انرژی خورشیدی،کاربرد ها و آینده ی آن

انرژی خورشیدی منحصر به‌ فردترین منبع انرژی تجدید پذیر در جهان است و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین به شمار می آید. این انرژی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می‌تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل شود. با توجه به محدود بودن منابع سوخت فسیلی و مشکلات ناشی از احتراق این سوخت‌ها مانند آلودگی روز افزون هوا، استفاده از فناوریهای خورشیدی مورد توجه بسیاری از کشورها قرار گرفته و در حال حاضر کشورهای زیادی وجود دارند که به دنبال استفاده از نور خورشید به طرق مختلف هستند تا از آن به عنوان مثال برق تولید کنند.

خورشید منبع بی پایان انرژی

خورشید منبع عظیم انرژی است و می توان گفت منشاء تمام انرژیهای دیگر است. در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می‌گذرد و در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است، این کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد.میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می‌باشد که از سطح آن انرژیی با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می‌شود.زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد. ولی با اینکه سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید میزان کمی از کل انرژی تابشی آن می‌باشد، حتی سوختهای فسیلی ذخیره شده در زمین، انرژیهای باد، آبشار، امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین انرژی دریافتی زمین از خورشید می‌باشد.انرژی تابشی خورشید که در هر روز به زمین می‌رسد، برای برآورده کردن انرژی مورد نیاز یک سال کره زمین کافی است 

سلول های خورشیدی و انواع آن ها

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.

نحوه ی تبدیل انرژی در سلول‌های فتوولتائیک

در فرایند فتوولتائیک، ذرات نور که فوتون نام داشته به داخل سلول‌های خورشیدی نفوذ کرده و با آزاد کردن الکترون از اتم های سیلیکن جریان الکتریکی تولید می کنند. تا زمانی که تابش نور به داخل سلول در جریان باشد، الکتریسیته تولید می شود. این سلول ها الکترون های خود را مانند باتری ها تمام نمی کنند . آنها مبدل هایی بوده که یک نوع انرژی (خورشیدی) را به نوعی دیگر (جریان الکترون ها) تبدیل می کند.

تولید برق در پنل های خورشیدی

پنل خورشیدی برق جریان مستقیم یا DC تولید می کنند.با برق DC الکترون ها در یک مسیر اطراف یک مدار شناور می شوند.این مورد نشان می دهد یک باتری ، برق یک لامپ را تامین می کند.الکترون ها از سمت منفی باتری حرکت می کنند.از مسیر لامپ و به سمت مثبت باتری بر می گردند.با برق جریان متناوب یا AC ، الکترون ها هول داده شده و کشیده می شوند ، مسیر معینی را حفظ می کنند ، مثل یک سیلندر موتور ماشین.همانطور که می دانید برای شبکه برق ایران جریان AC انتخاب شده است ، چون برای انتقال در مسافت های زیاد هزینه کمتری در بر دارد.این در حالی است که پنل های خورشیدی برق DC تولید می کنند. برای تزریق برق DC به شبکه ی AC از اینورتر های مخصوص سیستم خورشیدی استفاده می کنیم.یعنی در انتهای پنلها ، اینورترهای خورشیدی را قرار می دهیم.بسته به ابعاد نیروگاه می توانیم از یک یا چند اینورتر استفاده کنیم.

کاربرد های انرژی خورشیدی

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.

در روش‌های جدید طراحی خورشیدی از مدل‌سازی کامپیوتر استفاده می‌شود و سیستم‌های گرمایش، نورپردازی و تهویه‌ی خورشیدی در یک مجموعه‌ی یکپارچه ارائه می‌شوند. تجهیزات خورشیدی active مانند پمپ‌ها، فن‌ها و پنجره‌های قابل‌جایگزینی می‌توانند مکملی برای طراحی passive باشند و عملکرد کلی سیستم را بهبود دهند.

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

مزایای انرژی خورشیدی

۱–تجدید پذیر بودن: این انرژی دارای منبع بی پایان است و از بین نمی رود. تا زمانی که خورشید در حال تابش است امکان استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد – دانشمندان عمر خورشید را حدود ۵/۶ میلیارد سال تخمین زده اند-.

