تحقیق سلول های خورشیدی و کاربرد آنها در مخابرات



پایان نامه دوره کارشناسی برق
گرایش الکترونیک

موضوع:

سلول های خورشیدی
و کاربرد آنها در مخابرات

استاد راهنما:
مهندس …

نام دانشجو:
محمد رنجبر

آذر ماه 1394

سپاسگزاری

حضرت علی(ع) فرمودند:
" مَن عَلَّمَنی حَرفاً فَقَد سَیَرنی عَبداً "

بدین وسیله مراتب تشکر و قدردانی خود را از زحمات بی دریغ استاد راهنما ، جناب آقای مهندس … ، که با راهنمایی های خود راهگشای اینجانب بوده اند، اعلام می دارم . همچنین از تمامی معلمین، اساتید، دوستان و خانواده ام در کل دوران تحصیل ، که مرا در انجام هرچه بهتر این پایان نامه یاری نمودند ، صمیمانه تشکر می نمایم.

تقدیم به :

پدر بزرگوارم
به همت والای او ، که بزرگواریش
تکیه گاهم شد تا ایستادن را بیاموزم.

مادر دلسوزم
به فداکاری و از خود گذشتگی او که چگونه زندگی کردن و ایستادگی در تنگنای زندگی را به من آموخت.

همسر عزیزم
که همیشه در کنارم است.

و دختر دلبندم
که امید زندگیام است.

باشد که بپذیرند.

چکیده
سلول های خورشیدی
و کاربرد آنها در مخابرات

سلول های خورشیدی بعنوان یکی از ابزارهای اپتوالکترونیکی در حال یافتن جایگاه ویژه ای در چرخه تولید انرژی می باشند . این سلول ها بدلیل جدی شدن کمبود منابع سوخت های فسیلی و نیز عدم آلودگی محیط زیست مورد توجه بسیاری از دولتها قرار گرفته اند و هر روز شاهد ساخت نمونه های جدیدی هستیم که خواص فتوولتائیکی آنها بهبود یافته است . امید است در آینده ای نزدیک سلول های خورشیدی نسل جدید کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف و زندگی روزمره انسان یابند و به همین دلیل موضوع این پایان نامه بر پایه سلول های خورشیدی شکل گرفت .
در این پایان نامه سعی شده که مطالعات و تحقیقاتی در مورد سلول های خورشیدی و ساختار این سلول ها و تاثیرات دما و تشعشعات خورشیدی بر روی آنها و همچنین فناوری های ساخت سلول های خورشیدی و قسمتی از کاربردهای آن بحث شده و نیز اثر فتوولتائیکی و تعریف ماژول های فتوولتائیک و مصارف و کاربردهای فتوولتائیک آمده است . در ادامه نیز کلیاتی از کاربرد سلول های خورشیدی در مخابرات و ارتباطات سیار مورد تحقیق قرار گرفته است از جمله استاندارد مشخصات فنی سلول های خورشیدی در شبکه جی اس ام و همچنین انرژی مورد نیاز برخی سیستم های جی اس ام و در ادامه نیز یک ایستگاه مایکرو ویو و یک مرکز مخابراتی را که با سلول های خورشیدی راه اندازی شده اند ، مورد بررسی قرار داده شده است .

واژه های کلیدی
سلول های خورشیدی ، اثر فتوولتائیکی ، شبکه جی اس ام ، ایستگاه مایکرو ویو .

فهرست مطالب
عنوان
صفحه
فصل اول : مقدمه
1-1- مقدمه 1
1-2- انرژی مورد نیاز بشر و انررژی خورشید 2
فصل دوم : بررسی اثر فتوولتائیک (PV )
2-1- بررسی اثر فتوولتائیک 4
2-2- مروری بر تاریخچه فتوولتائیک 7
2-3- مزایای انرژی فتوولتائیک 8
2-4- محدودیت های اصلی سیستم های فتوولتائیک 8
2-5- اجزای سیستم های فتوولتائیک 8
2-6- انواع سیستم های فتوولتائیک 9
2-7- انواع روشهای استفاده از سیستم های فتوولتائیک 13
2-8- برآورد هزینه سیستم های برق خورشیدی 13
فصل سوم : مروری بر سلول خورشیدی
3-1- تاریخچه سلول خورشیدی 14
3-2- نور 19
3-2-1- جذب فوتون و انتقال نور 20
3-3- ثابت خورشیدی و جرم هوا 21
3-3-1- توده هوا 22
3-4- ساختار سلول خورشیدی پیوندگاه P-N 24
3-4-1- خلاصه مراحل تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی 29
3-4-2- پارامتر های مهم سلول خورشیدی 30
3-4-3- مشخصات V-I سلول تحت تابش 34
3-4-4- مدار معادل سلول خورشیدی و روابط آن 35
3-4-4-1- مدار معادل ایده آل سلول خورشیدی 36
3-4-4-2- مدار معادل غیر ایده آل سلول خورشیدی 39
3-4-5- اثر دما در عملکرد سلول خورشیدی 42
3-4-5-1- تغییرات ولتاژ مدار باز با دما 43
3-4-6- اثرات تشعشعات خورشیدی بر سلول خورشیدی 43
3-4-7- جریان باز ترکیب به عنوان عامل کاهش بازده 45
3-4-8- پاسخ طیفی سلول خورشیدی 45
3-4-9- ملاحضات طراحی و مواد 47
3-4-9-1- روش های کاهش هزینه ساخت سلول خورشیدی 47
3-4-9-2- روش تغییر طیف قبل از ورورد به سلول جهت افزایش کارایی 48
3-5- مقایسه سلول خورشیدی و باطری 48
3-6- فناوری های ساخت سلول های خورشیدی 49
3-6-1- سلول خورشیدی ساخته شده از ویفر سیلیکون تک بلوری 50
3-6-2- ساخت سلول های خورشیدی با استفاده از مواد آلی 51
3-7- طریقه دریافت الکتریسیته از انرژی خورشید 51
3-8- کاربردهای سلول های خورشیدی 52
فصل چهارم : ماژول های فتوولتائیک
4-1- تعریف ماژول فتوولتائیک 53
4-2- عوامل مهم در تعیین توان خروجی ماژول 54
4-2-1- سایه زدگی 54
4-2-2- دمای ماژول 55
4-2-3- مقاومت ماژول 56
4-3- ترکیب سری – موازی سلول ها در بهبود عملکرد سیستم 56
4-4- نحوه استقرار سلول های خورشیدی 58
4-5- آرایه 58
4-5-1- انواع آرایه 59
4-6- مصارف و کاربردهای فتوولتائیک 63
4-7- نیروگاههای فتوولتائیک 64
4-8- کاربردهای نیروگاهی 65
4-8-1- نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سهموی خطی 67
4-8-2- نیروگاههای حرارتی از نوع دریافت کننده مرزی 68
4-8-3- نیروگاههای حرارتی از نوع بشقابی 69
4-9- دودکش های خورشیدی 69
4-10- مزایای نیروگاههای خورشیدی 70
4-11- بزرگترین نیروگاه خورشیدی 71
4-12- کاربردهای غیر نیروگاهی 75
4-12-1- آبگرمکن های خورشیدی و حمام خورشیدی 75
4-12-2- گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی 76
4-12-3- آب شیرین کن خورشیدی 77
4-12-4- خشک کن خورشیدی 77
4-12-5- اجاق های خورشیدی 77
4-12-6- کوره خورشیدی 78
4-12-7- خانه های خورشیدی 78
فصل پنجم : کاربرد سلولهای خورشیدی در مخابرات
5-1- مقدمه 80
5-1-1- نمونه ای از کاربردهای انرژی خوشیدی در مخابرات 81
5-1-2- مزیت استفاده از سیستم خورشیدی نسبت به سیستم های موجود 81
5-2- استفاده از نانو لوله های کربنی در ساخت پیل های خورشیدی 81
5-3- استفاده از سلول های خورشیدی در شبکه GSM 83
5-3-1- استاندارد مشخصات فنی سلول های خورشیدی در شبکه GSM 83
5-3-2- جدول انرژی مورد نیاز برخی سیستم های GSM 84
5-3-3- مشخصات فنی سیستم سلول های خورشیدی برای روشنائی و تلفن همگانی GSM، میکروBTS و رپیتر 84
-3-4- سیستم سلول خورشیدی برای روشنائی تلفن همگانی ، تلفن GSM ، میکرو BTS ، ریپتر و چراغ دکل دیودی 85
5-3-4-1- بلوک دیاگرام سیستم 85
5-3-4-2- پانل 85
5-3-4-3- تابلوی شارژکنترل 87
5-3-4-4- باتری 88
5-3-4-5- روشنایی 88
5-3-4-6- مشخصات الکتریکی مصرف کننده 88
5-3-4-7- شرایط محیطی طراحی 88
5-3-4-8- حفاظت 89
5-3-4-9- نکاتی در مورد ساخت دستگاه 89
5-4-ایستگاه مایکرو ویو راه اندازی شده توسط سلول های خورشیدی 90
5-4-1- مشخصات سلول های خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو 90
5-4-2- آرایش و هم بندی سلول های خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو 90
5-4-3- مشخصات فنی ایستگاه مایکرو ویو 91
5-4-4- سیستم مدار کنترل جریان ایستگاه مایکرو ویو 93
5-4-5- زاویه و جهت سلول های خورشیدی 94
5-4-6- مدار محافظ ایستگاه مایکرو ویو 95
5-4-7- تست سلول های خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو 95
5-5- مرکز مخابراتی راه اندازی شده توسط سلول های خورشیدی 95
5-5-1- مشخصات عمومی سلول های خورشیدی مرکز مخابراتی 96
5-5-2- نوع تامین نیرو و مدار شماتیک تغذیه نیروی مرکز مخابراتی 96
5-5-3- مشخصات فنی هر سلول خورشیدی 98
5-5-4- مشخصات فنی مرکز مخابراتی راه اندازی شده توسط سلول خورشیدی 99
5-6- تامین نیروی برق مصرفی ایستگاه فضایی توسط سلول خورشیدی 104
منابع و ماخذ 105

فهرست شکلها
عنوان
صفحه
فصل دوم :
شکل (2-1) مقایسه اثر فتوالکتریک (سمت چپ) با اثر فتوولتائیک در یک سلول خورشیدی (سمت راست) 5
شکل (2-2) نور با انرژی کافی به شبکه برخورد کرده و ایجاد جفت الکترون- حفره می کند . 6
شکل (2-3)سیستم استفاده در روز 10
شکل (2-4 )سیستم جریان مستقیم (DC) با باتری ذخیره 11
شکل (2-5) سیستم با بارهای AC و DC 11
شکل (2-6) سیستم های متصل به شبکه برق شهری 12
فصل سوم :
شکل (3-1) نمونه سلول خورشیدی تجاری شرکت سانیو 17
شکل (3-2) ضریب جذب چند نیمه هادی مختلف 21
شکل (3-3) طیف زمینی و هوایی خورشید 22
شکل(3-4) تصاویر شماره توده هوا ، طولهای مسیر و زوایای سمت الراس 23
شکل (3-5) برتابندگی طیفی خورشید در جرم هوای صفر و 1.5 و طول موج قطع si وGaAs 24
شکل (3-6) با اتصال دو نیمه هادی n,p الکترونها از سمت n به سمت p پیوندگاه حرکت کرده و ایجاد بار مثبت
سمت n و بار منفی سمت p پیوندگاه می کند. 25
شکل (3-7) بارهای مثبت و منفی ایجاد میدان الکتریکی در پیوندگاه می کنند . درحالت تعادل میدان از هرگونه
حرکت الکترونها و حفره ها جلوگیری می کند. 26
شکل (3-8) با برخورد نور به سلول جفت الکترون – حفره ایجاد می شود . میدان الکتریکی الکترونهای جدید را
به یک سمت پیوندگاه و حفره های جدید را به سمت دیگر می راند 26
شکل (3-9) نمایش طرح وار سلول خورشیدی پیوندگاه p-n 27
شکل (3-10)الف ) نمودار نوار انرژی پیوندگاه p-n تحت تابش ب ) مدار معادل ایده آل سلول خورشیدی 28
شکل (3-11) الف )منحنی I-V ب ) وارون منحنی اول 29
شکل (3-12) اتصال یک سلول p-n به مدار خارجی 30
شکل (3-13) شکاف باند بهینه برای سلول خورشیدی تک اتصالی 32
شکل (3-14) بازده چند نوع سلول خورشیدی بر حسب شکاف باند 33
شکل (3-15) بازده سلول بر حسب تمرکز 33
شکل (3-16) مشخصه V-I سلول 34
شکل (3-17) مدار معادل ایده آل سلول خورشیدی 35
شکل (3-18) مشخصات V-I دیود ایده ال در نور و تاریکی 36
شکل (3-19) جریان و ولتاژ با افزایش تابش افزایش می یابند 37
شکل (3-20) شکل شامل دانسیته توان و نقطه ماکزیمم توان می باشد 38
شکل (3-21) جریان اتصال کوتاه برحسب ولتاژ مدار باز برخی سلول های جدول بالابا افزایش ولتاژ مدار باز ،
سلول ها علاقه به داشتن جریان اتصال کوتاه کمتری هستند ، کهاین بدلیل شکاف باند مواد نیمه هادی است. 39
شکل (3-22 ) مدار معادل غیر ایده آل سلول خورشیدی 39
شکل (3-23) تعیین مقاومتهای سری و موازی از منحنی مشخصه 40
شکل (3-24) اثر افزایش مقاومت سری (چپ) و کاهش مقاومت موازی (راست). در هردو حالت منحنی بیرونی
معادل است . در هر دو حالت اثر مقاومتها کاهش مستطیل توان ماکزیمم در
مقایسه با می باشد. 40
شکل (3-25) مشخصه V-I سلول خورشیدی دارای مقاومت متوالی 41
شکل (3-26) اثر افزایش دما بر منحنی سلول خورشیدی 42
شکل (3-27) مشخصه ولتاژ – جریان تحت تابش 44
شکل (3-28 ) هندسه یک بعدی یک سلول خورشیدی یک پیوندی 46
شکل (3- 29) سلول خورشیدی می تواند جایگزین باتری در یک مدار ساده گردد 48
شکل (3- 30 ) منحنی V-I یک باتری قراردادی ( خاکستری ) و یک سلول خورشیدی تحت سطوح مختلف تابش 49
فصل چهارم :
شکل (4-1) در یک ماژول سلولها معمولا بصورت سری برای تامین ولتاژ کافی به هم متصل می گردند 54
شکل (4-2) ماژول ها ممکن است بصورت سری و سپس موازی در یک آرایه برای تامین ولتاژ و جریان
مورد نیاز قرار گیرند. 54
شکل (4-3) منحنی جریان – ولتاژ نوعی در one sun و half sun 55
شکل (4-4) منحنی جریان – ولتاژ نوعی برای یک ماژول سایه نخورده و یک ماژول با یک سلول سایه زده 55
شکل (4-5) منحنی جریان – ولتاژ نوعی یک ماژول در دمای و یک ماژول در دمای 56
شکل (4-6) سه ماژول با دیودهای bypass و دیود بلاکه بصورت سری متصل شده 57
شکل (4-7) دوازده ماژول در آرایه سری-موازی با دیودهای bypass و ایزوله 57
شکل (4-8 ) در اغلب کاربرده آرایه فتوولتائیک برای تنظیم بار و ذخیره باید با قطعاتی مجتمع شود 59
شکل (4-9) آرایه تنظیم شده برای زاویه خورشید در تابستان 59
شکل (4-10) منبع توان قابل انتقال 60
شکل (4-11) آرایه های tracking یک و دو محوری 60
شکل (4-12) سلول های فتوولتائیک بعنوان سنسور جهت یاب خورشیدی بکار می روند 61
شکل (4-13) جریان در هر دو ماژول در نور خورشید یکسان جاری می شود 61
شکل (4-14) جریان جاری شده با یک ماژول سایه زده 62
شکل (4-15) سیستم جستجوگر خورشید بدون ماژول 62
شکل (4-16) نیروگاه خورشیدی در اسپانیا 65
شکل (4-17) نمونه ای از نیروگاه خورشیدی 66
شکل (4-18) نمونه ای از سلول های خورشیدی 67
شکل (4-19) دودکش خورشیدی 69
شکل (4-20) تاسیسات جدید نیروگاه خورشیدی در اسپانیا 72
شکل (4-21) یکی دیگر از نیروگاه های خورشیدی در اسپانیا 72
شکل (4-22) در ماه نوامبر گذشته اسپانیا به رکورد جدیدی در تولید انرژی بادی دست یافت 73
شکل (4-23) نخستین نیروگاه خورشیدی ایران در شیراز 74
شکل (4-24) نمونه ای از آبگرمکن خورشیدی 75
شکل (4-25) نمونه ای از آبگرمکن استخری 76
فصل پنجم :
شکل (5-1) دیاگرام پنل خورشیدی 82
شکل (5-2) مشخصات یک سلول خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو 90
شکل (5-3) آرایش استقرار سلول های خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو 90
شکل (5-4) نمایش ست سلول های خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو 91
شکل (5-5) باتری خانه ایستگاه مایکرو ویو 91
شکل (5-6) نمونه ای از باتری استفاده شده در ایستگاه مایکرو ویو 92
شکل (5-7) چینش سلول ها جهت ارتباط با PDB 92
شکل (5-8) اتصال هر ست 16 تایی سلول ها به یک PDB 93
شکل (5-9) مدار داخلی سیستم کنترل جریان ایستگاه مایکرو ویو 93
شکل (5-10) تابلوی توزیع برق و مدار کنترل جریان ایستگاه مایکرو ویو 94
شکل (5-11) مرکز مخابراتی که توسط سلول خورشیدی راه اندازی شده است 95
شکل (5-12) مشخصات یک سلول خورشیدی مرکز مخابراتی 96
شکل (5-13) مدار شماتیک تغذیه مرکز مخابراتی از باتری و سلول خورشیدی 96
شکل (5-14) تابلوی برق اینورتور ورودی و خروجی مرکز مخابراتی 97
شکل (5-15) باتری های مرکز مخابراتی که توسط سلول های خورشیدی شارژ می شوند 97
شکل (5-16) تابلوی توزیع برق از سلول های خورشیدی به باتری های مرکز مخابراتی 98
شکل (5-17) مشخصات فنی سلول های خورشیدی استفاده شده در مرکز مخابراتی 98
شکل (5-18) نمایی از تعداد سلولهای خورشیدی مورد استفاده در راه اندازی مرکز مخابراتی 99
شکل (5-19) نمایی از پشت سلول های خورشیدی و ارتباط آنها با یکدیگر به صورت سری 99
شکل (5-20) نمایی از مرکز مخابراتی در زمان تابش خورشید و جذب انرژی توسط سلولها 100
شکل (5-21) تابلوی توزیع و تبدیل برق مرکز مخابراتی BOX DC PDB 100
شکل (5-22) نوع سیم کشی BOX DC PDB 101
شکل (5-23) قسمت بالایی BOX DC PDB 101
شکل (5-24) قسمت پایینی BOX DC PDB 102
شکل (5-25) تابلوی انتقال برق دریافتی از سلول ها به BOX DC PDB 102
شکل (5-26) اطلاعات الکتریکی راک 103
شکل (5-27) نمایی از دکل آنتنهای مرکز مخابراتی راه اندازی شده توسط سلول خورشیدی 103
شکل (5-28) نمایی از مرکز ساختمان مدیریت مرکز مخابراتی جزیره کیش در شب 103
شکل (5-29) پنل های خورشیدی بکار رفته در ایستگاه فضایی بین المللی iss 104

فهرست جدول ها
عنوان
صفحه

جدول (3-1) مشخصات نمونه سلول خورشیدی تجاری شرکت سانیو 17
جدول (3-2) مقایسه مشخصات سلول های سیلیکونی و گالیوم آرسناید 18
جدول (3-3) عملکرد بعضی انواع سلول های خورشیدی 38
جدول (5-1) نیمه هادی های مورد استفاده در سلول های خورشیدی 82
جدول ( 5-2) انرژی مورد نیاز برخی سیستم های شبکه GSM 84

لیست علایم و اختصارات
مفهوم
علامت

سانتیمتر (Centimeter) cm
میلیمتر (Millimeter) mm
سیلیسیوم (Silicyom) Si
ژرمانیوم (Germaniom) Ge
میلی ولت (mili volt) mv
کیلو وات (Kilo watt) KW
مگا وات (Mega watt) MW

1-1- مقدمه

خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلکه سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژیهای دیگر است. طبق برآوردهای علمی در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می گذرد و در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را می توان به عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد.
قطر خورشید ۶۱۰ × ۳۹/۱ کیلومتر است و از گازهایی نظیر هیدروژن (۸/۸۶ درصد) هلیوم (۳ درصد) و ۶۳ عنصر دیگر که مهم ترین آنها اکسیژن – کربن – نئون و نیتروژن است تشکیل شده است.
میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می شود.
زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می کشد تا نور خورشید به زمین برسد بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید حدودی از کل انرژی تابشی آن می باشدکه جالب است بدانید که سوختهای فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرژیهای باد و آبشار و امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید می باشد.

