پنل‌های خورشیدی چگونه برق تولید می‌کنند؟

اکثر مردم ‌امروزه می‌دانند که صفحه‌ها یا پنل‌های خورشیدی برق تولید می‌کنند. آن‌ها می‌دانند که با نصب پنل‌های خورشیدی در خانه‌ و محل کار می‌توان همه یا بخشی از برق موردنیاز را تولید کرد. مسلما یکی از مزایای تولید برق به‌وسیله صفحه‌های خورشیدی، کاهش هزینه مصرف برق شهری کاربران است. ضمنا انرژی خورشیدی، هم تجدیدپذیر و هم اصطلاحا پاک و با محیط زیست سازگارتر است. اما صفحه‌ها یا پنل‌های خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟

انرژی خورشیدی و سلول‌های خورشیدی

ابتدا بیایید قدرت نورافشانی خورشید را مرور کنیم. خورشید همچون رآکتور غول‌پیکری در فاصله تقریبا 152 میلیون کیلومتری زمین است که انرژی عظیم خود را در تمام جهات می‌پراکند. انرژی خورشیدی در قالب ذرات ریزی موسوم به فوتون منتشر می‌شود.

مقدار فوتون‌هایی که طی یک‌ساعت از خورشید به زمین می‌تابد، برای تامین برق یک‌سال همه ساکنان زمین کافی است؛ به‌شرطی که بشر بداند چگونه باید از این انرژی عظیم بهره ببرد. در حال حاضر، استفاده از سلول‌های خورشیدی که خود تشکیل‌دهنده صفحه‌ها یا پنل‌های خورشیدی هستند، از مناسب‌ترین راه‌کارهای گردآوری انرژی خورشیدی است.  

صفحه‌ها یا پنل‌های خورشیدی چگونه از انرژی خورشیدی برق تولید می‌کنند؟

هر صفحه خورشیدی حاوی تعداد زیادی سلول‌ فتوولتاییک یا PV (مخفف Photovoltaic) است که با شیشه محافظ پوشانده شده‌اند و چارچوبی فلزی نیز آن‌ها را احاطه کرده است. صفحه‌ای با این ویژگی‌ها را اصطلاحا ماژول فتوولتاییک (PV module) می‌نامند. سلول‌های خورشیدی فتوولتاییک از ماده نیمه‌رسانا و اغلب سیلیکون ساخته می‌شوند. ماده نیمه‌رسانا به‌شکل لایه‌های بسیار نازکی برش می‌خورد.  

شکل 1. صفحات خورشیدی لایه‌های متعددی دارند. لایه سلول صفحه فتوولتاییک جایی است که برق در آن تولید می‌شود. لایه‌های دیگر مثل لایه شیشه‌ای و لایه پوششی برای محافظت از سلول‌های PV هستند تا این ماژول‌ها به‌درستی برق تولید کنند.

هر سلول فتوولتاییک یک لایه منفی و یک لایه مثبت دارد. لایه منفی، حاوی الکترون‌های بیشتری است. لایه مثبت حاوی فضاهای خالی است که الکترون‌ها پس از انتقال به آن می‌توانند در آن فضاهای خالی حرکت کنند. برق، الکترون‌ها را به حرکت درمی‌آورد. پس برای این‌که پنل خورشیدی برق تولید کند، به انرژی‌ای نیاز دارد که بتواند آن الکترون‌ها را آزاد کند تا الکترون‌ها از لایه منفی به لایه مثبت جریان یابند.

راه‌حل این مشکل، آفتاب یا نور خورشید است. فوتون‌های خورشیدی که تمام مدت روز به سطح زمین می‌تابند، می‌توانند انرژی لازم برای به حرکت درآوردن الکترون‌ها را تامین کنند.

