انرژی خورشیدی چیست و چه مزایا و معایبی دارد؟

خورشید به‌عنوان یک رآکتور هسته‌ای طبیعی، بسته‌های کوچکی از انرژی به نام فوتون را آزاد می‌کند،

فوتون‌ها در مدت‌زمان تقریبی ۸/۵ دقیقه فاصله‌ی ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید تا زمین را طی می‌کنند.

این ذرات برای تولید انرژی خورشیدی سالانه و برآورده ساختن نیازهای انرژی جهانی کافی هستند.

توان فتوولتائیک فعلی تنها پنج‌دهم از انرژی مصرفی ایالات‌متحده را تشکیل می‌دهد؛

اما فناوری خورشیدی در حال پیشرفت است و هزینه‌ی پیاده‌سازی این نوع انرژی هم

با سرعت چشم‌گیری در حال کاهش است. فناوری‌های متعددی برای تبدیل نور

خورشید به انرژی مصرفی ساختمان‌ها وجود دارند. متداول‌ترین فناوری‌های خورشیدی

برای خانه‌ها و شرکت‌ها فناوری آب گرم خورشیدی، طراحی خورشیدی passive

برای سرمایش و گرمایش محیط و فناوری فتوولتائیک خورشیدی برای برق هستند.

سازمان‌ها و صنایع از این فناوری‌ها برای افزایش منابع انرژی، بهبود بازدهی و

کاهش هزینه‌ها استفاده می‌کنند. متداول‌ترین نوع انرژی خورشیدی، انرژی فتوولتائیک است.

سیستم فتوولتائیک خورشیدی یک سیستم الکتریکی است که از پنل‌های خورشیدی،

معکوس‌کننده و چند مؤلفه‌ی دیگر (مونتاژ، کابل و …) تشکیل شده است.

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 نوع کریستالین 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.

سازوکار و روش‌های ذخیره‌سازی سلول‌های خورشیدی

پتانسیل انرژی خورشیدی مصرفی انسان بر اساس معیارهایی مثل شرایط جغرافیایی،

تغییرات زمانی، پوشش ابری و زمین متغیر است. شرایط جغرافیایی بر پتانسیل انرژی

خورشیدی تأثیر می‌گذارند، زیرا نواحی نزدیک‌تر به استوا تشعشعات خورشیدی بیشتری

را دریافت می‌کنند و از این‌ رو استفاده از فتوولتائیک‌ها یا سلول‌های خورشیدی می‌توانند

پتانسیل انرژی خورشیدی را در مناطق دور از استوا افزایش دهند. تغییرات زمانی هم بر

پتانسیل انرژی خورشیدی تأثیر می‌گذارند زیرا در طول شب پرتوهای خورشیدی قابل‌جذب

برای پنل‌های خورشیدی کمتر هستند. پوشش ابری می‌تواند نور خورشید را مسدود کند

و نور موجود برای سلول‌های خورشیدی را کاهش دهد. معیار مهم دیگر زمین مناسب است،

زمین باید بلااستفاده و مناسب برای تعبیه‌ی پنل‌های خورشیدی باشد. پشت‌بام‌ها موقعیت

مناسبی برای نصب سلول‌های خورشیدی هستند، به این روش هر خانوار می‌تواند انرژی

خود را به‌صورت مستقیم تأمین کند. مناطق مناسب برای نصب سلول‌های خورشیدی

زمین‌هایی هستند که قبلا برای اهداف تجاری یا اهداف دیگر به کار نرفته باشند و بتوان واحدهای خورشیدی را در آن‌ها نصب کرد.

فناوری‌های خورشیدی بر اساس روش دریافت، تبدیل و توزیع نور خورشید و کنترل انرژی

خورشیدی در سطوح مختلف سراسر جهان و همین‌طور فاصله از استوا، به دو دسته‌ی

active (فعال) و passive (منفعل) تقسیم می‌شوند. در روش active از فتوولتائیک‌ها،

نیروی متمرکز خورشیدی، کلکتورهای گرمایی خورشیدی، پمپ‌ها و فن‌ها برای تبدیل نور

خورشید به خروجی‌های مفید استفاده می‌شود. روش passive شامل انتخاب مصالحی

با خواص گرمایی مناسب، طراحی فضاهایی برای تهویه‌ی هوا و قرار دادن موقعیت ساختمان

در معرض نور خورشید است. فناوری‌های خورشیدی فعال تأمین انرژی را افزایش می‌دهند و

متمرکز بر فناوری‌های سمت تأمین هستند؛ درحالی‌که فناوری‌های passive نیاز به منابع

جایگزین را کاهش داده و به‌عنوان فناوری‌های سمت تقاضا درنظر گرفته می‌شوند.

