انرژی های پاک در خانه، پنل های خورشیدی برای نجات زمین!

همگی عباراتی نظیر «نقش سوخت های فسیلی در آلودگی هوا» و «تخریب محیط زیست در اثر گازهای گلخانه ای» را به وفور در اخبار مربوط به محیط زیست شنیده ایم. همچنین اثرات ملموس آن را در آلودگی هوای محیط زیستمان به ویژه در شهرهای بزرگ دیده ایم. بدین ترتیب به نظر می‌رسد ضرورت افزایش سهم انرژی‌های پاک در سبد انرژی مورد نیازمان بر کسی پوشیده نیست. با این حال در اجرایی کردن برنامه‌های حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر فاصله زیادی با کشورهای توسعه یافته داریم.

گرچه سهم و نقش اساسی در اجرای برنامه‌های زیست محیطی بر عهده مسئولین و مجریان این حوزه است، ولی راههایی نیز وجود دارند که شهروندان می‌توانند بدون اتکا به دولت ها در جهت استفاده بیشتر از انرژی‌های پاک قدم‌هایی بردارند. یکی از این راه‌ها استفاده از انرژی خورشیدی در محیط های مسکونی است.

از آنجا که ایران در زمره پر تابش ترین مناطق جهان قرار داشته و تقریبا در دو سوم مساحت آن ۳۰۰ روز آفتابی در سال دارد، دارای پتانسیل ویژه ای برای بهره برداری از انرژی خورشیدی است.

از بین روشهای استفاده از انرژی خورشیدی، در این مطلب به معرفی یکی از روش‌های استفاده از انرژی خورشیدی موسوم به فتوولتائیک (پنل های خورشیدی) و ارائه اطلاعاتی در رابطه با اجزای فنی سیستم و انواع سیستم‌های موجود در بازار خواهیم پرداخت. برای آشنایی کلی با انرژی خورشیدی و نحوه بکارگیری آن در معماری می‌توانید به مطالب زیر مراجعه کنید.

هزینه قبض هایتان پایین می آید، اگر... تکنولوژی صفحات خورشیدی در معماری ساختمان!

روش‌های استفاده از انرژی خورشیدی

بطور کلی روشهای استفاده از انرژی خورشیدی به دو دستۀ استفاده از انرژی حرارتی و انرژی تابش (نور) خورشید تقسیم می شوند.

انرژی حرارتی

استفاده مستقیم از انرژی حرارتی خورشید تبدیل انرژی حرارتی خورشید به الکتریسیته

انرژی تابش

تبدیل انرژی تابشی به الکتریسیته (فتوولتائیک - Photovoltaic)

از کاربرد های استفاده مستقیم از انرژی حرارتی خورشید می‌توان به گرمایش آب مصرفی، گرمایش محیط، سیستم‌های آب شیرین کن، سیستم‌های خشک کن، پمپ حرارتی خورشیدی و کوره‌ها و اجاقهای خورشیدی اشاره کرد.

در مقابل، روشهای مبتنی بر تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته گرچه راندمان پایینتری دارند ولی آسان بودن بکارگیری انرژی الکتریکی برای گستره وسیع‌تری از مصارف مختلف به رواج و توسعه این روش‌ها کمک کرده است. روشی که در آن در اثر تابش نور و بدون استفاده از مکانیزم های محرک الکتریسیته تولید شود، پدیده فتوولتائیک (Photovoltaic) نام دارد و سیستم‌هایی که از این روش برای تولید الکتریسیته استفاده می‌کنند سیستم‌های فتوولتائیک یا به اختصار PV نامیده می شوند که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

سیستم‌های فتوولتائیک (PV)

این سیستم‌ها از پرکاربردترین روش‌های استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیرند. این سیستم‌ها شامل سلول‌هایی هستند از جنس سیلیسیم (Silicon) که با قرار گرفتن در معرض نور انرژی الکتریکی تولید می کنند. با قرار دادن این سلول‌ها در کنار هم پنل های خورشیدی ساخته می شود. توان تولید سیستم‌های مبتنی بر پنل های خورشیدی بسته به بزرگی آن‌ها طیف گسترده ای از ۰٫۵ وات تا چند مگاوات می‌تواند باشد.

