انواع پنل های خورشیدی — از صفر تا صد

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس، با سلول خورشیدی و مدل‌سازی آن آشنا شدیم. سلول‌ها و صفحات خورشیدی انواع مختلفی دارند که هنگام طراحی یک سیستم برق خورشیدی، باید با توجه به کاربرد مورد نظر، یکی از آن‌ها را انتخاب کرد. این کار، مستلزم شناخت انواع سلول‌های خورشیدی است. در این آموزش با انواع پنل های خورشیدی آشنا خواهیم شد.

انواع پنل های خورشیدی سیلیکون کریستالی

سیلیکون کریستالی (Crystalline Silicon) با نماد c-Si، شکل کریستالی سیلیکون (Si) است که در فرایند ساخت صفحات خورشیدی کریستالی (فتوولتائیک یا PV مونوکریستالی و پلی‌‌کریستالی) در فناوری فتوولتائیک بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فیلم آموزش سلول خورشیدی پروسکایتی – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

تقریباً 90 درصد فناوری فتوولتائیک بر اساس سیلیکون است که بیشتر در صفحات خورشیدی سیلیکون کریستالی مورد استفاده قرار می‌‌گیرد.

در فناوری فتوولتائیک، معیارهای بسیاری برای استفاده از سیلیکون وجود دارد، اما مهم‌‌ترین آن، خلوص سیلیکون است؛ به این معنی که هرچه خالص‌‌سازی در سیلیکون بیشتر باشد، توانایی صفحه خورشیدی برای تبدیل نور خورشید به الکتریسیته بیشتر خواهد بود.

سیلیکون کریستالی (c-Si) اساس سلول‌‌های PV سیلیکونی پلی‌‌کریستالی یا مولتی‌‌کریستالی و مونوکریستالی را تشکیل می‌‌دهد که در ادامه درباره آن‌ها بحث خواهیم کرد.

صفحات خورشیدی مونوکریستالی

مونو به معنای «تک» است. همان‌طور که از این نام پیداست، سلول‌‌های صفحه خورشیدی مونوکریستالی (Monocrystalline Solar Panels) از یک کریستال سیلیکونی خالص ساخته می‌‌شوند.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

همچنین، این نوع صفحات، صفحه سیلیکونی تک‌‌کریستالی نامیده می‌‌شوند، زیرا فقط از یک کریستال برای ساخت آرایه استفاده می‌‌شود که خلوص صفحه خورشیدی (PV) و ظاهر یکنواخت در ماژول PV را فراهم می‌‌سازد.

صفحات خورشیدی مونوکریستالی (سلول‌‌های PV) به شکل گرد هستند و میله‌‌های کریستال سیلیکونی در سراسر ماژول PV، استوانه‌‌ای به نظر می‌‌رسند. بنابراین، تفاوت صفحه فتوولتائیکِ پلی‌کریستالی و مونوکریستالی این است که سلول‌‌های خورشیدی مونوکریستالی به صورت استوانه‌‌ای با لبه‌‌های گرد به نظر می‌‌آیند.

مزایا:

• بازده صفحات خورشیدی مونوکریستالی 15 تا 20 درصد است، در حالی که آخرین صفحات خورشیدی مونوکریستالی در آزمایشگاه‌‌ها 25 درصد بازدهی داشتند و بازده تأییدشده 21 درصد است. در ایالات متحده، بازده سری E20 تقریباً تا 20 درصد و سری X PV برق خورشیدی 21٫5 درصد است.
• PV مونوکریستالی به کمترین مقدار فضا نیاز دارد و مساحت کوچکی را روی بام اشغال می‌‌کند.
• طول عمر میانگین صفحات خورشیدی مونوکریستالی حدود 25 سال است، در حالی که سازنده‌‌های سایر صفحات فتوولتائیک 25 تا 30 سال عمر را برای آن‌ها پیش‌‌بینی می‌‌کنند.
• کارایی این صفحات در شرایط نوری یکسان، بهتر از صفحات پلی‌کریستالی است. علاوه بر این، صفحات خورشیدی مونوکریستالی تا چهار برابر مقدار انرژی الکتریکی بیشتری را در مقایسه با صفحات خورشیدی فیلم نازک تولید می‌‌کنند.
• به طور خلاصه، صفحات خورشیدی مونوکریستالی، پربازده‌‌ترین ماژول PV موجود، محبوب‌‌ترین فناوری در بازار و عموماً در دسترس هستند. همچنین، کمترین مساحت را روی بام اشغال می‌‌کنند و جابه‌جایی و استفاده از آن‌ها آسان است.

