نیروگاه‌های خورشیدی در دهه‌های اخیر، به عنوان یکی از مهمترین فناوری‌های تولید انرژی پاک و پایدار، مورد توجه محیط های صنعتی قرار گرفته اند.این نوع از نیروگاه‌ها با بهره‌گیری از تکنولوژی‌های نوین سلول‌های خورشیدی، توانایی تبدیل انرژی نور خورشید به انرژی الکتریکی را دارند، که این عمل منجر به تولید انرژی بسیار پاک و قابل استفاده میشود.
با توجه به پایین بودن هزینه‌ها و محدود نبودن منابع، نیروگاه‌های خورشیدی به عنوان یک راه حل اقتصادی و محیط زیستی برای تولید انرژی در سطح جهان شناخته شده‌اند. از سوی دیگر، این نوع از نیروگاه‌ها به دلیل انعطاف‌پذیری و قابلیت نصب در مکان‌های مختلف، از جمله سطح زمین، سقف‌ها و سایر ساختمان‌ها، به راحتی قابل استفاده و گسترش می‌باشند.
به این ترتیب، نیروگاه‌های خورشیدی نقش مهمی در ایجاد یک منبع انرژی پایدار و کاهش وابستگی به منابع انرژی فسیلی ایفا میکنند، و به ما راهی جهت سازماندهی یک زندگی پایدارتر و محیط زیستی تمیزتر را نشان می‌دهند.
نیروگاه‌های خورشیدی، ابزارهایی مبتنی بر فناوری تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی هستند. این نیروگاه‌ها از پنل‌های خورشیدی جهت جذب نور خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی استفاده میکنند. انرژی الکتریکی تولید شده سپس به شبکه برق متصل میشود یا در باتری‌ها ذخیره میشود. این فناوری به دلیل پایدار بودن، کم اثر بر محیط زیست و تأمین انرژی پایدار، به عنوان یکی از اصلی‌ترین روش‌های تولید انرژی در دنیا شناخته میشود. در مقاله آشنایی با انرژی خورشیدی | نقطه شروع دنیای پاک و سبز با اهمیت، نحوه عملکرد و آینده نیروگاه های خورشیدی آشنا شدیم. در ادامه این مقاله بحث نیروگاه های خورشیدی را به صورت تخصصی‌تر پیش می‌گیریم.
چند نمونه نیرو گاه‌های خورشیدی
نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک
یکی از اصلی ترین انواع نیروگاه های خورشیدی ، نیروگاه فتوولتائیک می باشد.این نیروگاه ها از تکنولوژی تبدیل نورخورشید به انرژی الکتریکی با استفاده ازسلول های خورشیدی (فتوولتائیک)استفاده می کنند.این سلول ها معمولا از سیلیکون ساخته می شوند هنگامی که نور خورشید به این سلول ها می تابد الکترون های درون آ« تحریک می شوند و جریان الکتریکی ایجاد می شود، از طریق تجمیع این انرژی،برق تولید می شود ،این نیروگاه ها که توسط سلول های خورشیدی تشکیل می شوند اغلب بر روی سطح زمین در تعداد بسیار زیاد با توجه به مساحت محیط نصب می شوند و به عنوان یکی از روش های پاک و قابل تجدید برای تولید برق مورد استفاده قرار می گیرد.
