۱-تاریخچه، ادبیات موضوع وخلاصه فعالیتهای انجام شده
۱-۱-مقدمه و معرفی موضوع
امروزه استفاده از انرژی های نو وتجدید پذیر به طور گسترده ای مورد توجه قرار گرفته است. در این میان انرژی خورشیدی به دلیل مزایای زیادی که دارد از اهمیت ویژه ای برخوردار است. از جمله این مزایا به دسترسی دائمی ، پاک بودن و رایگان بودن میتوان اشاره کرد. از روش های متفاوت استفاده از این منبع انرژی، به بررسی سلولهای خورشیدی می پردازیم. یکی از مسائل مهمی که تا کنون پیش رو بوده ، هزینه نسبتا بالای تولید تجهیزات فتوولتاییک است که خوشبختانه در سالهای اخیر کاهش چشمگیری داشته است، به طوریکه کمپانی First Solar، بزرگترین تولید کننده محصولات فتوولتاییک ، مدعی شده که تا سال ۲۰۱۲ ، کشورهای آفتابی میتوانند با بهره گرفتن از pv به ارزانی نیروگاههای موجود برق تولید کنند.
تا کنون فوتو ولتاییک بیشتر در نقاط دور از شبکه، به صورت تنها استفاده شده است. این کاربرد ها شامل سیستمهای مخابراتی ، روشنایی ، خانگی ، تاسیسات نفتی وشناور ها بوده است. البته کاربرد به صورت متصل به شبکه نیز موجود است. همچنین ترکیب pv و باد ، در کشورهایی با شرایط آب وهوایی مشابه ایران ، میتوانند مکملهای بسیار خوبی برای تولید برق پاک در فصول مختلف سال باشند.

دریکی از مقالاتی که در همین زمینه انتخاب شده است ، برروی یکی از مسائل مهم در طراحی و بهره برداری سیستمهای pv ، که تعیین اندازه دقیق پارامترهای سلولها و شبیه سازی بر اساس این پارامترها می باشد، کار شده که در ادامه کار و مرحله شبیه سازی(فصل ۵) ، روی این مهم تمرکز کرده ایم. این مسئله مخصوصا برای سیستمهای stand-alone که دسترسی به شبکه ندارند، از لحاظ توانایی تامین بار و همچنین مسائل اقتصادی ، بسیار حائز اهمیت است. ارتباط این مسئله با ماکزیمم کردن توان قابل حصول از pv نیز مورد بررسی قرار میگیرد.
۱-۲-بررسی ادبیات موضوع
سلولهای فتوولتاییک(photovoltaic) یا به اختصار pv ، به سیستمی اطلاق می شود که مستقیما انرژی فوتونهای نورخورشید را طی فرایند جذب نور(light absorption) به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. به همین دلیل آنها را سلول خورشیدی نیز می نامند. علی رغم هزینه نسبتا بالایی که تولید این سیستم دارد، مزایای بسیاری دارد که باعث شده امروزه کاربردهای وسیعی از آن را شاهد باشیم. منبع انرژی نامحدود و وسیع، بدون احتراق یا اثر تشعشعی، بدون آلودگی هوا، بدون اجزای متحرک و استهلاک، کار در دمای محیط بدون نیاز به دمای بالا، قابلیت اطمینان بالای تجهیزات، قابلیت نصب و راه اندازی سریع، قابل استفاده در ساختمانها به طور مجزا(در نزدیکی محل مصرف) و ایمنی بالا از جمله این مزایا است.
این سلولها اغلب از مواد نیمه هادی(semiconductor) ساخته می شوند و اغلب آنها شامل یک پیوند pn می باشند.(pn junction). در حال حاضر ،از دو نوع تکنولوژی و ماده برای ساخت سلولهای خورشیدی استفاده می شود .
