المپياد جهاني فيزيك
 پيوندهاي المپياد فيزيك
 
 بازدهي سلول‌هاي خورشيدي (زنگ تفريح شماره‌ي 75)
بازدهي سلول‌هاي خورشيدي (زنگ تفريح شماره‌ي 75)زنگ تفريح فيزيك
كاركرد واقعي سلول‌هاي خورشيدي تاكنون

بازدهی‌ سلول های  خورشیدی





اشاره

آن‌چه با عنوان «چكيده» در اول مسابقه‌ها و زنگ تفريح‌ها مشاهده مي‌كنيد صرفاً مخصوص معلمان، مربيان، كارشناسان محترم آموزشي و ساير علاقه‌مندان است.



چكيده
اهداف آموزشي
 اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي – دانش
    - «دانش امور جزوي» > «دانش اصطلاح‌ها»
    - «دانش امور جزوي» > «دانش واقعيت‌هاي مشخص»
    - «دانش امور كلي» > «دانش نظريه‌ها و ساخت»
 اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي - توانايي‌ها و مهارت‌هاي ذهني
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تفسير»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «برون‌يابي»
    - فهميدن» > «ترجمه» > «درون‌ياب»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تحليل» > «تحليل عناصر»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تحليل» > «تحليل اصول سازماني»
    - «فهميدن» > «ترجمه» >«کاربستن»
    -«فهميدن» > «ترجمه» > «تركيب» >«تولید یک اثر بی همتا» 
    - «ارزشیابی» > «داوری براساس شواهد درونی»
    - «ارزشیابی» > «داوری براساس شواهد بیرونی»
 نتايج مورد نظر 
    - ساختار اتمی و مولکولی سلول های خورشیدی
    - گاف نواری انرژی یک ماده
    - ولتاژ
    - انواع باطری های خورشیدی
    - مواد به کار رفته در باطری ها
    - هزینه ها
    - مشکلات
    - راه کارها
    - انرژی

 محتواي آموزشي (سرفصل‌هاي المپياد جهاني)
    - میدان الکتریکی
    - خازن
    - گاف نواری انرژی
    - زوج «الکترون-حفره»
    - نیم رساناها

اتلاف انرژي در يك سلول خورشيدي

نور مرئي فقط بخشي از طيف الكترومغناطيس است. پرتو الكترومغناطيس تك رنگ نيست (تركيبي از گستره‌ي طول موج‌هاي متفاوت و بنابراين شامل ترازهاي مختلف انرژي نيز مي‌باشد).

نور مي‌تواند به طول‌موج‌هاي متفاوتي تفكيك شود. ما مي‌توانيم آن‌ها را به‌صورت يك رنگين كمان ببينيم. زماني كه نور به سلول ما برخورد كند،‌ فوتون‌هايي با گستره‌ي وسيعي از انرژي را دريافت مي‌كند. مسلم است كه بخشي از آن‌ها انرژي كافي براي تشكيل يك زوج «الكترون-حفره» را ندارد. آن‌ها به سادگي از سراسر سلول عبور خواهند كرد. چنانكه گويي شفاف شده‌اند. هميشه فوتون‌هاي ديگر انرژي بيش از حدي دارند. مقدار قطعي انرژي، برحسب الكترون ولت اندازه‌گيري مي‌شود و توسط ماده‌ي سلول تعيين مي‌شود (براي سيليكون بلورين حدود 1/1 الكترون ولت)، اين انرژي نيازمند برخورد با يك الكترون آزاد است. ما آن را «گاف نواري انرژي يك ماده» مي‌ناميم. اگر يك فوتون انرژي‌ بيش‌تر از مقدار لازم را داشته باشد، انرژي اضافي تلف مي‌‌شود (مگر آن‌كه يك فوتون 2 برابر انرژي لازم را داشته باشد و بتواند بيش‌تر از يك زوج «الكترون-حفره» ايجاد كند، ولي اين اثر معناي فيزيكي ندارد). اين دواثر فقط دليلي براي اتلاف حدود 70 درصد تابش انرژي حاصل از تشعشع روي سلول است.