نیروگاه خورشیدی هلیوستات
نیروگاه های خورشیدی هلیوستات یکی دیگر از انواع مهم نیروگاه های خورشیدی هستند که برای تولید برق استفاده می شوند این نیروگاه ها در واقع حرارت حاصل شده از تابش نور خورشید را با توجه به مکانیزم خاصی به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.اصول کار این نیروگاه بسیار شبیه به نیروگاه های فسیلی است با این تفاوت که در این نیروگاه برای ایجاد بخار از نور خورشید استفاده می شود .در یک نیروگاه خورشیدی هلیوستات انرژی خورشیدی از طریق پنل های خورشیدی یا آینه ها جمع آوری می شوند. این پنل های خورشیدی یا آینه های خورشیدی به گونه طراحی و تنظیم شده اند که بتوانند نور خورشید را به یک نقطه خاص که معمولا یک لوله حرارتی یا برج خورشیدی است متمرکز کنند.در این نقطه یا برج خورشیدی و یا لوله حرارتی مایع ذخیره شده در آن که معمولا آب است گرم میشود و سپس از طریق یک ژنراتور بخار به بخار تبدیل می گردد و در نهایت از این بخار ایجاد شده برای به حرکت در آوردن توربین ها و ایجاد برق استفاد می شود
نیروگاه خورشیدی سهموی خطی
نیروگاه خورشیدی سهموی خطی نیز از لحاظ عملکرد بسیار شبیه به نیروگاه های خورشیدی هلیوستات هستند اما ساختار این نیروگاه ها با نیروگاه های هلیوستات متفاوت می باشد. این نیروگاه ها یکی دیگر از انواع نیروگاه های حرارتی خورشیدی است که با توجه به متمرکز کردن نور خورشید به شکل خاصی باعث ایجاد حرارت می شود و از این حرارت برای راه اندازی توربین ها می شود.
در این نیروگاه ها چنل ها یا سیستم های متمرکز کننده که معمولا از جنس آینه می باشند در مساحت بسیار طولانی به شکل سهموی شکل در مسیر تابش مستقیم آفتاب نصب می شوند و با توجه به ساختار سهموی و خاصی که دارند، بازتاب این تابش را در جایی روی خط کانونی خود منعکس میکنند.
در ساختار نیروگاه خورشیدی سهموی خطی،از یک سیستم ترکر خورشیدی یا ردیاب خورشیدی تک‌محوره استفاده می شود تا بتواند در طول روز، تابش خورشید را ردیابی کند و حداکثر میزان بازدهی را داشته باشد.
و در نهایت مانند نیروگاه های هلیوستات ، انرژی خورشیدی دریافتی از این پنل های سهموی را به لوله های حاوی سیالات که غالبا آب می باشد منتقل می کنند تا بتوانند به کمک ژنراتور ها از آن بخار ایجا کندد و سپس این بخار را به توربین ها منتقل میکنند که انرژی الکتریکی تولید بگردد.
نیروگاه دودکش خورشیدی
نیروگاه‌های دودکش خورشیدی نیروگاه هایی هستند که از گرمای هوا برای تولید برق استفاده می کنند.این نیرو گاه ها از توربین بادی یا گلخانه ای، دودکش های بلند و پنل های خورشیدی(شیشه های جاذب) تشکیل شده اند.
ساختار این نیرو گاه اینگونه است که در مرکز نیروگاه های خورشیدی که از صفحه های خورشیدی یا شیشه های جاذب پهناور بر روی سطح زمین تشکیل شده است، یک برج بلند تحت عنوان دودکش قرار دارد .
نیروگاه خورشیدی استرلینگ
نیروگاه خورشیدی استرلینگ همانند یک دیش ماهواره می‌باشند که در نقطه کانونی خود یک موتور استرلینگ دارند.نیروگاه های خورشیدی استرلینگ بازدهی بالایی دارند چون از سیستم ردیابی دومحوره استفاده می کنند و طول عمر این نیروگاه نیز زیاد است.
نیروگاه‌های استرلینگ مجهز به ردیاب‌های خورشیدی دو محوره هستند تا حداکثر تابش خورشید را دریافت کنند و بیشترین بازدهی را داشته باشند . دیش موجود در این نیروگاه ها گرما را در موتور استرلینگ که در نقطه کانونی اش قرار دارد مورد استفاده قرار می دهد. زمانی که گرما توسط موتور استرلینگ دریافت شد به گاز درون موتور استرلینگ که عموماً هیدروژن و یا هلیوم است برخورد می کند، باعث ایجاد حرکت موتور و در نهایت تولید برق میشود.این نوع نیروگاه های خورشیدی بازدهی بالایی دارند و طول عمرشان زیاد است و از انتشار آلودگی های محیطی و صوتی جلوگیری می نمایند. میزان ظرفیت برق تولیدی نیروگاه های بشقابی استرلینگ بسیار بالاست و دارای راندمان مطلوبی هستند.همچنین امکان بهره‌برداری، نگهداری، نصب ساده و تولید زیاد آن ها نیز وجود دارد.
