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

1) 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 6000 درجه سانتی گراد تولید می کنند.
2) دستگاه های آب شیرین کن که توسط آینه هایی نور خورشید را روی مخازن آب متمرکز می کنند تا کار تبخیر را انجام دهد.
3) 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

1) نیروگاه های حرارتی که حرارت لازم توسط آینه هایی که نور خورشید را روی دیگ بخار متمرکز می کنند, تولید می شود.
2) 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 50 مگاواتی جزیره کرت یونان)) است.

اساس کار سلول 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 خورشیدی

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

روش های تولید برق از نور خورشید

امروزه شش شیوه تولید برق از نور خورشید شناخته شده است كه عبارتند از:

1. آیینه سهمی گون
2. دریافت كننده مركزی
3. آیینه‌های شلجمی (بشقابی – استرلینگ)
4. دودكش خورشیدی
5. استخر خورشیدی
6. سلول های نوری (فتوولتائی)

تولید برق توسط سیكل های تركیبی – پیوندی (استفاده از سوخت فسیلی و انرژی خورشیدی) نیز مراحل مطالعات امكان سنجی را پشت سر می‌گذارد. تقریبا 80 درصداز الكتریسیته خورشیدی توسط نیروگاه حرارتی – خورشیدی و 20 درصد بقیه به وسیله نیروگاه برق نوری (فتوولتائیك) تولید می‌شود. تولید الكتریسیته از چند وات تا به اندازه یك نیروگاه معمولی توسط فن آوری های برق خورشیدی امكان پذیر است.

پیشرفت فن آوری های برق خورشیدی در نتیجه فعالیت های تحقیقاتی، امكان رقابت برق خورشیدی را با سایر روش های تولید برق پدید خواهد آورد. تولید و مصرف برق خورشیدی نقش قابل توجهی در كاهش انتشار دی اكسید كربن ایفا خواهد كرد. نوشتار حاضر در دو بخش ارائه شده است. در هر بخش سه روش تولید برق خورشیدی و مقایسه فنی و اقتصادی روش های مختلف مورد بحث و بررسی قرار گرفته و نرم افزار SOLELE كه ابزاری برای تصیمی گیری و بر آورد اقتصادی است، معرفی خواهد شد.

باتری خورشیدی

چگونه می‌توانیم از گرمای خورشید برای تولید انرژی استفاده کنیم. آیا از نور خورشید نیز می‌توان انرژی بدست آورد. برای اینکار از باتری خورشیدی استفاده می‌شود که نور خورشید را می‌گیرد و برق تولید می‌کند. باتریهای خورشیدی از ماده‌ای بنام سیلیسیوم ساخته می‌شود. هر باتری خورشیدی برق بسیار ناچیزی تولید می‌کند. برای همین معمولا باید از تعداد زیادی باتری کنار هم استفاده شود تا مقدار برقی که بدست می‌آید، مفید و مناسب باشد.

این باتری های خورشیدی براحتی تعمیر می‌شوند و نگهداری آنها ساده است و محیط را نیز آلوده نمی‌کنند. با استفاده از باتری های خورشیدی می‌توان دستگاه هایی چون تلویزیون ، تلفن و پمپ آب را بکار انداخت.

در جاهایی که روزهای طولانی و آفتاب درخشان دارند، حتی می‌توان تمام برق مورد نیاز را از باتری های خورشیدی گرفت. باتری های خورشیدی خیلی سبک هستند و به راحتی می‌توان آنها را به دهکده‌های دور افتاده برد. مردمی که همیشه در حرکت هستند نیز می‌توانند این باتری ها را همراه داشته باشند و هر کجا که می‌روند از برق آنها استفاده کنند. مثلا گروه های پزشکی که برای درمان مردم به صحراها و جاهای دور افتاده می‌روند، باتریهای خورشیدی را برای روشن نگه داشتن یخچال هایشان بکار می‌گیرند تا داروها سالم و خنک بمانند.

نیروگاه های خورشیدی

با ساختن نیروگاه های خورشیدی بزرگ می‌توان مقدار زیادی برق تولید کرد. البته این نیروگاه ها در جاهایی مفید هستند که روزهای طولانی و آفتابی دارند. نیروگاه خورشیدی محیط را آلوده نمی‌کند، چون انرژی لازم را از خورشید می‌گیرد و نیازی به سوزاندن سوخت های فسیلی ندارد. با استفاده از یک نیروگاه خورشیدی بزرگ، برق مورد نیاز تمام خانه های یک شهر کوچک تولید می‌شود.

