انرژی خورشیدی و سلول های خورشیدی

  انرژی خورشیدی و سلول های خورشیدی

امروزه بشر با دو بحران بزرگ روبرو است که بیش از آنچه ما ظاهرا تشخیص می دهیم با یکدیگر ارتباط دارند. از یک طرف جوامع صنعتی و همچنین شهرهای بزرگ با مشکل آلودگی محیط زیست مواجهند و از طرف دیگر مشاهده می شود که مواد اولیه و سوخت مورد نیاز همین ماشین ها با شتاب روز افزون در حال اتمام است.

اثرات مصرف بالای انرژِی در زمین و آب و هوا آشکارا مشخص می باشد و ما تنها راه حل را در پایین آوردن میزان مصرف انرژی می دانیم ,حال آنکه این امر نمی تواند به طور موثر ادامه داشته باشد. توجه و توسل به انرژی اتمی به عنوان جانشینی برای سوخت های فسیلی نیز چندان موفقیت آمیز نبوده است.

صرف هزینه های سنگین و همچنین تشعشعات خطرناکی که از نیروگاه های اتمی در فضا پخش شده ,نتیجه مثبتی نداشته است و اگر یکی از این نیروگاه ها منفجر شود زیان های فراوان و جبران ناپذیری به بار خواهد آورد. به علاوه به مشکل اساسی که در مورد مواد سوختی نظیر نفت ,گاز و زغال سنگ داشتیم بر می خوریم بدین معنی که معادن اورانیم که سوخت این نیروگاه ها را تامین می کند منابع محدودی هستند و روزی خواهد رسید که این ذخایر پایان خواهد یافت و ماده ای که جایگزین آن شود وجود نخواهد داشت.

انرژی خورشیدی :

خورشید به عنوان یک منبع بی پایان انرژی می تواند حلال مشکلات موجود در مورد انرژی و محیط زیست باشد. انرژی بدون خطر …
این انرژی که به زمین می تابد هزاران بار بیشتر از آنچه که ما نیاز داریم و مصرف می کنیم ,می باشد.حتی نور کمی که از پنجره به اتاق می تابد دارای انرژی بیشتری از سیم برقی است که به داخل اتاق کشیده شده است. از انرژی خورشیدی می توان استفاده های مهم و کاملا مفید, به عنوان یک انرژی تمیز و قابل دسترس در همه جا استفاده کرد. اما از نور خورشید به طور مستقیم نمی توان به جای سوخت های فسیلی بهره برد بلکه باید دستگاه هایی ساخته شود که بتوانند انرژی تابشی خورشید را به انرژی قابل استفاده نظیر انرژی مکانیکی, حرارتی الکتریسیته و …تبدیل کنند.

 

مصارف انرژی خورشیدی :

۱) گرم کننده ها مثل آبگرمکن خورشیدی که برای گرمای خانه ها و کوره های خوشیدی که برای ذوب فلزات حتی با دمای بالا نظیر آهن استفاده می شود و دمایی تا حدود ۶۰۰۰ درجه سانتی گراد تولید می کنند.
۲) دستگاه های آب شیرین کن که توسط آینه هایی نور خورشید را روی مخازن آب متمرکز می کنند تا کار تبخیر را انجام دهد.
۳) الکتریسیته خورشیدی در این روش که نسبت به سایر روش ها ارجحیت دارد. انرژی الکتریکی به سادگی قابل تبدیل به سایر انرژی ها بوده و می توان آن را ذخیره کرد.

 

طریقه دریافت الکتریسیته از انرژی خورشیدی :

۱) نیروگاه های حرارتی که حرارت لازم توسط آینه هایی که نور خورشید را روی دیگ بخار متمرکز می کنند, تولید می شود.
۲) اثر فتوولتایی:در این روش انرژی تابشی مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. قطعاتی که اثر فتوولتایی از خود نشان می دهند به سلول خورشیدی معروفند .
و در حال حاضر بیشترین استفاده از انرژی خورشیدی با این روش است. در برخی کشورها نیروگاه های فتوولتائیک ساخته شده که برای تولید برق است.
اما بیشترین استفاده از سلول های خورشیدی در نیروگاه (( فتو ولتائیک ۵۰ مگاواتی جزیره کرت یونان)) است.

