فتوولتاییک چیست؟
فتوولتاییک (به انگلیسی: Photovoltaics) یا به اختصار PV، یکی از انواع سامانه‌های تولید برق از انرژی خورشیدی می‌باشد. در این روش با بکارگیری سلولهای خورشیدی، تولید مستقیم الکتریسیته از تابش خورشید امکان‌پذیر می‌شود. سلولهای خورشیدی از نوع نیمه رسانا می‌باشند که از سیلیسیوم یعنی دومین عنصر فراوان پوسته زمین ساخته می‌شوند. وقتی نور خورشید به یک سلول فتوولتاییک می‌تابد، بین دو الکترود منفی و مثبت اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آن‌ها می‌گردد. می‌توان فتوولتایک را در دسته فناوری‌های انرژی‌های تجدید پذیر (نوشو) قرار داد.
انرژی خورشیدی
مقدار انرژی تابشی خورشید بر روی کره زمین (در یک ساعت یا یک دقیقه (جمله باید تابع زمان باشد)) ۶۰۰۰ برابر کل مصرف انرژی‌های سالیانه بر روی زمین است که این مطلب نشان دهنده اهمیت توجه به این منبع در تأمین نیازهای روزمره بشر است. اگر تا به حال انرژی خورشیدی رقیبی جدی برای سوخت‌های فسیلی محسوب نمی‌شده‌است، به دلیل پایین بودن تاریخی قیمت سوخت‌های فسیلی بوده‌است. اگر چه هنوز هم فناوری استفاده از انرژی خورشیدی به بلوغ خود نرسیده‌است، اما رسیدن به این تکامل نزدیک است. بسیاری از کشورهای جهان در تلاشند تا با جایگزینی انرژی خورشیدی در تولید حرارت و الکتریسیته حداکثر استفاده از این منبع انرژی را به دست آورده و زیان‌های ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی را کاهش دهند.
تاریخچه فتوولتاییک
عبارت فتوولتاییک “Photovoltaic” ترکیبی از کلمه یونانی “Photos” به معنی نور با “Volt” به معنای تولید الکتریسیته از نور است. کشف پدیده فتوولتاییک به فیزیکدان فرانسوی آلکساندر ادمون بکرل نسبت داده می‌شود که در سال ۱۸۳۹ با چاپ مقاله‌ای (Becquerel، ۱۸۳۹) تجربیات خود را با باتری تر (Wet Cell) ارائه نمود. او مشاهده نمود که ولتاژ باتری وقتی که صفحات نقره‌ای آن تحت تابش نور خورشید قرار می‌گیرند، افزایش می‌یابد.
اما اولین گزارش از پدیده PV در یک ماده جامد در سال ۱۸۷۷ بود وقتیکه دو دانشمند کمبریج R.E. Day و W.G.Adams در مقاله‌ای به انجمن سلطنتی تغییراتی که در خواص الکتریکی سلنیوم وقتی که تحت تابش نور قرار می‌گیرد را، توضیح دادند (Adams and Day، ۱۸۷۷).
در سال ۱۸۸۳ Charles Edgar Fritts که یک مهندس برق اهل نیویورک بود، یک سلول خورشیدی سلنیومی ساخت که از برخی جهات شبیه به سلولهای خورشیدی سیلیکونی امروزی بود. این سلول از یک ویفر نازک سلنیوم تشکیل شده بود که با یک توری از سیمهای خیلی نازک طلا و یک ورق حفاظتی از شیشه پوشانده شده بود. اما سلول ساخت او خیلی کم بازده بود. بازده یک سلول خورشیدی عبارت از درصدی از انرژی خورشیدی تابیده به سطح آن می‌باشد که به انرژی الکتریکی تبدیل شده باشد. کمتر از ۱٪ انرژی خورشیدی تابیده شده به سطح این سلول ابتدایی به الکتریسیته تبدیل می‌شد. با وجود این، سلولهای سلنیومی سرانجام در نورسنج‌های عکاسی به‌طور وسیعی بکار گرفته شد.
