به‌طور کلی عملکرد سیستم‌ PV در یکی از این دو گروه زیر قرار می‌گیرد:

1. استفاده به‌صورت مجزا (Stand-alone): سیستم به‌طور مستقل از شبکه عمل می‌کند.
2. استفاده به‌صورت متصل به شبکه (grid-connected): سیستم در این حالت به شبکه متصل می شود.

سیستم های Stand-alone در مناطق حومه شهرها استفاده می شود و سیستم های grid-connected در کشورهایی که امکان خرید و فروش برق وجود دارد بسیار کاربرد دارد.

1. سیستم‌های مجزا (off-grid)

سیستم‌های Stand-alone به‌منظور داشتن عملکردی مستقل از شبکه الکتریکی طراحی می‌شوند و به‌طول کلی برای تأمین برق مورد نیاز یک بار AC یا DC خاص طراحی می‌شوند.

سیستم stand-alone ممکن است یا فقط از آرایه‌های PV تأمین شود و یا از باد یا موتور یا از سایر منابع قدرت پشتیبانی کننده.به این سیستم های PV ،هیبرید گفته می‌شود.

از آن‌جا که در سیستم اتصال مستقیم ذخیره‌کننده انرژی (باتری) وجود ندارد، بار تنها در ساعات تابش خورشید می‌تواند کار کند. این سیستم ها تنها برای کاربردهای خاص از جمله فن‌های تهویه هوا، پمپاژ آب و سیستم‌های پمپاژ برای آبگرم‌کن‌های خورشید کاربرد دارد.هماهنگ نمودن امیدانس بار الکتریکی با بیشترین توان خروجی PV ، مساله مهمی در طراحی سیستم های مستقیم است.برای بارهی حساسی همچون برخی پمپ ها از یک مبدل DC/DC که MPPT نامیده می‌شود، بین آرایه و بار استفاده می شود تا به دریافت بیشترین توان خروجی از سلول PV کمک کند.

در بیشتر سیستم‌های مجزا، از باتری برای ذخیره انرژی استفاده می‌شود. دیاگرام زیر بیانگر یک سیستم مجزای معمولی است در آن باتری نیز وجود دارد.

برای بعضی کشورها که شبکه‌های برق در نواحی شهری منحصر می‌شود و بخش روستایی به سرویس‌های اصلی انرژی دستری ندارند، امروزه PV به عنوان بهترین (ارزان‌ترین) وسیله فراهم کردن انرژی مورد توجه قرار گرفته است.

از ماژول‌های PV می‌توان در موارد زیر بهره برد:

• سیستم‌های پمپاژ: برای فراهم کردن آب روستاها، برای آبیاری مزارع و آب آشامیدنی احشام.
• سیستم‌های سرمایشی: به‌طور خاص برای نگهداری واکسن، خون و دیگر موارد جهت برنامه‌های بهداشتی
• روشنایی: برای خانه‌ها و ساختمان‌های عمومی از جمله مدارس، مراکز بهداشتی برای تولید نور و تداوم روشنایی در هنگام تاریکی
• ایستگاه‌های شارژ باتری: برای شارژ باتری‌ها که در چراغ قوه‌ها، رادیوها، تلویزیون‌ها و چراغ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• سیستم‌های خانگی خورشیدی: جهت فراهم کردن توان مورد نیاز برای روشنایی خانگی و دیگر کاربردهای DC از جمله تلویزیون‌ها، رادیو‌ها و ماشین‌های دوزندگی

مثال‌هایی از کاربرد PV

قطعات و تأسیسات

حمل سیستم‌های قدرت فتوولتائیک آسان است و نصب آنها سریع است.این سیستم ها همچنین اگر به آسانی قابل توسعه هستند. سیستم‌های مجزا ممکن است شامل همه قطعات و یا بعضی از آنها باشد. قطعات شامل موارد زیر هستند:

· PV و تجهیزات پشتیبان (یک ماژول یا یک آرایه متشکل از چندین ماژول)

