راهنمای جامع انواع نیروگاه خورشیدی

فراگیری انرژی‌های تجدیدپذیر در جوامع جهانی هر روز بیش از پیش است؛ انرژی خورشیدی هم به عنوان یکی از اصلی‌ترین و محبوب‌ترین انرژی‌های تجدیدپذیر شناخته می‌شود. قابلیت اصلی نیروگاه‌های خورشیدی، تولید برق از نور خورشید است؛ اما نیروگاه‌های خورشیدی با توجه به نوع فناوری، نحوه اتصال به شبکه، شیوه ذخیره انرژی، ظرفیت و شرایط محیطی انواع متفاوتی دارند.

برای مثال، یک نیروگاه خورشیدی آنگرید مستقیما با شبکه برق کار می‌کند، نیروگاه آفگرید مستقل از شبکه است و نیروگاه خورشیدی هیبرید می‌تواند تولید خورشیدی را با باتری، شبکه یا منابع دیگر ترکیب کند. علاوه بر این، نیروگاه‌های فتوولتائیک، حرارتی متمرکز، شناور و سیستم‌های بزرگ‌مقیاس نیز هرکدام کاربرد متفاوتی دارند. در این مقاله، برقتو به عنوان متخصص حوزه احداث نیروگاه خورشیدی خانگی و بزرگ‌مقیاس، انواع نیروگاه خورشیدی، قابلیت‌ها، تفاوت‌ها و مزایای هر یک از آن‌ها را با جزئیات مورد بررسی قرار می‌دهد؛ با ما همراه باشید.

بهره‌برداری و تولید برق از نور خورشید، دیدگاه و رویکرد جوامع نسبت به انرژی را تغییر داده‌ است. با توجه به افزایش روزافزون نیاز به استفاده از منابع پایدار و تجدیدپذیر (خرید برق سبز)، انرژی خورشیدی یکی از گزینه‌های مهم برای تامین انرژی محسوب می‌شود. انواع نیروگاه خورشیدی را می‌توان از چند زاویه دسته‌بندی کرد. از نظر فناوری تولید برق، نیروگاه‌های فتوولتائیک و نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی مهم‌ترین گروه‌ها هستند. سیستم‌های فتوولتائیک نیز از نظر ارتباط با شبکه به سه گروه اصلی آنگرید، آفگرید و هیبرید تقسیم می‌شوند. برای آشنایی با انواع نیروگاه‌های خورشیدی، نحوه عملکرد، مزایا و قابلیت‌های اختصاصی هر یک از آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک (PV)

نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک (Photovoltaic Solar Power Plant) با استفاده از سلول‌های نیمه‌رسانا، معمولا بر پایه سیلیکون، انرژی نور خورشید را مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.

در نتیجه برخورد نور به سلول‌های فتوولتائیک و تحریک الکترون‌ها، جریان برق ایجاد می‌شود. برق DC تولیدشده توسط پنل‌ها نیز با استفاده از اینورتر متناسب با نوع سیستم، برای مصرف تجهیزات یا تزریق به شبکه به برق AC تبدیل می‌شود. انواع سیستم‌های فتوولتائیک از نظر ارتباط با شبکه شامل آنگرید، آفگرید و هیبرید هستند.

نیروگاه خورشیدی آنگرید چیست؟

نیروگاه خورشیدی آنگرید یا Grid-Tied سیستمی است که به شبکه برق عمومی متصل می‌شود. برق تولیدشده توسط پنل‌های خورشیدی ابتدا می‌تواند برای مصرف مجموعه استفاده شود و نحوه تبادل انرژی با شبکه نیز به طراحی پروژه و مقررات اتصال بستگی دارد. در این سیستم معمولا هدف اصلی ذخیره برق در باتری نیست و شبکه نقش پشتیبان سیستم را بر عهده دارد. به همین دلیل، نیروگاه آنگرید نسبت به سیستم‌های مجهز به باتری می‌تواند ساختار ساده‌تر و هزینه سرمایه‌گذاری کمتری داشته باشد. یکی از نکات مهم این است که یک سیستم آنگرید معمولی در زمان قطع شبکه الزاما به تامین برق ساختمان ادامه نمی‌دهد. بسیاری از اینورترهای متصل به شبکه برای جلوگیری از برق‌دار شدن ناخواسته شبکه هنگام خاموشی، دارای حفاظت Anti-Islanding هستند. برای داشتن برق اضطراری هنگام قطع شبکه، معمولا به طراحی هیبریدی، ذخیره‌ساز یا تجهیزات مناسب این کاربرد نیاز است.