انرژی ناشی از تابش فوتون‌ها سبب می‌شود الکترون‌ها در لایه منفی پنل فتوولتاییک آزاد شوند و به حرکت درآیند. نتیجه این کار، ایجاد الکتریسیته جاری است. این پدیده را اثر فتوولتاییک (Photovoltaic effect) می‌نامند.

شکل 2. وقتی نور خورشید به سلول خورشیدی برخورد می‌کند، الکترون‌های روی سلول خورشیدی، حرکت در مدار را آغاز می‌کنند. سلول‌های خورشیدی بدین‌سان می‌توانند برق تولید کنند.

اما این تازه شروع داستان نحوه کار صفحه‌ها یا پنل‌های خورشیدی است، زیرا الکترون‌ها برای حرکت خود باید مسیر داشته باشند تا الکتریسیته، شکلی کاربردی به خود بگیرد. اما این چگونه اتفاق می‌افتد؟

مسیری که ما برای الکترون‌ها ایجاد می‌کنیم، مدار نام دارد. وقتی الکترون‌ها لایه منفی صفحه فتوولتاییک را ترک می‌کنند، باید بتوانند درون وسایل برقی (مثل چراغ‌ها، لوازم برقی و...) جریان پیدا کنند. اگر الکترون‌ها ‌سمت لایه مثبت سلول فتوولتاییک روانه ‌شوند، می‌توانند انرژی مورد نیاز وسایل برقی را تامین کنند.

صفحه‌ها یا پنل‌های خورشیدی و نحوه تبدیل جریان برق مستقیم به متناوب

صفحه‌ها یا پنل‌های خورشیدی جریان برق مستقیم (DC) تولید می‌کنند، اما لوازم برقی رایج و خانگی با جریان برق متناوب (AC) کار می‌کنند. برای حل این مشکل، یک مبدل (Inverter) به مدار اضافه می‌شود. مبدل، جریان برق مستقیم را به جریان برق متناوب تبدیل می‌کند.

مبدل جریان برق مستقیم به متناوب، در نحوه کار صفحه‌ها یا پنل‌های خورشیدی نقش مهمی دارد. بدون استفاده از مبدل در سامانه فتوولتاییک، نمی‌توان با برق تولیدی توسط صفحه‌های خورشیدی کار زیادی انجام داد.

مبدل‌ها شکل‌ها و اندازه‌های مختلفی دارند، اما به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: ریزمبدل (Microinverter) و مبدل رشته‌ای (String inverter). انتخاب شما به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:

• هزینه: ریزمبدل‌ها (microinverter) خروجی بیشتری دارند اما معمولا گران‌ترند.
• محل نصب: آیا بخشی از صفحه خورشیدی در سایه خواهد بود؟ در صورت استفاده از مبدل‌های رشته‌ای (string inverter) افتادن هرگونه سایه‌ روی پنل‌های خورشیدی، به کاهش چشمگیر بازده آن‌ها منجر می‌شود.

تفاوت ریزمبدل (میکرو-اینورتر) و مبدل رشته‌ای (استرینگ اینورتر)

همانطور که گفته شد مبدل‌های جریان مستقیم به متناوب (Inverter) به دو گونه اصلی تقسیم می‌شوند: ریزمبدل (میکرو-اینورتر) و مبدل رشته‌ای (استرینگ اینورتر). اما تفاوت این‌دو چیست؟

شکل 3. مبدل رشته‌ای (String inverter) در سمت راست و ریزمبدل (Microinverter) در سمت چپ.

ریزمبدل‌ یا میکرو-اینورتر (Microinverter) چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟

ریزمبدل‌ها قطعات الکترونیکی کوچکی هستند که درست زیر صفحه خورشیدی نصب می‌شوند. هر ریزمبدل فقط توان الکتریکی یک یا گاهی دو صفحه خورشیدی را در همان نقطه، از مستقیم به متناوب تبدیل می‌کند. برخی از شرکت‌های سازنده، ریزمبدل‌ها را در پنل‌های خورشیدی ادغام می‌کنند و به آن ماژول جریان متناوب (AC Module) می‌گویند.

