اینورتر خورشیدی یک دستگاه الکترونیکی است که برق DC (جریان مستقیم) تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را به برق AC (جریان متناوب) که برای استفاده در شبکه‌های برق خانگی و صنعتی مناسب است، تبدیل می‌کند. اینورترهای خورشیدی نقش بسیار مهمی در سیستم‌های خورشیدی دارند و بدون آنها، استفاده از انرژی تولیدی پنل‌های خورشیدی ممکن نخواهد بود. در ادامه به توضیح جزئیات بیشتری درباره اینورترهای خورشیدی می‌پردازیم.

انواع اینورترهای خورشیدی

1. اینورترهای متصل به شبکه (Grid-tied Inverters)

• کاربرد: اینورترهای متصل به شبکه برای سیستم‌هایی طراحی شده‌اند که به شبکه برق متصل هستند.
• عملکرد: اینورتر برق DC تولیدی را به برق AC تبدیل کرده و به شبکه برق تزریق می‌کند. این سیستم‌ها می‌توانند به کاهش هزینه‌های برق مصرفی کمک کنند زیرا برق تولیدی مازاد به شبکه فروخته می‌شود.
• مزایا: بهره‌وری بالا، کاهش هزینه‌های برق، سادگی نصب.

2. اینورترهای مستقل (Off-grid Inverters)

• کاربرد: اینورترهای مستقل برای سیستم‌هایی طراحی شده‌اند که به شبکه برق متصل نیستند و معمولاً در مناطق دورافتاده استفاده می‌شوند.
• عملکرد: اینورتر برق DC را به AC تبدیل کرده و به مصرف‌کننده‌ها ارائه می‌دهد. این سیستم‌ها معمولاً با باتری‌هایی برای ذخیره‌سازی برق تجهیز می‌شوند.
• مزایا: استقلال از شبکه برق، مناسب برای مناطق دورافتاده.

3. اینورترهای هیبریدی (Hybrid Inverters)

• کاربرد: اینورترهای هیبریدی ترکیبی از ویژگی‌های اینورترهای متصل به شبکه و مستقل هستند.
• عملکرد: اینورتر هیبریدی می‌تواند برق تولیدی را به شبکه تزریق کند یا برق را در باتری‌ها ذخیره کند و در مواقع نیاز از باتری‌ها برق تامین کند.
• مزایا: انعطاف‌پذیری بالا، پشتیبانی از ذخیره‌سازی باتری، قابلیت کارکرد در حالت‌های مختلف.

اجزای اصلی اینورتر خورشیدی

1. ورودی DC: این بخش برق DC تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی را دریافت می‌کند.
2. مبدل DC به AC: این بخش اصلی اینورتر است که برق DC را به AC تبدیل می‌کند.
3. واحد کنترل و مانیتورینگ: این بخش عملکرد سیستم را کنترل و مانیتور می‌کند و اطلاعات مربوط به تولید و مصرف برق را نمایش می‌دهد.
4. خروجی AC: این بخش برق AC تبدیل شده را به شبکه برق یا دستگاه‌های مصرف‌کننده ارائه می‌دهد.

مزایای استفاده از اینورتر خورشیدی

• کارایی بالا: اینورترهای خورشیدی با تبدیل برق DC به AC با کارایی بالا عمل می‌کنند.
• قابلیت اطمینان: اینورترهای خورشیدی معمولاً طول عمر بالایی دارند و در شرایط محیطی مختلف عملکرد مطلوبی دارند.
• مانیتورینگ و کنترل: اینورترهای مدرن قابلیت مانیتورینگ و کنترل از راه دور را دارند که به مدیریت بهتر سیستم کمک می‌کند.
• سازگاری با شبکه برق: اینورترهای متصل به شبکه می‌توانند برق تولیدی را به شبکه برق تزریق کنند و باعث کاهش هزینه‌های برق شوند.