سلولهای خورشیدی (فتوولتاییک)
یک سلول خورشیدی
عنصر اصلی فناوری فتوولتاییک، سلول خورشیدی است. سلولهای فتوولتاییک (PV) که عموم آن را با نام سلولهای خورشیدی می‌شناسند، از مواد نیمه رسانای حالت جامد تشکیل شده‌اند. سیلیکون، عمومی‌ترین ماده نیمه رسانا است که به واسطهٔ فراوانی آن در سلولهای PV مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر چه سیلیکون عنصر فراوانی است و درصد زیادی از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد، ولی سلولهای سیلیکونی به خاطر فرایند ساخت و خالص سازی سیلیکون، قیمت بالایی دارند.
سلو لهای فتوولتائیک با استفاده از اشعه خورشید و سلو لهای خورشیدی، و با ایجاد اختلاف فشار الکتریکی در نیمه هادی‌هایی که بطور مناسب ساخته شده‌اند الکتریسیته تولید می‌شود. امروزه موثرترین و ارزان‌ترین سلو لهای خورشیدی ماده‌ای به نام سیلیسم می‌باشد. ماسه یکی از منابع مهم سیلیسم بوده که پس از پالایش آن کریستال‌های سیلیسم بدست می‌آید و پس از بریده شدن به صورت صفحه آماده می‌شود. به عبارت دیگر سلولهای فتوولتائیک که گاه نام سلولهای خورشیدی نیز به آن اطلاق می‌گردد از پولک‌هایی ساخته می‌شوند که نور را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌کند. این پولک‌ها همانند ترانزیستور معمولاً از لایه‌های نازک یک ماده نیمه هادی مانند سیلیکان با مقادیر کمی افزودنی‌های خاص به منظور ایجاد مازادی از الکترون در یک لایه و کمبودی از الکترون در لایه دیگر ساخته می‌شوند. فوتون‌های نور در یک لایه الکترو نهای آزاد را بوجود می‌آورند و یک رشته هادی، الکترونها را قادر می‌سازد که در یک مدار خارجی جریان یافته و به لایه‌هایی که فاقد الکترون است دسترسی پیدا کنند. پنلهای فتوولتائیک از نیمه هادی‌ها ساخته شده و با اتصال سیلیکونهای نوعP و N شکل می‌گیرند. وقتی نور خورشید به یک سلول فتوولتائیک می‌تابد، به الکترونها در آن انرژی بیشتری می‌بخشد. با تابش نور خورشید الکترونها در نیمه هادی پلاریزه شده، الکترون‌های منفی در سیلیکون نوعN و یون‌های مثبت در سیلیکون نوعP بوجود می‌آیند. بدین ترتیب بین دو الکترود، اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آن‌ها می‌شود. از آنجا که سلو لهایPV کوچک، شکننده بوده و تنها مقدار کمی برق تولید می‌کنند آن‌ها را به صورت مدول شکل می‌دهند. مدو لها در اندازه‌های متنوع عرضه می‌گردند ولی برای سهولت جابجایی ابعاد آن‌ها به ندرت از ۹۰ سانتیمتر عرض در ۱۵۰ سانتیمتر طول تجاوز می‌کند. هنگامی که دو سلول با مدول در یک ردیف متصل می‌گردند ولتاژ آ نها دو برابر می‌شود و هنگامی که به صورت موازی به یکدیگر متصل می‌شوند جریان برق آن دو برابر می‌گردد.
اجزای سیستم فتوولتائیک
اجزا کلی یک سیستم فتوولتائیک عبارتند از: صفحه‌ها (پانل‌های) خورشیدی، باتری‌های ذخیره، مبدل برق مستقیم به متناوب، دستگاه کنترل‌کننده، سازه فلزی یا ساختمانی، کابل‌های ارتباط.[۱]
پانل‌های خورشیدی
عبارتند از تعدادی ماژول که به هم متصل شده‌اند و از اجتماع پانل‌ها آرایه‌ها به وجود می‌آیند.آرایه‌های فتوولتائیک به‌طور کلی به دو حالت سری یا موازی به هم متصل می‌شوند. این آرایه‌ها به حالت ثابت یا ردیاب متحرک که بنابر فصل با زاویه تابش خورشید خود را تطبیق می‌دهند، نصب می‌شوند. ردیاب‌ها بر دو نوع هستند، ردیاب‌هایی که بر روی یک محور یا بر روی دو محور دوران می‌کنند و ردیاب‌ها همواره پانل‌های خورشیدی را در جهت تابش خورشید نگاه داشته بنابراین موجب افزایش راندمان خروجی پانل‌ها تا ۲ برابر می‌شوند.
