انرژی خورشید | منبع بی نهایت انرژی

دکتر زهرا آذرشب

مدرس دانشگاه

عضو کمیته علمی- پژوهشی انجمن هوای پاک کندو

جهان امروز با تکنولوژی های رو به رشد سعی دارد تا محیط زیست را از آلودگی های تهدید آمیز زیستی دور نگه داشته و حیات را برای بشریت و نسلهای آینده، پاک و سالم نگهدارد. انرژیهای ناشی از سوخت فسیلی یکی از مشکل آفرینترین انرژیهای مصرفی است که نه تنها منابع آن رو به زوال است بلکه برای محیط زیست مشکل آفرین است. انرژی های نو یا پاک، بخش عظیمی از مطالعات محققان رشته های گوناگون را بخود اختصاص میدهد. اولین و مهمترین انرژی که میتوان از آن انرژی های گرمایشی، سرمایشی و روشنائی تهیه کرد و منبع غنی و در دسترسی می باشد، انرژی خورشیدی است. خورشید به‌ عنوان یکی از منابع انرژی بی‌نهایت، تمیز و مقرون به صرفه می‌تواند آینده انرژی و سوخت را متحول کند. این انرژی منحصربه فرد ترین منبع انرژی تجدیدپذیر در جهان می باشد که از دیرباز به روش های گوناگون مورد استفاده بشر قرار گرفته است. نیاز جهان به انرژی تا سال ۲۰۵۰ دو برابر خواهد شد و تخمین زده می شود که نیازهای اصلی انرژی ۵/۱ تا ۳ برابرافزایش خواهد یافت؛ در نتیجه باید نگران تغییرات زیست محیطی ناشی از آن بود که اکنون سرعت یافته و بزودی افزایش می یابد.

انرژی خورشیدی برخلاف منابع فسیلی و یا هسته ای که مصرف مداوم آنها در دراز مدت در هر حال همراه با مخاطره های محیط زیستی خواهد بود، کاملاً پاک و عاری از هرگونه آلودگی است. در کشورهایی نظیر کشور ما که میزان متوسط تابش خورشیدی در آن به m²/kwh 2000 در سال میرسد و در بسیاری از نقاط آن تعداد ساعات آفتابی از ۲۸۰۰ ساعت در سال تجاوز میکند و در برخی از نقاط به ۳۲۰۰ ساعت نیز میرسد، استفاده از انرژی خورشیدی نه فقط ضروری، بلکه اجتناب ناپذیر است. وسعت و شرایط جغرافیایی کشور، بافت اجتماعی، فراوانی و گستردگی روستاها که غالباً به صورت یک نقطه در دل کوهها و پهنه دشت قرار دارند و همچنین عدم برخورداری از تکنولوژی پیشرفته و مستقل برای تولید و توزیع انرژی به روشهای متداول امروزی و بسیاری دلایل دیگر نشان میدهد که انرژی خورشیدی چنانچه بر پایه و اساس علمی و فنی مورد استفاده قرار گیرد، منبع مطمئن و مداومی برای تأمین انرژی کشور خواهد بود. مطالعات و بررسی های که پیرامون انرژی خورشیدی تاکنون صورت گرفته است، میتواند گامهای بلندی در امر استفاده از انرژی پاک و حفظ محیط زیست از آلاینده های خطرناک را به دنبال داشته باشد.

تاریخچه انرژی خورشیدی

در سال ۱۹۵۴ «لابراتوارهای بل» اولین سلول فتوولتائیک سیلیکونی را توسعه و گسترش دادند. اگرچه قبلاً از انرژی خورشیدی استفاده شده بود اما پس از سال ۱۹۵۴بود که انرژی خورشیدی در مدت زمان طولانی تبدیل به یک منبع انرژی قابل استفاده برای تولید برق شد. اولین سلول های خورشیدی، نور خورشید را با بهره وری کمتر از ۴ درصد به برق تبدیل می کردند در حالی که امروزه می توانند نور خورشید را با بهره وری بالاتر از ۲۰ درصد به برق تبدیل کنند، درصدی که دائما در حال افزایش است.

اگرچه انرژی خورشیدی در ابتدا کمتر مورد پذیرش بود، اما افزایش بهای برق و گاز و کمک های یارانه ای و مشوق های مالیاتی برخی از کشورها برای نصب پنل های خورشیدی، گسترش و مقبولیت آن را افزایش دادند. امروزه انرژی خورشیدی ظرفیت کافی برای تولید برق ۱۱ میلیون خانوار از ۱۲۶ میلیون خانوار جهان را به خود اختصاص داده است.

دانش تولید برق از پنل های خورشیدی به تأثیر فتوولتائیک برمی گردد که نخستین بار در سال ۱۸۳۹ توسط ادموند بکرل کشف شد که به مواد نیمه هادی (نیمه رسانا) امکان می دهد وقتی در معرض نور خورشید هستند جریان الکتریکی ایجاد کنند.

