مقاله جامع انرژی خورشیدی (صفر تا صد)

انرژی خورشیدی، تنها منبع انرژی است که انسان از بدو زندگی بر روی زمین آگاهانه و ناآگاه، برای زیستن از آن بهره گرفته است. از دیرباز تاکنون روش­‌های مختلفی برای استفاده از انرژی تابشی خورشید وجود داشته است. سعی انسان همواره بر این بوده است که روش­ های به کارگیری انرژی خورشید برای رفع نیازهای روزمره‌اش، در بهینه‌­ترین سطح قرار داشته باشد.

امروزه کاربرد این منبع ناتمام، تنها به انرژی تابشی آن برای تامین روشنایی و گرمایش مورد نیاز انسان محدود نمی‌شود. نقطه عطف استفاده از انرژی خورشیدی در جهان را می‌توان ساخت سلول فتوولتائیک و تولید برق با استفاده از نور خورشید دانست. در این مقاله به صورت جامع به تعریف و بررسی ابعاد مختلف استفاده از انرژی خورشیدی می‌­پردازیم. اگر می‌­خواهید صفر تا صد تاریخچه انرژی خورشیدی تا امروز را بدانید، با مقاله جامع انرژی خورشیدی مانا انرژی همراه باشید.

انرژی خورشیدی چیست؟

نور خورشید، همانند چشمه‌ای بی‌پایان از انرژی است که بر روی سطح سیاره ما به وفور یافت می‌شود. هر اشعه‌­ای از خورشید که به زمین می‌­رسد، از تعداد بسیار زیادی بسته انرژی تشکیل شده است. این بسته­‌های انرژی، فوتون‌ها هستند که در نهایت، تامین‌کننده انرژی زمین محسوب می‌شوند.

فوتون ­ها، حاصل فرآیندها و واکنش‌­های هسته‌ای اتم‌هایی هستند که در مرکز خورشید قرار دارند. این واکنش‌­ها به دلیل دما و فشار بسیار بالا در هسته خورشید، به صورت پیوسته رخ می‌دهند. در این فرآیند، اتم‌های هیدروژن طی واکنشی به اتم‌های هلیم تبدیل شده و انرژی حرارتی عظیمی آزاد می‌کنند. این انرژی حرارتی از مرکز خورشید به سمت سطح آن حرکت کرده و در نهایت به شکل تابش انرژی نوری و حرارتی به فضای اطراف ساطع می‌شود.

مقدار عظیم انرژی که روزانه از خورشید به سطح زمین می‌رسد، آن را به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر و پاک مطرح کرده است. استفاده از این منبع تجدیدپذیر نه تنها موجب کاهش آلودگی زیست ‌محیطی می‌شود؛ بلکه به دلیل پایان ‌ناپذیر بودن، امنیت انرژی را نیز تضمین می‌کند. در حالت کلی، فناوری‌های مختلفی برای استحصال انرژی از نور خورشید - برای تامین گرمایش و برق مورد نیاز جوامع - طراحی و ایجاد شده‌­اند و در گذر زمان به سطح بازدهی بالای امروز خود رسیده‌­اند.

تاریخچه استفاده از انرژی خورشیدی

انسان از دیرباز به دنبال بهره ‌گیری از انرژی خورشید بوده است. تاریخچه انرژی خورشیدی و به کارگیری آگاهانه آن توسط انسان به ۷،۰۰۰ سال پیش در چین و ۳،۰۰۰ سال پیش در مصر باستان باز می‌گردد. در این دوران، انسان‌ها از طریق طراحی ساختمان‌ها و استفاده از مصالح ساختمانی مناسب، سعی در جذب و ذخیره انرژی خورشید برای گرمایش و روشنایی مورد نیاز خود داشتند. در دوران یونان و روم باستان نیز، استفاده از انرژی خورشید در طراحی شهری و ساختمان‌ها مورد توجه بوده است.

با آغاز انقلاب صنعتی و ظهور منابع فسیلی مانند زغال سنگ و نفت، استفاده از انرژی خورشیدی کاهش یافت؛ که این تغییر به دلیل دسترسی آسان‌تر و هزینه‌های پایین‌تر این منابع، منجر به وابستگی بیشتر جوامع به سوخت‌های فسیلی شد. در اوایل قرن بیستم، با پیدایش نگرانی‌ها در مورد آلودگی محیط زیست و محدودیت منابع انرژی فسیلی، استفاده از انرژی­‌های تجدیدپذیر دوباره توجه جوامع را به سوی خود جلب کرد.

