انرژی خورشیدی

خورشید میلیون‌ها سال است که انرژی تولید می‌کند. انرژی خورشیدی از طریق اشعه‌های خورشیدی به ما می‌رسد و به عنوان یک منبع بی‌پایان انرژی می‌تواند حلال بسیاری از مشکل‌های موجود در جهان باشد. این انرژی از آنچه نیاز داریم و مصرف می‌کنیم بسیار بیش‌تر است؛ حتی نور کمی که از پنجره‌ی اتاق می‌تابد دارای انرژی بیش‌تری از سیم برقی است که به داخل اتاق کشیده شده است.

انرژی خورشیدی را می‌توان به صورت‌های دیگر انرژی مثل انرژی گرمایی و انرژی الکتریسیته تبدیل کرد. در سال 1830، ستاره‌شناس انگلیسی «جان هرشل» در سفر به آفریقا برای اولین بار از انرژی خورشیدی برای پختن غذا استفاده کرد. امروزه مردم جهان از انرژی خورشیدی در خیلی از کارها استفاده می‌کنند.

از تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی گرمایی می‌توان در کارهای زیر استفاده کرد:

گرم کردن آب: برای استفاده در خانه، ساختمان‌ها، استخرها، دستگاه‌های آب‌شیرین‌کن و...

گرم کردن محیط: برای استفاده در گلخانه‌ها، خانه و...

ذوب کردن: کوره‌های خورشیدی دمایی تا 6000 درجه‌ی سانتی‌گراد تولید می‌کنند و از آن برای ذوب کردن فلزات از جمله آهن استفاده می‌کنند.

انرژی خورشیدی را به دو روش می‌توان به انرژی الکتریسیته تبدیل کرد:

پیل نوری: پیل نوری انرژی خورشیدی را مستقیم به انرژی الکتریسیته تبدیل می‌کند. از سیستم‌های پی- وی(وسایل فُتو ولتاییک مثل پیل خورشیدی) در جاهای دوردست که امکان استفاده از انرژی الکتریسیته مشکل است استفاده می‌کنند. همچنین از پیل خورشیدی در ساعت‌ها و ماشین‌حساب‌ها نیز استفاده می‌کنند.

نیروگاه خورشیدی: نیروگاه‌هایی که انرژی خورشیدی را متمرکز می‌کند با تبدیل اشعه‌ی آفتاب به حرارت‌های بالا، با آینه‌های بزرگ و سپس انتقال انرژی این حرارت به ژنراتورهای معمولی، برق تولید می‌کنند. این نیروگاه‌ها متشکل از دو بخش است؛ یکی انرژی خورشیدی را جمع‌آوری و به حرارت تبدیل می‌کند، و دیگری با انرژی حرارتی به‌دست آمده، آب را بخار می‌کنند و با آن توربین‌های تولید برق را به کار می‌اندازد و الکتریسیته تولید می‌کند.

معایب استفاده از انرژی خورشیدی:

میزان انرژی خورشیدی که از خورشید به زمین می‌رسد ثابت نیست.

مقدار انرژی خورشیدی به موقعیت خورشید در ساعات روز، فصل و آب و هوا بستگی دارد.

برای جمع کردن انرژی خورشیدی در اندازه‌ای که بتوان کار مفید انجام داد، فضای بیش‌تری لازم است.

انرژی فُتوولتاییک:

انرژی فُتوولتاییک، انرژی حاصل از تبدیل مستقیم نور خورشید به الکتریسیته است و در حال حاضر بیش‌ترین استفاده از انرژی خورشیدی با این روش است. در برخی کشورها برای تولید برق، نیروگاه‌های فتوولتاییک ساخته شده است. پیل فتوولتاییک یا همان سلول خورشیدی(نوری)، انرژی فُتوولتاییک را تولید می‌کند. پیل‌های نوری غالباً از سیلیکون نیمه‌هادی ساخته می‌شود. نور خورشید از فوتون تشکیل شده است. فوتون‌های هر طیف از نور خورشید انرژی مشخصی دارد. در برخورد نور خورشید با سلول خورشیدی، ممکن است فوتون‌ها جذب و یا منعکس شود و یا این‌که از آن عبور کند. فقط فوتون‌های جذب‌شده در پیل نوری، انرژی الکتریسیته تولید می‌کند. به محض این‌که الکترون‌های سیلیکون (نیمه‌هادی‌ها)، انرژی کافی کسب کند، جای خود را در داخل اتم ترک کرده، به طرف سطح خارجی(سطحی که به طرف نور خورشید است) سلول خورشیدی حرکت می‌کنند.