چرا ماده‌اي با گاف نواري واقعاً اندك، نمي‌توانيم بسازيم تا بتوانيم از فوتو‌ن‌هاي بيش‌تري استفاده مي‌كنيم؟ متأسفانه گاف نواري، نيروي ميدان الكتريكي (ولتاژ) را نيز تعيين مي‌كند و چنانچه خيلي كم باشد، جريان اضافي (با جذب فوتون‌هاي بيش‌تر) به‌دست خواهد آمد. با داشتن يك ولتاژ خيلي كم، اتلاف خواهيم داشت. به يادآوريد كه توان، ضرب ولتاژ در جريان است. گاف نواري بهينه، با تعادل اين دو اثر براي سلولي كه از ماده‌اي منفرد ساخته مي‌شود حدود 4/1 الكترون ولت مي‌باشد.

ما اتلاف‌هاي ديگري نيز داريم. الكترون‌ها مجبورند از يك طرف سلول به ساير بخش‌هاي مدار خارجي حركت كنند. مي‌توانيم پايين را با فلز بپوشانيم تا امكان رسانش خوب فراهم شود؛ ولي اگر بخش بالا را هم كاملاً بپوشانيم، فوتون‌ها ديگر نمي‌توانند از يك رساناي كدر عبور كنند و همه‌ي جريان تلف مي‌شود (در بعضي سلول‌ها، روي سطح فوقاني رساناي شفاف به كار مي‌رود،‌اما نه در همه‌ي آن‌ها). اگر سطح مقطع فقط در اطراف سلول باشد، الكترون‌ها مجبور به پيمودن بسيار طولاني (براي يك الكترون) جهت رسيدن به اتصالات مي‌شوند.

به ياد داشته باشيد كه سيليكون يك نيم‌رسانا است (نمي‌تواند به خوبي يك فلزي، جريان را انتقال دهد). مقاومت دروني آن (مقاومت سري) كملاً بالاست و مقاومت زياد به معناي اتلاف زياد است. براي به حداقل رساندن اين اتلاف، سلول توسط يك فلز پوشانده مي‌شود كه با شبكه تماس دارد و فاصله‌اي را كه الكترون‌ها مجبور به پيمودن آن هستند مادامي كه تنها بخش كوچكي از سطح سلول پوشش داده شده است. پس حتي برخي فوتون‌ها كه توسط شبكه‌ بلوكه مي‌شوند نمي‌توانند خيلي كوچك باشند وگرنه مقاومت خود آن خيلي زياد خواهد شد.

اكنون مي‌دانيم كه سلول خورشيدي چگونه كار مي‌كند. ببينيم چه چيز براي روشن شدن يك خانه با اين فناوري لازم است.




نيروي خورشيدي يك خانه

چه‌‌كاري بايد انجام دهيد تا خانه‌تان با انرژي خورشيدي روشن شود؟ هر چند اين روند به آساني نصب فقط يك اتاقك بر روي سقف خانه‌تان نيست،‌و لي انجام آن خيلي دشوار نيست.

قبل از همه، هر سقفي جهت يا زاويه‌ي انحراف صحيح دارد، مزاياي انرژي خورشيدي را نمي‌گيرد. سيستم‌هاي PV بدون شيار در نيم‌كره‌ي شمالي بايد در جهت جنوب واقعي قرار گيرند (جهت يابي). آن‌ها بايد رو به زاويه‌اي برابر با عرض جغرافيايي باشند تا بيشينه‌ي انرژي در طول سال را داشته باشد. اگر شما بيشينه‌ي توليد انرژي را در صبح يا بعد از ظهر(و / يا) تابستان يا زمستان بخواهيد، از جهت‌يابي (و/ يا) شيب متفاوتي مي‌توانيد استفاده كنيد. البته، هرگز بر روي اتاقك نبايد توسط درختان يا ساختمان‌هاي مجاور سايه بيافتد، زمان روز يا وقت سال مهم نيست. در يك اتاقك ‌ PV حتي اگر فقط يكي از 36 اتاقك در سايه قرار داشته باشد، توليد نيروي برق به بيش‌تر از نصف مقدار عادي كاهش خواهد يافت.