طبق گزارش سالیانه «آژانس بین المللی انرژی» یا «IEA»، دلیل اصلی این رشد شتابان مربوط به هزینه تمام شده پایین و تغییر رویکرد دولت ها برای انتقال تمرکز از منابع سنتی به سمت انرژی خورشیدی تماماً پاک است.

کشور چین به عنوان یکی از پیشگامان توسعه زیرساخت های تامین برق از نور خورشید به حساب می آید. در سال گذشته نیمی از نیروگاه های خورشیدی جدید دنیا در خاک این کشور احداث شدند، در حالی که چین تا همین چند سال پیش بخش زیادی از انرژی خود را از ذغال سنگ -به عنوان یکی از آلاینده ترین منابع انرژی سنتی- تامین می کرده است.

بسیاری دهه آینده را دهه شکوفایی عظیم صنعت تولید صفحات خورشیدی و آغازگر عصری جدید از تامین انرژی از منابع تجدید پذیر می دانند. بر طبق برخی پیش بینی ها تا سال ۲۰۲۲ سرعت افزایش ظرفیت سلول های فوتوولتائیک خورشیدی در دنیا از هر تکنولوژی تجدیدپذیر دیگری بالاتر خواهد بود. به عنوان مثال کشور هند اعلام کرده است که سهم انرژی خورشیدی در تامین انرژی مورد نیاز خود را تا سال ۲۰۲۲ به دو برابر افزایش خواهد داد.

برای مشاهده مقالات و پروژه های بیشتر ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.

خورشید به‌عنوان یک رآکتور هسته‌ای طبیعی، بسته‌های کوچکی از انرژی به نام فوتون را آزاد می‌کند، فوتون‌ها در مدت‌زمان تقریبی ۸/۵ دقیقه فاصله‌ی ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید تا زمین را طی می‌کنند. این ذرات برای تولیدانرژی خورشیدی سالانه و برآورده ساختن نیازهای انرژی جهانی کافی هستند.

توان فتوولتائیک فعلی تنها پنج‌دهم از انرژی مصرفی ایالات‌متحده را تشکیل می‌دهد؛ اما فناوری خورشیدی در حال پیشرفت است و هزینه‌ی پیاده‌سازی این نوع انرژی هم با سرعت چشم‌گیری در حال کاهش است. فناوری‌های متعددی برای تبدیل نور خورشید به انرژی مصرفی ساختمان‌ها وجود دارند. متداول‌ترین فناوری‌های خورشیدی برای خانه‌ها و شرکت‌ها فناوری آب گرم خورشیدی، طراحی خورشیدی passive برای سرمایش و گرمایش محیط و فناوری فتوولتائیک خورشیدی برای برق هستند.

سازمان‌ها و صنایع از این فناوری‌ها برای افزایش منابع انرژی، بهبود بازدهی و کاهش هزینه‌ها استفاده می‌کنند. متداول‌ترین نوع انرژی خورشیدی، انرژی فتوولتائیک است. سیستم فتوولتائیک خورشیدی یک سیستم الکتریکی است که از پنل‌های خورشیدی، معکوس‌کننده و چند مؤلفه‌ی دیگر (مونتاژ، کابل و …) تشکیل شده است.

سلول‌های خورشیدی: عملکرد و انواع

سلول خورشیدی مؤلفه‌ی اصلی پنل خورشیدی است. گاهی به آن‌ها سلول‌های فتوولتائیک یا سلول‌های PV هم گفته می‌شود. این سلول‌ها با جذب نور خورشید، برق تولید می‌کنند. نام PV از فرآیند تبدیل نور (فوتون‌ها) به برق (ولتاژ) گرفته شده است که به آن اثر PV هم گفته می‌شود. اثر PV برای اولین بار در سال ۱۹۵۴ کشف شد یعنی زمانی که دانشمندان در ایستگاه تلفن Bell کشف کردند درصورتی‌که سیلیکون را در مقابل نور خورشید قرار دهند، بار الکتریکی تولید می‌کند. اندکی پس‌ از این کشف، از سلول‌های خورشیدی برای تقویت ماهواره‌های فضایی و کالاهای کوچک‌تری مثل ماشین‌حساب و ساعت استفاده شد.

