توسط : سیستم‌های خورشیدی فتوولتاییک و حرارتی هر دو از انرژی خورشید بهره می‌گیرند، اما عملکرد و کاربردهای آن‌ها با یکدیگر متفاوت است. پنل‌های فتوولتائیک مستقیماً نور خورشید را به برق تبدیل می‌کنند، درحالیکه سامانه‌های خورشیدی حرارتی معمولاً برای تأمین گرمایش آب مصرفی در ساختمان‌ها به‌کار می‌روند. در این مقاله از کلین‌پست، به مقایسه این دو فناوری می‌پردازیم، تفاوت‌های کلیدی آن‌ها را بررسی می‌کنیم و مزایا و کاربردهای هرکدام را توضیح می‌دهیم.
تفاوت سیستم‌های خورشیدی فتوولتاییک و حرارتی
پنل‌های فتوولتائیک انرژی خورشید را با استفاده از سلول‌های سیلیکونی دریافت کرده و آن را مستقیماً از طریق اینورتر به برق قابل استفاده برای وسایل برقی خانه تبدیل می‌کنند. در مقابل، در سیستم‌های حرارتی، انرژی گرمایی توسط کلکتورهایی که روی بام نصب می‌شوند جذب می‌شود. یک مایع رسانای گرما که معمولاً ترکیبی از آب و گلیکول است، از میان لوله‌هایی که درون این کلکتورها تعبیه شده‌اند جریان می‌یابد و گرما را جذب می‌کند. این گرما به آب درون مخزن منتقل می‌شود تا آماده مصرف باشد.
سیستم حرارتی خورشیدی چگونه کار می‌کند؟
بسته به نوع کاربرد، انواع مختلفی از سیستم‌های حرارتی خورشیدی وجود دارد. در تمامی این سامانه‌ها، یک سیال انتقال گرما (آب یا هوا) انرژی خورشید را جذب می‌کند. این سیال داغ شده و می‌تواند مستقیماً برای گرمایش فضا یا آب مورد استفاده قرار گیرد، یا از آن برای تولید بخار و در نتیجه تولید انرژی مکانیکی استفاده شود.
کلکتورهای صفحه تخت
در اغلب کاربردهای خانگی، از کلکتورهای صفحه تخت (flat-plate collectors) استفاده می‌شود. این نوع پنل شامل سطحی تیره‌رنگ و صاف است که درون جعبه‌ای عایق‌شده قرار دارد. رنگ تیره پنل باعث جذب بیشتر انرژی خورشید می‌شود.
کلکتور لوله خلأ
نوع رایج دیگر، کلکتور لوله خلأ (evacuated tube collector) است. این پنل از مجموعه‌ای از لوله‌های شیشه‌ای تشکیل شده که داخل آن‌ها خلأ ایجاد شده و این ویژگی موجب کاهش اتلاف انرژی می‌شود. هر دو نوع پنل می‌توانند برای گرم کردن آب، گرمایش فضا یا حتی تولید برق به‌کار روند. برای گرمایش خانگی، سیال گرم می‌تواند از طریق لوله‌هایی که در کف خانه تعبیه شده‌اند جریان یابد و گرما را به فضا منتقل کند.
در مقیاس صنعتی، سیستم‌های حرارتی خورشیدی می‌توانند برای تولید برق نیز مورد استفاده قرار گیرند. در این حالت، سیال گرم باعث تولید بخار می‌شود که با عبور از توربین، یک ژنراتور را به حرکت درمی‌آورد و برق تولید می‌کند.
اجزای تشکیل‌دهنده سیستم حرارتی خورشیدی
طراحی سیستم‌های حرارتی می‌تواند بسته به نوع کاربرد متفاوت باشد، اما برخی اجزا در بیشتر آن‌ها مشترک هستند:
- کلکتورهای حرارتی خورشیدی همان پنل‌هایی هستند که روی سقف خانه نصب می‌شوند و انرژی خورشید را به گرما تبدیل می‌کنند.
- سیال انتقال گرما از میان کلکتورها عبور کرده و گرمای جذب‌شده را به دیگر بخش‌های سیستم منتقل می‌کند.