اگر شما خانه‌اي  با سقفي بدون سايه و رو به جنوب داريد، در مورد اندازه‌ي سيستم مورد نياز خود مي‌توانيد تصميم بگيريد. با وجود اين واقعيت كه برق توليدي به آب و هوا بستگي دارد، كه هرگز كاملاً قابل پيش‌بيني نيست و اين‌كه ميزان برق در خواستي شما نيز متغير است، موضوع پيچيده مي‌شود. با آشكار شدن اين موانع غلبه بر آن‌ها نسبتاً آسان است. از اطلاعات هواشناسي، متوسط سطح تابش آفتاب را به صورت ماهانه براي نواحي مختلف جغرافيايي ارائه مي‌دهد. در گزارش روزهاي ابري و بارندگي، ارتفاع بارش، رطوبت هوا و ساير عوامل دقيق‌تر به‌دست مي‌آيد. شما بايد براي گذراندن بدترين ماه برنامه‌ريزي كنيد. بنابراين برق مورد نياز و كافي خود را در تمام طول سال خواهيد داشت.



با داشتن اين اطلاعات و دانستن مقدار مصرف خانگي (قبض شما به آساني امكان مي‌دهد كه بدانيد در طول ماه چه مقدار انرژي نياز داريد)، روش‌هاي ساده‌اي هستند كه مي‌توانيد به كار بريد تا تصميم بگيريد چه تعداد اتاقك PV مورد نياز است. شما نيز به تصميم‌گيري در مورد ولتاژ سيستم نياز داريد تا بدانيد چه تعداد اتاقك براي سيم‌كشي سري لازم است.

حال ممكن است دو مشكل را حدس بزنيد (كه مجبوريم حلش كنيم)؛ اول اين‌كه وقتي خورشيد نتابد ما چه خواهيم كرد؟



رفع مشكل

مطمئناً انتخاب يكي از اين دو، يعني داشتن برق در طول روز يا در روزهاي صاف قابل پذيرش نيست. ما به ذخيره‌سازي انرژي باترها نياز داريم. متأسفانه استفاده از باتري‌ها هزينه زيادي و نگه‌داري را اضافه مي‌كنند.

به هر ترتيب معمولاً چنانچه بخواهيد كاملاً مستقل باشيد اين مسأله ضرورت دارد. يك روش براي حل اين موضوع، اتصال خانه‌تان به شبكه برق سراسري مي‌باشد، يعني خريد برق هنگامي كه به آن نيازمنديد و فروش به آن‌ها زماني كه توليد شما بيش‌از نيازتان است. در اين شيوه، در حقيقت برق سراسري هم‌چون يك سيستم ذخيره‌سازي نامحدود عمل مي‌كند. البته اداره برق مجبور است موافقت كند، و در بسياري از موارد برق را با قيمتي بسيار كم‌تر از بهايي كه خودشان مي‌فروشند، از شما خريداري مي‌كنند. هم‌چنين شما به تجهيزات ويژه‌اي نيازمنديد تا اطمينان يابيد كه برق سراسري مي‌فروشيد همگام با دستگاه‌هاي آن‌هاست (اين‌كه بسامد و شكل موج سينوسي يكسان تقسيم شود). امنيت موضوع مهمي است. اداره برق بايد شما را مطمئن كند كه چنانچه در مجاورت خانه‌تان قطعي برق به‌وجود آيد، سيستم PV شما آن را از طريق خطوط سيم‌كشي هوايي كه كهنه به ‌نظر مي‌رسند، تأمين نكند. اين را «خودكفايي» مي‌ناميم.

