انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی وسیعترین منبع انرژی در جهان است. انرژی نوری که از جانب خورشید در هر ساعت به زمین می‌تابد، بیش ازکل انرژی است که ساکنان زمین در طول یک سال مصرف می‌کنند. به عنوان مثال، نوری که سالیانه بر یک سایت آزمایشی در نوادای آمریکا می‌تابد (sq.mi ۱۳۰۰) اگر راندمان ۱۵% به الکتریسیته تبدیل شود، دو برابر انرژی تولیدی سالیانه ایالات متحده آمریکا خواهد شد. با وجود گسترده بودن این انرژی، چگالی آن بسیار پایین است. برای بهره‌گیری از این منبع باید راهی جست تا انرژی پراکنده آن با راندمان بالا و هزینه کم به انرژی قابل مصرف الکتریکی تبدیل شود.
۱- روش‌های تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی
با استفاده از تکنولوژی‌های خاص، انرژی حاصل از نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند این تکنولوژی‌ها را به دو دسته می‌توان تقسیم کرد:
سیستم فتوولتائیک (PV): که عموماً تجهیزاتی جامد و بی‌حرکت هستند (جز در مورد انواع مجهز به سیستم ردیابی خورشید)
سیستم‌های گرمایی خورشیدی (۲): که از نور متمرکز شده خورشید برای گرم‌کردن مایعی که بخار آن یک، توربین را به حرکت در می‌آورد، استفاده می‌کند.
در این میان استفاده از سیستم‌های فتوولتائیک برای استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی بسیار رایج‌تر است. استفاده از پنل‌های فتوولتائیک در کشورهای پیشرفته به سرعت رو به گسترش است. استفاده از انرژی خورشیدی که یکی از اشکال انرژی موسوم به «سبز» است از سوی طرفداران محیط‌زیست پشتیبانی می‌شود. علت این استقبال را باید در ویژگیهای انرژی خورشیدی جست.
۲- ویژگیهای انرژی خورشیدی
انرژی خورشیدی تمام‌نشدنی است. انرژی تمیزی است و هیچ آسیبی به محیط‌زیست نمی‌رساند. به دلیل عدم وجود قسمت‌های متحرک، نگهداری و اتوماسیون آن آسان است. ظرفیت آن را متناسب با نیاز می‌توان طراحی کرد.
۳- سیستم ولتائیک چیست؟
بخش اصلی یک سیستم فتوولتائیک، پنل فتوولتائیک است. پنل‌های فتوولتائیک که درمعرض خورشید قرار می‌گیرند، متشکل از سلولهای فتوولتائیک هستند. این سلول‌ها از مواد نیمه هادی سیلیکونی ساخته شده‌اند. پنل شامل ۳۶ واحد (سلول) است که در ردیف‌های ۶ تایی کنار هم چیده شده‌اند. این پنل روی بام خانه‌ای در لس‌آنجلس واقع در ایالات متحده آمریکا نصب شد..
سیستم فتوولتائیک شامل تجهیزات دیگری از جمله مبدل‌هایی برای تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب نیز هست.
۴- اصول کار یک پنل فتوولتائیک
پنل‌های فتوولتائیک از نیمه هادیها ساخته شده و با اتصال سیلیکون‌های نوع N و P شکل می‌گیرند. وقتی نور خورشید به یک سلول فتوولتائیک می‌تابد، به الکترون‌ها در آن انرژی بیشتری می‌بخشد. با تابش نور خورشید الکترونها در نیمه هادی پلاریزه شده، الکترونهای منفی در سیلیکون نوع N و یونهای مثبت در سلیکون نوع P بوجود می‌آیند. بدین ترتیب بین دوالکترود، اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آنها می‌شود.
۵- میزان تولید انرژی الکتریکی بوسیله یک سیستم فتوولتائیک
میزان تولید برق به وسیله یک سیستم فتوولتائیک معمولاً از ۲ تا ۵۰ کیلووات است. یک سیستم فتوولتائیک که برای نصب روی بام ساختمان‌ها در شهر لوس‌آنجلس ساخته شده است با ظرفیت توان ۲ کیلووات، ۳۶۰۰ کیلووات ساعت انرژی در سال تولید می‌کند. این میزان تولید انرژی باعث ۳/۴ تن صرفه‌جویی در سوخت زغال سنگ برای تولید برق شده و همچنین مانع ورود lbs ۵۰۰۰ گاز به اتمسفر می‌شود. یک سیستم PV دیگر که با ظرفیت ۱۰ کیلووات در دره تنسی در ایالات متحده آمریکا نصب شده، بطور متوسط در حدود ۱۶۵۰۰ کیلووات ساعت انرژی در سال تولید می‌کند. این میزان انرژی کمی بیش از نیاز مصرف برق یک خانه متوسط در ایالات متحده است.
۶- سایت‌های خورشیدی جهت نصب پنل‌های فتوولتائیک چگونه انتخاب می‌شوند؟
سایت‌ها باید با معیارهای لازم فیزیکی همخوانی داشته باشند، از جمله اینکه جهت آنها رو به جنوب باشد، به خوبی در معرض آفتاب قرار داشته باشند (آفتاب‌گیر باشند) و فضای لازم و همچنین ساختار مناسبی برای نصب پنل‌های فتوولتائیک داشته باشند.