تابش خورشید در ایران

در ایران روزانه میانگین ۵/۵ کیلووات ساعت انرژی خورشید بر هر مترمربع از سطح زمین می‌تابد. در ۹۰% ایران ۳۰۰ روز هوا آفتابی است. با توجه به مساحت ایران که معادل ۱۶۰۰۰۰۰ کیلومتر مربع است، میزان تابش خورشید در روز برابر با ۱۰×۵/۵×۶/۱ به توان ۱۲ است. با توجه به میزان تابش خورشید در ایران، اگر راندمان ۱۰% باشد، روزانه حدود ۹ میلیون مگاوات ساعت انرژی از خورشید دریافت کرد.

خورشید با یک ساعت تابش انرژی مورد نیاز کل جمعیت جهان برای یک سال را تامین می‌کند. با وجود این میزان انرژی که خورشید به راحتی و فراوانی در اختیار ما قرار می‌دهد، همچنان به سوخت‌های فسیلی و انرژی‌‌های تجدیدناپذیر وابسته‌ایم.

استفاده از انرژی خورشید در کشورهایی مانند ایران که میزان تابش پرتوهای سالانه آن بالا است، یکی از بهترین روش‌ها است

سیستمهای خورشیدی:

سیستمهای حرارتی خورشیدی
سیستمهای فتوولتائیک
در سیستمهای حرارتی یا روش گرما خورشیدی، با استفاده از انواع کلکتورها و روشهای غیر فعال جهت جذب و جمع آوری انرژی حرارتی خورشیدی طراحی شده و برای منظورهایی از قبیل گرم کردن آب، هوا، تولید بخار و سرد کردن و غیره بکار برده میشوند.
سیستمهای فتوولتائیک خورشیدی از نور خورشید، برق تولید میکند. رمز اجرای این روش، استفاده از نیمه هادی است که میتواند باعث آزاد کردن الکترونهایی شود که بار منفی دارند و در نتیجه برق تولید کند. معروفترین نیمه هادی که در سلولهای فتوولتائیک مورد استفاده قرار میگیرد، سیلیکن (یا سیلیسیم) Si نامیده میشود. این عنصر معمولاً در ماسه یافت میشود. در کلیه سلولهای فتوولتائیک، حداقل ۲ لایه از این نیمه هادی ها وجود دارد. یک لایه این سلول با بار مثبت و لایه دیگر آن با بار منفی شارژ میشود. وقتی که نور خورشید به این نیمه هادیها میتابد، میدان الکتریسیته در نقطه اتصال بین این ۲ لایه باعث جریان برق و تولید جریان مستقیم DC میشود. هر چقدر نور خورشید قویتر باشد، جریان برق بیشتر خواهد بود. در سیستم فتوولتائیک برای تولید برق به نور مستقیم خورشیدی نیازی نیست. این سیستم در روزهایی که آسمان ابری است، میتواند برق تولید کند. میزان برق تولیدی در این روش، متناسب با غلظت ابر، کم و زیاد خواهد شد. به دلیل انعکاس نور خورشید در ابرها، در روزهایی که آسمان نیمه ابری است یا لکه های ابر در آسمان وجود دارد، تولید انرژی برق بیشتر از روزهایی است که آسمان کاملاً صاف و آبی است. سیستمهای فتوولتائیک در ۲ مقیاس بزرگ و کوچک میتوانند به شبکه برق متصل شده و به آن برق انتقال دهند. سیستم فتوولتائیک یکی از پر مصرفترین کاربرد را در بین انرژیهای نو داشته و عملکرد مؤثر این سیستم باعث شده که هر روزه بر مصرف آن افزوده گردد.

انواع پنل های خورشیدی

مسکونی: معمولاً روی پشت بام خانه ها نصب می شود و به طور کلی بسته به اندازه آن، دارای توان بین ۵ تا ۲۰ کیلوواتی می باشد.

تجاری: معمولاً در مقیاس بزرگتر از مسکونی نصب می شوند که هدف آنها تأمین انرژی خورشیدی در محل کار می باشد.

کاربردی: در مقیاس چند مگاواتی نصب می شوند تا انرژی خورشیدی را برای تعداد زیادی از خدمات کاربردی و مجتمع های تجاری و مسکونی بزرگ فراهم نمایند.

برترین نیروگاه‌های خورشیدی دنیا

در ژوئن ۲۰۱۷ چین و هند به‌عنوان پیشتازان توسعه‌ی پروژه‌های انرژی خورشیدی در مقیاس وسیع شناخته شدند. میزان تقاضای انرژی ایالات‌متحده، وجود رکود اقتصادی و افزایش نگرانی‌های زیست‌محیطی عمومی در حال افزایش است. اگرچه بزرگ‌ترین نیروگاه‌ها در خارج از ایالات‌متحده قرار دارند؛ اما دو نیروگاه در کالیفرنیا و نیومکزیکو در دست احداث هستند.

