» عوامل مؤثر بر راندمان سیستم های فتوولتاییک

تاریخ : تیر ۲۱, ۱۳۸۷ | نویسنده : جواد عباسی | دسته : دسته‌بندی نشده | تعداد بازدید : 1761

دکتر کاوه شکوهی دهکردی
alt

چکیده : اگر قرن ۱۹ را قرن ذغالسنگ و قرن ۲۰ را قرن نفت بدانیم، قرن ۲۱ دوران بکارگیری انرژی خورشیدی خواهد بود. میزان مصرف انرژی در این دوران از اهمیت? بسیاری برخوردار است.لذا‌کشف منابع جدید انرژی می تواند بخش عظیمی از مشکلات موجود را حل کند. در بین منابع مختلف انرژی، انرژی خورشیدی به دلیل نامحدود بودن و عدم تخریب محیط زیست، منبع بسیار مناسبی می باشد و امروزه بکارگیری انرژی خورشیدی رو به گسترش است. استفاده از انرژی خورشیدی به روشهای متفاوتی صورت می گیرد. از جمله این روش ها،سیستم فتوولتاییک است و در این مقاله به بررسی وبهینه سازی بهره برداری از آن پرداخته می شود.

رجوع کنید به ادامه مطلب ….






مقدمه


  • فتوولتاییک به سیستمی گفته می شود که انرژی خورشید را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل کرده جوابگوی بخش وسیعی از نیاز جامعه به انرژی می باشد. در این سیستم بدون استفاده از فرایند ترمودینامیک یا سیال عامل، انرژی تشعشعی فوتونهای نور خورشید با راندمان ۵ تا ۲۵ درصد، مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.
  • سیستم فتوولتاییک به دلیل مزایایی مانند کوتاه بودن زمان طراحی و نصب سیستم، بی صدا بودن فرایند تبدیل انرژی، عمر زیاد و نیاز به نگهداری اندک به دلیل نداشتن اجزاء متحرک، حمل و نقل آسان به دلیل سبک بودن اجزاء و همچنین عدم تولید آلودگی های زیست محیطی، در حال گسترش و پیشرفت شتابان است.
  • لیکن نسبت به سایر منابع تولید انرژی دارای قیمت نسبتاً بالایی می باشد. لذا استفاده بهینه و جذب وتبدیل حداکثر مقدار انرژی دریافتی خورشیدی ممکن بسیارضروری است. بدین منظور لازم است تا عوامل مؤثر بر راندمان سیستم های فتوولتاییک مشخص گردند و شرایط لازم برای استفاده بهینه از آنها معرفی شوند.
  • ?

  • سیستم های فتوولتاییک ( pv )
  • ماده اولیه به کار رفته در سیستم های فتوولتاییک سیلیکون است. زمانیکه صفحه های سیلیکون در معرض تابش نور خورشید قرار می گیرند، جریان الکتریکی مستقیم dc در آنها تولید می شود. ( تصویر ۱).
  • پانلهای فتوولتاییک نسبت به تابش های مستقیم و پراکنده عکس العمل نشان می دهند. اما مقدار خروجی انرژی الکتریکی با افزایش مقدار تابش نور یا پرتوافکنی بیشتر، افزایش می یابد. سیستم فتوولتاییک در بسیاری از تولیدات امروزی مانند ماشین های حساب، ساعتها، رادیوها، فانوسهای دریایی، ماهواره ها و حتی نسل جدید خودروها استفاده می شود.پدیده دیگری که هم اکنون رایج گردیده، استفاده ازسیستم فتوولتاییک در معماری و صنعت ساختمان بمنظور تامین برق ساختمانها می باشد. ( تصویر ۲).

