ب: سیستم­های مستقل از شبکه
سیستم­های مستقل از شبکه (سیستم­های جزیره­ای)، سیستم­هایی هستند که بدون اتصال به شبکه سراسری، برق خود را تامین می نمایند. این سیستم­ها برای مناطق دور از شبکه که به دلیل محدودیت­های فنی(صعب العبور بودن منطقه) و اقتصادی( همانند دور بودن از مراکز تولید توان و یا داشتن جمعیت پایین) انتقال برق رسانی مشکل است، کاربرد زیادی دارند.

کاربرد مستقل سیستم­های تولید پراکنده به صورت جزیره­ای، جهت تامین بار مصرف کنندگان، از مزایای عمده آن­ها محسوب می­ شود. برای صنایع و واحدهایی که قطع برق خسارت فراوانی را برای آن ها در برداشته و یا به طور کلی مکان­هایی که امکان دسترسی به انرژی برق از طریق شبکه سراسری با قیمت مناسب را نداشته باشند، بکارگیری این سیستم­ها مفید می­باشد. با گسترش پیشرفت صنعت برق، تکنولوژی­های جدید و مختلفی ایجاد شده است. اکثر این تکنولوژی­ها به صورت تجاری و صنعتی در دسترس می باشند.
یکی از مهم ترین مسائل در سیستم­های تولید پراکنده در حالت مستقل از شبکه، پیوستگی تغذیه بار و کنترل ولتاژ و فرکانس آن است. معمولا در سیستم های تولید پراکنده مستقل از شبکه، از منابع تجدیدپذیر انرژی (مانند انرژی خورشیدی یا بادی) به عنوان منبع اولیه انرژی استفاده می­ شود. باتوجه به تغییرات شدت نور و سرعت باد در طول روز، توان حاصل از این منابع دارای نوساناتی است. در نتیجه استفاده از واحد ذخیره انرژی برای تامین پیوسته بار اجتناب ناپذیر است. لذا بهره­مندی از سیستم کنترلی مناسب برای کنترل توان بین واحدهای ذخیره انرژی با منابع انرژی اولیه به گونه ای باشد، که بار به طور پیوسته تامین شود [۱۹]. هدف از این پایان نامه ارائه سیستم کنترلی مناسب برای کنترل پخش توان بین واحدهای انرژی و کنترل فرکانس در سیستم تولید پراکنده می­باشد.
۲-۳-۴ انواع تولیدات پراکنده
این تولیدات پراکنده را می توان از دید تکنولوژی به سه دسته عمده تقسیم نمود که عبارتند از:
الف: تکنولوژی گازی
ب: تکنولوژی های انرژی نو
ج: وسایل ذخیره انرژی
که در آن تکنولوژی گازی شامل توربین­های احتراقی گازی، توربین­های کوچک و سلول­های سوختی می­باشد. تکنولوژی­های انرژی نو شامل انرژی نهفته طبیعی، توربین­های کوچک بادی، سلول­های فتوولتائیک می باشند. انرژی خورشیدی با بهره گرفتن از سلول­های فتوولتائیک تبدیل به انرژی الکتریکی می شود. وسایل ذخیره انرژی شامل باتری، ابر رسانای مغناطیسی، سوپر خازن­ها، سدهای ذخیره آب و وسایل ذخیره انرژی هوای فشرده می باشند [۲۰].
۲-۴ سیستم هیبرید^[۷]
ریز شبکه­ ها مفهوم تازه­ای برای آینده­ی سیستم­های انرژی هستند که بهره ­برداری از انرژی­های تجدیدپذیر را ممکن ساخته­اند. یک ریز شبکه از تعدادی واحد تولید پراکنده و بارهای متصل به آن تشکیل شده، که می تواند در حالت متصل به شبکه و یا مستقل از آن (جزیره ای) عمل کند [۲۱].