۷- آیا سیستم‌های فتوولتائیک بطور مداوم الکتریسیته تولید می‌کنند؟ در شرایط ابری و آب و هوای سرد چطور؟
تولید برق به وسیله سیستم‌های PV به فصول بستگی ندارد، اما در طول شبانه‌روز از ساعات اولیه صبح تا غروب می‌توانند برق تولید کنند. پیک تولید آنها در ساعات ظهر است.
واحدهای فتوولتائیک در صورت ابری بودن هوا نیز می‌توانند برق تولید کنند، هر چند خروجی آنها کاهش می‌یابد. در یک روز بسیار ابری کم‌نور، یک سیستم فتوولتائیک ممکن است ۵ تا ۱۰ درصد نور خورشید در روزهای عادی را دریافت دارد به طبع خروجی آن نیز به همان میزان کم خواهد شد.
پنل‌های خورشیدی در دمای پایین‌تر، برق بیشتری تولید می‌کنند. این تجهیزات همچون سایر دستگاههای الکتریکی در صورتی که هوا خنک باشد، بهتر کار می‌کنند. البته سیستم‌های PV در روزهای زمستانی کمتر از روزهای تابستانی انرژی تولید می‌کنند که علت آن نه برودت هوا، بلکه کاهش ساعت روز و پایین‌تر بودن زاویه تابش خورشید است.
۸- آسیب‌پذیری دستگاههای فتوولتائیک
پنل‌های خورشیدی طوری ساخته شده‌اند که در برابر همه سختی‌های محیط مانند سرمای شدید قطبی، گرمای بیابان، رطوبت استوایی و بادهای با سرعت بیش از ۱۲۵ مایل در ساعت مقاومت می‌کنند با اینحال جنس این وسایل از شیشه بوده و در اثر ضربات سنگین ممکن است بشکنند.
۹- بهره‌بردای از سیستم‌های فتوولتائی برای استفاده از انرژی خورشیدی در سطح جهان
استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع به دلیل ویژگیهایی که در آغاز این مقاله ذکر شد، کاملاً فراگیر شده است. شرکت‌های متعددی در کشورهای مختلف نسبت به نصب این سیستم‌ها اقدام کرده‌اند و کار بهینه‌سازی این سیستم‌ها، همچنان ادامه دارد.
شرکت آب و برق لس‌آنجلس (LADWP) در نظر دارد برنامه‌ای را برای نصب سیستم‌های برق خورشیدی روی سقف ساختمان‌های این شهر به مورد اجرا گذارد. به موجب این طرح تا سال ۲۰۱۰، ۱۰۰۰۰۰ سیستم فتوولتائیک روی سقف ساختمان‌ها اعم از مسکونی و تجاری نصب خواهند شد. این سیستم‌ها در اتصال با شبکه کار می‌کنند. طبق این برنامه، هر ساختمانی برق خویش را تامین خواهد کرد. در صورتی که میزان تولید برق ساختمانی کمتر از نیاز مصرف آن باشد و همینطور در شب، کمبود برق از سوی شبکه سراسری جبران می‌شود و برعکس اگر ساختمانی بیش از مصرف خود برق تولید کند، این انرژی اضافی به شبکه برق جاری خواهد شد. اداره آب و برق لوس‌آنجلس برای نصب سیستم‌های خورشیدی روی بام ساختمانها شرایطی به قرار زیر وضع کرده است:
ـ ساختمان یک طبقه و سقف آن تخته کوبی شده باشد.
ـ عمر ساختمان کمتر از ۱۰ سال باشد.
ـ فضای آزاد آن حداقل ۳۰۰ متر مربع و شیب سقف آن بین ۱۰ تا ۲۵ درجه باشد.
ـ ترجیحاً سوی شیب بام ساختمان به سمت جنوب یا جنوب غربی بوده و در ساعات بین ۱۱ قبل از ظهر تا ۴ بعدا‌زظهر سایه نخورد.
شرکت TVA در ایالت تنسی آمریکا نیز اقدام به استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع «انرژی سبز» کرده است. این شرکت برای نمایش تولید برق خورشیدی و به منظور تشویق مشترکان خود به استفاده از آن در سایت انرژی خورشیدی، یکی در موزه علوم کامبرلند و دیگری در یک گردشگاه توریستی در دالیورد دایر کرده است.
میزان انرژی تولید شده در سایت کامبرلند روز m/Kwh ۷/۵ است. میزان انرژی تولید شده در این سایت ۱۴۶ کیلووات ساعت و ظرفیت تولید آن Kwac۲۵ است.
تحقیق در زمینه کاربرد عملی سیستم برق با استفاده از پنل‌های فتوولتائیک به صورت متصل در شبکه برق اکیناوای ژاپن نیز ادامه دارد. این تحقیقات شامل بررسی ویژگیهای عملکرد سیستم و تاثیر باتری‌ها بر شبکه و همینطور راندمان و تداوم برق رسانی شبکه است. در میاکو، مصرف برق به هنگام شب، تقریباً با پیک روز برابر است. بنابراین ازانرژی خورشیدی برای تامین بخشی از نیاز برق روزانه بطور مستقیم و برق شبانه از طریق باتری‌ها استفاده می‌شود.

منبع : ماهنامه صنعت برق