تجهیزات تشکیل دهنده نیروگاه‌های خورشیدی
پنل‌های خورشیدی
یکی از مهمترین بخش های اصلی نیروگاه های خورشیدی پنل‌های خورشیدی یا ماژول‌های خورشیدی هستند. پنل های خورشیدی دستگاه‌هایی هستند که نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. این پنل‌ها از سلول‌های خورشیدی ساخته شده‌اند که اصلی‌ترین قسمت آنها هستند.
سلول‌های خورشیدی سیلیکونی (Crystalline Silicon Solar Cells):
سلول‌های خورشیدی مونوکریستالین:
در این نوع، کریستال‌های بزرگ سیلیکونی بصورت یکپارچه و با ساختار بلورین تشکیل شده‌اند. این سلول‌ها بازدهی بالاتری دارند اما هزینه تولید بیشتری دارند.
سلول‌های خورشیدی پلی‌کریستالین:
این نوع سلول‌ها از کریستال‌های کوچک‌تر و بدون ترتیب کامل تشکیل شده‌اند. این سلول‌ها ارزان‌تر در تولید هستند اما بازدهی آنها کمتر است.
سلول‌های خورشیدی فیلمی (Thin-Film Solar Cells)
سلول‌های خورشیدی سیلیکونی نازک:
این نوع سلول‌ها از لایه‌های نازک سیلیکون یا سیلیکون آلی تشکیل شده‌اند. آنها از دیدگاه تولید، انعطاف‌پذیری و وزن سبک‌تر هستند.
سلول‌های خورشیدی ترکیبی (CIGS، CdTe)
این نوع سلول‌ها از ترکیبات مختلف نیمه‌هادی تشکیل شده‌اند. آنها امکان تولید با هزینه پایین‌تر و کارایی بالاتر را فراهم میکنند.
تمام این انواع سلول‌های خورشیدی به یکدیگر متصل شده‌اند تا توان تولیدی افزایش یابد. هر سلول خورشیدی در واقع یک تجمع‌دهنده انرژی است که نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، و هنگامی که به صورت مجموعه‌ای در پنل‌های خورشیدی قرار می‌گیرند، تولید انرژی بیشتری امکان‌پذیر میشود.
جنس و ساختار
سلول‌های خورشیدی معمولاً از مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون استفاده میکنند. این سلول‌ها دارای لایه‌های مختلفی هستند که نور خورشید را جذب کرده و انرژی الکتریکی را تولید میکنند. پس از تولید، سلول‌های خورشیدی در یک قاب محافظ قرار می‌گیرند که از موادی مانند شیشه یا پلاستیک تشکیل شده است.
ابعاد و محل قرارگیری
ابعاد پنل‌های خورشیدی متفاوت بوده و به میزان توان تولیدی و نوع نصب آنها بستگی دارد. آنها معمولاً به صورت مستطیلی یا مربعی هستند و می‌توانند به صورت عمودی یا افقی روی سطوح نصب شوند، از جمله روی سطوح سقف، زمین، ستون‌ها یا سازه‌های دیگر.
طول عمر و بازدهی:
طول عمر پنل‌های خورشیدی معمولاً بین ۲۰ تا ۳۰ سال است، اما ممکن است در صورت نگهداری مناسب، طول عمر آنها بیشتر شود. بازدهی پنل‌های خورشیدی به عواملی مانند موقعیت جغرافیایی، زاویه نصب، شرایط آب و هوایی و کیفیت سلول‌های خورشیدی بستگی دارد. معمولاً بازدهی آنها بین ۱۵ تا ۲۵ درصد است.
