فهرست مطالب
انرژی خورشیدی چیست؟
انرژی خورشیدی یکی از شکل‌های انرژی تجدید پذیر است که با پیشرفت تکنولوژی پیش از پیش در زندگی روزمره بشر تاثیر دارد.
انرژی خورشیدی همانگونه که از نام آن مشخص است انرژی حاصل از خورشید است که به انرژی گرمایی یا الکتریکی تبدیل می‌شود. این انرژی تمیزترین و فراوان‌ترین منبع انرژی تجدید پذیر است. امروزه فناوری‌های خورشیدی می‌توانند از این انرژی برای مصارف مختلف از جمله تولید برق، تأمین نور یک فضای داخلی راحت و گرم کردن آب برای مصارف خانگی، تجاری یا صنعتی استفاده کنند.
فناوری‌های خورشیدی چه هستند؟
سه روش اصلی برای مهار انرژی خورشیدی وجود دارد که عبارتند از : «فتوولتائیک» (photovoltaics)، گرمایش و سرمایش خورشیدی و تمرکز انرژی خورشیدی.
فتوولتائیک از طریق یک فرآیند الکترونیکی مستقیماً از نور خورشید برق تولید می‌کند و می‌توان برای تأمین انرژی وسایل الکترونیکی کوچک مانند ماشین حساب، علائم به کار برده در جاده تا خانه‌ها و مشاغل بزرگ تجاری از آن استفاده کرد. دو فناوری دیگر انرژی خورشیدی یعنی گرمایش و سرمایش خورشیدی (SHC) و تمرکز انرژی خورشیدی (CSP) هر دو از گرمای تولید شده توسط خورشید برای تأمین گرمای فضا یا آب گرم در سیستم‌های SHC یا توربین‌های تولید کننده برق در سیستم‌های CSP استفاده می‌کنند.
تولید انرژی حرارتی با انرژی خورشیدی چگونه است؟
از جمله متداول‌ترین دستگاه‌هایی که برای جذب انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انرژی حرارتی استفاده می‌شوند کلکتورهای صفحه تخت هستند که برای کاربردهای گرمایش خورشیدی استفاده می‌شوند.
از آنجا که شدت تابش خورشید در سطح زمین بسیار کم است این کلکتورها یا جمع کننده‌ها باید مساحت زیادی داشته باشند. به عنوان مثال حتی در مناطق آفتابی معتدل جهان یک کلکتور باید مساحتی حدود 40 مترمربع (430 فوت‌مربع) داشته باشد تا انرژی کافی برای تأمین انرژی مورد نیاز یک فرد را فراهم کند.
کلکتورهای صفحه تختی که بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل یک صفحه فلزی سیاه شده هستند که با یک یا دو ورق شیشه پوشانده شده و با تابش نور خورشید گرم می‌شوند. این گرما به هوا یا آبی که از پشت صفحه کلکتور عبور می‌کند منتقل می‌شود که به آن سیال حامل می‌گویند.
این گرما ممکن است به طور مستقیم استفاده شود یا ممکن است برای ذخیره به محیط دیگری منتقل شود. کلکتورهای صفحه تخت معمولاً برای آبگرمکن خورشیدی و گرمایش خانه استفاده می‌شوند. همچنین ذخیره گرما نیز برای استفاده در شب یا روزهای ابری معمولاً با استفاده از مخازن عایق‌بندی شده برای ذخیره آب گرم در دوره‌های آفتابی انجام می‌شود.
چنین سیستمی می‌تواند آب گرم خانه را تأمین کرده یا با عبور گرما از طریق لوله‌ها در کف و سقف گرمایش فضا را تأمین کند. کلکتورهای صفحه تخت به طور معمول مایعات حامل گرما را تا دمای 66 تا 93 درجه سانتیگراد (150 تا 200 درجه فارنهایت) گرم می‌کنند. بازده چنین کلکتورهایی (یعنی نسبت انرژی دریافتی به انرژی قابل استفاده) بسته به طراحی کلکتور از 20 تا 80 درصد است.
روش دیگر برای تولید انرژی گرمایی از انرژی خورشیدی استفاده از «استخرهای خورشیدی» (solar ponds) است که بدنه‌های آنها از آب نمک ساخته شده و برای جمع‌آوری و ذخیره انرژی خورشیدی طراحی شده‌اند. گرمای استخراج شده از چنین حوضچه و مخزن‌هایی امکان تولید مواد شیمیایی، مواد غذایی، منسوجات و سایر محصولات صنعتی را فراهم می‌کند و همچنین می‌تواند برای گرم کردن گلخانه‌ها، استخرهای شنا و ساختمان‌های دام مورد استفاده قرار گیرد.