1-2- انرژی مورد نیاز بشر و انرژی خورشید
انرژی که از طریق خورشید به زمین می رسد ۱۰۰۰۰ بار بیشتر از انرژی مورد نیاز انسان است در سال ۲۰۵۰ یعنی سال143۰ ه. ش (۴۰ سال دیگر) ۵۰ تا ۳۰۰ درصد بیشتر از مصرف امروزی آن خواهد بود. با اینحال اگر فقط ۰٫۱ درصد از سطح زمین با مبدلهای انرژی خورشیدی پوشیده شوند و تنها ۱۰ ٪ بازده داشته باشند برای تامین انرژی مورد نیاز بشر کافی است.
در مرکز خورشید هر ثانیه ۷۰۰ تن هیدروژن به انرژی تبدیل می شود ( به صورت فوتون یا نوترینو). دمای خورشید در مرکز آن ۱۵ میلیون و در سطح آن ۶ میلیون درجه سانتیگراد است. انرژی تولید شده در سطح خورشید بعد از ۸ دقیقه به سطح زمین می رسد. نور خورشید که به زمین می رسد شامل طول موجهای زیر است:۴۷ درصد زیرقرمز ,۴۶ درصد نور مرئی , ۷ درصد فرابنفش. از این رو سلولهای خورشیدی باید در ناحیه زیرقرمز و نور مرئی جذب بالایی داشته باشند.
انرژی الکتریکی یکی از مهم ترین و مفید ترین انواع انرژی است . تولید انرژی الکتریکی از طریق تبدیل انرژی فتوولتائیک توسط سلول های خورشیدی است .
از دوران قدیم تامین انرژی، مسئله بسیار مهمی برای جوامع بشری بوده است.درعصرحاضر با توجه به پیشرفتهای صنعتی و تکنولوژیک که جایگاه بسیار مهمی را در زندگی روزمره انسانها دارد، اهمیت مسئله بنحو بارزتری تجلی می نماید. اما منابع رایج تولید انرژی که اکثرا تجدیدناپذیر می باشند، بنابر تحقیقات دانشمندان تا اواخرقرن21 به اتمام می رسند. لذا ازدهه های پایانی قرن20 منابع تجدیدپذیرانرژی موردتوجه خاصی قرار گرفتند . ازجمله دلایل دیگر توجه به منابع نوین انرژی، اثرات مخرب منابع تجدیدناپذیر (سوختهای فسیلی و …) بر محیط زیست بود.
با توجه به دلایل فوق دانشمندان درپی کشف راههای جدید، به منابع نوین وتجدیدپذیرانرژی روی آوردند. باید اشاره کردکه انرژیهای تجدیدپذیر بنوعی بصورت مستقیم یاغیر مستقیم ازانرژی خورشید ﻧﺸﺄت می گیرند و می توان آنها را تحت نام انرژیهای خورشیدی نیز بکار برد و ویژگی بارزآنها درنامحدود بودنشان می باشد.یادآور می شود که فرایند تولید انرژی از باد یا امواج نیز بگونه ای در ارتباط با وجود خورشید بوده و انرژی گرمایشی ترازهای زیرین زمین نیز بهمین ترتیب می باشد.
نکته مهم اینجاست که فنآوریهای عصر حاضر باید بتوانند از انرژی خورشیدی استفاده کنند. بنابراین باید بتوان انرژی خورشیدی (منابع تجدیدپذیر) را به انواع انرژی مورد استفاده تبدیل کرده و یا اینکه فن آوریها، توانایی تولید انرژی مورد نیاز از خورشید را داشته باشند.
سلول های خورشیدی نامزد بسیار مهمی برای جانشینی منابع انرژی زمینی است ، زیرا می تواند با بازده تبدیل خوبی نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل کند که با هزینه عملیاتی کم می تواند توان تقریبا دائمی تولید کند و واقعا آلوده کننده هم نیست .[1]
یکی از راه های مناسب برای استفاده از منابع تجدیدپذیر انرژی، سیستم فتوولتاییک می باشد. این سیستم مبتنی بر تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی است. چون در آینده منابع انرژی طولانی مدت باید برپایه انرژی خورشیدی باشد، تبدیل انرژی فتوولتائیک در آینده ضروری است .
تبدیل انرژی در سلول های خورشیدی شامل 2 مرحله است :
مرحله 1 : جذب اشعه های خورشید و تولید انرژی شیمیایی . (این پروسه در هر نیمه هادی اتفاق می افتد )
مرحله 2 : تغییر شکل به انرژی الکتریکی توسط تولید ولتاژ و جریان، که این نیاز به ساختارها و نیروهایی برای راندن الکترون ها و حفره ها در سلول خورشیدی دارد تا یک جریان الکتریکی تولید کند .

2-1- بررسی اثرفتوولتائیک1

تکنولوژی فتوولتائیک نور را به الکتریسیته و در نتیجه توان تبدیل می کند . تفسیر این موضوع بر پایه ایده هایی از تئوری کوانتومی است :
1- نورخورشید از بسته های انرژی تشکیل شده که "فوتون" نامیده می شود . (انرژی آنها وابسته به فرکانس یا رنگ نور می باشد)
2- فوتون ها می توانند با اتم های شبکه اثر متقابل داشته باشند و اگر یک فوتون انرژی کافی داشته باشد، می تواند اتصال بین یک الکترون و یک اتم را بشکند .
انرژی فوتون های مرئی برای برانگیختن الکترون های محدود در جامد کافی است تا به لایه های بالاتر انرژی برانگیخته شوند، جایی که بتوانند آزادانه حرکت کنند .
یک مثال مهم از این نوع، اثر "فتوالکتریک" است . این آزمایش توسط "انیشتین" در سال 1905 انجام شد که نور فرابنفش انرژی کافی برای الکترون ها فراهم می کند تا از سطح فلز فرار کنند .

شکل (2-1) مقایسه اثر فتوالکتریک (سمت چپ) با اثر فتوولتائیک در یک سلول خورشیدی (سمت راست) .
سلول فتوولتائیک نیاز به کنتاکت هایی با خواص الکتریکی متفاوت دارد تا بتواند الکترونهای برانگیخته
را در مدار خارجی درایو کند .[1]
انرژی اضافی الکترونهای برانگیخته یک "اختلاف پتانسیل" ایجاد می کند (یا یک نیروی محرک الکتریکی . این نیرو الکترونها را در طی بار در مدار خارجی درایو می کند تا کار الکتریکی انجام دهد .
الکترون ها در سلول فتوولتائیک برانگیخته خواهند شد (به شرط این که انرژی فوتون از شکاف باند نیمه هادی بزرگ تر باشد) و از لایه ظرفیت به لایه انرژی بالاتر (لایه هدایت) می روند . در لایه هدایت اتصال محکمی بین الکترونها وجود ندارد . بنابراین در اطراف نیمه هادی شروع به حرکت می کنند و ایجاد جریان می کنند . در باند ظرفیت فقدان الکترونها ایجاد یک فضای خالی خواهد کرد (حفره). الکترونها در باند ظرفیت توسط حفره ها جذب خواهند شد و بنابراین حفره ها هم مانند الکترون ها حرکت می کنند .

شکل (2-2) نور با انرژی کافی به شبکه برخورد کرده و ایجاد جفت الکترون- حفره می کند . این بارهای مثبت و منفی که آزادانه در شبکه کریستالی حرکت می کنند ، عامل تولید الکتریسیته هستند .[2]
الکترون های جدا شده از اتم ایجاد یک جریان به نام "جریان نوری" می کنند .
در یک پیوند بین دو ماده نیمه هادی متفاوت، الکترون ها در ماده نوع نفوذ می کنند و حفره های مثبت در ماده نوع پراکنده می شوند و به ترتیب در هر دو الکترود جمع می شوند و در نتیجه یک اختلاف پتانسیل بین الکترودها ایجاد می شود . وقتی یک بار خارجی به پیوند وصل می شود، الکتریسیته در بار جاری شده و توان لازم برای بار را فراهم می کند . الکترون ها و حفره ها در طی الکترودها توسط رانش در میدان الکتریکی موجود، جریان می یابند .
بار الکتریکی جمع شده در هر طرف سلول خورشیدی، سبب ایجاد یک ولتاژ نوری در الکترودهای خارجی می گردد و این ولتاژ الکترون ها را به خارج سلول خورشیدی و به سمت بار می راند .
اثر بخشی یک قطعه فتوولتائیک بستگی به انتخاب نور جذب شده و همچنین روشی که آنها را به مدار خارجی متصل می کند و نیز انتخاب ماده تشکیل دهنده ساختار دارد . بطوری که در انتخاب ماده مصرف ناقص انرژی فوتون های جذب شده را هم باید به حساب آورد .
قبل از تحریک ، الکترون ها در اتصال اتم های نیمه هادی به هم شرکت دارند (الکترون های با انرژی در باند ظرفیت) . بعد از تحریک آزادند تا در اطراف حرکت کنند و یک جریان الکتریکی را هدایت کنند (الکترون های با انرژی باند هدایت).
2-2- مروری بر تاریخچه فتوولتائیک
تحقیقات مرتبط با تکنولوژی فتوولتاییک از یکصد سال قبل آغاز شد.در سال 1873 م. "ویلوگبی اسمیت" دانشمند انگلیسی به حساسیت سلنیم نسبت به نور پی برد. وی در آزمایشهای خود به این نتیجه رسید که توانایی سلنیم برای هدایت الکتریسیته با میزان تابش نور به آن رابطه ای مستقیم دارد. درسال 1880 م. "چارلز فریتس" توانست که با استفاده از سلنیم اولین پیل الکتریکی خورشیدی را بسازد. این محصول بدون مصرف مواد اولیه و بدون تولید گرما و صدا، الکتریسیته تولید می کرد. اما این تحقیقات تا سال 1905 م. که "آلبرت انیشتین" نظریه خود را در باب اثرفتوولتاییک ارائه کرد، راکد ماند. نظریات انیشتین تحولی در مراحل تولید الکتریسیته ایجاد نمود. اما بدلیل هزینه های بالا و بازدهی کم تولید، پیشرفتهای کندی دراین زمینه بدست می آمد، تا اینکه دراوایل سالهای1950م.،دانشمندان آزمایشگاه "بل" درجریان تحقیقات خود درمورد سیستمهای ارتباطی راه دور و کشف منابع جدید انرژی به حساسیت سیلیکون، دومین عنصر فراوان روی زمین، به نور خورشید پی بردند و متوجه شدند که هنگامیکه این ماده با یک ناخالصی معینی بکار رود، در مقابل تابش نور، انرژی با ولتاژ قابل توجهی تولید می کند. در سال 1954 م. آنها اولین پیل خورشیدی سیلیکونی را تولید کردند و برای نخستین بار از این تکنولوژی درایستگاه مخابراتی روستایی درایالت جورجیا استفاده شد. درسازمان هوافضای آمریکا(ناسا) ، دانشمندان برای تولید انرژی فراوان،سبک،مطمئن و مناسب در فضای خارج از جو زمین، در اوایل 1960 سیستمی را مشتمل بر 108 پیل خورشیدی بر روی ماهواره "ونگارد" نصب کردند.ازآن زمان به بعد سیستمهای فتوولتاییک بر روی بیشتر ماهواره ها و فضاپیماها بکار گرفته شد. پس ازآن سیستمهای فتوولتاییک درگستره وسیعی ازنیازها مورداستفاده قرارگرفتند.امروزه بیش از200000 باب خانه در آمریکا ازاین تکنولوژی استفاده می کنند و در سایر نقاط جهان نیز از این سیستمها در مقیاس وسیعی استفاده می شود.این روش تولید انرژی در انواع ارتباطات،آبیاری، تصفیه آب،تولید روشنایی،راهبری هوایی و دریایی و… بکار می رود. (2)
پیلهای سیلیکونی که از 1 تن ماسه ساخته می شوند، طی دوره حیات خود، می توانند الکتریسیته ای معادل سوزاندن 500000 تن ذغالسنگ تولید نمایند.
آنچه که گسترش استفاده ازاین سیستم را درآینده تضمین می کند،تمیزی،تجدیدپذیر بودن و قابلیت اطمینان این نوع از انرژی است.
2-3- مزایای انرژی فتوولتائیک
1) قابلیت تجدید پذیری .
2) عدم آلوده سازی محیط زیست.
3) قابلیت اطمینان بالا.
4) عمر طولانی (بالغ بر 20 سال).
5) قابلیت حمل ونقل آسان وامکان نصب وبر چیدن سریع.
6) عدم نیاز به خدمات نگهداری دوره ای ومتناوب.
7) عدم نیاز به سوخت.
8) قابلیت تولید انرژی بدون چرخش مکانیکی (تقریبا بدون صدا واستهلاک ). [1]

2-4- محدودیت های اصلی سیستم های فتوولتائیک
1) هزینه زیاد تولید.
2) راندمان کم .
3) وابستگی شدید وغیر خطی آنها به دو فاکتور میزان تابش خورشید و دمای محیط.[3]

2-5- اجزای سیستمهای فتوولتائیک
1- پیلهای فتوولتائیک :
این پیلها مربعهای نازک،دیسک ها یا فیلمهایی از جنس نیمه هادیی هستند که ولتاژ و جریان کافی را در زمان قرار گرفتن در معرض تابش نور خورشید،تولید می کنند.
2- مدول :
مجموعه ای از پیلهای فتوولتاییک که لایه لایه در محفظه ای از شیشه قرار گرفته اند.
3- پانل :
مجموعه چند مدول را پانل می گویند.
4- آرایه :
تعدادی از پانلها که توسط سیم کشی های با ولتاژ معین بهم متصل شده اند، آرایه نامیده می شود.
5- کنترل کننده شارژ:
تجهیزاتی هستند که ولتاژ باتریها را تنظیم و کنترل می کنند و از آسیبهای احتمالی وارد بر باتریها جلوگیری می کنند.
6- ذخیره کننده باتری (باتری بانک) :
وسیله ایست که انرژی الکتریکی تولیدی را در خود ذخیره می کند.
7- مبدل :
وسیله ایست که جریان متناوب را به مستقیم برای مصرف تبدیل می کند.

2-6- انواع سیستمهای فتوولتائیک
سیستمهای فتوولتائیک انواع مختلفی دارند. ساده ترین پیل فتوولتائیک نیروی مورد نیاز ساعتهای مچی و ماشینهای حساب را تامین می کند. سیستمهای پیچیده تر در ماهواره ها ویا با اتصال به شبکه مصرف، برق مورد نیاز منزلها، کارخانه ها و فضاهای دیگر را تامین می کنند.
انواع مبدلهای فتوولتائیک بشرح زیر می باشند:
1- سیستمهای فتوولتائیک ساخته شده با باتری شارژی :
فانوسهای خورشیدی و شارژرهای فتوولتائیک مورد استفاده در باتریهای رادیو،ازاین نمونه هستند.دراین سیستم همه اجزاء یکپارچه شده و بجای باتریهای یکبار مصرف،از باتریهای قابل شارژ استفاده می شود.
2- سیستمهای استفاده در روز :
ساده ترین و ارزانترین سیستمهای فتوولتاییک برای استفاده در روز طراحی شده اند. این سیستمها معمولا شامل مدولهایی می شوند که ابزار ذخیره سازی ندارند و مستقیما با تابش خورشید، الکتریسیته تولید می کنند.برخی فن ها،دمنده ها یا پره های توزیع انرژی حرارتی در سیستم های گرمایش آب و نیز وسیله های استفاده کننده، از انرژی خورشیدی چون ماشینهای حساب و ساعتهای مچی از این دسته اند.

شکل (2-3) سیستم استفاده در روز [4]
3- سیستم جریان مستقیم با باتری ذخیره :
برای استفاده از سیستمهای فتوولتاییک در شب یا مواقع ابری، از سیستمهای مجهز به باتری ذخیره استفاده می شود.در تصویر زیر نمونه ای از این سیستم را مشاهده می کنیم. اجزای اصلی این سیستم یک مدول فتوولتاییک ،کنترل کننده های شارژ، باتریهای ذخیره و … است .
سیستمهای با باتری ذخیره می توانند شامل وسایل کوچکی مانند چراغ قوه با یک باتری تا ابزار آلات بزرگ با تعداد زیادی باتری صنعتی باشند.
نکته مهم در مورد باتریهای شارژی آنست که باید بمنظور دوام بیشتر، بطور کامل تخلیه شوند و سپس کاملا شارژ گردند. اندازه و شکل منبع باتری باید متناسب با عملکرد ولتاژ سیستم، مقدار استفاده در شب، شرایط آب و هوایی محل و … طراحی گردند. در برخی از این سیستمها یک کنترل کننده شارژ، طراحی شده است که از شارژ بیش از حد باتریها یا تخلیه غیرعادی آنها با قطع اتصال مدول از منبع باتری، جلوگیری می کند و این موضوع در حفظ کیفیت و دوام باتری موثراست.

شکل (2-4) سیستم جریان مستقیم (DC) با باتری ذخیره [4]
4- سیستم جریان مستقیم تغذیه کننده جریان متناوب :
مدولهای فتوولتاییک در اثر تابش آفتاب انرژی الکتریکی DC را تولید می کنند.اما اکثر لوازم الکتریکی به انرژی AC نیازمندند. لذا سیستمهای فتوولتاییک باید مبدلی را جهت تبدیل جریان DC به AC داشته باشند،این مبدلها انعطاف پذیری سیستم را افزایش داده و تسهیلاتی را ایجاد می کنند. اما افزایش هزینه را نیز در پی دارند.

[4] .DC,AC سیستم با بارهای شکل (2-5 )
5- سیستمهای هیبریدی (مختلط) :
اکثر مردم تمام انرژی الکتریکی مورد نیاز خود را فقط توسط سیستم فتوولتاییک تامین نمی کنند و معمولا روش دیگری از تامین انرژی را بکار می برند.
معمولترین راه در سیستمهای هیبریدی،یک موتور دیزلی یا گازی تولید کننده انرژی است که می تواند در کاهش هزینه های ابتدایی موثر باشد.در سیستمهای فتوولتاییک باید تمهیداتی را برای شرایط بد آب و هوایی در نظر گرفت.بدین منظور باید از باتریهایی استفاده کرد که به مقدار کافی بزرگ بوده و بتوانند انرژی لازم را در موقع نیاز فراهم کند.
از فواید سیستم های هیبریدی آنست که دارای حداقل دو سیستم شارژ مستقل هستند. از نمونه های این سیستم، مدولهای فتوولتاییکی است که دارای توربین های بادی می باشند. افزودن یک توربین بادی به این سیستم می تواند در مواقعی که خورشید تابش نداشته لیکن باد وزش داشته باشد، انرژی لازم تهیه شود.حتی می توان یک تولید کننده الکتریسیته را درون سیستم فتوولتاییک بادی قرار داد.این سیستم فتوولتاییک بادی ، علاوه بر مزایای سیستمهای فتوولتایک ، از منبع شارژ سوم باتریها نیز برخوردار است.

شکل (2-6 ) سیستم های متصل به شبکه برق شهری [4]

2-7- انواع روشهای استفاده از سیستمهای فتوولتائیک عبارتند از:
1- سیستمهای متصل به شبکه سراسری برق( Grid Connected )
در این روش، انرژی الکتریکی حاصل از سیستم فتوولتائیک (با استفاده از تجهیزات الکتریکی مبدل جریان مستقیم به جریان متناوب، همچون اینورترهای متصل به شبکه و …) مطابق ، با مشخصات سطح ولتاژ، اختلاف فاز، فرکانس و… شبکه سراسری به شبکه سراسری برق تزریق می گردد.
2- سیستمهای مستقل از شبکه ( Stand Alone )
این نوع کاربرد،بدون نیاز به وجود شبکه سراسری برق قادر به تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف کننده می باشد . در این روش انرژی الکتریکی مورد نیاز با استفاده از پنلهای فتوولتائیک، سیستمهای ذخیره و کنترل، بعنوان یک واحد نیروگاهی با طول عمر مناسب 30 سال می تواند با قابلیت اطمینان بالا قابل نصب و راه اندازی می باشد.
– روشنایی خورشیدی
– سیستم تغذیه یک واحد مسکونی
– سیستم پمپاژ آب توسط پمپهای خورشیدی
– یخچالهای خورشیدی
– سیستم تغذیه ایستگاههای مخابراتی
– سیستم تغذیه ایستگاههای زلزله شناسی
– نیروگاه فتوولتائیک
2-8- برآورد هزینه سیستم های برق خورشیدی
بالا بودن هزینه سرمایه گذاری اولیه در سیستم های برق خورشیدی(فتوولتائیک) مهمترین مسئله بر سر راه توسعه و ترویج آن می باشد. حمایت های دولتی و سیاست های تشویقی، توجه به امر تحقیق و توسعه زیرساختارها و… از جمله فعالیت هایی است که در کشورهای پیشرو ،در رشد این صنعت ، توسعه و ترویج بازار آن موثر بوده و راهگشای مفیدی در این خصوص خواهد بود.

3-1- تاریخچه سلول خورشیدی

در سال 1839م. شخصی فرانسوی موفق به کشف تاثیر انتشار نور در محلول الکترولیت گردید.
در سال 1876 م. برای اولین بار پدیده فتوولتائیک با استفاده از الکترولیت جامد ( سلنیوم) مورد استفاده قرار گرفت.
در سال 1887 م. هرتز تاثیر نور فرابنفش را در کاهش ولتاژ لازم جهت ایجاد جرقه بین دو الکترود ، کشف کرد.
در سال 1921 م. آلبرت انیشتین بابت تئوری الکتریسیته نوری جایزه نوبل را به خود اختصاص داد.
در سال 1954 م. اولین سلول سیلیکونی با راندمان 4/5% در آزمایشگاه تحقیقاتی بل در کشور آمریکا ساخته شد.
در سال 1958م. اولین ماهواره با انرژی خورشیدی بنام ماهواره Vanguard به فضا پرتاب شد وهشت سال به کار خود ادامه داد.
در سال 1962 م. اولین ماهواره تجاری بنام Telstar با قدرت الکتریکی W 14 به فضا پرتاب شد.
در سال 1963 م. بزرگترین رشته PV جهان در ژاپن با قدرت 242Wبر روی یک فانوس دریایی نصب ومورد استفاده قرار گرفت.
در سال 1982م. کل تولیدات Pv در جهان به9.3 MW افزایش یافت.
در سال 1983 م. اولین اتومبیل خورشیدی با قدرت 1KW در مدت 20 روز عرض استرالیا (km 400 ) را طی کرد.
در سال 1983 م. کل تولیدات Pv جهان به 21/3MW افزایش یافت.
اولین قطعات فتوولتائیک حالت جامد توسط کسانی که در مورد قابلیت هدایت نور (نور رسانی) سلنیوم (se) کار می کردند، ساخته شدند . در سال 1876، William Adams و Richard Day پی بردند که امکان ایجاد جریان نوری در یک نمونه از se وقتی توسط دو اتصال پلاتین گرم شده در تماس باشد، وجود دارد .
قابلیت نور رسانی se شامل ایجاد یک جریان با اثر نور بود . در سال 1894، Chorles Fritts اولین سلول خورشیدی بزرگ را توسط قرار دادن یک لایه se بین طلا و فلز دیگر تهیه کرد .
در سال های بعدی آثار فتوولتائیک در ساختارهای thin film ، اکسید مس – مس و نیز اتصال سولفید و سولفید تالیوم دیده شد .
سلول های اولیه قطعات thin film سدشاتکی بودند که یک لایه نیمه شفاف فلزی در قسمت فوقانی نیمه هادی قرار گرفته و ایجاد یک اتصال الکتریکی غیر متقارن می کرد، که این برای کاربرد فتوولتائیک و دسترسی به نور برخوردی ضروری است .
در دهه 1930، تئوری فلز – نیمه هادی لایه های سد توسط Wolter Shotthy و Neville Mott گسترش یافت . این حقیقت که جریان تولید شده متناسب با شدت نور برخوردی بود و همچنین وابسته به طول موج بود نیز بررسی شد .
در دهه 1950، بهبود کیفیت ویفرهای سیلیکنی برای کاربردهای الکترونیک حالت جامد مطرح شد و قطعات فتوولتائیک سیلیکن کریستالی تولید شدند . در این دهه پیشرفت الکترونیک سیلیکونی ، به سمت کشف ساختار اتصالی P- n در سیلیکون پیش رفت .
این ساختارهای اتصال P-n عملکرد بهتری نسبت به سدهای شاتکی داشتند و نیز رفتار فتوولتائیک بهتری داشتند .
ساخت اولین سلول خورشیدی سیلیکونی در سال 1954م. توسط Chapin، Fuller وPearson گزارش شد که نور خورشید را با بازده %4.5 تبدیل می کردند .
این طرح در طی سال ها پیشرفت کرد اما طبق برآورد این محصول حدود 200$ به ازای هر وات هزینه داشت . استفاده از این سلول ها در مناطقی که سوخت کافی در دسترس نبود رونق یافت .
کاربرد مهم آن در ماهواره ها بود که نیاز به امنیت و وزن پایین سبب می شد تا هزینه سلول کم اهمیت شود و در طی دهه 1950 و 1960 سلول های خورشیدی سیلیکونی به طور گسترده ای در کاربردهای فضایی مورد استفاده قرار گرفتند .
در سال 1954، یک اتصال P- n سولفید کادمیوم مطرح شد با راندمان %6 و در سال های بعدی مطالعه در مورد قطعات فتوولتائیک اتصال P -n در گالیوم آرسناید، ایندیوم فسفاید و کادمیوم تلوراید نشان داد که این مواد بازده بالاتری ارائه می دهند . با این حال پیشرفت در تکنولوژی سیلیکون در صنعت میکرو الکترونیک باقی ماند .
در دهه 1970، بحران در منابع انرژی توسط جهان غربی مطرح شد و تامین بودجه و پیشرفت در زمینه فتوولتائیک به منظور بهبود بازده قطعه مطرح شد . روش هایی برای کاهش هزینه مطرح شد، مثل به کار بردن موادی نظیر سیلیکن چند کریستالی و سیلیکون آمورف و دیگر مواد لایه نازک و مواد ارگانیک (آلی) .
استراتژی برای بالا بردن راندمان شامل استفاده از طراحی های چندساختاری2 و دیگر طراحی ها شامل چند شکاف باندی (تدریجی)3 هستند . در طی دهه 1990، همزمان با رشد آگاهی از نیاز به منابع امن الکتریسیته در مقابل سوخت های فسیلی علاقه به فتوولتائیک گسترش یافت .
در اواخر این دهه، محصولات فتوولتائیک همراه با کاهش قیمت به بازده ای حدود %25 – 15 رسیدند . فتوولتائیک ابتدا در کاربردهای توان پایین مثل کشتیرانی، مخابرات و برق رسانی روستایی و برای افزایش منبع دربارهای متصل به شبکه در هنگام پیک استفاده، استفاده می شد .همزمان با پایین تر آمدن قیمت ها محصولات جدید تر عرضه شدند . [2]