Silicon crystalline technology شامل mono crystalline و multi crystalline
Thin film technology شامل amorphous silicon(مواد بی شکل) وpolycrystalline (none silicon based)
از نظر توانایی تولید انرژی توسط خورشید و میزان آن، می توان حدود ۱ کیلووات بر متر مربع در آفتاب ظهر(ماکزیمم تابش) انرژی استحصال کرد که البته بدلیل بازدهی نسبتا پایین سلولهای خورشیدی حدود ۹۰ درصد این انرژی تلف می شود. ارائه آمار به این شکل در pv مرسوم است وآن رابا kWp (peak) نشان می دهند. هم اکنون هزینه تولید انرژی الکتریکی بر اساس این واحد، حدود ۴$ بر kWp است.
مصرف انرژی از طریق pv در ۲۰ سال گذشته به طور متوسط سالانه ۲۰ تا ۲۵%‌‌‌‌ افزایش داشته است. هم چنین در تولید سلولهای خورشیدی سالیانه ۳۰% افزایش وجود داشته است. هم اکنون بزرگترین نیروگاه pv دنیا را اسپانیا در اختیار دارد که ظرفیت آن ۶۰ مگاوات می باشد.
امروزه تحقیقات گسترده ای در زمینه استفاده از مواد جدید برای ساخت pv، مانند کادمیم سولفید و گالیم ارسنید و فیلم های نازک در حال انجام است.
۱-۳-آمار و خلاصه فعالیتهای انجام شده
سیستم‌های PV که در اصل برای کاربردهای فضایی ابداع و تکمیل شده بودند انرژی نور را مستقیما˝ به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. اصل مقدماتی در این تکنولوژی “اثر فتوالکتریک” است که اولین بار توسط اینشتین توضیح بیان شد. از اتصال سلول‌های PV به یکدیگر ماژول بوجود می‌آید. ماژول‌هایی که در روی یک صفحه نصب می‌شوند پانل نامیده می‌شود.
به طور خلاصه اهم کارهایی که از زمان کشف خاصیت فتو الکتریک(فتوولتاییک) تا کنون در پیشبرد تکنولوژی pv موثر بوده است عبارتند از:
۱۸۳۹ کشف خاصیت فوتوولتاییک
۱۸۸۰ ساخت اولین سلول خورشیدی توسط Charles Fritts
۱۹۲۳ کشف تئوری فوتوالکتریک توسط انیشتین
۱۹۵۴ اولین کاربرد pv : ماهواره
۱۹۷۳ مطرح شدن به عنوان جایگزینی برای سوخت های فسیلی(بحران نفت)
۱۹۹۶ رسیدن هزینه به سطح قابل رقابت با سایر منابع[۷]
درست بعد از اثبات اولین سلول‌های سیلیکون با بازدهی قابل‌قبول در ۱۹۵۴ ، اولین واحد سیلیکون که برای استفاده در فضای آزاد طراحی شده بود در سال ۱۹۵۵ ساخته شد. این واحد برای استفاده در سیستم‌های مخابرات طراحی شده بود و شامل ۴۸ واحد فرعی بود که مساحت هرکدام Cm² ۱۰ و شامل ۹ سلول به طول تقریبی Cm 3 بودند. این واحد در یک روز روشن W 10 تولید داشت و بازدهی آن حدود %۲ بود. اما تلاش برای استفاده تجاری از این واحد بی‌نتیجه ماند.