پنل‌های خورشیدی به عنوان یکی از مهمترین عوامل نیروگاه های خورشیدی در تولید انرژی خورشیدی و انتقال به انرژی الکتریکی است، و به دلیل پایداری، پایان نامه زیست محیطی، و امکان استفاده در مناطق مختلف جهان، جایگاه ویژه‌ای در صنعت انرژی دارند.
این پنل‌ها شامل سلول‌های خورشیدی هستند که نور خورشید را جذب و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. سلول‌های خورشیدی معمولاً از سیلیکون استفاده میکنند.سلول‌های خورشیدی، قسمت اصلی و تعیین‌کننده‌ی پنل‌های خورشیدی هستند و به طور معمول از مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون تشکیل شده‌اند. این سلول‌ها دارای ساختارهای مختلفی هستند، اما دو نوع اصلی آنها عبارتند از:
ردیاب‌های خورشیدی:
ردیاب‌های خورشیدی، تجهیزاتی هستند که به پنل‌های خورشیدی متصل شده و برای ردیابی و جذب بهینه‌تر نور خورشید و تولید بیشتر انرژی الکتریکی از آن استفاده می‌شوند. این ردیاب‌ها دارای ساختار و قابلیت‌های مختلفی هستند، که در زیر به آن پرداخته می شود.
ردیاب‌های دو محوره (Dual-Axis Trackers)
این نوع ردیاب‌ها به دو راهکار برای ردیابی نور خورشید، یعنی دوران به اطراف محور عمودی و محور افقی، مجهز هستند. این ردیاب‌ها قادرند نور خورشید را به طور دقیق‌تر دنبال کرده و انرژی بیشتری تولید کنند.
ردیاب‌های یک محوره (Single-Axis Trackers)
این نوع ردیاب‌ها فقط در یک محور (عمودی یا افقی) دوران میکنند. اغلب این نوع ردیاب‌ها به اطراف محور عمودی می چرخند تا نور خورشید را در طول روز دنبال کنند.
ساختار و مکانیزم:
ردیاب‌های خورشیدی معمولاً دارای ساختار فلزی یا بتنی هستند که پنل‌های خورشیدی را حمل و جابجا میکنند.
این ردیاب‌ها از مکانیزم‌های مختلفی برای حرکت داشته و می‌توانند به صورت دستی یا اتوماتیک عمل کنند. ردیاب‌های اتوماتیک معمولاً از سنسورها و سیستم‌های کنترل خودکار برای ردیابی نور خورشید استفاده میکنند.
مزایا:
افزایش بازدهی: با دنبال کردن نور خورشید به صورت دقیق، ردیاب‌های خورشیدی امکان تولید بیشتری انرژی الکتریکی را فراهم میکنند.
کارایی بالا: این ردیاب‌ها امکان جذب بهینه‌تر نور خورشید را در طول روز فراهم میکنند، حتی در شرایط نوری متغیر.
قابلیت نصب در مکان‌های مختلف: ردیاب‌های خورشیدی می‌توانند در مکان‌های مختلفی نصب شوند، از جمله زمین، سقف‌ها، یا ستون‌ها.
ردیاب‌های خورشیدی با افزایش کارایی و بازدهی پنل‌های خورشیدی، بهبود قابل توجهی در عملکرد نیروگاه‌های خورشیدی ایجاد میکنند و به عنوان یک فناوری مهم در صنعت انرژی پایدار مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این تجهیزات به پنل‌های خورشیدی متصل هستند و به طور خودکار به سمت نور خورشید هدایت می‌شوند تا بهینه‌سازی جذب نور و تولید انرژی الکتریکی انجام شود.
