خواص فیزیکی و زاویه نصب پنل خورشیدی

یکی ار اصولی ترین مباحث راه اندازی برق خورشیدی اطلاعات کافی پیرامون خواص فیزیکی و پارامترهای محیطی سلولهای خورشیدی است در  این بخش چگونگی تحریک سلول خورشیدی توسط فوتونها و تحلیل مداری سلول خورشیدی، ضریب مطلوبیت و تغییرات دمایی راندمان انرژی و همچنین فیل فاکتور و ساعات پیک تابش و تعیین زاویه ازیموس برای بدست اوردن حداکثر توان گرداوری شده است.

چناچه تمایل به دریافت کامل مطالب زیر بصورت PDF دارید بر روی “لینک دانلود” کلیک کنید.

مباحث:

-فیزیک فوتون و تحریک سلول خورشیدی 

-تغییرات دمایی راندمان انرژی

-شکل مداری سلول خورشیدی

-ضریب مطلوبیت و تغییرات دمایی راندمان انرژی

-اثرات اقلیمی بر روی پنل خورشیدی

-ساعات پیک تابش

-تعیین زاویه ازیموس برای بدست اوردن حداکثر توان

فیزیک فوتون و تحریک سلول خورشیدی 

این انرژی هنگام برخورد بر اشیا باعث انتقال اندازه حرکت فوتون بر یک شی و جابجایی الکترونها در محل اثر می­شود. نیروی الکترومغناطیسی فوق بعنوان اصل اساسی اثر فتوولتایک شناخته می­شود که موجب قابلیت تحریک سلول خورشیدی الکترون یا جابجایی در پیوند pn فتوولتایک می­شود.

هنگامی که نور به سطح مایع یا سلول فلزی برخورد می­کند الکترونها ازاد می­شوند و موجب جریان فتوالکتریک می­شود. عملکرد اصلی تحریک سلول خورشیدی اثر فوتون ها روی پنل خورشیدی توسط پیوند های PN سیلیکون و جاری شدن الکترون ها در ماده و در نتیجه تولید الکتریسته است. هنگامیکه پرتو نور روی قطعه از سیلیکون اثر میگذارد فوتون های با انرژی کمتر به طور مستقیم از سیلیکون عبور می­کنند و بعضی از فوتون ها پس از برخورد با نیمه هادی به سطح بر می­گردند. در شرایط دیگر فوتون ها بوسیله نیمه هادی جذب می­شوند.

در بعضی از نمونه ها وقتی انرژی فوتون بیش از ظرفیت جذب سیلیکون باشد انرژی بصورت گرما اتلاف می­شود. وقتی پیوند سیلیکونی توسط فوتون ها بمباران می­شود الکترونهای ازاد بین پیوند کوالانسی ملکولهای سیلیسیوم منتقل می­شوند و بجای ان به اصطلاح حفره بوجود می­اید. الکترونهای اتم مجاور بسمت حفره حرکت می­کنند و بنوبع خود حفره دیگر بوجود می­اورند و بدین ترتیب یک حفره در طول شبکه کریستالی منتقل می­گردد در واقع تابش فوتون باعث بوجود امدن زوح الکترون-حفره در نیمه هادی شده است.

شرط حرکت الکترون توسط تحریک فوتون اینست که انرژی ان بیشتر از باند توقف یا پیوند کوالانسی باشد. بیشتر طیف پرتوهای خورشید که به زمین می­رسد شامل فوتون های با انرژی بیشتر از حد باند توقف سیلیکون است اما اختلاف بین این فوتونها و باند توقف سیلیکون به دلیل جنبش حرارتی به گرما تبدیل می­گردد.