شکل (3-1) نمونه سلول خورشیدی تجاری شرکت سانیو[5]

طول بازو
315m
ارتفاع
حدود 37.1m, حداکثر در مرکز 31.6 m
عرض
حدود 37.1m, حداکثر در مرکز 31.6 m
وزن
تقریبا 3,000 تن
تعداد ماژول‏های سلول خورشیدی
5,046
حداکثر قدرت سیستم
630kW
انرژی خروجی نامی
حدود 530,000kWh
معادل انرژی نفتی
تقریبا 120,310لیتر در سال
کاهش دی‏اکسید کربن
167تن در سال

جدول (3-1) مشخصات نمونه سلول خورشیدی تجاری شرکت سانیو[5]

نوع مشخصه
si
GaAs
فراوانی
در زمین به وفور یافت می شود
منابع محدود
آلودگی
———————
آرسنیک سمی
نوع نیمه هادی
نوار غیر مستقیم
نوار مستقیم
ضرب جذب
طیف وسیعی را پوشش می دهد
بهتر
سرعت ترکیب فوتون
کم
زیاد
ضخامت
زیاد
کم
شکنندگی
کم
زیاد
وزن
کم
زیاد
جریان اشباع
زیاد
کم
جریان اتصال کوتاه
زیاد
کم
ولتاژ مدار باز
700 mv
800 mv
حساسیت نسبت به دما
زیاد
کم
فاصله انرژی
1/1 ev
1/4 ev
طول موج
طیف وسیعی را پوشش می دهد
دریک محدوده خاص مناسب
راندمان
تجاری 12%-14%
تجاری 20%
تولید انرژی در واحد وزن
75
85
قیمت
ارزان
گران

جدول (3-2) مقایسه مشخصات سلول های سیلیکونی و گالیوم آرسناید[6]

اگرچه تحقیقات وسیعی در زمینه بررسی و تولید نیمه هادیهای مختلف از قبیل siو Gaو As و CdTeو Inpو……انجام گرفته است ،اما رایجترین سلول های خورشیدی که تا به حال در ماهواره های فضایی مورد استفاده قرار گرفته اند از نوع سیلیکون می باشند. این سلول ها از دهه 1960 میلادی، یعنی همزمان با پرتاب اولین فضا پیما ها، به عنوان منبع تولید انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار گرفته اند.
دو دلیل عمده برای انتخاب سلول های سیلیکونی وجود داشته اند که یکی مربوط به هزینه کمتر آنها در مقایسه با سایر انواع سلول های خورشیدی دیگر ، ودیگری در اختیار داشتن اطلاعات مربوط به رفتار دراز مدت آنها می باشد. راندمان عملی این سلول ها حدودا ( 14 درصد) می باشد.که در مقایسه با سلول گالیم آرسناید (GaAs ) 4 درصد راندمان کمتری دارد.
نوع دیگری از سلول های خورشیدی که در سال های اخیر مورد استفاده قرار گرفته است، سلول (GaAs ) می باشد.این سلول در مقایسه با سلول های سیلیکونی دارای راندمان بالاتر، تاثیر پذیری کمتر نسبت به تغییرات دمای محیط ، ومقاومت بیشتر در مقابل تشعشعات مضر خورشیدی هستند. راندمان این سلول ها حدودا 18/5 درصد وچگالی توان آنها حدود 225 ( ) است.[6]
در کنار این محاسن ، سلول های (گالیم آرسناید ) در مقایسه با سلول های سیلیکونی دارای معایبی مانند:
1) وزن زیاد (حدودا دو برابر).
2) قابلیت شکنندگی بیشتر.
3) هزینه بالاتری از نظر تولید می باشد.
3-2- نور
زمین نور خورشید را به صورت انرژی تابشی دریافت می کند . این انرژی توسط ذرات کوچک بدون جرم (فوتون) حمل می شود . فوتون ها مثل امواج مشخصات طول موج، فرکانس و انرژی دارند . این انرژی فوتون ها در سلول های PV برای برانگیختن الکترونها و ایجاد جریان الکتریکی به کار می رود .
تابش به عنوان توان تشعشعی برخورد بر واحد سطح تعریف می شود : (w/m2)

3-2-1- جذب فوتون و انتقال نور
سلول های فتوولتائیک برای جذب فوتون های طیف خورشید طراحی شده اند . انرژی در محدوده طیف مرئی مهم است (انرژی نزدیک به مادون قرمز هم خوب است) .
فوتون با انرژی برابر یا بیشتر از شکاف باند جذب شده و الکترون را به باند هدایت منتقل می کند . اگر انرژی فوتون خیلی بیشتر از شکاف باند باشد،مازاد انرژی به صورت گرما تلف می شود . اما فوتون با انرژی کمتر از شکاف باند جذب نخواهد شد، فقط در ماده منتقل می شود ولی انرژی آنها استفاده نمی شود .
هر فوتون فقط یک جفت الکترون – حفره تولید می کند و انرژی اضافی آن تلف می شود . مثلاً سیلیکون دارای شکاف باندی برابر می باشد ، طبق رابطه ، ماکزیمم طول موج قابل جذب است. اغلب فوتون های قابل جذب در طیف مرئی هستند .
شرط اصلی انتخاب یک ماده برای ساخت سلول خورشیدی انطباق فاصله باند انرژی آن با طیف خورشیدی و قابلیت تحرک بالا و طول عمر حامل های آن می باشد .
ضریب جذب آمادگی یک ماده برای جذب فوتونها را مشخص میکند. هر چه ضریب بزرگتر باشد، فوتون قبل از جذب کمتر در شبکه حرکت میکند و بنابراین سریعتر جذب خواهد شد. در حقیقت این تعیینکننده ضخامت لایه یک سلول خورشیدی را تعیین میکند. اگر مادهای ضریب جذب بد داشته باشد، نیاز به یک لایه ضخیم به منظور جذب فوتون دارد، در غیر این صورت فوتون جذب نخواهد شد.

شکل (3-2) ضریب جذب چند نیمه هادی مختلف [1]
عبور بصورت بخشی از نور برخوردی که در یک λ معین که از یک نمونه عبور می کند ، تعریف می شود :
شدت نور فرودی به نمونه شدت نور خروجی از نمونه
و یا بصورت زیر تعریف می شود :
ضریب تضعیف طول مسیر
3-3- ثابت خورشیدی و جرم هوا
شدت تابش خورشید در فضای خارج از جوزمین در فاصله میانگین مدار زمین از خورشید حدود 1/353 kw/m2 است که به عنوان ثابت خورشید () شناخته می شود . با تغییرات فصلی و تغییر فاصله زمین – خورشید تغییر می کند . هر چند این تغییرات %3 است . [1]

شکل (3-3) طیف زمینی و هوایی خورشید [7]
3-3-1- توده هوا 4
روی زمین نور خورشید بوسیله ابرها و پراکندگی های اتمسفر و جذب،تضعیف می شود .تضعیف اساسا به طول مسیر نور از میان اتمسفر وابسته است . درجه تاثیر اتمسفر بر نور خورشید رسیده به زمین،توسط جرم هوا معین میشود .جرم هوا بصورت که زاویه بین خط عمود و موقعیت خورشید است تعریف میشود . جرم هوا به عنوان طول مسیر از میان جو متناسب با مسیر کوتاه تر است . مثلاً کوتاه ترین مسیر از فضا تا سطح زمین AM1 است .

AM همچنین با طول سایه زده (s) و ارتفاع ساختار افقی (L) هم محاسبه می شود:

شکل زیر رابطه بین زاویه سمت الراس خورشید با AM را نشان می دهد . با افزایش زاویه، مسیر نور خورشید افزایش می یابد و شماره AM نیز افزایش می یابد و شدت طیف خورشید کاهش می یابد . طیف خورشید در فضای خارجی است، بقیه شماره ها برای کاربردهای زمینی است . [8]

شکل(3-4) تصاویر شماره توده هوا ، طولهای مسیر و زوایای سمت الراس[7]
شکل زیر دو منحنی مربوط به برتابندگی طیفی خورشید(توان در واحد سطح در واحد طول موج) را نشان می دهد .منحنی بالایی که طیف خورشید خارج از جو زمین است ، شرط جرم هوای صفر AM0 است که این طیف مربوط به کاربردهای ماهواره ای و فضاپیماها می باشد .عملکرد زمینی سلول خورشیدی با مرجع جرم هوای 1.5 (AM1.5) تعیین می شود . این طیف نور خورشید در سطح زمین را وقتی خورشید در زاویه 48 درجه از حالت قائم است ، نشان می دهد . در این زاویه توان رسیده حدود است .تضعیف اتمسفری نور خورشید عمدتا مربوط به جذب تابش های فرا بنفش در ازن ، فرو سرخ در بخار آب و پخش توسط گرد و غبار و ذرات معلق است و این سبب اختلاف بین این دو طیف است .[9]

شکل (3-5) برتابندگی طیفی خورشید در جرم هوای صفر و 1.5 و طول موج قطع si و GaAs [7]
3-4- ساختار سلول خورشیدی پیوندگاه p-n
یک سلول خورشیدی وسیله ای است که نور خورشید (تابش الکترومغناطیسی) را مستقیماًبه انرژی الکتریکی تبدیل می کند . یک سلول خورشیدی فقط فوتون هایی با انرژی بیشتر از یک حد آستانه خاص را مورد استفاده قرار می دهد. (حداقل برابر با "شکاف انرژی" ماده نیمه هادی سلول خورشیدی) .
درون سلول خورشیدی انرژی فوتون های جذب شده به الکترونها در سلول داده می شود، بنابراین آنها بسیار متحرک شده و می توانند یک جریان الکتریکی تولید کنند. این سلول تا زمانی که تحت تابش باشد جریان را به بار منتقل میکند. سلول خورشیدی یک بلوک ساختاری پایه ای از فتوولتائیک است .
وقتی سلول توسط نور خورشید شارژ می شود، این واحد یک ولتاژ نوری DC حدود ( 1v تا 0.5) تولید می کند و در حالت اتصال کوتاه یک جریان نوری حدود چند دهم تولید می کند .
سلول های خورشیدی به صورت یک باطری عمل می کنند که این کار توسط به کار گرفتن دو نیمه هادی با بار مخالف و قرار دادن آنها کنار هم انجام می شود .
برای ساختن ماده نیمه هادی سلول خورشیدی از سیلیکون ، تقریباً با اتم پذیرنده (اتم با 3 الکترون والانس مثل بورون) و تقریباً اتم دهنده (اتم با 5 الکترون والانس مثل فسفر) با اتم های سیلیکون جایگزین می شوند .
با جانشینی یک اتم سیلیکون با یک اتم فسفر یک الکترون اضافی آزادانه در شبکه وجود دارد و بدین ترتیب سیلیکون تبدیل به ماده نوع n می شود و نیز جانشینی اتم سیلیکون با یک اتم بور یک الکترون گم شده (حفره) در شبکه ایجاد می شود و سیلیکون با یک الکترون والانس کمتر، سیلیکون نوع P نامیده می شود . پروسه جانشینی بورون یا فسفر برای اتم های سیلیکون تحت عنوان doping خوانده می شود و اغلب با نفوذ حرارتی انجام می گیرد .
یک باطری خورشیدی زمانی ایجاد می شود که سیلیکون نوع n و P نزدیک هم قرار بگیرند . در این حالت الکترونهای اضافی فسفر توسط حفره های ناشی از جانشینی بورون جذب می شوند .
پرشدن حفره ها توسط الکترونهای آزاد حرکت کرده از سمت n ایجاد اتصال های جفتی پایدار و محکمی می کند و نتیجتاً ایجاد یک میدان الکتریکی می کند . این میدان الکتریکی ایجاد یک سد می کند که از عبور با سرعت حفره ها از سمت P و الکترون ها از سمت n جلوگیری می کند .
میدان الکتریکی (نتیجه شده از نیروی محرک حدود ./5V) ایجاد جریان نوری می کند.

شکل(3-6) با اتصال دو نیمه هادی n,p الکترونها از سمت n به سمت p پیوندگاه حرکت کرده و ایجاد بار مثبت سمت n و بار منفی سمت p پیوندگاه می کند .[10]

حامل های بار مثبت و منفی اضافی در اطراف اتصال ایجاد یک میدان الکتریکی در سطح واسط می کنند . شدت این میدان بستگی به مقدار ناخالص سیلیکون دارد . در حالت تعادل میدان الکتریکی از هر گونه حرکت حفره از سمت P یا الکترونها از سمت n جلوگیری می کند.
اکنون وقتی فوتون وارد ماده می شود و بخشی از جفت الکترون را می شکند، الکترون منفی و حفره مثبت تولید می شوند . اگر میدان الکتریکی نبود، الکترون و حفره همدیگر را جذب می کردند، با وجود میدان الکتریکی الکترون منفی به یک سمت و حفره مثبت به جهت دیگری می رود . این منبع الکتریسیته یک سلول خورشیدی است . این پروسه سبب راندن حامل های بار در یک مدار الکتریکی می شود . درنتیجه یک میدان الکتریکی برای مجزا کردن الکترون و حفره نیاز است که این میدان معمولاً توسط یک اتصال P – n در نیمه هادی ایجاد می شود. الکترون ها به واسطه میدان الکتریکی در اتصال P – n سوق می یابند و سپس در اتصالات خارجی (بار) نفوذ می کنند.

شکل (3-7) بارهای مثبت و منفی ایجاد میدان الکتریکی در پیوندگاه می کنند . در حالت تعادل میدان از هرگونه حرکت الکترونها و حفره ها جلوگیری می کند .[10]

شکل (3-8) با برخورد نور به سلول جفت الکترون – حفره ایجاد می شود . میدان الکتریکی الکترونهای جدید را به یک سمت پیوندگاه و حفره های جدید را به سمت دیگر می راند . [10]
با کنار هم قرار دادن n و p یک گرادیان غلظت ایجاد می شود و این گرادیان غلظت یک انرژی پتانسیل شیمیایی ایجاد می کند . با برخورد نور و ایجاد جفت الکترون – حفره ، تعادل بین نیروی نفوذ و نیروی الکترواستاتیک به هم خورده ، الکترونهای تولید شده در ناحیه p به داخل ناحیه تخلیه نفوذ کرده ، جایی که میدان الکتریکی انها را به ناحیه n سوق می دهد و حفره ها برعکس . سلول های خورشیدی برای این حرکت بارها طراحی شده اند.
وقتی پیوند P-n تحت تابش فوتونی با انرژی قرار بگیرد، جفت های الکترون – حفره اضافی با آهنگ تولید می شوند . تعداد حفره های ایجاد شده در هر ثانیه در طول نفوذ در ناحیه n برابر است با و تعداد الکترون های ایجاد شده در هر ثانیه در طول نفوذ در ناحیه P برابر است با ،که A مساحت دیود می باشد .
بنابراین جریان کل نوری تولید شده برابر است با :

نمایش طرح وار سلول خورشیدی پیوندگاه p-n در شکل نشان داده شده که شامل قسمتهای زیر می باشد :
یک پیوندگاه p-n کم عمق که روی سطح تشکیل می شود ، انگشتی ها و نوار اتصال اهمی جلو ، اتصال اهمی عقب که تمام سطح پشت را می پوشاند و پوشش ضد بازتاب سطح جلویی .

شکل (3-9) نمایش طرح وار سلول خورشیدی پیوندگاه p-n .[1]
علت بکار بردن اتصال اهمی بصورت انگشتی به دلیل عبور نور کافی و نیزکاهش مقاوت سری در اتصال بالاست . بخاطر اینکه نور بتواند در نزدیکی پیوندگاه زوج الکترون-حفره را ایجاد کند باید ضخامت لایه بالایی سلول کم باشد مطابق شکل .استفاده از نیمه رسانای n در بالای سلول بدلیل آن است که انرژی برخورد مورد نیاز جهت خسارت رسانیدن به مواد نوع n در مقایسه با نوع p زیادتر است . وقتی سلول در معرض طیف خورشیدی قرار می گیرد ، فوتونی که دارای انرژی کمتر از شکاف باند است هیچ سهمی در خروجی سلول ندارد . فوتونی که دارای انرژی بزرگتر از شکاف باند است به اندازه انرژی شکاف باند در خروجی سلول مشارکت می کند . انرژی مازاد بر شکاف باند بصورت گرما تلف می شود .فوتونهای با انرژی بسیار بالاتر از دچار فرایندهای جذب روی سطح می شوند و حاملهای ایجاد شده توسط آنها برای عملکرد سلول خورشیدی مفید نیست . برای بدست آوردن بازده تبدیل ، نمودار انرژی پیوندگاه p-n تحت تابش خورشیدی را مطابق شکل زیر بررسی می کنیم . مدار معادل DC در شکل (ب) نشان داده شده که در آن منبع جریان ثابت با پیوندگاه موازی است . منبع از تحریک حاملهای اضافی توسط تشعشع خورشیدی حاصل می شود . جریان اشباع دیود است و مقاومت بار است ، داریم :

شکل (3-10) الف ) نمودار نوار انرژی پیوندگاه p-n تحت تابش ب ) مدار معادل ایده آل سلول خورشیدی [1]
نمودار این معادله در شکل برای یک سلول نوعی رسم شده است . چون در ایجاد جریان داخلی سلول حاملهای اقلیت نقش دارند ، لذا در جهت معکوس خواهد بود .منحنی از ربع چهارم می گذرد و بنابراین توان را می توان بیشینه کرد (حاصلضرب جریان در ولتاژ) . منحنی جریان – ولتاژ اغلب بصورت شکل ب نشان داده می شود که وارونه شکل قبل حول محور ولتاژ می باشد . با انتخاب بار مناسب نزدیک به 80% از حاصلضرب را می توان بیرون کشید . در شکل مستطیل خط چین توان بیشینه است .[11]

شکل (3-11) الف )منحنی I-V ب ) وارون منحنی اول [1]

ماکزیمم توان بدست آمده از سلول می باشد. ()
به ترتیب جریان و ولتاژ در نقطه ماکزیمم توان می باشند .
3-4-1- خلاصه مراحل تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی
1) تابش نور باعث ایجادیک جفت" الکترون _ حفره" در طرف p (یا در طرف n ) می گردد.
2) ماهیت ساختمانی سلول باعث هجوم الکترون (یا حفره) آزاد شده به طرف پیوند p-n می گردد.
3) الکترون (یا حفره) در همسایگی پیوند، شتاب گرفته واز آن عبور می کند.
4) حال که الکترون (یا حفره) از جفت خود جدا شده ودرنقطه ای سرشارازالکترون(یا حفره) قرار گرفته است،خطر ترکیب مجدد آن واز دست دادن انرژی مربوطه وجود ندارد.
5) بدین ترتیب درطرفp تجمع بارهای مثبت ودر طرف n تجمع بارهای منفی (اختلاف پتانسیل) حاصل خواهد شد واتصال سلول به یک مدار الکتریکی خارجی باعث ایجاد جریان الکتریکی می گردد.
6) تعدادی از الکترون ها (یا حفره های) آزاد شده موفق به عبور از پیوند نمی شوند و طبیعتا در تولید جریان الکتریکی نقش نخواهند داشت.

شکل (3-12) اتصال یک سلول p-n به مدار خارجی [10]

3-4-2- پارامترهای مهم سلول خورشیدی
الف ) جریان نوری و راندمان کوانتومی :
جریان تولید شده مستقیماً وابسته به تعداد فوتون های جذب شده است. هر چه شکاف باند کوچکتر باشد ، جذب فوتون بیشتر است . بطور مثال ضریب جذب سیلیکون و ژرمانیوم کمتر از گالیوم آرسناید است . بنابراین لایه های ضخیم تر آنها برای جذب تعداد مساوی از فوتون های پرانرژی لازم است . بنابراین جریان تولیدی بستگی به قابلیت جذب و نیز ضخامت ماده دارد . پارامتر این نوع دو هستند . (جریان اتصال کوتاه و جریان در نقطه توان ماکزیمم)
سلول راندمان کوانتومی:
E احتمالی است که یک فوتون برخوردی با انرژی یک الکترون را به مدار خارجی درایو کند :
(1-3)
: دانسیته شار الکتریکی فوتون برخوردی است. تعداد فوتونهای برخوردی به سطح قطعه
بستگی به ضریب جذب مواد بکار رفته در سلول خورشیدی دارد .
و جریان تاریکی : ب ) ولتاژ نوری
ولتاژ خروجی سلول فتوولتائیک مستقیماً وابسته به انرژی الکترونهای برانگیخته به باند هدایت است . ولتاژ تولیدی نیمه هادی توسط شکاف باند ماده تعیین می شود . ولتاژ تولیدی عموماً 47/. از مقدار شکاف باند کمتر است، مثلاً GaAs دارای است . ولتاژ تولیدی حدود 1v است . دو پارامتر مهم و هستند . (ولتاژ مدار باز و ولتاژ نقطه توان ماکزیمم)
در صورت وجود بار، اختلاف پتانسیل پایانه های سلول افزایش می یابد و این اختلاف پتانسیل، جریان در جهت مخالف جریان نوری اعمال می کند،(جریان تاریکی) . اغلب سلول های خورشیدی در تاریکی مثل دیود عمل می کنند که تحت بایاس مستقیم جریان زیادی نسبت به بایاس معکوس می پذیرند .
ج ) توان بهینه :
طراحان فتوولتائیک باید توان را با بهینه کردن رابطه بین جریان و ولتاژ ماکزیمم کنند . برای ماکزیمم کردن جریان، شکاف باند کم نیاز داریم ولی این سبب ولتاژ کم هم می شود . و در عوض شکاف باند بالا ایجاد ولتاژ بالا می کند، ولی چون فوتون با انرژی بالا به شکل گرما تلف می شود جریان پایین می آید. بنابراین در طراحی سلول های تک اتصالی این دو پارامتر رقابتی (ولتاژ و جریان) توسط انتخاب شکاف باند بهینه نزدیک به میانه طیف انرژی خورشید، طراحی می شوند .

