آموزش برق خورشیدی – قسمت سوم – مبانی برق

همانطور که در قسمت قبل در مورد مفاهیم اولیه برق و الکترونیک صحبت کردیم، در این بخش نیز قصد داریم به ادامه این بحث بپردازیم. مبانی برق ممکن است تا حدی حوصله سر بر باشد اما توصیه می شود این قسمت مطالعه کنید زیرا در ادامه به شدت به آن نیاز خواهد شد. در این بخش به موارد زیر خواهیم پرداخت.

• مقاومت الکتریکی
• مدار الکتریکی
• روش تولید انرژی الکتریکی

مقاومت الکتریکی

هر ماده ای دارای مقاومت الکتریکی است. منظور از مقاومت الکتریکی، مقاومت یک ماده در مقابل عبور انرژی الکتریکی است و درست بر عکس هدایت الکتریکی است. برای مثال جریان الکتریکی که حرکت دسته جمعی الکترون ها است به راحتی از آب عبور کرده اما در مقابل از پلاستیک عبور نمی کند.

تمامی مواد را می توان بر اساس میزان هدایتشان به 3 دسته هادی ها، نیمه هادی ها و عایق ها دسته بندی نمود. هادی ها بهترین مواد برای انتقال انرژی الکتریکی هستند. معروف ترین هادی برای انتقال انرژی الکتریکی مس است که امروزه در مدارات الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. عایق ها نیز همانن پلاستیک، هوا، کاغذ و سرامیک از عبور جریان الکتریکی ممانعت می کنند و در نتیجه مقاومت آن ها زیاد است.

نیمه هادی ها شرایط بینا بین دارند و در برخی شرایط هادی و در برخی شرایط دیگر عایق هستند. از آن ها برای ساخت قطعات الکترونیکی مانند دیود و ترانزیستور استفاده می شود.

دسته دیگری به نام ابررسانا وجود دارد که هادی هایی هستند که در دمای بسیار پایین مقاومت الکتریکی صفر از خود نشان می دهند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد ابر رسانا ها می توانید به صفحه ابررسانایی در ویکی پدیا مراجعه کنید.

قانون اهم

برای اندازه گیری مقاومت الکتریکی از واحد اهم استفاده می شود و برای اندازه گیری آن می توان از قانون اهم مطابق زیر استفاده نمود. مطابق رابطه زیر مقاومت الکتریکی از تقسیم ولتاژ دو سر یک قطعه بر جریان عبوری از آن بدست می آید. برای مثال در صورتی که دو سر یک مصرف کننده 12 ولت، اختلاف پتانسیل باشد و جریان 1 آمپر از آن عبور کند، مقدار مقاومت الکتریکی آن 12 اهم می شود.

رابطه مقاومت با کمیت های دیگر

مطابق رابطه زیر مقاومت الکتریکی رابطه مستقیم با طول و رابطه عکس با سطح مقطع دارد. برای مثال اگر طول یک سیم را افزایش دهیم مقاومت آن افزایش می یابد اما در مقابل اگر سطح مقطع سیم افزایش یابد مقاومت آن کم می شود. به همین دلیل برای آمپر های بالا توصیه می شود از سیم های ضخیم تر استفاده شود. مطالق جدول زیر می توانید ضخامت سیم مورد نظر را بر اساس جریان مصرفی و طول سیم انتخاب نمایید.

ناگفته نماند مقاومت به دما نیز وابسته بوده و با افزایش دما مقاومت سیم ها افزایش پیدا می کند و در نتیجه تلفات سیم بیشتر می شود. مطابق قانون اهم مقدار افت ولتاژ دو سر سیم، برابر است با حاصل ضرب جریان در مقاومت سیم که در صورت افزایش دما، مقاومت سیم افزایش پیدا کرده و افت ولتاژ دو سر آن افزایش می یابد.

مدار الکتریکی

از به هم متصل شدن قطعات الکتریکی و الکترونیکی مانند مقاومت، خازن، دیود، ترانزیستور، پنل خورشیدی، شارژکنترلر، باتری و … و تشکیل یک مسیر بسته جهت انتقال الکترون ها (انرژی الکتریکی) مدار الکتریکی به وجود می آید. در هر مدار الکتریکی بسته، شامل منبع انرژی، انرژی الکتریکی در جریان است و دو سر هر قطعه در مدار اختلاف پتانسیل یا همان ولتاژ وجود دارد.

برای اندازه گیری اخلاف پتانسیل یا جریان الکتریکی در هر قسمت از مدار به طور معمول از ولتمتر یا آمپر متر یا به طور کلی مولتی متر استفاده می شود. این دستگاه دارای دو پراب است که با اتصال آن به قسمت های مختلف می توان کمیت مورد نظر را اندازه گیری کرد.

پکیج برق خورشیدی یا نیروگاه خورشیدی نیز یک مدار الکتریکی و الکترونیکی است. در فصل های بعدی قطعات مهم آن معرفی و روش طراحی آن به طور کامل برسی شده است.

روش های تولید انرژی الکتریکی

مطابق قانون پایستگی انرژی، انرژی خود به خود به وجود نمی آید و خود به خود از بین نمی رود بلکه از نوعی به نوعی دیگر تبدیل می شود. بر اساس همین اصل، برای تولید انرژی الکتریکی باید از انرژی دیگری استفاده نمود.

یکی از اولین و ساده ترین روش ها برای تولید انرژی الکتریکی، حرکت یک حلقه مسی در داخل یک میدان مغناطیسی است. اولین بار فارادی کشف کرد که در صورت حرکت یک حلقه مسی در داخل یک میدان مغناطیسی، انرژی الکتریکی تولید می شود. این کشف اساس کارکرد ژنراتور ها است و بر همین اساس از انرژی مکانیکی برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می شود.

یک توربین بادی را در نظر بگیرید، با چرخش پره توربین بادی، شفت اصلی ژنراتور حرکت می کند که باعث چرخش یک سیم پیچ به نام روتور در داخل میدان مغناطیسی می شود. نیروگاه های سوخت فسیلی نیز از همین اصول پیروی می کنند. یک موتور برق که نمونه بسیار کوچک یک نیروگاه با سوخت فسیلی است را در نظر بگیرید. با استفاده از گازوئیل یا بنزین موتور احتراقی یا دیزلی شروع به کار کرده و شفت اصلی موتور به ژنراتور متصل می شود.

همچنین نیروگاه های آبی، گازی، حرارتی و موج آبی نیز بر همین اساس فعالیت می کنند. اما نیروگاه خورشیدی قدری متفاوت است. بر اساس اصل فوتوولتاییک یا تولید انرژی الکتریکی از نور خورشیدی که مربوط به قرن 19 میلادی است، دانشمندان دریافتند که با تابش نور خورشیدی به نیمه هادی ها می توانند الکترون ها را به حرکت در بیاورند و در نتیجه موجب تولید انرژی الکتریکی شود.

در فرایند تولید انرژی الکتریکی توسط اثر فوتوولتاییک، هیچ انرژی مکانیکی مورد استفاده قرار نگرفته است و در نتیجه در حین تولید هیچ آلودگی نیز تولید نخواهد شد.