در دهه ۱۹۵۰، با پیشرفت صنعت نیمه‌هادی‌ها، کارایی سلول ‌های خورشیدی افزایش یافت و این فناوری برای استفاده در ماهواره‌ها مورد توجه قرار گرفت. در اوایل دهه ۱۹۷۰، افزایش قیمت نفت و بحران انرژی، بازار انرژی‌ های تجدیدپذیر از جمله انرژی خورشیدی را داغ‌تر ساخت. در دهه ۱۹۸۰، با پیشرفت فناوری‌های مرتبط با انرژی خورشیدی و کاهش تدریجی هزینه‌ها، استفاده از این انرژی به بخش‌های مختلف توسعه پیدا کرد. در قرن بیست و یکم، با شدت گرفتن نگرانی‌ های زیست ‌محیطی و تغییرات آب و هوایی، استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر بیش از پیش مورد توجه قرار گرفت. با توجه به مزایای این منبع انرژی تجدیدپذیر و پاک، استفاده از آن در صنایع مختلف همچون ساختمان ‌سازی، حمل ‌و نقل و صنعت روز به روز در حال گسترش است. پیش ‌بینی می‌شود که در آینده نزدیک، انرژی خورشیدی سهم قابل توجهی در سبد انرژی جهانی داشته باشد و به یکی از منابع اصلی تامین انرژی در سطح جهان تبدیل شود.

انواع روش ­های استفاده از انرژی خورشیدی

بهره­ برداری از انرژی خورشیدی از زمان شکل­‌گیری تمدن‌­های انسانی به روش‌های مختلفی انجام شده­ است. رویکردهای بهره­‌بردای از این انرژی را می‌­توان به دو دسته تکنیک‌های فعال و غیرفعال دسته­‌بندی کرد. تکنیک ‌های فعال و غیرفعال استفاده از انرژی خورشیدی، رویکردهای مکمل و موثری هستند که به طور یکپارچه امکان بهره ‌برداری حداکثری از انرژی فراوان خورشید را فراهم می‌آورند. کاربرد این تکنیک‌ها در ساختمان‌ها، صنایع و سایر بخش‌ها، نقش مهمی در پایداری انرژی و کاهش تاثیرات زیست‌ محیطی خواهد داشت.

تکنیک­ های فعال بهره ­برداری از انرژی خورشیدی

تکنیک‌ های فعال استفاده از انرژی خورشیدی به روش‌ هایی اطلاق می‌ شوند که با استفاده از تجهیزات مکانیکی و الکتریکی، انرژی خورشید را جمع‌ آوری، ذخیره و تبدیل می ‌کنند. این تکنیک‌ ها به طور مستقیم از انرژی خورشید برای تولید برق یا انرژی گرمایشی استفاده می ‌کنند. مهم‌ ترین تکنیک ‌های فعال عبارتند از:

1. سیستم ­های خورشیدی فتوولتائیک

سیستم‌های فتوولتائیک، امروزه یکی از مهم‌ترین و کاربردی ‌ترین فناوری‌های استفاده از انرژی خورشیدی به شمار می‌روند. این سیستم‌ها با استفاده از مواد نیمه رسانایی که اثر فتوولتایی دارند، قادر به تبدیل مستقیم نور خورشید به انرژی الکتریکی هستند. به پدیده‌ای که در آن نور خورشید به طور مستقیم به جریان الکتریکی تبدیل شود، اثر فتوولتایی می­‌گویند.

سلول­ های‌ فتوولتائیک، هسته اصلی سیستم ‌های تولید برق خورشیدی است. این سلول‌ ها که معمولاً از جنس سیلیکون ساخته می ‌شوند، با جذب فوتون ‌های نور خورشید در لایه ‌های خاص خود، موجب جدایش بار الکتریکی (الکترون و حفره) شده و در نتیجه ایجاد پتانسیل الکتریکی می ‌کنند.

با قرار دادن چندین سلول فتوولتائیک در کنار هم و ایجاد اتصالات الکتریکی مناسب، پنل‌ های خورشیدی ساخته می‌شوند. این پنل‌ها که واحد اصلی سیستم ‌های فتوولتائیک هستند، انرژی الکتریکی تولیدشده را به صورت جریان مستقیم (DC) در اختیار قرار می ‌دهند. برای استفاده از انرژی الکتریکی تولیدشده در سیستم ‌های مصرف ‌کننده متناوب (AC)، باید از مبدل ‌های الکترونیکی (اینورترها) استفاده شود. این مبدل ‌ها جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) با مشخصات مورد نیاز مصرف ‌کننده تبدیل می ‌کنند.

