نیروگاه خورشیدی

تبدیل مستقیم انرژي خورشید به الکتریسیته در نیروگاه خورشیدی معمولاً به وسیله سلول هاي فتوولتاییک صورت می گیرد که از اثر فتوولتاییک استفاده میکنند. اثر فتوولتاییک بر اساس اثر متقابل فوتونهایی با انرژي برابر با یا بیش از انرژي باند ممنوعه مواد فتوولتاییک است. ماژول هاي فتوولتاییک انرژي خورشید را بدو ن آلودگی و سر و صدا و نو سانات به الکتریسیته تبدیل میکنند. انرژي خورشید چگالی انرژي کمی دارد و بنابراین، ماژول هاي فتوولتاییک باید سطح زیادي داشته باشند تا بتوانند انرژي کمی تولید کنند. سیستمهاي فتوولتاییک یا نیروگاه خورشیدی در شبکه ها ي قدرت به هم پیوسته از مبدل استفاده میکنند تا جریان dc  تولید شده به وسیله آرایه هاي فتوولتاییک به جریان ac متناسب با ولتاژ و فرکانس مورد نیاز در شبکه برق تبدیل شود.

انرژي الکتریکی خورشیدي منبع اصلی انرژي براي سفینه ها ي فضایی از زمان شروع برنامه هاي فضایی است. همچنین، حدوداً از سه دهه ي پیش از آن براي تأمین انرژي در مصارف شهري و کشاورزي استفاده می شود. در یک دهه ي گذشته، از انرژي خورشیدي براي تأمین انرژي خانه ها و ساختمانهاي شهري به طور گسترده استفاده شده که نتیجه ي پیشرفت در تکنولوژي خورشیدي به همراه تغییرات در ساختار صنعت الکترونیک است.

اگرچه انواع مختلف سیستمهاي فتوولتاییک وجود دارد، اما همه ي آنها متشکل از سه جزء اصلی هستند: ماژول که انرژي خورشید را به الکتریسیته تبدیل میکند؛ مبدل که الکتریسیته را به جریان متناوب تبدیل میکند تا از آن بتوان در مصارف مختلف خانگی استفاده کرد؛ و احتمالاً باتري که انرژي الکتریسیته ي اضافی تولید شده در سیستم را ذخیره میکند. دیگر اجزاي جانبی سیستم عبارتند از: سیمها، سوئیچ براي قطع جریان، سازه هاي پشتیبانی و غیره.

براي استفاده ي مناسب از سیستم هاي فتوولتاییک باید ساختار و کاربرد این سیستم ها بطور دقیق شناسایی شود.

طبقه بندي تیپ سیستم هاي فتوولتاییک از لحاظ کاربري

بطور کلی سیستم هاي فتوولتاییک با توجه کاربردشان به دو گروه دسته بندي می شوند

 

• • واحدهاي فتوولتاییک متصل به شبکه

• • واحدهاي فتوولتاییک مجزا از شبکه

لازم به ذکر است که کاربري دیگر سیستمهاي فتوولتاییک به صورت چندگانه میباشد که در این حالت سیستم فتوولتاییک در کنار منابع دیگر مانند توربین باد یا دیزل، تغذیه بار را انجام میدهند.

سیستم هاي فتوولتاییک متصل به شبکه

به منظور تقویت شبکه ي سراسري برق و جلوگیري از فشار الکتریکی وارده بر نیروگاه ها در طی روز، استفاده از سیستم هاي فتوولتاییک متصل به شبکه سراسري برق به صورت متمرکز و یا غیرمتمرکز از جمله راه حل هاي این مشکل می باشد. امروزه سیستم هاي فتوولتاییک متصل به شبکه در بسیاري از کشورهاي جهان در واحدهاي کوچک از 1 کیلووات الی 5 کیلووات در بام منازل مسکونی و در واحدهاي بزرگ تر به صورت نیروگاه هاي فتوولتاییک نصب و راه اندازي شده است. از مزایاي این سیستم می توان به موارد زیر اشاره کرد.

 

• • نصب و راه اندازي آسان.

• • بازده ي بالا و عدم نیاز به تجهیزات جانبی پیچیده.

• • عدم نیاز به باتري جهت ذخیره انرژي الکتریکی.