شکل (3-13) شکاف باند بهینه برای سلول خورشیدی تک اتصالی [12]
د) بازده :
بصورت نسبت دانسیته توان ارسالی در نقطه کاری به دانسیته توان نور برخوردی، تعریف می شود.
یک رابطه بین طول موج های مختلف نور و بازده پانل های خورشیدی وجود دارد ، که این تجربه با تاباندن طول موج های مختلفی از نور روی پانل های خورشیدی و اندازه گیری خروجی آنها توسط شارژ کردن یک باطری و اندازه گیری ولتاژ آن بدست آمده است . [1]
(3-2)
: ماکزیمم نقطه توان : تابش نور اولیه : سطح سلول خورشیدی
بازده سلول خورشیدی با شدت تابش افزایش می یابد، تا زمانی که اثرات حرارتی در شدت های بالا سبب کاهش در بازده شود . چنین سلول هایی، سلول های متمرکز کننده نامیده می شوند، چون لنزها یا آینه هایی برای افزایش شدت نور در آنها استفاده شده است .
شکل زیر نمودار بازده چند نوع سلول خورشیدی را بصورت تابعی از شکاف باند نشان می دهد .
طبق شکل برای شکاف باند بیشترین بازده راداریم .

[12] شکل (3-14) بازده چند نوع سلول خورشیدی بر حسب شکاف باند

[12] بر حسب تمرکز شکل (3-15) بازده سلول
: ه ) فاکتور انباشت
این پارامتر یکی از فاکتورهای تعیین کننده کارآمدی سلول خورشیدی می باشد . این فاکتور توسط مستطیل از منحنی جریان – ولتاژ سلول بدست می آید .
(3-3)
3-4-3- مشخصات V-I سلول تحت تابش
جریان و ولتاژ با افزایش تابش، افزایش می یابند .شکل مشخصه V-I یک سلول خورشیدی را در حضور تابش آفتاب نشان می دهد. در ناحیه 1و3 ، سلول ها بصورت یک مصرف کننده انرژی ودر ناحیه 2و4 بصورت یک تولید کننده انرژی عمل می نماید. یک سلول سیلیکون اگر در معرض تابش خورشید نباشد همانند یک دیود عمل می کند و مصرف کننده انرژی خواهد بود. مقاومت آن در جهت جریان، بسیار کم (مثلا اتصال کوتاه) ودر جهت خلاف جریان، بسیار زیاد (مثلا مدار باز) می باشد. وقتی سلول در معرض تابش نور قرار می گیرد ، منحنی V-I آن به سمت پایین انتقال می یابد. مقدار این انتقال متناضر با شدت تابش نور می باشد. بنابر این با تابش نور مشخصه V-I سلول در ناحیه 4 وسلول سیلیکونی به صورت یک ژنراتور الکتریکی عمل می نماید.

شکل (3-16) مشخصه V-I سلول [4]
حداکثر توان تولیدی شامل بزرگترین حاصل ضرب ممکن جریان و ولتاژ است.به عبارت دیگر بیشترین توان مساحت بزرگترین مستطیلی است که بتوان در زیر منحنیV-I سلول قرار داد. مشخصه غیر خطی سلول خورشیدی دارای سه نقطه عملکرد مهم است :
الف) نقطه متناظر با جریان اتصال کوتاه سلول.
ب) نقطه متناظر با ولتاژ مدار باز سلول.
ج) نقطه متناظر با حداکثر توان سلول.
ولتاژ خروجی سلول با افزایش جریان آن به آرامی کاهش می یابد، ولی شدت افت ولتاژ بسیار کم است. یعنی در این محدوده سلول تقریبا بصورت یک منبع ولتاژ ثابت عمل می نماید و مقاومت داخلی آن بسیار کم (کمتر از یک اهم) می باشد. پس از عبور از نقطه متناظر با حداکثر توان (تقریبا زانوی منحنی) مشخصه سلول کاملا تغییر می کند وتقریبا به صورت یک منبع جریان ثابت با مقاومت داخلی زیاد (بیشتر از یک اهم) عمل می نماید.
3-4-4- مدار معادل سلول خورشیدی و روابط آن
3-4-4-1- مدار معادل ایده آل سلول خورشیدی :

شکل (3-17) مدار معادل ایده آل سلول خورشیدی [13]
جریان معکوس معمولا جریان تاریکی خوانده می شود که در قطعه تحت بایاس اعمالی جاری می شود . اغلب سلول های خورشیدی در تاریکی مثل دیود عمل می کنند ، که تحت بایاس مستقیم جریان بزرگی می پذیرند . برای دیود ایده ال دانسیته جریان تاریکی بصورت زیر می باشد :
(3-4)
که ثابت و ثابت بولتزمن و دمای کلوین می باشند .
مشخصات ولتاژ – جریان کلی سلول از مجموع جریان تاریکی و جریان نوری بدست می آید .

شکل (3-18) مشخصات V-I دیود ایده ال در نور و تاریکی [13]
سلول تحت تابش به صورت یک منبع جریان در نظر گرفته می شود . (مقدار جریان متناسب با شدت تابش (G) است) و به صورت موازی به دیود متصل می شود . جریان تولیدی به واسطه تابش در جهت مخالف جریان تاریکی دیود جاری است .
بنابراین جریان بصورت زیر بدست می آید :
(3-5)
با جایگزینی جریان تاریکی :
(3-6)

ولتاژ مدار باز در شرایطی بدست می آید که جریان در بار صفر باشد . در این صورت داریم :
(3-7)
و نتیجتا :
(3-8)
طبق رابطه ولتاژ مدار باز بصورت لگاریتمی با شدت نور افزایش می یابد .

شکل (3-19) جریان و ولتاژ با افزایش تابش افزایش می یابند.[13]
طبق شکل، وقتی ولتاژ بین 0 تا است، حاصل ضرب ولتاژ و جریان مثبت است و سلول توان تولید می کند . در بایاس منفی قطعه بصورت آشکارساز نوری عمل می کند و توان مصرف می کند ، برای تولی جریان نوری که وابسته به نور و مستقل از بایاس است . در ولتاژهای بزرگتر از قطعه دوباره توان مصرف می کند و بصورت دیود انتشار نور عمل می کند .
توان خروجی از رابطه زیر بدست می آید :
(3-9)
شرط توان بیشینه وقتی بدست می آید که باشد یا :

(3-10)

پس توان خروجی بیشینه برابر است با :
(3-11)

شکل (3-20) شکل شامل دانسیته توان و نقطه ماکزیمم توان می باشد .[13]
بازده تبدیل توان سلول خورشیدی از رابطه زیر بدست می آید :
(3-12)
برای بیشینه کردن بازده باید هر سه عامل صورت معادله بالا را بیشینه کنیم . برای جرم هوای معلوم جریان اتصال کوتاه برابر حاصلضرب q و تعداد فوتون های در دسترس با انرژی در طیف خورشیدی است و توان ورودی برابر انتگرال تمام فوتون ها در طیف خورشیدی می باشد .
برای حداکثر کردن توان خروجی (راندمان) باید و را افزایش دهیم . طبق رابطه (جریان اشباع معکوس) باید کوچک باشد یعنی و تا حد ممکن بزرگ باشند . (نواحی n و P به شدت آلایش گردند .)

جدول (3-3) عملکرد بعضی انواع سلول های خورشیدی [14]

شکل (3-21) جریان اتصال کوتاه برحسب ولتاژ مدار باز برخی سلول های جدول بالا . با افزایش ولتاژ مدار باز ، سلول ها علاقه به داشتن جریان اتصال کوتاه کمتری هستند ، که این بدلیل شکاف باند مواد نیمه هادی است .[14]
3-4-4-2- مدار معادل غیر ایده آل سلول خورشیدی
توان سلول های واقعی بدلیل مقاومت های اتصالی و جریان های نشتی اطراف قطعه تلف می شود. این آثار بصورت مقاومت سری و یک مقاومت موازی در مدار معادل ظاهر می شوند .
مدار معادل غیر ایده ال سلول های خورشیدی در شکل نشان داده شده است. مقاومت سری میزان راندمان را محدود می کند در حالیکه مقاومت موازی تاثیر به سزایی در توان خروجی سلول نخواهد داشت. مقادیر معمول برای و بترتیب برای سلول 2*2 سیلیکونی می باشد.[13]

شکل (3-22) مدار معادل غیر ایده آل سلول خورشیدی [13]
در این صورت معادله دیود بصورت زیر در می آید :
(3-13)
درطی کار بازده سلول به دلیل اتلاف توان در مقاومت های داخلی کاهش می یابد . (حالت ایده آل Rs = 0 , Rsh = ∞)
کاهش زیاد سبب افت و افزایش بیش از حد سبب افت می شود .
عکس شیب در نشان دهنده و عکس شیب در نشان دهنده است .

شکل (3-23) تعیین مقاومتهای سری و موازی از منحنی مشخصه [13]
مقاومت های پارازیتی فاکتور انباشت سلول خورشیدی را طبق شکل زیر کاهش می دهند . برای یک سلول پر بازده می خواهیم تا حد امکان کوچک و تا حد امکان بزرگ باشد .

شکل (3-24) اثر افزایش مقاومت سری (چپ) و کاهش مقاومت موازی (راست). در هر دو حالت منحنی بیرونی معادل است . در هر دو حالت اثر مقاومتها کاهش مستطیل توان ماکزیمم در مقایسه با می باشد. [13]
در واقع یکی از عوامل مهم کاهش بازده مقاومت حاصل از کاهش اهمی در سطح جلویی می باشد . شکل زیر مدار معادل را نشان داده است . با داشتن معادله جریان دیود ، مشخصه V-I عبارت است از :
(3-14)

شکل (3-25) مشخصه V-I سلول خورشیدی دارای مقاومت متوالی [1]
نمودارهای این معادله با صفر و پنج اهم رسم شده است . دیده می شود که مقاومت پنج اهم توان قابل دسترس را به کمتر از 30% توان بیشینه حالت صفر کاهش می دهد . جریان خروجی و توان خروجی عبارتند از :
(3-15)
(3-16)

مقاومت متوالی به عمق پیوندگاه، تراکم ناخالصی های نواحی n,p و آرایش اتصال های اهمی سطح جلویی بستگی دارد . برای سلول خورشیدی سیلیکونی نوعی ، مقاومت متوالی برای سلول های حدود و برای سلول برابر می باشد . اختلاف در مقاومت عمدتا نتیجه مقاومت ویژه پایین تر در زمینه های نوع n است .

3-4-5- اثر دما در عملکرد سلول خورشیدی
مشخصه V-I سلولهای خورشیدی شدیدا غیر خطی می باشد وهمزمان با دو فاکتور میزان تابش خورشید ودمای محیط تغییر می کند.
چون است با افزایش دما D تقریباً ثابت مانده و T افزایش می یابد، بنابراین طول نفوذ افزایش می یابد و طبق رابطه افزایش می یابد . و چون به صورت نمایی با دما افزایش می یابد، کاهش می یابد و را تنزل می دهد . بنابراین کاهش کارایی سلول با افزایش دما را خواهیم داشت .
همه کریستال های به کار رفته برای ساخت سلول های فتوولتائیک مثل همه نیمه هادی ها، به حرارت حساس اند . وقتی سلول فتوولتائیک در معرض دماهای بالا قرار می گیرد، اندکی افزایش می یابد، در حالی که به طور قابل توجهی کاهش می یابد . حرارت بالا سبب کاهش در ماکزیمم توان خروجی هم می شود . میزان افت ولتاژ مدار بازسلول ها حدود 0/3 تا 0/4 درصد به ازای هر درجه افزایش دمای محیط می باشد، در حالیکه افزایش جریان اتصال کوتاه تنها 0/025 تا 0/075 درصد به ازای هر درجه افزایش دما است. نتیجه کلی کاهش راندمان سلول به اندازه 0/5 درصد به ازای هر درجه سانتیگراد افزایش حرارت محیط (برای سلول های سیلیکونی) می باشد.در ماموریت های فضایی تغییرات دمای محیط بسیار قابل ملاحظه می باشد. و همواره توجه طراحان را به خود جلب می کند. [15]

شکل (3-26) اثر افزایش دما بر منحنی سلول خورشیدی [16]

3-4-5-1 تغییرات ولتاژ مدار باز با دما
(3-17)
: شکاف باند دمای صفر به طور خطی قیاس شده نیمه هادی تشکیل دهنده سلول
: ولتاژ حرارتی
: وابستگی های حرارتی پارامترهای تعیین کننده سلول
با جایگذاری این مقادیر برای سیلیکون :
و 3~ و و بدست می آوریم :
اثر دما روی سلول های چند لایه بیشتر است . چون یک تقریب برای هر پیوند P – n باید در نظر گرفت . [15]
3-4-6- اثرات تشعشعات خورشیدی بر سلول خورشیدی
پرتوهای فضایی با ذرات انرژی زیاد (Mev) سبب ایجاد نقص و تله در مواد گشته و طول عمر حامل اقلیت را کاهش داده و سبب کاهش طول نفوذ می گردد . کاهش طول نفوذ به طور معکوس متناسب با چگالی فلوی تشعشع است، که این سبب کاهش بازدهی سلول خواهد شد .
بدنه ماهواره ها به علت وجود تابش نسبتا شدید در فضا موسوم به (تشعشعات کمر بندی وان الن) یا (تشعشعات حبس شده) در معرض بمباران های شدید الکترون وفوتون قرار می گیرند که باعث کاهش راندمان وطول عمر مفید سلول های خورشیدی می گردد. بیشتر خسارت های وارد شده بعلت فوتونهای ناشی از زبانه خورشیدی با انرژی حدود چند صد Mev والکترون های حبس شده با انرژی حدود چند kev تا چندMev می باشد. بمباران ذرات باردار به مرور زمان باعث ایجاد تخریب های سطحی وعمقی کریستالهای تشکیل دهنده سلول می گردد. ذرات باردار با انرژی کم باعث ایجاد تخریب در نواحی مجاور پیوند p-n ودر نتیجه کاهش ولتاژ مدار باز سلول ها می گردند. در حالیکه بمباران ذرات باردار با انرژی زیاد به اعماق کریستال حمله می کنند وباعث کاهش عمر جفت الکترون _ حفره های پیوند p-n ونهایتا کاهش جریان اتصال کوتاه سلول می گردند. شکل زیر تاثیرات بمباران یک الکترون را بر روی منحنی V-I یک سلول خورشیدی نشان می دهد.

شکل (3-27) مشخصه ولتاژ – جریان تحت تابش .[16]

روش هایی برای کاهش میزان خسارت های ناشی از تشعشعات خورشیدی:
الف) استفاده از سیلیکون نوع n-p در مقایسه با سیلیکون نوع p-n :
پیوند های نوع n-p بطور کلی مقاومت بیشتری در برابر تشعشعات خورشیدی از خود نشان می دهند. دو علت اساسی برای این پدیده وجود دارد:
1) مواد نوع n بصورت ذاتی دارای الکترون های آزاد (حامل های اکثریت) بسیار زیادی هستند.
2) انرژی برخورد مورد نیاز جهت خسارت رسانیدن به مواد نوع n در مقایسه با مواد نوع p ، زیادتر می باشد.
ب) استفاده از شیشه های محافظ ومواد ضد انعکاس:
میزان تشعشعات بر روی سلول ها به ضخامت وجنس محافظ بستگی دارد.اصولا از پوشش های ضد انعکاس از جنس فلوراید منیزیم، سیلیکا، اکسید تانتالیوم ومواد مشابه برای کاهش میزان تشعشعات عبوری به عنوان محافظ استفاده می نمایند.
تشعشعات خورشیدی بطور متوسط کاهش 20تا25 درصد عمر مفید سلول ها در 7سال ماموریت فضایی را شامل می شوند، که حدود نیمی از این کاهش در دو سال اول ماموریت خواهد بود. افزایش طول ماموریت از 7 سال به 10 سال ، تلفات را افزایش وطول عمر مفید سلول ها را به میزان 5% دیگر کاهش می دهد.
3-4-7- جریان بازترکیب به عنوان عامل کاهش بازده
عامل دیگر جریان بازترکیب در ناحیه تهی است .برای نواحی تک ترازی جریان بازترکیب را می توان به صورت زیر بیان کرد :
(3-18)
(3-19)
که جریان اشباع و زمان واپاشی است .
برای سلول های سیلیکونی در 300K ، جریان بازترکیب می تواند سبب کاهش 25% در بازده گردد.
در سلول های خورشیدی سیلیکونی با هدف داشتن یک احتمال معقول برای به دام انداختن فوتون نیاز به یک لایه کلفت نوع P است که باعث می شود احتمال مواجه شدن یک الکترون تازه دفع شده با حفره ای که قبلا ایجاد شده افزایش یابد و پیش از آنکه به ناحیه پیوندگاه برسد نابود می گردد. این اثرات باعث ایجاد یک حد بالایی در بازده سلول خورشیدی سیلیکونی می شود که بطور معمول حدود 12% تا 15% برای مصارف تجاری و تا 25% برای مدل آزمایشگاهی است .بزرگترین مشکل روش مرسوم ، قیمت است .چون سلول های خورشیدی نیاز به یک لایه کلفت سیلیکون دارند و ماده اولیه گران است . تعدادی روش مختلف برای کاهش این هزینه در طول دهه های گذشته وجود داشته است ، که بطور برجسته روشهای فیلم نازک است . اما آنها نیز بدلیل وجود یک سری مشکلات کاربردهای محدودی داشته اند .
روش دیگری از تحقیقات، بازده را به روش چندپیوندگاهی بهبود بخشیده ، اما این نوع گران هستند و تنها برای کاربردهای تجاری بزرگ مناسب است .
3-4-8- پاسخ طیفی سلول خورشیدی
پاسخ طیفی سلول خورشیدی توسط تغییرات جریان مدار اتصال کوتاه به صورت تابعی از طول موج نور فرودی تعیین می شود . به منظور دستیابی به واکنش طیفی ، هندسه یک بعدی سلول را در نظر می گیریم .[1]

شکل (3-28) هندسه یک بعدی یک سلول خورشیدی یک پیوندی [1]
در اینجا d عمق پیوند از سطح در می باشد .فرض می شود که ناحیه تهی پیوند بسیار کوچکتر از طولهای نفوذ یا می باشد . فوتون های فرودی با انرژی بیشتر از انرژی باند ممنوعه جذب شده و چگالی فوتون ها در مواد به صورت زیر تغییر می کند :
(3-20)
وابسته به طول موج فوتون های فرودی می باشد. ضریب جذب
نرخ تولید الکترون – حفره توسط رابطه زیر بیان می شود :
(3-21)
پیوندگاه، حامل های اقلیت (حفره ها) ، دارا کسری متناسب با n در سمت
(3-22)
:n خواهند بود که به سمت پیوند نفوذ می کنند. بنابراین تعداد کل حفره های سمت

(3-23)
به همین ترتیب تعداد حامل های اقلیت (الکترونها) که به دلیل تولید نوری در سمت p پیوند تولید شده و به پیوند می رسند ، عبارتند از :
(3-24)
لذا تعدادکل حامل های نوری تولید شده که از پیوند p-n عبور می کنند، برابر است با :
(3-25)
جریان تولید شده توسط تعیین می شود و بنابراین با طول موج متناسب است . معادله اخیر مبین پاسخ طیفی سلول خورشیدی است . بر اساس کاربرد ممکن است داشتن پاسخ بزرگتر در برخی قسمتهای انتخاب شده طیف خورشیدی سودمند و دارای مزیت باشد . بطور مثال اگر پاسخ بهتر در طول موج های بلندتر که در آن کوچکتر است ، لازم باشد ، از معادله در می یابیم که باید بزرگ باشد. این مورد با آلایش سمت p به میزان کم حاصل می گردد. مشابها اگر پاسخ بزرگتری برای طول موج های کوتاه که بزرگ بوده وبیشتر تابش نزدیک پیوند جذب می شود مورد نیاز باشد ، بنابراین باید کوچک باشد .
3-4-9- ملاحظات طراحی و مواد
دو عامل محدود کننده را در ساخت سلول های خورشیدی باید در نظر داشت : [17]
1- ترکیب مواد برای همساز شدن با طیف خورشید، که سبب بهبود کارایی می گردد.
2- هزینه باطری های خورشیدی ، کمتر از 10 سنت به ازای هر وات قله .

3-4-9-1- روش های کاهش هزینه ساخت سلول خورشیدی
1- از نیمه رساناهای دیگری مثل کادمیوم سولفید، مس سولفیدها و مس اکسیدها استفاده کنیم . این باطری ها معمولاً از نوع سد شاتکی یا پیوند گاه همگن اند .
2- استفاده از متمرکز کننده ها . یک عدسی نوری بزرگ نور خورشید را در مساحت کوچکی از باطری متمرکز می کند . شدت نور را می توان تا چند صد برابر زیادترکرد .عدسی ها از مواد پلاستیکی ارزان تر از سیلیکون با کیفیت بالا ساخته می شوند .
بازدهی سلول های خورشیدی در طیف بیشتر از است . علت این امر عدم جذب اجزای ماورای بنفش موجود در طیف است .
3-4-9-2- روش تغییر طیف قبل از ورود به سلول جهت افزایش کارایی
1- Down – Conversion : در این روش یک فوتون فرابنفش با انرژی بالا را تبدیل به دو یا بیشتر فوتون با انرژی پایین تر می کنیم که قابل جذب در سلول خورشیدی باشد .
2- Conversion Up – : در این روش دو یا بیشتر فوتون با انرژی پایین را برای تولید یک فوتون با انرژی بالای قابل جذب در سلول، به کار ببریم .
3-5- مقایسه سلول خورشیدی و باطری
سلول خورشیدی می تواند مانند یک باطری در یک مدار الکتریکی ساده قرار بگیرد . وقتی توسط نور سوئیچ می شود یک ولتاژ (مثل emf باطری) تولید می کند .
برای هر مقاومت بار متوسطی، سلول ولتاژی بین 0 تا تولید می کند و جریان آن طبق رابطه تولید خواهد شد . بنابراین هم ولتاژ و هم جریان توسط تابش و بار تعیین می شوند .

