انرژی خورشیدی و کاربردهای آن

امروزه، بحران انرژی و تغییرات اقلیمی به عنوان دو چالش بزرگ پیش روی بشریت مطرح هستند. استفاده از سوخت‌های فسیلی، علاوه بر اینکه منابع محدود و رو به اتمام هستند، باعث آلودگی هوا و انتشار گازهای گلخانه‌ای میشوند که عامل اصلی گرمایش زمین و تغییرات آب و هوایی هستند. در این شرایط، انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی پاک، تجدیدپذیر و فراوان، میتواند نقش کلیدی در تأمین نیازهای انرژی جهان و مقابله با چالش‌های زیست محیطی ایفا کند. با ما در این مقاله همراه باشید تا این انرژی پاک و کاربرد های آن را نیز بررسی کنیم.

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی(Solar Energy) انرژی تجدیدپذیر و بی‌نهایتی است که تا زمان اتمام عمر خورشید وجود دارد و تمام نمی‌شود. به همین دلیل انرژی خورشیدی مورد توجه همه قرار گرفته است، به طوریکه سازمان ملل متحد از چندین سال قبل اهدافی را برای گسترش این انرژی درنظر گرفته است. برای مثال سازمان ملل متحد از کشورها خواسته است که سرمایه‌گذاری خود را در این زمینه افزایش دهند. این سازمان معتقد است که توسعه فناوری‌های مرتبط با انرژی خورشیدی و کاهش هزینه‌های تولید آن میتواند به گسترش استفاده از این منبع پاک کمک کند. جالب است که بدانید بسته به نحوه جذب و استفاده از انرژی خورشیدی، فناوریهای آن به دو دسته تقسیم میشود:

تکنیک‌های خورشیدی فعال: در این فناوری ما از تجهیزات مکانیکی و الکترونیکی برای بهره‌برداری از انرژی خورشیدی نیز استفاده میکنیم، مثل:

• سیستم‌های فتوولتائیک(PV) : این سیستم‌ها نور خورشید را می‌گیرند و آن را تبدیل به انرژی الکترونیکی می‌کنند که در ادامه این سیستم را با جزئیات کامل بررسی می‌کنیم.
• سیستم‌های گرمایش خورشیدی
• سیستم‌های سرمایش خورشیدی
• سیستم‌های تهویه آب خورشیدی

تکنیک‌های خورشیدی غیرفعال: این فناوری مربوط به معماری و طراحی ساختمان‌ها نیز میشود که به عنوان مثال می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• جهت‌گیری ساختمان‌ها
• عایق‌کاری
• سایه بان‌ها
• تهویه طبیعی

پس از بررسی کلی این انرژی پاک بیایید که سری به منبع آن یعنی خورشید هم بزنیم.

خورشید، منبع انرژی نامحدود

خورشید، ستاره‌ای عظیم و پرانرژی در مرکز منظومه شمسی ماست که حیات بر روی کره زمین به آن وابسته است. این کره گازی عظیم، که حدود 99.86 درصد از جرم کل منظومه شمسی را تشکیل می‌دهد و تمامی سیارات منظومه شمسی به دور آن می‌چرخند، از دو عنصر اصلی هیدروژن و هلیوم ساخته شده است. خورشید بسیار بزرگ است. قطر آن حدود 109 برابر قطر زمین و جرم آن حدود 330 هزار برابر جرم زمین است. علاوه بر تمامی این موارد، دمای سطح خورشید حدود 5500 درجه سانتیگراد و دمای هسته آن حدود 15 میلیون درجه سانتیگراد است که عددی باورنکردنی است. پیش‌بینی شده که خورشید تا چند میلیارد سال دیگر از بین می‌رود و به همراه خود ممکن است سیارات عطارد، ناهید و زمین را ببلعد. خورشید با وجود عظمتش در برابر جهان هستی تنها یک نقطه است؛ اما با این وجود برای ما انسانها و طبیعت زمین اهمیت زیادی دارد و چه در گذشته، چه در حال، چه در آینده کاربردهای زیادی دارد.

کاربردهای انرژی خورشیدی در گذشته

انرژی خورشیدی از دیرباز مورد توجه آدمیزاد قرار گرفته و به منظورهای مختلفی از آن استفاده می‌شده است. در مثالهای زیر از مهمترین کاربردهای این انرژی در گذشته آمده است تا اهمیت و قدرت انرژی خورشیدی را با نبود تکنولوژی خاص به شما نشان دهد:

روشنایی و گرمایش خانه : انسانهای اولیه برای روشنایی و گرمایش خانه‌های خود از نور خورشید نیز بهره می‌بردند و خانه‌های خود را جوری میساختند تا این بهره‌برداری را به حداکثر برسانند.

