-در مقالات متعددی به بررسی اتصال سیستم فوتوولتاییک به شبکه و همچنین درصد نفوذهای مختلفی که یک سیستم فوتوولتاییک در شبکه برق می تواند داشته باشد پرداخته شده است.ولی از جمله مشکلاتی که در شبکه به وجود می آید می توان به مساله سوینگ توان , افزایش ویا کاهش پروفیل ولتاژ , عدم عملکرد ادوات حفاظتی , تنظیم فرکانس شبکه و.. اشاره کرد.در این پژوهش یک سیستم کنترلی برای کنترل نیروگاه خورشیدی با نفوذ بالا در شبکه طراحی شده است .و حداکثر مقدار مجاز درصد نفوذ نیروگاه خورشیدی نیز در بار های مختلف برای آن بدست آمده است .

-از طرفی دیگر تاثیر گذر ابر بر روی سیستم فوتوولتاییک به عنوان یکی از مسایل عمده ای که کاربرد این سیستم را محدود می نماید شناخته شده است. با گذر ابر بر روی سیستم فتو ولتاییک که باعث به وجود آمدن سایه در محل پنل های فتوولتاییک می شود باعث کاهش مقدار تابش خورشید به پنل ها خواهد شد. از این رو مقدار توان تولیدی توسط واحد فتوولتاییک کاهش خواهد یافت. به همین دلیل در این پژوهش تاثیر گذر ابر بر روی پنل های خورشیدی با ۲۵%و۵۰% کاهش مقدار تابش اعمالی بر پنل های خورشیدی شبیه سازی شده است.

فصل سوم

مواد و روش ها

مسئله جهانی بحران انرژی، مشکلات ناشی از پایان‌ پذیری سوخت­های فسیلی و اثرات زیان‌بار زیست محیطی استفاده از این سوخت­ها، مجامع علمی را به فکر استفاده از منابع انرژی جایگزین واداشته است. انرژی خورشیدی به عنوان منبعی پاک و لایزال، پایان ناپذیر و تجدید پذیر و رایگان، یکی از این منابع می‌باشد، که امروزه در جوامع مختلف به دو صورت مستقیم و غیرمستقیم و به کمک سیستم­های خورشیدی چهارگانه فتوبیولوژی، شیمیائی، فوتوولتاییک و حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از کاربرد­های مهم انرژی خورشیدی، تبدیل آن به انرژی الکتریکی به کمک سیستم­های حرارتی و سیستم­های فوتوولتاییک می­باشد. در سیستم فوتوولتاییک انرژی خورشیدی بدون بهره‌گیری از مکانیزم­ های متحرک به صورت مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این کار توسط مجموعه‌ای از پنل­های خورشیدی که در بسته بندی­های حفاظت شده از تعدادی سلول فوتوولتاییک می­باشند، انجام می­گردد.[۱۸]
میزان متوسط سالیانه انرژی خورشیدی روزانه دریافتی یک صفحه افقی با مساحت یک متر مربع در ایران ۱۸ مگا ژول است، که از این نظر جزو کشورهای بسیار غنی محسوب می­گردد. این پتانسیل خوب امکان استفاده از سیستم­های فوتوولتاییک برای تولید برق را فراهم نموده است. [۱۹]

۳- ۱ نیروگاه های خورشیدی

۳-۱-۱ تاریخچه سلول‌های خورشیدی

دانشمند فرانسوی، ادموند بکوئرل، در حدود سال­های ۱۸۴۰کشف کرد که تعدادی از مواد می‌توانند هنگامی که نور به آنها تابیده  شود، جریان الکتریسیته تولید کنند. سلول­های فوتوولتاییک همان­هایی هستند، که مسئول تولید جریان الکتریسیته می‌باشند. بعد از آن در سال ۱۹۵۰در آزمایشگاه بل نیوجرسی دو دانشمنددر بررسی اثر نور بر نیمه هادی­ها چون سلیکان و ژرمانیوم نتایج جالبی بدست آوردند، که منجر به ساخت سلول­های فوتوولتاییک امروزی شد.
سلول­های فوتوولتاییک اولین بار برای تأمین انرژی مورد نیاز ماهواره‌هادر فضا مورد استفاده قرار گرفت.

