همه چیز درباره انرژی خورشیدی: فناوری­ ها، کاربردها و مزایا

انرژی خورشیدی یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر و پاک است که امروزه بسیار مورد توجه جوامع قرار گرفته است. از دیرباز تاکنون روش­ های مختلفی برای استفاده از انرژی تابشی خورشید وجود داشته و سعی انسان همواره بر این بوده است که روش­ های به کارگیری انرژی خورشیدی برای رفع نیازهای روزمره ­اش، 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 نمی ­شود. نقطه عطف استفاده از انرژی خورشیدی در جهان را می ­توان ساخت سلول فتوولتائیک و تولید برق با استفاده از نور خورشید دانست.

اگر شما هم می­‌خواهید بدانید انرژی خورشیدی چیست و چه کاربردهایی دارد، این مقاله برای شماست. در این مطلب با ویژگی های انرژی خورشیدی، روش های استفاده از انرژی خورشیدی و مزایا و معایب آن آشنا خواهید شد. اگر می ­خواهید صفر تا صد تاریخچه انرژی خورشیدی تا امروز را بدانید، با ما همراه باشید.

انرژی خورشیدی چیست؟

انرژی خورشیدی چیست؟ اگر این سوالی است که شما نیز به دنبال پاسخ آن هستید، قبل از هر چیز باید با ماهیت نور خورشید آشنا شوید. نور خورشید، همانند چشمه بی ‌پایانی از انرژی است که بر روی سطح سیاره ما به وفور یافت می‌ شود. هر اشعه­ای از نور خورشید که به زمین می­­رسد، از تعداد بسیار زیادی بسته انرژی تشکیل شده است. به این بسته­های انرژی، فوتون‌ گفته می­شود که در نهایت، تامین‌کننده انرژی زمین محسوب می­‌شوند.

فوتون­ها 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 بسیار بزرگی آزاد می­شود. در نهایت، 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.

بنابراین خورشید را می­توان به منزله یک راکتور هسته­ای عظیم در مقیاس کیهانی دانست که به طور پیوسته از طریق فرآیندهای همجوشی هسته­ای، انرژی قابل توجهی تولید می­کند که ما به آن انرژی خورشیدی می­گوییم. این انرژی هنگامی که به سطح زمین می­رسد خورشید را به یکی از مهمترین منابع انرژی تجدیدپذیر و پاک برای بشر تبدیل می­‎‌‌‌سازد.

تاکنون، فناوری ­های مختلف استحصال انرژی از نور خورشید، برای تامین گرمایش و برق مورد نیاز جوامع طراحی و ایجاد شده ­اند و در گذر زمان به سطح بازدهی بالای امروز خود رسیده­اند. استفاده از این منبع تجدیدپذیر نه تنها موجب کاهش آلودگی زیست ‌محیطی می ‌شود؛ بلکه به دلیل پایان ‌ناپذیر بودن، امنیت انرژی را نیز تضمین می‌­کند. در بخش بعد، با روند شکل­گیری فناوری های خورشیدی آشنا می­شوید.

تاریخچه استفاده از انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی از دیرباز در زندگی بشر حضور داشته، اما تبدیل آن به یک منبع مهندسی‌شده و قابل‌کنترل فقط در یکی دو قرن اخیر شکل گرفته است. در تمدن‌های باستانی مانند یونان، روم و مصر باستان، از نور خورشید برای گرم‌کردن فضاها، طراحی معماری رو به جنوب و خشک‌کردن محصولات کشاورزی استفاده می‌شد که نوعی بهره‌گیری غیرفعال از انرژی خورشید به شمار می‌آید.

نقطه عطف علمی در سال ۱۸۳۹ رقم خورد؛ زمانی که فیزیک‌دان فرانسوی، ادموند بکرل، اثر فتوولتائیک را کشف کرد و نشان داد که نور می‌تواند در برخی مواد، جریان الکتریسیته ایجاد کند. در سال‌های پایانی قرن نوزدهم، پژوهش‌هایی روی سلول‌های سلنیومی انجام شد و نخستین سلول‌های خورشیدی با بازده بسیار پایین (کمتر از یک درصد) ساخته شدند، اما در آن زمان هنوز استفاده عملی گسترده نداشتند.

در قرن بیستم، فهم نظری اثر فوتوالکتریک با کارهای آلبرت اینشتین در ۱۹۰۵ تکامل یافت و زمینه تبیین کوانتومی برهم‌کنش نور و ماده را فراهم کرد، موضوعی که بعدها برای توسعه سلول های خورشیدی نیمه‌رسانا اهمیت بنیادین داشت. در دهه‌های ۱۹۴۰ و اوایل ۱۹۵۰، پیشرفت در رشد بلور تک‌کریستال سیلیکون و فناوری نیمه‌رسانا، امکان ساخت سلول های خورشیدی سیلیکونی کارآمدتر را فراهم کرد.