اگر تصميم داريد از باتري‌ها استفاده كنيد، در ذهن داشته باشيد كه آن‌ها نياز به نگه‌داري دارند و بعد از گذشت سال‌هاي معيني نيز بايد تعويض شوند. اتاقك‌هاي PV بايد دوامي 20 ساله يا بيش‌تر داشته باشند، ولي لزومي ندارد باتري‌ها نيز همين مقدار عمر مفيد داشته باشيد. به خاطر انرژي ذخيره شده و الكتروليت‌هاي اسيدي كه باتري‌ها محتوي آن هستند، مي‌توانند خيلي خطرناك باشند. پس شما با استفاده از تهويه مناسب و ديوار غيرفلزي براي آن‌ها نياز داريد. با اين‌كه انواع مختلفي از باتري‌ها معمولاً مورد استفاده‌اند، ويژگي مشتركي كه همگي بايد داشته باشند اين‌است كه آن‌ها باتري‌هاي deep-cycle هستند. برخلاف باتري ماشين كه يك باتري ماشين كه يك باتري Shallow-cycle است، باتري‌هاي ماشين جريان طولاني را در مدت زمان كوتاهي خالي مي‌كنند (تا ماشين روشن شود) و سپس هنگامي كه شما رانندگي مي‌كنيد بلافاصله دوباره شارژ مي‌‌شوند.

به طور كُلي باتري‌‌هاي PV مجبورند جريان كوچك‌تري را دوره‌اي طولاني‌تر خالي كنند (مثلاً تمام طول شب)، مادامي كه در طول روز شارژ مي باشد. بيش‌ترين باتري deep-cycle مورد استفاده معمولاً باتري‌‌هاي «سربي-اسيدي» (بستن و تهويه) و باتري‌هاي نيكل-كادميوم هستند. باتري‌هاي «نيكل-كادميوم» گران‌تر هستند، ولي دوام بيش‌تري دارند و بدون اتلاف و به طور كامل‌تر مي توانند تخليه شوند. حتي باتري‌هاي «سربي-اسيدي» deep-cycle بدون كوتاه شدن جدي عمر باتري نمي‌توانند 100 درصد خالي شوند، به طور كلي سيستم‌هاي PV براساس تخليه‌ي باتري‌هاي سربي-اسيدي كه بيش‌از 40-50 درصد نيست، طراحي شده‌اند.

گذشته از اين، استفاده از باتري‌ها نياز به نصب اجزإ ديگري به‌نام «كنترل كننده‌ي شارژ» دارد. اگر باتري‌ها مراقبت شوند، دوام بيش‌تر مي‌يابند، پس آن‌ها بيش‌از ظرفيت‌شان پر يا بيش‌از حد زه‌كشي نمي‌شوند. كاري كه كنترل كننده‌ي شارژ انجام مي‌دهد اين است: يك‌بار كه باتري‌ها كاملاً شارژ شوند، كنترل كننده‌ي شارژ به جريان اجازه‌ نمي‌دهد كه از اتاقك‌هاي PV به داخل آن‌ها جريان يابند.

همچنين باتري‌ها كه قبلاً براي حالت از پيش شده‌ي معلوم زه‌كشي شده‌اند، با اندازه‌گيري ولتاژ باتري كنترل مي‌شوند، بسياري از كنترل كننده‌هاي شارژ كه جريان اضافي از باتري زه‌كشي شوند، تا هنگامي كه دوباره شارژ شود. استفاده از يك كنترل كننده‌ي شارژ جهت دوام طولاني‌تر باتري ضروري است.

علاوه بر ذخيره ي انرژي، مشكل ديگر اين‌است كه اگر برق توليدي توسط اتاقك‌هايPV و خروجي باتري‌ها را براي استفاده انتخاب كنيد، براي استفاده جهت ابزار الكتريكي منزل شما قابل استفاده نيست. برق توليدي توسط سيستم خورشيدي جريان مستقيم مي‌باشد، در صورتي كه برق تأمين توسط برق شهري جريان متناوب است. پس شما به يك معكوس كننده‌ كه جريان DC را به AC تبديل مي‌كند، نياز خواهيد داشت. كامل‌ترين معكوس كننده امكان كنترل خودكار چگونگي عملكرد سيستم را به شما خواهند داد. برخي اتاقك‌هاي PV اتاقك‌هاي AC ناميده مي‌شوند كه در حقيقت يك ساختمان از پيش معكوس كننده در اتاقك‌ها هستند كه فقط سيم‌كشي ساده‌تري دارند.