در نیروگاه خورشیدی، با استفاده از نیروی بخار،‌ برق تولید می‌شود. تعداد زیادی آینه را بکار می‌گیرند تا نور خورشید را بر روی یک دیگ بخار بتابانند که در لوله‌های درون آن مایعی مثل روغن جریان دارد. روغن حرارت خورشید را می‌گیرد و آنقدر گرم می‌شود که می‌تواند آب دیگ را به بخار تبدیل کند. بخار توربین را به چرخش در می‌آورد. توربین هم ژنراتور را می‌چرخاند و برق تولید می‌شود.

سولاروان

سولاروان نام نیروگاه خورشیدی بزرگی است که در کالیفرنیای آمریکا ساخته شده است. این نیروگاه برج بسیار بلندی دارد. در بالای برج یک دیگ بخار قرار گرفته است. تعداد زیادی آینه اطراف برج روی زمین چیده شده‌اند و نور خورشید را بر دیگ می‌تابانند. به این ترتیب ، آب دیگ به بخار تبدیل می‌شود و بخار هم برای تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روی دیوار یک ساختمان بزرگ 10 طبقه تعداد زیادی آینه قرار داده‌اند که یک آینه بشقابی بزرگ بوجود آمده است. این آینه انرژی خورشید را از منطقه‌ای وسیع جمع آوری می‌کند و بر برجی می‌تاباند که کوره دورن آن قرار دارد. آینه‌هایی که روی تپه مقابل قرار گرفته‌اند، خورشید را دنبال می‌کنند و پرتوهایی آن را بر آینه بشقابی بزرگ می‌تابانند. جالب است بدانید که تعداد این آینه‌ها حدود 11000 عدد است. نیروی خورشید وقتی مفیدتر خواهد بود که بتوانیم آن را ذخیره کنیم.

استخر خورشیدی می‌تواند گرمای خورشید را تا ساعت ها پس از غروب آن ذخیره و نگهداری کند. این استخر سرپوشیده پوشش سیاه رنگی دارد که گرمای خورشید را می‌گیرد. آب استخر دارای نمک است که مقدار آن در عمق استخر بیشتر می‌شود.

لایه‌های بالایی آب نمک کمتری دارند از خروج گرمای لایه پایینی که گرم و داغ شده است جلوگیری می‌کنند. ساختن این استخرها و استفاده از آنها ساده است. راه های زیادی برای استفاده از انرژی و نیروی خورشید وجود دارد. نیروی خورشید پاکیزه است و می‌توانیم انرژی مورد نیازمان را از آن بگیریم. ذغال سنگ، نفت و گاز هوا را آلوده می‌کنند و سرانجام یک روز تمام می‌شوند. اما خورشید به درخشش خود ادامه می‌دهد و نیروی آن همیشگی و ماندنی است.

باتری خورشیدی

وسیله یا دستگاهی است که نور خورشید را مستقیما به الکتریسیته یا برق تبدیل می کند. ماهواره‌هایی که به فضا فرستاده می‌شوند، انرژی مورد نیازشان را از تعداد زیادی از همین باتریها می‌گیرند. بعضی ماشین حساب‌ها با باتری خورشیدی هم کار می‌کنند.

در نقاط دور افتاده که برق ندارند، با استفاده باتری خورشیدی می‌توان دستگاه هایی مثل تلویزیون یا یخچال را بکار انداخت و امروزه دانشمندان ماشین ها و حتی هواپیماهایی ساخته‌اند که نیروی خود را از باتری خورشیدی می‌گیرند.

توربین

دستگاهی که شبیه چرخ آب است و وقتی آب یا بخار با فشار به پره‌های آن برخورد می‌کند، به چرخش در می‌آید. این دستگاه انرژی جنبشی آب را می‌گیرد و به حرکت چرخشی تبدیل می‌کند.

ژنراتور

دستگاهی است که انرژی مکانیکی (حرکت چرخشی) را می‌گیرد و به انرژی الکتریکی یا برق تبدیل می‌کند. معمولا ‌این حرکت چرخشی از یک توربین به ژنراتور منتقل می‌شود.