۲–فراوانی: پتانسیل انرژی خورشیدی فراتر از تصور است. سطح زمین ۱۲۰۰۰۰ تراوات تابش خورشید را دریافت می کند که این مقدار ۲۰۰۰۰ بار بیشتر از توان مورد نیاز کل دنیاست.

۳–پایداری : منابع پایدار، نیاز انرژی امروز را بدون اینکه به تامین نیاز آیندگان لطمه ای وارد کنند، برآورده می کنند. به عبارت دیگر، انرژی خورشید به این خاطر پایدار است که به هیچ وجه نمی توان بیش از حد از آن استفاده کرد.

۴–دوستدار محیط زیست: استفاده از انرژی خورشیدی در کل آلودگی به همراه ندارد. هرچند که مقداری آلودگی در اثر ساخت، انتقال و نصب نیروگاه های خورشیدی وجود دارد اما میزان آن ها در مقابل نیروگاه های سوخت فسیلی متداول بسیار کم است. انرژی خورشیدی پاک است و وابستگی به منابع تجدیدناپذیر را کاهش می دهد.

۵–قابلیت دسترسی: انرژی خورشیدی در همه جای دنیا یافت می شود و این انرژی فقط مربوط به کشورهای نزدیک استوا نیست. به طور مثال می توان گفت که آلمان بالاترین ظرفیت توان خورشیدی دنیا را دارد.

۶–کاهش هزینه برق: صاحبان خانه های مسکونی در صورتی که امکانات شبکه ای آن وجود داشته باشد می توانند میزان برق تولیدی مازاد بر مصرف خود را به شبکه فروخته و در مقابل تعرفه های مصوب را دریافت نمایند. این بدین معنی است که صاحبان خانه می توانند هزینه برق مصرفی خود را به شدت کاهش دهند.

۷–کاربردهای فراوان: انرژی خورشیدی برای کاربردهای مختلفی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. می تواند برای تولید برق در مکان هایی که شبکه برق رسانی وجود ندارد و یا برای شیرین سازی آب در و یا حتی تولید برق مورد نیاز ماهواره ها در فضا به کار گرفته شود. انرژی خورشید به عنوان انرژی مردمی نیز شناخته می شود که بیان کننده این موضوع است که قابلیت افزایش سلول های خورشیدی به سطح نیاز مشتریان بستگی دارد.

۸–عدم وجود صدا: در برخی از کاربردهای انرژی خورشید، هیچ قسمت متحرکی وجود ندارد. به طور مثال سلول های فوتوولتاییک هیچگونه صدایی ندارند. به طور قطع این تکنولوژی خیلی مطلوب تر از سایر تکنولوژی های سبز مانند توربین های بادی است.

۹–هزینه نگهداری پایین: از آنجایی که قطعات متحرک ندارند و یا کم هستند، هزینه نگهداری این انرژی بسیار پایین است. به طور مثال سلول های خورشیدی خانگی فقط نیازمند ۲ بار تمیزکاری در سال هستند.

۱۰–تکنولوژی در حال پیشرفت: پیشرفت های علمی زیادی دائما در حال انجام است. نوآوری ها و ابداعات جدید در علوم نانوتکنولوژی و فیزیک کوانتوم این پتانسیل را به همراه دارند که بتوانند توان خروجی سلول های خورشیدی را ۳ برابر افزایش دهند.

معایب انرژی خورشیدی

۱–قیمت بالا: نیروی محرکه لازم برای پیشبرد انرژی خورشیدی ریشه در برنامه ریزی های یک کشور دارد. این برنامه ها می توانند مشوق خوبی برای منابع خورشیدی در مقابل سایر منابع باشند. لازم به ذکر است که علت نیازمند بودن به برنامه ریزی و حمایت دولت از این جهت است که هزینه های اولیه راه اندازی تجهیزات خورشیدی گران قیمت است و سرمایه گذاران شخصی برای خرید و نصب سل های خورشیدی به تسهیلات مالی نیازمندند.

