نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک مجموعه ای از تجهیزاتی است که موجب می شود انرژی خورشیدی (نور) را جذب و به برق تبدیل نماید. برای این کار مهم ترین بخش آن که پنل های خورشیدی است وظیفه تبدیل انرژی ساطع شده از خورشید و تبدیل آن به جریان الکتریسیته را بر عهده دارد.
انرژی خورشیدی کاربردهای مختلفی دارد مثل آبگرمکن خورشیدی، اجاق گاز خورشیدی، ساعت خورشیدی، پمپ آب خورشیدی و… ولی در اینجا فقط کاربرد نیروگاهی فتوولتائیک و مباحث فنی-اقتصادی مربوط به آن توضیح داده میشود.
انواع کلی نیروگاه خورشیدی
۱٫ نیروگاه خورشیدی منفصل از شبکه یا آفگرید Off-grid
۲. نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه یا آنگرید On-grid
۳٫ نیروگاه خورشیدی هیبرید Hybrid
علاوه بر این سه دسته بندی، تقسیم بندی های دیگری نیز می شود. در سیستم های هیبرید، نیروگاه خورشیدی هم برای
مصرف داخلی و هم برای تزریق مازاد مصرف به شبکه می تواند استفاده شود که در ایران امکان استفاده همزمان
و فروش به شبکه وجود ندارد.
نیروگاه خورشیدی منفصل از شبکه یا آفگرید off-grid
برای جاهایی مناسب است که میزان مشخصی مصرف برق وجود دارد یا به عبارتی تجهیزات مشخصی وجود دارد که صرفا برای تأمین برق آنها نیاز به احداث نیروگاه خورشیدی است و این نیروگاهها به شبکه سراسری برق وصل نیستند. در این نوع نیروگاه ها باید باتری و شارژ کنترلر وجود داشته باشد که بتواند انرژی الکتریسیته تولیدی توسط پنل خورشیدی را در خود ذخیره کرده و در ساعات غیر آفتابی مثل شب یا روزهای ابری بتواند بارمصرفی (برق موردنیاز تجهیزات) را تأمین نماید.
هزینه این نیروگاهها نسبت به نیروگاههای متصل به شبکه (آنگرید) دو برابر بالاتر بوده و هزینه تعمیر و نگهداری بالاتری دارند. با توجه به طول عمر باتری ها، عموما هر چهار یا پنج سال یک بار نیز باید بانک باتری ها تعویض گردند. البته در صورت استفاده از باتری با عمق دشارژ بالاتر و باکیفیت تر می توان تا ۸ سال هم بهره برداری کرد که گرانتر هستند. نیروگاههای خورشیدی آفگرید، چون با باتری هستند، در این نیروگاه ها از شارژ کنترلر هم استفاده می شود تا بتواند شارژ باتری را کنترل نماید و آسیبی به باتری ها نرسد. نیروگاههای آفگرید نیازمند محاسبات دقيق بر مبنای انرژی مصرفی، حداکثر مصرف ساعتی، میزان مصرف شبانه و … است.
نیروگاه های خورشیدی متصل به شبکه یا آنگرید On-grid
در سیستم متصل به شبکه برق تولید شده از انرژی خورشیدی به شبکه برق سراسری تزریق می شود. در حقیقت در این سیستم، کاربر، برق تولیدی خود را به سازمان انرژی های تجدیدپذیر و بهره وری برق ایران یا ساتبا (زیرمجموعه وزارت نیرو) میفروشد. در این روش، برق تولید شده پس از تبدیل شدن بوسیله اینورترمخصوص سیستم های متصل به شبکه (مبدل انگرید) و با استفاده از کنتورهای مخصوص به کیلووات شمارش و به شبکه برق سراسری تزریق خواهد شد.
اجزای مختلف نیروگاه خورشیدی
پنلهای فتوولتائیک
در پنل ها، سلول های خورشیدی وجود دارد که با تابیده شدن نور به آنها، الکترونهای آنها با دریافت انرژی نوری آزاد شده و به حرکت درمی آیند و تولید جریان می کنند. مجموع همه سلول ها تولید جریان قابل توجهی می کند که میتوان از آن برای تأمین انرژی موردنیاز استفاده کرد.
