مرکز دانش صنعت تاسیسات

جالب است بدانید که تابش خورشید بزرگترین منبع تجدید پذیر انرژی روی کره زمین می باشد و اگر فقط یک درصد از صحراهای جهان با نیروگاه های حرارتی خورشیدی به کار گرفته شوند، همین مقدار برای تولید برق سالانه مورد تقاضای جهان کافی خواهد بود. برای سود جستن از انرژی خورشیدی دو راه وجود دارد : استفاده مستقیم از نور خورشیدو تبدیل آن به الکتریسیته از طریق سلولهای فتوولتائیک استفاده مستقیم از انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انواع انرژی های دیگر و یا استفاده مستقیم از آن (کاربردهای نیروگاهی و غیر نیروگاهی خورشیدی)

 

 کاربردهای نیروگاهی خورشیدی

 یک نیروگاه خورشیدی شامل تاسیساتی است که انرژی تابشی خورشید را جمع کرده و با متمرکز کردن آن، درجه حرارتهای بالا ایجاد می کند. انرژی جمع آوری شده از طریق مبدلهای حرارتی، توربین ژنراتورها و یا موتورهای بخار به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد. نیروگاه های خورشیدی بر اساس نوع متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند: نیروگاه سهموی خطی (Parabolic Trough Collectors) نیروگاه دریافت کننده مرکزی(C.R.S) نیروگاه دیش استرلینگ( این تکنولوژی در نیروگاه های خورشیدی مورد استفاده کمتری دارد و در کاربردهای غیر نیروگاهی بیشتر استفاده می شوند.)

 

باتری خورشیدی

وسیله یا دستگاهی است که نور خورشید را مستقیما به الکتریسیته یا برق تبدیل می کند. ماهواره‌هایی که به فضا فرستاده می‌شوند، انرژی مورد نیازشان را از تعداد زیادی از همین باتریها می‌گیرند. بعضی ماشین حساب‌ها با باتری خورشیدی هم کار می‌کنند. در نقاط دور افتاده که برق ندارند، با استفاده باتری خورشیدی می‌توان دستگاههایی مثل تلویزیون یا یخچال را بکار انداخت و امروزه دانشمندان ماشینها و حتی هواپیماهایی ساخته‌اند که نیروی خود را از باتری خورشیدی می‌گیرند.

 

 

 

سلولهای خورشیدی

سلولهای خورشیدی یا باطریهای خورشیدی،قطعات نیمه هادی هستند که انرژی نوری خورشید را جذب کرده و به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند و بدین ترتیب می توان از این انرژی بصورت رایگان و نا محدود بهره برداری و استفاده نمود. از ویژگی های باطریهای خورشیدی می توان نا محدود بودن عمر آن، قابلیت ترکیب و سری و موازی بستن آن، ولتاژ کاملا صاف و DC خروجی آن و ... ذکر کرد. موارد کاربرد این باطریهای بسیار زیاد و متنوع است، از آن جمله میتوان موارد آموزشی،سرگرمی،شارژرهای باطری،صنایع مخابراتی،ماهواره ها و... را نام برد این باطریها را میتوان مستقیما به مصرف کننده های مختلف وصل کرد،اما از آنجایی که نور خورشید فقط در طول روز وجود دارد لذا در عمل در اکثر موارد این باطریها برای شارژ کردن انواع باطریهای قابل شارژ بکار برده می شود تا بتوان انرژی آنرا ذخیره کرده تا در تمامی شبانه روز بتوان از این منبع انرژی مفت و رایگان استفاده نمود. باتری خورشیدی یا سلولهای فوتو ولتایی ابزارهایی الکترونیکی هستند که با استفاده از پدیده فوتو ولتائیک ، نور یا فوتون را مستقیما به جریان و ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کنند. دانشمندان اولین باتری خورشیدی را در سال 1954 ، با استفاده از ماده نیمه رسانای سیلیسیوم ، در آزمایشگاههای تلفن بل ساختند.

 سیر تحولی و رشد

دانشمندان و مهندسان بلافاصله به ارزش باتریهای خورشیدی برای تأمین انرژی ماهواره‌ها پی‌بردند، زیرا این باتریها جرم کمی دارند و هیچ بخش متحرک مکانیکی ندارند. نخستین ماهواره آمریکایی در فضا به باتریهای خورشیدی از جنس سیلیسیوم مجهز شد. و امروزه هم سلول فوتو ولتایی سیلیسیومی هنوز منبع قدرت همه سفینه‌های فضایی هستند. البته در این میان کاوشگرهایی که به فراسوی منظومه شمسی و مکان میانی که نور خورشید در آنجا ضعیف است رهسپار می‌شوند، استثنا هستند.