سال ۱۹۵۴ را معمولاً «تولد فتوولتائیک مدرن» می‌دانند؛ زمانی که پژوهشگران آزمایشگاه بل، نخستین سلول خورشیدی سیلیکونی عملی را با بازده حدود ۴ تا ۶ درصد ساختند و توانستند یک دستگاه برقی کوچک را تنها با نور خورشید تغذیه کنند. در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰، کاربرد اصلی این سلول‌ها در ماهواره‌ها و سامانه‌های فضایی بود، زیرا هزینه بالا استفاده گسترده زمینی را محدود می‌کرد، اما در عین حال نشان داد که انرژی خورشیدی منبعی قابل‌اعتماد در محیط‌های دور از شبکه است.

با آغاز انقلاب صنعتی و ظهور منابع فسیلی مانند زغال سنگ و نفت، استفاده از انرژی خورشیدی کاهش یافت. این تغییر به دلیل دسترسی آسان‌تر و هزینه‌های پایین‌تر سوخت­های فسیلی رخ داد و منجر به وابستگی بیشتر جوامع به این منابع شد. اما از دهه ۱۹۷۰ به بعد، با افزایش قیمت نفت، بحران‌های انرژی و نگرانی‌های زیست‌محیطی، توجه به انرژی خورشیدی به‌عنوان منبعی پاک و تجدیدپذیر افزایش یافت و دولت‌ها و مراکز پژوهشی مانند NREL برنامه‌های وسیعی برای کاهش هزینه و افزایش بازده سلول‌ها آغاز کردند.

در دهه‌های اخیر، بهبود بازده ماژول‌ها، توسعه فناوری فیلم نازک، کاهش چشمگیر قیمت هر وات توان نصب‌شده و گسترش سیاست‌های حمایتی، باعث شده است که انرژی خورشیدی از یک فناوری آزمایشگاهی گران‌قیمت به یکی از ارکان اصلی سبد انرژی جهان تبدیل شود.

روش های استفاده از انرژی خورشیدی

بهره­ برداری از انرژی خورشیدی از زمان شکل­ گیری تمدن­های انسانی به روش­های مختلفی انجام شده­ است. رویکردهای بهره­بردای از این انرژی را می ­توان به دو گروه تکنیک­های فعال و غیرفعال دسته­ بندی 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 می ‌آورند. کاربرد این تکنیک‌ ها در ساختمان­ها، صنایع و سایر بخش­ها، نقش مهمی در پایداری انرژی و کاهش تاثیرات زیست‌ محیطی خواهد داشت.

1. تکنیک­ های فعال انرژی خورشیدی

تکنیک‌ های فعال استفاده از انرژی خورشیدی به روش‌هایی اطلاق می‌شوند که با استفاده از تجهیزات مکانیکی و الکتریکی، انرژی خورشید را جمع‌ آوری، ذخیره و تبدیل می­کنند. این تکنیک‌ها به طور مستقیم از انرژی خورشید برای تولید برق یا انرژی گرمایشی استفاده می­کنند. مهمترین تکنیک‌های فعال عبارتند از:

1.1. سیستم خورشیدی فتوولتائیک

سیستم‌ فتوولتائیک (Photovoltaic System) که بیشتر با نام نیروگاه خورشیدی شناخته می­شود، امروزه یکی از مهمترین و کاربردی‌ترین فناوری ‌های استفاده از انرژی خورشیدی به شمار می­رود. این سیستم­ها با استفاده از مواد نیمه رسانایی که اثر فتوولتایی دارند، قادر به تبدیل مستقیم نور خورشید به برق 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 هستند. این سلول‌ها 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 می­کنند.

با قرار دادن چندین سلول فتوولتائیک در کنار هم و ایجاد اتصالات الکتریکی مناسب، پنل‌ های خورشیدی ساخته می‌شوند. پنل های خورشیدی، انرژی الکتریکی را به صورت جریان مستقیم (DC) تولید می‌کنند که برای استفاده در تجهیزات برقی، توسط مبدل‌های الکترونیکی (اینورترها) به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌شود.

سیستم‌های فتوولتائیک، با قابلیت تامین برق به صورت مستقل، می‌توانند نیازهای خانه، ساختمان، و حتی شبکه سراسری برق را برآورده سازند. این سیستم‌ها در مقیاس‌های مختلف، از خانگی تا نیروگاه‌های بزرگ، قابل استفاده هستند.