· تجهیزات اصلاح توان (مبدل، کنترلر و تجهیزات حفاظتی)

· ذخیره‌ساز توان (معمولاً باتری است)

· کابل‌ها

· بار (لامپ، پمپ، یخچال، رادیو، تلویزیون)

تجهیزات PV غیرمتحرک هستند و از این رو به نگهداری و حفاظت کمی احتیاج دارند و طول عمر قطعات بالاست. مثلا طول عمر ماژول 20 سال است و تنها نیاز به تمیز کردن و پاک کردن گرد و خاک دارند. اکثریت دیگر قطعات یاد شده جهت حفظ تعادل سیستم کاربرد دارد (BOS) و به ‌طور کل برای حدود 10 سال یا بیشتر سرویس‌پذیر هستند. باتری‌ها که از قطعات ضروری در سیستم‌ها جدا از شبکه به جز پمپاژ آب جهت ذخیره کردن هستند به «لینک ضعیف» معروفند و نیاز دارند هر 5 سال یک بار حدودا تعویض شوند. وجود باتری در سیستم ضرورت دارد و در کل کیفیت اجزا قابل قبول است.

پدیده فتو ولتائیک

مقدمه

پدیده فوتوالکتریک که برای اولین بار توسط آلبرت انیشتین شرح داده شد، بر اساس این پدیده وقتی که یک کوانتوم انرژی نوری یعنی یک فوتون در یک ماده نفوذ می کند، این احتمال وجود دارد که بوسیله الکترون جذب شود و الکترون انتقال پیدامی کند.

اخیراً دانشمندان سلولهای خورشیدی ساخته‌اند، وقتی که امواج الکترو مغناطیسی خورشید بر روی آن می‌تابد، جفت ماده‌ها (الکترون و پوزیترون) یعنی در نوار گاف نیم رسانا به تعداد زیاد تولید می‌شود (تولید زوج). در نتیجه برهمکنشهای فیزیکی بین ذرات صورت می‌گیرد که نهایتاً منجر به یک پیل خورشیدی می‌شود.

مواد سازنده سلولهای خورشیدی

ماده‌ای که سلولهای خورشیدی از آنها ساخته می‌شود سیلیکون و آرسینورگالیم هستند. سلولهایی که از سیلیکون ساخته می‌شوند از لحاظ تئوری بازده ماکزیمم حدود 22 درصد دارند. ولی بازده عملی آن حدود 15 تا 18 درصد است. در صورتی که بازده سلولهایی که از آرسینورگالیم ساخته می‌شود بازده عملی آنها بیشتر از 20 درصد است.

پدیده فوتوالکتریک

دید کلی

بعد از اینکه پلانک فرمول اساسی خود را در مورد تابش جسم سیاه ارائه داد و چنین استدلال نمود که تابش دارای طبیعت کوانتومی‌ است، یعنی تابش الکترومغناطیسی از مجموعه‌ای از کوانتومهای انرژی به نام فوتون تشکیل شده است، تحول شگرفی در علم فیزیک حاصل شد. بطوری که با استفاده از این مفهوم اندرکنشهای مختلف تابش با ماده که نظریه کلاسیک در توجیه آنها ناتوان بود، بطور کامل تشریح گردید. از جمله این اندرکنشها ، اندرکنشی است که به نام فوتوالکتریک معروف است.

اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترونهای شتابدار از صفحه فلزی منتشر می‌شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیادی ایجاد کنیم، الکترونهای لایه ظرفیت اتمهای فلز ، انرژی زیادی دریافت می‌کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می‌کنند و به سمت آند پیش می‌روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده ، اثر فوتو الکتریک می‌گویند. در واقع تمام مواد (جامد ، مایع و گاز) می‌توانند در شرایط خاصی تحت تأثیر اثر فوتوالکتریک ، پرتو کاتدی از خود گسیل کنند، گاهی به پرتو کاتدی ، فتوالکترون نیز می‌گویند.