پنل های فتوولتائيك (PV) تجاری عموما به سه صورت زیر به فروش می رسند. پنلهای با فناوری های دیگر نیز وجود دارد که استفاده تجاری نداشته و برای کاربردهای خاصی است.
سه نوع پنل خورشیدی تجاری پراستفاده در ایران و دنيا:
۱٫ پنل پلی کریستال
۲٫ پنل منوکریستال
٣. پنل لایه نازک یا تین فیلم
با افزایش تعداد پنل های فتوولتائیک می توان نیاز مصرف کنندگان مختلف را با توان های متفاوت تأمین نمود. هرچه قدر مصرف برق بالاتر باشد یا نیاز به احداث نیروگاه با تولید بیشتر، باشد می توان تعداد پنل های بیشتری را نصب کرد.
این پنل ها طوری ساخته شده اند که در برابر شرایط محیطی مانند سرما و گرمای شدید، رطوبت استوایی و بادهای شدید مقاومت می کنند. پنل های باکیفیت، تست های مختلف را پشت سر گذرانده و در خصوص تغييرات آب و هوایی، دمایی، تگرگ و … مقاوم هستند. پنل های خورشیدی با کیفیت دارای سرتیفیکت و گواهینامه های آب و هوایی، دمایی، تگرگ و … مقاوم هستند. پنل های خورشیدی با کیفیت دارای سرتیفیکت و گواهینامه های معتبر از آزمایشگاههای پنلهای خورشیدی هستند.
فناوری پنل های خورشیدی روزبه روز در حال گسترش بوده و به دلیل حجم بالای تقاضای جهانی، به شدت در حال تغییر و بهبود است. انتخاب یک پنل خورشیدی باکیفیت بالا از میان صدها مدل مختلف و برندهای متفاوت می تواند یک کار بسیار دشوار باشد لذا توصیه می شود در انتخاب و خرید از یک مشاور باتجربه استفاده نمایید.
سلول های سلیکونی مونو کریستال
این سلول ها یکی از رایج ترین انواع سلول های خورشیدی در صنعت فتوولتائیک بوده و دارای بالاترین بازده در بین سلولهای خورشیدی می باشد.
سلوهای خورشیدی پلی کریستال
این سلول ها از دانه های ریز سیلیکون تک کریستالی ساخته شده اند. بازده این سلول ها نسبت به تک کریستالی ها پایین تر است اما هزینه ساخت کمتری دارند وارزانتر می باشند.
سلول های خورشیدی نسل دوم
به این نوع سلول های خورشیدی، لایه نازک می گویند . فرآیند کلی تولید این نوع سلول ها به صورت رسوب یا نشست یک لایه بسیار نازک از مواد فتوولتائیک با ضخامت چند نانومتر تا چند میکرون، روی بستری با ضخامت کم از جنس شیشه، پلاستیک یا فلز می باشد. تکنولوژی ساخت آنها به گروه های زیر تقسیم می شود:
– سلول های خورشیدی سیلیکونی آمورف
– سلول های خورشیدی مبتنی بر گالیم آرسناید
– سلول های خورشیدی مبتنی بر کادمیم تلوراید
– سلول های خورشیدی مبتنی بر دی سلنید ایندیوم مس
مشخصات فیزیکی پنل
اینورتر (مبدل) خورشیدی
جریان و ولتاژ خروجی پنلهای فتوولتائیک به صوت مستقیم DC است، مصرف کننده می تواند از دو نوع DC یا AC باشد اما چون شبکه برق شهری که ما در خانه ها استفاده می کنیم برق متناوب یا همان AC است لذا باید برق DC تولید شده توسط پنل ها را به برق AC تبدیل کنیم که برای این کار از اینورتر یا همان مبدل استفاده می شود.