طراحی سیستم هاي فتوولتاییک متصل به شبکه، به گونه اي است که هم زمان و به طور موازي با شبکه ي برق سراسري توان تولید می نمایند. یکی از اجزاء اصلی سیستم هاي فتوولتاییک متصل به شبکه، مبدل الکترونیک قدرت است که برق DC تولیدي توسط آرایه هاي فتوولتاییک را متناسب با ولتاژ و فرکانس شبکه به برق AC تبدیل نموده و در صورت عدم  نیاز، به طور خودکار انتقال نیرو را قطع می نماید. به طورکلی ارتباطی دو جانبه میان سیستم هاي فتوولتاییک و شبکه ي تولیدي توسط سیستم هاي فتوولتاییک بیش از نیاز بار مصرفی محلی باشد مازاد آن به شبکه ي برق سراسري تغذیه می گردد و در هنگام شب و مواقعی که به دلایل اقلیمی امکان استفاده از نور خورشید وجود ندارد، بار الکتریکی مورد نیاز سایت توسط شبکه ي برق سراسري تأمین می گردد. همچنین در کاربردهاي متصل به شبکه در صورتی که سیستم فتوولتاییک به دلیل تعمیرات از مدار خارج گردد، برق مورد نیاز مصرف محلی از طریق شبکه ي برق سراسري تأمین خواهد شد. نکته مهمی که در این واحدها باید رعایت شود این است که اگر به هر دلیلی شبکه ي سراسري قدرت قطع شود، واحد خورشیدي نیز باید تولید را متوقف سازد و بارهاي مصرفی قطع شوند.

 

نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه

 

شکل ۱ طرحی از سیستم فتوولتاییک متصل به شبکه ي برق بدون باتري ذخیره ساز را نشان می دهد همانگونه که در این شکل مشاهده می شود، جهت شارش توان بین شبکه ي سراسري و واحد خورشیدي به صورت  دو طرفه می باشد. این دو طرفه بودن تبادل توان به این معنی است که در صورت بیش از حد بودن توان تولیدي واحد خورشیدي، بخشی از آن صرف بار می شود و باقیمانده ي آن به شبکه ي سراسري تزریق می شود و در صورت کمبود توان و یا عدم تولید توان توسط واحد خورشیدي، نیاز بار از طریق شبکه برطرف می شود.

همانگونه که توضیح داده شد اگر به هر دلیل شبکه بی برق شود، واحد خورشیدي نیز باید تولید توان و تزریق آنرا متوقف سازد. این تشخیص و توقف، توسط مبدل الکترونیک قدرت واحد خورشیدي صورت می پذیرد. در برخی موارد براي افزایش قابلیت اعتماد سیستم، از سیستم هاي ذخیره کننده انرژي که عمدتاً باتري هستند، استفاده می شود. بنابراین سیستم هاي متصل به شبکه ي سراسري برق را می توان به  دو گروه داراي سیستم ذخیره و بدون سیستم ذخیره طبقه بندي کرد.

نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه ي برق مجهز به سیستم ذخیره به خصوص براي خانه هاي مسکونی و محل هاي تجاري کوچک بسیار مناسب هستند، زیرا در این سیستم ها از انرژي ذخیره شده براي بارهاي حساس مانند : یخچال، روشنایی، آسانسور، پمپ هاي آبرسانی و غیره استفاده می شود.

در شرایط معمولی که شبکه ي سراسري برق دار است، سیستم فتوولتاییک براي شارژ با تري و تغذیه ي بار محلی انرژي تولید می نماید و در صورتیکه اضافه تولید داشته باشد به شبکه ي سراسري توان تزریق می نماید و در صورت کمبود تولید، توان مورد نیاز را از شبکه ي سراسري دریافت می نماید. در هر صورت باتري و یا دیگر ذخیره سازهاي انرژي در حالت شارژ کامل به سر می برند.

 

شکل ۲ طرحی از سیستم فتوولتاییک متصل به شبکه ي برق داراي باتري ذخیره را نشان می دهد. همانگونه که  در این شکل مشخص شده است، مبدل الکترونیک قدرت توسط آرایه ي خورشیدي تغذیه می شود که خروجی آن به باتري به عنوان ذخیره ساز انرژي بار محلی و بار حساس متصل است. رابطه ي بین شبکه ي اصلی و واسط واحد خورشیدي (پانل اصلی) از نظر شارش توان به صورت دو طرفه مشخص شده است که همانگونه توضیح داده شد کمبود و بیشبود توان از این طریق جبران می شود. همچنین رابطه تبادل توان بین واسط واحد نیروگاه خورشیدي و مبدل الکترونیک قدرت واحد خورشیدي نیز به صورت دو طرفه می باشد زیرا در صورتیکه شبکه ي سراسري برق دار باشد، باتري باید در شارژ کامل باشد اما ممکن است در این حالت به هر دلیل واحد خورشیدي هیچ تولیدي نداشته باشد. بنابراین براي شارژ کرد ن باتري می توان از شبکه ي اصلی کمک گرفت. براي مثال در روزهاي بارانی که تولید توان واحد خورشیدي کم و یا صفر است براي شارژ باتري از شبکه ي قدرت استفاده می شود. در زمانی که شبکه قدرت برق دار باشد مبدل الکترونیک قدرت، باتري را شارژ می نماید و در صورتیکه شبکه بی برق باشد این مبدل از باتري به عنوان منبع انرژي استفاده می نماید. مبدل در صورت قطع شبکه اصلی، کلید بین خود و واسط واحد خورشیدي را باز و کلید بین خود و بار حساس را درصورتیکه توانایی عملکرد مستقل از شبکه براي تولید فرکانس مناسب را داشته باشد، می بندد.