معایب:

• صفحات خورشیدی مونوکریستالی گران هستند. هزینه اولیه صفحات PV مونوکریستالی در مقایسه با ماژول‌‌های PV خورشیدی فیلم نازک یا صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی بسیار بالاست.
• این نوع صفحات از یک کریستال سیلیکونی ساخته می‌‌شوند، بنابراین، اگر اندکی از مساحت صفحه خورشیدی با برف، خاک یا سایه پوشیده شود، ممکن است کل مدار PV را قطع کند.
• در این فناوری، مقدار زیادی از سیلیکون خالص هدر می‌‌رود. برای ساختن آرایه‌‌ها و ویفرهای سیلیکونی به شکل استوانه‌‌ای بزرگ (فرایندی به نام فرایند چوکرالسکی که برای تولید سیلیکون مونوکریستالی استفاده می‌‌شود)، چهار رأس سلول‌‌های PV ساخته شده از این استوانه‌‌ها بریده می‌‌شوند که منجر به اتلاف مقدار زیادی سیلیکون خالص خواهد شد.
• با افزایش دما، بازده این صفحات بیشتر می‌‌شود. به عبارت دیگر، در هوای گرم و هنگام تابش کامل آفتاب بهتر کار می‌‌کنند، اما اغلب، این نکته مورد توجه قرار نمی‌گیرد.

صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی

«پلی» به معنی «چند» است. همان‌گونه که از نام آن پیداست، برای ساختن این سلول خورشیدی، چند کریستال سیلیکونی خالص مختلف با هم ترکیب می‌‌شوند. این سلول‌‌ها راست گوشه هستند و در مقایسه با صفحات خورشیدی مونوکریستالی، سیلیکون کمتری نیاز دارند که باعث می‌‌شود هزینه کمتری نیز داشته باشند.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

علاوه بر این، سلول‌های پلی‌کریستالی (Polycrystalline Cells) نسبت به سلول‌‌های PV مونوکریستالی بازدهی کمتری دارند (تقریباً ۱۳٫۵ تا 17 درصد). این سلول‌‌ها پلی‌‌سیلیکون یا سیلیکون مولتی‌‌کریستالی نیز نامیده می‌‌شوند و نخستین بار در سال 1981 به بازار عرضه شدند.

برای ساختن سلول‌‌های PV پلی‌‌کریستالی، سیلیکون خام خالص را ذوب می‌‌کنند و داخل یک قالب مربعی می‌‌ریزند تا خنک شود، سپس آن را به صورت آرایه‌‌ها و ویفرهای کاملاً مربعی برش می‌‌دهند. در صفحه خورشیدی پلی‌‌کریستالی یک آرایش بلوری غیریکنواخت وجود دارد که به دلیل انعکاس مقداری نور به عقب، کمی آبی‌‌تر به نظر می‌‌رسد. امروزه قیمت صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی پایین آمده است و در ایالات متحده آمریکا، بریتانیا، استرالیا و دیگر بازارهای محلی محبوبیت دوباره پیدا کرده‌اند.

مزایا:

• صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی، قدرت تحمل کمتری نسبت به گرما دارند (یعنی عملکرد آنها در دمای بالا در مقایسه با ماژول‌‌های PV خورشیدی مونوکریستالی کمتر است، زیرا ممکن است گرما صفحات خورشیدی را مختل کند و طول عمر آن‌ها را کاهش دهد). با وجود این، اکثر صاحب‌‌خانه‌‌ها و خریداران صفحه خورشیدی به این موضوع توجه نمی‌‌کنند و هنگامی که نقشه نصب صفحه خورشیدی را طراحی می‌‌کنند، آن را در نظر نمی‌‌گیرند.
• فرایند تولید سیلیکون پلی‌‌کریستالی، ساده‌‌تر و کم‌‌هزینه‌‌تر است.
• به طور خلاصه، ساخت این نوع صفحه مقرون به صرفه است، بازدهی خوبی دارد و مساحت کمی را روی بام اشغال می‌‌کند. همچنین، معمولاً در دسترس بوده و جابه‌جایی و استفاده از آن آسان است.