سازوکار تولید انرژی

پنل‌های خورشیدی PV، برق جریان مستقیم (DC) را تولید می‌کنند. در برق DC الکترون‌ها

از یک‌جهت دور مدار به جریان درمی‌آیند. به‌عنوان یک مثال از جریان DC می‌توان به تقویت

لامپ با یک باتری اشاره کرد. الکترون‌ها از قطب منفی باطری حرکت کرده از لامپ عبور می‌کنند و مجددا به قطب مثبت بازمی‌گردند.

در برق AC (جریان متناوب)، الکترون‌ها در یک مسیر متناوب دچار نوسان می‌شوند،

این وضعیت مشابه سیلندر موتور ماشین است. وقتی یک حلقه‌ی سیمی حول یک

آهنربا پیچیده شده باشد، ژنراتور برق AC تولید می‌کند. بسیاری از منابع متفاوت انرژی مثل گاز،

سوخت دیزلی، انرژی برق‌آبی، انرژی هسته‌ای، زغال‌سنگی، باد و انرژی خورشیدی می‌توانند این نوع ژنراتور را کنترل کنند.

به‌دلیل ارزان بودن انتقال برق AC در مسافت‌های طولانی، شبکه‌ی نیروی برق ایالات‌متحده از

برق AC استفاده می‌کند. این در حالی است که پنل‌های خورشیدی برق DC تولید می‌کنند.

حالا سؤال اینجاست که چگونه می‌توان برق DC را به شبکه‌ی AC منتقل کرد؟ پاسخ استفاده از مبدل یا معکوس‌کننده است.

کاربردهای انرژی خورشیدی

فناوری خورشیدی ساختمان‌های صنعتی، تجاری و مسکونی مشابه است

(فتوولتائیک، گرمایش passive، نور روز و گرمایش آبی). البته ساختمان‌های غیرمسکونی

می‌توانند از انواعی استفاده کنند که کاربرد خانگی ندارند. این فناوری‌ها شامل تهویه‌ی هوا،

گرمایش و سرمایش خورشیدی هستند. در ادامه به صورت مختصر به انواع کاربردهای

انرژی خورشیدی در مقیاس خانگی و صنعتی اشاره شده است:

گرمایش، سرمایش، تهویه: دودکشی خورشیدی (دودکش گرمایی) یک سیستم تهویه‌ی خورشیدی passive است

که از یک محور عمودی تشکیل شده است. این محور بیرون و درون ساختمان را به یکدیگر وصل می‌کند.

با گرم شدن دودکش هوای داخل ساختمان هم گرم می‌شود و هوا را به داخل ساختمان می‌کشد.

از گیاهان و درختان فصلی می‌توان به‌عنوان واسطه‌ای برای کنترل گرمایش و سرمایش خورشیدی استفاده کرد.

اگر گیاه در بخش جنوبی ساختمان قرار بگیرد، برگ‌های آن در طول تابستان سایه تولید می‌کنند

و در زمستان شاخه‌های لخت و بدون امکان عبور نور را فراهم می‌کنند.

شپزی: اجاق‌های خورشیدی از نور خورشیدی برای آشپزی، خشک‌ کردن و پاستوریزه‌سازی استفاده می‌کنند.

این وسایل به سه دسته‌ی عمده تقسیم می‌شوند: اجاق‌های جعبه‌ای، اجاق‌های پنلی و اجاق‌های انعکاسی.

 تصفیه‌ی آب: با فرآیند تقطیر خورشیدی می‌توان از آب‌شور یا بدمزه آب آشامیدنی تولید کرد.

اولین بار شیمی‌دان‌های عرب قرن شانزدهم به این فناوری دست پیدا کردند. سپس پروژه‌ی تقطیر

خورشیدی در مقیاس بزرگ‌تر در ۱۸۷۲ در لاس سالیناس شیلی آغاز شد.

معماری: نور خورشید از ابتدای تاریخچه‌ی معماری بر طراحی ساختمان تأثیرگذار بوده است.