سخت افزار نصب شده،‌ جعبه‌هاي اتصال، تجهيزات اساسي، محافظ جريان، كليد AC و DC و ساير لوازم فرعي را نيز بيافزايد و آنچه خودتان براي سيستم مي‌خواهيد اضافه كنيد. كدهاي الكتريكي بايد قرار داده شوند (قسمتي در رمز الكتريكي بين المللي فقط براي PV وجود دارد) و بسيار توصيه مي‌شود كه سيستم PV نياز به نگه‌داري بسيار كمي دارد (به ويژه اگر از باتري استفاده نشود، و بدين ترتيب به مدت 20 سال يا بيش‌تر برق تميز به طور كامل ساكن فراهم خواهد شد.

اگر فوتوولتاها چنين منبع عظيم انرژي از انرژي آزاد هستند. پس چرا همه‌ي دنيا با نيروي برق اداره نمي‌شود؟



هزينه‌ي انرژي خورشيدي

برخي از مردم تصور غلطي در مورد انرژي خورشيدي دارند. اين صحيح نيست كه تابش خورشيد آزاد نيست. توليد برق از طريق سيستم‌هاي PV نيست. چنان‌كه از بحث‌ ما پيرامون يك سيستم PV خانگي مي‌توان ديد، اين سيستم تنها جزئي از سخت‌‌افزارهاي مورد نياز است. براي آن‌كه ذهنيتي از قيمت داشته باشيد، يك خانه‌ي خورشيدي را در نظر بگيريد كه با سيستم PV تأمين نيرو‌ي برق مي‌كند. اين خانه نسبتاً كوچك است و برآورد مي‌شود كه يك سيستم PV 6/3 كيلوواتي حدود نيمي از كُل برق مورد نياز را پوشش مي‌دهد (به باتري وصل نيست بلكه به شيكه‌ي برق وصل است). پس حتي با قيمت 9000 تومان براي هر ولت، نصب اين سيستم حدود 32 ميليون تومان براي‌تان هزينه خواهد داشت.

چرا PV معمولاً در مناطق دوردست،‌ به‌دور از يك منبع قراردادي الكتريكي مورد استفاده است. در اين زمان، نمي‌تواند به آساني با صنايع همگاني رقابت كند. با تحقيقات بيش‌تري كه در حال انجام است، هزينه‌ها كاهش مي يابند. تحقيقات اطمينان مي‌دهد كه روزي براي ناحيه‌هاي شهرنشين ازجمله نواحي دوردست PV هزينه‌ي معقولي داشته باشد. بخشي از مشكل اين است كه توليد آن نياز به عملي شدن در مقياس بزرگ و كاهش هزينه‌ها تا حد امكان دارد. به هر حال تا هنگامي كه قيمت تا سطح قابل رقابتي كاهش يابد، تقاضاي گسترده براي PV وجود نخواهد داشت. اين يك دستاورد ‌دوطرفه است!
چنانچه تقاضا و توليد اتاقك‌ها پيشرفتي ثابت داشته باشد، قيمت‌ها كاهش مي‌يابد و منابع با ساختن فوتو ولتاها يك فناوري با آينده‌اي تابناك مي‌باشد.
به همين دليل است كه از اين روش در دستگاه‌هاي كوچك استفاده مي‌شود. هر روز با تحقيقات در زمينه‌ي انرژي خورشيدي به امكان استفاده‌ي بهينه و عام  از آن  نزديك‌تر مي‌شويم. با توجه به اين‌كه گرايش‌هاي زيست محيطي براي حفظ زمين زيستي زمين بيش‌تر مي‌شود، توجه به انرژي خورشيدي نيز بسيار بيش‌تر شده است.