اینورترهای آنگرید on-grid به دلیل نیاز به حفاظت های بیشتر، کیفیت بالای توان تزریقی به شبکه و انجام عمليات اتصال به شبکه برق در ولتاژ و فرکانس شبکه از قیمت بالاتری نسبت به اینورترهای آفگرید off-grid برخوردار بوده و حجیم تر هستند. در ایران و دنیا عموما برای ظرفیت های تا ۵ کیلووات از اینورترهای آنگرید تکفاز استفاده می شود ولی برای ظرفیت هایی که ۱۰ کیلووات و بالاتر هستند از اینورترهای آنگرید سه فاز استفاده می شود. اینورترهای آفگرید و هیبرید هم چون در ظرفیت های پایین عموما مورد استفاده قرار می گیرند تکفاز هستند.
برای انتخاب اینورتر دو پارامتر بسیار مهم را باید در نظر گرفت:
– ولتاژ ورودی به اینورتر
– توان خروجی از اینورتر
اینورترهای تک فاز و سه فاز آنگرید در ظرفیت های مختلف در بازار موجود است.
استراکچر (سازه) خورشیدی
یکی از مهم ترین اجزای تشکیل دهنده نیروگاه های خورشیدی استراکچر است. انتخاب و اجرای سازه های زیبا، مستحکم و درعین حال مقرون به صرفه جهت نصب و اجرای نیروگاههای خورشیدی، یکی از اساسی ترین مراحل طرح ریزی و اجرا در پروژه های انرژی خورشیدی است. استراکچرها در هر شهری یک زاویه مشخص خواهند داشت که پنل های خورشیدی بتوانند بیشترین نور خورشید را جذب کرده و توان بیشتری تولید نمایند. این کار معمولا توسط نرم افزار و شرکتهای پیمانکار انجام میشود تا زاویه بهینه نصب پنل های خورشیدی تعیین گردد.
سازه باید علاوه بر قابلیت تحمل وزن آرایه خورشیدی، تحمل نیروی ناشی از وزش باد، زلزله و يخ را نیز داشته باشد؛ بنابراین برای طراحی يك سازه مناسب ابتدا باید اطلاعات هواشناسی شامل قطر يخ و میزان وزش باد را به دست آورد و نیروی ناشی از آنها را تخمین زد و سپس بر اساس آن سازه مناسب را طراحی نمود.
جنس سازه باید مناسب با شرایط محیطی و آب و هوایی باشد، سازمان انرژی های تجدیدپذیر و بهره وری ایران (ساتبا) دستورالعملی را تدوین کرده است که استانداردهای تجهیزات مختلف نیروگاه خورشیدی را تا حدودی مشخص نموده است. در این دستورالعمل برای استراکچر فقط امکان استفاده از فولاد گالوانیزه گرم با پوشش گالوانیزه شده به اندازه استاندارد یا آلومینیوم را داده است. همچنین پیچ و مهره و متعلقات باید از جنس استیل ضد زنگ باشد چرا که فرسودگی باعث سست شدن سازه و درنهایت منجر به آسیب دیدن آرایه خورشیدی میشود. در نیروگاه های بزرگ اغلب از استراکچرهای کویشی تک پایه یا دوپایه استفاده می گردد.
استراکچر ثابت
استراکچر ثابت در یک زاویه و مکان مشخص قرار میگیرد و امکان تغییر زاویه ندارند. معمولا پایه های استراکچر را در بتن محکم کرده و یا روی سقف با پیچ و مهره و با وزنه محکم می کنند تا در مقابل بادها و فشارهای مکانیکی مقاوم باشند و از جا کنده نشوند.
استراکچر متغیر
استراکچرهایی است که قابلیت تغییر زاویه از حدود ۱۰ تا ۶۵ درجه را داشته باشند . با توجه به تغییر زاویه خورشید در فصول متفاوت سال بهترین حالت قرار گیری پنل را مشخص نموده و زاويه قرار گیری پنل را در همان حالت قرار می دهیم. بازده این روش حدودا تا ۲۰ درصد نسبت به روش ثابت بیشتر است. مهندسی انرژی آرا نیرو طی سال ها تحقیق و و توسعه توانسته است استراکچر متغیر (تراکر) فصلی تولید نماید که به صورت کاملا مکانیکال زاویه آن تغییر میابد و از این حیث کارفرما را مشمول هیچ گونه هزینه نگهداری در دوره بهره برداری نیروگاه نخواهد کرد.
