آموزش برق خورشیدی – پنل خورشیدی – قسمت هفتم

پنل خورشیدی، اصلی ترین قطعه یک نیروگاه خورشیدی است. پنل خورشیدی، نور خورشید را دریافت و انرژی موجود در آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. هر پنل خورشیدی از یک صفحه تشکیل شده است که روی آن تعدادی سلول خورشیدی نصب شده است و سلول ها به واسطه خطوط مسی قلع اندود شده به یکدیگر متصل شده و تشکیل یک مدار الکتریکی را داده اند.

هر سلول خورشیدی از مواد نیمه هادی از جنس سیلیکون تشکیل شده است. از برخورد نور خورشید با سیلیکون، الکترون های آزاد شده و در یک جهت مشخص شروع به حرکت می کنند. در نتیجه جریان الکتریکی به وجود می آید. چون این جریان در یک جهت مشخص است، نوع جریان خروجی از نوع DC است.

تمامی سلول های پنل خورشیدی با یکدیگر سری و موازی شده اند که در نهایت به یک زوج سیم خروجی مثبت و منفی وصل شده است. زوج سیم خروجی پنل خورشیدی به طور معمول از پشت پنل و از محلی به نام Junction Box خارج می شود. منظور از Junction Box یک جعبه پلاستیکی مشکی رنگ است که به پشت پنل متصل می شود و سیم های خروجی پنل خورشیدی از آن خارج می شود. گاهی اوقات تعدادی دیود در آن قرار دارد که به دلایل حفاظتی در مدار پنل خورشیدی قرار گرفته و در ادامه در مورد آن صحبت خواهد شد.

صفحه ای که سلول های خورشیدی بر روی آن نصب شده است به طور معمول دارای یک شیشه محافظ است که از پوسیدگی خطوط مسی و همچنین سلول ها حفاظت می کند. همچنین از یک فریم آلمینیومی برای حفاظت بیشتر پنل خورشیدی دور تا دور صفحه استفاده می شود. البته در برخی پنل ها به نام Double Glass به جای فریم آلمینیومی، دو طرف صفحه شیشه محافظ قرار داده شده و هیچ فریمی دور تا دور صفحه وجود ندارد.

هر پنل خورشیدی دارای پارامتر های مختلفی است که در ادامه قصد داریم به هر کدام از آن ها جداگانه بپردازیم پس در ادامه با سولارنیرو همراه باشید.

مشخصات الکتریکی پنل خورشیدی

هر پنل خورشیدی دارای مشخصات الکتریکی نظیر ولتاژ، جریان و توان است که به طور معمول بر روی لیبلی که پشت پنل نصب می شود، نوشته می شود. این مقادیر توسط دو تست معروف به دست می آید که STC و NOCT نام دارند. در هر کدام از این تست ها، پنل خورشیدی در شرایط محیطی مشخص قرار می گیرند و خروجی آن ها اندازه گیری می شود. به طور معمول اطلاعات الکتریکی نوشته در پشت پنل، اطلاعات بدست آمده از تست STC است.

تست STC پنل خورشیدی

تست STC مخفف عبارت Standard Test Condition است که بیانگر تست استاندارد پنل خورشیدی است. شرایط انجام این تست به صورت زیر است:

1. دمای سلول های پنل خورشیدی در حدود 25 درجه سانتی گراد
2. مقدار تابش نور به سلول خورشیدی در حدود 1000 وات بر متر مربع

توان نوشته شده بر روی لیبل پنل خورشیدی از این تست بدست آمده و مطابق شرایط آزمایشگاهی است.

تست NOTC پنل خورشیدی

تست NOTC پنل خورشیدی مخفف Normal Test Condition است که تفاوت آن با تست STC بیشتر بر روی شدت تابش نور در تست است که برابر با 800 وات بر متر مربع است. مقادیر الکتریکی بدست آمده از این تست با واقعیت بیشتر همخوانی دارد، زیرا در واقعیت هم تابش خورشید نزدیک این عدد است و هم شرایط آب و هوایی دقیق تر در نظر گرفته شده است. تفاوت توان پنل خورشیدی در تست STC با تست NOTC در محیط ها و آب و هوا های مختلف بین 15 تا 40 درصد است.