روش‌های پیشرفته‌ی معماری خورشیدی و برنامه‌ریزی شهری در ابتدا توسط یونانی‌ها و چینی‌ها به کار رفتند،

آن‌ها برای حداکثر استفاده از نور و گرما ساختمان‌های خود را به سمت جنوب می‌ساختند.

کشاورزی و باغبانی. صنعت کشاورزی و باغبانی به‌دنبال بهینه‌سازی انرژی خورشیدی دریافتی

و افزایش بهره‌وری واحدها است. روش‌هایی مثل چرخه‌های زمان‌بندی‌شده، جهت‌گیری سطری،

ارتفاع متناوب بین سطرها و ترکیب گونه‌های گیاهی می‌توانند به توسعه‌ی برداشت محصول کمک کنند.

در بعضی نقاط کشاورزها برای حداکثرسازی جذب انرژی خورشیدی از دیوارهای میوه‌ای استفاده می‌کنند.

این دیوارها سرعت رسیدن میوه‌ها را از طریق گرم نگه‌داشتن آن‌ها افزایش می‌دهند. دیوارهای اولیه

عمود بر زمین و به سمت جنوب ساخته می‌شدند؛ اما به‌مرور زمان، برای جذب بهتر نور خورشید از

دیوارهای شیب‌دار استفاده شد. انرژی خورشیدی علاوه بر پرورش در دیگر کاربردهای کشاورزی مثل

پمپ کردن آب، خشک کردن محصولات، جوجه‌کشی و خشک کردن کودهای کشاورزی هم نقش دارد.

گلخانه‌ها هم نور خورشید را به گرما تبدیل می‌کنند. در این شرایط امکان پرورش بسیاری از محصولات به‌صورت طبیعی فراهم می‌شود.

حمل‌ونقل: یکی از اهداف مهندسین از دهه‌ی ۱۹۸۰ توسعه‌ی ماشین‌های خورشیدی بوده است.

بعضی وسایل نقلیه از پنل‌های خورشیدی برای تأمین نیروی اضطراری از جمله تهویه‌ی هوا برای خنک

کردن فضای داخل ماشین استفاده می‌کنند و به این صورت مصرف سوخت را کاهش می‌دهند.

تولید سوخت: فرآیندهای شیمیایی خورشیدی از انرژی خورشیدی برای اجرای واکنش‌های

شیمیایی استفاده می‌کنند. این فرایندها می‌توانند انرژی خورشید را به سوخت‌های قابل‌انتقال و

قابل ذخیره‌سازی تبدیل کنند. واکنش‌های شیمیایی خورشیدی را می‌توان به دو نوع ترموشیمیایی

و فوتوشیمیایی تقسیم کرد. فناوری‌های تولید هیدروژن از دهه‌ی ۱۹۷۰ بخش گسترده‌ای از پژوهش‌های انرژی خورشیدی را در برمی‌گیرند.

مزایا و معایب انرژی خورشیدی

با تهدید فزاینده‌ی تغییرات آب و هوایی بر اثر نشر بیش‌ازاندازه‌ی کربن، بسیاری از کشورها

به‌دنبال جایگزین‌های انرژی تمیز برای سوخت‌های فسیلی سنتی خود هستند. از میان

تمام جایگزین‌های انرژی، انرژی خورشیدی بیشترین هزینه را داشته است. بااین‌حال، با

درنظر گرفتن مزایا و معایب و کاهش ۸۰ درصدی قیمت پنل‌های خورشیدی در پنج سال گذشته،

انرژی خورشیدی آینده‌ی درخشانی خواهد داشت. ازجمله مزایای این انرژی می‌توان به موارد زیر اشاره‌ کرد

• پایداری

• تأثیر کم بر محیط

• استقلال انرژی

معایب

یکی از بزرگ‌ترین مشکلات فناوری خورشیدی، این است که تنها هنگام تابش

خورشید انرژی تولید می‌کند. به این معنی که هنگام شب یا در روزهای ابری ممکن

است تأمین انرژی مختل شود. اگر روش‌های کم‌هزینه‌ای برای ذخیره‌سازی انرژی

وجود داشته باشد این مسئله مشکل‌ساز نخواهد شد، زیرا دوره‌های آفتابی طولانی می‌توانند

انرژی اضافه‌ را تولید کنند. برای مثال آلمان یکی از پیشتازان فناوری خورشیدی،

در حال حاضر بر توسعه‌ی ذخیره‌سازی انرژی کار می‌کند تا این مشکل را برطرف کند.

• خرابی زمین

• کمبود مصالح