1387/3/21لينک مستقيم

فرستنده :
hadi HyperLink HyperLink 1391/3/28
مـتـن : سلام خسته نباشید
من دانشجوی ترم آخردانشگاه بوشهر در رشته برق قدرتم و پروزم در باره سلول خورشیدی
چرا در شبیه سازی سلول خورشیدی از منبع جریان با شکل موج مثلثی استفاده می کنیم
پاسـخ : سلام، اصولاً وقتي منبع موج رو ميخوايم با آشكار ساز يا گيرنده در نظر بگيريم جبهه موج كاملاً كروي رو براي گيرند بايد مثلثي در نظر بگيريم چون گيرنده در جهت مشخصي موج رو دريافت ميكنه. البته در مواردي هم بسته به گيرنده لزوما مثلثي در نظر نمي‌گيريم.
چون بيشتر مخاطبين ما دانش آموز هستن من يك توضيح كوتاه بدم. منظور از موج مثلثي در نظر بخشي از جبه موج كروي ست كه در محيط اطرافش پخش ميشه. البته اگر از جنس موج الگترومغناطيس يا همون طيف باشه. مكانيكي باشه نياز به محيط داره كه اصلاً پخش نميشه.
درست مثل يك قطاع از يك كره.

فرستنده :
رسول HyperLink HyperLink 1389/2/15
مـتـن : سلام خسته نباشید
درسایت دیگری نحوه ساخت باطری خورشیدی با ورق مسی بیان شده که می توان آن را به صورت کارگاهی یا خانگی ساخت اگر موارد ی از این قبیل دارید با تصاویر شرح دهید اگر انعطاف پزیر و با بازده ولتاز با لاتا جایی که راه دارد باشد برای اجرا مناسب تر است
پاسـخ :سلام
بالاتر از 20 درصد بازدهي كلاً صنعتي نشده در هيچكجا. شركتهايي هستند كه تازگي‌ها سلول‌ هاي خورشيدي و و كيت و لوازم مرتبط رو ميارند و تعدادي‌شون كساني رو دارند در اين رشته كار مي‌كنند. من باز هم در اين زمينه مطلب مي‌نويسم و به روز مي‌كنم مبحث رو.

فرستنده :
شیوا HyperLink HyperLink 1388/12/11
مـتـن : سلام .میشه از سلول های خورشیدی بدون شیشه استفاده کرد؟
سلول خورشیدی منعطف تو ایران هست؟
پاسـخ :سلام، در مورد جزيات بايد با تيمهاي تحقيقاتي و دانشگاه ها و پاركهاي علم و فناوري كه در اين زمينه كار مي‌كنند ارتباط داشته باشي.

فرستنده :
ناشناس HyperLink HyperLink 1387/6/27
مـتـن : ببخشید این هزینه ای رو که برای سیستم های فتوولتاییک گفته اید برای هروات یا ولت؟؟
با تشکر
پاسـخ :براساس وات در 4 پاراگراف مونده به آخر هم اشاره شده.

نظر شما پس از تاييد در سايت قرار داده خواهد شد
نام :
پست الکترونيکي :
صفحه شخصي :
نظر:
تاییدانصراف
 
 المپياد فيزيك

 

     

 

 

صفحه‌ي اصلي

     

 

راهنماي سايت

     

 

 

آموزش

     

 

بانك سوال

     

 

 

مسابقه

     

 

 

زنگ تفريح

     

 

 

مصاحبه و گزارش

     

 

 

معرفي كتاب

     

 

 

مشاوره

     

 

 

پرسش‌و‌پاسخ‌علمي

     

 

اخبار

 

فعاليت‌هاي علمي

 سايت‌هاي المپياد فيزيك
 بازديدها
كاربران غيرعضو آنلاينكاربران غيرعضو آنلاين:  1160
 كاربران عضو آنلاين:  0
  کل كاربران آنلاين:  1160