  • image
  • (تصویر ۱) : دیاگرام سیستم فتوولتاییک ?(تصویر ۲) : تابش مستقیم و پراکنده
  • انواع سیستم های فتوولتاییک?
  • سیستم های متداول فتوولتاییک دارای انواع مختلف مونوکریستالین سیلیکون، پلی کریستالین سیلیکون و فیلمهای نازک سیلیکون ( سیلیکون بدون شکل ) می باشند. یک نمونه سلول کریستالین ممکن است ابعادی در حدود ۱۰۰mm * ?100mm داشته باشد. در جدول زیر مقدار بازدهی این سیستمها نشان داده شده است.
  • جدول ۱ : بازدهی فتوولتاییک ها

    ? نوع مقدار تولید تقریبی سلول (%) مقدار تولید و بازدهی تقریبی یک مدول (%)
    ۱- مونوکریستالین سیلیکون ۱۷ – ۱۳ ۱۵? – ۱۲
    ۲- پلی کریستالین سیلیکون ۱۵ – ۱۲ ۱۴? – ۱۱
    ۳- فیلم نازک سیلیکون?(سیلیکون بدون شکل) ((tfs ۵ ۹/۴ – ۵/۴

    میزان بازدهی در شرایط استاندارد آزمایشگاهی ( stc) تعیین شده است.

?
  • از لحاظ تئوری بازدهی سیستم های سیلیکونی در حدود ۳۰ % می باشد که این میزان رو به افزایش است. سلولهای کریستالین سیلیکون شامل دو نوع سیلیکون p , n و اتصالات الکتریکی می باشند. تصویر ۳ ساختار این سلولها را به صورت شماتیک نشان می دهد.سلولهایی که دارای ولتاژ کمتری هستند، به صورت سری به هم متصل شده اند. تا مدولی با ولتاژ بیشتر را به وجود آورند. این مدولها همانند یک ساندویچ ( بصورت ورقه هایی که لایه لایه بوده و رویهم گذاشته شده اند )، ساخته می شوند و دارای لایه پشتی و یک لایه پوششی از فلزات نیمه صیقلی است.