عدم آلودگی، استقلال از سوخت‌های فسیلی، دسترسی به انرژی در مناطق دورافتاده و طراحی انعطاف‌پذیر، از مزایای این سیستم‌هاست.

1.2. سیستم خورشیدی حرارتی

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

در این نیروگاه‌ها، تجهیزات خاصی به نام کلکتورهای خورشیدی مسئول جذب و ذخیره‌ سازی حرارت از انرژی خورشیدی 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 می‌کنند.

به عبارت ساده­تر، در این روش انرژی تابشی خورشید ابتدا توسط آینه­ها و یا ذره ­بین­های مخصوص در یک نقطه (کلکتورها) متمرکز می­شوند. سیال گرم شده در کلکتورهای خورشیدی، از طریق یک مبدل حرارتی به مخزن ذخیره­سازی حرارت منتقل می‌شود. این مخازن می­توانند حرارت را به مدت طولانی نگه دارند 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 می ‌آورد 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 ذخیره ‌سازی به توربین‌ های بخار منتقل می‌شود. اما در نوع غیرمستقیم، حرارت ابتدا در مخازن ذخیره شده و سپس در زمان نیاز به توربین‌ ها انتقال می­یابد.

امروزه فناوری ‌های مختلفی برای نیروگاه‌ های خورشیدی از نوع حرارتی وجود دارد که هر کدام ویژگی ‌های خاص خود را دارند. از جمله این فناوری ‌ها می ‌توان به آینه‌ های بشقابی، برج ‌های خورشیدی و آینه ‌های خطی اشاره کرد.

نیروگاه ‌های حرارتی خورشیدی علی ‌رغم هزینه‌ های سرمایه‌گذاری اولیه بالا، مزایای زیادی همچون عدم ایجاد آلودگی، ایمنی بیشتر و عمر طولانی‌تر نسبت به سایر روش‌ های تولید انرژی الکتریکی دارند. همچنین با قابلیت ذخیره‌سازی حرارت، می­توانند 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.

1.3. سیستم  خورشیدی ترکیبی

نیروگاه‌ های خورشیدی ترکیبی، نوع پیشرفته­تری از سیستم‌ های 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 می‌شوند. این لوله جاذب که معمولاً از جنس فولاد و پوشش شده با مواد ویژه است، حرارت را به سیال (مانند آب یا روغن) منتقل می‌کند. سیال گرم شده در این بخش، وارد یک مبدل حرارتی شده و بخار را تولید می‌کند. 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 می‌کند. در عین حال، بخش دیگری از انرژی خورشیدی که شامل فوتون­های تابشی است، توسط پنل‌ های فتوولتائیک جذب شده و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

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 می‌کنند.

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.

1.4. آبگرمکن خورشیدی

آبگرمکن ‌های خورشیدی (Solar water heater)، 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 سوخت ‌های فسیلی محسوب می‌شوند.

اصل کار این آبگرمکن­ها بر پایه جذب و ذخیره‌ سازی گرمای حاصل از انرژی خورشیدی است. این سیستم ‌ها با استفاده از کلکتورهایی که در معرض تابش مستقیم نور خورشید قرار می­گیرند، 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 می­یابد. 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 می‌دهند.

2. تکنیک ­های غیرفعال انرژی خورشیدی

تکنیک ‌های غیرفعال استفاده از انرژی خورشیدی به روش­هایی اطلاق می­شوند که بدون نیاز به تجهیزات مکانیکی و الکتریکی خاص، از انرژی خورشید بهره­برداری می­کنند. این تکنیک‌ها با بهره­گیری از طراحی ساختمان­ها 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 تکنیک­های غیرفعال انرژی خورشیدی عبارتند از:

2.1. طراحی خورشیدی ساختمان ‌ها

طراحی خورشیدی ساختمان، روشی است که در آن انرژی خورشیدی به طور مؤثر در ساخت و طراحی ساختمان‌ ها مورد استفاده قرار می­گیرد. 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 جهت‌گیری ساختمان، نوع مصالح ساختمانی، اندازه و شکل پنجره­ها و همچنین عناصر سایه‌انداز به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که انرژی خورشیدی به بهترین شکل ممکن در ساختمان مورد استفاده قرار گیرد.

برای مثال، قرار دادن پنجره‌ها در جهت جنوب و استفاده از مصالح با قابلیت ذخیره‌سازی حرارت مانند آجر یا بتن، باعث می­شود که در زمستان انرژی خورشید به داخل ساختمان نفوذ کرده و حرارت آن را تأمین کند. همچنین استفاده از سایبان­ها و پرده‌های متحرک در تابستان، از ورود حرارت به داخل ساختمان جلوگیری می­کند.