نیروگاه خورشیدی آنگرید مناسب است برای:

• خانه یا ساختمانی که به شبکه برق دسترسی دارد؛
• کارخانه و واحد صنعتی با مصرف روزانه قابل‌توجه؛
• کاهش مصرف برق دریافتی از شبکه؛
• نیروگاه‌هایی که هدف آن‌ها فروش برق به تجمیع کننده یا تزریق برق به شبکه طبق مقررات مربوط است؛
• پروژه‌هایی که نیاز اصلی آن‌ها برق اضطراری نیست.

نیروگاه خورشیدی آفگرید چیست؟

نیروگاه خورشیدی آفگرید یا Off-Grid به شبکه سراسری برق متصل نیست و به‌صورت مستقل کار می‌کند. این سیستم معمولا به عنوان یک پکیج برق اضطراری هم شناخته میشود. در این سیستم، پنل خورشیدی برق تولید می‌کند و معمولا باتری برای ذخیره انرژی موردنیاز در شب یا زمان کاهش تابش در نظر گرفته می‌شود. به همین دلیل، محاسبه ظرفیت باتری، میزان مصرف روزانه، توان لحظه‌ای تجهیزات و تعداد روزهای موردنیاز برای تامین مستقل برق در طراحی سیستم آفگرید اهمیت زیادی دارد.

نیروگاه خورشیدی آفگرید مناسب است برای:

• ویلا و باغ دور از شبکه برق؛
• مناطق روستایی یا دورافتاده؛
• ایستگاه‌های مخابراتی یا تجهیزات مستقل؛
• پمپ‌ها و تجهیزات واقع در نقاط فاقد شبکه؛
• مکان‌هایی که هزینه ایجاد انشعاب یا توسعه شبکه بسیار بالا است.

در سیستم آفگرید، کوچک انتخاب کردن باتری یا پنل می‌تواند باعث کمبود انرژی شود و بزرگ‌کردن بیش از حد سیستم نیز سرمایه اولیه را افزایش می‌دهد. بنابراین برخلاف یک پکیج ساده، طراحی دقیق سیستم بر اساس پروفایل مصرف اهمیت زیادی دارد.

نیروگاه خورشیدی هیبرید چیست؟

نیروگاه خورشیدی هیبرید در بخش فتوولتائیک، معمولا ترکیبی از پنل خورشیدی، باتری و شبکه برق یا یک منبع برق دیگر است. این ساختار امکان می‌دهد بخشی از انرژی خورشیدی مستقیما مصرف و بخشی در باتری ذخیره شود و در صورت نیاز، شبکه یا منبع دیگر نیز وارد مدار شود.

ترکیب انرژی خورشیدی با ذخیره‌ساز باعث می‌شود بخشی از برق خورشیدی برای زمانی که تابش کافی وجود ندارد قابل استفاده باشد. ذخیره‌سازی همچنین می‌تواند نوسان میان زمان تولید خورشیدی و زمان نیاز به انرژی را مدیریت کند.

نیروگاه خورشیدی هیبرید مناسب است برای:

• مکان‌هایی که علاوه بر کاهش مصرف شبکه، برق اضطراری هم نیاز دارند؛
• خانه، ویلا یا کسب‌وکاری که قطعی برق برای آن مشکل ایجاد می‌کند؛
• مجموعه‌هایی که قصد مدیریت زمان مصرف انرژی ذخیره‌شده را دارند؛
• مناطقی که شبکه برق وجود دارد اما پایداری آن کافی نیست.

در این سیستم، هزینه اولیه معمولا به دلیل اضافه شدن باتری، اینورتر هیبرید و تجهیزات کنترلی بیشتر از آنگرید است؛ اما در مقابل انعطاف‌پذیری بیشتری برای مدیریت انرژی ایجاد می‌شود.

تفاوت نیروگاه آنگرید و آفگرید و هیبرید

یکی از مهم‌ترین سوالات هنگام انتخاب میان انواع نیروگاه خورشیدی این است که سیستم آنگرید، آفگرید یا هیبرید مناسب‌تر است. تفاوت اصلی این سه سیستم به ارتباط با شبکه و استفاده از ذخیره‌ساز برمی‌گردد.