- پمپ گردش سیال: این پمپ، که می‌تواند با برق تولیدشده از پنل فتوولتائیک کار کند، سیال را در چرخه سیستم به گردش درمی‌آورد.
- کنترلر عملکرد سیستم را پایش و تنظیم می‌کند. این واحد بر اجزای دیگر نظارت دارد تا عملکردی ایمن و قابل‌اطمینان فراهم شود. این واحد برای تنظیم عملکرد سیستم و جلوگیری از بازگشت آب سرد به مخزن آب گرم در روزهای سرد استفاده می‌شود.
- در سیستم‌هایی که برای گرمایش آب مصرفی طراحی شده‌اند، معمولاً یک مخزن آب گرم در ساختار گنجانده می‌شود.
- در سیستم‌های گرمایش محیط لوله‌هایی در کف ساختمان تعبیه می‌شوند تا سیال گرم در سراسر خانه گردش یابد.
کلکتورهای صفحه تخت
کلکتورهای صفحه تخت رایج‌ترین نوع در سیستم‌های حرارتی خورشیدی هستند و از اجزای زیر تشکیل شده‌اند:
- صفحه جاذب (Absorber Plate): یک صفحه فلزی – معمولاً از مس یا آلومینیوم به‌دلیل رسانایی حرارتی بالا – که به رنگ سیاه در می‌آید تا حداکثر میزان تابش خورشید را جذب کند.
- ساختار نگهدارنده (Support Structure): جعبه‌ای عایق‌دار از جنس فلز یا چوب که اجزای داخلی را در جای خود نگه می‌دارد و از آن‌ها محافظت می‌کند.
- پوشش شفاف (Glazing Sheet): لایه شیشه‌ای یا پلاستیکی شفاف که روی کلکتور قرار می‌گیرد تا صفحه جاذب را محافظت کرده و لایه هوای عایق ایجاد کند.
- فاصله هوایی (Air Gap): هوای موجود بین پوشش و صفحه جاذب به‌عنوان عایق عمل کرده و از اتلاف گرما جلوگیری می‌کند.
- عایق‌های کناری و پایینی: کف و دیواره‌های کلکتور با فوم سخت مقاوم در برابر دما یا ورق آلومینیومی عایق‌کاری می‌شوند تا از اتلاف گرمایی به محیط اطراف جلوگیری شود.
- لوله‌های مسی (Risers): این لوله‌ها حاوی سیال انتقال گرما – معمولاً آب – هستند و به صفحه جاذب جوش داده یا لحیم می‌شوند تا تماس سطحی و انتقال گرما بهینه باشد.
هنگامی‌که خورشید به صفحه جاذب می‌تابد، دمای آن افزایش می‌یابد. این گرما از طریق لوله‌های مسی به آب درحال جریان منتقل می‌شود. آب گرم‌شده سپس به مخزن آب گرم هدایت می‌شود تا در زمان نیاز مورد استفاده قرار گیرد.
کلکتورهای لوله خلأ
این نوع کلکتورها راندمان بالاتری نسبت به مدل‌های صفحه تخت، به‌ویژه در آب‌وهوای سرد، دارند. بااین‌حال، در دماهای بالا ممکن است دچار افزایش بیشازحد گرما شوند که باعث کاهش بازدهی می‌شود.
اجزای اصلی این نوع کلکتورها عبارت‌اند از:
- لوله‌های شیشه‌ای شفاف: ردیف‌هایی از لوله‌های شیشه‌ای موازی که هرکدام شامل یک لوله داخلی نازک‌تر هستند.
- لوله‌های داخلی (Twin-Glass Tubes): مانند ترموس (فلاسک) طراحی شده‌اند و با پوششی خاص پوشیده شده‌اند که هم انرژی خورشیدی را جذب می‌کند و هم از اتلاف گرما جلوگیری می‌نماید. این لوله‌ها از شیشه‌های بوروسیلیکات یا سودا لایم ساخته شده‌اند که مقاومت بالا در برابر دما و عبوردهی مناسب نور خورشید دارند.
- برخلاف کلکتورهای صفحه تخت که آب مستقیماً در لوله‌ها گرم می‌شود، در این سیستم‌ها هوای بین لوله‌ها تخلیه شده و خلأ ایجاد می‌شود.
