وزن خورشید که در حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است تا پنج میلیلارد سال دیگر می تواند این انرژی را تأمین نماید. در شکل شماره (۵) میزان انرژی تابش خورشید بر کره زمین نشان داده شده است.
با روی آوری و دست یابی به تکنولوژی های پیشرفته، بگارگیری و استفاده از انرژی های پاک و سیستم های تجدیدپذیر در تامین انرژی مورد نیاز بشر در چند ساله اخیر رشد قابل ملاحظه ای داشته است . در این میان استفاده از انرژی خورشیدی ، باتوجه به سهولت در دسترسی و کاربرد در موقعیت مناسبی قرار دارد. خورشید بزرگترین منبع تأمین کننده انرژی کره زمین می باشد که انرژی صادره از آن بصورت های مختلف در جهت تأمین انرژی مورد نیاز اعم از سوختهای فسیلی و غیرفسیلی مورد استفاده قرار می گیرد.
انرژی تابشی خورشید در سیستم های برق خورشیدی(فتوولتائیک)، بطور مستقیم و بدون نیاز به فرآیندهای واسطه به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.  لذا سهولت در دسترسی به انرژی الکتریکی حاصل از برق خورشیدی کاربرد آنرا به مراتب بالاتر از حامل های انرژی های تجدیدپذیر قرار می دهد.

سلول‌های خورشیدی: عملکرد و انواع

سلول خورشیدی مؤلفه‌ی اصلی پنل خورشیدی است. گاهی به آن‌ها سلول‌های فتوولتائیک یا سلول‌های PV هم گفته می‌شود. این سلول‌ها با جذب نور خورشید، برق تولید می‌کنند. نام PV از فرآیند تبدیل نور (فوتون‌ها) به برق (ولتاژ) گرفته شده است که به آن اثر PV هم گفته می‌شود. اثر PV برای اولین بار در سال ۱۹۵۴ کشف شد یعنی زمانی که دانشمندان در ایستگاه تلفن Bell کشف کردند درصورتی‌که سیلیکون را در مقابل نور خورشید قرار دهند، بار الکتریکی تولید می‌کند. اندکی پس‌ از این کشف، از سلول‌های خورشیدی برای تقویت ماهواره‌های فضایی و کالاهای کوچک‌تری مثل ماشین‌حساب و ساعت استفاده شد.

سلول‌های خورشیدی از مواد نیمه‌رسانا ساخته‌ شده‌اند که متداول‌ترین نوع آن کریستالین سیلیکون است. دو نوعکریستالین سیلیکون وجود دارد، اما نوع مونو کریستالین سیلیکون کاربرد بیشتری دارد: این نوع سلول دارای یک ساختاری مربعی است و خاصیت سیلیکونی بالای آن قوی‌تر (و البته گران‌تر) از دیگر مصالح پنل خورشیدی است. نوع دیگر کریستالین سیلیکون، پلی کریستالین نمونه‌ی ارزان‌تر با کارایی و تأثیر کمتر است، از این نوع در فضاهای بزرگ (برای مثال مزرعه‌ی خورشیدی، مناطق غیرمسکونی) استفاده می‌شود.

نسل دوم سلول‌های خورشیدی، سلول‌های نواری (Thin film) هستند که از سیلیکون آمورفوس یا مواد غیرسیلیکونی مثل کادمیوم تلورید تشکیل شده‌اند. سلول‌های خورشیدی thin film از لایه‌های مواد نیمه‌رسانا با ضخامت تنها چندمیلیمتر استفاده می‌کنند. این سلول‌ها به‌دلیل انعطاف‌پذیری بالا می‌توانند برای پوشش‌های سقفی، ساخت نما یا لعاب شیشه‌ای نورگیرها به کار بروند.

نسل سوم سلول‌های خورشیدی علاوه بر سیلیکون از انواع مواد جدید ازجمله مرکب‌های خورشیدی و با استفاده از فناوری‌های معمولی پرینت، رنگ‌های خورشیدی و پلاستیک‌های رسانا ساخته می‌شوند. بعضی سلول‌های خورشیدی از لنزهای پلاستیکی یا آینه برای تمرکز نور خورشید بر یک بخش کوچک از مواد PV استفاده می‌کنند. مواد PV گران‌قیمت‌تر هستند اما به دلیل نیاز اندک به آن‌ها در صنعت و تأسیسات ازنظر هزینه مقرون‌به‌صرفه خواهند بود. بااین‌حال به این دلیل که لنزها باید به سمت نور خورشید قرار بگیرند، کاربرد کلکتورهای متمرکزکننده محدود به مناطق آفتابی است.