باتری
بانک باتری معمولاً ۱۲ ولتی بوده و تعدادی باتری را شامل می‌شود و به صورت سری به هم متصل شده و ولتاژ مورد نیاز سیستم را تأمین می‌نماید. در سیستم‌های منفصل از شبکه، انرژی ذخیره شده در باتری‌ها، در هنگام شب یا مواقع ضروری دیگر به کار گرفته می‌شود. در سیستم‌های پشتیبانی در مواقع قطع برق شبکه سراسری از باتری استفاده می‌شود، سیستم‌های متصل به شبکه نیازی به باتری ندارند.
مبدل
برق تولیدی توسط پانل‌های خورشیدی به صورت DC بوده و با کمک مبدلها به برق AC تبدیل می‌گردد. مبدلها در انواع و سایزهای مختلفی ساخته می‌شوند و برخی از آن‌ها بازده بسیار بالایی دارند.[۴]
دستگاه کنترل شارژ باتری
دستگاه کنترل شارژ باتری در سیستم‌های فتوولتائیک منفصل از شبکه، به منظور جلوگیری از تخلیه کامل باتری‌ها یا شارژ بیش از حد باتری‌ها به کار می‌رود. کلیه سیستم‌های استاندارد منفصل از شبکه خورشیدی خانگی دارای دستگاه کنترل شارژ باتری هستند.
سازه‌های فلزی یا ساختمانی
از اجزاء اصلی سیستم‌های فتوولتائیک بوده و نگهدارنده ماجول در جهت و زاویه خاص به سمت نور خورشید هستند. جنس سازه‌های ساختمانی از فلز یا مواد مصنوعی مقاوم در برابر عواملی نظیر باد و بارندگی می‌باشد. سازه‌های ساختمانی متناسب با موقعیت استقرار سیستم‌های فتوولتائیک طراحی و انتخاب می‌گردند.
انواع سامانه‌های فتوولتاییک
دو نوع اصلی از سامانه‌های فتوولتائیک (PV)برای استفاده در ساختمان‌ها وجود دارد: منفرد و متصل به شبکه. هنگامی که اتصال به شبکه برق ممکن نبوده یا مورد دلخواه نباشد نیاز به یک سامانه منفرد می‌باشد. در چنین مواردی برای تأمین برق به هنگام شب یا در روزهای ابری و نیز هنگام نیاز به حداکثر مقدار برق نیاز به چند انباره می‌باشد. اندازه آرایه هایPVطوری تنظیم می‌شود که هم بارهای معمول روز هنگام و هم شارژ انباره‌ها را مهار کنند. در یک سامانه متصل به شبکه، برای تغییر جریان مستقیم از آرایهPVبه جریان متناوب (AC)با ولتاژ مناسب شبکه نیاز به یک مبدل می‌باشد. باید توجه داشت که در این حالت نیازی به انباره وجود ندارد و بدین ترتیب صرفه جویی قابل توجهی هم در هزینه و هم در نگهداری سامانه، ایجاد خواهد شد. در سامانه‌های منفرد، الکتریسیته مازادی که در طول روز تولیده شده‌است برای استفاده در شب یا روزهای تاریک و ابری در انباره‌ها ذخیره می‌گردد. از آنجا که قیمت مبدلها و سلولها و انباره گران می‌باشد، یک سامانه ترکیبی (هیبریدی) که از نیروی باد استفاده می‌کند اغلب مکمل ایدئال برای سامانهPV می‌باشد چرا که نه تنها در طول شب باد می‌وزد بلکه در هوای بد نیز معمولاً باد قابل توجهی وجود دارد. علاوه بر آن در زمستان، زمانی که انرژی خورشیدی کمی برای برداشت وجود دارد هوا معمولاً باد خیزتر از تابستان می‌باشد. با این حال تمام مناطق برای استفاده از نیروی باد مناسب نیستند.