معایب:

• بازدهی صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی تقریباً ۱۳٫۵ تا 17 درصد است. از نظر فنی، این بدین معنی است که اگر 100 وات انرژی پتانسیل خورشیدی به این صفحه خورشیدی برخورد کند، خروجی آن حدود ۱۳٫۵ تا 17 وات انرژی الکتریکی تولید شده خورشیدی خواهد بود. از این رو، این نوع صفحه نسبت به صفحه خورشیدی مونوکریستالی اندکی کم‌‌بازده‌‌تر است.
• ماژول‌‌های PV پلی‌‌کریستالی در مقایسه با صفحه خورشیدی مونوکریستالی هم‌‌اندازه خود (دارای سطح یکسان) برق کمتری تولید می‌‌کنند (البته همیشه این‌گونه نیست).
• این صفحه در مقایسه با صفحه خورشیدی مونوکریستالی و فیلم نازک از نظر زیبایی برای استفاده مناسب نیست، زیرا به دلیل داشتن چند رنگ آبی متفاوت، ظاهر یکنواختی ندارد.

سلول‌‌های خورشیدی نوار رشته‌‌ای

ساخت سلول‌‌های خورشیدی نوار رشته‌‌ای (String Ribbon Solar Cells) طی فرایندی صورت می‌‌گیرد که در آن نوارها و ورق‌‌های سیلیکونی مولتی‌‌کریستالی ساخته می‌‌شوند. در این فرایند، سیم‌‌های مقاوم در برابر دمای بالا از داخل سیلیکون مذاب بیرون کشیده می‌‌شوند تا نوار نازک مولتی‌‌کریستالی از بلورهای سیلیکونی ساخته شود. سپس، این نوارهای بسیار نازک به طول‌‌های مختلف بریده می‌‌شوند. صفحات خورشیدی ساخته شده با فناوری نوار رشته‌‌ای شبیه صفحات PV پلی‌‌کریستالی به نظر می‌‌رسند. این فرایند نخستین بار در دهه 1970 شرکت‌های Mobil-Tyco و Solar Energy Corp و Evergreen solar، بزرگترین تولیدکنندگانی بودند که برای ساخت سلول‌‌های خورشیدی از فناوری نوار رشته‌‌ای استفاده می‌‌کردند. صفحات PV نوار رشته‌‌ای نیز از سیلیکون پلی‌‌کریستالی ساخته می‌‌شوند.

مزایا:

• این صفحات هزینه تولید پایین‌‌تری دارند و استفاده از آن‌ها آسان است.
• بازدهی صفحات خورشیدی نوار رشته‌‌ای حدود 13 تا 14 درصد است (در حالی که محققان در آزمایشگاه‌‌ها به بازدهی 18 تا 19 درصد دست یافتند).

معایب:

• ساخت آن‌ها به انرژی بیشتری نیاز دارد.
• از نظر فضای مورد استفاده، کمترین بازدهی را دارند.

سلول‌‌های خورشیدی فیلم نازک (TFSC) یا (TFPV)

سلول‌‌های خورشیدی فیلم نازک (Thin Film Solar Cells) یا TFSC به عنوان سلول‌‌های فتوولتائیک فیلم نازک (Thin Film Photovoltaic Cells) یا TFPV یا ماژول‌‌های PV آمورف نیز شناخته می‌‌شوند.