سیستم ‌های فتوولتائیک می‌توانند به طور مستقل و خودکفا برق موردنیاز خانه‌ها، ساختمان‌ها و حتی شبکه سراسری برق را تأمین کنند. همچنین این سیستمها به صورت خورشیدی خانگی، پرتابل یا در مقیاس بزرگ در قالب نیروگاه‌ های خورشیدی قابل استفاده هستند. از مزایای استفاده از سیستم ‌های فتوولتائیک می‌توان به عدم آلودگی محیط زیست، عدم نیاز به سوخت‌های فسیلی، امکان استفاده در مناطق دور افتاده و کم ‌جمعیت، قابلیت نصب در سطح وسیع و انعطاف‌پذیری در طراحی اشاره کرد.

با این وجود، هزینه ‌های سرمایه‌ گذاری اولیه و بازدهی نسبتاً پایین سیستم ‌های فتوولتائیک در مقایسه با سایر منابع انرژی، از چالش ‌های اصلی آن محسوب می‌شوند. اما با پیشرفت مداوم فناوری‌های مرتبط و افزایش تولید انبوه، هزینه‌ های این سیستم‌ ها روند نزولی داشته و کارایی آن‌ها نیز به طور مداوم در حال بهبود است. با توجه به مزایای سیستم‌ های فتوولتائیک و روند رو به رشد توسعه این فناوری در جهان، انتظار می‌رود که این سیستم‌ ها نقش مهمی در تأمین انرژی برق در آینده ایفا کنند و به یکی از ارکان اصلی سبد انرژی کشورها تبدیل شوند.

بیشتر بخوانید: همه چیز درباره پنل‌­های خورشیدی

2. سیستم ­های خورشیدی حرارتی

یکی دیگر از روش ­های استحصال برق از انرژی تابشی خورشید، نیروگاه­ حرارتی خورشیدی است. در این روش برخلاف سیستم­ های فتوولتائیک، تابش خورشید به صورت مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل نمی‌شود. این نیروگاه‌ها با استفاده از جمع‌آوری و ذخیره‌سازی حرارت خورشید، قادر به تولید بخار و در نهایت تولید برق هستند.

در این نیروگاه‌ ها، تجهیزات خاصی به نام کلکتورهای خورشیدی مسئول جذب و ذخیره‌ سازی حرارت از انرژی خورشید هستند. این کلکتورها با استفاده از انعکاس و تمرکز اشعه‌های خورشید بر یک سطح جاذب، حرارت را جذب و به سیال (معمولاً آب یا روغن) منتقل می ‌کنند. به عبارت ساده­ تر، در این روش انرژی تابشی خورشید ابتدا توسط آینه­‌ها و یا ذره‌بین‌­های مخصوص در یک نقطه (کلکتورها) متمرکز می‌­شوند. سیال گرم شده در کلکتورهای خورشیدی، از طریق یک مبدل حرارتی به مخزن ذخیره ‌سازی حرارت منتقل می‌شوند. این مخازن می‌توانند حرارت را به مدت طولانی نگه داشته و بر اساس نیاز، آن را به سیستم توربین بخار برای تولید برق منتقل نمایند. سیستم توربین بخار نیز مشابه نیروگاه‌ های حرارتی معمولی عمل می‌کند. بخار داغ تولیدشده در مبدل حرارتی به توربین‌ های بخار وارد شده و با چرخش آنها، ژنراتور الکتریکی را به حرکت در می‌آورد و در نتیجه برق تولید می‌شود.

نیروگاه ‌های حرارتی خورشیدی می‌ توانند به دو صورت مستقیم و غیرمستقیم عمل کنند. در نوع مستقیم، حرارت خورشید بدون نیاز به ذخیره‌سازی به توربین‌های بخار منتقل می‌شود. اما در نوع غیرمستقیم، حرارت ابتدا در مخازن ذخیره شده و سپس در زمان نیاز به توربین‌ها انتقال می‌یابد. امروزه فناوری‌های مختلفی برای نیروگاه‌های خورشیدی از نوع حرارتی وجود دارد که هر کدام ویژگی‌های خاص خود را دارند. از جمله این فناوری ‌ها می‌توان به آینه‌های بشقابی، برج‌های خورشیدی و آینه ‌های خطی اشاره کرد.