 اساس کار سلول های خورشیدی :

سلول خورشیدی عبارت از قطعات نیم رسانایی هستند که انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. رسانندگی این مواد به طور کلی به دما , روشنایی ,میدان مغناطیسی و مقدار دقیق ناخالصی موجود در نیم رسانا بستگی دارد.
از ویژگی های سلول های خورشیدی می توان به این موارد اشاره کرد:
جای زیادی اشغال نمی کنند .قسمت متحرک ندارند .بازده آنها با تغییرات دمایی محیط تغییرات چندانی نمی کنند.نسبتا به سادگی نصب می شوند. به راحتی با سیستم های به کار رفته در ساختمان جور می شوند.
همچنین از اشکالات سلول های خوشیدی می توان به تولید وسایل فتوولتائیک که هزینه زیادی دارد و چگالی انرژی تابشی که بسیار کم است اشاره کرد که در فصول مختلف و ساعات متفاوت شبانه روز تغییر می كند که باید ذخیره شود و همین موضوع بسیار هزینه بر است.

  کاربردهای سلول های خورشیدی :

۱) تامین نیروی حرکتی ماهواره ها و سفینه های فضایی
۲) تامین انرژی لازم دستگاه هایی که نیاز به ولتاژهای کمتری دارند مثل ماشین حساب و ساعت
۳) تهیه برق شهر توسط نیروگاه های فتوولتائیک
۴) تامین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایق های کوچک

 

امروزه شش شيوه توليد برق از نور خورشيد شناخته شده است كه عبارتند از: آيينه سهمي گون، دريافت كننده مركزي، آيينه‌هاي شلجمي (بشقابي – استرلينگ)، دودكش خورشيدي، استخر خورشيدي و سلولهاي نوري (فتوولتائي). توليد برق توسط سيكلهاي تركيبي – پيوندي (استفاده از سوخت فسيلي و انرژي خورشيدي) نيز مراحل مطالعات امكان سنجي را پشت سر مي‌گذارد. تقريبا ۸۰ درصداز الكتريسيته خورشيدي توسط نيروگاه حرارتي – خورشيدي و ۲۰ درصد بقيه به وسيله نيروگاه برق نوري (فتوولتائيك) توليد مي‌شود. تولید الكترويسيته از چند وات تا به اندازه يك نيروگاه معمولي توسط فن آوري هاي برق خورشيدي امكان پذير است . پيشرفت فن آوري هاي برق خورشيدي در نتيجه فعاليت هاي تحقيقاتي، امكان رقابت برق خورشيدي را با ساير روش هاي توليد برق پديد خواهد آورد. توليد و مصرف برق خورشيدي نقش قابل توجهي در كاهش انتشار دي اكسيد كربن ايفا خواهد كرد. نوشتار حاضر در دو بخش ارائه شده است . در هر بخش سه روش توليد برق خورشيدي و مقايسه فني و اقتصادي روش هاي مختلف مورد بحث و بررسي قرار گرفته و نرم افزار SOLELE كه ابزاري براي تصيمي گيري و بر آورد اقتصادي است ، معرفي خواهد شد.

 باتري خورشيدي

چگونه مي‌توانيم از گرماي خورشيد براي توليد انرژي استفاده کنيم. آيا از نور خورشيد نيز مي‌توان انرژي بدست آورد. براي اينکار از باتري خورشيدي استفاده مي‌شود که نور خورشيد را مي‌گيرد و برق توليد مي‌کند. باتريهاي خورشيدي از ماده‌اي بنام سيليسيوم ساخته مي‌شود. هر باتري خورشيدي برق بسيار ناچيزي توليد مي‌کند. براي همين معمولا بايد از تعداد زيادي باتري کنار هم استفاده شود تا مقدار برقي که بدست مي‌آيد، مفيد و مناسب باشد.

    اين باتري هاي خورشيدي براحتي تعمير مي‌شوند و نگهداري آنها ساده است و محيط را نيز آلوده نمي‌کنند. با استفاده از باتري هاي خورشيدي مي‌توان دستگاه هايي چون تلويزيون ، تلفن و پمپ آب را بکار انداخت. در جاهايي که روزهاي طولاني و آفتاب درخشان دارند، حتي مي‌توان تمام برق مورد نياز را از باتري هاي خورشيدي گرفت. باتري هاي خورشيدي خيلي سبک هستند و به راحتي مي‌توان آنها را به دهکده‌هاي دور افتاده برد. مردمي که هميشه در حرکت هستند نيز مي‌توانند اين باتري ها را همراه داشته باشند و هر کجا که مي‌روند از برق آنها استفاده کنند. مثلا گروه هاي پزشکي که براي درمان مردم به صحراها و جاهاي دور افتاده مي‌روند، باتريهاي خورشيدي را براي روشن نگه داشتن يخچال هايشان بکار مي‌گيرند تا داروها سالم و خنک بمانند.
با ساختن نيروگاه هاي خورشيدي بزرگ مي‌توان مقدار زيادي برق توليد کرد. البته اين نيروگاه ها در جاهايي مفيد هستند که روزهاي طولاني و آفتابي دارند. نيروگاه خورشيدي محيط را آلوده نمي‌کند، چون انرژي لازم را از خورشيد مي‌گيرد و نيازي به سوزاندن سوخت هاي فسيلي ندارد. با استفاده از يک نيروگاه خورشيدي بزرگ، برق مورد نياز تمام خانه هاي يک شهر کوچک توليد مي‌شود.