از مزایای پنل های خورشیدی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

نصب و راه اندازی بسیار ساده و در دسترس بودن تجهیزات برای عموم راه اندازی بسیار سریع در مقایسه با دیگر انواع انرژی‌های تجدیدپذیر تبدیل مستقیم انرژی تابشی به برق تنوع مقیاس از ظرفیت‌های بسیار کوچک برای وسایل الکترونیکی تا ابعاد بزرگ نیروگاهی امکان راه اندازی در مناطق مختلف شهری و روستایی امکان نصب در در محل مصرف کننده و بی‌نیاز از سیستم‌های انتقال نیرو

انواع سیستم‌های PV

سیستم‌های PV به لحاظ ارتباط با شبکه برق سراسری به دو دسته متصل به شبکه on-Grid و منفصل(جدا) از شبکه off-Grid تقسیم می شوند.

سیستمهای منفصل از شبکه (off-Grid)

این سیستم ارتباطی با شبکه برق سراسری نداشته و بصورت مجزا کار می کند. کاربرد این نوع سیستم بیشتر در مناطق دور یا خارج از پوشش شبکه برق سراسری و یا ویلا ها، باغها و کلبه های روستایی و عشایری است. مزیت این سیستم عدم وابستگی به شبکه برق بوده ولی برای تأمین تمامی انرژی یک واحد مسکونی پرمصرف به ابعاد بزرگ و سرمایه اولیه بالایی نیاز است.

سیستمهای متصل به شبکه (on-Grid)

این سیستم بطور همزمان و در کنار شبکه سراسری نیاز مصرف کننده را تأمین می کند. بصورتیکه در مواقع کمبود انرژی خورشیدی، مصرف کننده می‌تواند سهم بیشتری از انرژی مورد نیاز خود را از شبکه سراسری تأمین نموده و در مواقع تولید کافی انرژی خورشیدی در سیستم از شبکه سراسری بی‌نیاز باشد. نکته جالب توجه در این سیستم این است که در صورت تولید مازاد انرژی می‌توان آنرا به شبکه سراسری تزریق کرده و درآمدزایی نمود. به عبارت دیگر برق مازاد بر نیاز خود را به فروش رساند. مشوق های متعددی نیز در این رابطه از سوی متولیان انرژی کشور ارائه شده که می‌توان به عقد قرارداد خرید انرژی از مشترک و اعطای وامهای با سود پایین جهت خرید تجهیزات اشاره کرد.

اجزای سیستم‌های PV

سیستم‌های PV عموما از اجزای زیر تشکیل شده اند:

پنل های خورشیدی

پنل های خورشیدی شامل سلول‌هایی جهت تبدیل انرژی تابش به انرژی الکتریکی می باشند. همانطور که اشاره شد جنس سلول‌های خورشیدی از سیلیکون کریستالی شده است. هرچه کریستال سیلیکون یکنواخت تر و یکپارچه تر باشد، مرغوب تر بوده و توان تولید انرژی الکتریکی بیشتری دارد. بر همین اساس نیز سلول‌های خورشیدی موجود در بازار دسته بندی می شوند. دو نوع از پرکاربردترین آن‌ها سلول‌های مونو کریستال و پلی کریستال نام دارند. سلول مونو کریستال از کریستال یکپارچه ساخته شده، مرغوب تر بوده، توان تولید بالاتری داشته و البته گرانتر است. سلول پلی کریستال از مجموعه‌ای از کریستال های کوچک‌تر ساخته شده، ارزان‌تر بوده و توان تولیدی کمتری نیز دارد.

پنل های متداول برای مصارف خانگی بسته به ابعاد پنل و نوع کریستال، توان خروجی ۲۵ وات تا ۳۰۰ وات دارند. با افزایش تعداد پنل ها می‌توان به ظرفیت‌های بالاتر و تا ده ها کیلو وات هم دست یافت.

پنل های خورشیدی در برابر شرایط محیطی سخت از جمله گرما و سرمای شدید و رطوبت بالا مقاوم بوده ولی در برابر ضربات سخت شکننده اند. پنل های خورشیدی نیاز به تعمیر و نگهداری خاصی نداشته و نگهداری آن‌ها تنها محدود به پاک کردن سطوح آن‌ها از گرد و غبار می شود.