خشک کردن محصولات کشاورزی : در گذشته کشاورزان محصولات کشاورزی خود را چون میوه‌جات، سبزیجات و غلات را برای افزایش ماندگاری و جلوگیری از فساد آنان را با استفاده از نور خورشید خشک می‌کردند.

تولید آتش : در گذشته، انسان‌های اولیه با استفاده از آینه‌های صیقلی شده و متمرکز ساختن نور خورشید در یک نقطه آتشی را به منظور پخت غذا، گرما و ... ایجاد می‌کردند. این آینه‌ها به ویژه در مراسم مذهبی و برای روشن کردن آتش‌های مقدس کاربرد داشتند.

کاربرد های امروزی انرژی خورشیدی

همانطور که مشاهده کردید، با اینکه در گذشته تکنولوژی خاصی وجود نداشت اما انسان‌ها تقریبا در تمامی فعالیت‌هایشان از انرژی خورشیدی بهره‌مند می‌شدند. امروزه با پیشرفت تکنولوژی تعداد این کاربردها به طور چشمگیری افزایش داشته و انسان‌ها سعی می‌کنند تا با استفاده از فناوری‌های پیشرفته، انرژی خورشیدی و دیگر انرژی‌های پاک را جایگزین سوخت‌های فسیلی برای کاهش آلودگی و نبود نگرانی برای اتمام آنها بکند. این انرژی پاک و نامحدود در زمینه‌هایی چون کشاورزی، حمل و نقل، گرمایش و سرمایش، تولید برق و ... مورد استفاده قرار گرفته که در ادامه برخی از آنها را بررسی میکنیم:

آبگرمکن‌های خورشیدی : در این آبگرمکن‌ها ابتدا نور خورشید توسط کلکتورهایی که از جنس شیشه یا فلز هستند نیز جمع می‌شود. نور جذب شده به آب داخل لوله‌ها منتقل میشود و دمای آب را افزایش می‌دهد. سپس آب گرم شده از طریق لوله‌ها به مخزن آب گرم منتقل می‌شود. این مخزن جوری عایق بندی شده است که از اتلاف حرارت آب جلوگیری شود. در نهایت آب گرم شده از طریق لوله‌ها، از مخزن به مصرف کننده می‌رسد.

سیستم‌های تصفیه آب خورشیدی : این سیستم‌ها با استفاده از نور خورشید آب را تصفیه و آلاینده‌های آن را از بین می‌برند. این سیستم‌ها به روش‌های مختلفی چون تقطیر، فیلتراسیون، ضدعفونی و ... کار می‌کنند.

به عنوان مثال در روش تقطیر آب آلوده تبخیر و بخار آن جمع آوری میشود و آب تصفیه می‌شود دقیقا مثل کاری که دستگاه تقطیر برای جدا کردن دو مایع از هم انجام میدهد. این سیستم‌ها علاوه بر فوایدی که دارند(مثل کاهش هزینه‌ها) معایبی هم دارند که میتوان به عنوان مثال به هزینه‌های اولیه، وابستگی به شرایط آب و هوا و محدودیت بیشتر اشاره کرد.

پمپ‌های خورشیدی : یکی دیگر از کاربردهای انرژی خورشیدی که در کشاورزی و سیستم‌های آبیاری از آن استفاده می‌شود، پمپ‌های خورشیدی است. نحوه کار این پمپ‌ها بدین صورت است که ابتدا با استفاده از پنل‌های خورشیدی، نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند و از این انرژی برای پمپ آب استفاده می‌شود.

سیستم‌های سرمایش خورشیدی : این سیستم‌ها به دو دسته سیستم‌های حرارتی و سیستم‌های فتوولتائیک تقسیم می‌شوند. سیستم‌های حرارتی با استفاده از کلکتورها انرژی خورشیدی را جذب و از آن برای به کار انداختن چیتلرهای جذبی یا دسیکانت استفاده می‌کنند. چیتلرهای جذبی با استفاده از یک سیکل تبرید آب را خنک و این آب را برای خنک کردن هوا یا فضاها استفاده می‌کنند. سیستم‌های فتوولتائیک هم از طریق پنل‌های خورشیدی، نور خورشید را تبدیل به انرژی الکتریکی میکنند و از این انرژی برای به کار انداختن سیستم‌های سرمایشی الکترونیکی استفاده می‌کنند.

