کتاب کلیدهای ‏رکلوزر ‏و ‏کاربرد ‏آن‌ها ‏در ‏نیروگاه‌های ‏خورشیدی

عنوان صفحه
1. فصـل اول 1
1 -1 – مقدمه 1
2. فصل دوم 5
2 -1 – مقدمه 5
2 -2 – سلول‌های خورشیدی 6
2 -3 – ساختار و چگونگی عملکرد سلول‌های خورشیدی 6
2 -4 – سلول‌ها، ماژول‌ها، پنل‌ها و سیستم‌های خورشیدی 8
2 -5 – تاریخچه‌ی سلول‌های خورشیدی 12
2 -6 – کاهش هزینه 16
2 -7 – ساختار و کارکرد سلول‌های خورشیدی 17
2 -8 – نحوه‌ی عملکرد سلول‌های خورشیدی 20
2 -9 – ساختار پایه‌ی سلول‌های خورشیدی 24
2 -10 – انواع سلول‌های خورشیدی 27
2 -11 – مزایا و معایب سلول های خورشیدی 33
2 -12 – میزان بازدهی سلول‌های خورشیدی 33
2 -13 – انواع پنل‌های خورشیدی 35
2 -13 -1 – پنل‌های مونوکریستالین (Monocrystalline) 35
2 -13 -2 – پنل‌های پلی‌کریستالین (Polycrsytalline) 36
2 -13 -3 – پنل‌های ترکیبی (Hybrid) 36
2 -13 -4 – پنل‌های سیاه (Black Backed) 37
2 -14 – نیروگاه خورشیدی 37
2 -15 – مکان و زمین قابل کاربری برای نیروگاه خورشیدی 40
2 -16 – سیستم مکان مشترک 42
2 -17 – تکنولوژی‌های ساخت پارک‌های خورشیدی 43
2 -18 – ترتیب قرارگیری آرایه‌های خورشیدی 43
2 -19 – تبدیل نیرو در نیروگاه‌های خورشیدی 45
2 -20 – ترنسفورمر 47
2 -21 – عملکرد سیستم‌های خورشیدی 47
2 -22 – افت توان در یک سیستم خورشیدی 48
3. فصل سوم 49
3 -1 – مقدمه 49
3 -2 – رکلوزر چیست؟ 50
3 -3 – رله رکلوزر چگونه کار میکند؟ 51
3 -4 – نقش و عملکرد رکلوزر 51
3 -5 – کلیدهای رکلوزر 52
3 -6 – انواع رکلوزر 54
3 -6 -1 – رکلوزر تک‌فاز 54
3 -6 -2 – رکلوزر سه فاز 55
3 -7 – انواع روش‌های کنترل در رکلوزرها 56
3 -8 – سیستم کنترل هیدرولیکی 57
3 -9 – سیستم کنترل مبتنی بر ریزپردازنده یا کنترل الکترونیکی 58
3 -10 – انواع واسط‌های قطع‌کننده در رکلوزرها 58
3 -11 – معرفی چند نوع از رکلوزرهای پرکاربرد 59
3 -12 – رکلوزر پانیشیا 65
3 -13 – رکلوزرهای مدولار کوچک 66
3 -14 – عوامل مؤثر عدم کارایی رکلوزر 68
3 -14 -1 – عدم مکان یابی بهینه 68
3 -14 -2 – تنظیم نادرست مشخصه های جریان _ زمان 68
3 -14 -3 – عدم همانگی بین رکلوزر و سایر تجهیزات حفاظتی 68
3 -15 – دانستنی ها 69
4. فصل چهارم 79
4 -1 – مقدمه 79
4 -2 – استفاده از رکلوزر در نیروگاه‌های برق خورشیدی 82
4 -3 – منبع تغذیه کلید رکلوزر 85
4 -3 -1 – منبع تغذیه ترَنسفورمر 85
4 -3 -1 -1 – معایب منبع تغذیه ترَنسفورمر کمکی کلید رکلوزر 86
4 -3 -1 -2 – مزایا منبع تغذیه کمکی کلید رکلوزر(ترَنسفورمر) 87
4 -3 -2 – منبع تغذیه انرژی خورشیدی 87
4 -3 -2 -1 – محاسبات سیستم منبع تغذیه انرژی خورشیدی 88
4 -3 -2 -2 – ساختار منبع تغذیه خورشیدی رکلوزر(بخش مکانیکی) 91
4 -3 -2 -3 – ساختار منبع تغذیه خورشیدی رکلوزر (بخش الکترونیکی) 93
4 -3 -2 -4 – مزايای منبع تغذیه کمکی خورشیدی 96
4 -3 -2 -5 – معایب منبع تغذیه کمکی خورشیدی 97
5. نتیجه‌گیری 99
6. مراجع 105