از استخرهای خورشیدی گاهی اوقات برای تولید برق از طریق موتور «چرخه رانکین» (Rankine cycle) استفاده می‌شود. این روش و وسیله ابزاری نسبتاً کارآمد و اقتصادی برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریسیته به ویژه در مکان‌های دور از دسترس است. نصب و نگهداری حوضچه‌های خورشیدی نسبتاً گران است و معمولاً محدود به مناطق گرم روستایی می‌شود.
در مقیاس کوچکتر می‌توان از انرژی خورشید برای پخت غذا در کوره‌های خورشیدی مخصوص استفاده کرد. کوره‌های خورشیدی معمولاً نور خورشید را از مناطق مختلف و وسیع در یک نقطه مرکزی متمرکز می‌کنند. این نقطه مرکزی یک ظرف با سطح سیاه است که نور خورشید را به گرما تبدیل می‌کند. کوره‌ها خورشیدی معمولاً قابل حمل هستند و ورودی سوختی دیگری ندارند.
تولید برق با انرژی خورشیدی چگونه است؟
تابش خورشید ممکن است توسط سلول‌های خورشیدی (سلول‌های فتوولتائیک) مستقیماً به برق تبدیل شود. در چنین سلول‌هایی هنگامی که نور به محل اتصال فلز و نیمه هادی (مانند سیلیکون) یا محل اتصال بین دو نیمه هادی متفاوت برخورد می‌کند ولتاژ الکتریکی کوچکی ایجاد می‌شود، به این اثر فوتوولتائیک می‌گویند. در این فرآیند دو ماده غیر مشابه در تماس نزدیک با یکدیگر هنگام برخورد با نور یا انرژی تابشی ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند.
توان تولید شده توسط یک سلول فتوولتائیک تنها در حدود دو وات (2 W) است. با اتصال تعداد زیادی سلول جداگانه به یکدیگر همانند قطعات کوچک صفحه خورشیدی می‌توان صدها یا حتی هزاران کیلووات برق در یک نیروگاه برق خورشیدی یا در یک مجموعه بزرگ خانگی تولید کرد. بازده انرژی اکثر سلول‌های فتوولتائیک امروزی تنها در حدود 15 تا 20 درصد است و از آنجا که شدت تابش خورشید نیز پایین است تجهیزات بزرگ و پرهزینه سلول‌های از این نوع برای تولید مقادیر متوسط انرژی لازم است.
در حال حاضر سلول‌های فتوولتائیک كوچكی كه با نور خورشید یا نور مصنوعی كار می‌كنند بیشترین نقش را در كاربردهای كم مصرف به عنوان مثال در نقش منبع تغذیه ماشین حساب‌ها یا ساعت‌ها پیدا كرده‌اند. از واحدهای بزرگتر این سلول‌ها برای تأمین برق پمپ‌های آب و سیستم‌های ارتباطی در مناطق دور افتاده و ماهواره‌های آب و هوا و مخابرات استفاده می‌شود.
پنل‌های سیلیکون کریستالی کلاسیک و فناوری‌های نوظهور با استفاده از سلول‌های خورشیدی با لایه نازک از جمله فتوولتائیک یکپارچه توسط صاحبان‌خانه‌ها و مشاغل در پشت بام نصب می‌شوند تا منبع برق معمولی را جایگزین یا تقویت کنند.
نیروگاه‌های خورشیدی از کلکتورهای متمرکز کننده یا همگرا کننده نور استفاده می‌کنند تا نور خورشید را از یک منطقه گسترده به یک گیرنده کوچک سیاه متمرکز کنند. در نتیجه شدت نور به طور قابل توجهی افزایش یافته و دماهای بالا تولید می‌شود.
آینه‌ها یا عدسی‌هایی که با دقت با یکدیگر تراز می‌شوند می‌توانند به اندازه کافی نور خورشید را متمرکز کنند تا هدف را تا دمای 2000 درجه سانتیگراد (3600 درجه فارنهایت) یا بیشتر گرم کنند. از این گرما می‌توان در یک دیگ بخار استفاده کرد که به نوبه خود بخار نیروگاه مولد برق توربین بخار را تولید می‌کند.
برای تولید مستقیم بخار، آینه‌ها و عدسی‌های متحرک را می‌توان طوری تنظیم کرد که مقدار زیادی تابش خورشید را بر روی لوله‌های سیاه شده‌ای که از آن آب جریان می‌یابد بتاباند و در نتیجه آب داخل لوله داغ و تبخیر می‌شود.