نیروگاه ‌های حرارتی خورشیدی علی ‌رغم هزینه‌ های سرمایه ‌گذاری اولیه بالا، مزایای زیادی همچون عدم ایجاد آلودگی، ایمنی بیشتر و عمر طولانی ‌تر نسبت به سایر روش‌ های تولید انرژی الکتریکی دارند. همچنین با قابلیت ذخیره‌ سازی حرارت، می ‌توانند در زمان نبود تابش خورشید نیز به تولید برق بپردازند. با پیشرفت فناوری ‌های مرتبط با نیروگاه‌ های حرارتی خورشیدی و کاهش هزینه‌ های آن‌ها، انتظار می ‌رود که این سیستم ‌ها نقش چشمگیری در آینده سبد انرژی کشورها ایفا کنند.

3. سیستم ­های خورشیدی ترکیبی

نیروگاه‌ های خورشیدی ترکیبی، نوع پیشرفته‌تری از سیستم‌های تولید برق خورشیدی هستند که ترکیبی از فناوری‌های مختلف از جمله سیستم فتوولتائیک و حرارتی خورشیدی را به کار می‌گیرند. این نوع نیروگاه‌ها، بازده کلی بالاتری نسبت به هر یک از این فناوری‌ ها به تنهایی دارند.

در نیروگاه‌ های خورشیدی ترکیبی، ابتدا اشعه‌های خورشید به وسیله آینه‌های بزرگ و پارابولیک تمرکز یافته و به یک لوله جاذب حرارتی هدایت می‌ شوند. این لوله جاذب که معمولاً از جنس فولاد و پوشش شده با مواد ویژه است، حرارت را به سیال (مانند آب یا روغن) منتقل می‌ کند. سیال گرم شده در این بخش، وارد یک مبدل حرارتی شده و بخار را تولید می‌ کند. این بخار وارد توربین بخار شده و با چرخش آن، ژنراتور برق را به حرکت درمی‌آورد. بنابراین بخش حرارتی این نیروگاه ‌ها مشابه نیروگاه‌ های حرارتی خورشیدی عمل می‌ کند. در عین حال، بخش دیگری از انرژی خورشید که شامل فوتون ‌های تابشی است، توسط پنل‌ های فتوولتائیک جذب شده و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌ شود.

مزیت اصلی نیروگاه ‌های خورشیدی ترکیبی، بازده کلی بالاتر آن‌ها نسبت به سیستم ‌های صرفاً فتوولتائیک یا صرفاً حرارتی است. این بدان دلیل است که در این سیستم‌ ها هر دو بخش فتوولتائیک و حرارتی به طور همزمان از انرژی خورشید استفاده می ‌کنند. از مزایای دیگر نیروگاه‌های خورشیدی ترکیبی می‌توان به امکان ذخیره‌سازی انرژی حرارتی برای استفاده در زمان‌های بدون تابش خورشید، انعطاف‌پذیری در طراحی و قابلیت مقیاس‌پذیری اشاره کرد.
با این حال، هزینه ‌های اولیه نصب و راه‌ اندازی این نوع نیروگاه ‌ها نسبتاً بالاتر از سیستم‌ های فتوولتائیک یا حرارتی است و همچنین پیچیدگی طراحی و مدیریت آنها بیشتر است.

4. آبگرمکن ­های خورشیدی

آبگرمکن های خورشیدی، یکی از کاربردهای مهم انرژی خورشیدی در زندگی روزمره هستند. این سیستم‌ها با استفاده مستقیم از انرژی خورشید، آب را گرم کرده و به عنوان یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر، جایگزین مناسبی برای آبگرمکن‌های متداول مبتنی بر سوخت‌های فسیلی محسوب می‌شوند.

اصل کار این آبگرمکن‌ها بر پایه جذب و ذخیره‌سازی گرمای حاصل از تابش نور خورشید است. این سیستم‌ها با استفاده از کلکتورهایی که در معرض تابش مستقیم نور خورشید قرار می ‌گیرند، انرژی خورشیدی را به صورت حرارت جذب می‌کنند. این حرارت به وسیله سیال گرم­ کننده (معمولاً آب) به یک مخزن ذخیره ‌سازی منتقل می ­شود. در زمان نیاز به آب گرم، حرارت از سیال ذخیره ‌شده در مخزن به لوله ‌های مصرف آب گرم انتقال می ­یابد. بدین ترتیب، انرژی خورشیدی که توسط کلکتورها جذب شده است، به صورت آب گرم در اختیار مصرف کننده قرار می ‌گیرد. آبگرمکن ‌های خورشیدی علاوه بر مزیت استفاده از انرژی پاک و تجدیدپذیر خورشید، دارای مزایای دیگری نیز هستند.