فهرست شکل¬ها
عنوان صفحه
شکل ‏1 1 یک نمونه کلید رکلوزر 1
شکل ‏1 2 شماتیکی از سلول های خورشیدی در شبکه برای تولید برق 4
شکل ‏2 1 الف) سلول سیلیکونی بلورین ب) نماد یک سلول فتوولتائیک 7
شکل ‏2 2نحوه اتصال سری و موازی سلول های خورشید 8
شکل ‏2 3 شماتیک سیستم MPPT 9
شکل ‏2 4 منحنی (P-V) و (I-V) 11
شکل ‏2 5 سلول‌های خورشیدی ماهواره‌ی Vanguard I 14
شکل ‏2 6 شماتیک ساختار و کارکرد سلول‌های خورشیدی 17
شکل ‏2 7 شماتیک عملکرد سلول‌های خورشیدی 18
شکل ‏2 8 کریستال نیمه‌هادی 19
شکل ‏2 9 برخورد فوتون با ماده‌ی نیمه‌رسانا 23
شکل ‏2 10 ساختار پایه‌ی سلول‌های خورشیدی 24
شکل ‏2 11 نمودار کارایی بر حسب باند گپ سلول های سیلیکونی 27
شکل ‏2 12 دسته بندي فناوري هاي مختلف سلول خورشیدي 27
شکل ‏2 13 سلول مونوکریستالین 35
شکل ‏2 14 سلول پلی کریستالین 36
شکل ‏2 15 پنل ترکیبی 36
شکل ‏2 16 یک نمونه نیروگاه گرما خورشیدی 38
شکل ‏2 17 ا سلول های فتوولتائیک، ماژول ها، پنل ها و آرایه ها 39
شکل ‏2 18 ماژول‌های خورشیدی برروی سازه‌هایی با شیب ثابت 43
شکل ‏2 19 انواع ردیاب‌های سیستم خورشیدی 45
شکل ‏2 20 اینورتر متمرکز 46
شکل ‏2 21 اینورتر رشته ای 46
شکل ‏2 22 شماتیک از عملکرد نیروگاه خورشیدی 48
شکل ‏3 1 کلید رکلوزر 50
شکل ‏3 2 رکلوزر نصب شده در شبکه 52
شکل ‏3 3 رکلوزر تک‌فاز بر روی تیرک‌ 54
شکل ‏3 4 دو نمونه رکلوزر سه فاز با پیمایش تک فاز 56
شکل ‏3 5 مکانیزم رکلوزرهای هیدرولیکی 57
شکل ‏3 6 سیستم کنترل الکتریکی 58
شکل ‏3 7 رکلوزر سری D و DV 59
شکل ‏3 8 رکلوزر و کنترل‌کننده‌ی تک‌فاز SPEAR 61
شکل ‏3 9 رکلوزر سه‌فاز سری H6 62
شکل ‏3 10 رکلوزر سه‌فاز سری NOVA 64
شکل ‏3 11 آب‌گریز استفاده شده در رکلوزر 65
شکل ‏3 12 رکلوزر GVR 65
شکل ‏3 13 رکلوزر مدولار کوچک 66
شکل ‏3 14 اجزای بیرونی یک رکلوزر CMR 67
شکل ‏3 15 اجزای داخلی یک رکلوزر CMR 67
شکل ‏4 1 نمونه‌ی یک رکلوزر سه فاز نصب شده در نیروگاه 80
شکل ‏4 2 منبع تغذیه ترنسفورمر کلید رکلوزر 85
شکل ‏4 3 ساختار منبع تغذیه خورشیدی رکلوزر 91
شکل ‏4 4 تابلو کنترلر و بخشی از پنل خورشیدی 92
شکل ‏4 5 دیاگرام یک سیستم خورشیدی برای تأمین برق مورد نیاز تغذیه کمکی رکلوزر 95

فهرست جدول¬ها
عنوان صفحه
جدول ‏2 1 بازده ماژول هاي مختلف فتوولتاییک 32
جدول ‏2 2 انواع سلول های خورشیدی به همراه مزايا و معايب آن ها 33

1. نسل اول سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون کریستالی

رایج‌ترین ماده برای ساخت سلول خورشیدی، توده‌ی سیلیکون کریستالی (c-Si) است. ماده‌ی توده سیلیکون با توجه به نوع کریستال و اندازه‌ی کریستال به چندین بخش تقسیم می‌شود:

• سیلیکون تک‌کریستالی (c-Si): این نوع از سلول­ها از تک کریستال خالص تشکیل شده­اند. در این سلول­ها، سیلیکون از یک شبکه بلوري پیوسته بدون ناخالصی تشکیل شده است. از مزایاي این سلول­ها به بازده بالاي آن می­تـوان اشاره کرد که در حدود 15% است. از معایب آن می­توان به پیچیدگی ساخت این سیلیکون اشاره کـرد کـه ایـن سختی منجر به افزایش قیمت آن می­شود[17]. طبق تحقیقات صورت گرفته و اخبار منتشـر شـده، در حـال حاضر آرایه­هایی با بازده حدوداً 18 %هم تولید شده و روانه بازار شده­اند.
• سیلیکون پلی‌کریستالی (poly-Si) یا چندکریستالی (mc-Si): این­گونه سلول­ها از بهم پیوستن چندین تک کریستال سیلیکون تشکیل شده انـد. فرآینـد ساخت به این صورت است که پلی کریستال سلیکون مذاب به صورت شمش قالب گیري مـی­شـود و بعـد از آن، به صورت قرص­هاي نازك بریده شده و براي سلول­هاي خورشیدي آماده می­شود. این­گونه از سلول­هـا نسـبت به حالت قبلی، فرایند ساخت راحت­تري دارند و در نتیجه قیمت آن­ها پایین­تر است. در عین حال بـازده ایـن دسته از سلول­هاي خورشیدي کمتر از حالت قبل بوده و چیزي در حدود 12% تخمین زده می­شـود[17]. در حال حاضر آرایه­هایی با بازده حدوداً 18% هم تولید شده و روانه بازار شده­اند.

2. نسل دوم سلول‌های خورشیدی لایه نازک

در این فناوري با استفاده از روش­هاي تبخیر، لایه­اي نازك در حدود چند میکرون بر روي سطوحی مانند شیشه، پلیمر یا فلز تشکیل می­شود. فناوري لایه نازك، علاوه بر راحت و ارزانتر کردن فرآیند تولید، به دلیل استفاده لایه بسیار نازکی از مواد نیمه رسانا، هزینه­هاي مواد اولیه را نیز کاهش می­دهد. نیمه­رساناهاي متعددي براي کاربرد در سلول­هاي لایه نازك پیشنهاد شدها­ند؛ اما سه نوع از آنها بیشترین کاربرد را در صنعت پیدا کرده­اند در ادامه  به اختصار توضیح داده شده­اند.

• سیلیکون غیربلوري (آمورف): موادی که دارای ساختار بلوری غیر متبلور می­باشند بعنوان (آمورف) طبقه بندی شده اند، که در زبان یونانی به معنای «فقدان ساختار» است. سیلیكون آمورف هیچ ساختار بلوری ندارد، و اتم­های آن فقط با یک فاصله بسیار کوتاه قرار گرفته­اند، تكه­های کوچكی از کریستال سیلیكون درجهت گیری تصادفی نسبت به یكدیگر در چنین راهی که هیچ ساختاری از راه دور وجود ندارد قرار گرفته­اند. سلول­های خورشیدی سیلیكونی در فیلم­های آمورف نازک جذب بهتری نسبت به سیلیكون خالص نشان داده­اند[18] (40 برابر موثرتر نسبت به سیلیكون کریستالی)، اما به دلیل نقایص ساختاری زیاد، آن­ها تنها در حدود 6% بازدهی دارند، امروزه از این سلولها پانل­هاي مختلـف از نظـر شـکل و ظرفیـت سـاخته شـده اسـت[17]. سلول­های سیلیكون آمورف با قرار گرفتن در معرض نور آفتاب می­توانند کاهش دما دهند[18.[ سیلیكون آمورف بسیار آسان تر از کریستال های سیلیكون ساخته می شود، و با بكارگیری لایه­های مختلف، هر مجموعه برای یک بند گپ مختلف در بخش­های مختلف طیف تنظیم می­شود، و قسمت بیشتری از طیف نور مرئی می تواند استفاده شود. تنظیم کردن مواد برای تغییر بازده این نوع سلول امكان پذیر است چرا که کربن افزودن بند گپ را افزایش می­دهد، در حالی که ژرمانیم بند گپ را کاهش می­دهد. با این حال، اگر مواد بیش از حد اضافه شوند بازده سلول­های خورشیدی افت می کند. ایـن نـوع از سـلول­هـا را می­توان هم بر روي بستر خشک و هم انعطاف­پذیر نصب نمود که یکی از مزایاي منحصر به فرد آن­هـا اسـت. از معایب این دسته از سلول­ها باید به بازده پایین آنها اشاره کرد.
• کادمیوم تلوراید: سلول­هاي کادمیوم تلوراید تنها سلول­هاي لایه نازك موجود هستند که توانسته­اند از نظر اقتصادی (هزینه تولید) بر رقیب اصلی این صنعت، یعنی سیلیکون(اولین تکنولوژی) پیشی بگیرند[19-21]. ماده مرکب بلوري کادمیوم تلوراید، یک نیمه رسانا با شکاف انرژي تقریبا” 5/1 الکترون ولت است که معمولاً با سولفید کادمیوم اتصال n-p یک سلول خورشیدي فتوولتائیک را تشکیل می­دهد.