جدا کردن حامل بار الکتریکی در سلول خورشیدی به دو صورت انجام می­شود: رانش و گرانش. در حالت رانش الکترون بوسیله یک میدان الکتریسته ساکن، جاری یا جابجا می­شود و در سمت دیگر سلول بوجود می­اید. در حالت انتشار الکترون از ناحیه تمرکز حامل پایینی به ناحیه حامل بالاتر منتقل می­شود. در فناوری سلول خورشیدی مبتنی بر پیوند PN حالت اصلی تحریک سلول خورشیدی و جداسازی رانش است و در سلول های خورشیدی غیر PN مثل سلولهای حساس به رنگ یا پلیمری حالت اصلی جداسازی الکترون ها از طریق انتشار حامل بار است.

انتشار حاملان بار الکتریکی در هر دو سمت پیوند بارهایی را ایجاد می­کند که منجر به تشکیل یک میدان الکتریکی می­گردد. میدان الکتریکی اثر دیودی خلق می­کند که موجب جاری شدن بار الکتریکی یا جریان رانشی می­شود و در نهایت این میدان انتشار الکترونها را متعال می­کند. ناحیه­ای که الکترون ها و حفره ها در طول پیوند پخش میشود به نام ناحیه بی باری یا ناحیه تقلیل بار گفته می­شود زیرا انجا حاوی هیچگونه حامل بار الکتریکی متحرکی نیست.

شکل مداری سلول خورشیدی

سلولهای فتوولتاک می­توانند به عنوان مولدهای کوچک برق یا دیودهای نوری درنظر گرفته شوند که از لحاظ مداری با یک منبع جریان همراه یک دیود نوری با یک مقاومت سری و موازی شبیه سازی شود. براساس این طرح توان خروجی بر روی منحنی V_I و همچنین جریان اتصال کوتاه و ولتاژمدار باز و همچنین ماکزیمم توان را می­توان بدست اورد. اگرچه تاببش خورشید ، دمای محیط و جرم هوا بطور دائم روی منحنی V_I تاثیر میگذارند.

ولتاژ مدار باز   (v_oc)

حداکثر ولتاژ اندازه­ گیری شده درترمینال خروجی و در شرایط بی باری و جریان خروجی صفر. از مقدار v_oc برای طراحی حداکثر ولتاژ مدار ماژولهای خورشیدی یا کل شبکه استفاده می­شود. ولتاژ مدار باز هر سلول خورشیدی بوسیله خواص طبیعی نیمه هادی اتصال PN و ضریب دمای عملکرد ان مشخص می­شود. برای مثال در سلول سیلیکونی کریستالی هرگونه افزایش در دمای پیوند ولتاژ مدار باز را کاهش می­دهد.

جریان اتصال کوتاه (I_SC)

حداکثر جریان جاری شده در شرایط بی باری و ولتاژ صفر هنگامیکه ترمینال خروجی اتصال کوتاه شده باشد. ویژگیهای I_SC با تابش خورشید نسبت مستقیم دارد و وقتی دمای پیوند PN سلول افزایش می­یابد از مقدار ان کاسته می­شود.

معادلات مداری سلول خورشیدی

جریان خروجی سلول خورشیدی با توجه به مدار معادل شده ذکر شده بصورت زیر است.

I=I_L-I_a-I_sh

I_{L =}  جریان تولیدی توسط نور

I_{a =}  جریان دیود بر حسب امپر

I₌  جریان خروحی در پایانه

I_sh=  جریان مقاومت شنت

و ولتاژی که در دو سر پایانه ایجاد می­شود عبارتست از

V_e=V+IR_s

V ولتاژ دو سر دیود یا مقاومت شنت بر حسب ولت و I جریان بر حسب امپر و V_e ولتاژ دو سر ترمینال خروجی و R_s مقاومت سری در مدار است.

مقاومت سری

اگر مقاومت سری در سلول افزایش یابد در نتیجه افت ولتاژ زیادتری در ان ایجاد می­شود و سبب کاهش عبور جریان می­شود. این امر سبب کاهش قابل توجهی در ولتاژ ترمینال و کاهش کمی در جریان اتصال کوتاه می­شود در نتیجه مقاومت سری مشخصا روی عملکرد توان خروجی سلول خورشیدی تاثیر می­گذارد.

