دستگاه های فتوولتائیک (برق خورشید)
دستگاه‌های فوتوولتائیک» (Photovoltaic) یا به اختصار «PV» به طور مستقیم از نور خورشید با یک فرآیند الکترونیکی، برق تولید می‌کنند. این فرآیند توسط انواع خاصی از مواد <<نیمه‌هادی>> (semiconductors) صورت می‌گیرد. الکترون‌ها در این مواد توسط انرژی خورشیدی آزاد می‌شوند و از طریق یک مدار الکتریکی، به دستگاه‌های الکتریکی برقی یا شبکه توزیع قدرت انتقال می‌یابند.
دستگاه‌های فوتوولتائیک برای تولید برق هر دستگاهی، از وسایل الکترونیکی با اندازه‌ی کوچک مثل ماشین‌حساب‌ها و تابلوهای روشنایی موجود در جاده‌ها گرفته، تا کسب و کارهای بزرگ تجاری می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.
هنگامی که صنایع مقیاس تولید را افزایش دادند و فناوری تولید را با مواد جدید بهبود بخشیدند، قیمت فتوولتائیک به طور چشمگیری کاهش یافت. هزینه‌های نصب نیز با کمک نصاب‌‌های آموزش دیده و باتجربه، پایین آمد. با این حال، ایالات متحده هنوز سایر ملت‌ها را در راستای داشتن سیاست‌های ملی قوی برای جایگزینی خورشید به جای سوخت‌های فسیلی، حمایت می‌کند. در سطح جهانی، ایالات متحده چهارمین بازار بزرگ تاسیسات فتوولتائیک را بعد از آلمان، ژاپن و اسپانیا در اختیار دارد. بیشتر سلول‌های خورشیدی مدرن از سیلیکون کریستال یا مواد نیمه‌هادی فیلم نازک ساخته می‌شوند. سلول‌های سیلیکونی در تبدیل نور خورشید به برق از انواع دیگر کارآمدتر هستند. اما به صورت عمومی هزینه‌های تولید بالایی دارند.
مواد فیلم نازک معمولا دارای کارایی پایین‌تری هستند. با این وجود تولید ساده‌تر و قیمت پایین‌تری دارند. یک دسته‌ی تخصصی از سلول‌های خورشیدی معروف به «سلول‌های چند رابطه یا پیوسته» در برنامه‌های کاربردی که نیاز به وزن بسیار کم و کارایی بسیار بالا دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این دسته کاربردها می‌توان به تامین انرژی در ماهواره‌ها و مسائل نظامی اشاره کرد.
امروزه تمام انواع سیستم‌های فتوولتائیک به طور گسترده در بسیاری از برنامه‌های کاربردی به بهره‌برداری می‌رسند.
فناوری فوتوولتائیک به چه صورت کار می‌کند؟
برخورد فوتون‌ها و ماده نیمه‌هادی یونیزه روی صفحات خورشیدی، باعث می‌شود الکترون‌های خارجی، با شکست پیوندهای اتمی، آزاد شوند. به دلیل ساختار مواد نیمه‌هادی، الکترون‌ها مجبور به ایجاد موجی از جریان الکتریکی در یک جهت می‌شوند. سلول‌های خورشیدی در نمودار انرژی سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی معمولی، دارای راندمان 100 درصد نیستند. مقداری از طیف نور، منعکس می‌شود. مقداری از آن مانند طیف «مادون قرمز» (infrared) به منظور استفاده برای تولید نور بسیار ضعیف و طیفی مانند «ماوراء بنفش» (ultraviolet) به جای تولید برق، انرژی گرمایی تولید می‌کند. به همین دلیل، می‌توان گفت سلول‌های خورشیدی دارای کارایی 100 درصد نیستند.
برای ساخت یک سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی معمولی، قرص‌های سیلیکونی با خلوص بالا، با میزانی از مواد مختلف با یکدیگر ترکیب می‌شوند. ساختار ایجاد شده، مسیری را برای جریان الکتریکی، داخل و بین سلول‌های خورشیدی به وجود می‌آورد.