این شبکه­ ها که از منابع مختلف انرژی تغذیه می­شوند، به صورت ترکیبی و مکمل با یکدیگر کار می­ کنند. این ساختارها به عنوان سیستم­های هیبریدی قدرت یا سیستم­های ترکیبی قدرت شناخته می­شوند. در این سیستم ها حداقل یکی از منابع توان منبع انرژی تجدیدپذیر می باشد. از آنجایی که این سیستم­ها از دو یا چند منبع مختلف انرژی تغذیه می­شوند در مقایسه با سیستم­هایی که یک منبع برای تولید برق دارند از قابلیت اطمینان بالاتری برخوردار هستند. مزیت اصلی ریز شبکه یا سیستم هیبریدی قدرت عبارت است از [۲۲]:
۱- عملکرد مستقل از شبکه سراسری
۲- امکان استفاده از تولید همزمان توان الکتریکی و حرارتی
۳- قابلیت اتصال به شبکه سراسری
۴- قابلیت عملکرد پایدار در مناطق دور افتاده و جدا از شبکه سراسری
۵- رایگان بودن انرژی اولیه این سیستم­ها
۲-۴-۱ مزایای ریز شبکه و چالش­های سیستم­های هیبریدی
پیشرفت و کاربرد ریز شبکه­ ها مزایای بسیاری را برای صنعت تولید برق به همراه داشته است. این مزایا عبارتند از [۲۳]:
۱- افزایش قابلیت شبکه
۲- ارائه انرژی الکتریکی بی وقفه به بارهای حساس
۳- کاهش آلودگی هوا به ویژه دی اکسید کربن
۴- کاهش تلفات شبکه توزیع و انتقال
۵- کاهش هزینه­ های خطوط انتقال
۶- نیاز به سرمایه گذاری کمتر و مناسب بودن برای مشارکت بیشتر در بازار برق
۷- یافتن راحت­تر فضای مناسب جهت احداث، به علت کوچک بودن فضای مورد نیاز
۸- راحتی گسترش و امکان اتصال یک میکروتوربین به ریز شبکه، بدون نیاز به تغییرات در سایر میکرو توربین ها و شبکه
۹- بازدهی بالا
علی رغم مزایای بسیار سیستم­های ریز شبکه، استفاده از این سیستم ها منجر به بروز چالش ها و موانعی نیز می گردد. برخی از این چالش ها عبارتند از [۲۳]:
۱- مشکلات فنی مانند مدیریت، حفاظت، کنترل و پایداری ریز شبکه
۲- نبود استانداردهای لازم جهت پیاده­سازی سیستم­های ریز شبکه
۳- وجود موانع اداری و حقوقی و فقدان قوانین و مقررات لازم به منظور تنظیم عملکرد شبکه
۲-۵ سیستم فتوولتائیک
به پدیده ای که در اثر آن و بدون استفاده از مکانیزم های مکانیکی، انرژی تابشی به انرژی الکتریکی تبدیل شود پدیده فتوولتائیک گفته می شود. این پدیده بر فرضیه ذره ای بودن انرژی تابشی بنا نهاده شده است. هر سیستمی نیز که از این خاصیت استفاده نماید، سیستم فتوولتائیک نام دارد [۲۴].
در یک سیستم فتوولتائیک هیچ گونه حرکت مکانیکی وجود نداشته و زمانیکه قطعات حرکتی نداشته باشند، استهلاکی نیز وجود نخواهد داشت. سلول های خورشیدی امروزی حتی می توانند به عنوان شیشه پنجره کار کنند. این سلول ها این قابلیت را دارند که بین ۸۰ % تا ۹۰ % نور خورشید را از خود عبور دهند. این کیفیت باعث می شود که پنجره هایی مجهز به سلولهای خورشیدی بتوانند به خنک ماندن هوای داخل در تابستان کمک کنند و ساختمان را زیباتر و هم انرژی الکتریسیته مورد نیاز ساختمان را تهیه کنند.
برخی از معایب استفاده از سیستم های فتوولتائیک عبارتند از [۲۴]:
۱- هزینه تولید برق توسط سلول­های فتوولتائیک بیشتر از هزینه تولیدی برق ناشی از سوخت­های فسیلی می­باشد. لازم به توضیح است که با افزایش تولید سلول­های فتوولتائیک می­توان هزینه­ها را کاهش داد.
۲- برق تولیدی از انرژی خورشیدی غیر قابل اعتماد بوده و همواره در دسترس نمی باشد و میزان تولیدات به شرایطی نظیر حالت وضعی خورشید، شرایط اتمسفر، ابری بودن و … بستگی دارد.
۳- به منظور استفاده از انرژی خورشیدی در شب باید از باتری برای ذخیره­سازی انرژی استفاده گردد.