جهت‌گیری پنلهای فتوولتائیک
حداکثر جمع‌آوری امواج تابشی خورشید زمانی اتفاق می‌افتد که گردآور (کلکتور)، عمود بر پرتوهای تابش مستقیم باشد. از آنجا که خورشید هم به صورت روزانه و هم سالانه حرکت می‌کند تنها یک گردآور لولایی دو محوری می‌تواند میزان جذب را در طول سال به حداکثر برساند. با این حال گردآورهای لولایی تنها در اقلیم‌های خشک که اکثراً دارای پرتوهای تابشی مستقیم می‌باشند می‌تواند برتری داشته باشد و حتی در آنجا نیز ۱۰ تا ۲۰ درصد امواج تابشی خورشید به صورت پخشی است. در اکثر اقلیم‌های آفتابی و مرطوب، حدود یک دوم امواج تابشی خورشید مستقیم می‌باشد در حالیکه در اقلیم‌های ابری ۸۰٪ یا بیشتر از امواج تابشی، پخشی می‌باشد. در صورت یکپارچگی با ساختمان نیز می‌بایست جهت‌گیری و زاویه مناسبی را مورد توجه قرار داد. بهترین زاویه برای یک آرایهPVاساساً تابع زمانی از سال است که بیشترین مقدار برق در آن مورد نیاز می‌باشد. اقلیم‌های گرم بیشترین الکتریسیته را در طول تابستان و برای تهویه مطبوع نیاز دارند در حالیکه اقلیم‌های سرد نیاز به حداکثر الکتریسیته در زمستان و برای پمپها و پنکه‌های سامانه‌های گرمایش و روشنایی دارند. معمولاً جهت‌گیری مطلوب رو به جنوب می‌باشد با این حال تا ۲۰ درجه به سمت شرق یا غرب از جهت جنوب افت بسیار ناچیزی در سامانه وجود دارد با این وجود مقدار بارهای روزانه می‌تواند بر جهت‌گیری تأثیر گذارد.
فتوولتائیک یکپارچه ساختمان(Bipv)
فتوولتاییک(pv)امروزه می‌تواند در ساختمان‌های موجود و جدید استفاده شود. کاربرد آن در پوشش ساختمان بسیار متنوع بوده و راه‌های جدیدی به سوی طراحان خلاق می‌گشاید. با توجه با این که منبع تغذیه سلولهای فتوولتائیک نور خورشید می‌باشد، لذا محل قرارگیری سلولها، جداره‌هایی از ساختمان است که زمینه مناسبی برای تابش مستقیم نور خورشید دارا باشند. از این رو محل استفاده تایلهای فتوولتائیک، غالباً نماهای بیرونی و سطوح خارجی بام ساختمان می‌باشد. سلولهای فتوولتائیک در شیشه‌هایی به رنگهای مختلف ساخته می‌شوند، به‌طوری‌که مهندسان معمار می‌توانند آن‌ها را علاوه برکارکرد اصلی، برای زیباسازی ساختمان‌ها نیز به کارگیرند. این سلولها این قابلیت را دارند که بین۸۰٪تا ۹۰٪نور خورشید را از خود عبور دهند. این کیفیت باعث می‌شود که پنجره‌های مجهز به سلولهای خورشیدی بتوانند به خنک ماندن هوای داخل خانه در تابستان کمک کنند و علاوه بر زیبا نمودن نمای ساختمان، انرژی الکتریسیته مورد نیاز را تهیه کنند.