کاربرد انرژی خورشیدی در آینده

در آینده ما کاربردهای پیشرفته‌تر دیگری از انرژی خورشیدی خواهیم داشت که میتواند شامل موارد زیر باشد:

• تولید سوخت‌های خورشیدی و مصنوعی
• ماشین، هواپیما و کشتی‌های خورشیدی که بخشی از آنها با انرژی خورشیدی به کار می‌افتد.
• فناوری‌های نوظهور مثل سلول‌های خورشیدی پروفسکایت که نسبت به سلولهای خورشیدی سیلیکونی مقاوم‌تر، راندمان بالاتر و هزینه پایین تری دارد.

کاربرد انرژی خورشیدی در طبیعت

انرژی خورشید علاوه بر زندگی انسان، نقش بسیار مهمی در طبیعت و چرخه‌های آن دارد. بطوریکه حیات همه جانداران به خورشید وابسته است و اگر خورشیدی نبود در زمین هم حیاتی وجود نداشت. موارد زیر به مهمترین نقش‌های این انرژی اشاره میکند و بار دیگر به ما می‌فهماند که این انرژی چقدر باارزش است:

فتوسنتز : فتوسنتز فرایندی است که گیاهان با استفاده از نور خورشید، آب، دی‌اکسیدکربن و غذا(قند) اکسیژن تولید می‌کنند که علاوه بر رشد گیاهان، فتوسنتز منبع اصلی اکسیژن در کره زمین است.

چرخه آب : در این چرخه انرژی خورشید مهمترین نقش را دارد؛ زیرا با تابشش به آب دریاها، اقیانوس‌ها، رودخانه‌ها باعث تبخیر آنان میشود. بخار آب حاصل از تبخیر به آسمان صعود و در اتمسفر متراکم شده و به صورت برف یا باران به زمین بازمی‌گردد.

تعیین فصول : تعیین فصول با تغییر زاویه تابش خورشید اتفاق می‌افتد که این پدیده تاثیر زیادی در زندگی حیوانات و گیاهان نیز دارد.

پس از بررسی‌های کلی کاربردهای این انرژی نوبت به بررسی تولید انرژی الکترونیکی از نور خورشید با جزئیات کامل با استفاده از پنل‌های خورشیدی نیز میرسد.

پنل‌های خورشیدی

پنل خورشیدی به یک ماژول فتولتائیک گفته می‌شود که میتواند انرژی خورشیدی را به انرژی الکترونیکی تبدیل کند. فتوولتائیک یا PV فناوری تبدیل نور به الکتریسیته به کمک نیم‌رساناهایی است که ویژگی اثر فتوولتائیک را دارند. وقتی که نور خورشید به این ماژول میتابد باعث اختلاف پتانسیل الکترونیکی بین دو الکترون‌های مثبت و منفی‌اش میشود و این اتفاق باعث ایجاد جریان الکترونیکی بین آنها میشود. سیستمهای فتوولتائیک معمولا شامل پنل، ماژوله‌ای پنل، اینورتر و گاهی یک باتری یا ردیاب خورشیدی و سیم‌کشی اتصالات میشوند. در این سیستم‌ها امکان تولید انرژی الکترونیکی از سلول‌های خورشیدی امکان‌پذیر است.

نحوه ساخت پنل‌های خورشیدی

هر پنل خورشیدی از کنار هم قرار گرفتن سلول‌های خورشیدی تشکیل می‌شود که جنس آنها از سیلیکون است. این ماده از ماسه سیلیسیس ساخته میشود که لازم نیست نگران اتمام آن باشیم؛ زیرا از لحاظ فراوانی دومین ماده در پوسته زمین نیز است. برای ساخت این ماده، ماسه سیلیسیس را به همراه کربن در دمای 2000 درجه سلسیوس حرارت میدهند و ماده حاصل را سرد میکنند. در مرحله بعد ماده بدست آمده را تبدیل به مایع میکنند تا ناخالصی های احتمالی آن نیز از بین برود. سپس ماده بدست آمده را با کمی بور و فسفر ترکیب و در قالب‌های شمش نیز میریزند. سپس شمش‌ها را با ضخامت کمتر از 2 میلی‌متر برش میدهند. سپس برای افزایش مقاومت و کاهش بازتابش، سطح آن را با نیتریت سیلیکون می‌پوشانند. دلیل کاهش بازتابش این است که وقتی این سلول ها نور خورشید را جذب کردند، کمترین میزان بازتابش را برای به حداقل رساندن میزان هدر رفتن نور خورشید نیز داشته باشند. در آخر هم به جلو و عقب ورقه‌ها خمیر نقره میزنند تا در نهایت یک سلول خورشیدی ساخته شود. پس از ساخت سلولها آنها را از نظر داشتن شکستگی نیز بررسی میکنند تا سلولهای شکسته شده را از سالم‌ها نیز جدا کنند. البته سلولهای شکسته شده را دور نمیریزند بلکه آنها را به تکه‌های کوچکتر میبرند تا در عروسک‌های شارژی، ماشین حساب‌ها و ... استفاده کنند. در مرحله بعد سلولها را زیر نور مصنوعی قرار میدهند تا از سالم بودن آنان مطمئن شوند. سپس روی این سلول ها یک پلیوری که دربرابر گرما و آب مقاوم است کشیده میشود که نام آن EVA یا Ethylene vinyl acetate است. علاوه بر این، EVA مثل یک چسب عمل میکند تا ما بتوانیم سلول ها را طبق یک الگوی خاص روی شیش‌های که قرار است تبدیل به پنل خورشیدی بشود، بچسبانیم. البته ما این سلول ها را با دستمان روی شیشه نمیچسبانیم بلکه این سلول ها بوسیله یک ربات مجهز به بازوی شش محوره روی شیشه‌ها چسبانده میشود که با هر بار حرکت میتواند دوازده سلول را روی شیشه بچسباند.