اثر فتوالکتریک هر جسمی با گسیل فرکانس مشخصی از موج انجام می‌شود. اگر فرکانس موج برای جسم خاصی کمتر از حد معین باشد، که به آن بسامد قطع می‌گویند، اثری از فتوالکتریک مشاهده نخواهد شد. اما طبق قوانین الکترودینامیک کلاسیک ، موج با برخورد به صفحه فلزی مقداری انرژی به آن منتقل می‌کند و به مرور زمان این انرژی انباشته می‌شود تا اینکه انرژی مورد نیاز برای گسیل الکترون فراهم شود. اما در آزمایشگاه خلاف آنچه که در فیزیک کلاسیک گفته شد، روی می‌دهد، یعنی گسیل موج با فرکانس کمتر از حد معین به فلزی هرگز پرتو کاتدی منتشر نمی‌کند.

تاریخچه

در سال 1887 ، اثر فوتو الکتریک توسط هرتز کشف شد. او در حالی که سرگرم آزمایشهای معروف خود درباره امواج الکترومغناطیسی بود، دریافت که طول جرقه القا شده در مدار ثانویه هنگامی ‌کاهش می‌یابد که دو انتهای شکاف جرقه در برابر نور ماورا بنفش که از جرقه در مدار اولیه می‌آمد، پوشانده شود.

ساختار فوتو الکتریک

یک محفظه شیشه‌ای در نظر بگیرید که در دو انتهای آن ، آند و کاتدی تعبیه شده است و داخل محفظه خلا می‌باشد. اگر بر سطح کاتد ، نوری با فرکانس معین بتابانیم، با احراز شرایط خاص ، فلز کاتد الکترون گسیل می‌کند. اگر آند و کاتد را به یک مدار خارجی وصل بکنیم، الکترون گسیل شده ، جذب آند شده و یک جریان فوتو الکترونی در مدار خارجی برقرار می‌گردد.

مشخصات اثر فوتوالکتریک

• هر فلزی دارای یک فرکانس‌ ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس‌ ویژه را فرکانس‌ آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس‌ آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس‌ آستانه مخصوص به خود است. بر اساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیر قابل ‌توجیه بود.
  
  
• بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود.
  
  
• انرژی فوتو الکترونها از شدت نور تابیده بر سطح کاتد مستقل است، ولی با فرکانس نور تابشی بصورت خطی تغییر می‌کند. این خاصیت در نظریه کلاسیک غیرقابل‌توجیه بود.
  
  
• گسیل الکترون از سطح کاتد بصورت آنی صورت می‌گیرد، یعنی بلافاصله بعد از تابش ، الکترون گسیل می‌شود. به عبارت دیگر ، تأخیر زمان بین تابش و گسیل الکترون هرگز مشاهده نشده است، یا لااقل زمانی بیشتر از 10^-9 ثانیه ، حتی با تابش فرودی با شدت بسیار کم نیز مشاهده نشده است.
  
  
• اثر فتو الکتریک توسط الکترونهای تقریبا آزاد صورت می‌گیرد، یعنی الکترونهای لایه‌های داخلی فلز در این اثر دخالت ندارند.

اساس کار فوتو الکتریک

مجموعه‌ای از کوانتومهایی با انرژی hv در نظر گرفت که در آن v فرکانس‌ نور و h ثابت پلانک معروف است. جذب تک کوانتوم بوسیله الکترون ، فرآیندی که ممکن است در زمانی کمتر از 10^-9 ثانیه صورت گیرد، انرژی الکترون را به اندازه hv افزایش می‌دهد. مقداری از این انرژی باید صرف جدا کردن الکترون از فلز شود. از طرف دیگر ، گفتیم که هر فلزی دارای یک فرکانس آستانه است که در فرکانسهای پایینتر از آن فتوالکتریک غیر ممکن است.