 انواع کاربردهای انرژی خورشیدی:

بطور کلی می توان استفاده از انرژی خورشیدی را به دو دسته تقسیم نمود:
الف: استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی:
نیروگاه های حرارتی خورشیدی بسته به نوع دریافت کننده حرارت و شکل هندسی آن به انواع مختلفی تقسیم می شوند که عبارتند از:

نیروگاه های سهموی خطی شکل شماره ، نیروگاه های دریافت کننده مرکزی شکل شماره ،

نیروگاه های شلجمی بشقابی شکل شماره ، نیروگاههای دودکش های خورشیدی

سیستم برق خورشیدی از اجرای مختلفی تشکیل شده است که عبارتند از:

۱)     پانل یا صفحه خورشیدی؛ انرژی نور خورشید را به برق مستقیم تبدیل می نماید.

۲)     جعبه اتصال گروهی؛  واسطه اتصال پانل ها به مدار برق و محافظ پانل های خورشیدی از صاعقه و برق آسمانی است.

۳)     سازه های فلزی یا ساختمانی؛ نگهدارنده پانل ها در جهت و زاویه خاص هستند.

۴)  دستکاه کنترل کننده ؛ کنترل کننده تولید برق، مصرف برق، شارژ باطری های ذخیره و تنظیم کننده مشخصات برق تولیدی ومصرفی از نظر ولتاژ و آمپر است.

۵)     کابل های ارتباط؛ اتصالات سیستم فتوولتائیک و مدار برق را بر قرار می کند.

۶)      باطری های ذخیره؛ برق مورد نیاز برای ساعات بدون نور خورشید ذخیره می کند.

۷)     مبدل برق مستقیم به متناوب؛ برق مستقیم را به برق متناوب یک فاز و یا سه فاز تبدیل می کند.

    طراحی و محاسبه سیستم فتوولتائیک

برای طراحی یک سیستم فتوولتائیک لازم است عوامل مختلفی مورد توجه و بررسی قرارگیرند که بعضی از آنها در محاسبه ظرفیت و خروجی سیستم، یا برآورد برقی که تولید می شود موثرند و بعضی دیگر در انتخاب نوع تجهیزات و طراحی آنها نقش دارند. این عوامل عبارتند از :

v  موقعیت جغرافیایی : عرض و طول جغرافیایی و نیز ارتفاع محل نصب سیستم فتوولتائیک، فاکتورهای لازم برای محاسبه قدرت تابش نور خورشید است.

v  موقعیت زمانی : در بررسی موقعیت زمانی، محل نصب و شرایط آن نسبت به حرکت خورشید، وجود سایه ارتفاعات و کوههای اطراف و یا حتی سایه ساختمانها و تعیین ساعاتی از روز که ممکن است وجود این سایه ها مانع از تابش مستقیم نور خورشید به پانل ها باشد، بررسی می شود. فاصله سیستم نسبت به مصرف کننده و مسیرکابل کشی، طول کابل های اتصال را تعیین می کند. مقاومت الکتریکی کابل ها و تلفات انرژی در آنها در محاسبات ظرفیت سیستم فتوولتائیک موثر است.

v  شرایط اب و هوایی : تعداد روزهای ابری پشت سر هم از جمله عوامل مهمی است که در بررسی شرایط آب و هوایی تعیین می شود. اگر بخواهیم مقداری از برق خورشیدی را برای ایام ابری ذخیره کنیم این عامل در محاسبات وارد شده و ظرفیت سیستم فتوولتائیک با توجه به برق مورد نیاز در ایام ابری محاسبه می شود. علاوه بر آن وزش باد و سرعت آن برای تعیین استحکام سازه فلزی یا ساختمانی، میزان بارندگی و ارتفاع برف برای تعیین ارتفاع پانل ها ازسطح زمین، شفافیت هوا، میزان شرجی بودن و یا غبار آلود بودن و اثر آنها در شدت تابش نور خورشید، وجود صاعقه و رعد و برق برای پیش بینی تجهیزات ایمنی مناسب از جمله عوامل دیگری است که بررسی می شود.

v  برق مورد نیاز : در بررسی میزان نیاز به انرژی الکتریکی علاوه برتوان، ولتاژ، مستقیم و متناوب بودن آن و مقدار لحظه ای مورد توجه قرار می گیرد. توان مصرفی مستقیماً در محاسبات وارد می شود، و ولتاژ تعیین کننده تعداد صفحات خورشیدی است که با یکدیگر سری و موازی می شوند. مقدار برق لحظه ای مربوط به هنگامی است که همه مصرف کننده ها با هم در مدار قرار می گیرند و یا دستگاه هایی به مدار وارد می شوند که برق شروع  به کار آنها با مصرف مستمر آنها متفاوت است، این عوامل برای طراحی دستگاه کنترل کننده بسیار اهمیت دارد.