۳-۲-۱ تکنولوژی ساخت پنل های خورشیدی

۳-۲-۱-۱ ساختمان سلول

امروزه سلول­ها ی فوتوولتاییک عموماً ازماده سیلیسیم تهیه می‌شود.سلول خورشیدی یک پیوند p- n می ­باشد که برای ایجاد ناحیه n با استفاده ازموادی همچون فسفریا گالیمو برای ایجاد ناحیه p از آلومینیوم یا بوراستفاده می‌شود.دراثرتابش نور به ناحیهn ،اختلاف پتانسیلی دردوطرف سلول ایجاد می‌شود که با بهینه کردن شرایط می‌توان ازاین سلول جریان قابل ملاحظه­ای گرفت.ضخامت لایه n درحدود ۵۰۰ نانومتردرنظر گرفته می‌شود.ضخامت‌ها یبیشتر این لایه باعث کاهش نورعبوری ازلایه n وافت راندمان درلایه p خواهد شد راندمان سلول‌های خورشیدی به وسیله منحنی ولتاژ - جریان سنجیده می‌شود. [۱۹]
امروزه در حدود ۳۰ نوع مختلف پنل خورشیدی وجود دارد که از لحاظ نوع تکنولوژی ساخت به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند:

1. 1. تکنولوژی تک کریستالی^[۱۱]: در این تکنولوژی سلول خورشیدی در یک ورقه سیلیکونی کیفیت بالا ساخته می‌شود. این سلول دارای بازده بیشتر نسبت به سلول­های ساخته شده با تکنولوژی­های دیگر است.

1. 1. تکنولوژی پلی کریستالی^[۱۲]: در این تکنولوژی سلول از یک بلوک سیلیکونی چند کریستال کیفیت پایین ساخته می‌شود که بازده و قیمت کمتری دارد .

1. 1. تکنولوژی ورق نازک^[۱۳]: در این تکنولوژی سلول در چند پروسه مختلف ساخته می‌شود.این سلول‌ها بازده کمتری دارند ولی در عوض هزینه ساخت آنها بسیار کم است .[۲۰]