بدین ترتیب سلول‌ها طبق یک الگوی خاص در کنار یکدیگر قرار میگیرند که از دو بخش تشکیل میشوند:

1. بخش نازک فلزی که به آن فینگر میگویند.
2. بخش مجهز به باسبار که مسئول انتقال الکترونهای تولید شده به سیم‌ها و مصرف کننده است.

مهندسین سعی میکنند تا با تغییر میزان باسبار در هر سلول بهره‌وری آن را افزایش دهند. تجربه نشان داده که پنج باسبار در هر سلول بهترین تعداد باسبار نیز است. علاوه بر آن زیاد بودن باسبار در هر سلول موجب جلوگیری از ترک‌های ریزی میشود که ممکن است در سلول ایجاد شود.

سپس قبل از اینکه سلول ها روی شیشه قرار گیرند، یک لایه EVA روی آنها کشیده میشود و بعد یک ورقه در پشت پنل ها قرار میگیرد تا از سیم‌کشی و سلول‌های داخلی محافظت کند. سپس دوباره سلول ها با استفاده از برق درخشی نیز بررسی میشوند تا شکستگی نداشته باشند. دلیل این بررسی دوباره این است که این سلول ها بسیار شکننده‌اند و ممکن است به دلیل جابه‌جایی بشکنند.

بعد از این مرحله به مرحله لمینت میرسیم که توسط دستگاهها لمینتور انجام میشود.

سپس دوباره سلول ها را با استفاده از برق درخشی بررسی میکنند و سپس جعبه اتصاالت را به پشت پنل با کمک یک چسب سیلیکونی قوی وصل میکنند. جعبه اتصالات عالوه بر جمع آوری انرژی الکترونیکی تولید شده، بررسی میکند که جریان الکترونیکی فقط از یک جهت جریان داشته باشد. این کنترل جریان بدلیل تولید غیرقابل پیشبینی الکتریسیته توسط سلول‌های خورشیدی نیز است. سپس این پنل ها را در آب و هوای مختلف تست میکنند و بار دیگر زیر نور مصنوعی قرار میدهند تا عملکرد آن را بسنجند تا این پنل ها برای نصب در محل موردنظرشان آماده شوند. شرکت های تولید پنل های خورشیدی سعی در استفاده از هوش مصنوعی برای افزایش سرعت کارهایشان نیز دارند.

صحبت از هوش مصنوعی شد. اگر در مورد نقش هوش مصنوعی در ایمنی کنجکاو هستید میتوانید به مقاله ایمن سازی محیط کار با هوش مصنوعی سر بزنید.

نتیجه‌گیری

در پایان این بررسی جامع، میتوان نتیجه گرفت که انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی پاک، تجدیدپذیر و فراوان، نقشی حیاتی در آینده انرژی جهان ایفا خواهد کرد. با توجه به چالش‌های زیست‌محیطی و نیاز روزافزون به انرژی، توسعه و بهره‌برداری از فناوری‌های خورشیدی از اهمیت ویژهای برخوردار است.

خیلی ممنون که تا اینجا با ما همراه بودید. امیدوارم که نهایت استفاده از این مقاله را برده باشید. اگر نظر یا سوالی دارید میتوانید در بخش نظرات مطرح کنید.

با تشکر.