مبدل ( اینورتر – Inverter )

با توجه به اینکه برق شبکه سراسری و وسایل برقی از نوع متناوب AC بوده و درمقابل برق تولیدی پنل های خورشیدی از نوع مستقیم DC می باشد، دستگاهی بنام اینورتر وظیفه تبدیل برق DC به برق قابل استفاده AC برای وسایل برقی را بر عهده دارد. اینورتر ها با توجه به نوع سیستم به دو نوع متصل به شبکه و منفصل از شبکه تقسیم می شوند. از آنجا که اینورتر ها از مهمترین اجزای یم سیستم خورشیدی اند، در انتخاب آنها باید به پارامتر های زیر توجه کرد:

حداکثر توان خروجی: با توجه به اینکه تمامی برق مصرفی مورد نیاز از اینورتر دریافت می شود، حداکثر توان خروجی اینورتر پارامتری تعیین کننده در توان خروجی کل سیستم بحساب می آید. برای مصارف خانگی اینورترها معمولاً در توان های ۴۰۰ وات تا ۳۰۰۰ وات در بازار موجودند. نوع موج ولتاژ خروجی: شکل موج خروجی اینورتر ها پارامتری مهم برای کارکرد مطلوب و دوام وسایل برقی است. اینورتر ها در دو نوع موج شبه سینوسی و موج سینوسی کامل در بازار موجودند. اینورتر های دارای موج شبه سینوسی ارزان‌تر بوده ولی برای وسایل حساس یا وسایل دارای موتور و کمپرسور (مثل پمپ، یخچال و کولر گازی) مناسب نبوده و باعث کاهش عمر مفید آن‌ها می گردند.

باتری ها

بدیهی است تابش خورشید بصورت پیوسته نبوده و شدت آن با توجه به شرایط جوی و زمانی تغییر می کند. در روزهای ابری و بارانی انرژی دریافتی کاهش یافته و در طول شب نیز بطور کلی خارج از دسترس می باشد. از این رو باتری ها انرژی دریافتی مازاد را ذخیره کرده آن را در شرایط کمبود تولید در اختیار مصرف کننده قرار می دهند.
اغلب باتری های مورد استفاده در سیستم‌های خورشیدی بسیار مشابه باتری های موجود در خودرو ها می باشند. البته با تفاوت‌هایی با هدف طول عمر بالاتر، تعداد سیکل های شارژ و دشارژ بیشتر و توان تولید جریان یکنواخت و طولانی تر. از انواع باتری های متداول می‌توان به باتری های سرب اسید خشک (AGM) ، سرب اسید خشک (GEL) و Deep Cycle اشاره کرد.

شارژ کنترلر

در صورت وجود باتری در سیستم به وسیله‌ای بنام شارژ کنترلر نیز نیاز خواهد بود. وظیفه این دستگاه تبدیل ولتاژ تولیدی پنل ها به ولتاژ مناسب برای شارژ باتری ها و همچنین کنترل و بهینه سازی الگوی شارژ و دشارژ آن‌ها با هدف بالا بردن راندمان شارژ و نیز حفظ حداکثر عمر مفید باتری هاست. شارژ کنترلر ها در دو نوع PWT و MPPT موجودند که نوع MPPT از تکنولوژی مدرن تری بهره مند بوده و البته گرانتر نیز می باشد. شارژ کنترلر ها همچنین به لحاظ ظرفیت جریان به انواع ۱۰ آمپر تا ۶۰ آمپر تقسیم‌بندی می شوند.

راه اندازی یک سیستم خورشیدی PV

انتخاب نوع سیستم

اولین گام در انتخاب یک سیستم PV تعیین نوع سیستم به لحاظ ارتباط آن با شبکه برق سراسری است. به عبارت دیگر مشخص می‌کنیم که سیستم از نوع متصل on-Grid و یا منفصل off-Grid می‌باشد. سیستم‌های متصل اغلب به عنوان منبع انرژی کمکی و با هدف کاهش در هزینه‌های جاری انرژی و یا جهت تولید برق مازاد و فروش آن به شبکه سراسری به کار می روند. لذا طراحی این سیستم‌ها با این رویکرد انجام می شود. در مقابل در سیستم‌های منفصل، تأمین تمامی انرژی مورد نیاز مصرف کننده بر عهده سیستم خورشیدی بوده و سیستم بر این اساس انتخاب می گردد. از دیگر تفاوت‌های سیستم‌های متصل و منفصل، تفاوت در اجزاست. در سیستم‌های متصل معمولاً نیازی به باتری و بالطبع شارژ کنترلر نیست. گرچه در مناطقی که میزان قطعی برق بالاست می‌توان از باتری بعنوان منبع پشتیبان انرژی استفاده کرد. در سیستمهای متصل از اینورتر های مخصوص on-Grid استفاده می شود.