 
در نيروگاه خورشيدي، با استفاده از نيروي بخار،‌ برق توليد مي‌شود. تعداد زيادي آينه را بکار مي‌گيرند تا نور خورشيد را بر روي يک ديگ بخار بتابانند که در لوله‌هاي درون آن مايعي مثل روغن جريان دارد. روغن حرارت خورشيد را مي‌گيرد و آنقدر گرم مي‌شود که مي‌تواند آب ديگ را به بخار تبديل کند. بخار توربين را به چرخش در مي‌آورد. توربين هم ژنراتور را مي‌چرخاند و برق توليد مي‌شود.

سولاروان نام نيروگاه خورشيدي بزرگي است که در کاليفرنياي آمريکا ساخته شده است. اين نيروگاه برج بسيار بلندي دارد. در بالاي برج يک ديگ بخار قرار گرفته است. تعداد زيادي آينه اطراف برج روي زمين چيده شده‌اند و نور خورشيد را بر ديگ مي‌تابانند. به اين ترتيب ، آب ديگ به بخار تبديل مي‌شود و بخار هم براي توليد برق مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

روي ديوار يک ساختمان بزرگ ۱۰ طبقه تعداد زيادي آينه قرار داده‌اند که يک آينه بشقابي بزرگ بوجود آمده است. اين آينه انرژي خورشيد را از منطقه‌اي وسيع جمع آوري مي‌کند و بر برجي مي‌تاباند که کوره دورن آن قرار دارد. آينه‌هايي که روي تپه مقابل قرار گرفته‌اند، خورشيد را دنبال مي‌کنند و پرتوهايي آن را بر آينه بشقابي بزرگ مي‌تابانند. جالب است بدانيد که تعداد اين آينه‌ها حدود ۱۱۰۰۰ عدد است. نيروي خورشيد وقتي مفيدتر خواهد بود که بتوانيم آن را ذخيره کنيم. استخر خورشيدي مي‌تواند گرماي خورشيد را تا ساعتها پس از غروب آن ذخيره و نگهداري کند. اين استخر سرپوشيده پوشش سياه رنگي دارد که گرماي خورشيد را مي‌گيرد. آب استخر داراي نمک است که مقدار آن در عمق استخر بيشتر مي‌شود.

لايه‌هاي بالايي آب نمک کمتري دارند از خروج گرماي لايه پاييني که گرم و داغ شده است جلوگيري مي‌کنند. ساختن اين استخرها و استفاده از آنها ساده است. راه هاي زيادي براي استفاده از انرژي و نيروي خورشيد وجود دارد. نيروي خورشيد پاکيزه است و مي‌توانيم انرژي مورد نيازمان را از آن بگيريم. ذغال سنگ ، نفت و گاز هوا را آلوده مي‌کنند و سرانجام يک روز تمام مي‌شوند. اما خورشيد به درخشش خود ادامه مي‌دهد و نيروي آن هميشگي و ماندني است.

باتري خورشيدي

وسيله يا دستگاهي است که نور خورشيد را مستقيما به الکتريسيته يا برق تبديل مي کند. ماهواره‌هايي که به فضا فرستاده مي‌شوند، انرژي مورد نيازشان را از تعداد زيادي از همين باتريها مي‌گيرند. بعضي ماشين حساب‌ها با باتري خورشيدي هم کار مي‌کنند. در نقاط دور افتاده که برق ندارند، با استفاده باتري خورشيدي مي‌توان دستگاه هايي مثل تلويزيون يا يخچال را بکار انداخت و امروزه دانشمندان ماشين ها و حتي هواپيماهايي ساخته‌اند که نيروي خود را از باتري خورشيدي مي‌گيرند.

  توربين

دستگاهي که شبيه چرخ آب است و وقتي آب يا بخار با فشار به پره‌هاي آن برخورد مي‌کند، به چرخش در مي‌آيد. اين دستگاه انرژي جنبشي آب را مي‌گيرد و به حرکت چرخشي تبديل مي‌کند.