مقاومت موازی

افزایش مقاومت شنت باعث کاهش جریان عبوری از ان می­شود و در نتیجه ولتاژ پیوند افزایش می­یابد که منجر به کاهش ولتاژکل همانطور که در شکل نشان می­دهد می­شود همراه با کاهش جریان خروجی سلول I و نیز کاهش جزیی ولتاژ مدار باز V_oc می­شود.

ضریب مطلوبیت و تغییرات دمایی راندمان انرژی:

عملکرد سلول و انطباق ان با رفتار دیود اتصال PN ضریب مطلوبیت ان سلول نامیده می­شود.

دمای سلول

اثرات دما بر روی عملکرد سلول در شکل زیر مشخص شده است. ولتاژ و جریان سلول که نشان دهنده توان خروجی است با دمای محیط نسبت عکس دارد بعبارت دیگر با افزایش دمای محیط ولتاژ خروجی کاهش می­یابد. از نظر بهره برداری افزایش دا کمترین اثر را در جریان خروجی دارد. افزایش دما در نهایت موجب کاهش ولتاژ مدار باز می­شود.

در اکثر سلولهای سیلیکون توان خروجی حدود ۰٫۵ درصد به ازای هر درجه افزایش دما کاهش میابد و در سلولهای کریستال با راندمان بالا حدود ۰٫۳۵ درصد و در سلولهای امورفوس این مقدار بین ۰٫۲ تا ۰٫۳ است. در طراحی سیستم های سولار در مناطق گرمسیری باید به تغییرات گرمایی نگاه ویژه­ای داشت.

قرار گرفتن طولانی مدت در معرض حرارت محیط ممکن است سبب تدریجی توان خروجی و تضعیف دائمی و زودهنگام پنل شود. بطور کلی منظور از دمای سلول دمای درونی اتصالات PN  است. دمای سلول از سرعت بالا  و تشعشات خورشیدی، رطوبت  و مشخصات صفحه خورشیدی تاثیر می­پذیرد. در طراحی سامانه خورشیدی “ضریب دمای سلول” در محاسبه جبرانسازی دما در تشعشعات خورشیدی و همچنین دماهای محیطی استفاده می­شود.

T_CELL=T_AMB+(T_RISE*E)

T_CELL دمای سلول بر حسب درجه سانتیگراد

T_AMB دمای محیط

T_RISE ضریب افرایش دما

E تشعشات خورشیدی بر حسب کیلووات

مثلا در دمای ۳۲ درجه و ضریب دمای ۲۶ درجه و همچنین تشعشع ۱۰۵۰کیلووات بر متر مربع داریم

T_CEL= 32+(26*1.05)

استاندارد های راندمان تبدیل انرژی

راندمان تبدیل انرژی در سلول های خورشیدی به چند عامل از جمله شرایط جوی، دمای محیط و اندازه طیف تشعشعات بستگی دارد اما در شرایط تست مرسوم به STC در تابش ۱kw/m² و توزیع مشابه طیف عبوری خرشید از اتمسفر (حدودا ۱٫۵ AM) و دمای ۲۵ درجه سانتیگراد انجام می­شود.

در این هنگام توسط بار متغییر متصل به پنل حداکثر توان بدست . راندمان در سلولهای مختلف متفاوت است برای مثال راندمان در سلول های سیلیکونی چند پیوندی و در شرایط تست در ازمایشگاه تا ۴۲٫۸ درصد می­رسد در صورتی که در سلول های غیر سیلیکونی ۶ تا ۸ درصد و در سلولهای چند کریستالی حدود ۱۴ الی ۱۹ درصد است.