- خلأ ایجادشده به‌عنوان یک عایق قوی عمل می‌کند و اتلاف گرما را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد، بنابراین راندمان حرارتی بالا می‌رود.
سایر اجزا عبارت‌اند از:
- صفحات جاذب (Absorber Fins): به‌جای یک صفحه یکپارچه، در اینجا صفحات کوچک‌تری در داخل لوله‌های شیشه‌ای قرار دارند.
- لوله‌های حرارتی (Heat Pipes): لوله‌هایی از جنس فولاد ضدزنگ یا مس که از درون لوله‌های داخلی عبور می‌کنند. این لوله‌ها با صفحات جاذب از جنس مس یا آلومینیوم در تماس‌اند.
- پوشش خاص صفحات جاذب، گرما را به سیال انتقال حرارت – معمولاً آب – منتقل می‌کند.
- گرمای منتقل‌شده از طریق همرفت به قسمت بالایی لوله حرارتی، موسوم به لامپ داغ (Hot Bulb Pipe)، منتقل می‌شود. این لامپ داغ، یک مانیفولد مسی در مخزن فوقانی را گرم می‌کند که محل تجمیع گرماست.
مزایای سیستم حرارتی خورشیدی
- بهره‌وری بالا: سیستم‌های حرارتی روشی کارآمد برای تبدیل نور خورشید به گرما هستند.
- منبع انرژی تجدیدپذیر: این سیستم‌ها با استفاده از انرژی خورشید، اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهند.
- کاهش هزینه‌های گرمایشی: استفاده از سیستم حرارتی می‌تواند باعث کاهش قبض آب، گاز یا برق در طول ماه شود.
معایب سیستم حرارتی خورشیدی
- کاربرد محدود: این سیستم‌ها برای تأمین برق کل خانه مناسب نیستند. برای تولید برق، استفاده از سیستم فتوولتائیک (PV) کارآمدتر است.
- عدم سازگاری با خانه‌های ساخته‌شده: سیستم‌های گرمایش تابشی باید در مرحله ساخت خانه و پیش از بتن‌ریزی کف نصب شوند. در نتیجه، نصب آن‌ها در ساختمان‌های موجود معمولاً دشوار و پرهزینه است.
- تولید متناوب انرژی: عملکرد این سیستم‌ها وابسته به تابش خورشید است. در نتیجه، در شرایط ابری، فصل‌های سرد یا شب‌ها، تولید انرژی کاهش می‌یابد.
سیستم فتوولتائیک خورشیدی
در فناوری فتوولتائیک خورشیدی(PV) ، با استفاده از پنل‌های خورشیدی، نور خورشید به برق تبدیل می‌شود. هر پنل فتوولتائیک از سلول‌های فتوولتائیک تشکیل شده است که فوتون‌های نور را به ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کنند. این پدیده با عنوان «اثر فتوولتائیک» شناخته می‌شود.
سیستم فتوولتائیک چگونه کار می‌کند؟
پنل‌های فتوولتائیک از مواد نیمه‌رسانا، معمولاً سیلیکون، ساخته می‌شوند. هنگامی‌که نور خورشید به سطح پنل برخورد می‌کند، فوتون‌های نور انرژی خود را به نیمه‌رسانا منتقل می‌کنند. این واکنش باعث آزاد شدن الکترون‌ها از پیوندهای اتمی‌شان شده و در نتیجه، جریان الکتریکی ایجاد می‌شود.
برقی که در این فرایند تولید می‌شود از نوع جریان مستقیم (DC) است. برای اینکه این برق در وسایل خانگی و شبکه برق قابل استفاده باشد، یک اینورتر جریان مستقیم را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند.
اجزای سیستم فتوولتائیک خورشیدی
سیستم‌های فتوولتائیک از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند که به‌صورت هماهنگ با یکدیگر کار می‌کنند تا برق موردنیاز خانه را تأمین کنند. این اجزا عبارت‌اند از:
- سلول‌های فتوولتائیک: این سلول‌ها معمولاً از یک یا دو لایه ماده نیمه‌رسانا ساخته می‌شوند، معمولاً سیلیکون. وقتی نور خورشید به این سلول‌ها برخورد می‌کند، یک میدان الکتریکی ایجاد می‌شود که جریان برق را تولید می‌کند. شدت نور رابطه مستقیمی با میزان تولید برق دارد.