طراحی خورشیدی ساختمان‌ ها علاوه بر کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های گرمایش و خنک‌سازی، منجر به کاهش آلودگی محیطی و بهبود آسایش ساکنان می­شود. 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 ساختمان­سازی پایدار تبدیل شده است.

2.2. مصالح ساختمانی با عملکرد حرارتی بهینه

استفاده از مصالح ساختمانی با عملکرد حرارتی بهینه، یکی از راهکارهای مؤثر در افزایش کارایی انرژی خورشیدی در ساختمان‌ است. این مصالح با ویژگی ‌های خاص خود، قادر به بهبود عایق‌ بندی، ذخیره‌سازی و انتقال مناسب حرارت در ساختمان هستند.

یکی از ویژگی‌های 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 می­کنند و مانع از اتلاف انرژی گرمایشی و سرمایشی ساختمان می­شوند.

همچنین برخی از این مصالح مانند آجر، بتن و سنگ، دارای ظرفیت حرارتی بالایی هستند. این ویژگی به آنها امکان ذخیره ‌سازی حرارت را می‌دهد. 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 هزینه­های گرمایشی و سرمایشی، منجر به کاهش انتشار گازهای گلخانه ‌ای و بهبود پایداری محیط زیستی ساختمان می ‌شود.

کاربردهای انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی، با گستردگی و انعطاف‌پذیری بی‌نظیر خود، در حال متحول کردن صنایع مختلف است. امروزه، شاهد کاربردهای گسترده‌ای از این منبع پاک و تجدیدپذیر در حوزه‌های گوناگون هستیم:

کاربرد انرژی خورشیدی در بخش مسکونی: تامین برق خانه‌ها، گرمایش آب، سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی، روشنایی و شارژ وسایل نقلیه برقی.

استفاده از انرژی خورشیدی در بخش تجاری: تامین انرژی ساختمان‌های اداری، مراکز خرید، هتل‌ها و رستوران‌ها، کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش پایداری.

کاربرد انرژی خورشیدی در بخش صنعتی: تامین برق کارخانه‌ها و صنایع مختلف، کاهش وابستگی به شبکه برق و افزایش استقلال انرژی.

کاربردهای انرژی خورشیدی در کشاورزی: استفاده از پمپ آب خورشیدی برای آبیاری و تأمین آب شرب دام، گرمایش گلخانه‌ها، تامین برق تجهیزات کشاورزی، خشک ­کردن محصولات کشاورزی با انرژی خورشیدی، و استفاده از سیستم­ های سرمایشی خورشیدی برای نگهداری محصولات در سردخانه­ ها،

شارژ ایستگاه‌های خودروهای برقی: ایجاد زیرساخت‌های لازم برای توسعه حمل و نقل پاک.

تامین انرژی ماهواره‌ها و فضاپیماها: استفاده از پنل های خورشیدی در فضا برای تامین انرژی تجهیزات فضایی.

این موارد، تنها بخشی از کاربردهای بالقوه انرژی خورشیدی است و با پیشرفت فناوری، شاهد ظهور کاربردهای جدید و نوآورانه‌تری خواهیم بود.

تکنولوژی­ های نوین 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 سلول های 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.

• • پنل خورشیدی با بازدهی بالا

صنعت انرژی ­خورشیدی 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 37% افزایش دهند. این در حالی است که سلول های سیلیکونی از نظر تئوری قابلیت تولید برق با بازدهی حدود 29% را دارند که در عمل با علم موجود فعلا محقق نشده است و معمولا سلول های موجود در بازار بازدهی در حدود 22 تا 24 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 شده‌اند. امروزه، استفاده از مواد پیشرفته ­تر، بهینه­سازی ساختار و افزایش سطح جذب نور، همگی منجر به افزایش بازدهی پنل­ها شده­اند. برخی از پنل ­های خورشیدی جدید، بازده بیش از 22% را نشان داده­اند 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.

• • سیستم ­های ذخیره­ سازی انرژی

در سال­های اخیر، پیشرفت­های چشمگیری در زمینه سیستم ­های ذخیره ­ساز برای بهره­برداری بهینه از انرژی خورشیدی صورت گرفته است. این پیشرفت­ها نقش مهمی در افزایش کارایی و قابلیت اطمینان تولید برق از انرژی خورشیدی ایفا می­ کنند.