۴- برای مصارف زیاد توان، نیاز به مساحت زیادی برای نصب سلول­های فتوولتائیک می باشد.
۲-۵-۱ تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی در سیستم فتوولتائیک
نور خورشید از فوتون­ها یا ذرات انرژی خورشیدی تشکیل شده است. این فوتون­ها که مقادیر متغیر انرژی را شامل می شوند، درست مشابه با طول موج­های متفاوت طیف­های نوری هستند. وقتی فوتون ها به یک سلول فتوولتائیک برخورد می­ کنند، ممکن است منعکس شوند، مستقیم از میان آن عبور کنند و یا جذب شوند.
فقط فوتون­های جذب شده، انرژی لازم را برای تولید الکتریسیته فراهم می کنند. وقتی نور خورشید به میزان لازم و یا انرژی توسط جسم نیمه هادی جذب شود، الکترون­ها از اتم­های جسم جدا می­شوند.( به دلیل اینکه آخرین الکترون یک اتم با گرفتن انرژی فوتون به لایه بالاتر رفته و می تواند از میدان پروتون آزاد شده و آزادانه در نیمه­رسانا حرکت کند). رفتار خاص سطح جسم در طول ساختن موجب می­ شود سطح جلویی سلول برای الکترون­های آزاد بیشتر پذیرش یابد. بنابراین، الکترون­ها به طور طبیعی به سطح مهاجرت می­ کنند. زمانیکه الکترون ها موقعیت n را ترک می کنند، حفره­هایی تشکیل می­ شود. تعداد الکترون­ها زیاد بوده و هر کدام یک بار منفی را حمل می­ کنند و به طرف جلوی سطح سلول پیش می­روند. در نتیجه عدم توازن بار بین سلول­های جلویی و سطح عقبی، یک پتانسیل ولتاژ شبیه قطب های مثبت و منفی یک باتری ایجاد می شود. زمانیکه دو سطح از میان یک راه داخلی مرتبط شوند، الکتریسیته جریان می یابد.
سیستم های فتوولتائیک از سه بخش اصلی تشکیل شده اند:
الف: ماژول یا پنل های خورشیدی
ب: قسمت واسطه یا بخش توان مطلوب
ج: مصرف کننده یا بار الکتریکی
مصرف کننده
واسطه (باتری)
ماژول
فتوولتائیک
شکل ۲-۱ : بخش های اصلی یک سیستم فتوولتائیک
الف: ماژول یا پنل­های خورشیدی
مبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی می باشد. پنل­های فتوولتائیک که در معرض خورشید قرار می­گیرند، متشکل از سلول­های فتوولتائیک هستند. ماده اصلی تشکیل دهنده بیشتر سلول­های خورشیدی موجود در بازار از لایه نازکی از مواد نیمه رسانا، مانند سیلیکون تشکیل می شوند.
سلول­های فتوولتائیک به صورت الکتریکی در مدار های سری یا موازی متصل می شوند تا ولتاژ یا جریان بیشتر تولید کنند. به مجموعه ای از این سلول­ها که در کنار یکدیگر بر اساس طراحی­های هر کارخانه سازنده در یک لایه محافظت شده از نظر محیطی، سری و موازی می گردند و بلوک ساختمان اولیه یک واحد مولد فتوولتائیک را تشکیل می­ دهند، پنل یا ماژول فتوولتائیک گفته می­ شود و مجموعه­ این پنل­ها آرایه­ی خورشیدی عنوان می گردد. در شکل زیر این مطلب نشان داده شده است.
شکل ۲-۲ : آرایه، پنل، ماژول و سلول فتوولتائیک
ماژول­های فتوولتائیک و آرایه­ها معمولاً بر اساس ماکزیمم توان DC خروجی تحت شرایط استاندارد آزمایش برآورد می شود. شرایط استاندارد آزمایش با یک دمای ۲۵ درجه برای عملکرد ماژول، تابش خورشیدی لازم در سطح ۱۰۰۰ وات بر متر مربع و تحت شرایط جرم هوایی ۵/۱ در انتشار طیف تعیین می شود. تا زمانیکه این شرایط برای نحوه عملکرد ماژول های PV و آرایه­ها در این حوزه عادی نشود، عملکرد واقعی تا حدی کمتر از حالت استاندارد است.