سیستم هاي مستقل از شبکه ي سراسري برق

طراحی سیستم هاي فتوولتاییک مستقل از شبکه به گونه اي است که باید مستقل از شبکه ي برق سراسري عمل نموده و قابلیت تغذیه بارهاي مستقیم DC و متناوب را دارا باشد. این واحدها مستقیماً به بار متصل می شوند و تمام بار را بر خلاف سیستم هاي متصل به شبکه تامین می نمایند. بنابراین براي طراحی اینگونه واحدها، بایستی مدل بار و کل توان مورد نیاز بار در یک دوره شبانه روزي محاسبه شود و ظرفیت واحد و تعداد آرایه هاي فتوولتاییک بر این اساس محاسبه شود. همچنین به دلیل عدم وجود شبکه برق سراسري، تمامی توان می بایستی از طریق سیستم فتوولتاییک تامین شود.

از آنجایی که نیروگاه خورشیدی قابلیت تولید پیوسته توان را ندارد (شب هنگام) و میزان تولید توان آن کاملاً به شرایط جوي وابسته می باشد (کاهش تولید در روزهاي ابري و بارانی)، براي تغذیه مناسب و مطمئن بار باید واحد فتوولتاییک به سیستم ذخیره ساز انرژي مجهز شود. ظرفیت ذخیره ساز انرژي به میزان مصرف بار در ساعت هایی که تولید وجود ندارد، بستگی دارد. همچنین براي افزایش حاشیه امنیت، باید سیستم ذخیره ساز انرژي قابلیت تغذیه کل بار سیستم را بدون استفاده از انرژي سیستم فتوولتاییک براي چند روز داشته باشد. زیرا در صورتیکه چند روز متوالی شرایط جوي مناسب نباشد (چند روز ابري متوالی)، می بایست بارهاي محلی را تغذیه نماید. شکل ۳ طرح کلی یک سیستم فتوولتاییک  مستقل از شبکه را نشان می دهد. همانگونه که دیده می شود، سیستم فتوولتاییک مجهز به باتري براي ذخیره انرژي است و قابلیت تغذیه بارهاي  DC و متناوب را دارا می باشد. در این حالت، سیستم فتوولتاییک باید مجهز به مکانیزمی براي تولید فرکانس و ولتاژ مناسب براي تغذیه بار مصرفی باشد .

از جمله مزایایی که در رشد و توسعه ي نیروگاه خورشیدی مجزا از شبکه نقش عمده اي دارد، می توان به موارد زیر اشاره کرد:

 

• • عدم نیاز به شبکه ي سراسري، سیستم انتقال شبکه و تعمیر و نگهداري آن.

• • عدم نیاز به سوخت و رفع مشکلات سوخت رسانی به ویژه در مناطق صعب العبور.

• • عدم نیاز به تعمیر و نگهداري مداوم و طول عمر مناسب.

کاربرد اصلی اینگونه واحدها در مکان هایی است که شبکه ي اصلی قدرت در دسترس نبوده و یا براي اتصال به شبکه ي قدرت هزینه زیادي لازم است. براي مثال در سایت هاي مخابراتی که در کوهستان ایجاد شده اند، براي تأمین برق خانه هاي مسکونی، کلبه هاي روستایی، پمپ هاي آبرسانی، روشنایی و به طور کلی رفع نیاز الکتریکی مناطقی که داراي شبکه سراسري برق نمی باشند، می توان از سیستم فتوولتاییک مستقل از شبکه استفاده کرد. در این سیستم ها از آرایه هاي نصب شده بر بام ها و یا بر زمین، یک کنترل کننده ي شارژ باتري و یک مبدل براي تأمین برق استفاده می شود.