این سیستم‌ ها نسبت به آبگرمکن‌ های متداول، نگهداری و تعمیرات کمتری نیاز دارند و همچنین هزینه ‌های سوخت و برق مصرفی را به طور چشمگیری کاهش می‌ دهند.با توجه به مزایای آبگرمکن ‌های خورشیدی و همچنین افزایش نگرانی ‌ها در مورد تغییرات اقلیمی و محدودیت منابع سوخت‌ های فسیلی، استفاده از این فناوری به عنوان یکی از راه ‌حل ‌های مناسب برای تأمین آب گرم در بخش ‌های مسکونی، تجاری و صنعتی در سراسر جهان در حال افزایش است. انتظار می ‌رود که در آینده‌ای نزدیک، این آبگرمکن به یکی از گزینه‌های رایج و مقرون‌ به ‌صرفه برای تأمین آب گرم تبدیل شوند.

تکنیک ­های غیرفعال بهره­ برداری از انرژی خورشیدی

تکنیک ‌های غیرفعال استفاده از انرژی خورشیدی به روش ‌هایی اطلاق می ‌شوند که بدون نیاز به تجهیزات مکانیکی و الکتریکی خاص، از انرژی خورشید استفاده می ‌کنند. این تکنیک ‌ها با بهره ‌گیری از طراحی ساختمان ‌ها و استفاده از مصالح مناسب، انرژی خورشید را جذب و ذخیره نموده و برای گرمایش، خنک‌ سازی و روشنایی ساختمان‌ ها مورد استفاده قرار می‌دهند. مهم‌ترین تکنیک ‌های غیرفعال عبارتند از:

1. طراحی خورشیدی ساختمان ‌ها

طراحی خورشیدی ساختمان ‌ها، روشی است که در آن انرژی خورشیدی به طور مؤثر در ساخت و طراحی ساختمان‌ ها مورد استفاده قرار می ‌گیرد. این روش با هدف بهره ‌برداری بهینه از انرژی خورشیدی برای گرمایش، خنک‌ سازی و روشنایی در ساختمان‌ ها ایجاد شده است.

در طراحی خورشیدی ساختمان‌ ها، موقعیت و جهت‌ گیری ساختمان، نوع مصالح ساختمانی، اندازه و شکل پنجره ‌ها و همچنین عناصر سایه ‌انداز به گونه‌ ای انتخاب می ‌شوند که انرژی خورشیدی به بهترین شکل ممکن در ساختمان مورد استفاده قرار گیرد.

برای مثال، قرار دادن پنجره‌ ها در جهت جنوب و استفاده از مصالح با قابلیت ذخیره‌ سازی حرارت مانند آجر یا بتن، باعث می ‌شود که در زمستان انرژی خورشید به داخل ساختمان نفوذ کرده و حرارت آن را تأمین کند. همچنین استفاده از سایبان ‌ها و پرده‌ های متحرک در تابستان، از ورود حرارت به داخل ساختمان جلوگیری می ‌کند. طراحی خورشیدی ساختمان‌ ها علاوه بر کاهش مصرف انرژی و هزینه‌ های گرمایش و خنک ‌سازی، منجر به کاهش آلودگی محیطی و بهبود آسایش ساکنان می ‌شود. با توجه به مزایای این روش در زمینه بهره ‌وری انرژی و محافظت از محیط زیست، طراحی خورشیدی ساختمان‌ ها به یکی از موضوعات مهم در معماری و ساختمان ‌سازی پایدار تبدیل شده است.

2. استفاده از مصالح ساختمانی با عملکرد حرارتی بهینه

استفاده از مصالح ساختمانی با عملکرد حرارتی بهینه، یکی از راهکارهای مؤثر در افزایش کارایی انرژی در ساختمان‌ است. این مصالح با ویژگی ‌های خاص خود، قادر به بهبود عایق‌ بندی، ذخیره ‌سازی و انتقال مناسب حرارت در ساختمان هستند. یکی از ویژگی ‌های مهم این مصالح، ضریب هدایت حرارتی پایین است. ضریب هدایت حرارتی پایین، به معنای کاهش انتقال حرارت از طریق ماده است. به عبارت دیگر، این مصالح به خوبی در برابر عبور حرارت مقاومت می ‌کنند و مانع از اتلاف انرژی گرمایشی و سرمایشی ساختمان می ‌شوند. همچنین برخی از این مصالح مانند آجر، بتن و سنگ، دارای ظرفیت حرارتی بالایی هستند. این ویژگی به آنها امکان ذخیره ‌سازی حرارت را می ‌دهد. در نتیجه، این مصالح می ‌توانند گرمای انرژی خورشیدی دریافتی در طول روز را ذخیره کرده و در شب هنگام آن را به فضای داخلی ساختمان آزاد کنند.
به کارگیری مصالح با عملکرد حرارتی بهینه در ساخت ساختمان ‌ها، علاوه بر افزایش کارایی انرژی و کاهش هزینه ‌های گرمایشی و سرمایشی، منجر به کاهش انتشار گازهای گلخانه ‌ای و بهبود پایداری محیط زیستی ساختمان می ‌شود. بنابراین استفاده از این مصالح، به‌عنوان یک راهکار مؤثر در ساختمان ‌سازی پایدار مطرح است.