۲–متناوب بودن: انرژی خورشید یک منبع متناوب است. دسترسی به نور خورشید در یک بازه زمانی خاص در طول شبانه روز امکان پذیر است. همچنین پیش بینی آب و هوای روزانه نیز دشوار است. از این رو برای تولید برق مورد نیاز، انرژی خورشید به عنوان منبع اصلی و اولیه برای این منظور محسوب نمی شود.

۳–ذخیره سازی هزینه بر: سیستم های ذخیره کننده انرژی خورشیدی مانند باتری ها به یکنواخت بودن و پایدار بودن جریان برق کمک می کنند. اما این تکنولوژی ها بسیار گران قیمت هستند.

۴–آلایندگی: گرچه انرژی خورشیدی قطعا بدون آلایندگی است اما مشکلاتی نیز در این میان وجود دارد. برخی از مواد مورد استفاده در فرآیند ساخت سلول های خورشیدی مانند نیتروژن تری فلوراید و سولفور هگزافلوراید ، انتشار گازهای گلخانه ای را به همراه دارند. انتقال و نصب سلول های خورشیدی نیز می توانند به صورت غیر مستقیم آلودگی ایجاد کنند.

۵–مواد نایاب: برخی از سلول های خورشیدی خاص نیازمند موادی هستند که گران قیمت بوده و در طبیعت نیز نایابند. این قضیه برای سلول های خورشیدی نازک (Thin-film Solar Cells) که بر پایه کادمیوم تلوراید (CdTe) یا مس ایندیوم گالیوم سلوناید (CIGS) هستند صادق است.

۶-نیازمند فضا: زمانی که قرار است مشخص شود از یک ناحیه مشخص چه مقدار انرژی به دست می آید، پارامتر چگالی توان یا همان وات بر متر مربع (W/m²) به عنوان یک عامل ضروری خود را نشان می دهد. چگالی توان پایین نیروگاه خورشیدی نشان دهنده این است که برای تامین برق مورد نظر به فضای زیادی برای احداث نیروگاه خورشیدی نیاز است. میانگین جهانی چگالی توان تابشی خورشید W/m²۱۷۰ می باشد.

آینده ی انرژی خورشیدی

با توجه به نرخ تغییر وضعیت در مباحث انرژی، می‌توان گفت که پیش‌بینی کردن روند ۱۰ سال آتی نسبت به گذشته غیر ممکن است، با این وجود روندهایی وجود دارند که به‌نظر می‌رسد تا سال ۲۰۳۰ به تحقق بپیوندند. ۵ مورد از این روندها که بیش از همه نسبت به وقوع آن امیدواری وجود دارد، در ادامه ذکر شده است.

۱- قیمت جهانی کربن ثابت می‌شود: وضعیت انتشار کربن ازسوی چین و الگوی توسعه صنعت و تجارت این کشور با افزایش انتشار این ماده آلاینده، مشکلاتی را برای محیط‌زیست ایجاد کرده است؛ اما به‌نظر می‌رسد در اوایل دهه ۲۰۲۰ طرح‌هایی برای کاهش ۵۰ درصدی انتشار این گازها توسط چین صورت گیرد. وجود چنین طرحی نگرانی‌ها در مورد رقابت و مصرف کربن از سوی کشورهای دیگر را نیز کمتر می‌کند و منجر به ارائه طرح‌های مشابهی از سوی آنها می‌شود. به این ترتیب، این کار روی قیمت سوخت‌های فسیلی تاثیرگذار بوده و سرمایه‌گذاری در زمینه انرژی‌های نو و تجدیدپذیر را جذاب‌تر خواهد کرد. پس از تصمیم اتحادیه اروپا مبنی‌بر اصلاح میزان مجاز انتشار کربن و توجه به این چارچوب در الگوی تجاری خود، طرح‌های چین و اروپا قادر به ارتباط یافتن با یکدیگر هستند. تا میانه دهه ۲۰۲۰ آمریکای لاتین جدید و الگوهای کانادایی- کالیفرنیایی مذاکراتی را برای کاهش بهای کربن آغاز می‌کنند و راه را برای دست یافتن به قیمت باثبات کربن تا سال ۲۰۳۰ هموار می‌کنند. این به معنی آن است که یک قیمت وجود خواهد داشت که در تمام دنیا قابل کاربرد است و این کار انگیزه ساده و قدرتمندی برای روی آوردن به سمت و سوی انرژی‌های پاک فراهم می‌کند.