شکل (3- 29) سلول خورشیدی می تواند جایگزین باتری در یک مدار ساده گردد .[4]
تفاوتهای سلول خورشیدی و باتری :
1- emf باطری به واسطه اختلاف پتانسیل الکتریکی – شیمیایی دائمی بین دو فاز سلول ایجاد می شود، در حالی که emf در سلول خورشیدی از تغییرات موقتی در پتانسیل الکترو – شیمیایی ایجاد شده توسط نور، ایجاد می گردد .
2- توان ارسالی باطری به مقاومت بار ثابت،تقریباً ثابت است، در حالی که توان ارسالی از سلول خورشیدی اصولاً بستگی به شدت نور برخوردی دارد .
3- باطری زمانی که عمرش به پایان برسد کاملاً دشارژ می شود، در حالی که سلول خورشیدی اگر چه خروجی اش با شدت نور تغییر می کند ولی هرگز تخلیه نمی شود و دائماً می تواند توسط نور شارژ شود .
4- باطری از نظر الکتریکی مثل یک "منبع ولتاژ" است که emf و ظرفیت شارژش تعیین می شود، در مقابل سلول خورشیدی به صورت یک "ژنراتور جریان" مدل می شود که جریان جاری شده در آن مستقل از بار است و مشخصاتش کاملاً وابسته به طبیعت منبع تابش دارد .
(عموماً باطری یک emf ثابت در مقادیر مختلف جریان تولید می کند و سلول خورشیدی برای هر سطح تابشی یک جریان ثابت ایجاد می کند .)

شکل (3- 30) منحنی V-I یک باتری قراردادی ( خاکستری ) و یک سلول خورشیدی تحت سطوح مختلف تابش .[4]
3-6- فناوری های ساخت سلول های خورشیدی
در حال حاضر دو فناوری در ساخت سلولهای خورشیدی غالب است : فناوری نسل اول و نسل دوم
فناوری نسل اول بر پایه ویفرهای سیلیکونی با ضخامت 300-400 میکرومتر است که ساختاری بلوری یا چند بلوری دارند که یا از بریدن EFG شمش بدست می آیند یا از روش لایه نازک ،بر اساس لایه نشانی نیمه هادی روی بسترهای شیشه ای ،فلزی،پلیمری است.هزینه تکنولوژی نسل دوم پایین تراست واز آن گذشته اندازه سلول تا 100 برابر بزرگتر از اندازه سلول ساخته شده با تکنولوژی نسل اول است که مزیتی برای تولید انبوه آن محسوب می شود.در عوض بازدهی سلول های نسل اول، که اغلب سلول های بازار را تشکیل می دهند، به دلیل کیفیت بالاتر مواد، از بازدهی سلول های نسل دوم بیشتر است. انتظار می رود اختلاف بازدهی میان سلول های دو نسل با گذشت زمان کمتر شده و تکنولوژی نسل دوم جایگزین نسل اول شود. در سال 1961، Shockley و Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی پیوندی به شکل یک جسم سیاه با دمای 300 کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی یک سلول خورشیدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن، 30% است که در انرژی شکاف eV1.4 یعنی انرژی شکاف گالیم آرسناید بدست می آید. بنابراین بازدهی سلول های خورشید نسل اول و دوم حتی در بهترین حالت نمی تواند از حوالی 30% بیشتر شود. این در حالی است که حد کارنو برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی 95% است. و این مقدار تقریباً سه برابر بیشتر از بازدهی نهایی سلولهای نسل اول و دوم است. بنابراین دستیابی به سلول هایی با بازدهی هایی دو تا سه برابر بازدهی های کنونی، امکان پذیر است. سلول های خورشیدی که دارای چنین بازدهی هایی باشند، نسل سوم سلول های خورشیدی نامیده می شوند. سلول های متوالی ، سلول های خورشیدی چاه کوانتومی ، سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی ، سلول های حامل داغ ، نسل سوم سلول های خورشیدی را تشکیل می دهند.
3-6-1- سلول خورشیدی ساخته شده از ویفر سیلیکون تک بلوری
سلول خورشیدی یا سلول فوتوولتاییک ابزاری است که انرژی خورشیدی را تحت اثر فوتوولتاییک به الکتریسیته مبدل می کند. فن آوری فوتوولتاییک شاخه ای از فن آوری است که به کاربرد سلول های خورشیدی می پردازد. گاهی اصطلاح "سلول خورشیدی" تنها برای ابزارهایی به کار می رود که مختص تبدیل انرژی نور خورشید هستند، در حالی که عبارت "سلول فوتوولتاییک" به صورتی عام تر به کار می رود. سازه ای که از کنار هم چیدن سلول های خورشیدی به دست می آید را واحد خورشیدی گویند که خود این سازه ها را می توان به هم متصل ساخت تا آرایهٔ فوتوولتاییک به دست آید.
سلول های خورشیدی کاربرد بسیاری دارند. سلول های تکی برای فراهم کردن توان لازم دستگاه های کوچک تر مانند ماشین حساب الکترونیکی به کار می روند. آرایه های فوتوولتاییک الکتریسیتهٔ بازیافت شدنی ای را تولید می کنند که عمدتاً در موارد عدم وجود سیستم انتقال و توزیع الکتریکی کاربرد دارد. برای مثال می توان به محل های دور از دسترس، ماهواره های مدارگرد، کاوش گرهای فضایی و ساختمان های مخابراتی دور از دسترس اشاره کرد. علاوه بر این استفاده از این نوع انرژی امروزه در محل هایی که شبکهٔ توزیع هم موجود است مرسوم شده است.
امروزه انسان با پیشرفت هایی که در زمینه های مختلف کرده، نیازی روز افزون به انرژی پیدا کرده و این امر او را بر آن داشت تا با روشهای گوناگون انرژی مورد نیاز خود را کسب کند. یکی از این روش ها که طی ۲۰ سال اخیر، انسان از آن استفاده می کند، استفاده از باتری های خورشیدی است. خورشید در هر ثانیه حدود ۱۰۰۰ ژول انرژی به هر متر مربع از سطح زمین منتقل می کند که با جمع آوری کردن آن می توان انرژی مورد نیاز برای کارهای مختلفی را تامین کرد.
3-6-2- ساخت سلول های خورشیدی با استفاده از مواد آلی
سلولهای خورشیدی ساخته شده از مواد آلی در مقایسه با همتایان سیلیکونی خود بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیت هایی مانند انعطاف پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. شارژر موبایل قابل حمل،کار گذاشتن باطری ها در سطوح دارای انحناء مانند بدنه ماشین ها و حتی استفاده از آنها در لباس ها از مصارفی است که برای سلولهای خورشیدی آلی (ارگانیک) پیش بینی می شود. خصوصیت دیگر آنها انعطاف پذیری در طول موجی است که در آن بیشترین جذب را دارند. در نتیجه اگر برای مثال ماده آلی با جذب درناحیه زیر قرمز استفاده شود از سلول خورشیدی آلی می توان در شیشه های اتومبیل ، شیشه های خانه ها و هر مکان دیگری که باید شفاف باشد ، استفاده کرد. ساخت سلولهای خورشیدی آلی از دهه ۷۰ میلادی مورد تحقیق و بررسی علمی قرار گرفته است ولی هنوز نمونه بازاری آن ساخته نشده است. از موادی که آینده روشنی در این صنعت برای آن پیش بینی می شود کریستالهای مایع ستونی هستند.
3-7- طریقه دریافت الکتریسیته از انرژی خورشیدی
1) نیروگاه های حرارتی که حرارت لازم توسط اینه هایی که نور خورشید را روی دیگ بخار متمرکز میکنند و تولید میشود.
2) اثر فتوولتایی: در این روش انرژی تابشی مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.قطعاتی که اثر فتوولتایی از خود نشان میدهند به سلول خورشیدی معروفند.
و در حال حاظر بیشترین استفاده از انرژی خورشیدی با این روش است.در برخی کشورها نیروگاه های فتوولتائیک ساخته شده که برای تولید برق است.
اما بیشترین استفاده از سلولهای خورشیدی در نیروگاه (فتو ولتائیک50 مگا واتی جزیره کرت یونان ) است.
3-8-کاربردهای سلولهای خوشیدی
1) تامین نیروی حرکتی ماهواره ها و سفینه های فضایی
2) تامین انرژی لازم دستگاهایی که نیاز به ولتاژهای کمتری دارند مثل ماشین حساب و ساعت
3) تهیه برق شهر توسط نیروگاههای فتوولتائیک
4) تامین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایقهای کوچک

4-1- تعریف ماژول5 فتوولتائیک

یک تک سلول خورشیدی ولتاژ نوری DC حدود (0.5 – 1 v) و جریان نوری حدود چند دهم تولید می کند . اگر چه مقدار جریان منطقی است اما ولتاژ تولیدی برای اغلب کاربردها بسیار کوچک است .
برای تولید ولتاژ DC مطلوب، سلول ها به صورت سری به هم متصل می شوند و چندین رشته از این سری سلول ها ممکن است به صورت موازی برای افزایش جریان به هم متصل شوند . سپس این سلول های به هم متصل شده و اتصالات الکتریکی آنها بین لایه بالایی از جنس شیشه یا پلاستیک و یک لایه پایینی از پلاستیک و فلز قرار می گیرند و یک فریم خارجی به منظور افزایش مقاومت مکانیکی و فراهم کردن راهی برای ثابت کردن واحد، به آن متصل می گردد . این Package روی هم رفته ، ماژول یا پانل نامیده می شود . عموماً ماژول ها شامل 28 تا 38 سلول سری برای تولید ولتاژ DC حدود 12V در شرایط استاندارد تابش هستند . گروهی از ماژول ها می توانند با اتصالات داخلی به صورت سری – موازی (and /or) متصل شوند تا تشکیل یک "آرایه6" دهند .

شکل (4-1) در یک ماژول سلولها معمولا بصورت سری برای تامین ولتاژ کافی به هم متصل می گردند .[18]

شکل (4-2) ماژول ها ممکن است بصورت سری و سپس موازی در یک آرایه برای تامین ولتاژ وجریان مورد نیاز قرار گیرند.[18]
4-2- عوامل مهم در تعیین توان خروجی ماژول
1- سایه زدگی
2- دمای ماژول
3- مقاومت سیستم
4-2-1- سایه زدگی
فرض شده که شرایط استاندارد نور خورشید در یک روز تمیز 1000 وات انرژی خورشیدی بر متر مربع می باشد ،که این شرایط تحت عنوان "one sun" یا "peak sun" خوانده می شود . کمتر از "one sun" جریان خروجی ماژول را کاهش خواهد داد . به طور مثال اگر فقط یعنی در دسترس باشد، جریان خروجی نصف خواهد شد. این شرایط در شکل زیر قابل مشاهده است .

شکل (4-3) منحنی جریان – ولتاژ نوعی در one sun و half sun [18]
ماژول های دارای سایه زدگی جزئی اثرات جدی روی توان خروجی ماژول دارند . به طور مثال سایه زدگی کامل فقط یک سلول در ماژول، خروجی ماژول را تا حد %80 کاهش می دهد:

شکل (4-4) منحنی جریان – ولتاژ نوعی برای یک ماژول سایه نخورده و یک ماژول با یک سلول سایه زده [18]
4-2-2- دمای ماژول
دمای ماژول ها به طور معکوس ولتاژ خروجی را تحت تاثیر قرار می دهد . ولتاژ ماژول به ازای هر افزایش درجه سلسیوس از 0.04 تا ./1v کاهش می یابد و به ازای هر درجه فارنهایت کاهش ولتاژ از 0.022 تا 0.056 ولت است. به این دلیل باید یک فضای عبور 6 – 4 اینچی برای عبور هوا در زیر ماژول وجود داشته باشد .

شکل(4-5) منحنی جریان – ولتاژ نوعی یک ماژول در دمای و یک ماژول در دمای [18]
4-2-3- مقاومت ماژول
آخرین فاکتور مهم در تعیین توان ماژول "مقاومت" سیستمی است که به آن متصل است . به طور مثال اگر ماژول یک باطری را شارژ می کند باید ولتاژی بالاتر از ولتاژ باطری داشته باشد .
باید از به کار بردن یک ماژول با ولتاژ خروجی خیلی بالا با ماژول دیگر با ولتاژ خروجی خیلی پایین با هم اجتناب کرد . (ولتاژ خروجی ماژول وابسته به تعداد سلول های سری است که درآن به کار رفته است ) .
4-3- ترکیب سری – موازی سلول ها در بهبود عملکرد سیستم
ترکیب سری _ موازی سلولها همچنین در بهبود عمل کرد سیستم هنگام خرابی ویا خروج یک یا تعدادی از سلول ها از سیستم کمک می کند. هنگامی که سلول به صورت سری در مدار استفاده شود، خروج یک سلول از مدار ( به علت خرابی یا عدم تابش نور به دلیل خورشید گرفتگی یا سایه ) باعث قطع شدن انرژی کل سیستم می شود. در صورتیکه یک یا چند سلول در معرض سایه قرار گیرند ، نه تنها تولید کننده انرژی نخواهند بود بلکه به صورت بارهای غیر خطی در سیستم عمل می نمایند. همچنین اگر جریانی بیش از 3 تا 4 برابر جریان نامی از آنها عبور کند، در حالت شکست معکوس قرار گرفته وتوان زیادی را دریافت می کند ونهایتا باعث ایجاد نقاط گرم 7 در آرایه های خورشیدی می گردد.
استفاده از رشته سری وموازی وترکیب نردبانی آنها، امکان ایجاد نقاط گرم را کاهش می دهد واز تغییرات ناگهانی توان خروجی ( به علت خروج یک یا تعدادی از سلولها از مدار) جلوگیری می نماید.
برای محدود نمودن اثرات نامطلوب سایه اندازی، از اتصال موازی دیود های سد کننده8 در دوسر یک سلول ویا گروهی از سلولهای سری استفاده می نمایند . در این صورت سلول ها در هنگام خروج اضطراری از مدار، توسط دیود ها بطور اتوماتیک اتصال کوتاه خواهند شد.در عمل ممکن است این دیودها در خارج آرایه ودر بخش جداگانه ای استقرار یابند وسرهای خروجی آرایه های خورشیدی به آنها متصل شوند.
یک دیود سد کننده جهت متوقف کردن جریان معکوس (که سبب کشیدن توان از باطری ها می گردد ) به کار می رود و دیودهای bypass به دور هر ماژول استفاده می شود . چون اگر یکی از ماژول ها در اتصال خراب شود ایجاد مقاومت بسیار بالایی خواهد کرد و سبب از کار افتادن ماژول های دیگر می شود . (دیودهای ایزوله همان کار دیودهای بلوکه را می کند .)

شکل (4-6) سه ماژول با دیودهای bypass و دیود بلاکه بصورت سری متصل شده [18]

شکل (4-7) دوازده ماژول در آرایه سری-موازی با دیودهای bypass و ایزوله [18]
4-4- نحوه استقرار سلول های خورشیدی
سلول های خورشیدی یا بر روی شبکه های همشکل لانه زنبوری ازجنس آلومینیوم (یا مواد دیگر) قرار داده می شوند، ویا بر روی فیبرهای شیشه ای نصب می گردند.
نوع لانه زنبوری دارای %5 تا 10% درصد وزن کمتر نسبت به فیبرهای شیشه ای می باشد. این رشته ها باید فشار، شتاب و لغزش اولیه در هنگام پرتاب ماهواره ( که حدودا 10 تا 15 گرم با فرکانس حدود Hz2500 ) وتغییرات قابل ملاحظه حرارت فضا (ازمثبت 60 درجه سانتیگراد تا منفی 170 درجه سانتی گراد ) را تحمل نمایند.
نحوه استقرار سلول های خورشیدی بر روی فیبرهای شیشه ای به دو دسته طبقه بندی می شوند:
الف) استقرار سلول ها به صورت مورب .
ب) استقرار سلول ها به صورت مسطح.
در نوع مسطح ، آزادی عمل بیشتری به هنگام اتصال سری _ موازی سلول ها به یکدیگر وجود دارد، و همچنین تعویض سلول های معیوب راحت تر صورت می گیرد.
در عوض نوع مورب دارای تعداد اتصالات کمتری می باشد. بطور کلی ساختاری که این سلول را در خود جای می دهد باید قادر به تحمل فشارها ولغزش هایی که در حین پرتاب بوجود می آید ونیز تغییرات وسیع دمای فضا ، باشد.
4-5- آرایه
آرایه که گاهی Photovoltaic generator نامیده می شود برای تولید توان طراحی می شود . این آرایه با یک سیستم ذخیره بار (باطری) مجتمع می شود . باطری برای ذخیره بار الکتریکی تولید شده در طی دوره تابش است و Power Conditioning سبب تنظیم منبع توان می گردد ونیز برای این که حساسیت کمی نسبت به تابش خورشید داشته باشد . جریان DC تولید شده توسط ماژول ها به توان AC با فرکانس مناسب توسط یک مبدل تبدیل خواهد شد.

شکل (4-8)در اغلب کاربرده آرایه فتوولتائیک برای تنظیم بار و ذخیره باید با قطعاتی مجتمع شود .[18]
4-5-1- انواع آرایه
1- آرایه های ثابت9 :
ماژول ها در طی روز حرکتی ندارند و ممکن است فقط دوبار در سال (زمستان – تابستان) تغییر کنند . این آرایه ها نسبت به آرایه های Tracking انرژی کمتری دریافت می کنند اما در عوض هیچ قسمت متحرکی از آن خراب نمی شود .

شکل(4-9) آرایه تنظیم شده برای زاویه خورشید در تابستان [18]
2- آرایه های قابل انتقال10 :
انواع کوچک این آرایه ها می توانند روی یک محل نصب شده و انواع بزرگ تر آن روی تریلی یا کامیون برای تامین یک منبع توان قابل انتقال، نصب شوند .

شکل (4-10) منبع توان قابل انتقال [18]
3- آرایه های Tracking :
نور خورشید را در سراسر آسمان دنبال می کنند . دنبال کننده های تک محوری خورشید را در طول روز از شرق به غرب دنبال می کنند و زاویه ماژول و زمین تغییر نمی کند .
دنبال کننده های دو محوری هم جهت شرقی – غربی را تغییر می دهند و هم زاویه از زمین را تغییر می دهند.

شکل (4-11) آرایه های tracking یک و دو محوری [18]
سه روش برای این منظور استفاده می شود :
1- استفاده از یک موتور برای حرکت دادن آرایه ها تا ماژول ها به صورت مکانیکی روبه خورشید باشند .
2- سلول های فتوولتائیک را به عنوان یک سنسور به کار می برد، که این با قراردادن یک سلول در هر طرف تقسیم کننده و محکم کردن پکیج انجام می شود :

شکل (4-12) سلول های فتوولتائیک بعنوان سنسور جهت یاب خورشیدی بکار می روند .[18]

دائماً یک وسیله الکتریکی مقدار جریان هر دو سلول را مقایسه می کند . اگر یکی از سلول ها سایه زده باشد، وسیله موتور را برای حرکت آرایه تا زمانی که هر دو سلول در معرض تابش مقدار مساوی نور خورشید قرار بگیرند، تریگر می کند . (موتور سبب اتلاف انرژی می شود) .
دو ماژول فتوولتائیک کوچک برای راه اندازی موتور به کار می رود . (این روش بدون مصرف پارازیتی است . ) اگر هردو ماژول در نور خورشید یکسانی باشند، مانند شکل زیر جریان در ماژول ها برقرار شده و هیچ جریانی در موتور جاری نمی شود :

شکل (4-13) جریان در هر دو ماژول در نور خورشید یکسان جاری می شود .[18]
اگر یک ماژول سایه زده باشد، به عنوان یک مقاومت عمل کرده که در این حالت جریان از موتور عبور می کند و باعث چرخاندن آن در یک جهت می گردد :

شکل (4-14) .جریان جاری شده با یک ماژول سایه زده [18]
3- از انبساط و انقباض سیال برای حرکت آرایه استفاده می کند . معمولاً یک کانتینر از یک سیال پر شده، وقتی در معرض خورشید باشد تبخیر شده و منبسط می شود و زمانی که در سایه باشد متراکم و منقبض می شود.یک "جستجوگر خورشید"11 از فشار حاصل از انبساط و انقباض برای فرمان دادن به یک غلطک استوانه ای هیدرولیکی استفاده می کند . اگر آرایه در مقابل خورشید باشد، فشار هر دو کانتینر یکسان است و پیستون حرکت نمی کند . وقتی خورشید حرکت می کند و روی کانتینرها سایه می افتد، آنها را تحت فشارهای متفاوت قرار می دهد، تفاوت در فشار پیستون را حرکت خواهد داد .

شکل (4-15) سیستم جستجوگر خورشید بدون ماژول [18]
یک روش دیگر استفاده از وزن سیال است . زمانی که آرایه مدت طولانی تحت تابش نیست، کانتینری که در معرض تابش گرمای بیشتری از خورشید است، سیال درون آن جوشیده و وارد دیگری می شود .حال کانتینر سایه زده سنگین تر شده و آرایه در جهت کانتینر سایه زده می چرخد. یک ضربه گیر در سیستم نصب می شود تا جلوی فشارهایی چون باد را بگیرد .

4-6- مصارف و کاربردهای فتوولتائیک
مصارف فضانوردی و تامین انرژی مورد نیاز ماهواره ها جهت ارسال پیام روشنایی خورشیدی در حال حاضر روشنایی خورشیدی بالاترین میزان کاربرد سیستم های فتوولتائیک را در سراسر جهان دارد و سالانه دهها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می گردد، مانند برق جاده ها و تونلها بخصوص در مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارند، تامین برق پاسگاههای مرزی که دور از شبکه برق هستند، تامین برق مناطقی شکاربانی و مناطق حفاظت شده نظیر جزیره های دور افتاده که جنبه نظامی دارند.
سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی:
انرژی مورد نیاز کلیه لوازم برقی منازل (شهری و روستایی) و مراکز تجاری را می توان با استفاده از پنلهای فتوولتائیک و سیستمهای ذخیره کننده و کنترل نسبتاً ساده، تامین نمود.
سیستم پمپاژ خورشیدی:
سیستم پمپهای فتوولتائیک قابلیت استحصال آب از چاهها، قنوات، چشمه ها، رودخانه ها و ….. را جهت مصارف متنوعی دارا می باشد.
سیستم تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری:
اغلب ایستگاههای مخابراتی و یا زلزله نگاری در مکانهای فاقد شبکه سراسری و صعب العبور و یا در محلی که احداث پست فشار قوی به فشار ضعیف و تامین توان الکتریکی ایستگاه مذکور صرفه اقتصادی و حفاظت الکتریکی ندارد نصب شده اند.
ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و وسایل بازی کودکانه یا هر نوع وسیله ای که تاکنون با باطری خشک کار می کرده است یکی دیگر از کاربردهای این سیستم می باشد.
مثلاً ژاپن در سال ۱۹۸۳ حدود ۳۰ میلیون ماشین حساب خورشیدی تولید کرده است که سلولهای خورشیدی بکار گرفته در آنها مساحتی حدود ۰۰۰/۲۰ متر مربع و توان الکتریکی معادل ۵۰۰ کیلووات داشته اند.
4-7- نیروگاههای فتوولتائیک:
هم زمان با استفاده از سیستم های فتوولتائیک در بخش انرژی الکتریکی مورد نیاز ساختمانها اطلاعات و تجربیات کافی جهت احداث واحدهای بزرگ تر حاصل گردید و همه اکنون در بسیاری از کشورهای جهان نیروگاه فتوولتائیک در واحدهای کوچک و بزرگ و به صورت اتصال به شبکه و یا مستقل از شبکه نصب و راه اندازی شده است ولی این تاسیسات دارای هزینه ساخت، راه اندازی و نگهداری بالایی می باشند که فعلاً مقرون به صرفه و اقتصادی نیست.
یخچالهای خورشیدی:
از یخچالهای خورشیدی جهت سرویس دهی و ارائه خدمات بهداشتی و تغذیه ای در مناطق دور افتاده و صعب العبور استفاده می گردد. عملکرد مناسب یخچالهای خورشیدی تا حدی بوده است که در طی ۵ سال گذشته بیش از ۱۰۰۰۰ یخچال خورشیدی برای کاربردهای بهداشتی و درمانی در سراسر آفریقا راه اندازی شده است.
سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل:
قابلیت حمل و نقل و سهولت در نصب و راه اندازی از جمله مزایای این سیستم ها می باشد بازده توان این سیستم ها از ۱۰۰ وات الی یک کیلو وات تعریف شده است. از جمله کاربردهای آن می توان به تامین برق اضطراری در مواقع بروز حوادث غیر مترقبه، سیستم تغذیه کننده یک چادر عشایری و کمپ های جنگلی اشاره نمود.