  ژنراتور

 دستگاهي است که انرژي مکانيکي (حرکت چرخشي) را مي‌گيرد و به انرژي الکتريکي يا برق تبديل مي‌کند. معمولا ‌اين حرکت چرخشي از يک توربين به ژنراتور منتقل مي‌شود.

  سوخت فسيلي

فسيل کلمه‌اي خارجي (لاتين) و به معني چيزي است که از زمين بيرون آورده مي‌شود. زغال سنگ ، نفت و گاز را سوخت فسيلي ناميده‌اند، چون از دل زمين بيرون آورده مي‌شوند. سوختهاي فسيلي در طول ميليونها سال بوجود آمده‌اند. جانوران و گياهان ، پس از مرگ ، در زير لايه‌هاي سنگ و خاک قرار گرفته‌اند و سالهاي زيادي زير فشار مانده‌اند تا به اين سوختها تبديل شده‌اند. بنابراين ، اگر سوختها به همين ترتيب مصرف شوند، سرانجام روزي تمام خواهند شد و در اين مدت ، ذخيره جديدي جاي آن را پر نخواهد کرد.

 عايق
ماده‌اي که از عبور گرما يا الکتريسيته جلوگيري مي‌کند. عايقهاي خوب گرمايي عبارتند از: چوب پنبه و پشم شيشه. لاستيک ، پلاستيک و شيشه هم عايقهاي خوبي براي الکتريسيته هستند. هوا هم تا حدودي عايق گرماست و به همين دليل در بعضي از ساختمانها پنجره‌ها را دو لايه يا دو جداره مي‌سازند تا هواي بين آنها از ورود و خروج گرما جلوگيري کند. عايقهاي گرمايي معمولا جلوي ورود و خروج صدا را هم مي‌گيرند.

  کوره آفتابي
کوره آفتابي با استفاده از انرژي خورشيد گرم مي شود (در کوره‌هاي ديگر ، نوعي سوخت را مي‌سوزاند تا گرمايش به کوره منتقل شود.) معمولا با استفاده از تعداد زيادي آينه ، پرتوهاي نور خورشيد را جمع آوري و پرقدرت مي‌کنند و مجموعه آنها را بر روي کوره مي‌تابانند تا دمايش خيلي بالا رود. ذره بين وسيله‌اي است که همين کار را انجام مي‌دهد. شايد ديده باشيد که وقتي ذره بين را مقابل خورشيد مي‌گيريم و مجموعه پرتوهاي آنرا به صورت يک نقطه مثلا روي پوست يا کاغذ مي‌تابيم، آن قدر حرارت ايجاد مي‌شود که پوست مي‌سوزد و يا کاغذ آتش مي‌گيرد.

  نيروگاه خورشيدي

نيروگاه مخصوصي که براي توليد برق از انرژي گرمايي خورشيد استفاده مي کند. از اين انرژي براي گرم کردن يک کوره آفتابي استفاده مي‌شود که بخار لازم را توليد مي‌کند. از اين مرحله به بعد ، کار همانند نيروگاه هاي ديگر انجام مي‌شود: بخار ، توربين ها را مي‌چرخاند و توربين هم ژنراتورها را بکار مي‌اندازد تا برق توليد شود.  

منبع انرژي خورشيدي

با اندازه گيري شار خورشيدي تابشي در بالاي جو زمين مي‌توان قدرت دريافتي کل انرژي از خورشيد را محاسبه کرد. که حدود ۱٫۸×۱۰۱۱ مگا وات است. البته تمام اين انرژي به سطح زمين نمي‌رسد مقداري از آن جذب لايه‌هاي اتمسفر مي‌شود.

 ماده در عالم اساساً از هيدروژن و هليوم تشکيل شده که قسمت اعظم آن بين ستاره ها و کهکشان ها توزيع شده است. نيروي جاذبه متقابل بين ذرات سبب تراکم گاز و گرد غبار شده و اين تراکم احتراما ابر ستاره‌اي را بوجود مي آورند.انرژي پتاسيل گرانشي سبب ازدياد دماي داخل ستاره شده و آن هم باعث افزايش چگالي ستاره شده در نتيجه دماي داخل آن افزايش مي‌يابد تا يک حالت پلاسماي خورشيدي بخود بگيرد.
  در يک چنين محيطي شرايط براي همجوشي هسته‌اي مهيا مي‌شود. با ترکيب دوترويم و تريتيوم مقداري انرژي آزاد مي‌شود (۱۷٫۶ Mev). بنابراين همانطوري که گفته شد، مقدار انرژيي که از خورشيد به زمين مي‌رسد، بوسيله جمع کننده‌هاي خورشيدي کنترل کرده و براي مصارف خانگي و صنعتي مورد استفاده قرار مي گيرند.