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.
واحد انرژی خورشیدییک آرایه‌ی بزرگ سیلیکونی که روی بام یک ساختمان تجاری نصب شده است.
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.
فناوری active متمرکز بر تأمین و فناوری passive متمرکز بر تقاضا است
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.
تبدیل انرژی
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.
عملکرد مبدل یا معکوس‌کننده‌ی خورشیدی
مبدل خورشیدی، برق DC را از آرایه‌ی خورشیدی دریافت کرده و آن را به برق AC تبدیل می‌کند. معکوس‌کننده‌ها مغزهای سیستم به شمار می‌روند. مبدل‌ها در کنار تبدیل توان DC به AC، وضعیت سیستم ازجمله ولتاژ و جریان موجود در مدارهای AC و DC، تولید انرژی و ردیابی حداکثر توان را هم نمایش داده و از خطا جلوگیری می‌کنند.
معکوس کننده
از ابتدای شکل‌گیری صنعت خورشیدی، مبدل‌های مرکزی متداول‌ترین انواع مبدل بوده‌اند. ظهور مبدل‌های میکرو یکی از بزرگ‌ترین تحولات فناوری در صنعت PV بود. مبدل‌های میکرو عملکرد هر پنل را به‌صورت مستقل بهینه‌سازی می‌کنند و مانند مبدل‌های مرکزی بر کل سیستم تأثیر نمی‌گذارند. به این صورت هر پنل خورشیدی حداکثر پتانسیل خود را ارائه می‌کند. یکی از معایب دیگر مبدل مرکزی این بود که بروز مشکل روی یک پنل خورشیدی (برای مثال قرار گرفتن آن در سایه یا کثیف شدن آن) عملکرد کل آرایه‌ی خورشیدی را مختل می‌ساخت. مبدل‌های میکرو ازجمله مبدل‌های موجود در سیستم خورشیدی خانگی SunPower Equinox این مشکل را حل کردند. درصورتی‌که یک پنل خورشیدی مشکلی داشته باشد، بقیه‌ی آرایه‌های خورشیدی بدون هیچ مشکلی به کار خود ادامه می‌دهند.
عملکرد سیستم پنل خورشیدی
بهتر است این مفهوم با یک مثال توضیح داده شود. در ابتدا، نور خورشید به پنل خورشیدی روی سقف می‌تابد. پنل‌ها انرژی را به جریان DC تبدیل می‌کنند تا در معکوس کننده جریان پیدا کند. معکوس‌کننده‌ی برق DC را به AC تبدیل می‌کند، در مرحله‌ی بعدی می‌توان از این برق برای تأمین نیروی یک خانه استفاده کرد. این انرژی ساده و پاک، مقرون‌به‌صرفه و بهینه است.
اما ساعاتی که شما در خانه نیستید چه اتفاقی می‌افتد؟ یا مثلا هنگام شب که سیستم خورشیدی، قادر به تولید برق نیست چه کار باید کرد؟ جای هیچ نگرانی نیست، در این شرایط می‌توان از سیستم net metering استفاده کرد. این سیستم یک نوع سیستم معمولی PV مبتنی بر شبکه است که در ساعات اوج روز انرژی بیشتری را تولید می‌کند، بنابراین انرژی مازاد دوباره به شبکه بازمی‌گردد. مصرف‌کننده می‌تواند از انرژی اضافه در هنگام شب یا روزهای ابری استفاده کند. net meter نسبت انرژی ارسالی به انرژی دریافتی از شبکه را ثبت می‌کند. در مقیاس گسترده‌تر، سه نوع سیستم نیروگاهی برای انرژی خورشیدی وجود دارد که عبارت‌اند از:
سیستم متمرکزکننده‌ی خطی
سیستم dish/engine (بشقاب/موتور)
سیستم power tower یا برج نیرو
سیستم متمرکزکننده‌ی خطی انرژی خورشید را با استفاده از آینه‌های مستطیلی و سهموی جمع‌آوری می‌کند. آینه‌ها به سمت خورشید منحرف می‌شوند، نور خورشید را رو لوله‌هایی (گیرنده‌ها) متمرکز می‌کنند که در طول آینه‌ها قرار گرفته‌اند. نور منعکس‌شده، جریان سیال داخل لوله‌ها را گرم می‌کند. سپس از این جریان داغ برای جوشاندن آب در یک ژنراتور معمولی توربینی به‌منظور تولید انرژی برق استفاده می‌شود.