شکل (4-16) نیروگاه خورشیدی در اسپانیا
4-8- کاربردهای نیروگاهی
تاسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می شود این تاسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند:
1- نیروگاههایی که گیرنده آنها آینه های سهموی ناودانی هستند .
2- نیروگاه هایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه های بزرگی به نام هلیوستات به آن منعکس می شود. (دریافت کننده مرکزی)
3- نیروگاه هایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (دیش) می باشد .

شکل (4-17) نمونه ای از نیروگاه خورشیدی
قبل از توضیح در خصوص نیروگاه خورشیدی بهتر است شرح مختصری از نحوه کارکرد نیروگاه های تولید الکتریسیته داده شود. بهتر است بدانیم در هر نیروگاهی اعم از نیروگاههای آبی، نیروگاههای بخاری و نیروگاههای گازی برای تولید برق از ژنراتورهای الکتریکی استفاده می شود که با چرخیدن این ژنراتورها برق تولید می شود. این ژنراتورهای الکتریکی انرژی دورانی خود را از دستگاهی بنام توربین تامین می کنند. بدین ترتیب می توان گفت که ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. تامین کننده انرژی جنبشی ژنراتورها، توربین ها هستند توربینها انواع مختلف دارند در نیروگاههای بخاری توربینهایی وجود دارند که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آنها شده و موجب به گردش در آمدن پره های توربین میگردد. در نیروگاه های آبی که روی سدها نصب می شوند انرژی پتانسیل موجود در آب موجب به گردش در آمدن پره های توربین می شود .
بدین ترتیب می توان گفت در نیروگاههای آبی انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود، در نیروگاههای حرارتی بر اثر سوختن سوختهای فسیلی مانند مازوت، آب موجود در سیستم بسته نیروگاه داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل می شود و بدین ترتیب انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود در نیروگاههای گازی توربینهایی وجود دارد که بطور مستقیم بر اثر سوختن گاز به حرکت درآمده و ژنراتور را می گرداند و انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود. و اما در نیروگاههای حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخش های خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربینها است یا به عبارت دیگر می توان گفت که این نوع نیروگاهها شامل دو قسمت هستند :
* سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می نماید .
* سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاههای حرارتی بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می کند.

شکل (4-18) نمونه ای از سلول های خورشیدی
4-8-1- نیروگاههای حرارتی خورشید از نوع سهموی خطی
در این نیروگاهها، از منعکس کننده هایی که به صورت سهموی خطی می باشند جهت تمرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آنها استفاده می شود و گیرنده به صورت لوله ای در خط کانونی منعکس کننده ها قرار دارد. در داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم و داغ می گردد.
روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاههای حرارتی انتقال داده می شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد.
برای بهره گیری بیشتر و افزایش بازدهی لوله دریافت کننده سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد پوشش می دهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشه ای به صورت لفاف پوشیده می شود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری گردد و نیز از لوله دریافت کننده محافظت بعمل آید.
ضمناً بین این دو لوله خلاء بوجود می آوردند برای آنکه پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت کننده برسد.
در این نیروگاهها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که بوسیله آن آینه های شلجمی دائماً خورشید را دنبال می کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز می نمایند.
تغییرات تابش خورشید در این نیروگاهها توسط منبع ذخیره و گرمکن سوخت فسیلی جبران می شوند. در چند کشور نظیر ایالات متحده آمریکا – اسپانیا – مصر – مکزیک – هند و مراکش از نیروگاه های سهموی خطی استفاده شده است که این نیروگاهها یا در مرحله ساخت و یا در مرحله بهره برداری قرار دارند. در ایران نیز تحقیقات و مطالعاتی در زمینه این نیروگاهها انجام شده و پروژه یک نیروگاه تحقیقاتی با ظرفیت ۳۵۰ کیلووات توسط سازمان انرژیهای نو ایران در شیراز در حال انجام می باشد .
4-8-2- نیروگاههای حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزی
در این نیروگاه ها پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس کننده بنام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته است متمرکز می گردد. در نتیجه روی محل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست می آید که این انرژی بوسیله سیال عامل که داخل دریافت کننده در حرکت است، جذب می شود و بوسیله مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاه های سنتی منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید می گردد.
این سیال عامل در مبدلهای حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا میگردد. در برخی از سیستم ها سیال عامل آب است و مستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می شود.
برای استفاده دائمی از این نوع نیروگاه در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد مثلاً ساعات ابری یا شبها از سیستم های ذخیره کننده حرارت و یا احیاناً از تجهیزات پشتیبانی که ممکن است از سوخت فسیلی استفاده کنند جهت ایجاد بخار برای تولید برق کمک گرفته می شود.
مطالعات و تحقیقات در زمینه فناوری و سیستمهای این نیروگاه ها ادامه دارد و آزمایشگاهها و موسسات متعددی در سراسر دنیا در این زمینه فعالیت می کنند.
مطالعات ساخت اولین نیروگاه خورشیدی ایران از نوع دریافت کننده مرکزی توسط سازمان انرژیهای نو ایران و با کمک شرکتهای مشاور و سازنده داخلی با ظرفیت یک مگاوات و سیال عامل آب و بخار در طالقان جریان دارد. کلیه مطالعات اولیه و پتانسیل سنجی و طراحی نیروگاه به انجام رسیده و یک نمونه هلیوستات نیز ساخته شده است.
4-8-3- نیروگاه های حرارتی از نوع بشقابی
در این نیروگاهها از منعکس کننده هایی که به صورت شلجمی بشقابی می باشد جهت تمرکز نقطه ای پرتوهای خورشیدی استفاده می گردد و گیرنده هایی که در کانون شلجمی قرار میگیرند به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور آن را به نوع مکانیکی و الکتریکی تبدیل می نماید.
4-9- دودکش های خورشیدی
روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از برج نیرو یا دودکش های خورشیدی میباشد در این سیستم از خاصیت دودکش ها استفاده می شود به این صورت که با استفاده از یک برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانه های خورشیدی که در اطراف آن است هوای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدی در یک گرمخانه تولید می شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه ها قرار دارد، هدایت می شود.

شکل (4-19) دودکش خورشیدی
این هوای گرم بعلت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و با عث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده است می گردد و بوسیله این ژنراتور برق تولید می شود هم اکنون یک نمونه از این سیستم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر می رسد.
4-10- مزایای نیروگاههای خورشیدی
نیروگاه های خورشیدی که انرژی خورشید را به برق تبدیل می کنند امید است در آینده با مزایای قاطعی که در برابر نیروگاه های فسیلی و اتمی دارند به خصوص اینکه سازگار با محیط زیست می باشند، مشکل برق بخصوص در دوران انجام ذخائر نفت و گاز را حل نمایند. تاسیس و بکارگیری نیروگاه های خورشیدی آینده ای پر ثمر و زمینه ای گسترده را برای کمک به خودکفایی و قطع وابستگی کشور به صادرات نفت فراهم خواهد کرد. اکنون شایسته است که به ذکر چند مورد از مزایای این نیروگاه ها بپردازیم.
الف) تولید برق بدون مصرف سوخت
نیروگاه های خورشیدی نیاز به سوخت ندارند و برخلاف نیروگاه های فسیلی که قیمت برق تولیدی آنها تابع قیمت نفت بوده و همیشه در حال تغییر می باشد. در نیروگاه های خورشیدی این نوسان وجود نداشته و می توان بهای برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگهداشت.
ب) عدم احتیاج به آب زیاد
نیروگاه های خورشیدی بخصوص دودکشهای خورشیدی با هوای گرم احتیاج به آب ندارند لذا برای مناطق خشک مثل افغانستان بسیار حائز اهمیت می باشند. (نیروگاه های حرارتی سنتی هنگام فعالیت نیاز به آب مصرفی زیادی دارند).
پ) عدم آلودگی محیط زیست
نیروگاه های خورشیدی ضمن تولید برق هیچگونه آلودگی در هوا نداشته و مواد سمّی و مضر تولید نمی کنند در صورتی که نیروگاه های فسیلی هوا و محیط اطراف خود را با مصرف نفت، گاز و یا ذغال سنگ آلوده کرده و نیروگاه های اتمی با تولید زباله های هسته ای خود که بسیار خطرناک و رادیواکتیو هستند محیط زندگی را آلوده و مشکلات عظیمی را برای ساکنین کره زمین بوجود می آورند.
ت) امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای
نیروگاه های خورشیدی می توانند با تولید برق به شبکه سراسری برق نیرو برسانند و در عین امکان تامین شبکه های کوچک ناحیه ای، احتیاج به تاسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال برق ندارند و نیاز به هزینه زیاد احداث شبکه های انتقال نمی باشد.
ث) استهلاک کم و عمر زیاد
نیروگاه های خورشیدی بدلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر طولانی می باشند در حالی که عمر نیروگاه های فسیلی بین ۱۵ تا ۳۰ سال محاسبه شده است.
ج) عدم احتیاج به متخصص
نیروگاه های خورشیدی احتیاج به متخصص عالی ندارند و میتوان آنها را بطور اتوماتیک بکار انداخت، در صورتی که در نیروگاه های اتمی وجود متخصصین در سطح عالی ضروری بوده و این دستگاهها احتیاج به مراقبتهای دائمی و ویژه دارند.
4-11- بزرگترین نیروگاه خورشیدی در اسپانیا
ظاهرا اکنون دور، دور اسپانیاست. کشوری که نه تنها با قهرمانی در فوتبال تمام نگاه ها را به خود متوجه کرد، بلکه در تولید انرژی های پاک نیز از بسیاری از کشورها پیش افتاده است. یکی از بزرگترین نیروگاه های خورشیدی جهان به تازگی در اسپانیا افتتاح شد. به این ترتیب این کشور اکنون جایگاه آمریکا را به عنوان دارنده ی بزرگترین نیروگاه های خورشیدی جهان کسب کرده است. در حال حاضر میزان انرژی خورشیدی تولید شده در این کشور برابر با میزان انرژی تولید شده در یک نیروگاه هسته ای است.
اسپانیا اکنون پیشتاز تولید انرژی های تجدید شونده است و پیش از این نیز بعد از آمریکا و چین در میان کشورهایی قرار داشت که بیشترین انرژی برق- آبی را تولید می کنند. اسپانیا همچنین دارای یک بخش تولید انرژی از نیروی باد است که با کمک ها و حمایت های دولتی تقویت شده است.
به گزارش روزنامه گاردین به تاریخ ۱۳ جولای، با آغاز به کار نیروگاه جدید خورشیدی اسپانیا، لا فلوریدا، که بزرگترین در نوع خود در جهان است، توان تولید برق خورشیدی در این کشور به ۴۳۲ مگاوات رسیده است، در حالی که ایالات متحده آمریکا قادر به تولید ۴۲۲ مگاوات برق از طریق انرژی خورشیدی است. این نیروگاه که در استان باداخس در غرب اسپانیا ساخته شده، مرکب از آینه های شلجمی شکل است.

شکل (4-20) تاسیسات جدید نیروگاه خورشیدی در اسپانیا
برخورد اشعه آفتاب روی این سطوح و بازتاب آن ها لوله هایی را که با سیال انتقال حرارت پرشده اند به شدت گرم می کند. از سیال انتقال حرارت آنگاه برای تولید بخار استفاده می شود که به نوبه خود توربین های تولید برق را می گرداند. آینه های نیروگاه در طول مدت روز متناسب با جهت حرکت خورشید حرکت می کنند تا از بیشترین پرتوهای خورشیدی بهره ببرند. آینه ها در مساحتی معادل ۵۵۰ هزار متر مربع در کنار هم چیده شده اند و قادر به تولید ۵۰ مگاوات برق هستند.
موسسه "پروترمو سولار" در اسپانیا، که نماینده تولیدکنندگان برق از طریق انرژی خورشیدی است، اعلام کرده ظرف یک سال ۶۰۰ مگاوات دیگر برق از این طریق تولید خواهد شد و تا سال ۲۰۱۳ ظرفیت تولید برق از نیروگاه های خورشیدی به ۲۵۰۰ مگاوات خواهد رسید.

شکل (4-21) یکی دیگر از نیروگاه های خورشیدی در اسپانیا
همچنین منطقه ناوارا در شمال اسپانیا، که منطقه ای کم جمعیت است، هم اکنون ۷۵ درصد از انرژی مورد نیاز خود را از طریق انرژی های پاک و تجدید شونده مانند انرژی باد، خورشید و یا مواد زیستی (زیست توده) تامین می کند. اکنون مزارع بادی در اسپانیا (که شامل توربین های تولید برق از نیروی باد است) در حدود ۲۰۰۰۰ مگاوات برق تولید می کنند.
در یکی از روزهای ماه نوامبر گذشته اسپانیا توانست از این نظر رکورد جدیدی به ثبت برساند و در آن روز پنجاه و سه درصد از کل نیروی برق مورد نیاز کشور را از طریق نیروگاه های بادی خود تامین کرد، یعنی چیزی معادل کارکرد یازده نیروگاه اتمی. دولت اسپانیا اعلام کرده قصد دارد تا سال ۲۰۲۰ بیش از ۲۲ درصد از کل میزان انرژی مورد نیاز کشور را از طریق انرژی های تجدید شونده تامین کند. میزانی که حتا اندکی جلوتر از اهداف اعلام شده اتحادیه ی اروپاست.

شکل (4-22) در ماه نوامبر گذشته اسپانیا به رکورد جدیدی در تولید انرژی بادی دست یافت
وجود بیش از ۳۴۰ روز آفتابی در سال در اسپانیا، استفاده از انرژی خورشیدی را بیش از انرژی باد در آنجا امکان پذیر می سازد و قادر خواهد بود در آینده این کشور را از تولید برق با استفاده از سوخت های فسیلی و انرژی هسته ای رها کند. اسپانیا هم اکنون چهارمین تولید کننده بزرگ فن آوری های مربوط به تولید انرژی خورشیدی در جهان است و صادرات تجهیزات مربوط به تولید انرژی خورشیدی و بادی، سود اقتصادی فراوانی را نصیب اقتصاد آن کرده است.
بحث استفاده از انرژی های تجدید شونده در دهه های اخیر در دنیا شتاب گرفته است. با توجه به پایان پذیربودن منابع سوخت فسیلی و آلودگی های گسترده زیست محیطی ناشی از استفاده از آنها، تنوع بخشیدن به منابع انرژی و استفاده از انرژی های پاک و تجدید شونده از مهمترین اهداف سیاستگذاری در بخش انرژی در جهان بوده است.

شکل (4-23) نخستین نیروگاه خورشیدی ایران در شیراز
در ایران نیز از دهه های گذشته، بحث استفاده از چنین انرژی هایی آغاز شده است اما به جز راه اندازی چند مرکز تحقیقاتی و یک نیروگاه کوچک در شیراز هنوز اقدام موثر دیگری صورت نگرفته است. در بهمن ماه سال گذشته نیز خبر آغاز عملیات احداث یک نیروگاه کوچک دیگر با ظرفیت اسمی ۲۴ کیلو وات در تبریز منتشر شد.
گران بودن تولید انرژی خورشیدی در مقایسه با تولید انرژی از سوخت های فسیلی یکی از دلایلی است که هنوز استفاده از این نوع انرژی را در بسیاری از کشورها از جمله ایران فراگیر نکرده است. فراوانی منابع سوخت فسیلی در ایران باعث شده است تا هنوز برنامه ریزی و سیاست گذاری منسجم و هدفمندی در حرکت به سمت تولید انرژی های تجدیدشونده صورت نگیرد.
با این حال فواید طولانی مدت استفاده از این نوع انرژی، به خصوص در کاهش آلودگی محیط زیست، بسیاری از کشورها را ترغیب به مطالعه و سرمایه گذاری در این بخش کرده است. به جز اسپانیا که اکنون در زمره پیشتاز ترین کشورها در استفاده از انرژی خورشیدی به شمار می آید، کشورهای آلمان، ژاپن، آمریکا، هند، چین، ایتالیا و فرانسه نیز کشورهایی هستند که در این زمینه سرمایه گذاری فراوانی کرده اند.

4-12- کاربردهای غیر نیروگاهی
کابردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می باشد که اهم آنها عبارت اند از: آبگرمکن و حمام خورشیدی – سرمایش و گرمایش خورشیدی – آب شیرین کن خورشیدی – خشک کن خورشیدی – اجاق خورشیدی – کوره های خورشیدی و خانه های خورشیدی
4-12-1- آبگرمکن های خورشیدی و حمام خورشیدی
تولید آب گرم مصرفی ساختمانها اقتصادی ترین روشهای استفاده از انرژی خورشیدی است می توان از انرژی حرارتی خورشید جهت تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکانهایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد. چنانچه ظرفیت این سیستمها افزایش یابد می توان از آنها در حمامهای خورشیدی نیز استفاده نمود.
در دهه 1890 در سرتاسر امریکا از آب گرم کن های خورشیدی برای گرم کردن آب استفاده می شد. آنها مزیت بیشتری نسبت به کوره های زغال سوز و چوب سوز داشتند. در آن زمان از گاز مصنوعی حاصل از ذغال نیز برای گرم نمودن آب استفاده میگردید، اما قیمت آن 10 برابر قیمت گاز طبیعی امروز بود. قیمت برق حتی اگر در شهر شما وجود داشت بسیار گران بود.

شکل (4-24) نمونه ای از آبگرمکن خورشیدی
در آن زمان بسیاری از خانه ها از آب گرم کن های خورشیدی استفاده می کردند. در سال 1897، حدود 30 درصد از خانه های شهر پاسادانا ، واقع در شرق لس آنجلس ، مجهز به آب گرم کن های خورشیدی بودند. با پیشرفت های مکانیکی صورت گرفته، سیستم های خورشیدی در آریزونا، فلوریدا و خیلی دیگر از مناطق آفتابی ایالت متحده نیز مورد استفاده قرار گرفت. در تصویر ، آب گرم کن خورشیدیی را می بینید که در سال 1911 (Pomona) واقع در کالیفرنیا، نصب گردید در روی سقف خانه ای در دره پومونا، تا سال 1920، دهها هزار عدد از این آب گرم کن های خورشیدی به فروش رسیده بود. اما بعد از این سال، مخازن بزرگ نفت و گاز طبیعی در غرب ایالت متحده کشف شد. با دسترس قرار گرفتن سوخت های فسیلی ارزان ، آنها جایگزین سیستم های خورشیدی شدند.

شکل (4-25) نمونه ای از آبگرمکن استخری
امروزه، مردم مجدداً شروع به استفاده از آب گرم کن های خورشیدی کرده اند. در حال حاضر تنها در ایالت کالیفرنیا، بیش از نیم میلیون آب گرم کن خورشیدی وجود دارد. این آب گرم کن ها در مراکز تجاری و منازل استفاده می شود.
همانطوریکه در تصویر می بینید ، از این آب گرم کن ها برای استخرهای شنا نیز استفاده میگردد. صفحاتی که بر روی سقف ساختمان نصب شده اند دارای یک سری لوله های آب هستند. زمانیکه اشعه خورشید به این صفحات و لوله ها برخورد می کند، آب داخل لوله ها گرم شده و از آن می توان برای پرکردن استخر استفاده نمود.
4-12-2-گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی
اولین خانه خورشیدی در سال ۱۹۳۹ساخته شد که در آن از مخزن گرمای فصلی برای بکارگیری گرمای آن در طول سال استفاده شده است. گرمایش و سرمایش ساختمانها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه ای بود که در سالهای ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی رسید. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم های خورشیدی می توان علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم ها در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.
4-12-3-آب شیرین کن خورشیدی
هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می ماند.
سپس با استفاده از روشهای مختلف می توان آب تبخیر شده را تنظیم کرده و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این روش می توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند مانند جزایر را تامین کرد.
آب شیرین خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.
4-12-4-خشک کن خورشیدی
خشک کردن مواد غذایی برای نگهداری آنها از زمانهای بسیار قدیم مرسوم بوده و انسان های نخستین خشک کردن را یک هنر می دانستند.
خشک کردن عبارت است از گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتریها می باشد. در خشک کن های خورشیدی بطور مستقیم و یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می گردد. خشک کن های خورشیدی در اندازه ها و طرحهای مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون طراحی و ساخته می شوند.
4-12-5- اجاقهای خورشیدی
دستگاههای خوراک پز خورشیدی اولین بار بوسیله شخصی بنام نیکلاس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق بندی شده با صفحه سیاهرنگی بود که قطعات شیشه ای درپوش آنرا تشکیل می داد اشعه خورشید با عبور از میان این شیشه ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می شد سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸ درجه افزایش می داد. اصول کار اجاق خورشیدی جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می باشد. امروزه طرحهای متنوعی از این سیستم ها وجود دارد که این طرحها در مکانهای مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده اند.
4-12-6-کوره خورشیدی
در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد.
بسمر پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تامین می کرد. متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه یکی تخت و دیگری کروی می باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می شود. طبق قوانین اپتیک هر گاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید در محل کانون متمرکز می شوند به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می شود که این نقطه به دماهای بالایی می رسد. امروزه پروژه های متعددی در زمینه کوره های خورشید در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می باشد.
4-12-7- خانه های خورشیدی
گذشته گان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه های خود در زمستان استفاده می کردند. آنان ساختمانها را به ترتیبی بنا می کردند که در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشیمن می تابید ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت. در اغلب فرهنگ های دیگر دنیا نیز می توان نمونه هایی از این قبیل طرحها را مشاهده نمود. در سالهای بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرحهای فراوانی در زمینه خانه های خورشیدی مطرح و آزمایش شد. از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت. حدود چند سالی است که معماران بطور جدی ساخت خانه های خورشیدی را آغاز کرده اند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی نیز دست یافته اند مثلاً در ایالات متحده در سال ۱۸۹۰ به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شده است. در این گونه خانه ها سعی می شود از انرژی خورشید برای روشنایی – تهیه آب گرم بهداشتی – سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با بکار بردن مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود. در ایران نیز پروژه ساخت اولین ساختمان خورشیدی واقع در ضلع شمالی دانشگاه علم و صنعت و به منظور مطالعه و پژوهش در خصوص بهینه سازی مصرف انرژی و امکان بررسی روشهای استفاده از انواع انرژیهای تجدیدپذیر به ویژه انرژی خورشیدی اجرا گردیده است.

