کاربردهای مختلف سیستم های خورشیدی(فتوولتائیک)
سیستم‌های فتوولتائیک جهت مصارف عمومی و کشاورزی، بصورت نیروگاه های مستقل از شبکه سراسری یا سیستم های متصل به شبکه سراسری با ساختار نصب ثابت و یا متحرک در واحدهای کوچک با توان پائین جهت تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز ماشین حساب‌های کوچک تا سیستم‌های بزرگ نیروگاهی، به کار می رود.
در خصوص سیستم های متحرک می بایست متذکر شد که، مزیت آن امکان ردیابی خورشید و افزایش انرژی الکتریکی حاصل از تابش خورشید در طی روزپمپاژ می باشد. باوجود این مطلب، بدلیل افزایش احتمال خرابی درسیستم مکانیکی، نیاز به انرژی الکتریکی جهت به حرکت درآوردن سازه درکاربردهای کوچک و پراکنده توصیه نمی گردند. تنها در تعدادی از نیروگاه های برق خورشیدی (فتوولتائیک) در جهان از این نوع سازه استفاده شده است.
روش های بکارگیری سیستم های فتوولتائیک
۱- سیستم های متصل به شبکه سراسری برق ( Grid Connected )
سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه می‌توانند در نما یا پشت بام ساختمان‌ها، سایه‌بان پارکینگ‌ها و یا به صورت یک نیروگاه با هدف تزریق حداکثر توان تولیدی خود به شبکه، نصب و مورد بهره‌برداری قرار گیرند. استفاده از چنین سیستم‌هایی منجر به تقویت شبکه سراسری برق، جلوگیری از فشار الکتریکی وارد بر نیروگاه‌ها در طی روز، پیک‌زدایی از بار شبکه با توجه به حداکثر میزان تولید در طول روز و افزایش ظرفیت شبکه می‌گردد. در این روش، انرژی الکتریکی حاصل از سیستم فتوولتائیک (با استفاده از تجهیزات الکتریکی مبدل جریان مستقیم به جریان متناوب، همچون اینورترهای متصل به شبکه و ...) ضمن تغییر شکل و تطبیق سطح ولتاژ و فرکانس انرژی الکتریکی حاصل ازسیستم فتوولتائیک، با مشخصات سطح ولتاژ، اختلاف فاز، فرکانس و... شبکه سراسری به شبکه سراسری برق تزریق می گردد.با استفاده از نیروگاه های فتوولتائیک متصل به شبکه سراسری بصورت متمرکز و یا غیرمتمرکز (ضمن تقویت انرژی جاری در شبکه توزیع)، بدلیل تزریق ولتاژ و جریان مانع افت ولتاژ شبکه توزیع گردیده و در نتیجه از فشار بر روی نیروگاه ها در طی روز جلوگیری نمود. این امر به مثابه این است که هر مشترک شبکه سراسری برق، با نصب سیستم متصل به شبکه، خود بعنوان یک تولید کننده پراکنده کوچک (DG)، بصورت نیروگاهی کوچک عمل نماید. در این روش علاوه بر تامین بخشی از انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف کننده، انرژی الکتریکی (مازاد بر مصرف) به شبکه سراسری برق تزریق می شود.
۲- سیستم های مستقل از شبکه سراسری برق ( Stand Alone )
تأمین انرژی الکتریکی ایستگاه های مخابراتی و تلویزیونی، خانه های مسکونی، چادرهای عشایری، کلبه های روستایی و بصورت کلی رفع نیاز انرژی الکتریکی مناطقی که فاقد شبکه سراسری برق می باشند. این بخش سهم بالایی از سیستم های مستقل از شبکه را در جهان به خود اختصاص داده است. این روش از محبوب ترین و شاید ساده ترین روش در پیکربندی سیستم های برق خورشیدی باشد در این روش با استفاده از پنل خورشیدی و چند عدد باتری برق مورد نیاز مکان هایی که امکان استفاده از برق شهری را ندارند فراهم می گردد و این شاید مهمترین علت استفاده و توسعه سلول های فتوولتائیک باشد.در واقع با استفاده از آرایه ای از سلول های فتوولتائیک برق تولید شده توسط شارژ کنترلر در باتری خورشیدی ذخیره می گردد و این انرژی ذخیره شده توسط مصرف کننده های DC و AC در ساعت های مختلف شبانه روز مصرف می شود.در بسیاری از کشورهای جهان (بویژه درحال توسعه جهت تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز روستاهای فاقد برق از این سیستم استفاده می گردد، بطور مثال در سال ۲۰۰۷ کشور اندونزی برق رسانی به ۱۵۰۰۰ خانوار روستایی را از این طریق آغاز نموده است). عدم نیاز به سوخت و مشکلات سوخت رسانی بویژه در مناطق صعب العبور و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری مداوم و طول عمر مناسب از جمله عمده مزایایی است که در رشد و توسعه این سیستم‌ها بویژه در نقاط محروم کشور نقش عمده و بسزایی دارد.