سیستم dish / engine
سیستم dish/engine از یک بشقاب آینه‌ای مشابه بشقاب بزرگ ماهواره‌ها استفاده می‌کند. این سیستم با هدف حداقل سازی هزینه‌ها، از ترکیبی از آینه‌های مسطح ساخته شده که در یک شکل بشقابی کنار هم قرار گرفته‌اند. سطح بشقابی نور خورشید را به گیرنده‌ی گرمایی هدایت می‌کند، گیرنده‌ی گرمایی گرما را جذب و جمع‌آوری می‌کند و سپس آن را به ژنراتور موتور منتقل می‌کند. متداول‌ترین نوع موتور گرمایی که امروزه در سیستم‌های dish/engine به کار می‌رود موتور استرلینگ است. این سیستم از سیال داغ برای جابه‌جایی پیستون‌ها و تولید نیروی مکانیکی استفاده می‌کند. سپس از این نیروی مکانیکی برای راه‌اندازی ژنراتور یا تناوبگر و تولید برق استفاده می‌شود.
مقاله‌های مرتبط:
چگونه گوگل مسیر خرید انرژی پاک را برای شرکت‌ها هموار کرد
سیستم برج نیرو (Power tower) از یک بخش بزرگ و مسطح از آینه‌های ردیابی خورشیدی موسوم به هلیوستات تشکیل شده که از آن‌ها برای متمرکز کردن نور خورشید روی یک گیرنده در قسمت بالای برج استفاده می‌کند. از سیال داغ موجود در گیرنده برای تولید بخار استفاده می‌شود، در مرحله‌ی بعدی از این بخار در یک ژنراتور توربینی معمولی برق تولید می‌شود. بعضی برج‌های نیرو از بخار یا آب به‌عنوان سیال داغ استفاده می‌کنند. طرح‌های پیشرفته‌ی دیگر به دلیل قابلیت‌های ذخیره‌سازی انرژی و انتقال گرمای نمک مذاب نیترات از این ماده استفاده می‌کنند. قابلیت ذخیره‌سازی انرژی یا ذخیره‌سازی گرمایی امکان توزیع برق در روزهای ابری یا هنگام شب را هم فراهم می‌کند.
فناوری نمک مذاب
از نمک مذاب می‌توان به‌عنوان روش ذخیره‌سازی گرمایی برای حفظ انرژی جمع‌آوری شده توسط برج خورشیدی استفاده کرد که درنهایت برای تولید برق در آب‌وهوای بد یا هنگام شب به کار می‌رود. بر اساس پیش‌بینی‌ها بازدهی این سیستم ۹۹ درصد است. نمک در دمای ۱۳۱ درجه‌ی سانتی‌گراد ذوب می‌شود. و تا ۲۸۸ درجه‌ی سانتی‌گراد در یک محفظه‌ی ذخیره‌سازی سرد به حالت مایع باقی می‌ماند. نمک مایع از طریق پنل‌ها به داخل یک کلکتور (جمع‌کننده) خورشیدی پمپ می‌شود، در این کالکتور دما به ۵۶۶ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد. در صورت نیاز به برق نمک داغ به یک ژنراتور بخار معمولی پمپ می‌شود تا بخار داغ را برای توربین یا ژنراتور در هر کدام از واحدهای نیروی هسته‌ای، زغال‌سنگی، نفتی و … فراهم کند.
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.