وقتی الکترون‌ها جای خود را ترک می‌کنند، به جای آن‌ها حفره تشکیل می‌شود. از آن‌جایی‌ که تعداد الکترون‌ها زیاد است و هر الکترون بار منفی حمل می‌کند، وقتی در سطح خارجی سلول خورشیدی جمع می‌شود باعث به هم خوردن تعادل بار الکتریکی بین دو سطح خارجی و سطح پایینی سلول خورشیدی می‌شود. در نتیجه بین آن‌ها اختلاف پتانسیل به وجود می‌آید،  درست مثل دو سر باطری که دارای قطب مثبت و منفی است. حالا اگر این دو سطح را با سیم به هم وصل کنیم، الکترون‌ها جریان پیدا می‌کند و جریان الکتریسیته به وجود می‌آید. مثل زمانی که دو سر باطری را با سیم به هم وصل می‌کنیم و جریان الکتریکی به وجود می‌آید. برای توضیح بیش‌تر، فرض کنید بچه‌ای(الکترون) پای پلکان سرسره(حالت پایه‌ی الکترون) ایستاده است و می‌خواهد بالا برود. بچه با صرف انرژی از پله‌ها بالا می‌رود(الکترون‌ها انرژی می‌گیرند) و بالای سرسره می‌ایستد. حالا بین حالت بالای سرسره و پایین سرسره اختلاف پتانسیل(اختلاف ارتفاع) به وجود می‌آید. حالت بالا و پایین با سرسره(مانند سیم) به هم وصل شده است. بچه به کمک سرسره پایین سر می‌خورد(الکترون‌ها از طریق سیم جریان پیدا می‌کنند) و در حالت پایه یا همان حالت اول قرار می‌گیرند.

سلول‌های خورشیدی اساس سیستم‌های فُتوولتاییک را تشکیل می‌دهد. اندازه‌ی هر سلول خورشیدی از یک سانتی‌متر تا 10 سانتی‌متر متغیر است. هر سلول یک یا دو وات برق تولید می‌کند. چون برق تولیدی برای استفاده بسیار ضعیف است، توان خروجی را به روش‌های مختلف افزایش می‌دهند.

عمل‌کرد سلول خورشیدی به اشعه‌های رسیده از خورشید و شرایط آب و هوایی بستگی دارد. امروزه بهترین سلول‌های خورشیدی فقط 10٪ انرژی خورشیدی را به برق تبدیل می‌کند و بقیه‌ی انرژی به شکل گرما تلف می‌شود. در حال حاضر، دانش‌مندان انرژی، برای بالا بردن بهره‌وری سلول‌های خورشیدی مشغول تحقیقات هستند.

اولین بار سلول‌های خورشیدی را محققان مؤسسه‌ی تحقیقاتی بل در سال 1954 اختراع کردند و اواخر دهه‌ی 1950 در ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی آمریکا جهت تولید الکتریسیته نیروی محرکه‌ی آن‌ها مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از سلول‌های خورشیدی در ماهواره‌ها از لحاظ اقتصادی بسیار حائز اهمیت است. ساده‌ترین سلول‌های فتوولتاییک جهت تأمین نیروی مورد نیاز ساعت‌های مچی و ماشین‌حساب‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیستم‌های پیچیده‌تر با اتصال به شبکه‌ی برق، جهت تأمین برق مورد نیاز پمپاژ آب، راه انداختن تجهیزات ارتباطی، روشن کردن منازل و تأمین انرژی مورد نیاز برخی کارخانه‌ها استفاده می‌شود.

بعضی از مزایای استفاده از سلول‌های خورشیدی:

- برای تولید برق، نیازی به ماشین‌های بزرگ مکانیکی که در نیروگاه‌های تولید برق به کار می‌رود نیست و برق به کمک سلول‌های خورشیدی از تبدیل مستقیم نور خورشید به دست می‌آید.

- شبکه‌ی سلول‌های خورشیدی به آسانی و در اندازه‌های مختلف و مورد نیاز قابل نصب است.

- محیط زیست را آلوده نمی‌کند.

سلول‌های خورشیدی مثل باطری وسیله‌ای برای تولید برق است و در جاهایی دور‌دست و پرت که استفاده از انرژی برق ممکن نیست استفاده از آن‌ها بسیار مهم است؛ مثلاً در اقیانوس‌ها.

منبع:

Encyclopaedia Britannica 2005

1- Energy Information Administration, Electric Power Annual, From EIA-060

National Renewable Energy Laboratory

Chuck McGowin

Electric Power Research Institute

International Energy Agency﷼