صفحات نمای ساختمان
نماها اکثریت سطح پوسته یک ساختمان را اشغال می‌کنند. در حقیقت یک نما نخستین احساس بصری از ساختمان را به بینندگان خود انتقال می‌دهد و معماران بنا نیز با استفاده از نما به بیان ایده‌ها و ترجمه خواسته‌های کارفرما با زبانی ویژه از شکل و رنگ می‌پردازند. مدولهای استاندارد فتوولتائیک می‌توانند به دیوار موجود ساختمان برای تأمین نمایی موفق به لحاظ زیبا شناختی متصل گردند. این واحدها بدون نیاز به عایق به سازه متصل می‌شوند که این عمل توسط زیرسازی شبکه‌ای در مدولهای فتوولتائیک صورت می‌گیرد، بنابراین سیستم‌های فتوولتائیک می‌توانند به عنوان بخش مهمی از عناصر نمای ساختمان مطرح شوند. چهره اصلی یک لایه فتوولتائیک به عنوان مصالح پوششی، شبیه یک شیشه رنگی است. لایه‌های فتوولتائیک حفاظت طولانی مدت در برابر شرایط جوی را تأمین و می‌توانند در هر اندازه، شکل، طرح و رنگی، برش و تهیه شوند و حتی قسمتی از نور روز را نیز به داخل ساختمان برسانند. این عناصر ساختمانی می‌توانند به عنوان صفحات ساده نما، عناصر چند عملکردی برای نماهای سرد و گرم، به عنوان سیستم سایه انداز یا بازشوعمل نمایند.
نماهای نیمه شفاف
ورقهای فتوولتائیک همانند پنجره‌ها می‌توانند کارکرد شفافیت و پشت نمایی خود را از دو طریق انجام دهند. سلول فتوولتائیک به تنهایی می‌تواند بسیار ظریف یا لیزری بوده و از این طریق ۲۰ تا ۵۰ درصد امکان دید فیلتر شده‌ای را فراهم کند. مدولهای سیلیکون غیر بلوری نیمه شفاف، ویژه این کارکرد، تهیه می‌شوند از سوی دیگر، سلولهای بلورین نیز در روشی مشابه می‌تواند در عین ایجاد فیلتر دید، فضای داخلی را روشن سازند. حتی با اضافه نمودن لایه‌هایی از شیشه به واحد اصلی از فتوولتائیک نیمه شفاف، عایق حرارتی و صوتی نیز برای نیازهای ویژه ساختمان تأمین می‌شود.
سیستم‌های سایبان
در معماری امروز نیاز شدیدی برای سیستم‌های سایه انداز در بازار ساختمان وجود دارد که منجر به استفاده وسیع از بازشوهای بزرگ و پرده‌ها یا سایبان‌های دیگر می‌گردد. در این میان فتوولتائیک‌ها با اشکال مختلفی می‌توانند به عنوان سایبان در بالای پنجره‌ها یا بخشی از سازه بام استفاده شوند، البته به شرطی که استفاده از این سایبانها منجر به تحمیل بار اضافی به سازه ساختمان نگردد. سیستم‌های سایه انداز فتوولتائیک می‌توانند به گونه‌ای و در جهتی آرایش یابند که در آن واحد، هم برای تولید بیشترین انرژی و هم برای تأمین درجات متغیری از سایه بکار روند.
مصالح بام
بام‌ها برای فتوولتائیک‌ها بسیر ایدئال می‌باشند. چرا که معمولاً عوامل سایه ساز در پشت بام بسیار کمتر از سطح زمین است و معمولاً بام، سطح بدون استفاده وسیعی را بدین منظور در اختیار می‌گذارد. یک بام شیبدار ایدئال برای فتوولتائیک‌ها بامی است به سمت جنوب (در نیمکره شمالی) که زاویه‌ای معادل عرض جغرافیایی±۱۵برای بهترین تولید انرژی داشته باشد. در این خصوص بامهای روبه جنوب شرقی و جنوب غربی نیز قابل قبولند. صفحات فتوولتائیک می‌توانند بر پشت بام بناهای موجود نیز براحتی نصب گردند. یک روش زیبا برای استفاده از فتوولتائیک‌ها در بام ساختمان، استفاده از تایلها یا توفال هایPVاست که امکان نصب راحت آن‌ها را توسط یک پیمانکار بام نظیر تایلهای یا پوشالهای دیگر پشت