فیلم آموزش الکترونیک 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

این سلول‌‌ها نسل دوم سلول‌‌های خورشیدی هستند و از ادغام یک یا چند لایه نازک از مواد PV یا فیلم نازک (TF) روی یک لایه فلز، شیشه، پلاستیک و غیره ساخته می‌‌شوند. ضخامت فیلم از چند نانومتر (nm) تا ده‌‌ها میکرومتر (μm) متغیر است، با این وجود سلول خورشیدی با ضخامت خیلی کمتر از فیلم نازک نیز ابداع شده است. نسل اول سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی (c-SI) از ویفرهای سیلیکونی با ضخامت حداکثر ۲۰۰ میکرومتر استفاده می‌‌کنند.

انواع صفحات خورشیدی فیلم نازک بر اساس مواد سازنده آن‌ها به شرح زیر است:

• سیلیکون آمورف (a-Si/TF-Si)
• سلنید گالیوم ایندیوم مس (CIGS/CIS)
• تلورید کادمیوم (CdTe)

نسل سوم سلول‌‌های خورشیدی فیلم نازک نیز وجود دارند، اما از نظر تجاری به هیچ وجه در دسترس نیستند و محققان امیدوارند که رؤیای استفاده از آن‌ها خیلی زود به واقعیت بپیوندد. این سلول‌‌های خورشیدی عبارتند از:

• سلول‌‌های فتوولتائیک آلی (OPC/OPC) (اکنون موجود نیستند.)
• حساس شده با رنگ
• سلول‌‌های خورشیدی پلیمری
• نقطه کوانتوم
• سولفید قلع روی مس
• نانوکریستال
• سلول‌‌های خورشیدی پروسکایت

صفحات خورشیدی فیلم نازک در مقایسه با فناوری سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی (c-SI) معمولی، ارزان‌‌تر هستند و بازدهی کمتری نیز نسبت به آن دارند. هرچند، توسعه فناوری‌های اخیر، بازدهی سلول آزمایشگاهی ساخته شده از تلورید کادمیوم (CdTe) و سلنید گالیوم ایندیوم مس (CIGS/CIS) را تا 20 درصد تأیید می‌‌کند.

مزایا:

• تولید گسترده صفحات خورشیدی فیلم نازک نسبت به سلول‌‌های PV کریستالی پیچیدگی کمتری دارد.
• در مقایسه با سایر صفحات خورشیدی مونوکریستالی ارزان‌‌تر هستند.
• ظاهر یکنواخت صفحات خورشیدی فیلم نازک جذاب‌‌تر است و می‌‌توان به منظور زیباسازی از آن‌ها استفاده کرد.
• به دلیل انعطاف‌‌پذیر بودن، این صفحات کاربردهای بسیاری دارند. علاوه بر این، هنگامی که مشکلی از نظر فضا وجود نداشته باشد، استفاده از این نوع صفحات منطقی است.
• صفحات فیلم نازک مقاومت دمایی بالایی دارند، یعنی دمای بالا و سایه تأثیر کمتری روی آن‌ها دارد.

معایب:

• به فضای زیادی نیاز دارند و معمولاً برای مصارف مسکونی مناسب نیستند.
• ساختار پشتیبانی جانبی، کابل‌‌ها، نگهداری و غیره برای نصب صفحه خورشیدی فیلم نازک، این سیستم را هزینه‌‌بر می‌‌کند.
• طول عمر کل صفحات خورشیدی نازک نسبت به صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی و مونوکریستالی کمتر است.

سلول‌‌های خورشیدی سیلیکونی آمورف (a-Si یا a-Si:H)

سلول خورشیدی سیلیکونی آمورف (Amorphous Silicon Solar Cell) که زیرمجموعه‌‌ای از سلول خورشیدی فیلم نازک سیلیکونی است، اخیراً در بازار محبوبیت پیدا کرده است. این نوع سلول خورشیدی، نیاز کمتری (تقریباً یک درصد) به سیلیکون مورد استفاده در سلول‌‌های خورشیدی کریستالی دارد و نسبت به صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی یا مونوکریستالی از بازدهی خیلی کمتری برخوردار است (تقریباً 5 تا 6 درصد).

برای تولید سلول خورشیدی سیلیکونی آمورف، یک یا چند لایه از مواد فتوولتائیک بر روی لایه‌‌ای به صورت اسپری گاز قرار می‌‌گیرند که «رسوب بخار» نامیده می‌‌شود.