5- کاربرد های انرژی خورشیدی در مخابرات
5-1- مقدمه :

انرژی خورشیدی برای تامین منبع تغذیه جهت راه اندازی سیستم های مخابراتی و کنترل از راه دور استفاده می شوند . سیستم های مخابراتی و کنترل از راه دور که منبع انرژی آنها توسط سلول های خوشیدی تامین می شود هیچ گونه نیاز به تعمیر و مراقبت مداوم ندارد . بنابراین انرژی خورشیدی می تواند جایگزین مناسب برای ژنراتورها و یا سیستم های باتری پتاس باشد . با وجود فاکتور های قابل اطمینان ، سیستم پنل ها و باتری می تواند ماهها با وجود برف باران و بدی هوا همچنان برق لازم را به سیستم های مهم ارسال کند . با سیستم های موقت و یا ثابت خورشیدی می توان برق لازم را به مراکزی که بر قله کوهها تاسیس شده اند ، رله های ماکروویو، سیستم های ارتباطی از راه دور ، ابزار دستی ، شارژ لپ تاپ و همچنین نور لازم جهت روشنایی و همچنین برق لازم جهت رادیوهای دستی را تامین کنید .
خصوصیات این دستگاه قابل اطمینان بودن، مقاوم و بادوام بودن و همچنین مستقل بودن می باشد که نیازی به مراقبت مداوم ندارند . وقتی هزینه های استفاده از ژنراتورهای دیزلی را بررسی کنیم، سیستم برق خورشیدی یک راه حل مناسب و جایگزین به صرفه ای برای سیستم های کنترل از راه دور در نقاط دور دست می باشد .
5-1-1- نمونه ای از کاربرد های انرژی خورشیدی در مخابرات :
* شرکت های مخابراتی
* برج های مخابراتی
* شرکت های تلفن همراه
5-1-2- مزیت استفاده از سیستم خورشیدی نسبت به سیستم های موجود :
* عمر این سیستم ها بیش از 25 سال می باشد .
* هزینه ای معادل صفر جهت نگهداری و استفاده از آن .
* بدون صدا نسبت به ژنراتور های معمول .
* تبدیل سیستم به سوخت کربنی .
مجموعه ای از سلولهای خورشیدی در یک واحد فتوولتایی چیده شده و مجموعه ای از واحدهای فتوولتایی نیز بصورت آرایه ای در کنار هم قرار می گیرند .
انرژی الکتریکی بدست آمده از سلولهای خورشیدی را مستقیماً می توان استفاده نمود . انرژی را می توان در باتری ذخیره کرده و در تلفن های سلولی که در کنار جاده ها نصب می شود ، استفاده نمود .

5-2- استفاده از نانو لوله های کربنی در ساخت پیل های خورشیدی :
دانشمندان علوم نانوی دانشگاه فناوری کویینزلند استرالیا(QUT) در حال توسعه نسخه جدیدی از پانل های فوتوولتائیک خورشیدی بر پایه مواد پلیمری هستند که ضخامتی در مقیاس نانو داشته و سبک وانعطاف پذیر باشند. این صفحه پلیمری به واسطه انعطاف پذیری و ضخامت بسیار کم می توانند به صورت لوله در آمده و براحتی به محل مورد استفاده حمل شوند.
این پیل ها می توانند انرژی لازم برای شارژ باتری های تجهیزات با توان کم مانند لپ تاپ و تلفن همراه را فراهم کنند. بنابراین پیش بینی میشود که این فناوری بیشترین کاربرد را در وسایل الکترونیکی قابل حمل نظیر تلفن و لپ تاپ داشته باشد.

شکل (5-1) دیاگرام پنل خورشیدی
دکتر واکلاویک از دانشکده علوم شیمی فیزیک دانشگاه QUT میگوید. این پلیمر می تواند گزینه مناسبی برای پیل های خورشیدی سیلکیونی که گران قیمت، سنگین وحساس هستند، باشد. گرچه این پیل ها بازار قابل توجه و موفقیت تجاری خوبی کسب کرده اند، هزینه های بالای تولید آنها، ارزش تجاری آنها را محدود کرده است.
نوع سلول
بازدهی (٪)
ضخامت (mm)
توان خروجی (W.Kg)
سیلیکون
%15
503
75
گالیوم آرسناید
%21
2003
85
چند طبقه ای
%30
—–
——
جدول (5-1) : نیمه هادی های مورد استفاده در سلولهای خورشیدی
5-3- استفاده از سلول های خورشیدی در شبکه GSM
سلول های خورشیدی در راه اندازی و تامین برق مصرفی ایستگاه های BSC (مرکز کنترل ایستگاه های رادیویی) استفاده می شود . در جاده ها و مناطقی که برق رسانی دشوار است ، برق رسانی ایستگاه های تلفن همراه از طریق سلول های خورشیدی انجام می گیرد. این طرح در مناطقی در استان های سمنان ، اصفهان و مازندران اجرایی شده است ، براساس این استراتژی تقویت کننده ها و آنتن های BTS جاده ای همراه اول با استفاده از برق خورشیدی کار می کند . در مناطقی که شبکه برق رسانی از قدرت کافی برخوردار باشد ، نصب آنتن ها با استفاده از سلو ل های خورشیدی از لحاظ اقتصادی به صرفه نیست ، در این طرح باید 3 پارامتر میزان ظرفیت ، هزینه ایجاد شبکه های برق رسانی و هزینه خط انتقال و نیز شرایط جوی در نظر گرفته شود .
5-3-1- استاندارد مشخصات فنی سلول های خورشیدی شبکه GSM

این استاندارد تهیه مشخصات فنی سیستم سلول خورشیدی برای تامین تغذیه تلفن همگانی GSM ، رپیتر موبایل و سیستم میکرو BTS است تا با استفاده از انرژ ی تابشی خورشید تامین برق DC ورودی سیستم ها ی نامبرده عملی گردد .
پانل سلول خورشیدی به عنوان تامین کننده انرژی سیستم های فوق الذکر باید استاندارد IEC61215 را رعایت نماید .

مشخصات باتری سیلد اسید در بخش استاندارد های BSS در وب سایت مشخص شده زیر با عنوان www. mcistandard.ir تحت شماره ورژن مشخص آمده است . در این سیستمها طراحی کنترل کننده جریان DC متناسب با هر نوع کاربرد بسیار مهم است که درصورت رعایت اصول آن عملکرد خاص ، ضامن عمر و کارآیی بیشتر سیستم می شود.

5-3-2- جدول انرژی مورد نیاز برخی سیستم های GSM

ردیف
نوع سیستم
نیاز به باطری BACK UP
تغذیه ورودی
سطح پانل مصرفی استاندارد
IEC61215
1
تلفن همگانی GSM
باتری سیلد اسید
12 ولتی
پانل 16 ولتی
45 وات
7/2 آمپر جریان
با سلول 10×10
به تعداد 36 عدد
CM50×100
2
ریپتر
باتری سیلد اسید
12 ولتی
W 200 وات
48 ولت DC
CM (50×100) ×5 پانل
3
ریپتر
(کم ظرفیت)
باتری سیلد اسید
12 ولتی
W 90 وات
48 ولت DC
CM (50×100) ×2 پانل
4
میکرو BTS
1+1
باتری سیلد اسید
12 ولتی
410 وات
48 ولت
CM (50×100) ×10 پانل
5
چراغ دکل دیودی
باتری سیلد اسید
12 ولتی
20 وات
CW (50×100) ×2/1

جدول (5-2) انرژی مورد نیاز برخی سیستم های شبکه GSM

5-3-3- مشخصات فنی سیستم سلول های خورشیدی برای روشنائی و تلفن همگانی GSM، میکروBTS و رپیتر
مشخصات فنی سیستم سلول های خورشیدی شامل :
الف : پانل های خورشیدی و متعلقات آن
ب : باتری سیلد اسید
ج : سازه یا فونداسیون مورد نیاز جهت استقرار پانل ها
د : کلیه کابل های مورد نیاز
ه : تابلوی شارژ کنترل
و : روشنائی
سیستم انرژی خورشیدی پیشنهادی از لحاظ پایداری و استحکام سخت افزاری و عملکرد الکتریکی بایستی سازگاری با تجهیزات باتری سیلد و تابلو شارژ کنترل و سایر تجهیزات مرتبط را داشته باشد و از نظر مکانیکی ، سخت افزار ، لوازم نصب ، اتصالات الکتریکی ، وسایل نگهدارنده قاب و دیگر مسایل فنی بتواند به سرعت در مکان مورد نظر نصب و راه اندازی شده و با شبکه ارتباطات سیار جهت تامین تغذیه DC کار کند .
5-3-4- سیستم سلول خورشیدی برای روشنائی تلفن همگانی ، تلفن GSM ، میکرو BTS ، ریپتر و چراغ دکل دیودی
5-3-4-1- بلوک دیاگرام سیستم :
بلوک دیاگرام یک سیستم خورشیدی به شکل زیر می باشد :

5-3-4-2- پانل :
پانل سلول خورشیدی به عنوان تامین کننده منبع انرژی سیستم , حتما باید دارای استاندارد معتبر IEC61215 باشد . رعایت نکردن این استاندارد باعث بهم خوردن توازن انرژی ذخیره شده با انرژی مصرفی میگردد این استاندارد تضمین می کند که :
5-3-4-2-1- پانل های خورشیدی از نوع فتوولتاییک و مناسب برای شرایط آب و هوایی کشور باشد .
5-3-4-2-2- طول عمر پانل 25 سال باشد و در مقابل اشعه ماورای بنفش مقاوم باشد .
5-3-4-2-3- بازده پانل طی 10 سال اول 100% توان اسمی و طی 10 سال دوم 85% تا 90% توان اسمی و پنج سال آخر نیز دارای 80% توان اسمی باشد .
5-3-4-2-4- پانل ها ( یا ماژول ها ) انواع ANTIREFLEX و استراکچر ها از جنس STAINLESS STEEL و یا فولاد گالوانیزه گرم و مقاوم در مقابل وزش باد با سرعت 120 کیلومتر در ساعت و برخورد دانه های تگرگ و شن به قطر 25 میلیمتر و با سرعت 20 متر در ثانیه باشند و در مقابل بارندگی ها رطوبت و اثرات خورندگی محیط آب و هوایی کشور حفاظ لازم را داشته باشند و بطور کلی جنس صفحه روی پانل بطوری باید باشد که شعاع نورهای وارد شده بطور کامل داخل پانل جذب گردند و کمترین انعکاس را از روی صفحه پانل داشته باشند استحکام این صفحه باید قابل قبول بوده و در برابر ضربات معمولی مقاوم و نشکن باشد و در مقابل باد ، باران ، برف ، تگرگ ، طوفان و ….مقاوم باشد و به هیچ عنوان نباید از شیشه جداگانه برای محافظت پانل استفاده شود زیرا حداقل 35 درصد نور ورودی به شیشه ، منعکس شده و جذب پانل نمی گردد .
صفحات زیر و روی مجموعه سلولها باید بصورتی عایق بندی شود که گرد و خاک و رطوبت به داخل مجموعه وارد نشود.
5-3-4-2-5- در شرایط نور گیری خوب ، ولتاژ تولیدی توسط پانل هرگز نباید از 125 درصد ولتاژ اسمی بالاتر رود زیرا با توجه ثابت بودن توان اسمی پانل و فرمول P=VI ، با بالا رفتن ولتاژ ، جریان تولیدی کم می شود و عملا استفاده مفیدی از نور موجود انجام نمی گیرد . پانل در شرایط نورگیری خوب بجای افزایش ولتاژ ، باید جریان تولیدی را اضافه کند . افزایش غیراستاندارد ولتاژ تولیدی علیرغم اینکه سیستم را شارژ نمی کند باعث آسیب به تابلوی شارژ کنترل ، باتری و تجهیزات تلفن همگانی می شود .مجموعه سلولها باید در درجه حرارت20- تا 55+ درجه کار کرده و آسیب نبیند.
در هر ماژول دیود مسدود کننده طوری پیش بینی شود که در صورت قرار گرفتن نیمی از هر ماژول در سایه و نیمی در نور آفتاب از تخلیه انرژی الکتریکی هر نیمه روی نیمه دیگر جلو گیری شود. فریم مجموعه سلولها ( ماژولها ) از جنس مقاوم باشد.
5-3-4-2-6- برای تلفن همگانی GSM با باتری 12 ولت ، ولتاژ اسمی پانل باید بین 16 تا 18 ولت باشد و توان اسمی پانل با توجه به قسمت روشنایی ( LED و یا لامپ کم مصرف و … ) می توان بین 14 تا 45 وات باشد.
5-3-4-2-7- لازم است تعداد ماژول ها به گونه ایی باشد تا در کوتاهترین روزهای سال (6 الی 8 ساعت آفتاب ) ضمن تامین انرژی مورد نیاز بار مصرفی باتری های پشتوانه را بطور کامل شارژ نماید .
5-3-4-2-8- ماژول های خورشیدی با ظرفیت بالا که موجب کاهش فضای مورد نیاز سایت میگردند هنگام ارزیابی فنی از اولویت برخوردار خواهند بود .

5-3-4-3- تابلوی شارژ کنترل :
سیستم سلول خورشیدی برای روشنائی و تلفن همگانی GSM ، می بایست دارای تابلوی شارژ کنترل با مشخصات زیر باشد :
5-3-4-3-1- تابلوی شارژ کنترل باید میکرو پروسسوری بوده و دارای سه زوج سیم شامل : یک زوج سیم ورودی از پانل ، یک زوج سیم خروجی برای باطری و یک زوج سیم خروجی برای بار باشد . به هیچ عنوان مسیر پانل به باتری و یا باتری به بار بطور مستقیم وصل نگردند.
5-3-4-3-2- تابلوی شارژ کنترل باید توانائی عبور حداقل 10 آمپر جریان را داشته باشد.
5-3-4-3-3- به علت مصرف کم ، تلفن همگانی GSM مستقیما از سر با طری تغذیه می گردد.
5-3-4-3-4- تابلوی شارژ کنترل حتما باید دارای ویژگی LVD (Low voltage disconnect) باشد. این بدان معنا است که اگرظرفیت باطری کمتر از 20 درصد شود ، برای سلامت باتری ، مسیر بار قطع می گردد تا آسیب نبیند . بنابراین جهت جلوگیری از تخلیه باتری بر ماژول ها دیود سد کننده ( BLOCKING DIODE ) مناسب در مدار اصلی ورودی ماژول های خورشیدی و در داخل شارژ کنترل در نظر گرفته شود .
5-3-4-3-5- تابلوی شارژ کنترل باید دارای سنسور یا فتوسل تنظیم طول مدت روشنائی در شب باشد.
5-3-4-3-6- در اثر اتصال کوتاه و مدار باز سلولها نباید صدمه ببینند.
5-3-4-3-7- ولتاژ نامی : 48 ولت
5-3-4-3-8- حداکثر ولتاژ شارژ باتری (قطع بار) : 58 ولت
5-3-4-3-9- حداقل ولتاژ باتری )قطع بار ) : 43 ولت ) طبق مشخصات باطری ها (
5-3-4-3-10- ولتاژ وصل مجدد بار : 44 ولت
5-3-4-3-11- در شارژ کنترل پیش بینی لازم جهت اتصال ماژول های خورشیدی که بطور موازی قرار میگیرند فراهم گردد و برای توسعه نیز تدابیر لازم اتخاذ گردد به گونه ایی که انجام توسعه بدون قطع سیستم میسر باشد .
5-3-4-3-12- مدار رگولاسیون جهت تنظیم ولتاژ مناسب به منظور شارژ باتری ذخیره در نظر گرفته شود به نحوی که در حالت عادی ( تابش نور به ماژول ها ) سیستم خورشیدی همزمان با شارژ باتری برق مورد نیاز بار را نیز تامین نماید .
5-3-4-4- باتری :
5-3-4-4-1- باتری ذخیره سیستم برق خورشیدی برای پشتوانه بار مصرفی با شرایط مورد نظر جهت استفاده باید در نظر گرفته شود.
5-3-4-4-2- نوع باتری ، خشک سیلد یا سیلد اسید
(Full Sealed – Maintenance free ) بوده و دارای 3 سال طول عمر باشد .
5-3-4-4-3- جایگاه باتری به گونه ایی انتخاب گردد که در برابر سرما و گرما باتری ها را محافظت نماید و ضمنا ضد سرقت هم باشد .
5-3-4-4-4- باتری مورد نیاز حتی المقدور از تولید کنندگان داخلی تهیه گردد و در غیر اینصورت استفاده از سایر منابع با تایید شرکت مسئول بلامانع میباشد.
5-3-4-5- روشنایی :
5-3-4-5-1- روشنایی سیستم می تواند لامپ کم مصرفی و یا LED باشد .
5-3-4-5-2- طول عمر لامپ کم مصرف حداقل 10000 ساعت )معادل 3 سال ( و طول عمرLED 50000 ساعت ( معادل 15 سال ) است .
5-3-4-5-3- روشنایی تولید شده بر سطح کیوسک و زمین حداقل 450 LUMENS بوده و از فاصله 150 متری قابل دید باشد .
5-3-4-5-4- بدلیل اینکه عمده انرژی ذخیره شده در این سیستم توسط روشنایی مصرف می گردد ، این سیستم باید طوری طراحی گردد که توانایی روشن نگه داشتن روشنایی LED برای تمام طول شب و یا حداقل 10 ساعت برای لامپ کم مصرف را داشته باشد . بدون آنکه توازن انرژی بهم بخورد.
5-3-4-6- مشخصات الکتریکی مصرف کننده :
5-3-4-6-1- حداکثر توان مصرفی : W 410 ( برای میکرو )
5-3-4-6-2- محدوده ولتاژ کار مصرف کننده : 40 تا 58 ولت با قابلیت تبدیل به 220 ولت ( با استفاده از اینورتور )
5-3-4-7- شرایط محیطی طراحی :
5-3-4-7-1- درجه حرارت 70 تا 20- درجه سانتیگراد
5-3-4-7-2- رطوبت نسبی حداکثر 90 درصد

5-3-4-8- حفاظت :
5-3-4-8-1- حفاظت بار در مقابل ولتاژ DC بالاتر از حد مجاز در صورت عدم انجام رگولاسیون ولتاژ و در نتیجه بالا رفتن ولتاژ از حد مجاز (58 ولت) ضروری است مدار بار و باتری از طریق شارژ کنترل تغذیه نشود .بدیهی است پس از پایین آمدن ولتاژ و نرمال شدن وضعیت ولتاژ می بایستی مجددا بار و باتری از طریق شارژ کنترل تغذیه شوند.
5-3-4-8-2- حفاظت در مقابل ولتاژ کمتر از حد مجاز : به منظور جلوگیری از کاهش ولتاژ باتری از حد مجاز ( 42 ولت ) لازم است جهت جلوگیری از ادامه تخلیه باتری ، باتری از مدار تغذیه خارج گردد.
5-3-4-8-3- ضروریست در مدار شارژ کنترل حفاظت لازم جهت اتصال معکوس باتری تعبیه گردد.
5-3-4-8-4- کلیه مدارات خروجی و ورودی شارژکنترل میبایستی در مقابل جریان اتصال کوتاه و بار زیاد حفاظت شوند .
5-3-4-8-5- سه عددLED جهت نشان دادن حالت کار نرمال (سبز رنگ) ، حالت قطع مدار ( قرمز رنگ) و حالت ولتاژ پایین تر از حد مجاز (زرد رنگ) تعبیه گردد . ( LED های فوق باید در داخل تابلوی شارژ کنترل تعبیه شوند . )
5-3-4-8-6- پیش بینی لازم جهت حفاظت شارژ کنترل بار و باتری در مقابل ولتاژهای ناگهانی ضربه ایی ناشی از رعد و برق بعمل آید .
5-3-4-9- نکاتی در مورد ساخت دستگاه :
5-3-4-9-1- ترمینال ها و نشاندهنده ها باید در داخل شارژ کنترل تعبیه گردند.
-LED Green
-LED Yellow
-LED RED

5-3-4-9-2- امکان تعبیه نشاندهنده ها و آلارمهای قابل انتقال به راه دور از طریق سوپر وایزری سیستم ارتباطی زیر در تابلو شارژ کنترل پیش بینی شود تا در صورت درخواست در آن نصب شود :
الف) نشاندهنده های :
1. ولتاژ بار و باتری 2. جریان بار و باتری 3. جریان تولیدی ماژول ها

ب) آلارم ها : شامل :
1. آلارم عدم تولید انرژی الکتریکی در هنگام روز توسط ماژول ها( NO ARRAY OUTPUT )
2. افزایش ولتاژ DC 3. کاهش ولتاژ DC 4. قطع تغذیه بار

5-4- ایستگاه مایکرو ویو راه اندازی شده توسط سلول های خورشیدی :
در ادامه مطالب نمونه ای از یک ایستگاه مایکرو ویو که توسط انرژی خورشیدی تامین نیرو می شود را مورد تحقیق و بررسی قرار می دهیم .
5-4-1- مشخصات سلول های خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو
سلول های مورد استفاده در این ایستگاه مایکرو ویو ساخت کشور آلمان بوده و حداکثر ولتاژ تحملی اسمی آنها 900 ولت می باشد . ولتاژ خروجی هر سلول 18 ولت است و توان خروجی هر کدام از آنها 48 وات می باشد که تقریبا برابر است با 5/2 آمپر جریان برای هر سلول .

شکل (5-2) مشخصات یک سلول خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو
5-4-2- آرایش و هم بندی سلول های خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو
این ایستگاه دارای 128 سلول خورشیدی است که در واقع در 8 ست 16 سلولی در کنار هم قرار گرفته اند . ( مطابق شکل 5-3)

شکل (5-3) آرایش استقرار سلول های خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو
همانگونه که در شکل مشاهده می کنید هر16 سلول در دو ردیف 8 تایی تشکیل یک ست را می دهند . در هر ست هر دو سلول که در کنار یکدیگر هستند را با هم سری کرده و در نهایت با دیگر جفت سلول ها موازی می کنیم و این بدلیل این است که سیستمی که در این ایستگاه مورد استفاده است 24 ولتی است .