۲- سرمایه‌گذاری در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر با عبور از زغال‌سنگ و ممنوعیت آن ۴ برابر می‌شوند: در سال ۲۰۱۳ ایالات‌متحده سرمایه‌گذاری پیرامون پروژه‌های جدید استخراج زغال سنگ در آن سوی آب‌ها را متوقف کرد و در همین سال بانک جهانی نیز تامین مالی پروژه‌های جدید زغال‌سنگ را محدود کرد. در سال ۲۰۱۵ نیز صندوق سرپرستی ثروت نروژ، قصد خود را مبنی‌بر عبور از فعالیت در حوزه زغال‌سنگ اعلام کرد. با افزایش تمرکز بر ریسک بلندمدت و متروکه شدن چنین دارایی‌هایی که در حوزه مربوط به زغال‌سنگ قرار دارند، صندوق‌های بازنشستگی و سایر نهادهای سرمایه‌گذاری این روند را در دهه ۲۰۲۰ دنبال خواهند کرد و به‌سوی سرمایه‌گذاری در انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس جهانی روی خواهند آورد و سرمایه‌گذاری در حوزه زغال‌سنگ را متوقف خواهند کرد. تا سال ۲۰۳۰ سالانه بیش از ۲/ ۱ تریلیون دلار در جهان در انرژی‌های تجدیدپذیر سرمایه‌گذاری می‌شود که بیش از ۵ برابر سرمایه‌گذاری صورت گرفته در سوخت‌های فسیلی خواهد بود.

۳- مشارکت افراد و بخش غیر دولتی در انرژی در مناطق دارای انرژی افزایش می‌یابد: بسیاری از کشورهای توسعه‌یافته تا دهه منتهی به سال ۲۰۳۰ به اهداف مربوط به کارایی انرژی خود خواهند رسید و حتی آنها را پشت سر خواهند گذاشت. در پی آن، دولت‌ها نیازمند مشارکت بیشتر مردم خواهند بود و بیشتر بر کربن‌زدایی از انرژی تمرکز می‌کنند که این امر خود منجر به این می‌شود که انگیزه مالی افزایش یافته و موانع قانونی و مقرراتی را که در زمینه مالکیت انرژی‌های تجدیدپذیر برای خانوار و جامعه وجود دارد، کاهش دهد.

۴- اروپا به مرکز تولید انرژی‌های تجدیدپذیر نسل آینده تبدیل می‌شود: با نوسانات فراوان مقادیر سیلیکون تولیدی در چین، دولت‌های اروپایی پتانسیل تکنیک‌های ساخت پیشرفته و پیشگام شدن در حوزه تولید انرژی‌های تجدیدپذیر را در خود می‌بینند و سرمایه‌گذاری زیادی در حوزه تحقیق و توسعه و شرکت‌های چندملیتی برای دست یافتن به این هدف کرده‌اند.

۵- دوره لابی کردن برای سوخت‌های فسیلی سپری شده است: الکتریکی شدن گسترده حمل‌و‌نقل و گرمایش، حرکت به سوی هوشمند شدن شبکه‌های مختلف در مصرف انرژی و افزایش گسترده نیاز به ذخیره‌سازی انرژی، فرصت‌های بسیار خوبی در دهه ۲۰۲۰ برای کمپانی‌های جدیدی که به بخش انرژی وارد شده‌اند، فراهم می‌کند. همان طور که انتظار می‌رود، با گسترش استارت‌آپ‌ها در حوزه انرژی‌های نوین این امر تشدید نیز می‌شود.