کاربردهای انرژی خورشیدی

امروزه، تنوع کاربردهای انرژی خورشیدی طیف گسترده کاربردهای مسکونی، تجاری، صنعتی و کشاورزی را شامل می­‌شود. در بخش مسکونی، سامانه ­های خورشیدی برای تولید برق (خانه ­های خورشیدی) و تأمین گرمای مورد نیاز (سیستم ­های گرمایشی خورشیدی) کاربرد دارند. پنل­ های خورشیدی نصب شده بر روی بام خانه ­ها می ­توانند بخش عمده ای از نیاز برقی خانوارها را تأمین کنند. همچنین، استفاده از آب گرمکن ­های خورشیدی برای تولید آب گرم مصرفی، یکی دیگر از کاربردهای رایج انرژی خورشیدی در مسکونی است.

در بخش تجاری و صنعتی نیز، انرژی خورشیدی نقش مهمی را ایفا می­کند. نیروگاه­های خورشیدی بزرگ مقیاس برای تأمین برق مراکز تجاری، اداری و صنعتی احداث می  شوند. همچنین، از سامانه­ های خورشیدی برای گرمایش، سرمایش و روشنایی ساختمان ­های تجاری نیز استفاده می شود. در صنایع، این انرژی برای فرآیندهای صنعتی مانند تولید بخار و گرمایش فرآیندها کاربرد دارد.

در بخش کشاورزی نیز، انرژی خورشیدی کاربردهای متنوعی دارد. استفاده از پمپ آب خورشیدی برای آبیاری و تأمین آب شرب دام، خشک ­کردن محصولات کشاورزی با انرژی خورشیدی، و استفاده از سیستم­ های سرمایشی خورشیدی برای نگهداری محصولات در سردخانه­ ها، از جمله این کاربردها محسوب می­ شوند. همچنین، در گلخانه ­ها، از انرژی خورشیدی برای تأمین گرما، روشنایی و تهویه استفاده می ­شود. انرژی خورشیدی به دلیل ویژگی ­های منحصر به فرد خود، در حال نفوذ در بخش ­های مختلف اقتصادی است و انتظار می رود در آینده نزدیک، کاربردهای آن بیش از پیش گسترش یابد.

تکنولوژی ­های نوین در حوزه انرژی خورشیدی

در دهه های اخیر، تکنولوژی های نوین در حوزه انرژی خورشیدی پیشرفت چشمگیری داشته ­اند. این پیشرفت ­ها شامل افزایش بازده پنل­ خورشیدی، کاهش هزینه­ های تولید و نصب، و توسعه سیستم­ های ذخیره ­ساز انرژی است. همچنین، تکنولوژی های جدید مانند انرژی خورشیدی متمرکز و سلول­های خورشیدی پیشرفته، توانایی تولید انرژی بیشتر را در مقایسه با گذشته فراهم می ­کنند. در ادامه این مقاله به بررسی این پیشرفت­ها و تاثیر آنها بر صنعت انرژی خورشیدی می ­پردازیم.

1. پنل خورشیدی با بازدهی بالا

صنعت انرژی ­های تجدیدپذیر در طول توسعه خود از آغاز تا کنون، انواع تکنولوژی ساخت پنل خورشیدی را تجربه کرده است. در بین این تنوع، پنل ­های خورشیدی با بازدهی بالا یکی از پیشرفت ­های مهم در این حوزه در سال­ های اخیر است. در این پنل ­ها راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به برق به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. سلول ­های خورشیدی پیشرفته جدید، مانند سلول خورشیدی چند اتصالی و یا نوع Concentrator Photovoltaics یا CPV، توانسته ­اند در مواردی، بازده تبدیل انرژی را به بیش از ۳۷% افزایش دهند.
این در حالی است که سلول های سیلیکونی از نظر تئوری قابلیت تولید برق با بازدهی حدود ۲۹% را دارند که در عمل با علم موجود فعلا محقق نشده است و معمولا سلول های موجود در بازار بازدهی در حدود ۲۲ تا ۲۴ درصد دارند.