بام میسر می‌سازد. بامهای مسطح نیز مزایایی همچون دسترسی مناسب و نصب آسان دارند. روش کلاسیک در این خصوص، چیدمان و آرایش واحدهای فتوولتائیک بر روی زیر ساختهای شبکه‌ای آن و سپس نصب آن‌ها بر روی بام می‌باشد. در این روش علاوه بر توجه ویژه در خصوص آرایش مدول‌ها و نصب آن‌ها که در بام شیبدار نیز صورت می‌گیرد، می‌بایست در مورد نیروی باد نیز تدابیر لازم اندیشیده شود. تجربیات و پیشرفت‌های اخیر در این زمینه سبب سبکی، سهولت و سرعت استعمال این سیستم‌ها گشته‌است. در حالت ایدئال سقف‌های شیبدار بهترین گزینه برای نصب پانل‌ها به‌شمار می‌روند. سقف‌های دندانه‌ای از سقف‌های مسطح بهتر هستند، چرا که قسمت‌هایی از سقف که رو به شمال قرار گرفته‌اند می‌توانند جهت ورود نور به فضا مورد استفاده قرارگیرند. در حالی که سطح جنوبی دندانه‌ها می‌تواند محلی برای نصب فتوولتاییک‌ها باشد. پوشش با فتوولتاییک در سطح جنوبی همچنین می‌تواند با استفاده از پانل‌های نیمه شفاف انجام پذیرد که هم موجب ورود نور به فضا شده و هم جریان الکتریسته تولید نماید. اگر پانل‌ها همراه بدنه سقف طراحی شوند قطعاتی به شکل سفال خمیده یا تایل می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.
نورگیرها
ساختار نورگیرها معمولاً مزایای انتشار نور در ساختمان را با تأمین سطحی باز برای نصب مدولهای فتوولتائیک نوام می‌سازد. در این صورت عناصر فتوولتائیک می‌بایست نور و الکتریسیته را هم‌زمان تأمین کنند. بطوری‌که قطعات فتوولتائیک و سازه پشتیبان مورد استفاده برای این نوع کارکرد، مشابه نماهای نیمه شفاف هستند. این ساختار که می‌تواند از بیرون نیز نمایان گردد، طبقات و راهروهایی زیبا و جذاب از نور پدیدآورده و امکان طرح معماری مهیجی از نور و سایه فراهم می‌سازد.
مزایای استفاده از سیستم‌های فتوولتاییک
- فناوری فتوولتاییک بالغ، محکم و قابل اعتماد بوده، و هیچگونه اجزای متحرک نداشته و نیاز به نگهداری کمی دارد.
- به سوخت یا شبکه تأمین سوخت نیاز ندارد.
- نصب سیستم فتوولتاییک نسبتاً آسان و سریع است، بخصوص سیستم‌های متصل به شبکه.
- اجزاء مورد استفاده در سیستم‌های فتوولتاییک طی استفاده‌های طولانی مدت، قابلیت اطمینان خود را ثابت کرده‌اند
- به اشعه ماوراء بنفش و آب و هوا مقاومند و تحمل دمای بالا را دارند.
- به صورت ماژولی هستند و سیستم‌ها می‌توانند در هر سایزی وجود داشته باشند.
- سیستم فتوولتاییک مستقل می‌تواند توان را تقریباً در هر نقطه از سیاره زمین تأمین کند.
- سیستم فتوولتاییک تشعشعات گاز گلخانه‌ای و دی‌اکسید کربن را کاهش می‌دهد.
- سیستم فتوولتاییک عموماً آلودگی را کاهش می‌دهد.
- سیستم فتوولتاییک به حفاظت از منابع کمیاب کمک می‌کند.
- فتوولتاییک تقریباً در هر جایی، یک بازار به سرعت در حال رشد است که تجار تهای مختلف دیگر می‌توانند خود را در گوشه‌ای از آن جای دهند.
- ۱۲. عمر مفید بالایی دارد (بیش از ۲۰ سال)
معایب استفاده از سیستم‌های فتوولتاییک
- هزینه تولید برق توسط سلولهای PV بیشتر از هزینه تولیدی برق ناشی از سوخت‌های فسیلی می‌باشد.
- برق تولیدی از انرژی خورشیدی غیرقابل اعتماد بوده و همواره در دسترس نمی‌باشد و میزان تولیدات به شرایطی نظیر حالت وضعی خورشید، شرایط اتمسفر، ابری بودن و … بستگی دارد.
