مقدمه:

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 تولیدانرژی خورشیدی سالانه و برآورده ساختن نیازهای انرژی جهانی کافی هستند.

سیستم تولید برق از انرژی خورشیدی با نام سیستم برق سولار نیز شناخته میشود.

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 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.

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.

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.

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

انرژی خورشیدی جایگزین پایداری برای سوخت‌های فسیلی به شمار می‌رود.

با‌اینکه سوخت‌های فسیلی تاریخ انقضا دارند؛ اما انرژی خورشید حداقل چند میلیارد سال در دسترس خواهد بود.

علاوه براین، هرروز ۷۳ هزار تراوات انرژی خورشید به سطح زمین می‌رسد که ۱۰٬۰۰۰ برابر بیشتر از مصرف روزانه‌ی انرژی در کل جهان است.

برای استفاده از این منبع انرژی عظیم تنها لازم است فناوری‌ موردنیاز آن پیاده‌سازی شود.

تأثیر کم بر محیط

تأثیر انرژی خورشیدی بر محیط در مقایسه با سوخت‌های فسیلی، بسیار کمتر است.

این انرژی گاز گلخانه‌ای منتشر نمی‌کند زیرا فناوری مربوط به آن نیاز به احتراق سوخت ندارد.

اگرچه نیروگاه‌های گرمایی خورشیدی (CSP) به دلیل مصرف آب و بر اساس نوع فناوری به‌کاررفته، نسبتا غیربهینه هستند.

استفاده از فناوری مناسب می‌تواند بازدهی را افزایش دهد.

برای مثال سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک (PV) برای تولید برق نیازی به آب ندارند.

استقلال انرژی

ازآنجاکه نور خورشید در اغلب کشورهای دنیا فراوان است، بنابراین می‌تواند هر کشوری را به یک تولید‌کننده‌ی انرژی بالقوه تبدیل کند.

و وابستگی کشورها به انرژی را کاهش دهد و از طرفی امنیت آن‌ها را افزایش دهد.

انرژی خورشیدی تنها در سطح ملی امنیت و استقلال را افزایش نمی‌دهد.

زیرا در مقیاس‌های کوچک‌تر برای مثال با نصب پنل‌های خورشیدی روی بام خانه‌ها هم می‌توان نیروی برق موردنیاز هر خانوار را تأمین کرد.

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

یکی از نگرانی‌های انرژی خورشیدی، آسیب به زمین، فرسایش و از بین رفتن حیات‌وحش است.

بااینکه سیستم‌های خورشیدی PV را می‌توان در محل‌های ثابتی نصب کرد، اما ممکن است سیستم‌های بزرگ PV برای تولید هر مگاوات برق به ۳.۵ تا ۱۰ جریب زمین و تأسیسات CSP برای تولید همین میزبان به ۴ تا ۱۶.۵ جریب زمین نیاز داشته باشند.

برای حل این مشکل می‌توان تأسیسات را در بخش‌های کم کیفیت یا در امتداد جاده‌ها و بزرگراه‌ها نصب کرد.

کمبود مصالح

 بعضی فناوری‌های خورشیدی به مصالح نادری در تولید خود نیاز دارند.

بااین‌حال این مشکل فناوری PV هست نه فناوری CSP.

برای مثال بسیاری از مصالح نادر و کمیاب محصولات جانبی فرآیندهای دیگر هستند و به‌طور مستقیم از معدن استخراج نشده‌اند.

بازیافت مصالح PV و پیشرفت‌های حاصل در نانو فناوری بازدهی سلول‌های خورشیدی را بالا برده و به افزایش تأمین توان کمک می‌کنند.

اما شاید یافتن جایگزین‌ها با فراوانی بیشتر بتوانند نقش عمده‌ای در حل این مشکل ایفا کنند.

بااینکه فناوری خورشیدی معایبی دارد و در بعضی بازارها پرهزینه است، اما جایگزین بسیار مناسبی برای سوخت‌های فسیلی است.

مشکلات هزینه با پیشرفت‌های آینده‌ی فناوری در افزایش بازدهی و ظرفیت ذخیره‌سازی قابل‌حل هستند.

با درنظر گرفتن سودهای بالقوه‌ی برداشت گرما و نور خورشید، انگیزه‌ برای توسعه‌ی آینده‌ی انرژی خورشیدی بالا خواهد رفت.