در قسمت قبل به پیشرفت های فناوری سلول پرداختیم. علاوه بر سلول، پیشرفت ­هایی در طراحی و ساخت پنل­ های خورشیدی صورت گرفته است. پنل خورشیدی شامل تعداد مشخصی سلول خورشیدی است که به منظور تولید برق بیشتر به یکدیگر متصل شده اند. امروزه، استفاده از مواد پیشرفته ­تر، بهینه ­سازی ساختار و افزایش سطح جذب نور، همگی منجر به افزایش بازدهی پنل‌ها شده­ اند. برخی از پنل ­های خورشیدی جدید، بازده بیش از ۲۲% را نشان داده ­اند که این میزان قابل توجهی بالاتر از نسل های قبلی است.در مجموع، پیشرفت های چشمگیر در زمینه سلول و پنل خورشیدی با بازدهی بالا، نقش مهمی در توسعه و گسترش استفاده از انرژی خورشیدی در سراسر جهان ایفا کرده است.

2. سیستم ­های ذخیره­ سازی انرژی

در سال ­های اخیر، پیشرفت ­های چشمگیری در زمینه سیستم ­های ذخیره ­سازی انرژی برای نیروگاه­ های خورشیدی صورت گرفته است. این پیشرفت ­ها نقش مهمی در افزایش کارایی و قابلیت اطمینان تولید برق از انرژی خورشیدی ایفا می­ کنند. یکی از مهمترین دستاوردها در این حوزه، توسعه باتری­ های لیتیوم-یون پیشرفته است. این باتری ­ها ظرفیت ذخیره مقدار زیادی انرژی در حجم و وزن کم دارند. همچنین، چرخه عمر و بازدهی شارژ و دشارژ آنها به شدت بهبود یافته است. این ویژگی ­ها، باتری­ های لیتیوم یون را به یکی از گزینه­ های اصلی برای ذخیره ­سازی انرژی در نیروگاه­ های خورشیدی تبدیل کرده است.
علاوه بر این، تکنولوژی ذخیره­ سازی انرژی مبتنی بر هیدروژن نیز پیشرفت قابل توجهی داشته است. در این سیستم ­ها، از انرژی خورشیدی برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب استفاده می­ شود. سپس هیدروژن ذخیره شده می ­تواند در زمان نیاز، توسط پیل های سوختی، به برق تبدیل شود. این فناوری به ویژه برای ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ مناسب است.
همچنین، پیشرفت هایی در حوزه فناوری­ های ذخیره ­ساز جدیدتر مانند باتری ­های Redox flow، باتری های ساندویچی سدیم-یون و ذخیره سازی انرژی با استفاده از هوای فشرده صورت گرفته است که هر کدام ویژگی ­های خاص خود را دارند. به طور کلی، این پیشرفت ­ها در سیستم­ های ذخیره ­سازی انرژی، ضمن افزایش کارایی نیروگاه خورشیدی، امکان استفاده گسترده ­تر از این منبع انرژی تجدیدپذیر را فراهم کرده است.

3. سیستم ردیاب خورشیدی

سیستم­ ردیاب خورشیدی (Solar Tracking System) یکی از فناوری ­های پیشرفته در حوزه انرژی خورشیدی است که در سال­ های اخیر توسعه چشمگیری داشته­ است. این سیستم ها به طور خودکار پنل خورشیدی را در جهت بهینه نسبت به تابش خورشید قرار می دهند تا بازده تولید برق را افزایش دهند.
انواع مختلفی از سیستم ردیاب خورشیدی وجود دارد که شامل ردیاب ­های تک محور و دو محور می باشند. ردیاب ­های تک محور، وضعیت پنل­ها را تنها در یک جهت(عموماً افقی از زمان طلوع خورشید در جهت شرق به غرب) تغییر می ­دهند، در حالی که ردیاب ­های دو محور، جهت قرارگیری پانل خورشیدی را هم در محور افقی و هم در محور قائم (عمودی در جهت بالا و پایین) جابجا می ­کنند. فناوری­ های نوین در سیستم­ های ردیاب خورشیدی شامل استفاده از سنسورهای پیشرفته، الگوریتم ­های هوشمند برای کنترل حرکت پنل­ ها، و بهره­گیری از انرژی ­های تجدیدپذیر برای تغذیه سیستم ردیاب است. به عنوان مثال، استفاده از سنسورهای خورشیدی و شبکه­ های حسگر بی سیم این امکان را ایجاد می کند که ردیاب موقعیت خورشید را به طور دقیق و لحظه ­ای دنبال کند. همچنین، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی باد و خورشید برای تغذیه سیستم ردیاب، باعث افزایش کارایی و استقلال این سیستم­ ها می ­شود. مطالعات نشان داده ­اند که استفاده از سیستم ­های ردیاب خورشیدی می تواند در یک روز پرتابش آفتابی تا بیش از 35% بازده تولید برق را در مقایسه با سیستم ­های ثابت افزایش دهد. این امر به ویژه در مناطقی که نور خورشید فراوان است، مانند مناطق گرمسیری و بیابانی، بسیار مقرون به صرفه است. با این حال، هزینه های نصب و نگهداری این سیستم ­ها، همچنان چالشی جدی برای گسترش استفاده از آن ها محسوب می ­شود.