احداث این دو نیروگاه می‌تواند تسلط اروپا بر بازار انرژی خورشیدی را کاهش دهد و تعادل ایجاد کند. ازجمله نیروگاه‌های بزرگ و وسیع دنیا می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:

۱. نیروگاه خورشیدی کاموتی هندوستان، با تولید توان (۶۴۸ مگاوات)

۲. پارک خورشیدی لونجیاواکسیا دام چین با تولیدتوان (۲۲۰ گیگاوات)

۳. پارک خورشیدی کورنول اولترا مگای هندوستان (۹۰۰ مگاوات)

۴. نیروگاه خورشیدی داتونگ چین (۱۰۰۰ مگاوات)

۵. پارک خورشیدی تنگر چین (۱۵۰۰ مگاوات)

نیروگاه‌های خورشیدی ایران

ایران با وجود ۳۰۰ روز آفتابی از مجموع ۳۶۵ روز سال در بیش از دوسوم مساحت خود و متوسط تابش ۴/۵ تا ۵/۵ کیلووات ساعت بر مترمربع در روز یکی از کشورهای با پتانسیل بالا درزمینه‌ی انرژی خورشیدی است. طبق مطالعاتی که مرکز هوافضای آلمان DLR انجام داده، در مساحتی بیش از ۲۰۰۰ کیلومترمربع، امکان نصب بیش از ۶۰ هزار مگاوات نیروگاه حرارتی خورشیدی وجود دارد. هم اکنون نیروگاه های مختلفی از جمله نیروگاه های خورشیدی شیراز، تبریز، یزد، طالقان، بیرجند، ملارد، امیرکبیر در همدان، الهیه در مشهد، خلیج فارس در همدان و مکران در کرمان، انرژی برق تولید و به شبکه توزیع تزریق می کنند.

انرژی باد و اهمیت آن در انرژی های جایگزین

مزایا و معایب انرژی خورشیدی

با تهدید فزاینده‌ی تغییرات آب و هوایی بر اثر نشر بیش ‌از اندازه‌ 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 نسبت به 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 ۱۰۰۰۰ 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 به‌کار رفته، نسبتا غیر بهینه هستند اما استفاده از فناوری مناسب می‌تواند بازدهی را افزایش دهد. مثل سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک که 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؛ بلکه 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.

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 .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.

زیست توده و انرژی پاک | هرآنچه که باید بدانید

سخن پایانی

انرژی خورشیدی یکی از منابع تامین انرژی رایگان، پاک و عاری از اثرات مخرب زیست محیطی می باشد. که از دیرباز به روش های گوناگون مورد توجه بشر قرار گرفته است. بحران انرژی در سال های اخیر، کشورهای پیشرفته و صنعتی جهان را برآن داشت که با مسائل مربوط به انرژی برخوردی متفاوت نمایند که در این میان جایگزینی انرژی های فسیلی با انرژی های خورشیدی به منظور کاهش و صرفه جویی در مصرف انرژی، کنترل عرضه و تقاضای انرژی فسیلی و کاهش انتشار گازهای آلاینده با استقبال فراروانی روبرو شده است. این کره نورانی را می توان به عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد. انرژی خورشیدی عظیم ترین منبع انرژی در جهان است و این انرژی پاک، ارزان و بی پایان در بیشتر مناطق کره زمین قابل استحصال می باشد.

با اینکه فناوری خورشیدی معایبی دارد و در بعضی بازارها پرهزینه است، اما جایگزین بسیار مناسبی برای سوخت‌های فسیلی می باشد. مشکلات هزینه با پیشرفت‌های آینده‌ی فناوری در افزایش بازدهی و ظرفیت ذخیره‌سازی قابل‌حل هستند و با درنظر گرفتن سودهای بالقوه‌ی برداشت گرما و نور خورشید، انگیزه‌ برای توسعه‌ی آینده‌ی انرژی خورشیدی بالا خواهد رفت.

منابع

محمد جلالی، و بهناز ساری.۱۳۹۲٫ انرژی خورشیدی، دومین همایش ملی انرژی های نو و پاک، همدان.
مهدی روشنی، مصطفی جوینده، مهرداد احمدی صوفیوند، فرزین شماع و غلامحسین روشنی. ۱۳۹۱٫ مروری بر انواع سیستمهای خورشیدی و دنبال کننده های خورشیدی، دومین همایش ملی انرژی باد و خورشیدی.
فریبا سپهری، پیوند معماری و تکنولوژی با استفاده از انرژی های پاک ، پنجمین کنفرانس بین المللی پژوهش در علوم و تکنولوژی ، ۲۵ آبان ۱۳۹۵، لندن – انگلستان.

آموزش، مقاله علمی