شکل (5-4) نمایش ست سلول های خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو
5-4-3- مشخصات فنی ایستگاه مایکرو ویو
سیستم شارژ باتری های این ایستگاه 24 ولتی می باشد . در واقع باید ظرفیت باتری ها را بین 4 تا 5 برابر توان مصرفی مرکز در نظر بگیریم . مقدار جریانی که می توان از باتری هایی که توسط سلول های خورشیدی شارژ شده اند دریافت کرد 3000 آمپر ساعت است .

شکل (5-5) باتری خانه ایستگاه مایکرو ویو

شکل (5-6) نمونه ای از باتری استفاده شده در ایستگاه مایکرو ویو

هر 16 سلول خورشیدی که در کنار یکدیگر قرار گرفته اند به یک PDB متصل شده اند که این PDB ها با هم پارالل شده و به سمت کنترل پنل12 اصلی انتقال پیدا می کنند . در هر PDB جهت محافظت از هر جفت سلول خورشیدی فیوز مخصوصی قرار دارد که در صورت اتصال کوتاه در خروجی این فیوز عمل کرده و باعث محافظت مدار می شود .

شکل (5-7) چینش سلول ها جهت ارتباط با PDB

شکل (5-8) اتصال هر ست 16 تایی سلول ها به یک PDB

5-4-4- سیستم مدار کنترل جریان ایستگاه مایکرو ویو
سیستم مدار کنترل جریان ، کنترل پنلی است که در برابر اضافه و یا کمبود جریان و ولتاژ مرکز و باتری ها را حفاظت می کند .

شکل (5-9) مدار داخلی سیستم کنترل جریان ایستگاه مایکرو ویو

همانگونه که در مطالب پیشین ذکر شد هر سلول در این ایستگاه ولتاژی برابر با 18 ولت تولید می کند و نیز گفته شد که نوع همبندی این سلول ها به گونه ای است که هر دو سلول با هم سری می شوند در نتیجه ولتاژ حاصله از سری بودن دو سلول عبارتند از :
ولت36 =2×18ولت ، و این ولتاژ حاصله جهت شارژ باتری ها به کنترل پنل مربوطه و در نهایت به باتری ها می رسد و به دلیل اینکه ولتاژی که برای شارژ باتری ها لازم است باید 28 ولت باشد ، یک مدار رگولاتور جریان تعبیه می شود تا زمانی که ولتاژ از 28 ولت اضافه تر شد مدار کنترل جریان را فعال کرده و در نهایت سلول های اضافی را از مدار خارج می کند تا اضافه ولتاژ تاثیری بر روی مدار نداشته باشد و موجب آسیب به مدار نشود .
همچنین در صورتی که بنا به دلایلی از جمله ابری بودن آسمان به مدت طولانی و یا گرد و خاکی بودن ویا کثیف بودن هوا سیستم خورشیدی قادر به شارژ باتری ها نباشد ، با توجه به گران بودن باتری های ایستگاه و جلوگیری از خراب شدن آنها در زمانی که ولتاژ به 22 ولت برسد مدار کنترل کننده جریان ، باتری ها را از مدار خارج می کند تا آسیبی به آنها نرسد .

شکل (5-10) تابلوی توزیع برق و مدار کنترل جریان ایستگاه مایکرو ویو

5-4-5- زاویه و جهت سلول های خورشیدی ایستگاه
زاویه و جهت سلول های خورشیدی با توجه به مطالعات و بررسی های دقیق و حساب شده نسبت به موقعیت و طول و عرض جغرافیایی مکان نصب سلول ها می باشد . بدین صورت که این زاویه و جهت به گونه ای باشد که سلول ها در معرض بیشترین تابش نور خورشید و طولانی ترین مدت قرار گیرند .
5-4-6- مدار محافظ ایستگاه
در طول مدت شب و در زمان نبود خورشید ایستگاه باید از انرژی ذخیره شده باتری ها استفاده کند ( باتری هایی که در طول روز توسط انرژی خورشیدی شارژ شده اند ) ، باید به این نکته مهم توجه نمود که نباید در طول این مدت شارژ باتری ها توسط سلول های خورشیدی مصرف شوند یعنی اینکه سلول ها نباید به عنوان مصرف کننده انرژی ذخیره شده باتری ها قرار گیرند ، بدین منظور و برای محافظت از سلول های خورشیدی و هم اینکه شارژ باتری ها به اتمام نرسد یک مدار فتوسل را در مسیر قرار می دهیم تا در زمان غروب و یا نبود خورشید مسیر باتری ها به سمت سلول های خورشیدی قطع شود . که اگر این کار صورت نگیرد و یا این مدار به خوبی عمل نکند سلول های خورشیدی به علت ولتاژ زیاد باتری ها خواهد سوخت و نیز باتری ها هم دشارژ خواهند شد .
5-4-7- تست سلول های خورشیدی ایستگاه
هر ماه یک تست خروجی برای هر سلول خورشیدی انجام خواهد شد و چون این ایستگاه با توجه به طراحی مشخص آن ( هر دو سلول کنار یکدیگر با هم سری می باشند ) اگر سلولی از کار بیافتد سلول دیگری که با آن سری می باشد نیز معیوب و از کار خواهد افتاد . بنابراین این تست بسیار مهم و ضروری است و باعث بالا رفتن طول عمر سلول های خورشیدی ایستگاه مایکرو ویو می شود .

5-5- مرکز مخابراتی راه اندازی شده توسط سلولهای خورشیدی
شکل (5-11) نمونه ای از یک مرکز مخابراتی که توسط سلول خورشیدی راه اندازی شده است می باشد : نمونه آزمایشی یک مرکز مخابراتی در جزیره کیش می باشد .

شکل(5-11) مرکز مخابراتی که توسط سلول خورشیدی را اندازی شده است
5-5-1- مشخصات عمومی سلول های خورشیدی مرکز مخابراتی
سلول های خورشیدی بکار رفته در این مرکز مخابراتی ساخت امریکا و به نام شرکت زیمنس می باشد و با عنوان صنایع خورشیدی زیمنس . مدل سلول های خورشیدی SOLAR M55 می باشد .

شکل (5-12) مشخصات یک سلول خورشیدی مرکز مخابراتی
5-5-2- نوع تامین نیرو ومدار شماتیک تغذیه نیروی مرکز مخابراتی
نوع سیتم تغذیه این مرکز به این صورت است که در مدت زمان طول روز یعنی از زمان تابش خورشید که در این مرکز در حدود ساعت 7 صبح تا 7 شب می باشد برق مرکز از انرژی دریافت شده توسط سلول های خورشیدی تامین می شود . در ضمن در طول مدت زمان تابش ، از انرژی خورشیدی که توسط سلول های خورشیدی دریافت می شود برای شارژ باطری های مرکز نیز استفاده می شود .

شکل (5-13) مدار شماتیک تغذیه مرکز مخابراتی از باتری و سلول خورشیدی

شکل (5-14) تابلوی برق اینورتور ورودی وخروجی مرکز مخابراتی
در زمانی که تابش وجود ندارد یعنی زمان غروب خورشید تا طلوع بعدی ، مرکز از برق تولید شده توسط ژنراتور استفاده میکند بدین معنی که علاوه بر باطری های موجود در مرکز به دلیل اینکه باطری ها طول عمر مصرف دارند و ممکن است با استفاده مداوم از باطری ها طول عمر آنها کاهش یابد ، برق مصرفی مرکز توسط ژنراتور تامین می شود و باطری ها برای زمان اضطراری که برق مرکز توسط ژنراتور و Sun Solar ها تامین نشود استفاده می شود البته باید به این نکته توجه نمود که برای اینکه باطری ها به علت شارژ طولانی مدت خراب نشوند در طول مدتی که تابش وجود ندارد به اندازه 3 تا 5 درصد برق مصرفی مرکز از انرژی ذخیره شده توسط باطری ها استفاده می شود و مابقی این برق مصرفی توسط ژنراتور تامین می شود .

شکل (5-15) باتری های مرکز مخابراتی که توسط سلول های خورسیدی شارژ می شوند
در زمانی که هوا ابری است و یا اینکه تابش به اندازه ای نیست که انرژی لازم برای برق مصرفی مرکز تامین باشد از انرژی ذخیره شده توسط باطری ها برای جبران این کسری استفاده می شود .

شکل (5-16) تابلوی توزیع برق از سلول های خورشیدی به باتری های مرکز مخابراتی
5-5-3- مشخصات فنی هر سلول خورشیدی :
جنس این سلول ها از سیلیکات می باشد . ماکزیمم وات هر سلول 53 وات و جریان اتصال کوتاه آن 35/3 آمپر و جریان مجاز آن 05/3 آمپر می باشد . ولتاژ اتصال باز آن 7/21 ولت و ولتاژ مجاز آن 4/17 ولت می باشد . ماکزیمم ولتاژ 600 ولت و در کلاس C می باشد . فیوز هر کدام 5 آمپر و به صورت بای پس دیود می باشد .

شکل (5-17) مشخصات فنی سلول خورشیدی استفاده شده در مرکز مخابراتی

5-5-4- مشخصات فنی مرکز مخابراتی راه اندازی شده توسط سلول خورشیدی :
در این مرکز تعداد هزار Solar به صورت سری در کنار یکدیگر قرار گرفته اند و درجه حرارت هر کدام برای تابش خورشیدی 25 درجه سانتیگراد می باشد .

شکل (5-18) نمایی از تعداد سلول های خورشیدی مورد استفاده در راه اندازی مرکز مخابراتی
نوع هم بندی این سلول ها در این مرکز به صورت مدولار و پشت سر هم و تکه تکه ای است که نتیجه این کار مصرف بهینه انرژی است .

شکل(5-19) نمایی از پشت سلول های خورشیدی و ارتباط آنها با یکدیگر بصورت سری

شکل (5-20) نمایی از مرکز مخابراتی در زمان تابش خورشید و جذب انرژی توسط سلول ها
در زمان فول تابش جریانی برابر با 300 آمپر تولید میکند و جریان مجاز آن 80 تا 90 آمپر AC مصرف بهینه است .
همانگونه که در مطالب قبلی گفته شد ماکزیمم وات برای هر سلول 53 وات است و در نتیجه در این مرکز وات حاصله برابر است با : 1000*53 وات = 53 کیلو وات
طول عمر این سلول ها بالای ده سال می باشد که به این عنوان حالت life time اطلاق می شود .
این مرکز از سیستم BOX DC PDB برای توزیع و تبدیل برق دریافتی از سلول های خورشیدی و انتقال آن به سالن دستگاه و قسمتهای مختلف مرکز مخابراتی استفاده میکند .
در شکل (5-21) این BOX را مشاهده می کنید .

شکل (5-21) تابلوی توزیع و تبدیل برق مرکزمخابراتی BOX DC PDB
در شکل(5-22) حالتی است که درب BOX DC PDB باز است و نوع سیم کشی و توزیع برق ورودی و خروجی سیستم را نشان می دهد .
در شکل(5-23) و شکل (5-24) به طور مشخص تر و به ترتیب قسمت بالایی و قسمت پایینی BOX نشان داده شده است .

شکل(5-22) نوع سیم کشی BOX DC PDB

شکل(5-23) قسمت بالایی BOX DC PDB

شکل (5-24) قسمت پایینی BOX DC PDB
در شکل زیر نحوه انتقال برق دریافتی توسط سلول های خورشیدی به قسمت باتری خانه و تابلوی BOX DC PDB را نشان می دهد .

شکل (5-25) تابلوی انتقال برق دریافتی از سلول ها به BOX DC PDB

شکل (5-26) اطلاعات الکتریکی راک

شکل (5-27) نمایی از دکل آنتن های مرکز مخابراتی راه اندازی شده توسط سلول خورشیدی

شکل (5-28) نمایی ازساختمان مدیریت مرکز مخابراتی جزیره کیش در شب

5-6- تامین نیروی برق مصرفی ایستگاه فضایی توسط سلول های خورشیدی
ایستگاه فضایی بین المللی iss و همچنین ماهواره های سیستم موقعیت یاب جهانی GPS و دیگر فضا پیماها و ماهواره ها برای تامین انرژی مصرفی خود از پنل های خورشیدی استفاده می کنند . نکته جالب در این پنل ها این است که این پنل ها متحرک بوده و با تغییر مکان به سمت خورشید جهت دریافت انرژی از خورشید می چرخند .

شکل(5-29) پنل های خورشیدی بکار رفته در ایستگاه فضایی بین المللیiss

منابع و ماخذ مورد استفاده :

[1] Sze, S., M., "Semiconductor Devices, Physics and Technology", Secend Edition, 2002.
[2] D. Anderson, "Clean Electricity from Photovoltaic", eds. M.D Archer and R.D. Hill, London: Imperial College Press, 2001.
[3]معصوم ، محمد علی ، بررسی سیستم های الکتریکی ماهواره ، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران ، 1381
[4] Frank Vignola, John Hocken, Gary Grace," PV Lesson Plan 1 – Solar Cells". November 21, 2000 .
[5]solar energy museum "solar lab".
[6]M.Wolf,"Historical development of solar cells",proc.25th Power Sources Symposium , 1972 .In Solar Cells,ed.C.E.Backus (IEEE Press)1976.
[7] www.optoiq.com/index/photonics-technologies-applications
[8] Randyll R. M. Fernandez, Jr."A novel photovoltaic power convertor
For military and space application". September 2005,Thesis.
[9] Gueymard, C." Parameterized transmittance model for direct beam and circumsolar spectral irradiance", Solar Energy, Volume 71, Issue 5, November 2001, Pages 325-346.
[10] based on slides from the National Renewable Energy Laboratory
[11] W.Shockley, H.J.Queisser, "Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells", J. App. Phys. vol.32, no.3, p.510,1961 .
[12] The Basic Physics and Design of III-V Multijunction Solar Cells
[13] T.Markvart , solar electricity(willey 2000).
[14] MA.Green ,"Photovoltaics:Coming of age",Conf.Record 21st IEEE Photovoltaic Specialists Conf.,1-7(1990).
[15] Photovoltaic Cell I-V Characterization Theory and LabVIEW Analysis code page (1-8) .http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7230
[16] http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/7230
[17] Michalopoulos,P.," A Novel Approach for the Development and Optimization of State – of the -Art Photovoltaic Devices Using Silvaco" , Master's thesis , Naval Postgraduate Scool , Monterey, California, March 2002 .
[18] From Space to Earth – The Story of Solar Electricity, John Perlin, aatec publications, Ann Arbor, MI 48107, 1999
[19] Martin A. Green, Keith Emery, Yoshihiro Hishikawa and Wilhelm Warta," Solar Cell Efficiency Tables (Version 33)" Prog. Photovolt: Res. Appl. 2009. (www.interscience.wiley.com)
[20] Zhao J Wang A,Green MA,Ferrazza F.,"Novel 19.8% efficient ''honeycomb'' textured multicrystalline and 24.4% monocrystalline silicon solar cells". Applied Physics Letters 1998; 73.
[21] Schultz O, Glunz SW, Willeke GP."Multicrystalline silicon solar cells exceeding 20% efficiency". Progress in Photovoltaics. Research and Applications 2004; 12: 553-558.
[22] Bergmann RB, Rinke TJ, Berge C, Schmidt J, Werner JH."Advances in monocrystalline Si thin-film solar cells by layer transfer",Technical Digest, PVSEC-12, June 2001, Chefju Island, Korea; 11-15.
[23] Bauhuis GJ, Mulder P, Schermer JJ, HaverKamp EJ, van Deelen J, Larsen PK."High efficiency thin film GaAs solar cells with improved radiation hardness".20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, June, 2005; 468-471.
[24] Venkatasubramanian R, O'Quinn BC, Hills JS, Sharps PR, Timmons ML, Hutchby JA, Field H, Ahrenkiel A, Keyes B."18.2% (AM1.5) efficient GaAs solar cell on optical-grade polycrystalline Ge substrate".Conference Record, 25th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Washington, May 1997; 31-36.
[25] Keavney CJ, Haven VE, Vernon SM." Emitter structures in MOCVD InP solar cells. Conference Record", 21st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Kissimimee, May 1990; 141-144.
[26] Repins I, Contreras M, Romero Y, Yan Y, MetzgerW, Li J, Johnston S, Egaas B, DeHart C, Scharf J, McCandless,BE, NoufiR. "Characterization of 19.9%-efficienct CIGS Absorbers". IEEE Photovoltaics Specialists Conference Record, Vol. 33, 2008.
[27] Wu X, Keane JC, Dhere RG, DeHart C, Duda A, Gessert TA, Asher S, Levi DH, Sheldon P."16.5% efficient CdS/ CdTe polycrystalline thin-film solar cell".Proceedings of 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Munich, 22-26 October 2001; 995-1000.
[28] Meier J, Sitznagel J, Kroll U, Bucher C, Fay S, Moriarty T, Shah A."Potential of amorphous and microcrystalline silicon solar cells".Thin Solid Films 2004; 451-452: 518- 524.
[29] Chiba Y, Islam A, Kakutani K, Komiya R, Koide N, Han L."High efficiency dye sensitized solar cells".Technical Digest, 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Shanghai, October 2005; 665-666.
[30] see http://www.konarka.com
[31] Ohmori M, Takamoto T, Ikeda E, Kurita H."High effi- ciency InGaP/GaAs tandem solar cells". Technical Digest, International PVSEC-9, Miyasaki, Japan, November 1996; 525.
[32] Sanyo semiconductor Co.Ltd.Amorphous Silicon Solar Cells/Amorphous Photosensors
[33] Joar Johansson," Modelling and Optimization of CIGS Solar Cell odules"EBD-R–08/19,2008.
[34] Steven Hegedus, Darshini Desai and Chris Thompson," Voltage Dependent Photocurrent Collection in CdTe/CdS Solar Cells",Prog. Photovolt: Res. Appl. 2007; 15:587-602
[35] Sheng Huang Lee, Kian Loong Chen, Simone Gallo."III-V Multijunction Solar Cells"Spring 2008.
[36] J. M. Olson, D. J. Friedman and Sarah Kurtz."High-Efficiency III-V Multijunction Solar Cells".National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO.2003.www.knovel.com
[37] B. Burnett, "The Basic Physics and Design of III-V Multijunction Solar Cells," 2002, Available: http://photochemistry.epfl.ch/EDEY/III-V_physics.pdf [Accessed Apr. 18, 2008].
[38] R.L. Mueller and E. Gaddy, "The performance of advanced III-V Solar Cells." IEEE, 2002, p. 904- 907.

[39] N. H. Karam, R. R. King, Member, IEEE, B. T. Cavicchi, et al., "Development and Characterization of High-Efficiency Ga0.5In0.5P/GaAs/Ge Dual- and Triple-Junction Solar Cells.", IEEE Transactions on Electron Devices-46(10), 1999. p. 2116-2125.

[40] S. W. Benson/NASA GLENN Research Center, "Solar Power for Outer Planets Study." Available:http://www.lpi.usra.edu/opag/nov_2007_meeting/presentations/solar_power.pdf [Accessed Apr. 23, 2008].

[41] R. R. King, D. C. Law, K. M. Edmondson, et al., "Advances in High-Efficiency III-V Multijunction Solar Cells," Advances in OptoElectronics, vol. 2007, Article ID 29523, 8 pages, 2007.
[42] R. R. King, D. C. Law, K. M. Edmondson, et al., "40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells," Applied Physics Letters, vol. 90, no. 18, Article ID 183516, 3 pages, 2007.
[43] M.W.Wanlass, S. P. Ahrenkiel, R. K. Ahrenkiel, et al., "Lattice mismatched approaches for high-performance, III-V photovoltaic energy converters," in Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-31), pp. 530-535, Lake Buena Vista, Fla, USA, January 2005.
[44] Spectrolab, 28.3% Ultra Triple Junction (UTJ) Solar Cells Data Sheet.Available: http://www.spectrolab.com/DataSheets/TNJCell/utj3.pdf [Accessed Apr. 19, 2008].
[45] F. Dimroth, C. Baur, A. W. Bett et al., "Thin 5-Junction Solar Cells With Improved Radiation Hardness.", IEEE, 2006. p. 1777-1780
[46] Smestad, GP, Gratzel, M. (1998) Demonstrating electron transfer and nanotechnology: A natural dye-sensitized nanochrystalline energy converter. Journal of Chemical Education,75 (6), 752-756.
[47] http://en.wikipedia.org
[48] Bertolli, Michael, Solar Cell Materials, University of Tennessee, 2008.
[49] Yang, Peidong, et al., Nanowires Increase Electron Conduction 100-Fold inSolar Cell, Division of Materials Sciences.
[50] Aydil, S, E., et al., Photovoltaic Devices Based on Nanoparticles andNanowires, NSF Nanoscale Science and Engineering Grantees Conference,2006.
[51] Michael Carver, SD EPSCoR Intern." Dye-Sensitized Solar Cell Module"2008
[52] JESSICA CHRISTINE LAI, "THE USE OF ANOSTRUCTURED CALCIUM SILICATE IN SOLAR CELLS",SCHOOL OF CHEMICAL AND PHYSICAL SCIENCES,2009
[53] سینگ ، جاسپریت ، فیزیک الکترونیک ، ترجمه دکتر مرتضی فتحی پور و علی رضا احسانی اردکانی ، انتشارات دانشگاه تهران ،1380
[54] K. Petritsch, J.J. Dittmer, E.A. Marseglia,A. Lux, G.G. Rozenberg, S.C. Moratti, A.B.Holmes and R.H. Friend "Dye based Donor-Acceptor Solar Cells" Sol.En.Mat.Sol.Cells61/1, 63-72 (2000)
[55] کتاب راهنمای طرحهای انرژی خورشیدی در ایران اصغر حاجی سقطی، استادیار دانشگاه علم و صنعت ایران
[56] کتاب نگرشی بر سیستم های استفاده از انرژی خورشیدی دکتر مجید رئوفی راد
[57] کتاب اصول کاربردی حرارتی انرژی خورشیدی ترجمه و تالیف دکتر محمد علی عبدنی
[58] کتاب مهندسی گرما و خورشیدی، تالیف پیتر. جی. ترجمه وکتر حسین پناهنده
[59] کتاب منابع تولید انرژی در قرن بیست ویکم تالیف دکتر سید مسعود مقدس تفرشی انتشارات دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی تاریخ چاپ مرداد1386

Useful Web Sites:
http://www.eren.doe.gov/millionroofs/whatispv.html
http://www.sandia.gov/pv/training.htm
http://www.nrel.gov/ncpv/
http://www.fsec.ucf.edu/Ed/index.htm
http://www.nrel.gov/data/pix/searchpix.html
http://www.ascensiontech.com/RTD/ashlandrtd.html
http://www.ascensiontech.com/RTD/pge.html
http://www.ases.org/
http://www.seia.org/main.htm

به امید توفیق روز افزون و سربلندی
کشور عزیزمان ایران
1 Photovoltaic
2 Tandem
3 graded
4 Air mass(AM)
5 Madule
6 Array
7 hot spot
8 blocking
9 Flat – Plate
10 Portable
11 SUN SEEKER
12 CONTROL PANEL
—————

————————————————————

—————

————————————————————

ج

ا

18