تجهیزات تبدیل‌کننده
تجهیزات تبدیل‌کننده در نیروگاه‌های خورشیدی وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی به فرم مورد نیاز برای اتصال به شبکه برق یا باتری‌ها را دارند. این تجهیزات عمدتا از اینورترها و تجهیزات مرتبط با حفاظت و کنترل تشکیل شده‌اند. در زیر به مفصل توضیح این تجهیزات می‌پردازم:
اینورترهای شبکه‌ای (Grid-Tied Inverters)
این نوع اینورترها انرژی الکتریکی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را به فرکانس و ولتاژ شبکه برق تبدیل میکنند. آنها به شبکه برق متصل می‌شوند و انرژی تولیدی را به طور مستقیم به شبکه تأمین میکنند.
اینورترهای خودکار (Off-Grid Inverters)
این نوع اینورترها برای سیستم‌هایی استفاده می‌شوند که از شبکه برق مستقل هستند، مانند سیستم‌های خورشیدی مستقل در مناطقی که به شبکه برق متصل نیستند. آنها انرژی الکتریکی را از باتری‌ها یا سایر منابع ذخیره‌سازی تأمین میکنند.
میکرو اینورتر ها (micro Inverters)
این نوع اینورترها برای هر پنل خورشیدی یک اینورتر جداگانه دارند، که انرژی تولید شده توسط هر پنل را به فرکانس و ولتاژ مورد نیاز تبدیل میکنند. این نوع اینورترها کارایی بیشتر و ردگیری دقیق‌تر از تولید انرژی دارند.
تجهیزات حفاظتی و کنترلی
سیستم‌های حفاظتی (Protection Systems):
این تجهیزات برای حفاظت از نیروگاه و تجهیزات الکتریکی در برابر وقوع حوادث ناخواسته مانند اتصال کوتاه یا ولتاژ بالا استفاده می‌شوند.
سیستم‌های کنترلی (Control Systems):
این تجهیزات برای کنترل و مدیریت عملکرد نیروگاه، بهینه‌سازی تولید انرژی و ارتباط با سیستم‌های مدیریت انرژی (EMS) و سیستم‌های هوشمند (SCADA) استفاده می‌شوند.
تجهیزات اتصال به شبکه برق
این تجهیزات شامل ترانسفورماتورها، سیستم‌های انتقال و توزیع برق، سیم‌کشی‌ها، قطع‌کن‌ها و محافظ‌های فشار است که انرژی الکتریکی تولید شده توسط نیروگاه خورشیدی را به شبکه برق انتقال می‌دهند.
تجهیزات مبدل های برق در نیروگاه‌های خورشیدی اهمیت بسیاری دارند زیرا وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی به فرم قابل استفاده و اتصال به شبکه را دارند.
انرژی الکتریکی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی، از طریق تجهیزات تبدیل‌کننده مانند اینورتر به شکل برق متناوب (AC) تبدیل میشود، که سپس به شبکه برق متصل میشود یا در باتری‌ها ذخیره میشود.
تجهیزات اتصال به شبکه برقی در نیروگاه‌های خورشیدی مسئول انتقال انرژی الکتریکی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی به شبکه برق عمومی یا شبکه توزیع می‌باشند. این تجهیزات شامل چندین قسمت و سیستم مختلف هستند که به طور کلی شامل موارد زیر می‌شوند:
ترانسفورماتورها (Transformers):
ترانسفورماتورها مسئول تبدیل ولتاژ تولیدی توسط نیروگاه خورشیدی به ولتاژ مورد نیاز شبکه برق یا شبکه توزیع هستند.این تجهیزات انرژی الکتریکی را با استفاده از اصول فیزیکی ترانسفورماستور، از ولتاژ تولیدی (معمولاً ولتاژ متناوب) به ولتاژ مناسب برای اتصال به شبکه برق تبدیل میکنند.
سیستم‌های انتقال و توزیع برق:
این سیستم‌ها شامل لوله‌ها، سیم‌ها، کابل‌ها و تجهیزات انتقال و توزیع برق مورد نیاز برای اتصال نیروگاه خورشیدی به شبکه برق می‌باشند.آنها انرژی الکتریکی تولید شده را از ترانسفورماتورها به شبکه برق یا شبکه توزیع منتقل میکنند و برای انتقال این انرژی از نقطه تولید به مصرف‌کنندگان نهایی استفاده می‌شوند.