- هزینه‌های اولیه نصب سیستم‌های PV زیاد است.
- به منظور استفاده از انرژی خورشیدی در شب باید از باتری برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده گردد.
- ۵. برای مصارف زیاد الکتریسیته، نیاز به مساحت زیادی برای نصب سلولهای PV می‌باشد
- ۶. کمبود نیروهای متخصص و کارآمد برای طراحی و نصب سیستم‌هایPV
کاربردهای سلولهای فتوولتائیک
از جمله موارد کاربرد سلولهای فتوولتائیک عبارتند از: تأمین انرژی مورد نیاز حصارهای الکتریکی، تأمین روشنایی مناطق دور افتاده، سیستم‌های مخابراتی از راه دور، پمپاژ کردن آب، سیستم‌های تصفیه آب، تأمین برق مناطق روستایی، ماشین حساب، ساعت و اسباب‌بازی‌ها، سیستم‌های اضطراری، یخچال‌های نگهداری واکسن و خون برای مناطق دورافتاده، سیستم‌های تهویه استخرها، ماهواره‌ها و تجهیزات فضایی. به‌طور کلی کاربردهای سلولهای فتوولتائیک را می‌توان به سه دسته طبقه‌بندی نمود:
- کاربردهای متصل به شبکه
- کاربردهای منفصل از شبکه
- کاربردهای سیستم‌های پشتیبانی
کاربردهای متصل به شبکه سیستم‌های فتوولتائیک
طراحی سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه، به گونه‌ای است که هم‌زمان و به‌طور متصل به شبکه برق سراسری عمل می‌نمایند. یکی از اجزاء اصلی سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه، مبدلها هستند که برق DC تولیدی توسط سلولهای خورشیدی را متناسب با ولتاژ و توان شبکه برق منطقه‌ای به AC تبدیل نموده و در هنگام عدم نیاز، به‌طور خودکار انتقال نیرو را قطع می‌نماید. به‌طورکلی ارتباطی دو جانبه میان سلولهای فتوولتائیک و شبکه انتقال نیرو وجود دارد به نحوی که اگر برق DC تولیدی توسط سیستم‌های فتوولتائیک بیش از نیاز سایت باشد، مازاد آن به شبکه برق سراسری تغذیه می‌گردد و در هنگام شب و مواقعی که به دلایل اقلیمی، امکان استفاده از نور خورشید وجود ندارد، بار الکتریکی مورد نیاز سایت توسط شبکه برق سراسری تأمین می‌گردد. همچنین در کاربردهای متصل به شبکه در صورتی که سیستم فتوولتائیک به دلایل تعمیراتی از مدار خارج گردد، برق مورد نیاز سایت از طریق شبکه برق سراسری تأمین خواهد شد.
کاربردهای منفصل از شبکه سیستم‌های فتوولتائیک
طراحی سیستم‌های منفصل از شبکه به گونه‌ای است که مستقل از شبکه برق سراسری عمل نموده و غالباً جهت تولید بار الکتریکی DC یا AC طراحی می‌شوند. به منظور تولید برق توسط سیستم‌های منفصل از شبکه، می‌توان از توربین‌های بادی، ژنراتورها یا از شبکه برق سراسری به عنوان نیروی کمکی استفاده نمود، به این‌گونه سیستم‌ها، هیبرید فتوولتائیک گویند. در سیستم‌های منفصل از شبکه به منظور ذخیره انرژی و بکارگیری آن در هنگام شب یا مواردی که نور خورشید به اندازه کافی وجود ندارد از باتری استفاده می‌گردد.
سیستم‌های پشتیبانی
مهمترین کاربرد سیستم‌های پشتیبانی فتوولتائیکی، در طی دوره قطع برق شبکه سراسری است. یک سیستم پشتیبانی فتوولتائیک کوچک تأمین‌کننده برق مورد نیاز تجهیزاتی همچون روشنایی، کامپیوتر، تلفن، رادیو، فاکس و … می‌باشد و سیستم‌های بزرگ‌تر می‌توانند برق مورد نیاز تجهیزاتی همچون یخچال را در زمان قطع برق تأمین نمایند.