  • image
  • (تصویر ۳) : سلول کریستالین سیلیکون
  • یک فریم سازه ای در برخی موارد از شیشه ها محافظت می کند. لایه پشتی نیز حتماً نباید مات و غیر شفاف باشد. مثلاً در ساختمان خورشیدی داکسفورد، سلولهای فتوولتاییک در محفظه هایی بین دو لایه شیشه با فضای شفاف بین سلولها قرار گرفته اند. ( تصویر ۴). بنابراین نور از سطوح شفاف مدولها عبور می کند. سیستم های فتوولتاییک از نوع سیلیکونهای فیلم نازک ( tfs ) که از سیلیکونهای بدون شکل استفاده می کنند، بین لایه n , p خود یک لایه i نیز دارند. این سلولها دارای ضخامت کمتری نسبت به انواع کریستالین هستند و می توانند از جنس پلاستیک یا فلز و به صورت انعطاف پذیر باشند. ( تصویر ۵).
  • image
  • (تصویر ۴) : فریم سازه ای ?(تصویر ۵) :کاربرد سیلیکون بی شکل درtfs
  • زمانی که سلولهای فتوولتاییک به صورت لایه لایه رویهم قرار بگیرند، یک مدول را تشکیل می دهند و وقتی تعدادی از مدولها به صورت سری یا موازی به هم متصل شوند، آرایه را تشکیل می دهند. انرژی تولید شده از یک آرایه به دستگاه pcu منتقل می شود.
  • pcu لغت یا واژه ای است برای ابزار آلاتی که انرژی خروجی آرایه های فتوولتاییک را به شکل مناسب و قابل مصرف برای ساختمان تبدیل می کنند و معمولاً دارای اجزای اصلی شامل یک مبدل است که جریان الکتریکی تولیدی dc را به جریان متناوب ac تبدیل می کند. سایر قطعات pcu نیز عبارتند از: دستگاه کنترل مشترک و تجهیزات حفاظتی.
  • pcu و مبدل بگونه ای نصب می شوند که قابل تعویض باشند. در این سیستم جریان خروجی ac از pcu به سمت یک جعبه توزیع داخل ساختمان رفته و اگر مقدار مصرف از حد معمول تجاوز کند، برق تولید شده? به شبکه برق شهری منتقل می شود.( تصویر ۶)
  • ?
    image
  • (تصویر ۶) : طرح شماتیک سیستم pv متصل شده به شبکه برق شهری
  • مدولهای کریستالین سیلیکون در اشکال و ابعاد متنوعی وجود دارند. البته نمونه های مستطیلی ۳/. تا ۵/۱ مترمربع نسبت به بقیه فراوانتر هستند. وزن یک مدول ۵/. مترمربع به همراه فریم ۱٫۲m در حدود ۷٫۵ kg می باشد و پانل های بدون کلاف آن حدود ۴٫۵ kg وزن دارند. البته مدولهای بزرگتر نیز در صورت لزوم توسط سازنده، ساخته می شود.
  • مدولهای tfs در بازار جهانی معمولاً ابعادی بعرض تقریبی ۲/۱ تا ۱ متر و بطول ۷/۱ تا ۵/۱ متر? دارند. در کشور امریکا برای مقیاسهای کوچکتر معمولاً از سیلیکون بدون شکل استفاده می شود که دارای انعطاف پذیری بیشتری می باشد. مدولهای مونوکریستالین سیلیکون معمولا دررنگ آبی ساده تخت هستند. البته سایر رنگها نیز وجود دارد که سبب کاهش بازدهی مدول می گردد.
  • مدولهای پلی کریستالین نیز معمولاً آبی رنگ می باشند. نگاه کردن به یک آرایه پلی کریستالین همانند نگاه کردن به یک آسمان شب پر ستاره است. با این تفاوت که رنگ پیش زمینه به جای مشکی، آبی است .
  • سیستم های فتوولتاییک از نوع tfs نیز مانند انواع دیگر هستند. ولی سطوح آنها تیره و مات و شبیه به شیشه های رنگی می باشد. رنگها شامل خاکستری، قهوه ای و مشکی است.
  • طول عمر سیستمهای فتوولتاییک نسبتاً زیاد است. بطور متوسط این سیستم ها برای مدت ۲۰ تا ۲۵ سال مورد استفاده قرار می گیرند و البته کارخانه سازنده این مدولها معمولاً آنها را برای مدت ۱۰ سال گارانتی می کند. بدین ترتیب که آنها در حدود ۹۰ % از انرژی خروجی ارزیابی شده خود را تا مدت ۱۰ سال تولید می کنند. اما به مرور زمان عواملی همچون نفوذ آب به داخل مدولها باعث آسیب آنها شده و از بازدهی مدولها می کاهد.
  • از نظر مسائل زیست محیطی، سیستم های فتوولتاییک دارای مزایای مهمی می باشند. این سیستم ها هیچگونه ضایعات آلوده کننده ای نداشته و درفرایند ساخت، مواد آلوده کننده ای تولید نمی کنند.
  • ?

  • مقدار انرژی تولید شده توسط سیستم های فتوولتاییک
  • به منظور اندازه گیری انرژی تولیدی سیستم های فتوولتاییک باید اینگونه در نظر گرفت که انرژی خروجی سیستم های فتوولتاییک برابر خروجی آرایه های فتوولتاییک است منهای خسارات حاصل از استهلاک در جریان تولید. این مقدار انرژی به عوامل زیر وابسته است:
  • ۱ – تغییرات مقدار تابش روزانه، به علت چرخش زمین و حرکت آن به دور خورشید.
  • ۲ – موقعیت سایت یا بعبارت دیگر، میزان تابش خورشید در سایت.
  • ۳ – زاویه انحراف ( کجی ).??????????????????????????????????????????????????????
  • ۴ – زاویه ازیموت یعنی زاویه با سمت جنوب. ( تصویر ۷)?????????????????
  • ۵ – مقدار سایه افکنی ???????????????????????????????????????????????????????????
  • ۶ – دما?????????????????????????????????