سوخت فسیلی

فسیل کلمه‌ای خارجی (لاتین) و به معنی چیزی است که از زمین بیرون آورده می‌شود. زغال سنگ، نفت و گاز را سوخت فسیلی نامیده‌اند، چون از دل زمین بیرون آورده می‌شوند. سوخت های فسیلی در طول میلیونها سال بوجود آمده‌اند.

جانوران و گیاهان، پس از مرگ، در زیر لایه‌های سنگ و خاک قرار گرفته‌اند و سال های زیادی زیر فشار مانده‌اند تا به این سوخت ها تبدیل شده‌اند. بنابراین، اگر سوخت ها به همین ترتیب مصرف شوند، سرانجام روزی تمام خواهند شد و در این مدت، ذخیره جدیدی جای آن را پر نخواهد کرد.

عایق

ماده‌ای که از عبور گرما یا الکتریسیته جلوگیری می‌کند. عایق های خوب گرمایی عبارتند از: چوب پنبه و پشم شیشه. لاستیک، پلاستیک و شیشه هم عایق های خوبی برای الکتریسیته هستند. هوا هم تا حدودی عایق گرماست و به همین دلیل در بعضی از ساختمان ها پنجره‌ها را دو لایه یا دو جداره می‌سازند تا هوای بین آنها از ورود و خروج گرما جلوگیری کند. عایق های گرمایی معمولا جلوی ورود و خروج صدا را هم می‌گیرند.

کوره آفتابی

کوره آفتابی با استفاده از انرژی خورشید گرم می شود (در کوره‌های دیگر، نوعی سوخت را می‌سوزاند تا گرمایش به کوره منتقل شود.) معمولا با استفاده از تعداد زیادی آینه، پرتوهای نور خورشید را جمع آوری و پرقدرت می‌کنند و مجموعه آنها را بر روی کوره می‌تابانند تا دمایش خیلی بالا رود. ذره بین وسیله‌ای است که همین کار را انجام می‌دهد.

شاید دیده باشید که وقتی ذره بین را مقابل خورشید می‌گیریم و مجموعه پرتوهای آنرا به صورت یک نقطه مثلا روی پوست یا کاغذ می‌تابیم، آن قدر حرارت ایجاد می‌شود که پوست می‌سوزد و یا کاغذ آتش می‌گیرد.

نیروگاه خورشیدی

نیروگاه مخصوصی که برای تولید برق از انرژی گرمایی خورشید استفاده می کند. از این انرژی برای گرم کردن یک کوره آفتابی استفاده می‌شود که بخار لازم را تولید می‌کند. از این مرحله به بعد، کار همانند نیروگاه های دیگر انجام می‌شود: بخار، توربین ها را می‌چرخاند و توربین هم ژنراتورها را بکار می‌اندازد تا برق تولید شود.

منبع انرژی خورشیدی

با اندازه گیری شار خورشیدی تابشی در بالای جو زمین می‌توان قدرت دریافتی کل انرژی از خورشید را محاسبه کرد. که حدود 1.8×1011 مگا وات است. البته تمام این انرژی به سطح زمین نمی‌رسد مقداری از آن جذب لایه‌های اتمسفر می‌شود.

ماده در عالم اساساً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده که قسمت اعظم آن بین ستاره ها و کهکشان ها توزیع شده است. نیروی جاذبه متقابل بین ذرات سبب تراکم گاز و گرد غبار شده و این تراکم احتراما ابر ستاره‌ای را بوجود می آورند. انرژی پتاسیل گرانشی سبب ازدیاد دمای داخل ستاره شده و آن هم باعث افزایش چگالی ستاره شده در نتیجه دمای داخل آن افزایش می‌یابد تا یک حالت پلاسمای خورشیدی بخود بگیرد.
در یک چنین محیطی شرایط برای همجوشی هسته‌ای مهیا می‌شود. با ترکیب دوترویم و تریتیوم مقداری انرژی آزاد می‌شود (17.6 Mev). بنابراین همانطوری که گفته شد، مقدار انرژیی که از خورشید به زمین می‌رسد، بوسیله جمع کننده‌های خورشیدی کنترل کرده و برای مصارف خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.