مبدل‌ رشته‌ای یا استرینگ اینورتر (String inverter) چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟

مبدل‌های رشته‌ای از ریزمبدل‌ها بزرگ‌تر هستند. این مبدل‌ها که گاهی به آن‌ها‌ مبدل‌های مرکزی (central inverter) هم می‌گویند، می‌توانند جریان مستقیم چندین ماژول فتوولتاییک را به برق متناوب تبدیل کنند. مبدل‌های رشته‌ای در اندازه‌های متفاوتی ساخته می‌شوند. مثلا مبدل رشته‌ای کوچک 3 کیلوواتی جریان برق 10 تا 12 صفحه خورشیدی را از مستقیم به متناوب تبدیل می‌کند. مبدل رشته‌ای 5 مگاواتی می‌تواند جریان برق مستقیم 20.000 صفحه خورشیدی را به جریان برق متناوب تغییر دهد.  

با مبدل‌های رشته‌ای می‌توان صفحه‌های خورشیدی را به یکدیگر متصل کرد و رشته‌ای از صفحات خورشیدی تشکیل داد. سپس با خوراندن ولتاژ مستقیم به مبدل‌ها می‌توانید از آن‌ها ولتاژ متناوب بگیرید و با استفاده از آن، لوازم برقی معمولی را به کار بیاندازید.

بازده سلول خورشیدی (Solar cell efficiency) چیست و به چه معناست؟

نرخ بازده سلول خورشیدی مشخص می‌کند چنددرصد نوری که از خورشید به سلول خورشیدی می‌تابد می‌تواند به برق قابل استفاده تبدیل شود. هرچه بازده سلول خورشیدی بیشتر باشد، صفحه‌ها یا پانل‌های خورشیدی برای تامین انرژی موردنیاز، مساحت کمتری اشغال می‌کنند. و البته تجهیزات پربازده‌تر گران‌ترند.

شاید عده‌ای تصور کنند که هر چه پنل‌های خورشیدی باکیفیت‌تر باشند، بازده‌شان هم بیشتر است. اما الزاما چنین نیست. وقتی گفته می‌شود بازده سامانه فتوولتاییک خورشیدی زیاد است، یعنی نسبت به نمونه کم‌بازده‌تر فضای کمتری اشغال می‌کند. به‌عبارت دیگر اگر دو صفحه خورشیدی با مساحت یکسان، یکی پربازده‌تر و دیگری کم‌بازده‌تر باشند، صفحه خورشیدی پربازده‌تر از همان مقدار مساحت، برق بیشتری تولید می‌کند. پس کاربرانی که در نواحی متراکم‌تر زندگی می‌کنند و برای نصب پنل‌های خورشیدی فضای بسیار محدودی دارند، باید به میزان بازده صفحه خورشیدی اهمیت دهند.  

کسب درآمد از برق خورشیدی

برق متناوبی را که صفحه‌ها یا پنل‌های خورشیدی تولید می‌کنند می‌توان به خانه و ساختمان انتقال داد و با آن برق، لوازمی مانند چراغ‌ها، لوازم آشپزخانه، رایانه‌ها، کولرها و... را به کار انداخت.  

اگر صفحه‌های خورشیدی بیش از نیاز کاربر برق تولید کنند، کاربر می‌تواند آن را به شرکت‌های تامین برق بفروشد تا دیگران از آن بهره ببرند. این برق اضافی را با کنتور می‌سنجند و شرکت تامین برق مبلغ آن را می‌پردازد. اما اگر بالعکس، نیاز کاربر به برق بیش از آن‌چیزی باشد که صفحه‌ها یا پنل‌های خورشیدی تولید کرده‌اند، می‌تواند مابقی نیاز خود را از شرکت‌های تامین‌کننده برق خریداری کند و مبلغش را بپردازد.