توان پنل خورشیدی

همانطور که گفته شد توان درج شده در پشت پنل خورشیدی مطابق تست STC بوده و در واقعیت و در شرایط آب و هوایی این مقدار کمتر خواهد بود. همچنین در آب و هوای ابری که نور خورشید در دسترس نیست، توان پنل ممکن است به 5 الی 10 درصد مقدار ماکزیموم باشد. همچنین با تغییر جهت تابش خورشیدی در طول روز و در صورت استفاده از استراکچر با زاویه ثابت، مقدار توان در هر ساعت یکسان نیست و بر اساس آمار و میانگین تابشی در نقاط مختلف، برای هر نقطه جغرافیایی یک ضریب ثابت تابش سالانه اعلام می شود که بیانگر تعداد ساعتی است که در هر روز پنل دارای حداکثر توان است.

به طور مثال یک پنل 100 وات را در نظر بگیرید. این پنل خورشیدی در صورت استفاده از یک سازه با زاویه ثابت فقط در حدود 1 تا 2 ساعت توان تامین حداکثر توان را دارد. یعنی حداکثر 2 ساعت از روز 100 وات در دسترس است. 2 ساعت دیگر 80 درصد این پنل در دسترس است و به همین منوال، توان در ساعات آغازین روز و پایانی روز به حداقل مقدار خود می رسد.

همچنین در فصل زمستان این مقدار به دلیل کاهش زاویه خورشید و همچنین روز های ابری، مقدار این توان نیز کاهش می یابد. حال شهر تهران را در نظر بگیرید. ضریب متوسط تابش سالانه تهران در حدود 5 ساعت است. این به این معنی است که 5 ساعت از روز پنل خورشیدی دارای راندمان 100 درصد است و سایر ساعات تولیدی ندارد. پس یک پنل خورشیدی 100 وات در تهران روزانه و به صورت متوسط سالانه 500 وات ساعت انرژی الکتریکی تولید می کند. البته توان درج شده پشت پنل بر اساس تست STC بوده و مقدار واقعی توان ممکن است 10 تا 40 درصد متناسب با کیفیت پنل پایین تر باشد.

ولتاژ پنل خورشیدی

خروجی پنل خورشیدی یک ولتاژ مستقیم یا DC است. حتی در صورت نبود نور نیز پنل خورشیدی ممکن است دارای ولتاژ کوچکی باشد. دو نوع ولتاژ در لیبل پشت پنل خورشیدی درج شده است:

• ولتاژ پنل خورشیدی در حداکثر توان یا Vmp
• ولتاژ مدار باز پنل خورشیدی یا Voc

ولتاژ پنل خورشیدی در تابش های متفاوت تغییر می کند. زمانی که پنل در نقطه حداکثر توان است، ولتاژ خروجی باید برابر یا اندکی کمتر از Vmp باشد. با افزایش ولتاژ پنل از Vmp، توان خروجی کاهش می یابد تا ولتاژ Voc که در این ولتاژ، جریان خروجی پنل صفر و به همین دلیل توان خروجی نیز صفر وات می شود.

در صورتی که پنل خورشیدی زیر نور آفتاب با تابش خوب باشد و پنل به جایی وصل نباشد، با اندازه گیری ولتاژ دو سر پنل به عدد Voc خواهیم رسید.

جریان پنل خورشیدی

همانند ولتاژ، پنل خورشیدی دارای دو پارامتر جریان است. یکی جریان در نقطه حداثر توان Imp که مطابق ولتاژ Vmp، حداکثر جریان خروجی پنل در نقطه حداکثر توان است و جریان اتصال کوتاه Isc که حداکثر جریان پنل خورشیدی است و زمانی که خروجی پنل اتصال کوتاه شود بدست می آید.