یکی از مهمترین دستاوردها در این حوزه، توسعه باتری­های لیتیوم-یون پیشرفته است. این باتری­ها 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 ویژگی­ها، باتری­های لیتیوم یون را به یکی از گزینه­ های اصلی برای ذخیره ­سازی انرژی در نیروگاه­ های خورشیدی تبدیل کرده است.

علاوه بر این، تکنولوژی ذخیره­سازی انرژی مبتنی بر هیدروژن نیز پیشرفت قابل توجهی داشته است. در این سیستم­ها، از انرژی خورشیدی برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب استفاده می­شود. سپس هیدروژن ذخیره شده می­تواند در زمان نیاز، توسط پیل­های سوختی، به برق تبدیل شود. این فناوری به ویژه برای ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ مناسب است.

همچنین، پیشرفت­هایی در حوزه فناوری­های ذخیره ­ساز جدیدتر مانند باتری ­های Redox flow، باتری­های ساندویچی سدیم-یون و ذخیره­سازی انرژی با استفاده از هوای فشرده صورت گرفته است که هر کدام ویژگی­های خاص خود را دارند.

• • سیستم ردیاب خورشیدی

سیستم­ ردیاب خورشیدی (Solar Tracking System) یکی از فناوری­های پیشرفته در حوزه انرژی خورشیدی است که در سال­های اخیر توسعه چشمگیری داشته­ است. این سیستم­ها به طور خودکار پنل خورشیدی را در جهت بهینه نسبت به تابش خورشید قرار می­دهند تا بازده تولید برق را افزایش دهند.

انواع مختلفی از سیستم ردیاب خورشیدی وجود دارد که شامل ردیاب ­های تک محور و دو محور هستند. ردیاب­های تک محور، وضعیت پنل­ها را تنها در یک جهت (عموماً افقی از زمان طلوع خورشید در جهت شرق به غرب) تغییر می­دهند، 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 می­کنند.

فناوری­های نوین در سیستم­ های ردیاب خورشیدی شامل استفاده از سنسورهای پیشرفته، الگوریتم ­های هوشمند برای کنترل حرکت پنل­ها، 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 لحظه­ای دنبال کند. همچنین، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و انرژی خورشیدی برای تغذیه سیستم ردیاب، باعث افزایش کارایی و استقلال این سیستم­ها می­شود.

مطالعات نشان داده­اند که استفاده از سیستم ردیاب خورشیدی می تواند در یک روز پرتابش آفتابی تا بیش از 35% بازده تولید برق را در مقایسه با سیستم­های 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، هزینه­های نصب و نگهداری این سیستم­ها، همچنان چالشی جدی برای گسترش استفاده از آن ها محسوب می­شود.

مزایای انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی به عنوان یکی از مهمترین و پاک­ترین منابع انرژی تجدیدپذیر، مزایای فراوانی دارد که آن را به گزینه­ای جذاب برای تأمین نیازهای انرژی جوامع مبدل ساخته است.

یکی از مهمترین مزایای انرژی خورشیدی، پاکی و سازگاری آن با محیط زیست است. برخلاف سوخت­های فسیلی که در فرآیند احتراق خود، گازهای گلخانه ­ای و آلاینده­ ها را منتشر می­کنند، انرژی خورشیدی هیچگونه آلودگی زیست محیطی ندارد. این امر نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه ­ای و مقابله با تغییرات اقلیمی ایفا می­کند. 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 می­آورد. این امر می­تواند 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 می­کند که توجه جوامع را به سمت آن جلب نموده است.

چالش ها و موانع توسعه انرژی خورشیدی

علی ­رغم مزایای فراوان انرژی خورشیدی، همچنان چالش­ها 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 پنل­ خورشیدی، تجهیزات، نصب و راه­اندازی همچنان نسبتاً بالا است. این امر به خصوص برای افراد و خانوارهای با درآمد کم و متوسط، مانع اصلی محسوب می­شود.

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 می­شود و این عامل، نیاز به سیستم­ های ذخیره انرژی را افزایش می­دهد.

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

افزون بر این، عدم آگاهی عمومی نسبت به مزایای انرژی ­های تجدیدپذیر و نبود حمایت­ های کافی از سوی دولت­ها و سیاست­گذاران نیز از مهمترین چالش­ های مسیر توسعه انرژی خورشیدی به شمار می­روند.

با این وجود، با پیشرفت فناوری­ها، افزایش مقیاس تولید و اعمال سیاست­های حمایتی، امید است که بتوان در آینده نزدیک بر این چالش ها فائق آمد و استفاده از انرژی خورشیدی را به طور گسترده‌­تری توسعه داد.