استراکچر متحرک با دنبال کننده (ترکر) این روش خود به دو حالت تک محوره (حرکت افقی از شرقی- غربی یا شمالی جنوبی) و دومحوره (هم شرقی۔ غربی و هم شمالی جنوبی باهم) تقسیم میشود. بازده نیروگاه در این روش بین ۱۵ الی ۲۰ درصد افزایش می یابد ولی قیمت پیاده سازی آن نیز زیاد است. اینورترهای متحرک به به دلیل حساسیت در ردیابی درست خورشید و بازوهای الکترومکانیکی آن عموما گران هستند و بیشتر در نیروگاهای بزرگ که حاضر به پذیرش ریسک دوره بهره برداری هستند، کاربرد دارند.
تابلوهای الکتریکی
در نیروگاههای خورشیدی بین پنل ها و اینورتر، تجهیزات حفاظتی مثل سرج ارستر و فیوز قرار میگیرد که این تجهیزات در یک تابلو تجمیع شده اند و به آن تابلوی DC گفته می شود چون سمت ولتاژ DC نیروگاه قرار داد. همچنین بین اینورتر و کنتور برق هم یک تابلوی دیگر شامل کلید و فیوز و سرج ارستر قرار می گیرد که این تجهیزات نیز در یک تابلوی دیگر قرار میگیرند که تابلوی AC گفته می شود چون سمت AC مدار نیروگاه قرار دارد.
تابلو توزیع DC
جعبه DC باید جهت اتصال کابل های خروجی از ماژول ها با فیوزهای حفاظتی DC مورد استفاده قرار گیرد، تابلو توزيع DC باید در نزدیکی اینورتر متصل به شبکه نصب گردد. این تابلو می بایست از جنس مناسب وبا ترموپلاستیک با درجه IP55 مطابق با استاندارد در محیطهای خارجی و با حفاظت منطبق با محل نصب و دارای ریل های مخصوص نصب فیوز و ترمینال باشد.
تابلو توزیع AC
تابلو توزیع AC می بایست در نزدیکی اینورتر نصب گردد. این تابلو می بایست از جنس مناسب ويا ترموپلاستیکی با درجه IP ۵۵ مطابق با استاندارد برای محیطهای خارجی و یا حفاظت منطبق با محل نصب و دارای ریلهای مخصوص نصب ترمینال های مربوط به کابلها و فیوزها باشد. تجهیزات و ترمینال های مربوط به کابل های مرتبط با این تابلو به شرح ذیل می باشد.
– ورودی ۳ قطب /۵ قطب (تک فاز / سه فاز ) جهت کابل های خروجی مربوط به اینورترخورشیدی متصل به شبکه
– فیوز اتوماتیکی AC 2قطب/ ۴ قطب
– تجهیزات حفاظتی در برابر ((surge protection device (SPD) کلاس ۲ مطابق با استاندارد؛ ۳۵-۵۶۴۰۳۶IEC
– کابل خروجی جهت اتصال به تابلو توزیع برق ساختمان
تجهیزات حفاظتی (سرج ارستر، فیوز، کلید اتوماتیک و…)
برای حفاظت از تجهیزات نیروگاهی در مقابل اضافه ولتاژهای بالا ، اتصالیها و اضافه جریان ها و … از تجهیزات حفاظتی استفاده می گردد. سرج ارسترها ، از تجهیزات نیروگاه در مقابل اضافه ولتاژها محافظت می کنند و فیوزها از اضافه جریانها و اتصالی ها حفاظت می کنند. کلیدهای اتوماتیک هم برای حفاظت در برابر جریان ها هستند و هم وظیفه قطع و وصل مدار را بر عهده دارند.