۳-۲-۱-۲ سیلیکون چگونه سلول خورشیدی رامی‌سازد؟

سیلیکون خواص شیمیایی ویژ‌ه‌ای در ساختار بلورینش دارد. یک اتم سیلیکون، ۱۴ الکترون دارد که در سه پوسته‌ی مختلف روی هم قرار گرفته‌‌اند. دو لایه‌ی اول نزدیک‌تر به مرکز کاملاً پر شده‌اند. ولی لایه‌ی بیرونی با داشتن ۴ الکترون نیمه پر است. به طوری که اتم سیلیکون همیشه در جستجوی راهی برای پر کردن لایه‌ی آخر است (تا ۸ الکترون را کامل بگیرد). برای انجام این کار، این الکترون‌ها را با ۴ تا از اتم‌های سیلیکون همسایه‌اش شریک خواهد کرد. [۲۲]
هر اتم تمایل دارد که موقعیت خود را با اتم‌های همسایه‌اش حفظ کند، فقط در این مورد هر اتم از ۴ سمت به ۴ همسایه‌اش متصل است. این قالب ساختار بلوری است و ایجاد این ساختار برای سلول فوتوولتاییک اهمیت دارد.
سیلیکون خالص رسانای ضعیف الکتریکی است، زیراهیچ‌ یک از الکترون‌های آن، مثلا الکترون‌های رساناهای خوبی چون مس، به اطراف حرکت نمی‌کنند. در عوض الکترون‌ها در ساختار بلوری کاملاً قفل شده‌ای قرار دارند. نیمه رساناها هنگامی می‌توانند که انرژی الکتریسیته را هدایت کنند که الکترون­ها بتوانند وارد لایه رسانایی شوند و یا الکترون­هایی از لایه ظرفیت خارج شوند . یک روش برای انجام چنین کاری ناخالص کردن یک نیمه رسانا با یک آلیاژ مخصوص است، که به این عمل ناخالص سازی گفته می‌شود. با عمل ناخالص سازی ویژگی­های الکتریکی نیمه رساناها قابل کنترل می‌شود.
سلول خورشیدی سیلیکون را به همراه ناخالصی‌هایی دارد. معمولاً تصور می‌کنیم که ناخالصی‌‌ها چیزهای نامطلوبی‌اند. ولی در اینجا سلول بدون وجود ناخالصی کار نمی‌کند. این ناخالصی‌ها به منظور خاصی افزوده می‌شوند. ۴ اتم سیلیکون را با یک اتم فسفر در نظر بگیرید؛ اتم فسفر در لایه‌ی خارجی‌اش ۵ الکترون دارد نه ۴ تا. نتیجه این واکنش آن است که ۴ الکترون از ۵  الکترون برای پر کردن لایه ظرفیت مورد استفاده قرار می‌گیرند و یک الکترون اضافی به سمت لایه رسانا حرکت کرده و به آن لایه اضافه می­ شود. به همین دلیل این اتم­های ناخالص را دهنده الکترون می­گویند. الکترون­هایی که در لایه رسانا قرار دارند، می­توانند حرکت کنند و کریستال را به رسانا تبدیل کنند. در واقع در این روش وجود الکترون اضافی در کریستال باعث رسانایی کریستال شده است. به این نوع نیمه رسانا، نیمه رسانای نوع n گفته می‌شود. [۲۳]
یک روش دیگر افزودن ناخالصی هنگامی اتفاق می‌افتد که یک اتم سیلیکون با یک اتم از گروه ۳  الکترونی ( به عنوان مثال، بور ) که پذیرنده نامیده می‌شوند ناخالص می‌شوند . چون ۴  الکترون برای پر کردن لایه ظرفیت لازم است و تعداد الکترون موجود برای پر کردن این لایه کافی نیست پس یک حفره و یا کمبود الکترون در لایه ظرفیت ایجاد می‌شود. در این حالت سیلیکون مانند ذرات باردار مثبت عمل می‌کنند. یک نیمه رسانایی که در آن جریان الکتریسیته توسط این حفره‌ها پیاده سازی می‌شود، نیمه رسانای نوع p گفته می‌شود. [۲۱]
قسمت جالب وقتی آغاز می‌شود که سیلیکون نوع n را با سیلیکون نوع p به کار می‌بریم. به یاد داشته باشید که هر سلول فوتوولتاییک در نهایت یک میدان الکتریکی دارد. بدون میدان الکتریکی سلول کار نخواهد کرد، و این میدان نیز هنگامی به‌وجود می‌آید، که سیلیکون نوع n و نوع p در تماس هستند. در لحظه تماس الکترون‌های آزاد سمت n، حفره های آزاد سمت p را پر می‌کنند.