برای رسیدن به راندمان بالاتر احتیاج بکارگرفتن مواد گرانبهایی از قبیل گالیوم، ارسنید، انیدوم سلنید و هزینه ساخت سلول های چند پیوندی است.

اثرات اقلیمی بر روی پنل خورشیدی

انرژی تشعشع یافته از سطح خورشید به شکل نور و گرما  در فضا منتشر می­شود که علاوه بر ان واکنش گداخت هسته ای نیز فوتون های با انرژی بالا ازاد می کند. تابش خورشید با طلوع و غروب خورشید افزایش و کاهش می­یابد اما تغییرات ان وقتی فاصله زمین از خورشید تغییر می­کند بیشتر است. مقدار کاهش تشعشع با  افرایش فاصله خورشید تا زمین رابطه معکوس دارد  که در اینجا  میزان تشعشعات است و  تشعشع منبع یا همان خورشید است.

تابش خورشیدی بر حسب وات بر ساعت در نظر گرفته می­شود بنابراین تابش خورشیدی ظرفیت تولید انرژی خورشیدی یا عملکرد توان خروجی یم سامانه فتوولتایک را تعیین می­کند. تایش خورشیدی بصورت H=E×t عنوان می­شود که در ان E تابش خورشیدی (توان بر متر مربع w/m²) و t  زمان بر حسب ساعت و H تشعشع خورشیدی (وات ساعت بر متر مربع wh/m²) است. برای مثال اگر میزان تابش خورشیدی ۹۰۰ w/m² باشد در مدت زمان ۸ ساعت ۷۲۰۰ کیلووات ساعت انرژی تشعشع خورشیدی است.

مقدار توان خورشیدی در فضا حدود ۱۳۶۶ w/m² است و این در صورتی است که این پرتوها با گذشت از اتمسفر و فیلتر شدن بسیاری از طیف های با انرژی در سطح زمین در حدود ۱۰۰۰w/m² است. تشعشات خورشیدی هنگام برخورد با بخارات اب و دی اکسید کربن و ذرات غبار و گازها متفرق می­شوند. از عوامل کاهنده دیگر به ابرها و الودگی جو میشود اشاره کرد.

تشعشعاتی که به زمین برخورد می­کنند به دو گروه تقسیم می­شوند: تشعشعات مستقیم و پراکنده که به مجموع اینها تشعشعات جهانی گفته می­شود. تشعشات پراکنده عبارتست از تشعشات انعکاسی یا بازتابشی پرتوهایی مستقیمی که توسط جو بازتابیده می­شوند. تشعشع مستقیم پرتوهای تابیده خورشید هستند که بدونبرخورد با مانع به سطح تابیده می­شوند بدون انکه پراکنده شوند. پرتوهای مستقیم بصورت موازی بوده و هنگام برخورد با اشیا سایه تولید می­کنند.

میزان تشعشعات جهانی در طی روز بین ۱۰ تا ۱۰۰  درصد تغییر می­کنند. ماژولهای pv تخت پرتوهای جهانی را جذب می کنند ولی در ماژولهای متمرکز کننده تنها تشعشعات مستقیم هدف جذب می­شوند.

ساعات پیک تابش

هنگامیکه خورشید در نقطه اوج خود قرار دارد توده جو دارای کمترین ضخامت است . زاویه ازیموس به زاویه بین خورشید و خط عمود بر سطح اطلاق می­گردد. با افزایش زاویه ازیموس پرتوهای عبور کرده با میزان بیشتری از توده ها برخورد کرده و باعث کاهش شدت پرتوها می­گردد.

در هر نقطه از سطح زمین توده هوا از فرمول زیر محاسبه می­شود. AM=  که درواقع AM مقدار توده هوا بر حسب زاویه ازیموس بدست می­اید. اگر خورشید در بالاترین سطح دریا قرار بگیرد مقدار ان AM1 و در خارج جو AM0 است. مقدار فشار توده در سطح دریا ۱۰۱۳ میلی بار می­باشد در نتیجه توده هوا در هر مکانی بصورت زیر محاسبه می­شود.