آنگرید، آفگرید یا هیبرید؛ کدام را انتخاب کنیم؟

انتخاب میان این سه مدل قبل از هر چیز به هدف پروژه بستگی دارد. اگر شبکه برق در دسترس است و هدف اصلی کاهش هزینه مصرف یا تولید برق متصل به شبکه باشد، سیستم آنگرید معمولا انتخاب ساده‌تری است. اگر محل پروژه اصلا به شبکه دسترسی ندارد، سیستم آفگرید می‌تواند گزینه مناسب‌تری باشد؛ اما ظرفیت پنل و باتری باید با دقت بر اساس مصرف طراحی شود. اگر شبکه در دسترس است اما علاوه بر استفاده از انرژی خورشیدی، برق پشتیبان هنگام قطعی نیز اهمیت دارد، سیستم هیبرید معمولا کاربرد بیشتری دارد. در نتیجه، نمی‌توان یکی از این سه سیستم را در تمام شرایط «بهترین نوع نیروگاه خورشیدی» دانست. میزان مصرف، دسترسی به شبکه، بودجه، فضای نصب و نیاز یا عدم نیاز به برق اضطراری باید هم‌زمان بررسی شوند.

مزایای نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک

برای درک مزایای نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• هزینه‌های عملیاتی و نگهداری پایین
• دارای قابلیت ارتقا و مقیاس‌پذیری بالا، قابل استفاده در سیستم‌های ساختمانی و تاسیسات صنعتی بزرگ‌مقیاس
• عدم نیاز به قطعات متحرک در بخش پنل و تبدیل مستقیم نور خورشید به برق
• امکان طراحی به شکل آنگرید، آفگرید یا هیبرید متناسب با نیاز مصرف‌کننده
• قابلیت اجرا از مقیاس کوچک خانگی تا نیروگاه‌های بزرگ زمینی

نیروگاه‌ های خورشیدی متمرکز (CSP)

نیروگاه های خورشیدی متمرکز (Concentrated Solar Power Plant) برای متمرکزسازی مقدار زیادی از نور خورشید از آینه‌ها یا تجهیزات اپتیکی استفاده می‌کنند.

در این نیروگاه‌ها، نور متمرکز خورشید یک سیال یا گیرنده را گرم می‌کند و انرژی حرارتی حاصل می‌تواند برای تولید بخار و به حرکت درآوردن توربین متصل به ژنراتور مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین برخلاف PV، در CSP تبدیل نور به برق مستقیما در سلول خورشیدی انجام نمی‌شود. وزارت انرژی آمریکا نیز CSP را فناوری‌ای معرفی می‌کند که نور خورشید را متمرکز و ابتدا به حرارت تبدیل می‌کند و سپس این حرارت برای تولید برق یا کاربردهای حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای بررسی انواع نیروگاه های خورشیدی متمرکز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نیروگاه های خورشیدی سهموی خطی: این دسته از نیروگاه‌های خورشیدی به کمک آینه‌های منحنی نور خورشید را روی لوله حاوی سیال انتقال‌دهنده گرما متمرکز می‌کنند.
• برج های خورشیدی: این دسته از نیروگاه‌ها نور خورشید را به کمک آینه‌های متحرک یا هلیواستات روی گیرنده مرکزی بالای برج متمرکز می‌کنند.
• سیستم خورشیدی فرنل خطی: نیروگاه‌های خورشیدی فرنل خطی به کمک مجموعه‌ای از آینه‌ها، نور خورشید را روی گیرنده خطی متمرکز می‌کنند.

مزایای نیروگاه های خورشیدی متمرکز

نیروگاه های خورشیدی متمرکز مزایای زیر را ارائه می‌دهند:

• امکان استفاده در پروژه‌های بزرگ‌مقیاس
• قابلیت ترکیب با ذخیره‌سازی حرارتی برای استفاده از انرژی در ساعات کاهش تابش
• امکان تولید برق از انرژی حرارتی ذخیره‌شده
• مناسب بودن برای مناطقی با تابش مستقیم خورشید بالا

یکی از قابلیت‌های مهم CSP، امکان استفاده از ذخیره‌سازی حرارتی است. گرمای تولیدشده می‌تواند ذخیره شود و بعدا برای تولید برق مورد استفاده قرار گیرد.

بیشتر بخوانید: نیروگاه خورشیدی بهتر است یا بادی؟

نیروگاه های حرارتی خورشیدی

نیروگاه های حرارتی خورشیدی (Solar Thermal Power Plant) با استفاده از انرژی خورشید گرما تولید می‌کنند و در کاربردهای نیروگاهی، این انرژی حرارتی می‌تواند برای تولید برق مورد استفاده قرار گیرد.

نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی برخلاف سیستم‌های فتوولتائیک نور خورشید را مستقیما به برق تبدیل نمی‌کنند؛ در واقع ساختار آن‌ها به گونه‌ای است که انرژی خورشیدی ابتدا به گرما تبدیل می‌شود.

نکته: نیروگاه‌های CSP که در بخش قبل توضیح داده شدند، در عمل یکی از مهم‌ترین فناوری‌های تولید برق خورشیدی حرارتی محسوب می‌شوند. بنابراین این دو مفهوم کاملا جدا از یکدیگر نیستند و CSP زیرمجموعه مهمی از فناوری‌های خورشیدی حرارتی برای تولید برق است.

برای بررسی برخی از انواع نیروگاه های حرارتی خورشیدی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سیستم های دریافت کننده مرکزی: این دسته از نیروگاه‌های حرارتی نور خورشید را روی یک دریافت‌کننده مرکزی متمرکز می‌کنند. دریافت‌کننده مرکزی جایی است که انرژی حرارتی برای گرم کردن سیال و در ادامه تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• سیستم های بشقابک سهموی: این سیستم‌های حرارتی دارای آینه‌هایی هستند که در قالب بشقابک‌های سهموی طراحی شده‌اند. نور خورشید به واسطه این آینه‌ها در نقطه کانونی متمرکز می‌شود و دمای بالایی ایجاد می‌کند که می‌تواند در فرایند تولید برق به کار گرفته شود.

مزایای نیروگاه های حرارتی خورشیدی

خلاصه‌ای از مزایای نیروگاه های حرارتی خورشیدی موارد زیر را شامل می‌شود:

• قابلیت استفاده از سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی

• امکان تولید برق از گرمای ذخیره‌شده در برخی طراحی‌ها

• گزینه‌ای قابل بررسی برای تاسیسات صنعتی و پروژه‌های بزرگ‌مقیاس

• امکان استفاده از انرژی حرارتی خورشیدی در برخی فرایندهای صنعتی

نیروگاه‌ های خورشیدی شناور

نیروگاه های خورشیدی شناور (Floating Solar Power Plant) با نصب پنل‌های فتوولتائیک روی سازه‌های شناور در سطح مخازن، دریاچه‌ها و سایر پهنه‌های آبی مناسب ایجاد می‌شوند.

نیروگاه های خورشیدی شناور به زمین گسترده برای استقرار پنل‌ها نیاز ندارند و قرار گرفتن پنل‌ها روی سطح آب می‌تواند مزایایی مانند کاهش استفاده از زمین و در برخی شرایط اثر خنک‌کنندگی بر عملکرد پنل‌ها ایجاد کند. بررسی‌های NREL نیز کاهش تبخیر آب را یکی از مزایای بالقوه سیستم‌های فتوولتائیک شناور معرفی کرده‌اند.

مزایای نیروگاه های خورشیدی شناور

برای درک مزایای اصلی نیروگاه های خورشیدی شناور می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش نیاز به زمین برای احداث نیروگاه خورشیدی؛ راهکاری قابل بررسی در مناطقی که زمین محدود یا گران است
• امکان بهبود شرایط دمایی پنل‌ها در برخی پروژه‌ها به واسطه مجاورت با آب
• کمک به کاهش تبخیر آب در برخی مخازن
• امکان استفاده از زیرساخت‌های موجود در برخی سدها و نیروگاه‌های برق‌آبی

نیروگاه های خورشیدی هیبریدی

نیروگاه های خورشیدی هیبریدی (Hybrid Solar Power Plant) با ترکیب انرژی خورشیدی با یک منبع انرژی یا سیستم ذخیره‌سازی دیگر کار می‌کنند.

در مقیاس خانگی و تجاری، اصطلاح نیروگاه خورشیدی هیبرید معمولا برای ترکیب پنل خورشیدی، باتری و شبکه برق استفاده می‌شود؛ همان سیستمی که در بخش فتوولتائیک توضیح داده شد. اما در مقیاس نیروگاهی، مفهوم هیبرید می‌تواند گسترده‌تر باشد و ترکیب خورشیدی با منابع دیگری مانند باد، دیزل، ژنراتور یا سیستم‌های ذخیره انرژی را نیز شامل شود. بنابراین «سیستم فتوولتائیک هیبرید» و «نیروگاه هیبریدی» از نظر مقیاس و طراحی می‌توانند ساختار متفاوتی داشته باشند. ترکیب خورشیدی با ذخیره‌سازی این امکان را ایجاد می‌کند که بخشی از انرژی تولیدشده در زمان تابش برای استفاده در زمان دیگری ذخیره شود.