فناوری‌های مختلف سلولهای خورشیدی
سیستم‌های فتوولتاییک که در حال حاضر به صورت صنعتی تولید می‌شوند، از نظر فناوری به دو دسته کلی سیلیکون کریستالی به عنوان فناوری نسل اول و فیلم-نازک به عنوان فناوری نسل دوم دسته‌بندی می‌گردد. سلولهای سیلیکون کریستالی به انواع مونوکریستالی، پلی‌کریستالی و کریستال نواری تقسیم می‌گردد. فناوری‌های کلیدی و مهم فیلم-نازک را نیز می‌توان شامل سیلیکون آمورف (a-Si)، میکروکریستالی، CIGS/CIS و CdTe دانست. نسل سوم سلولهای فتوولتاییک نیز که بیشتر در سطح آزمایشگاهی تولید می‌شوند و مراکز پژوهشی در حال توسعه آن‌ها می‌باشند، به سلول‌هایی اطلاق می‌شود که توانایی عبور از حد Shockley-Queisser را دارند یعنی دارای بازده نامی بالاتر از ۳۲٪ می‌باشند. از انواع این سلولها می‌توان به نانوسازه‌های سیلیکونی، مبدل‌های Up/Down، سلولهایHot Carrier و سلولهای ترموالکتریک یا Hot Lattice اشاره کرد.
تولید سلولهای خورشیدی در جهان
بازار جهانی تولید سلولهای PV با رشد چشمگیری در حال پیشرفت است. این رشد از سال ۲۰۰۳ در حدود ۵۰٪ در سال بوده‌است. در سال ۲۰۰۶ ظرفیت تولید سلولهای فتوولتاییک در سطح جهان به ۲٬۵۲۰ مگاوات رسید. در این سال سهم سلولهای فتوولتاییک کریستالی بیش از ۹۰٪ و سهم سلولهای PV فیلم-نازک در حدود ۸٪ بوده‌است. با توجه به رشد سریعتر تولید سلولهای PV فیلم-نازک (سالانه در حدود ۸۰٪) پیش‌بینی می‌گردد تا سال ۲۰۱۰ رقم سهم این سلولها به ۲۵٪ تا ۳۰٪ برسد.
رقم تولید سلولهای فتوولتاییک در سال ۲۰۰۷ به بیش از ۳٫۴ گیگاوات رسیده‌است. در این بین شرکت‌های ژاپنی که با روند رو به کاهش سهم خود از تولید سلولهای فتوولتاییک در جهان مواجه هستند، در حدود ۲۶٪ بازار را در اختیار داشته‌اند. شرکت‌های چینی ولی با رشد خیره‌کننده از سهم ۲۰٪ در سال ۲۰۰۶ به ۳۵٪ در سال ۲۰۰۷ دست یافته‌اند.
نصب سلولهای خورشیدی در جهان
فتوولتائیک نصب شده
ظرفیت نصب شده فتوولتاییک در جهان به سرعت در حال رشد است. این رقم در پایان سال ۲۰۱۱ به بیش از ۶۷٫۴ گیگاوات برابر با ۰٫۵٪ تقاضای جهانی انرژی برق رسیده‌است. از این مقدار، رقم ۲۷٫۷ گیگاوات به تنهایی در سال ۲۰۱۱ نصب شده‌است که رشدی ۶۷ درصدی را نسبت به سال ۲۰۱۰ نشان می‌دهد. در این بین، کشور آلمان به تنهایی با در دست داشتن ۳۷٪ ظرفیت نصب شده جهان به رقم ۲۴٫۷ گیگاوات در پایان سال ۲۰۱۱ رسیده‌است
| سال میلادی | ظرفیت نصب شده (گیگاوات) |
|---|---|
| ۲۰۰۵ | ۵٫۴ |
| ۲۰۰۶ | ۷٫۰ |
| ۲۰۰۷ | ۹٫۴ |
| ۲۰۰۸ | ۱۵٫۷ |
| ۲۰۰۹ | ۲۲٫۹ |
| ۲۰۱۰ | ۳۹٫۷ |
| ۲۰۱۱ | ۶۷٫۴ |