AM_local =AM× (P_local/1023)

AM_local توده هوای محل

P_loca فشار جو در سطح دریا

AM توده هوا در سطح دریا

برای محاسبه ساعات پیک خورشید تعداد ساعات مورد نیاز در طی روز برای یک سامانه برق خورشیدی است تا انرژی را در شرایط پیک بودن خورشید محاسبه کند. برای مثال در یک مکان خاص که تشعشع خورشید در مدت ۷ ساعت برابر ۹۰۰w/m² است، انرژی ذخیره شده در این مدت برابر است با :

انرژی ذخیره شده= ۹۰۰w/m²×۷hrs=6200wh/m²

ساعات پیک خورشید= ۶۲۰۰/۱۰۰۰=۶٫۲ hrs

تعیین زاویه ازیموس برای بدست اوردن حداکثر توان

همواره برای جهت یابی باید به زاویه ازیموس و موقعیت جغرافیایی پنل خورشیدی و شرایط جوی که بطرز چشمگیری برروی دریافت پرتوهای دریافت شده تاثیر گذار است توجه داشت. یاقتن زاویه ازیموس مناسب به معنی بدست اوردن ماکزیمم انرژی خورشیدی به ازای عرض جغرافیایی محل است. با توجه به اینکه در تابستان پیک مصرف برق بالاست بهتر است زاویه ازیموس را کاهش دهیم. مسیر حرکت خورشید و زاویه ازیموس در نیمکره شمالی از ماه اردیبهشت تا مهر بیشتر است پس در نتیجه با کاهش زاویه ازیموس بهترین زاویه تابش را در کل سال بدست خواهد امد که در نتیجه در حالی که تعرفه برق در بالاترین  میزان است بیشترین توان خروجی را خواهیم داشت.

زاویه ازیموس مناسب برای نواحی با عرض جغرافیای کم باید افقی باشد ، این در صورتیست که در ناحیه قطب شمال زاویه ازیمووس باید ۹۰ درجه باشد.

در مسیر حرکت فصلی خورشید در نیمکره شمالی زاویه ازیموس بهینه شبکه خورشیدی رو به جنوب است و پنل ها باید مشرف به شرق یا غرب نصب شود.

حرکت چرخشی زمین به دور خود با تغییر تدریجی از محور ۲۳٫۵+ درجه در ماه تیر به زاویه ۲۳٫۵- درجه در ماه اذر تبدیل می­شود . محور زمین در این دو تغییر فصل که به انقلاب زمستانی و تابستانی مرسوم است به صفر درجه می­رسد.

همچنین زاویه ای که زمین نسبت به خورشید در ظهر یا وسط روز پیدا می­کند را زاویه ساعت (H) می­نامند. در ظهر که خورشید عمود بر اشیا می­تابد زاویه ساعت برابر با صفر است. می­توان از طریق هندسی و با دانستن زاویه کاهش خورشیدی و زاویه ساعت،  نقطه راس زاویه ازیموس را پیدا کرد. نقطه ای که خورشید از دید ناظر بر روی زمین دیده می­شود زاویه ازیموس و یا زاویه خورشیدی است.

مقدارمتوسط انرژی که خورشید به صورت عمود بر ۱m² از سطح زمین می­تاباند معادل ۱۰۰۰w/m² است.شدت نور از طریق قانون کسینوس لامبرت معلوم می­شود I = S cosz که مقدار نور برخورد کرده به سطح پنل را مشخص می­کند. در تابستان که خورشید مستقیم می­تابد z=0 است در نتیجه I=S می­شود.

I=S cosz

Z=cos-1 (sinL sinI + cosL cosI cosH)

H=(زاویه ساعت) = ۱۵º×(T-12)

L= عرض جغرافیایی

T= زمان