تکنولوژی فتوولتاییک به شدت مورد توجه شرکت Sharp قرار گرفت به طوری که این شرکت در سال ۱۹۶۴ یک خط کوچک در نیروگاه Nara تأسیس کرد. این خط با تولید W 225 قوی‌ترین تولیدکننده توان از خورشید بود که به منظور روشنایی از آن استفاده می‌شد. در اروپا نیز شرکت فرانسوی RTC که تابع شرکت Philips بود طرفدار اصلی استفاده تجاری از این سلول‌ها بود و فعالیت‌هایی نیز در این زمینه انجام داد. در ایالات متحده بحران توان در اوایل دهه ۱۹۷۰ عاملی برای شکل‌گیری فتوولتاییک شد که نتیجه آن ساخت یک واحد کوچک W 1.5-1.25 با بازدهی %۶-۵ بود. فتوولتاییک در اواسط دهه ۱۹۷۰ با توجه به برنامه‌های دولت در آمریکا وعلاقه روزافزون به استفاده از فتوولتاییک برای استفاده در مخابرات مناطق دورافتاده به خصوص در استرالیا وارد مرحله جدیدی شد و باعث پیشرفت سریع این صنعت و دست یافتن به ماژول‌هایی با قابلیت اطمینان بالاتر گردید. در ۷۶-۱۹۷۵ واحدی با تولید kW 54 و بازدهی %۶.۵-۴.۸ در آمریکا ساخته شد. این روند ادامه پیدا کرد و واحدهایی با بازدهی بالاتر و قابلیت اطمینان بیشتر ساخته شدند. در شکل(۱-۱) خلاصه‌ای از این پیشرفت‌ها به نمایش گذاشته شده است.[۷]
شکل ۱-۱ روند پیشرفت بازدهی سیستم های [۷]pv
۱-۴-مقایسه با منابع دیگر
در شکل زیر وضعیت منبع انرژی pv را در مقایسه با سایر منابع انرژی مرسوم مشاهده می کنید. هم اکنون هم چنان سوخت های فسیلی عمده مصرف انرژی در جهان وحتی کشورهای توسعه یافته مثل آمریکا را تشکیل می دهد . سهم pv هم اکنون کمتر از ۱ درصد است.(شکل ۱-۲)[۹]
منبع اصلی تمامی انواع انرژی موجود انرژی خورشید است. سیستم های فتوولتاییک راهکاری مناسب برای تبدیل مستقیم این انرژی به انرژی الکتریکی را به ما می دهد. اما استفاده از هر منبع دیگر ، که خود واسطه ای بین انرژی خورشید و انرژی الکتریکی می شود، قطعا مسیر دسترسی بشر به منبع اصلی یعنی خورشید را طولانی تر می کند. علاوه بر این مسائل زیست محیطی که در منابع دیگر با آن درگیر هستیم و هزینه ها ی زیاد و تکنولوژی پیچیده ای که برای استحصال مواد اولیه آنها که عموما همه جا در دسترس نیستند صرف می شود( مانند انرژی هسته ای یا بیوماس)، انگیزه دو چندانی برای استفاده ازPv ایجادکرده است. البته تاکنون هنوز به سیستم هایی پر بازده و کم هزینه در pv نسبت به سایر منابع انرژی دست نیافته ایم . به عنوان نمونه در جدول۱-۱نتایج مقایسه با انرژی هسته ای آورده شده است.
۱-۵-پتانسیل سنجی ها:
در مورد وضعیت آینده سیستم های pv سازمانهای جهانی مرتبط مانند EIA آمار ها و پیش بینی های روشنی اعلام کرده اند که برای نمونه به برخی از این نتایج اشاره می کنیم:
هزینه روبه کاهش پیش بینی می شود با ادامه پیشرفتهای صورت گرفته و ادامه این روند کاهش هزینه ، تا سال ۲۰۲۰ ، نیروگاه های pv جایگزین ۷۵ نیروگاه زغال سنگ خواهند شد.
افزایش استفاده(رشد ۲۵% سالیانه) کشورهای توسعه یافته از PV(مخصوصا آمریکا) وافزایش سرمایه گذاری تا ۷۵ میلیارددلار در سال
پیش بینی افزایش چشمگیر استفاده از pv طی ۲۰ سال آینده و همچنین ۲۶ % کل انرژی جهان تا سال۲۰۴۰
استفاده از تکنولوژی های هیبرید (hybrid) ترکیب pv با باد که مکمل های خوبی برای همدیگر در فصول مختلف سال می باشند و ترکیب باهیدروژن ،به عنوان منبع الکتریکی نسبتا رایگان برای الکترولیز آب و رفورم کردن گاز برای تولید هیدروژن مورد نیاز نیروگاههای هیدروژنی، ترکیب pv با انرژی حرارتی خورشید(solar thermal) و pv thermal وترکیب solar active و solar passive