  • image
  • (تصویر ۷) : زاویه انحراف و زاویه ازیموت
  • به منظور مقایسه مدولهای فتوولتاییک و عوامل مؤثر بر آنها، این سیستم ها در شرایط استاندارد آزمایشگاهی ( stc ) یعنی دمای۲۵ درجه و ۱۰۰۰ وات بر مترمربع آزمایش شده اند. در این شرایط یک مدول مونوکریستالین با اندازه یک مترمربع و راندمان ۱۵ % مقدار ۱۵۰ wp انرژی تولید می کند. ( جدول ۱ ).البته این انرژی از نوع جریان الکتریکی مستقیمdc ?می باشد. لیکن مقدار تابش دریافتی ۱۰۰۰ وات بر مترمربع مقدار بسیار بالایی است که فقط در شرایط بسیار آفتابی به دست می آید و در حالت کلی مقدار کمتری را باید در نظر گرفت.
  • ?

  • مکان، زاویه انحراف و زاویه ازیموت
  • به منظور بررسی حداکثر مقدار خروجی سیستم های فتوولتاییک مخصوصاً در سیستم های متصل به شبکه برق، باید مقدار تولید انرژی سالیانه را در نظر گرفت. بدین منظور باید از نقشه های معدل تابش سالیانه استفاده کرد و اطلاعات لازم مربوط به حداکثر مقدار تابش سالیانه خورشید روی سطوح افقی را به دست آورد. امروزه این داده ها را با استفاده از برنامه های کامپیوتری و بهمراه داده های هواشناسی تحلیل می کنند. ( تصویر ۸)
  • ?
    image
  • (تصویر ۸) : نقشه تابش سالانه برای اسکدالامور
  • نکته مهم در آن است که نقشه ها تأثیر تغییرات را در میزان تابش همانند عملکرد جهت یابی و زاویه انحراف نشان دهند. مقدار ماکزیمم تابش سالیانه خورشید و بنابراین، مقدار انرژی تولیدی معمولاً در یک جهت گیری حدودی نسبت به? جنوب و در زاویه ای برابر با عرض جغرافیایی محل منهای ۲۰ درجه نسبت به افق به دست می آید.
  • به عنوان مثال در منطقه اسکدالامور با عرض جغرافیایی ۵۵درجه و ۱۹ ثانیه شمالی و با ماکزیمم تابش سالیانه حداکثر مقدار انرژی تولیدی زمانی است که جهت گیری برابر با ۵درجه جنوب غربی و زاویه انحراف حدود ۳۶ درجه می باشد. (تصویر ۸)
  • اگر ما یک آرایه مونوکریستالین سیلیکون با سطح ۵۰ مترمربع و راندمان ۱۵ % و میزان انرژی اسمی ۷٫۵ kwp در زاویه انحراف ۲۰ درجه و ازیموت ۳۰ درجه قرار دهیم، مقدار خروجی سالیانه ( s ) برابر است با:
  • s=50*920*0/15*0/95=6555kwh/y
  • ?