فرایند تولید سلول­های خورشیدی مبتنی بر کادمیوم تلوراید شامل سه مرحله است: اولین مرحله به این صورت است که، مواد پلی کریستالی سنتز شده و شیشه ای به عنوان لایه زیرین آن­ها انتخاب می­شود. مرحله دوم فرایند رسوب است،این به این معنی است که لایه های چندگانه سلول های خورشیدی کادمیوم تلوراید، با استفاده از روش های مختلف اقتصادی، به لایه زیرین متصل می­شوند. همانطور که قبلا ذکر شده است که کادمیوم تلوراید دارای شکاف انرژی تقریبا” 45/1 الکترون ولت که با ضریب جذب بالا بیش ازcm/ 10¹⁵× 5 [22] رابطه مستقیم دارد. بنابراین، بازدهی آن معمولا در محدوده %9-%11 عمل می­کند [19 و23]. این نوع سلول خورشیدي در زمره ارزانترین سلول­هاي خورشیدي است.

• گالیوم و سلنیوم (CIGS): نوع دیگر مواد غیرسیلیکونی که در فناوري لایه نازك استفاده می­شود، مادهاي مرکب از عناصر گروه­هاي یک، سه و شش جدول تناوبی شامل مس، ایندیوم، گالیوم و سلنیوم، موسوم به CIGS است.[12-25] این سلول­ها به دلیل بالا بودن بازده و پایین بودن هزینه مواد مصرفی، از امیدبخش­ترین فناوري­هاي لایه نازك هستند[24]. این سلول­ها نیز مانند سایر انواع سلول­هاي لایه نازك از رسوب روي شیشه یا پلاستیک ساخته می­شوند[26] بازده ی آن در محدوده­ی بین 10% تا 12% است. که بیشترین مقداردر میان انواع سلول­هاي لایه نازك به حساب می­آید.

3. نسل سوم سلول­های خورشیدی: سلول های نسل سوم تکنولوژی­های جدید امیدوار کننده هستند، اما به طور تجاری مورد بررسی قرار نگرفته­اند. انتظار می­رود نسل سـوم سـلول­هـاي خورشـیدي در سال­هاي آینده به بازار عرضه شود و قیمت بالاي سلول­هاي خورشـیدي نسـل اول و دوم را بـه شـدت کاهش دهد. برخی از سلول­های خورشیدی نسل سوم توسعه یافته در ادامه به اختصار توضیح داده شده­اند[27].