۳-۱-۲-۳تشریح یک سلول

پیش از این، سیلیکون از نظر الکتریکی کاملاً خنثی بود. الکترون‌های اضافی توسط پروتون‌های اضافی فسفر از تعادل خارج می‌شوند. الکترون‌های از دست رفته‌ (حفره‌ها) با پروتون‌های از دست رفته‌ی بور، تعادل را از بین می‌برند. وقتی حفره‌ها و الکترون‌ها در پیوند بین سیلیکون نوع n وp ترکیب می‌شوند،‌ به هر حال خنثایی از دست می‌رود. آیا الکترون‌های آزاد همه‌ی حفره‌های آزاد را پر می‌کنند؟ نه! اگر آن‌ها چنین کنند، پس این نظم کامل مفید نخواهد بود. ولی درست در محل پیوند، آن‌ها آمیخته شده و حصاری را به وجود می‌آورند. در نهایت موازنه‌ برقرار می‌شود و ما یک میدان الکتریکی جداگانه‌ی دوجانبه داریم ()
شکل ‏۳‑۱: میدان الکتریکی درمحل پیوند سیلیکون نوع n و p
این میدان الکتریکی با هل دادن الکترون­ها برای جاری شدن از ناحیهp به ناحیه n و نه به طریق دیگری همانند دیود عمل می‌کند. این حالت شبیه یک توده است. بنابراین ما یک میدان الکتریکی فعال به دست آورده­ایم؛ مانند یک دیود که در آن الکترون‌ها فقط می‌توانند در یک جهت حرکت کنند.
هنگامی که نور در قالب فوتون‌ها، به سلول خورشیدی برخورد می‌کند، انرژی آن‌ها زوج الکترون-حفره‌ آزاد تولید می‌کند. هر فوتون با انرژی کافی معمولاً یک الکترون را به طور کامل آزاد خواهد کرد و یک حفره‌ای آزاد را نیز نتیجه می‌دهد. [۲۰]
این میدان الکترون را به سمت ناحیهn و حفره را به سمت ناحیه p گسیل خواهد کرد (). این بیشتر در نتیجه‌ای اتمام خنثایی الکتریکی است و اگر ما یک مسیر جریان سطحی را به وجود آوریم، الکترون‌ها در سراسر مسیر در جهت اصلی‌‌شان (سمت p) برای پیوستن به حفره‌هایی که انجام کار میدان الکتریکی به آن‌جا گسیل شده، جریان می‌یابند. حرکت الکترون، جریان را تولید می‌کند و میدان سلول، ولتاژ را به‌وجود می‌آورد. با داشتن جریان و ولتاژ، توان را داریم که حاصل ‌ضرب این دو خواهد بود.
شکل ‏۳‑۲: ایجاد الکترون وحفره دراثرتابش نورخورشید
سیلیکون ماده‌ی بسیار صیقلی و بازتابنده می‌باشد. فوتون‌هایی که بازتابیده می­شوند، نمی‌توانند توسط سلول به کار ‌روند. به همین علت، یک اندود ضد انعکاس در بالای سلول به کار رفته که اتلاف بازتاب را تا کم‌تر از ۵ درصد کاهش می‌دهد ().
مرحله‌ی آخر صفحه‌ی روکش شیشه­ی که سلول را از آسیب دیدن حفظ می‌کند. اتاقک‌های پنل خورشیدی با اتصال چندین سلول (معمولاً ۳۶ عدد) به ‌صورت سری و موازی برای دست‌یابی به ترازهای مفید ولتاژ و جریان ساخته می‌شوند و با به کار بردن آن‌ها در یک قالب تنومند با یک پوشش شیشه‌ای و پایانه‌های مثبت و منفی پشت آن کامل می‌شود.
شکل ‏۳‑۳: ساختاریک مولد سلول سیلیکونی پنل خورشیدی

۲-۱-۳مدل سازی پنل خورشیدی

ساختار فیزیکی یک سلول خورشیدی مانند یک دیود است که پیوند p-n آن در معرض نور خورشید قرار می­گیرد. انرژی جذب شده حاصل از شدت نور در این ناحیه به تولید و انتقال حامل­ها (الکترون­ها و حفره­ها) و جمع آوری آنها در ترمینال خروجی منجر می‌شود. معادله­های (۳-۱)و (۳-۲) که اساس تئوری نیم هادی­ها را بیان می­ کند، مشخصه I-V یک سلول ایده­آل را توصیف می‌کند.

که I_pv,cell جریان تولید شده از نور تابشی، I_d جریان دیود طبق معادله­ای دیودی شوکلی^[۱۴]، I_o,cell جریان اشباع معکوس یا جریان نشتی دیود، q بار الکترون، K ثابت بولتزمن^[۱۵]، T دمای پیوندp-n و a ثابت ایده آلی دیود است. [۶]
شکل ‏۳‑۴: مدارمعادل پنل خورشیدی
مدار معادل یک پنل خورشیدی را نشان می‌دهد. یک پنل خورشیدی از چندین سلول فوتوولتاییک که دارای اتصال بیرونی سری یا موازی و یا سری- موازی تشکیل شده است. با در نظر گرفتن پارامترهای در رابطه (۳-۳)، مشخصه پنل خورشیدی بدست می‌آید.