نشریه شماره   201   دوهفته نامه آرشیو PDF پیام ساختمان

جايگاه سلول‌هاي فتوولتائيك

مهدي امين زاده*

هر اندازه که منابع فسيلي، تجديد ناپذير هستند و در آيندهاي نه چندان دور به اتمام ميرسند، انرژي خورشيدي، منبعي است که ميتواند انرژي موردنياز انسان را تأمين نموده و همزمان، آسيبي نيز به محيط زيست وارد نخواهد نمود.

در دوران معاصر تجهيزاتي به نام «سلولهاي فتوولتائيک» در دسترس است، که توسط آنها انرژي نور خورشيد به طور مستقيم به الکتريسيته تبديل ميشود و مزاياي آن به خوبي شناخته شده، ولي بالا بودن هزينه اوليه چنين سيستمهايي ازيک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف ديگر، سد راه توسعه اين سيستمها شده بود تا اينکه افزايش قيمت نفت در سال 1973 کشورهاي پيشرفته صنعتي را بر آن داشت كه توليد انرژي از منابع ديگر را موردتوجه قرار دهند.

خورشيد و انرژي خورشيدي

انرژي خورشيدي همانند ساير انرژيها به طور مستقيم يا غيرمستقيم ميتواند به ديگر اشکال انرژي همانند گرما و الکتريسيته و تبديل شود، ولي موانعي شامل ضعف علمي و تکنيکي در تبديل (به علت کمبود دانش و تجربه ميداني)، متغير و متناوب بودن مقدار انرژي به دليل تغييرات جوي و فصول سال و جهت تابش و محدوده توزيع بسيار وسيع، موجب گرديده تا استفاده کمي از اين انرژي انجام پذيرد. استفاده از منبع عظيم انرژي خورشيد براي توليد انرژي الکتريسيته، گرمايش محوطهها و ساختمانها، خشک کردن توليدات کشاورزي و تغييرات شيميايي و اخيرا شروع گرديدهاست.

سيستمهاي فتوولتائيک

تبديل مستقيم پرتوهاي خورشيد به الکتريسيته به وسيله تجهيزاتي به نام سلولهاي فتوولتائيک، يعني فرآيندي که توسط آن انرژي نور خورشيد به طور مستقيم به الکتريسيته تبديل ميشود

سيستمهاي فتوولتائيک يکي از پرمصرفترين و پرکاربردترين تكنولوژيهاي انرژيهاي نو است. تاکنون انواع مختلفي از اين تكنولوژي با ظرفيتهاي مختلف در سراسر جهان نصب و راه اندازي شده كه با توجه به قابليت، اطمينان و عملکرد اين سيستمها هرروزه بر تعداد متقاضيان آنها افزوده ميشود.

از سري و موازي کردن سلولهاي آفتابي ميتوان به شدت جريان و ولتاژ قابل قبولي دست يافت. الکتريسيته ميتواند به طور مستقيم از انرژي خورشيد و توسط سلولهاي فتوولتائيک توليد شود و يا به طور غيرمستقيم توسط ژنراتورهاي بخار که سيال آن توسط پانلهاي خورشيدي و يا آيينههاي متحدالمرکز حرارت ميبيند، توليد گردد.

انرژي فتوولتائيک

انرژي فتوولتائيک به تبديل نور خورشيد به الکتريسيته از طريق يک سلول فتوولتائيک گفته ميشود، که به طورمعمول توسط يک سلول خورشيدي انجام ميپذيرد. سلول خورشيدي يک ابزار غير مکانيکي است که معمولا از آلياژ سيليکون توليد ميشود.

نور خورشيد از فوتونها يا ذرات انرژي خورشيدي تشکيل شدهاست. اين فوتونها که مقادير متغير انرژي را شامل ميشوند، درست مشابه طول موجهاي متفاوت طيفهاي نوري هستند. وقتي فوتونها به يک سلول فتوولتائيک برخورد ميکنند، ممکن است منعکس شوند، مستقيم از ميان آن عبور کنند و يا جذب شوند. فقط فوتونهاي جذب شده انرژي موردنياز را براي توليد الکتريسيته فراهم ميکنند. وقتي نور خورشيد کافي يا انرژي توسط جسم نيمه رسانه جذب شود، الکترونها از اتمهاي جسم جدا ميشوند (به دليل اينکه آخرين الکترون يک اتم با گرفتن انرژي فوتون به لايه بالاتر رفته و ميتواند از ميدان پروتون خلاص شده و آزادانه در نيمه رسانه حرکت کند.)

رفتار خاص سطح جسم در طول ساختن باعث ميشود سطح جلويي سلول که براي الکترونهاي آزاد بيشتر پذيرش يابد، بنابراين الکترونها به طور طبيعي به سطح مهاجرت ميکنند. زماني که الکترونها موقعيت را ترک ميکنند، سوراخهايي شکل ميگيرد. ازآنجاکه تعداد الکترونها زياد بوده و هرکدام يک بار منفي را حمل ميکنند و به سمت جلوي سطح سلول پيش ميروند، درنتيجه به علت عدم توازن بار بين سلولهاي جلويي و سطوح عقبي، يک پتانسيل ولتاژ شبيه قطبهاي مثبت و منفي يک باتري ايجاد ميشود و وقتي که دو سطح از ميان يک راه داخلي مرتبط ميشود، الکتريسيته جريان مييابد. توان ايجادشده حدود 1 يا 2 وات است که براي بيشتر کاربردها اين مقدار کافي نيست. براي اينکه بازده انرژي را افزايش دهيم، سلولها به صورت سري و موازي به هم متصل ميشوند.

سلولهاي فتوولتائيک از دهه 1950 و به ويژه در ماهوارهها مورداستفاده قرارگرفتهاند. با توسعه دانش فني موردنياز، اين سلولها به صورت تجاري و در ابتدا در ماشين حسابهاي کوچک و ساعتهاي مچي مورداستفاده قرار گرفتند. در حال حاضر اين سلولها مصارف متعددي از قبيل پمپهاي آب، ابزارهاي ارتباطي و حتي فراهم کردن الکتريسيته براي منازل دارند.

تبديل نور خورشيد به الکتريسيته مستقيم است، بنابراين سيستمهاي توليدکننده حجم زيادي لازم ندارند خصوصيت مدولي انرژي فتوولتائيک اين امکان را فراهم ميکند که سلولها در هراندازه موردنياز نصب شوند. سلولهاي فتوولتائيک، جريان مستقيم (‌DC‌) توليد ميکنند که عموما براي روشنايي و نيز تجهيزات الکترونيکي معمولي مورداستفاده قرار ميگيرد  .  

*كارشناس انرژي