در نیروگاه های خورشیدی از دو روش برای تولید الکتریسیته استفاده می شود:

• استفاده از نور برای تولید برق در نیروگاه های فتوولتائیک
• استفاده از گرمای خورشید برای تولید برق در نیروگاه های حرارتی

بخش عمده ای از برقی که موسوم به برق خورشیدی در سراسر جهان تولید می شود، مربوط به نیروگاه ها و سیستم های فتوولتائیک است.

سیستم های فتوولتائیک

سیستم‌های فتوولتائیک (Photovoltaics) یا به اختصار PV، از سلول‌های خورشیدی برای تبدیل مستقیم نور خورشید به الکتریسیته استفاده می‌کنند. این انرژی الکتریکی سپس توسط اینورتر خورشیدی به شبکه برق تزریق یا در یک باتری ذخیره می‌شود. این سیستم‌ها برای تولید انرژی برق در مقیاس کوچک (مانند ساختمان‌ها و خانه‌ها) یا در مقیاس بزرگتر (مانند نیروگاه‌های خورشیدی) استفاده می‌شوند.

اجزای سیستم های فتوولتائیک

اجزای کلی یک سامانه فتوولتائیک عبارتند از: پنل‌های خورشیدی، باتری‌های ذخیره، مبدل برق مستقیم به متناوب (اینورتر)، دستگاه کنترل‌ شارژ باتری، سازه یا استراکچر

پنل‌های خورشیدی

پنل‌های خورشیدی (Solar panel) از سلول‌های خورشیدی کوچک تشکیل شده‌اند که انرژی را از نور خورشید جمع آوری کرده و با استفاده از یک واکنش شیمیایی به نام فرآیند فتوولتائیک به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. از اجتماع پانل‌ها، آرایه‌ها به وجود می‌آیند که در دو حالت سری یا موازی به هم متصل 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 سامانه را تأمین می‌نماید. در سامانه‌های منفصل از شبکه، انرژی ذخیره شده در باتری‌ها، در هنگام شب یا مواقع ضروری دیگر به کار گرفته می‌شود همچنین در سامانه‌های متصل به شبکه که به عنوان پشتیبان عمل می کنند، در مواقع قطع برق شبکه سراسری از باتری استفاده می‌شود.

مبدل یا اینورتر

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.

دستگاه کنترل شارژ باتری

دستگاه کنترل شارژ باتری در سامانه‌های فتوولتائیک منفصل از شبکه، به منظور جلوگیری از تخلیه کامل باتری‌ها یا شارژ بیش از حد باتری‌ها به کار می‌رود. کلیه‌ی سامانه‌های استاندارد منفصل از شبکه‌ی خورشیدی خانگی دارای دستگاه کنترل شارژ باتری هستند.

سازه فلزی یا استراکچر

این سازه ها نگهدارنده ماژول (پنل) در جهت و زاویه خاص به سمت نور خورشید در حالت ثابت یا ردیاب متحرک هستند که بنابر فصل با زاویه تابش خورشید خود را تطبیق می‌دهند، نصب می‌شوند.

انواع سیستم های فتوولتائیک

دو نوع اصلی از سیستم های فتوولتائیک وجود دارد:

1. متصل به شبکه (On-Grid)
2. منفصل از شبکه (Off-Grid)

هنگامی که اتصال به شبکه برق ممکن نباشد نیاز به یک سامانه منفصل از شبکه می‌باشد. در چنین مواردی برای تأمین برق به هنگام شب یا در روزهای ابری نیاز به چند باتری می‌باشد. اندازه آرایه‌های پی‌وی طوری تنظیم می‌شوند که هم بارهای معمول هنگام روز و هم شارژ باتری ها را جوابگو باشند. در سیستم های منفصل از شبکه، الکتریسیته مازادی که در طول روز تولیده شده ‌است برای استفاده در شب یا روزهای تاریک و ابری در باتری ها ذخیره می‌گردد.

سامانه‌های متصل به شبکه، نیازی به باتری ندارند چون در این سیستم شبکه برق نقش ذخیره ساز را ایفا می کند ولی در برخی موارد برای افزایش قابلیت اطمینان سیستم یا برای استفاده به عنوان پشتیبان شبکه، از باتری ها استفاده می شود. در سیستم های متصل به شبکه بدون باتری، صرفه جویی قابل توجهی هم در هزینه و هم در نگهداری سامانه، ایجاد خواهد شد.