  • تأثیر سایه افکنی و عامل دمای هوا
  • مقدار تولید سایه به موقعیت جغرافیایی محل، همسایگی ساختمانها و مقدار سایه ای که فرمهای معماری ایجاد می کنند، وابسته است. ایجاد سایه در سیستم های فتوولتاییک باعث کاهش راندمان سیستم می شود.
  • قابلیت اجرایی مدولهای سیستم فتوولتاییک pv با افزایش دمای هوا نیز کاهش می یابد. و این کاهش راندمان در کریستالین های سیلیکون نسبت به سیلیکون های بدون شکل اهمیت بیشتری دارد.
  • به منظور جلوگیری از افزایش دمای مدولهای فتوولتاییک باید در ضمن طراحی سیستم، به این مسئله توجه شود. یعنی هوا باید بتواند در پشت مدولهای pv جریان یافته و کیفیت اجرای آنها را حفظ کند.
  • مدولهای فتوولتاییک ساختمانی می توانند تا حدود ۲۴ الی ۲۸ درجه بالاتر از حد مجاز و در شرایط تابشی شدید گرم شوند. به ازای هر۱ درجه افزایش دمای سلول در دماهای بالاتر از ۲۵ درجه مقدار انرژی تولیدی در حدود ۰٫۴ – ۰٫۵ % کاهش می یابد. بنابراین می توان خسارات احتمالی را با تقریبی سالیانه به طریق زیر محاسبه نمود:
  • ۱۵c*./45%/c=6/8%
  • بطورکلی بهتر است که خسارات ناشی از دما و سایر عوامل مانند گرد وغبار و عدم هماهنگی را بعنوان عاملی کلی در نظر گرفته که تحت عنوان ضریب k نام برده می شود و مقدار آن برابر با ۰٫۹ می باشد.
  • البته یک عامل خسارت دیگر تحت عنوان l نیز بررسی می شود و مقدار آن ۰٫۸ است. در نهایت برای سیستم های فتوولتاییک در شرایطی که سایه افکنی نداشته باشند، مقدار تقریبی تولید انرژی سالیانه سیستم که تحت عنوان e نامیده می شود، از فرمول زیر بدست می آید.
  • e=s*k*l
  • e=6555*0/9*./8=4720kwh/y =94kwh/m2y
  • ?

  • درحالت کلی تقریباً برای هر یک متر مربع آرایه فتوولتاییک از نوع مونوکریستالین با جهت گیری و زاویه انحراف صحیح و در یک سیستم با راندمان بالا مقدار e برابر ۱۰۰ kwh/y می باشد.
  • مقدار انرژی تولیدی به مقدار حداکثر راندمان سیستم نیز مرتبط است.بنابراین سیستمی با آرایه مونوکریستالین و مساحت ۵۰ مترمربع دارای مقدار خروجی ۴۷۲۰ kwh/y ?یا ۱۲٫۹ kwh/day ?است.
  • اگر این عدد به مقدار حداکثر۷٫۵ wp ?تقسیم شود، راندمان سیستم برابر با day/1.7 kwh/kwp خواهد بود.
  • درجدول زیرمقدار انرژی تولیدی تعدادی از آرایه های گوناگون با سطح ۵۰ مترمربع در زوایای گوناگون مقایسه شده است.
  • جدول ۲ : مقایسه خروجی آرایه ها( mwh /y ) (اطلاعات برای شهر لندن و شرایط بدون سایه است ).
  • موقعیت مونوکریستالین سیلیکون tfs
    دیوار قائم ?? ۱۰ درجهجنوبغرب ?جنوب ۴۵ درجه جنوبشرقی ? ۱۵ درجهجنوبغربی ? جنوب ? ۴۵ درجهجنوبشرقی
    ۳٫۷۲ ۳٫۷۵ ۳/۵ ۲٫۱۳ ۲٫۱۵ ۲٫۰۰
    سقف شیبدار ۳۰درجه ۵٫۳۸ ۵٫۴۱ ۵٫۱۸ ۳٫۰۸ ۳٫۰۹ ۲٫۹۶
    سقف با زاویه ۴۵ درجه?????? ۵٫۲۶ ۵٫۳۰ ۵٫۰۰ ۳٫۰۱ ۳٫۰۳ ۲٫۸۶
  • ?