 تهیه باتری خورشیدی

باتری خورشیدی اولیه از تک بلور سیلیسیوم (Si) ساخته می‌شد که روی صفحات تختی کنار هم قرار می‌گرفت. کاربرد این روش ، برای مصارف عمومی و تولید انرژی در فضایی بزرگ ، بسیار گران تمام می‌شود. هر چند ماده خام SiO2 برای تهیه Si فراوان است، اما پالایش شن و خالص سازی کافی Si برای تهیه باتریهای خورشید پر هزینه است. برش قطعات بلوری منفرد به صورت قطعه‌ نازکی که ویفر نام دارند، نیازمند بریدن با الماس ، پرداخت بیشتر و بالاخره چندین عمل اضافی برای افزودن ناخالصیهای مناسب است.

 کاهش هزینه ساخت

یک روش ممکن برای کاهش هزینه ، که در مورد بلوری گران قیمت نظیر Si و اخیرا گالیوم ارسنید (GuAs) ، استفاده از عدسی بزرگ و ارزان قیمت فرنل برای تمرکز نور روی سلول کوچک است. ضرایب تمرکز 25 تا 1000 با موفقیت بکار گرفته شده است. اگر چه طراحی تمرکز دهنده‌ها نیاز به ردگیری دو بعدی وضعیت خورشید در طول روز است.

استفاده از مواد در باتری خورشیدی

 طرح بسیار نوید بخش دیگری برای سلول فوتو ولتایی ، کاربرد ورقه‌های فیلمهای بسیار نازکی است که روی مواد نظیر شیشه یا فولاد زنگ نزن نشانده می‌شوند. سه ماده که به صورت ورقه‌های نازک (به ضخامت تقریبی 1 تا 3 میکرومتر) نتایج فوتوولتایی خوبی بدست داده‌اند. عبارتند از: سیلیسیوم هیدروژن دار آدورف (α - Si:H) ، سی اندپوم دی سلیند (CuLnSe2 یا بطور ساده CIS) و کادمیوم تلورید (CdTe). ماده‌ α - Si:H به صورت ورقه‌های نازک با ساختار آمورف ، ساختار چند بلوری با دانه‌هایی به صورت ورقه‌های نازک با ساختار بلوری با دانه‌هایی به اندازه حدود 1 میکرومتر کاربرد دارند.

خورشید فوتو ولتایی در باتری خورشیدی CdTe

فرآیند فوتو ولتایی در باتری خورشید CdTe در شکل زیر داده شده است. هر کوانتوم نور (فوتون) دارای انرژی hv است که در آن h ثابت پلانک و v بسامد نور است. (υ = C/λ) که در آن C سرعت نور و λ طول موج نور است). چنانچه انرژی فوتون بیشتر از گاف انرژی نیم رسانا (فاصله میان نوارهای نوارهای ظرفیت و رسانش) باشد، به آن صورت فوتون جذب ماده می‌شود و الکترونی را از نوار ظرفیت برانگیخته می‌کند و به نوار رسانش می‌برد که الکترون در آنجا می‌تواند آزادانه درون بلور به حرکت در آید. الکترون بار منفی دارد، اما حفره ایجاد شده در نوار ظرفیت دارای بار مثبت است. وقتی که الکترون حفره به سرعت از هم جدا نشوند، الکترون جذب حفره مثبت می‌شود و بدون ایجاد هیچ جریانی نابود خواهد شد. بنابراین لازم است که میدان الکتریکی برای جداسازی بارها برقرار شود. این کار با افزودن مقدار کمی ناخالصی آلاییده به نیم رسانا و ایجاد پیوندگاهی میان مناطق نوع n (که ذرات حامل بار در آن بار منفی دارند) و نوع p (که با ذرات حامل در آن مثبت است) انجام می‌شود، شکل 1 پیوند ناهمگنی را نشان می‌دهد که کادمیوم سولفید (CdS) نوع n و کادمیوم تلورید (CdTe) نوع p تشکیل شده است. هنگامی که فوتون ، زوجهای الکترون - حفره را در نزدیکی این پیوندگاه n - p که در آن میدان الکتریکی قوی برقرار است ایجاد کند، فرآیند فوتو ولتایی بیشترین بازدهی را خواهد داشت. باتری خورشیدی در این حال حفظ به اتصال های فلزی نیاز دارد. تا با سیم هایی که به جریان الکتریکی در وسیله ای خارجی امکان عبور می دهند مرتبط شود. برای باتری CdS/CdTe ، اکسید قلع (SnO2) به عنوان اکسید رسانشی شفاف (TCO) برای اتصال به CdS نیز نیکل ، گرانیت ، یا طلا برای اتصال CdTe کاربرد دارند.