- ماژول یا پنل: سلول‌ها به‌هم متصل می‌شوند تا پنل کامل را تشکیل دهند که برق DC تولیدشده را به اینورتر ارسال می‌کند.
- کنترلر شارژ: جریان ورودی به باتری‌ها را تنظیم می‌کند تا از شارژ بیشازحد یا تخلیه بیش‌از‌اندازه جلوگیری شود.
- بانک باتری خورشیدی: برق تولیدی را برای استفاده در زمان‌هایی که نور خورشید وجود ندارد (شب‌ها یا روزهای ابری) ذخیره می‌کند.
- اینورتر: برق DC تولیدشده را به برق AC قابل استفاده برای وسایل خانگی تبدیل می‌کند.
- جعبه اتصال و کانکتورها: تابلو برق در پشت پنل قرار دارد و کابل‌ها را به‌هم متصل می‌کند، از اتصالات در برابر رطوبت و گردوغبار محافظت می‌کند و نقش اساسی در مدیریت، کنترل و ایمنی برق تولیدشده توسط پنل‌های خورشیدی دارد.
- شیشه مقاوم: شیشه‌ای حرارت‌دیده که در برابر بارهای مکانیکی و تغییرات دمایی شدید مقاومت می‌کند و سلول‌ها را از شرایط جوی و ذرات محافظت می‌نماید. یک پوشش ضدبازتاب در زیر شیشه به بهبود عبور نور کمک می‌کند.
- قاب آلومینیومی: این قاب محافظ لبه‌های پنل است و کمک می‌کند پنل به‌صورت امن روی سازه نصب شود. این قاب سبک و مقاوم است و در برابر فشار باد و عوامل طبیعی دوام می‌آورد.
- فیلم EVA: فیلمی شفاف از اتیلن وینیل استات که سلول‌ها را احاطه کرده و از آن‌ها در برابر رطوبت، گردوغبار، شوک‌های مکانیکی و لرزش‌ها محافظت می‌کند.
- لایه پشتی (Back Sheet): این لایه وظیفه محافظت مکانیکی، عایق‌بندی الکتریکی و جلوگیری از نفوذ رطوبت را بر عهده دارد و معمولاً از پلی‌پروپیلن (PP)، پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) یا پلی‌وینیل فلوراید (PVF) ساخته می‌شود تا در برابر اشعه UV پایدار باشد. برخی پنل‌ها به‌جای لایه پشتی از شیشه در پشت استفاده می‌کنند که دوام و طول عمر بیشتری دارد.
- کنتور برق (Utility Meter): در سیستم‌هایی که به شبکه برق متصل‌اند، میزان برق تولیدشده و مصرف‌شده را ثبت می‌کند.
- شبکه برق (Electric Grid): در سیستم‌های متصل به شبکه، برق اضافی می‌تواند به شبکه تزریق شود یا در مواقع نیاز از آن دریافت شود.
مزایای سیستم فتوولتائیک خورشیدی
- تأمین برق کل خانه: سیستم‌های PV می‌توانند برق مورد نیاز کل خانه از جمله وسایل برقی، روشنایی، گرمایش آب، سامانه‌های تهویه مطبوع و دیگر تجهیزات را تأمین کنند.
- کاهش چشمگیر هزینه برق: استفاده از سیستم فتوولتائیک می‌تواند هزینه برق ماهانه را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد یا حتی به صفر برساند.
معایب سیستم فتوولتائیک خورشیدی
- هزینه اولیه بالا: نصب اولیه سیستم PV ممکن است هزینه‌ای در حدود ده‌ها هزار دلار به‌همراه داشته باشد، اما این سرمایه‌گذاری معمولاً در طول عمر مفید سیستم بازگشت‌پذیر است.
- نمای ظاهری: برخی مالکان خانه یا کسب‌وکار ممکن است ظاهر پنل‌های خورشیدی را برای بام یا محوطه ساختمان نامطلوب بدانند.
- نیاز به فضای زیاد: یک سیستم خورشیدی برای تأمین برق کل خانه به‌طور متوسط به حدود ۴۵ مترمربع (۴۸۰ فوت مربع) فضا نیاز دارد.