مشخصات غیر الکتریکی پنل خورشیدی

پنل خورشیدی علاوه بر مشخصات الکتریکی، دارای پارامتر های غیر الکتریکی است که به همان اندازه اهمیت دارد. در ادامه به برسی این پارامتر ها خواهیم پرداخت.

راندمان پنل خورشیدی

پارامتر راندمان پنل خورشیدی، امروزه به یک عنوان تجاری تبدیل شده است. این پارامتر به راحتی قابل اندازه گیری نبوده اما گویای یک عبارت مهم است، هر چه راندمان پنل خورشیدی افزایش یابد، ابعاد پنل خورشیدی کوچکتر می شود.

برای مثال 2 پنل 200 وات را در نظر بگیرید. یکی راندمان 10 درصد و دیگری راندمان 17 درصد. تفاوت اصلی این دو پنل خورشیدی، ابعادشان است. این به این معنی است که هر دو پنل 200 وات است و خروجی آن ها با یکدیگر برابر است اما پنلی که دارای راندمان 17 درصد است از ابعاد کوچکتری نسبت به پنل با راندمان 10 درصد برخوردار است.

روز به روز شرکت های تولید کننده مطرح پنل خورشیدی با تغییر تکنولوژی تلاش می کنند تا راندمان پنل های خورشیدی خود را افزایش دهند. در گذشته پنل های خورشیدی در مساحت 2 متر مربع حداکثر در رنج توانی 300 تا 330 وات تولید می شدند اما امروز در این ابعاد پنل های خورشیدی تا توان 460 وات نیز تولید می شود.

این پارامتر صرفا فقط به درد نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه در ابعاد بزرگ می خورد زیرا با افزایش راندمان، علاوه بر کاهش ابعاد نیروگاه، هزینه سازه های نیروگاه نیز به شدت کاهش پیدا می کند.

استاندارد های ابعاد پنل خورشیدی

سال ها تولید کننده های پنل خورشیدی، محصولات خود را در ابعاد سلیقه ای تولید می کردند اما با گسترش نیروگاه خورشیدی در سرتاسر جهان، بسیاری از آن ها تصمیم گرفتند محصولات خود را با استاندارد یکسانی تولید و عرضه نمایند. هر چقدر تولید کننده در استاندارد سازی ابعاد پنل های ریزوات موفق نبودند اما محصولات خود را در رنج 200 وات به بالا مطابق یک استاندارد به بازار عرضه کردند.

امروزه 2 استاندارد 60 سلولی و 72 سلولی بسیار مورد توجه قرار گرفته و بسیاری از پنل ها در این دو سایز تولید می شود.

پنل خورشیدی 60 سلولی

این پنل از 60 سلول که در 6 ردیف چیده شده است تشکیل شده است. در هر ردیف 10 سلول وجود دارد که هر 10 سلول با یکدیگر سری و همچنین با 10 سلول ردیف بعدی خود سری شده است. این به این معنی است که هر پنل 60 سلولی از سه مجموعه 20 سلولی تشکیل شده است. اهمیت برسی این چیدمان برای زمانی است که سایه بر روی پنل می افتد. در صورتی که سایه بر روی ردیف اول سلول ها بیفتد، تمامی سلول های ردیف اول و سلول های ردیف دوم غیر فعال می شوند و این به معنی غیر فعال شده 20 سلول از 60 سلول پنل است و 30 درصد از توان خروجی کم می شود. اگر طول سایه بیشتر شود و تا سلول سوم برسد، چهار ردیف اول یعنی 40 سلول غیر فعال شده و 60 درصد راندمان پنل کاهش می یابد.

پنل خورشیدی 60 سلولی معمولا در رنج توانی 230 تا 310 وات تولید و ولتاژ پنل در نقطه حداکثر توان در حدود 26 تا 31 ولت است. همچنین جریان پنل در نقطه حداکثر توان 8.5 تا 9 آمپر و جریان اتصال کوتاه برابر با 9.1 تا 9.5 آمپر است.