سیم و کابل، اتصالات و MC4
یکی از مهم ترین تجهیزاتی که در نیروگاه خورشیدی باید مورد توجه قرار گیرد استفاده از سیم و کابل و اتصالات باکیفیت بالاست. معمولا سرمایه گذاران فقط روی کیفیت اینورتر و پنل حساس هستند درحالی که اتفاقا اغلب آنها چون خارجی هستند از استانداردهای لازم برخوردارند و سیم و کابل و اتصالات به تنهایی ممکن است به اندازه همه تجهیزات باعث افت راندمان و تلفات در سیستم شود و در درازمدت هم، با قطعی های فراوان موجب خاموشی و از دست دادن درآمد گردد.
کنتور دیجیتال و تابلو کنتور
آخرین تجهیزی که در نیروگاه قرار می گیرد تابلو کنتور است که کنتور دیجیتال و کلید و حفاظت های اتصال به شبکه را در خود جای داده است. نیروگاه تولید خود را بعد از کنتور به شبکه برق تزریق می کند. در زیر کنتور دیجیتال خورشیدی و تجهیزات جانبی آن در تابلو برای یک نیروگاه خورشیدی قابل مشاهده است.
ارت و سیستم زمین
زمین کردن از جنبه های گوناگون ایمنی و حفاظتی دارای اهمیت فراوان می باشد، به منظور حفاظت افراد و دستگاه ها، استفاده از سیستم ارت و زمین کردن تجهیزات مطابق روش های استاندارد و مورد تائید کارفرما ضروری است و براساس استاندارد، باید به گونه ای طراحی شود که باعث ایجاد اضافه ولتاژی فراتر از مقدار نامی تجهیزات متصل شده به شبکه برق نشود و همچنین نباید موجب اختلال در هماهنگی حفاظت خطای زمین در شبکه برق گردد.
همه تجهیزات نیروگاه خورشیدی باید همبندی شده و هر دو سمت و AC و DC سیستم زمین وصل شود: طبق استاندارد مقاومت سیستم زمین باید کمتر از ۲ اهم باشد. معمولا در نیروگاههای خورشیدی انشعابی با یک چاه ارت به ارت زیر ۲ اهم می رسند و همه تجهیزات حفاظتی، اینورترها، استراکچرها و … را همبندی کرده و به این ارت وصل می کنند.
پست برق
در نیروگاه های بزرگ خورشیدی، خروجی اینورترها به ترانسفورماتور داده می شود تا بعد از تغییر سطح ولتاژ و هماهنگ شدن ولتاژ و فرکانس به شبکه برق تزریق شود که این مورد در پست های برق انجام می شود. معمولا نیروگاههای خورشیدی بزرگ باید اقدام به احداث پست اختصاصی برق نمایند.
ظرفیت نیروگاه و توان تولیدی
هر نیروگاه یک مقدار مشخص توان تولیدی دارد. به حداکثر توان نامی نیروگاه (توانی که در شرایط استاندارد می تواند تولید کند) ظرفیت نیروگاه گفته میشود. میزان مصرف توان در زمان مشخص را انرژی می گویند. انرژی، ضرب توان در زمان است. شرکت های برق هم در قبوض برق هزینه انرژی مصرفی را حساب می کنند نه توان را. هزینه برق تولیدی نیروگاه خورشیدی را بر اساس انرژی تزریقی به شبکه محاسبه می کنند.
به میزان برقی که یک نیروگاه با پنل فتوولتائیک می تواند تولید کند توان با قدرت تولیدی می گویند. توان را با واحد وات W بیان می کنند. وقتی میگویند توان تولیدی نیروگاه خورشیدی ۱۰ کیلووات است یعنی این نیروگاه قابلیت تولید ۱۰۰۰۰ وات را دارد. هر کیلووات معادل ۱۰۰۰ وات است.
قرارداد خرید تضمینی برق PPA
قرارداد خرید تضمینی برق، یعنی برق تولیدی شما را به صورت تضمینی تا ۲۰ سال خریداری می کنند و تحت هیچ شرایطی دولت نمی تواند بعدا آن را لغو نماید. این نوع قرارداد از محکم ترین قراردادهای دوجانبه بین مردم و دولت هاست.