بنابراین اگر فرکانس‌ آستانه را با v₀ نشان دهیم، در این صورت کمیت w = hv₀ به عنوان تابع کار فلز تعریف می‌شود. بنابراین شرط ایجاد اثر فوتوالکتریک این است که hv (انرژی نور تابشی بر سطح کاتد) بیشتر یا مساوی w باشد. اگر سرعت الکترون گسیل شده از کاتد را با V نشان دهیم، همواره بین فرکانس‌ نور تابشی ، سرعت فتوالکترونها و تابع کار رابطه زیر برقرار است:

mv²/2 = hv - w

رابطه فوق از قانون بقای انرژی حاصل می‌گردد. این رابطه به فرمول انیشتین نیز معروف است. میلیکان آزمایشهای جامعی انجام داد و صحت فرمول انیشتین را تثبیت نمود. آنچه آزمایشهای میلیکان و پیشینیان ثابت کرد این بود که بعضی اوقات نور نظیر مجموعه‌ای از ذرات رفتار می‌کند و این ذرات می‌توانند بطور انفرادی عمل کنند، طوری که می‌توان به موجودیت یک تک فوتون فکر کرد و به دنبال خواص آن بود. (ماهیت ذره‌ای نور) نتیجه جنبی این آزمایشها حاکی از اطلاعاتی در مورد فلزات بود، آشکار شد که تابع کار W از مرتبه چند الکترون ولت است (1ev=1.6x10^-19j) و این می‌توانست با سایر خواص فلزات هم بسته باشد.

اصول و کاربرد سلول فتوولتائی جهت تولید برق

سلول های فتوولتائی بعنوان واحد دریافت کننده انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انرژی الکتریکی دارای اهمیت ویژه ای در تامین انرژی برق از منابع انرژی های تجدیدپذیر می باشد. سلول های فتوولتائی یا خورشیدی در حقیقت بلورهای نیمه هادی سیلیکون و همچنین شکل غیربلوری آن هستند که پردازش شده و عملیاتی روی آنها انجام میگیرد؛ بطوریکه اساس پدیده فتوولتائی جذب فوتون نور، تولید جفت الکترون ـ حفره و جداسازی الکترون ها و حفره های تولید شده به وسیله مبدل الکتریکی در داخل ماده نیمه هادی استوار می شوند پدیده تولید ولتاژ و جریان باین روش اثر فتوولتائی نامیده می شود.

یکی از دانشمندان در حین آزمایش دیویدهای تولیدی در آزمایشگاه خود مشاهده نمود که این دیویدها با قرارگرفتن در معرض نور ولتاژ و جریان قابل ملاحظه ایجاد میکنند. این یافته به توسعه سلول های خورشیدی سیلیکونی کمک کرده باطری خورشیدی تهیه شده از این دیودها دارای بازده خوبی نسبت به سلول های خورشیدی قبلی داشته است. باین ترتیب در سال 1958 برای اولین بار تامین برق اضطراری اولین ماهواره فضایی امریکا از 6 پنل کوچک فتوولتائی سیلیکونی استفاده شد که بیش از 6 سال طول عمر ماهواره و برق فرستنده 5 میلی واتی ماهواره راتامین نمود.

این آغاز ظهور یک صنعت جدید بود. صنعتی که در وهله اول در زمینه صنایع فضایی جهت تامین برق در فضا از سطح میلی وات تا ردیف های با قدرت بیش از 20 کیلو وات مورد استفاده قرارگرفت که امروزه با پیشرفت فناوری آن نیروگاه های فتوولتائیک تا چندین مگاوات هم ساخته شده اند. در روستاها و شهرهای بزرگ بصورت مستقل و متصل به شبکه برق مورد استفاده قرار می گیرند حتی در ساختمان های مسکونی مالکین با نصب این صفحات در پشت بام ها یا روی دیوارها برق موردنیاز خود را از انرژی خورشیدی تامین نموده و در مواقعی که از برق آن استفاده نمی کنند ویا در مواقع پیک مصرف شبکه، دولت برق آنها را باقیمت مناسب می خرد.