پنل خورشیدی 72 سلولی

این نوع پنل خورشیدی مطابق پنل 60 سلولی، از شش ردیف سلول تشکیل شده است اما به جای 10 سلول در هر ردیف، 12 سلول وجود دارد. تاثیر سایه بر این مدل از پنل خورشیدی، همانند پنل خورشیدی 60 سلولی است. با ورود تکنولوژی های جدید و افزایش راندمان پنل های خورشیدی، استاندارد 72 سلولی امروزه شامل پنل های 300 وات تا 500 وات می شود. بنابر این رنج مشخصی از ولتاژ برای پنل های 72 سلولی مشخص نیست اما به طور معمول رنج ولتاژ Vmp این مدل در حدود 34 تا 50 ولت است اما مقدار جریان در نقطه حداکثر توان از 9.5 آمپر بیشتر تجاوز نمی کند.

نوع کریستال پنل خورشیدی

سلول پنل های خورشیدی معمول در بازار در دو نوع پلی کریستال و مونوکریستال طبقه بندی می شوند. روش تولید هر کدام از این دو سلول با یکدیگر فرق می کند و از توضیح آن از حوصله این مقاله خارج است اما به زودی مقاله ای برای توضیح دقیق این دو نوع در سایت قرار می گیرد که می توانید با مراجعه به آن از جزئیات دقیق هر کدام آگاه شوید.

سلول های مونوکریستال به طور معمول به رنگ مشکی و گوشه های آن دارای برش است که شکل هندسی لوزی به وجود می آید اما در طرف مقابل سلول های پلی کریستال به رنگ آبی یا سرمه هستند و برش آن ها دقیقا به شکل مربع و دارای گوشه تیز است. البته در پنل های ریزوات شکل مربع ممکن است به مستطیل تبدیل شود.

مونوکریستال ها دارای راندمان بیشتر به نسب پلی کریستال ها هستند. این به این معنی است که ابعاد پنل مونوکریستال کوچکتر از پلی کریستال است و در نیروگاه خورشیدی بزرگ، علاوه بر بهینه سازی فضا، هزینه سازه و اجرای نیروگاه به طرز چشمگیری کاهش می یابد.

مونوکریستال بهتر است یا پلی کریستال

شاید ساده ترین جواب این است که در پروژه های کوچک هیچ تفاوتی با یکدیگر ندارند اما در پروژه های بزرگ نیاز به برسی پارامتر های بسیاری است.

پنل های مونوکریستال به نسبت پلی کریستال ها دارای راندمان بیشتری هستند. این به این معنی است که ابعاد پنل های مونوکریستال اندکی کوچک تر از پنل های پلی کریستال است که این امر در نیروگاه خورشیدی کوچک اصلا اهمیتی ندارد. در مقابل قیمت مونوکریستال ها نسبت به پلی کریستال مشابه خود بیشتر است.

تفاوت دیگر پنل خورشیدی مونوکریستال با پلی کریستال، ضریب حرارتی بهتر است. به ازای هر درجه افزایش دمای سلول، توان تولیدی آن با ضریب مشخصی کم می شود که به آن ضریب حرارتی سلول گفته می شود. در این پارامتر نیز پنل مونوکریستال بهتر از پنل پلی کریستال است اما این نکته را در نظر بگیرید که در محیط های بسیار گرم و با تابش شدید نور خورشید و به دلیل مشکی بودن رنگ سلول های مونوکریستال، جذب گرمای مونوکریستال بیشتر از پلی کریستال است.

نکته آخر اینکه سلول های مونوکریستال دارای عملکرد بهتر در نور کم را داشته و به همین علت در محیط های ابری مانند مناطق شمالی ایران بیشتر پیشنهاد می شود.

در این بخش سعی کردیم اطلاعات کاربردی در مورد پنل خورشیدی ارائه کنیم. بدون شک اطلاعات کامل تری در مورد پنل خورشیدی و تکنولوژی های مورد استفاده در آن وجود دارد که می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر به وبلاگ سولارنیرو مراجعه نمایید.