آموزش طراحی نیروگاه خورشیدی | راهنمای جامع احداث نیروگاه خورشیدی
سیستم‌های گرمایش با استفاده از پنل‌های فتوولتائیک
پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک قادرند انرژی برق مورد نیاز تجهیزات و وسایل خانگی را تأمین کنند، به شرطی که این وسایل به برق وابسته باشند. این یعنی برای گرم کردن خانه با استفاده از پنل‌های PV، باید سیستم گرمایشی برقی داشته باشید. این موضوع شامل برخی از بخاری‌ها، مخازن آب گرم و دیگ‌های گاز یا نفتی که قطعات برقی دارند نیز می‌شود.
گرمایش آب با فناوری فتوولتائیک حرارتی (PVT)
می‌توان از پنل‌های فتوولتائیک برای گرم کردن آب نیز استفاده کرد. با نصب دستگاهی به نام بهینه‌ساز، هنگامی‌که تولید برق پنل‌ها از حد نیاز خانه بیشتر می‌شود و مازاد به شبکه ارسال می‌شود، این دستگاه مازاد انرژی را به‌جای ارسال به شبکه، به المنت گرم‌کننده مخزن آب منتقل می‌کند. این روش باعث می‌شود انرژی تولیدی به بهترین شکل در محل مصرف شود و آب گرم برای استفاده در طول روز ذخیره گردد.
مقایسه راندمان پنل‌های فتوولتاییک و حرارتی
پنل‌های فتوولتائیک حدود ۲۰ درصد از نور خورشید جذب‌شده را به برق تبدیل می‌کنند، درحالیکه سیستم‌های حرارتی خورشیدی حدود ۷۰ درصد از انرژی خورشید را به گرما تبدیل می‌کنند. البته این مقایسه زمانی اهمیت دارد که کاربردهای این دو فناوری را در نظر نگیریم، چرا که هرکدام هدف متفاوتی دارند.
سؤالات متداول
خیر، سیستم‌های فتوولتاییک و حرارتی خورشیدی یکسان نیستند. سیستم فتوولتائیک با استفاده از سلول‌های خورشیدی، نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند، درحالیکه سیستم حرارتی با استفاده از یک سیال انتقال گرما، گرمای خورشید را جذب و منتقل می‌نماید. هر دو از انرژی خورشید بهره می‌برند، اما هدف و فناوری آن‌ها متفاوت است.
بله، سیستم‌های حرارتی می‌توانند در مناطق سرد و با نور خورشید کمتر نیز عملکرد مناسبی داشته باشند. اگرچه بازدهی آن‌ها ممکن است در دماهای پایین کاهش یابد، اما همچنان می‌توانند گرما را از نور خورشید پراکنده جذب کنند. کلکتورهای لوله خلأ به‌ویژه برای اقلیم‌های سرد بسیار مناسب هستند، زیرا به‌واسطه خلأ موجود در ساختارشان، اتلاف گرما را به حداقل می‌رسانند.
طول عمر معمول پنل‌های فتوولتائیک حدود ۲۵ تا ۳۰ سال است و راندمان آن‌ها به‌تدریج کاهش می‌یابد. سیستم‌های حرارتی نیز معمولاً بین ۲۰ تا ۲۵ سال عمر دارند. هر دو نوع سیستم نیازمند نگهداری دوره‌ای برای حفظ عملکرد مطلوب هستند و ممکن است برخی اجزا در طول عمر سیستم نیاز به تعویض داشته باشند.
فناوری فتوولتائیک به‌دلیل انعطاف‌پذیری بالا در تولید برق برای مصارف خانگی مانند روشنایی، وسایل برقی و گرمایش، گزینه‌ای گسترده‌تر و عمومی‌تر است. در مقابل، سیستم‌های حرارتی کاربردی تخصصی دارند و بیشتر برای گرمایش آب یا گرمایش محیط مناسب‌اند. ترکیب این دو فناوری می‌تواند بالاترین سطح صرفه‌جویی انرژی را به‌همراه داشته باشد و نیازهای گوناگون خانه را به‌طور کامل پوشش دهد.