تخمین میزان انرژی مصرفی

برای انتخاب ظرفیت یک سیستم خورشیدی ابتدا می بایست تخمینی از میزان انرژی مصرفی داشته باشیم. بعنوان مثال یک ویلای کوچک را در نظر بگیرید. در صورتیکه وسایلی از قبیل لامپ های روشنایی، یخچال، تلویزیون و رسیور و پنکه وجود داشته باشد، میزان انرژی مصرفی به شرح زیر خواهد بود.

در نتیجه میزان مصرف برق این ویلا در طول شبانه‌روز در حدود ۴٫۵ کیلو‌وات‌ساعت می باشد.

انتخاب ظرفیت سیستم خورشیدی

پس از تخمین میزان مصرف می‌توان ظرفیت و ابعاد سیستم خورشیدی مورد نظر را انتخاب کرد. بطور معمول در مناطق آفتابی هر پنل ۲۵۰ واتی می‌تواند تا ۱۲۰۰ وات‌ساعت در طول روز برق تولید کند. بدین ترتیب برای مثال قبل یک مجموعه خورشیدی شامل ۴ یا ۵ پنل و ظرفیت تولیدی روزانه حدود ۴۸۰۰ وات‌ساعت می‌تواند برق مورد نیاز ویلا را تأمین کند. البته باید توجه داشت که این محاسبه صرفاً جهت آشنایی با روند انتخاب یک سیستم خورشیدی بوده و در عمل پارامترهای بسیار دیگری نیز در طراحی و انتخاب سیستم خورشیدی نقش دارند که توسط کارشناسان مورد بررسی و محاسبه قرار میگیرند. از آن جمله می‌توان به ضریب شدت تابش در منطقه، نسبت روزهای آفتابی در سال، دمای هوای منطقه، کیفیت و مشخصات واقعی اجزای استفاده شده در سیستم خورشیدی، برآورد دقیق میزان مصرف انرژی و وجود وسایل برقی دارای موتور به لحاظ شدت جریان مصرفی لحظه‌ای اشاره کرد.

انتخاب اجزای سیستم خورشیدی

بعد از مشخص شدن ظرفیت سیستم خورشیدی و پارامترهای طراحی، اجزای سیستم خورشیدی انتخاب می شوند. تعیین نوع و ظرفیت اینورتر، نوع و تعداد باتری ها، و شارژ کنترلر مناسب از مواردی است که توسط طراح سیستم انجام می گیرد. اما از نکاتی که بهتر است از طرف خریداران مورد توجه قرار گیرد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

پنل: برند پنل خورشیدی، کشور سازنده، نوع کریستال سیلیکون بکار رفته، کیفیت و راندمان و توان پنل، عمر مفید، گارانتی ( معمولاً بیش از ۲۵ سال) و استانداردها اینورتر: نوع و توان اینورتر، نوع موج سینوسی خروجی، گارانتی باتری: نوع باتری مورد استفاده و مناسب بودن برای سیستمهای خورشیدی، ظرفیت، عمر مفید ( حدود ۵ سال)، گارانتی ( معمولاً ۱ تا ۲ سال) شارژ کنترلر: نوع شارژ کنترلر، حداکثر جریان (۱۰ تا ۶۰ آمپر)، گارانتی استراکچر (چهارچوب نصب پنل ها): جنس، کیفیت ساخت، مقاومت در برابر عوامل جوی

نصب و راه اندازی سیستم خورشیدی

از آنجا که اجزای سیستم‌های PV بصورت آماده در بازار موجود می باشند، نصب این سیستم‌ها در مقیاس های خانگی معمولاً نسبتاً آسان بوده و در یک یا دو روز انجام می شود. همچنین راه اندازی این سیستم‌ها بلافاصله بعد از نصب امکان‌پذیر است. جهت کسب اطلاعات بیشتر می توانید با شرکت های فعال در حوزه انرژی‌ خورشیدی مشاوره نمایید.

امید است اطلاعات ارائه شده برای خوانندگان به ویژه افرادی که قصد راه اندازی یک سیستم برق خورشیدی را دارند، مفید بوده باشد و در آینده شاهد رواج و گسترش هرچه بیشتر انرژی‌های پاک در کشورمان باشیم.

نویسنده: سیما اثیمی | تحریریه چیدانه