کاربردها و چگونگی بکارگیری سیستم های فتوولتائیک (برق خورشیدی)

سیستم‌های فتوولتائیک جهت مصارف عمومی و کشاورزی، بصورت نیروگاه های مستقل از شبکه سراسری برق یا سیستم های متصل به شبکه سراسری با ساختار نصب ثابت و یا متحرک در واحدهای کوچک باتوان پائین جهت تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز ماشین حساب‌های کوچک تا سیستم‌های بزرگ نیروگاهی را نام برد.
در خصوص سیستم های متحرک می بایست متذکر شد که، مزیت آن امکان ردیابی خورشید و افزایش انرژی الکتریکی حاصل از تابش خورشید در طی روز می باشد. در شکل زیر یک سازه متحرک و مقایسه انرژی الکتریکی حاصل ازتبدیل انرژی تابشی نشان داده شده است.

با وجود این مطلب، بدلیل افزایش احتمال خرابی درسیستم مکانیکی، نیاز به انرژی الکتریکی جهت به حرکت در آوردن سازه در کاربردهای کوچک و پراکنده توصیه نمی گردند. تنها درتعدادی از نیروگاه های برق خورشیدی (فتوولتائیک) در جهان از این نوع سازه استفاده شده است.

    روش های کاربرد سیستم های برق خورشیدی

۱.       متصل به شبکه سراسری برق ( Grid Connected )

در این روش، انرژی الکتریکی حاصل از سیستم فتوولتائیک (با استفاده از تجهیزات الکتریکی مبدل جریان مستقیم به جریان متناوب، همچون اینورترهای متصل به شبکه و …) ضمن تغییر شکل و تطبیق سطح ولتاژ و فرکانس انرژی الکتریکی حاصل از سیستم فتوولتائیک، با مشخصات سطح ولتاژ، اختلاف فاز، فرکانس و…  شبکه سراسری به شبکه سراسری برق تزریق می گردد. با استفاده از نیروگاه های فتوولتائیک متصل به شبکه سراسری بصورت متمرکز و یا غیرمتمرکز (ضمن تقویت انرژی جاری در شبکه توزیع)، بدلیل تزریق ولتاژ و جریان ، مانع افت ولتاژ شبکه توزیع گردیده و در نتیجه از فشار بر روی نیروگاه ها در طی روز جلوگیری نمود. این امر به مثابه این است که هر مشترک شبکه سراسری برق، با نصب سیستم متصل به شبکه، خود بعنوان یک تولید کننده پراکنده کوچک (DG)، بصورت نیروگاهی کوچک عمل نماید. دراین روش علاوه بر تامین بخشی از انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف کننده، انرژی الکتریکی (مازاد بر مصرف) به شکه سراسری برق تزریق می شود. درشکل زیر سهم این روش کاربرد سیستم های برق خورشیدی (فتوولتائیک)، نشان داده شده است.
در جدول زیر توان نامی و محل احداث تعدادی از نیروگاههای بزرگ فتوولتائیک در جهان ذکر شده است. این در حالی است که قریب به ۴۰ نیروگاه فتوولتائیک در جهان نصب و مشغول بهره برداری می باشند که غالب آنها در کشورهای اروپایی که از حیث تابش پتانسیل بالایی را دارا نمی باشند، قرار دارند.

۱.        سیستمهای مستقل از شبکه سراسری برق ( Stand Alone )

تأمین انرژی الکتریکی ایستگاه های مخابراتی و تلویزیونی، خانه های مسکونی، چادرهای عشایری، کلبه های روستایی و بصورت کلی رفع نیاز انرژی الکتریکی مناطقی که فاقد شبکه سراسری برق می باشند. این بخش سهم بالایی از سیستم های مستقل از شبکه را در جهان به خود اختصاص داده است. در بسیاری از کشورهای جهان (بویژه کشور های درحال توسعه جهت تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز روستاهای فاقد برق ، از این سیستم استفاده می گردد، بطور مثال در سال ۲۰۰۷ کشور اندونزی برق رسانی به ۱۵۰۰۰ خانوار روستایی را از این طریق آغاز نموده است).

عدم نیاز به سوخت و مشکلات سوخت رسانی بویژه در مناطق صعب العبور و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری مداوم و طول عمر مناسب از جمله عمده مزایایی است که در رشد و توسعه این سیستم‌ ها بویژه در نقاط محروم کشور نقش عمده و بسزایی دارد.

پیش بینی‌های آینده حاکی از آن است که در کشور‌های توسعه یافته در سال‌های آتی با استفاده از این سیستم در طی روز و در زمان تابش خورشید، سهم قابل توجهی از تولید برق آن کشورها از طریق سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه تامین خواهد شد..