کاربردهای سلول‌های فتوولتائیک :
از جمله موارد کاربرد سلول‌های فتوولتائیک عبارتند از: تأمین انرژی مورد نیاز حصارهای الکتریکی، تأمین روشنایی مناطق دور افتاده، سیستم‌های مخابراتی از راه دور، پمپاژ کردن آب، سیستم‌های تصفیه آب، تأمین برق مناطق روستایی، ماشین حساب، ساعت و اسباب‌بازی‌ها، سیستم‌های اضطراری، یخچال‌های نگهداری واکسن و خون برای مناطق دورافتاده، سیستم‌های تهویه استخرها، ماهواره‌ها و تجهیزات فضایی. به‌طور کلی کاربردهای سلول‌های فتوولتائیک را می‌توان به سه دسته طبقه‌بندی نمود:
- کاربردهای متصل به شبکه
- کاربردهای منفصل از شبکه
- کاربردهای سیستم‌های پشتیبانی
مزایای استفاده از سیستم‌های فتوولتاییک :
- فناوری فتوولتاییک بالغ، محکم و قابل اعتماد بوده، و هیچگونه اجزای متحرک نداشته و نیاز به نگهداری کمی دارد.
- به سوخت یا شبکه تأمین سوخت نیاز ندارد.
- نصب سیستم فتوولتاییک نسبتاً آسان و سریع است، بخصوص سیستم‌های متصل به شبکه.
- اجزاء مورد استفاده در سیستم‌های فتوولتاییک طی استفاده‌های طولانی مدت، قابلیت اطمینان خود را ثابت کرده‌اند.
- سیستم فتوولتاییک به حفاظت از منابع کمیاب کمک می‌کند.
- فتوولتاییک تقریباً در هر جایی، یک بازار به سرعت در حال رشد است که تجار تهای مختلف دیگر می‌توانند خود را در گوشه‌ای از آن جای دهند.
- عمر مفید بالایی دارد (بیش از ۲۰ سال)
- به اشعه ماوراء بنفش و آب و هوا مقاومند و تحمل دمای بالا را دارند.
- به صورت ماژولی هستند و سیستم‌ها می‌توانند در هر سایزی وجود داشته باشند.
- سیستم فتوولتاییک مستقل می‌تواند توان را تقریباً در هر نقطه از سیاره زمین تأمین کند.
- سیستم فتوولتاییک تشعشعات گاز گلخانه‌ای و دی‌اکسید کربن را کاهش می‌دهد.
- سیستم فتوولتاییک عموماً آلودگی را کاهش می‌دهد.
معایب استفاده از سیستم‌های فتوولتاییک :
- هزینه تولید برق توسط سلول‌های PV بیشتر از هزینه تولیدی برق ناشی از سوخت‌های فسیلی می‌باشد.
- برق تولیدی از انرژی خورشیدی غیرقابل اعتماد بوده و همواره در دسترس نمی‌باشد و میزان تولیدات به شرایطی نظیر حالت وضعی خورشید، شرایط اتمسفر، ابری بودن و … بستگی دارد.
- هزینه‌های اولیه نصب سیستم‌های PV زیاد است.
- کمبود نیروهای متخصص و کارآمد برای طراحی و نصب سیستم‌هایPV
- به منظور استفاده از انرژی خورشیدی در شب باید از باتری برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده گردد.
- برای مصارف زیاد الکتریسیته، نیاز به مساحت زیادی برای نصب سلول‌های PV می‌باشد.
هزینه‌‌ی سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی
افت شدید قیمت‌ها باعث شده است که خورشید بیشتر از همیشه مقرون به صرفه باشد. قیمت متوسط سیستم فتوولتائیک تکمیل شده طی دهه‌ی گذشته، مطابق نمودار به میزان 59 درصد کاهش یافته است.