مزایای نیروگاه های خورشیدی هیبریدی

برای درک بهتر مزایای اصلی نیروگاه های خورشیدی هیبریدی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ارائه سیستم منعطف‌تر برای تامین برق
• کاهش وابستگی به یک منبع واحد انرژی
• امکان استفاده از باتری برای تامین بخشی از مصرف هنگام قطع شبکه
• امکان ترکیب انرژی خورشیدی با شبکه یا منابع تولید دیگر
• گزینه‌ای مناسب برای مناطق دورافتاده یا مکان‌هایی که پایداری تامین برق اهمیت بالایی دارد

مقایسه انواع نیروگاه خورشیدی

اگر هدف، انتخاب نوع نیروگاه برای یک پروژه واقعی باشد، فناوری مناسب باید بر اساس کاربرد، دسترسی به شبکه و مقیاس پروژه انتخاب شود.

کدام نوع نیروگاه خورشیدی برای شما مناسب است؟

برای انتخاب میان انواع نیروگاه خورشیدی، قبل از بررسی برند پنل یا ظرفیت اینورتر باید هدف پروژه مشخص شود. اگر ساختمان یا کارخانه به شبکه برق متصل است و هدف اصلی کاهش مصرف شبکه یا تولید برق متصل به شبکه باشد، نیروگاه خورشیدی آنگرید گزینه قابل بررسی است. اگر محل فاقد شبکه سراسری است، نیروگاه خورشیدی آفگرید با پنل و ذخیره‌ساز مناسب می‌تواند برق موردنیاز را مستقل از شبکه تامین کند.

اگر علاوه بر استفاده از انرژی خورشیدی، برق اضطراری و ذخیره انرژی نیز اهمیت دارد، نیروگاه خورشیدی هیبرید گزینه مناسب‌تری برای بررسی است. در پروژه‌های بسیار بزرگ و مناطقی با تابش مستقیم مناسب، فناوری‌های حرارتی متمرکز نیز می‌توانند مورد ارزیابی قرار گیرند. همچنین در مناطقی که زمین محدود اما مخزن آبی مناسب وجود دارد، نیروگاه خورشیدی شناور می‌تواند یکی از گزینه‌ها باشد. در نهایت، ظرفیت مصرف، پروفایل بار، بودجه، فضای نصب، دسترسی به شبکه، مدت برق اضطراری موردنیاز و مدل اقتصادی پروژه باید پیش از انتخاب نوع نیروگاه بررسی شوند.

سخن پایانی

همانطور که مشاهده کردید، هرکدام از انواع نیروگاه‌های خورشیدی مزایا و کاربردهای متفاوتی دارند. در سیستم‌های فتوولتائیک، تفاوت اصلی میان آنگرید، آفگرید و هیبرید به نحوه ارتباط با شبکه و ذخیره‌سازی انرژی برمی‌گردد. نیروگاه خورشیدی آنگرید برای پروژه‌های متصل به شبکه کاربرد دارد؛ نیروگاه خورشیدی آفگرید برای تامین مستقل برق در مکان‌های فاقد شبکه طراحی می‌شود و نیروگاه خورشیدی هیبرید امکان ترکیب انرژی خورشیدی با باتری، شبکه یا سایر منابع را فراهم می‌کند. در کنار این سیستم‌ها، افزایش بهره‌وری به کمک نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز، استفاده از ذخیره‌سازی حرارتی، توسعه نیروگاه‌های شناور و ترکیب چند منبع انرژی در نیروگاه‌های هیبریدی، دامنه کاربرد انرژی خورشیدی را گسترده‌تر کرده است.

بنابراین انتخاب نوع نیروگاه صرفا به ظرفیت آن بستگی ندارد و باید بر اساس محل اجرا، الگوی مصرف، دسترسی به شبکه، نیاز به برق پشتیبان و هزینه سرمایه‌گذاری انجام شود. برقتو، پلتفرم مدیریت هوشمند انرژی، در حوزه طراحی و احداث نیروگاه‌های خورشیدی خانگی، تجاری و صنعتی امکان بررسی شرایط فنی و انتخاب ساختار مناسب پروژه را فراهم می‌کند.

سوالات متداول