سیم‌کشی‌ها و کابل‌ها:
این تجهیزات شامل سیم‌ها و کابل‌های الکتریکی هستند که انرژی الکتریکی از نیروگاه خورشیدی به شبکه برق یا شبکه توزیع منتقل میکنند.سیم‌کشی‌ها و کابل‌ها باید به طور کامل ایمن و مطابق با استانداردهای مربوطه باشند تا از هرگونه خطر برق‌گرفتگی و حوادث الکتریکی جلوگیری شود.
قطع‌کن‌ها و محافظ‌های فشار
این تجهیزات برای حفاظت از شبکه برق در برابر حوادث ناخواسته مانند اتصال کوتاه یا ولتاژ بالا استفاده می‌شوند.
قطع‌کن‌ها و محافظ‌های فشار از قطع و وصل کردن جریان الکتریکی در صورت وقوع حوادث جلوگیری میکنند و ایمنی شبکه برق را تضمین میکنند.
تجهیزات اتصال به شبکه برقی در نیروگاه‌های خورشیدی از اهمیت بسزایی برخوردارند، زیرا انتقال انرژی الکتریکی تولید شده توسط نیروگاه به شبکه برق به صورت ایمن و کارآمد انجام شود.
آینده این تکنولوژی
جامعه مهندسی معتقدند که تکنولوژی نیروگاه‌های خورشیدی همانند سایر انرژی های نو دارای یک آینده روشن و پر امید است. این تکنولوژی به دلیل مزایای زیادی که ارائه می‌دهد، به سرعت در حال رشد و توسعه است و می‌تواند نقش مهمی در تولید انرژی پایدار و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای داشته باشد. در زیر، چند نکته راجع به آینده این تکنولوژی بیان شده است
کاهش هزینه‌ها:
هزینه‌های تولید پنل‌های خورشیدی و تجهیزات مرتبط با آن به دلیل پیشرفت در فناوری و افزایش مقیاس تولید به طور قابل توجهی کاهش یافته است، که این امر باعث میشود که انرژی خورشیدی به مرور زمان با قیمت رقابتی‌تری در مقابل منابع انرژی سنتی مانند فسیلی شود.
افزایش بازدهی:
پیشرفت‌های در زمینه فناوری سلول‌های خورشیدی و ردیاب‌های خورشیدی منجر به افزایش بازدهی این نیروگاه‌ها شده است. این بازدهی بالاتر به معنای تولید بیشتر انرژی الکتریکی با هزینه‌های کمتر است.
انعطاف‌پذیری بیشتر:
نیروگاه‌های خورشیدی به دلیل انعطاف‌پذیری بالا و قابلیت نصب در مکان‌های مختلف، می‌توانند به خوبی با نیازهای انرژی مناطق مختلف جهان سازگاری داشته باشند.
پیشرفت در ذخیره‌سازی انرژی:
یکی از چالش‌های مهم در حوزه انرژی خورشیدی، ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی تولید شده است. با پیشرفت در تکنولوژی ذخیره‌سازی انرژی مانند باتری‌ها، قابلیت استفاده از انرژی خورشیدی در ساعات شبانه روز و شبانه‌روزه بهبود خواهد یافت.
تسهیل در توسعه پایدار:
استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی پایدار و پاک، کمک می‌کند تا کشورها و شهرها به سمت توسعه پایدار و کاهش وابستگی به منابع انرژی فسیلی حرکت کنند.
به طور کلی، من آینده تکنولوژی نیروگاه‌های خورشیدی را به عنوان یکی از راه‌حل‌های اساسی برای تولید انرژی پایدار و مقابله با تغییرات اقلیمی می‌بینم، و معتقدم که با پیشرفت بیشتر در این حوزه، نقش این تکنولوژی در تأمین انرژی جهان به شدت افزایش خواهد یافت.