سلول‌‌های خورشیدی تلورید کادمیوم

صفحات خورشیدی فیلم نازک تلورید کادمیوم (Cadmium Telluride Thin Film Solar Panels) مبتنی بر تلورید کادمیوم (CdTe) و فناوری PV (فتوولتائیک) هستند. این صفحات در مقایسه با صفحات خورشیدی سیلیکونی کریستالی در بخش قابل توجهی از بازار، به ویژه در سیستم چند کیلوواتی، مقرون به صرفه هستند.

بازدهی این صفحات خورشیدی در حدود 9 تا 11 درصد است. شرکت First Solar بیش از 5 گیگاوات (GW5) از صفحات خورشیدی فیلم نازک تلورید کادمیوم در سراسر جهان را نصب کرده است. این شرکت رکورد جهانی بازدهی ۱۴٫۴ درصد را برای ماژول فتوولتائیک CdTe در دست دارد.

سلول‌‌های خورشیدی سلنید گالیوم ایندیوم مس

تولید تجاری سلول‌‌های PV انعطاف‌‌پذیر سلنید گالیوم ایندیوم مس (Copper Indium Gallium Selenide Solar Cells) یا CIGS/CIS در سال 2011 در کشور آلمان آغاز شد. این سلول‌‌ها از ترکیب مس، ایندیوم، گالیوم و سلنید روی لایه‌‌ای مانند پلاستیک یا شیشه، به همراه آند و کاتد (الکترودها) در پشت و قسمت جلو برای تأمین توان خروجی الکتریکی ساخته می‌‌شوند. سلول‌‌های صفحه خورشیدی CIGS یا CIS مقاومت دمایی بالایی دارند و در آب و هوای گرم بهتر کار می‌‌کنند. بنابراین، هنگامی که سلول‌‌ها روی شیشه گذاشته می‌‌شوند، کارایی بهتری دارند.

میزان بازدهی صفحات خورشیدی CIGS معمولاً حدود 11 تا 14 درصد است. با این حال، بالاترین مقداری که تیم پژوهشگر آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر به آن دست یافتند، ۱۹٫۹ درصد است، علاوه بر این، در اکتبر 2013 نیز به بهترین بازدهی یعنی ۲۰٫۸ درصد رسیدند. همچنین، دانشمندان در آزمایشگاه‌‌های علوم و فناوری مواد فدرال سوئیس سلول‌‌های CIGS ساخته شده از ورق‌‌های پلیمری انعطاف‌‌پذیر را با رکورد جدید بازدهی ۲۰٫۴ درصد توسعه دادند.

صفحات فتوولتائیک یکپارچه ساختمان

فتوولتائیک یکپارچه ساختمان (Building Integrated Photovoltaic Panels) یا BIPV برای بخشی از ساختمان همچون دیوارها، پشت بام، سر درها، پنجره‌‌ها و غیره که ممکن است با مواد فتوولتائیک تناسب داشته باشند، طراحی می‌‌شود (توفال‌‌های خورشیدی بهترین نمونه فتوولتائیک یکپارچه ساختمان هستند).

فیلم آموزش طراحی نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک با پی وی سیست PVsyst در فرادرس

کلیک کنید

این صفحات خیلی خوب و زیبا به نظر می‌‌رسند، اما گران هم هستند.

متأسفانه، فتوولتائیک یکپارچه ساختمان در مقایسه با سایر سلول‌‌ها و صفحات PV، سیستم بسیار گران و کم‌‌کارآمدتری است. بنابراین، ترکیب سیستم‌‌های BIPV برای مصارف خانگی و محدود توصیه نمی‌‌شود. این نوع صفحات در پروژه‌‌های عظیمی همچون نیروگاه 10 مگاواتی در بیابانی نزدیک لاس وگاس به کار رفته‌اند.

صفحات حرارتی خورشیدی

این سیستم برق خورشیدی یا PV، متفاوت با آن چیزی است که در بالا ذکر شد. این صفحات الکتریسیته تولید نمی‌‌کنند بلکه از طریق خورشید، گرمای لازم برای گرم کردن آب استخر یا مصارف عمومی در خانه تأمین می‌کنند. از برخی از صفحات حرارتی خورشیدی می‌توان برای گرم کردن و تهویه هوا نیز استفاده کرد.