• سلول­های خورشیدی مبتنی بر نانو کریستال: سلول­های خورشیدی مبتنی بر نانوکریستال معمولا به عنوان سلول­های خورشیدی کوانتومی (QD) شناخته می­شوند. این سلول­های خورشیدی از نیمه هادی تشکیل شده است. قلب این سلول‌ها را نانوذرات نیمه‌رسانا (نقاط کوانتومی) تشکیل می‌دهند که وظیفه جذب فوتون‌های نور، تبدیل آنها به زوج الکترون-حفره و انتقال آنها به الکترود‌های جانبی را بر عهده دارند. نقاط کوانتومی با خواص ویژه خود قابلیت‌های فوق‌العاده‌ای را در این سلول‌ها ایجاد می‌کنند؛ قابلیت‌هایی مانند: استفاده از گستره وسیعی از طیف نور خورشید به دلیل محدودیت‌های کوانتومی، جذب بیشتر نور خورشید به دلیل نسبت سطح به حجم بالای نانوذرات، تولید چند اکسایتون و فرایند ساخت راحت‌تر و ارزان‌تر. با وجود قابلیت‌های ویژه نقاط کوانتومی، استفاده از این نانوذرات برای ساخت سلول‌های خورشیدی با محدودیت‌هایی نیز مواجه می‌باشد. توانایی تنظیم گاف انرژی، خصوصیتی اســت که نقاط کوانتومی را برای اســتفاده در ســلول­های خورشــیدی مناسب می­ســازد. از این نظر، آنها شبیه سلول­های چند لایه­ای گران قیمت هســتند، با این تفــاوت که هزینــه­ی تولید نقاط کوانتومی بسیار پایین­تر اســت[28]. با پیشرفت فناوری نانو، این نانوکریستال­های مواد نیمه هادی به منظور جایگزینی مواد نیمه هادی نسل اول و دوم قرار می­گیرند. در حــال حاضر بازدهی این نوع از ســلول­ها هنوز پایین­تر از 10 % اســت و می­ توان گفت بازده­ی آن در محدوده­ی بین 7% تا 8% است.
• سلول‌های خورشیدی پلیمری: اين سلول­ها، که به سلول­های خورشیدی پلیمری معروف­اند از نسل سوم سلول­های خورشیدی می باشند که به صورت فیلم نازک ساخته شده و ساختار آن­ها بر پايه پلیمرهای مزدوج نیمه هادی می­باشد[29-32]. تحرک حامل های بار در نیمه هادی­های آلی به طور کلی بسیار کمتر از همتايان معدنی خود می باشد[33]. اما به خاطر جذب بالای نور[34و35] و عمر طولانی حامل­های بار[36 و 37] اين نقطه ضعف کم تر به چشم می­آيد. در تحقیقات انجام شده بر روی اين نوع از سلول های خورشیدی، نتايج نشان می­دهد که تحرک حامل­های بار به دست آمده در سلول­های پلیمری، هم اندازه و يا بزرگتر از تحرک حامل­های بار بدست آمده در همتايان معدنی همچون سلول های سیلیکونی آمورف می باشد[38]. اخیراً بازده تبدیل توان حدود %6 گزارش شده است؛ ولی این مقدار با مقادیر لازم برای کاربردهای معمول فاصله دارد.
• سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC): سلول های خورشیدی حساس به رنگ نوع دیگری از سلول­های خورشیدی است که با هدف کاهش هزینه و افزایش عملکرد، طراحی و ساخته شده اند. تولید این گروه از سلول های خورشیدی در مقایسه با سلول­های خورشیدی سیلیکونی هزینه کمتری دارد و سبک و انعطاف­پذیر است. به طور کلی سلول­های خورشیدی حساس به رنگ نمونه­ای از سلول­های خورشیدی ارزان قیمت است. اساس کار این سلول­های خورشیدی یک نیمه رساناست که از یک آند حساس به نور و یک محلول الکترولیت تشکیل می شود. جذب نور توسط یک ماده رنگی موجب بر انگیخته شدن الکترون­ها می­شود. در این سلول­ها یک چرخه انتقال الکترون ایجاد می­شود که الکترولیت در آن نقش مهمی دارد و در نهایت این چرخه الکترون­ها به مولکول­های رنگ باز می­گرداند. به این ترتیب نور خورشید توسط این سلول­های خورشیدی به الکتریسیته تبدیل می شود. بازدهی این نوع از ســلول­ها حدوداً 10% است [12].
• سلول‌های خورشیدی متمرکز(CPV): تمرکز فتوولتائیک (CPV) از دهه 1970 تأسیس شده است[39-41]. در این تكنولوژی به جای افزودن و گستردن صفحات گران قیمت فتوولتائیك جهت دریافت انرژی بیشتر از تابش خورشید، انرژی تابشی دریافتی در یك سطح بزرگتر، با استفاده از صفحات متمركز كننده اپتیكی بر روی سلول­ها متمركز شده و بدین ترتیب میزان تابش بسیار بیشتری بر روی هر سانتیمتر مربع از سطح سلول متمركز می­گردد[19]. همگرایی تابش های نور خورشید، مقدار زیادی انرژی گرما را تولید می کند. این سیستم‌ها انرژی خورشید را مستقیماً به انرژی الکتریسیته تبدیل می کنند در حالی که در سیستم‌های گرمایی انرژی خورشید به گرما و سپس به الکتریسیته تبدیل می­شود. فناوری CPV نویدبخش آینده روشنی در تاسیس نیروگاه­های خورشیدی با توان بالا و در مقیاس كوچك خواهد بود[41و42]. براساس قدرت سیستم لنز این سلول­ها را می توان به سلول­های خورشیدی متمرکز کم، متمرکز متوسط و متمرکز بالا طبقه بندی کرد[41]. بازدهی این نوع از ســلول­ها حدوداً 40% است.