همانطور که گفته شد سیلیسیوم یا سیلیکون پایه و اساس صنعت فتوولتائی می باشد، سلول های سیلیکونی که از ماسه ساخته می شوند در طبیعت به وفوریافت می شوند که طی دوره حیات خود می توانند الکتریسیته معادل سوزاندن 500000 تن زغال سنگ تولید نمایند. و تقریباً 20 درصد پوسته زمین را تشکیل می دهند. و بعلت اهمیت آن در بازار الکترونیک اطلاعات موجود درباره خواص الکتریکی، اپتیکی، فیزیکی و شیمیائی این نیمه هادی از هرماده دیگر بیشتر است. صفحات خورشیدی از اتصال یک سری سلول خورشیدی که بصورت سری موازی به هم متصل می شوند شکل می گیرند.

به مجموعه پانل های فتوولتائیک یک ارایه خورشیدی گفته می شود که انواع مختلف و بصورت تک کریستال ـ چند کریستال ـ بی شکل مورداستفاده قرار می گیرند. بازده تبدیل انرژی نورانی به الکتریکی آنها حدود 17 تا 18 درصد است که با فناوری های نوین راندمان آنها خیلی بالاتر رفته است. این پانل ها بصورت صفحات پلاستیکی فیلم نازک ساخته می شوند که غیر از پشت بام و روی دیوار در روی شیشه ساختمان ها نیز نصب میگردند که از برق آنها نیز می توان استفاده نمود.

سلول های فتوولتائی فقط در صورتیکه در معرض نور قرار گیرند انرژی الکتریکی تولید می کنند. به همین سبب در هنگام شب و روز های ابری که شدت تابش نور ناچیز است از باطری استفاده می شود که باطری ها در زمانیکه شدت تابش مناسب است توسط صفحات خورشیدی شارژ می شوند. در چندین پارک در تهران مانند پارک پردیسان ـ پارک گلبرگ در نارمک و در برخی مناطق شهر  این چراغ های خورشیدی نصب گردیده اند و در شب ها روشنائی این پارک ها از این چراغ های خورشیدی تامین می گردد و شهرداری تهران فعالیت خوبی را  در کاربرد انرژی خورشیدی آغاز کرده حتی برق برخی چراغ ها معابر و چراغ های راهنمائی را از این انرژی پاک تامین نموده است. حتی در پارک پلیس در مسجد و اماکن بهداشتی در این پارک آبگرمکن خورشیدی نصب نموده است. امیدواریم در این پارک های بزرگ سرپناه های خورشیدی هم که در مواقع وقوع زلزله مورد استفاده قرار گیرد ساخته شوند.

افزایش روزافزون کارائی سیستم های فتوولتائی سبب شده است که برای مناطقی که از شبکه سراسری دور هستند استفاده از این سیستم ها در ارجحیت قرار گیرند. هم اکنون در امریکا بزرگترین نیروگاه فتوولتائی با ظرفیت 2/5 مگا وات پیک کار میکند و در نظر است تا 10 سال آینده حدود 1000 مگاوات پیک برای استفاده در منازل و صنایع نصب گردند.

موارد کاربرد سیستم های برق خورشیدی ( فتوولتائی)

1- برای مصارف برق خانگی شهری و روستائی
2- آبیاری و پمپاژ ـ مصارف مختلف کشاورزی
3- شارژ باطری _ کنترل از راه دور ـ چراغ های راهنمائی سیستم های اخطار و اعلام خطر ـ ماشین های حساب
4- ایستگاه های اندازه گیری متحرک ـ هواشناسی ـ اندازه گیری پارامترهای آب ـ تلفن های جاده ای بین شهری
5- روشنایی معادن ـ تونل ها ـ ایستگاههای سیار پزشکی ـ یخچال های نگهداری دارو در نقاط دوردست