مزایای استفاده از انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی به عنوان یکی از مهمترین و پاک ­ترین منابع انرژی تجدیدپذیر، مزایای فراوانی دارد که آن را به گزینه ­ای جذاب برای تأمین نیازهای انرژی جوامع مبدل ساخته است. یکی از مهمترین مزایای انرژی خورشیدی، پاکی و سازگاری آن با محیط زیست است. برخلاف سوخت­ های فسیلی که در فرآیند احتراق خود، گازهای گلخانه ­ای و آلاینده­ ها را منتشر می­ کنند، انرژی خورشیدی هیچگونه آلودگی زیست محیطی ندارد. این امر نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه ­ای و مقابله با تغییرات اقلیمی ایفا می ­کند. همچنین، منبع (نور خورشید) نامحدود و در دسترس همگان است و هزینه چندانی برای استخراج و استفاده از آن وجود ندارد.
علاوه بر این، بهره ­گیری از انرژی خورشیدی به عنوان منبع انرژی محلی، امکان خودکفایی انرژی برای جوامع را فراهم می آورد. این امر می تواند به کاهش وابستگی به واردات سوخت ­های فسیلی و افزایش امنیت انرژی کمک کند. همچنین، در مناطق روستایی و دور افتاده که به شبکه برق سراسری دسترسی ندارند، استفاده از سیستم­ های خورشیدی می­تواند به عنوان یک راهکار مطلوب عمل کند. در مجموع، این ویژگی­ها مزیت های چشمگیری را برای انرژی خورشیدی ایجاد می­ کند که توجه جوامع را به سمت آن جلب نموده است.

چالش ها و موانع توسعه انرژی خورشیدی

علی ­رغم مزایای فراوان انرژی خورشیدی، همچنان چالش ها و موانع متعددی بر سر راه توسعه گسترده این منبع انرژی تجدیدپذیر وجود دارد. یکی از مهمترین چالش ­های توسعه انرژی خورشیدی، هزینه بالای سرمایه­ گذاری اولیه برای نصب سیستم خورشیدی است. اگرچه هزینه ­های بهره برداری و نگهداری این سیستم ­ها کم است، اما هزینه ­های سرمایه گذاری اولیه برای تهیه پانل­ خورشیدی، تجهیزات، نصب و راه­ اندازی همچنان نسبتاً بالا است. این امر به خصوص برای افراد و خانوارهای با درآمد کم و متوسط، مانع اصلی محسوب می­ شود. همچنین، ناپایداری و متغیر بودن تولید انرژی خورشیدی به دلیل وابستگی به تابش خورشید، چالش دیگری برای توسعه این منبع انرژی است. در روزهای ابری یا شب­هنگام، تولید انرژی خورشیدی کاهش یافته و یا متوقف می شود و این عامل، نیاز به سیستم­ های ذخیره انرژی را افزایش می ­دهد.

علاوه بر این، محدودیت ­های فضایی برای نصب نیروگاه ­های خورشیدی در مناطق مسکونی و شهری نیز از موانع توسعه این انرژی است. همچنین، در برخی مناطق، محدودیت­ های مالکیتی زمین­ ها برای استقرار نیروگاه ­های بزرگ خورشیدی وجود دارد که نیازمند برنامه­ ریزی و هماهنگی ­های بیشتر است.

همچنین، عدم آگاهی عمومی نسبت به مزایای انرژی ­های تجدیدپذیر و نبود حمایت­ های کافی از سوی دولت­ ها و سیاست ­گذاران نیز از مهمترین چالش­ های توسعه انرژی خورشیدی به شمار می روند. با این وجود، با پیشرفت فناوری­ ها، افزایش مقیاس تولید و اعمال سیاست ­های حمایتی، امید است که بتوان در آینده نزدیک بر این چالش ها فائق آمد و استفاده از انرژی خورشیدی را به طور گسترده ­تری توسعه داد.