق تبدیل می‌کنند. سلول‌های خورشیدی معمولاً از سیلیکون ساخته شده‌اند و فوتون‌ها را جذب کرده و الکترون‌ها را آزاد می‌کنند که جریان الکتریکی ایجاد می‌کند. ماژول‌های خورشیدی می‌توانند در کنفیگوراسیون‌های سری، موازی یا 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 تیلت یا چرخش کنند تا حرکت خورشید را دنبال کنند و تولید انرژی را افزایش دهند. آن‌ها می‌توانند دستی یا خودکار باشند، بسته به کنترل مورد نیاز.
انورترها: دستگاه‌هایی هستند که 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 میکرو-انورترها. انورترهای مرکزی واحدهای بزرگی هستند که چندین ماژول یا آرایه خورشیدی را متصل می‌کنند و یک خروجی AC واحد فراهم می‌کنند. میکرو-انورترها واحدهای کوچکی هستند که به هر ماژول یا پنل خورشیدی متصل می‌شوند و خروجی‌های AC جداگانه فراهم می‌کنند. انورترهای مرکزی برای سیستم‌های مقیاس بزرگ اقتصادی‌تر و کارآمدتر هستند، در حالی که میکرو-انورترها برای سیستم‌های مقیاس کوچک انعطاف‌پذیرتر و قابل اعتمادتر هستند.
کنترلرهای شارژ: ولتاژ و جریان از ماژول‌های خورشیدی را تنظیم می‌کنند تا از بارگیری بیش از حد یا خالی شدن بیش از حد باتری‌ها جلوگیری کنند. آن‌ها در دو نوع وجود دارند: کنترلرهای عرض پالس (PWM) و ردیابی نقطه توان حداکثر (MPPT). کنترلرهای PWM ساده‌تر و ارزان‌تر هستند اما بعضی از انرژی را تلف می‌کنند. کنترلرهای MPPT کارآمدتر هستند و با تطبیق نقطه توان حداکثر ماژول‌های خورشیدی، تولید انرژی را بهینه می‌کنند.
باتری‌ها: دستگاه‌هایی هستند که برق اضافی تولید شده توسط ماژول‌های یا آرایه‌های خورشیدی را برای استفاده بعدی زمانی که نور خورشید وجود ندارد یا شبکه خاموش است ذخیره می‌کنند. باتری‌ها می‌توانند به دو نوع تقسیم‌بندی شوند: باتری‌های سرب-اسید و باتری‌های لیتیوم-یون. باتری‌های سرب-اسید ارزان‌تر و رایج‌تر هستند، اما دارای چگالی انرژی کمتر، عمر کوتاه‌تر و نیاز به نگهداری بیشتری هستند. باتری‌های لیتیوم-یون گران‌تر و کمتر رایج هستند، اما دارای چگالی انرژی بالاتر، عمر طولانی‌تر و نیاز به نگهداری کمتری هستند.
سوئیچ‌ها: بخش‌های مختلف سیستم مانند ماژول‌های خورشیدی، انورترها و باتری‌ها را به یکدیگر متصل یا جدا می‌کنند. آن‌ها 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: دستگاه‌هایی هستند که 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: 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 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، کنترلرهای شارژ و بارها است که برق را ذخیره یا مصرف می‌کنند. نمودار زیر یک مثال از طرح یک نیروگاه فتوولتائیک را نشان می‌دهد:
عملکرد یک نیروگاه فتوولتائیک به چندین عامل بستگی دارد، مانند شرایط آب و هوایی، تقاضای بار و وضعیت شبکه. 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 اضافی و تقاضای کم باشد. در این حالت، ماژول‌های خورشیدی بیشتر از نیاز برق تولید می‌کنند. برق اضافی از طریق کنترلرهای شارژ باتری‌ها را شارژ می‌کند.
حالت دیشارژ زمانی رخ می‌دهد که نور خورشید وجود نداشته باشد یا تقاضای بار بالا باشد. در این حالت، ماژول‌های خورشیدی کمتر از نیاز برق تولید می‌کنند. برق کمبود از طریق انورترها از باتری‌ها تأمین می‌شود.
حالت متصل به شبکه نیز می‌تواند زمانی رخ دهد که شبکه خاموش باشد و نیاز به برق پشتیبان باشد. در این حالت، ماژول‌های خورشیدی برق تولید می‌کنند که از طریق انورترها توسط بارها مصرف می‌شود.
مزایا
نیروگاه‌های خورشیدی از انرژی تجدیدپذیر و تمیز استفاده می‌کنند که گازهای گلخانه‌ای یا آلودگی‌های محیطی را تولید نمی‌کنند.
نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش دهند 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 فراهم کنند.
نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند مشاغل محلی و مزایای اقتصادی برای جوامع و مناطق ایجاد کنند.
نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند از انواع انگیزه‌ها و سیاست‌هایی که توسعه و گسترش انرژی‌های تجدیدپذیر را حمایت می‌کنند بهره‌مند شوند.
معایب
نیروگاه‌های خورشیدی نیاز به مساحت‌های زمینی بزرگ دارند و ممکن است تأثیرات محیطی بر روی حیات وحش، گیاهان و منابع آب داشته باشند.
نیروگاه‌های خورشیدی هزینه‌های سرمایه‌ای اولیه بالا و دوره بازگشت سرمایه طولانی‌تری نسبت به نیروگاه‌های متعارف دارند.
نیروگاه‌های خورشیدی عامل ظرفیت کم و وابسته به شرایط آب و هوایی و چرخه‌های روزانه هستند که تولید و قابلیت اطمینان آن‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهند.
نیروگاه‌های خورشیدی نیاز به سیستم‌های پشتیبان یا ذخیره‌سازی دارند تا تأمین مداوم برق را در دوره‌های کم یا عدم وجود نور خورشید اطمینان بخش کنند.
نیروگاه‌های خورشیدی با چالش‌های فنی مواجه هستند مانند یکپارچه‌سازی شبکه، اتصال، انتقال و توزیع.