  • نتیجه گیری
  • ۱ – سیستم های فتوولتاییک جریان مستقیم dc را تولید می کنند. این جریان در سیستم متصل به شبکه به جریان متناوب ac تبدیل می شود.
  • ۲ – سیستم های فتوولتاییک نسبت به تابش های مستقیم و پراکنده خورشید عکس العمل نشان می دهند.
  • ۳ – درخشش بیشتر نور خورشید باعث تولید مقدار بیشتر انرژی می شود.
  • ۴ – سلول های فتوولتاییک اجازه عبور نور را نمی دهند، اما مدولها می توانند بگونه ای سساخته شوند که بعضی از سطوح آنها شفاف بوده و برخی دیگر مات باشند.
  • ۵ – مدولها در اشکال و ابعاد مختلفی ساخته می شوند.
  • ۶ – طول عمر متوسط مدولهای فتوولتاییک حدود ۲۰ تا ۲۵ سال می باشد.
  • ۷ – طراحان سیستم فتوولتاییک عوامل مهمی را که بر مقدار انرژی تولیدی آن مؤثراست، در نظر می گیرند. این عوامل عبارتند از: ۱- زاویه انحراف? ۲- آزیموت? ۳- سایه افکنی? ۴- دما
  • ۸ – در سیستم های متصل به شبکه شهری، مقدار تولید انرژی سالیانه از مسائل بسیار مهم به شمار می رود.
  • ۹ – جهت یابی برای سیستم های فتوولتاییک مسئله مهمی است. اما در جهت یابی، نیازی به دقت بسیار بالا در تعیین زاویه وجود ندارد. با جهت یابی و زاویه انحراف تقریباً درست، می توان حدود % ۹۵ ماکزیمم انرژی خروجی را بدست آورد.
  • ۱۰ – گردش هوا برای انتقال و دفع گرما از مدولها، امری لازم و ضروریست.
  • ۱۱ – بطور کلی هر ۱ مترمربع آرایه فتوولتاییک از نوع مونوکریستالین که به صورت مناسبی در محل صحیح نصب شده باشد، با راندمان بالای سیستم مقدار انرژی تولید شده در آن حدود ۱۰۰ kwh/y خواهد بود.
  • مراجع
  • ۱ محمدصادق ذبیحی،«بررسی شرایط بهینه فنی واقتصادی برای فتوولتاییک در معماری»، مجموعه مقالات اولین همایش بهینه سازی مصرف سوخت کشور.
  • ۲- مریم بشارتی گیوی،«چگونگی استفاده از نور در ساختمان و ساخت پانل خورشیدی هوشمند»، مجموعه مقالات سومین همایش هینه سازی مصرف سوخت در ساختمان.
  • ۳- رابرت وارطانیان،حسن مقبلی،«تاثیر بکارگیری آرایه فتوولتاییک متحرک در میزان افزایش توان»، مجموعه مقالات سومین همایش هینه سازی مصرف سوخت در ساختمان.
  • ۴- randall thomas,max fordham &partners,\”photovoltaics and architecture\”,london,2001.
  • ۵- anon,\”solar electric building homes with solar power\”,london,greenpeace,1996.
  • ۶- anon,\”a performance specification for the energy efficient office of the future.brecsu.bre,watford,1995.
  • ۷- friedrick sick,thomas erge,\”photovoltaics in buildings\”:a design handbook for architects &
  • engineers,international energy agency,paris.

سحر میرشاهی

? فارغ التحصیل مهندسی علوم و صنایع غذایی از دانشگاه شهید چمران اهواز

**?(دانشجوی دکتری معماری، دانشگاه علم‌و‌صنعت ایران) ? email: kavehshokoohi[at]gmail[dot]com

به نقل از http://www.landscape.ir/index.php?option=com_content&task=view&id=375&itemid=65

  • » حجم فایل : مگابایت
  • » نوع فایل :
  • » دسته فایل : دسته‌بندی نشده
  • » رمز عبور : www.engplus.ir
  • » فایل مورد نظر در " " قسمت آماده دانلود از لینک زیر می باشد.

بدون نظر

نظر بگذارید

سوال امنیتی را جواب دهید *