ساختارهای رایج در سیستم های فتوولتائیک
از رایج‌ترین ساختارهای الکترونیک قدرت در سیستم‌های فتوولتائیک می‌توان به ساختارهای دو مرحله‌ای و تک مرحله‌ای اشاره کرد.
ساختار دو مرحله‌ای، در طبقه‌ی اول، شامل یک افزانیده‌ی DC-DC برای افزایش ولتاژ DC خروجی آرایه‌ی فتوولتائیک و اجرای ردیابی نقطه‌ی حداکثر توان MPPT است. در طبقه‌ی دوم، یک اینورتر برای تولید ولتاژ AC سازگار با شبکه و کنترل ولتاژ و توان راکتیو قرار دارد.
ساختار تک مرحله‌ای، تنها شامل یک اینورتر بوده و در نتیجه از راندمان بالاتر، هزینه پایین‌تر و قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به ساختار دو مرحله‌ای برخوردار است. با این حال بدون قابلیت افزایش ولتاژ DC توسط مبدل DC-DC، اینورتر منبع ولتاژ تک مرحله‌ای به ولتاژ DC بزرگتری نیازمند است و همچنین الگوریتم کنترلی آن پیچیده‌تر است.
اهم کاربردهای سیستم های فتوولتائیک
۱. سیستم های تأمین برق مستقل از شبکه (تأمین برق خانه های مسکونی، چادرهای عشایری، کلبه های روستایی و بصورت کلی رفع نیاز الکتریکی مناطق فاقد شبکه سراسری برق می باشند)
۲. پمپاژخورشیدی (آب شرب، آبیاری، دامپروری، پرورش ماهی، جنگلها، مراتع، آبشخورحیوانات، آبنماها و…) یکی از کاربردهای موفق سیستم های فتوولتائیک، پمپاژ آب خورشیدی می باشد. افزایش تقاضا در این بخش نشان گر توانمندی و قابلیت کارکرد این سیستم می باشد. بطور مثال در سال ۲۰۰۶ در کشور مکزیک بیش از ۸۰۰ عدد پمپ با توان تجمعی ۳۳ کیلووات و در بنگلادش بیش از ۵۰۰۰ عدد پمپ در سال ۲۰۰۵ و ۲۰۰۶ با مبلغ تجمعی ۲۱ میلیون دلار نصب و راه اندازی گردید و یا ۶/۶% از سیستم های فتوولتائیک نصب شده در کشور هند را سیستم های پمپ فتوولتائیک تشکیل می دهد.
۳. روشنایی خورشیدی (منازل مسکونی و مدارس، ایستگاه های بین راهی، تونل ها، فانوس های دریایی، چراغ های پارکی و ...) میزان روشنایی در شب یک امتیاز برای شهرهای بزرگ و صنعتی می باشد و بدون دسترسی به برق، تامین روشنایی به لامپ های دینامی و یا چراغ های نفتی محدود می گردد. یکی از راه حل های مناسب جهت تامین روشنایی مناسب جهت مناطق فاقد دسترسی به برق، استفاده از چراغ های خورشیدی می باشد که سالانه ده ها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می گردد. این سیستم در تامین روشنایی منازل مسکونی و مدارس، ایستگاه های بین راهی، چراغ های راهنمایی و رانندگی، فانوس های دریایی و ... موثر واقع شده است. بگونه ای که تعداد بسیار زیادی از آن ها در کشور ما نیز در شهرها (بویژه تهران) و جاده های کشور نصب گردیده است.
۴. سیستم تغذیه کننده پرتابل (قابل حمل و نقل) همچون خودروهای خورشیدی، مصارف الکتریکی غیرصنعتی در ابزارهایی مانند، اسباب بازی ها، ماشین حساب های خورشیدی و... .قابلیت حمل و نقل سهولت در نصب و راه اندازی از جمله مزایای این سیستم ها می باشد که در رشد و توسعه آن نقش بسزایی دارد.
۵. حفاظت کاتدیک: بمنظور جلوگیری از پوسیدگی لوله های انتقال مواد اولیه، شیمیایی، نفت و گاز، نشت مواد مذکور از لوله‌ها و جلوگیری از آلودگی محیط زیست استفاده از حفاظت کاتدیک فتوولتائیک یک راه حل مناسب و ساده جهت جلوگیری از این مسئله می باشد.