مزایای استفاده از سیستم های فتوولتائیک

1. امکان نصب و راه اندازی نیروگاه فتوولتائیک بسیار ساده و سهل الوصول است.

1. اجزاء مورد استفاده در سامانه‌های فتوولتایی طی استفاده‌های طولانی مدت، قابلیت اطمینان خود را ثابت کرده‌اند.

3. برخلاف صور دیگر نیروگاه های خورشیدی، سیستم های فتوولتائیک انرژی حاصل از تابش را مستقیما و بدون واسطه های مکانیکی تبدیل به انرژی الکتریکی می نمایند.
4. امکان استفاده از این نوع انرژی خورشیدی در مقیاس های کوچک و بزرگ امکان پذیر می باشد. (به صورت ماژولار هستند)
5. با توجه به نیاز مصرفی در هر نقطه که امکان بهره برداری از این سیستم وجود داشته باشد قابل نصب و راه اندازی است.
6. زمان اجرای پروژه های فتوولتائیک نسبت به صور دیگر نیروگاه های خورشیدی یا انواع دیگر انرژی های پاک مانند باد و ژئوترمال و … بسیار کوتاه بوده که این خود قابلیت انعطاف سیستم را بیش از پیش نمایان می سازد.
7. کاهش هزینه های انتقال خط به نقاط دور از دسترس شبکه سراسری و همچنین پیک سایی و جلوگیری از افت توان در شبکه انتقال را موجب می گردد.
8. به سوخت یا شبکه تأمین سوخت نیاز ندارند.
9. سامانه فتوولتایی تشعشعاتگاز گلخانه‌ای و دی‌اکسید کربن را کاهش می‌دهد.

معایب سیستم های فتوولتائیک

1. هزینه تولید برق توسط سلول‌های PV بیشتر از هزینه تولیدی برق ناشی از سوخت‌های فسیلی می‌باشد.
2. برق تولیدی از انرژی خورشیدی پایدار نبوده و همواره در دسترس نمی‌باشد و میزان تولید برق به شرایطی نظیر حالت وضعی خورشید، شرایط اتمسفر، ابری بودن و … بستگی دارد.
3. هزینه‌های اولیه نصب سامانه‌های پی‌وی زیاد است.
4. به منظور استفاده از انرژی خورشیدی در شب باید از باتری برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده گردد.

1. برای مصارف زیاد الکتریسیته، نیاز به مساحت زیادی برای نصب سلول‌های پی‌وی می‌باشد.
2. کمبود نیروهای متخصص و کارآمد برای طراحی و نصب سامانه‌های پی‌وی

کاربرد های سیستم های فتوولتائیک

از جمله موارد کاربرد سلول‌های فتوولتائیک عبارتند از: تأمین انرژی مورد نیاز حصارهای الکتریکی، تأمین روشنایی مناطق دور افتاده، سامانه‌های مخابراتی از راه دور، پمپاژ کردن آب، سامانه‌های تصفیه آب، تأمین برق مناطق روستایی، ماشین حساب، ساعت و اسباب‌بازی‌ها، سامانه‌های اضطراری، یخچال‌های نگهداری واکسن و خون برای مناطق دورافتاده، سامانه‌های تهویه استخرها، ماهواره‌ها و تجهیزات فضایی. به‌طور کلی کاربردهای سلول‌های فتوولتائیک در دو دسته متصل به شبکه و منفصل از شبکه در زیر آمده است:

کاربردهای متصل به شبکه

طراحی سامانه‌های فتوولتائی متصل به شبکه، به گونه‌ای است که هم‌زمان و به‌طور متصل به شبکه برق سراسری عمل می‌نمایند. یکی از اجزاء اصلی سامانه‌های فتوولتائی 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 سامانه‌های 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 سامانه فتوولتائیک به دلایل تعمیراتی از مدار خارج گردد، برق مورد نیاز سایت از طریق شبکه برق سراسری تأمین خواهد شد.

کاربردهای منفصل از شبکه

طراحی سامانه‌های 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 سامانه‌های منفصل از شبکه، می‌توان از توربین‌های بادی، دیزل ژنراتور ها یا از شبکه برق سراسری به عنوان نیروی کمکی استفاده نمود، به این‌گونه سامانه‌ها، هیبرید فتوولتائیک گویند. در سامانه‌های منفصل از شبکه به منظور ذخیره انرژی و به‌کارگیری آن در هنگام شب یا مواردی که نور خورشید به اندازه کافی وجود ندارد از باتری استفاده می‌گردد.