صفحات فتوولتائیک و سلول‌‌های خورشیدی هیبریدی

یک ماده آلی (ماده‌‌ای نیمه‌‌رسانا که ویژگی‌‌هایی بین نارسانا و رساناها دارد و به منظور هدایت الکتریکی مورد استفاده قرار می‌‌گیرد) توسط یک ماده رسانای غیرآلی احاطه می‌‌شود تا لایه‌‌های فتوولتائیک را تشکیل دهد. بازدهی این لایه‌‌ها نسبت به لایه تک ماده بیشتر است و مزایای هر دو نیمه‌‌رسانای آلی و غیرآلی را نیز دارد. سلول‌‌های PV هیبریدی به واسطه فرایند R2R، هزینه پایینی دارند.

صفحات خورشیدی هیبریدی نسبت به صفحات PV پلی‌‌کریستالی یا مونوکریستالی خیلی پرهزینه هستند. اگر روی بام فضای زیادی وجود داشته باشد، استفاده از سیستم صفحه خورشیدی هیبریدی توصیه نمی‌‌شود، زیرا در مقایسه با تولید همان مقدار توان الکتریکی توسط صفحات خورشیدی کریستالی، منجر به هزینه بیشتری می‌شوند.

بهترین پنل خورشیدی برای مصارف خانگی کدام است؟

تصمیم‌‌گیری در مورد اینکه بهترین صفحه خورشیدی کدام است، کمی دشوار است. همان‌طور که می‌‌دانیم «هزینه» و «فضا» معیارهای اصلی برای انتخاب صفحه PV مناسب هستند. بنابراین، به طور خلاصه راجع به این موضوع بحث خواهیم کرد.

فضا

از آنجایی که اکثر ما فضای بزرگی روی بام، پنجره‌‌ها و غیره نداریم، صفحه خورشیدی فیلم نازک و پس از آن صفحات خورشیدی کریستالی بهترین گزینه خواهند بود. اگر اندازه برایمان اهمیت داشته باشد، باید به دنبال صفحات خورشیدی با بالاترین توان خروجی مجاز باشیم، زیرا صفحات PV با اندازه‌‌های یکسان، میزان توان خروجی مختلفی از قبیل ۲۰۰ وات، ۱۵۰ وات، ۶۰ وات و... دارند.

اما در صورتی که اندازه مهم باشد، کدامیک بهتر است؟ هر دوی صفحات خورشیدی مونوکریستالی یا پلی‌‌کریستالی انتخاب‌های مناسبی هستند و مزایای یکسانی دارند، جز اینکه صفحات خورشیدی مونوکریستالی نسبت به صفحات پلی‌‌کریستالی از نظر فضا کارآمدترند و اندکی بیشتر توان الکتریکی تولید می‌‌کنند، اما همیشه هم اینگونه نیست. صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی کمی ارزان‌‌تر و از نظر فضا کم‌‌‌بازده‌تر هستند.

علاوه بر این، میزان یکسانی (مثلاً ۱۵۰ وات) از صفحات خورشیدی مونوکریستالی و پلی‌‌کریستالی، تقریباً همان توان خروجی الکتریکی را با کمی تفاوت ناچیز تولید خواهند کرد، اما صفحات پلی‌‌کریستالی در مقایسه با صفحات مونوکریستالی اندکی فضای بیشتری را اشغال می‌‌کنند.

هزینه

قیمت‌ صفحه PV معمولاً به صورت قیمت بر وات دلار بیان می‌‌شود. اگر به دنبال ارزان‌‌ترین قیمت در هر توان نامی باشیم، باید صفحات خورشیدی مونوکریستالی و پلی‌‌کریستالی مختلف موجود در بازار و اینترنت را مقایسه کنیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• محاسبه قیمت برق از روی قبض — به زبان ساده
• انواع باتری — از صفر تا صد
• انواع اینورترهای خورشیدی — به زبان ساده

^^