سلول‌های خورشیدی از مواد نیمه‌رسانا ساخته‌ شده‌اند که متداول‌ترین نوع آن کریستالین سیلیکون است. دو نوع کریستالین سیلیکون وجود دارد، اما نوع مونو کریستالین سیلیکون کاربرد بیشتری دارد: این نوع سلول دارای یک ساختاری مربعی است و خاصیت سیلیکونی بالای آن قوی‌تر (و البته گران‌تر) از دیگر مصالح پنل خورشیدی است. نوع دیگر کریستالین سیلیکون، پلی کریستالین نمونه‌ی ارزان‌تر با کارایی و تأثیر کمتر است، از این نوع در فضاهای بزرگ (برای مثال مزرعه‌ی خورشیدی، مناطق غیرمسکونی) استفاده می‌شود.

نسل دوم سلول‌های خورشیدی، سلول‌های نواری (Thin film) هستند که از سیلیکون آمورفوس یا مواد غیرسیلیکونی مثل کادمیوم تلورید تشکیل شده‌اند. سلول‌های خورشیدی thin film از لایه‌های مواد نیمه‌رسانا با ضخامت تنها چندمیلیمتر استفاده می‌کنند. این سلول‌ها به‌دلیل انعطاف‌پذیری بالا می‌توانند برای پوشش‌های سقفی، ساخت نما یا لعاب شیشه‌ای نورگیرها به کار بروند.

نسل سوم سلول‌های خورشیدی علاوه بر سیلیکون از انواع مواد جدید ازجمله مرکب‌های خورشیدی و با استفاده از فناوری‌های معمولی پرینت، رنگ‌های خورشیدی و پلاستیک‌های رسانا ساخته می‌شوند. بعضی سلول‌های خورشیدی از لنزهای پلاستیکی یا آینه برای تمرکز نور خورشید بر یک بخش کوچک از مواد PV استفاده می‌کنند. مواد PV گران‌قیمت‌تر هستند اما به دلیل نیاز اندک به آن‌ها در صنعت و تأسیسات ازنظر هزینه مقرون‌به‌صرفه خواهند بود. بااین‌حال به این دلیل که لنزها باید به سمت نور خورشید قرار بگیرند، کاربرد کلکتورهای متمرکزکننده محدود به مناطق آفتابی است.

سازوکار و روش‌های ذخیره‌سازی سلول‌های خورشیدی

پتانسیل انرژی خورشیدی مصرفی انسان بر اساس معیارهایی مثل شرایط جغرافیایی، تغییرات زمانی، پوشش ابری و زمین متغیر است. شرایط جغرافیایی بر پتانسیل انرژی خورشیدی تأثیر می‌گذارند، زیرا نواحی نزدیک‌تر به استوا تشعشعات خورشیدی بیشتری را دریافت می‌کنند و از این‌ رو استفاده از فتوولتائیک‌ها یا سلول‌های خورشیدی می‌توانند پتانسیل انرژی خورشیدی را در مناطق دور از استوا افزایش دهند. تغییرات زمانی هم بر پتانسیل انرژی خورشیدی تأثیر می‌گذارند زیرا در طول شب پرتوهای خورشیدی قابل‌جذب برای پنل‌های خورشیدی کمتر هستند. پوشش ابری می‌تواند نور خورشید را مسدود کند و نور موجود برای سلول‌های خورشیدی را کاهش دهد. معیار مهم دیگر زمین مناسب است، زمین باید بلااستفاده و مناسب برای تعبیه‌ی پنل‌های خورشیدی باشد. پشت‌بام‌ها موقعیت مناسبی برای نصب سلول‌های خورشیدی هستند، به این روش هر خانوار می‌تواند انرژی خود را به‌صورت مستقیم تأمین کند. مناطق مناسب برای نصب سلول‌های خورشیدی زمین‌هایی هستند که قبلا برای اهداف تجاری یا اهداف دیگر به کار نرفته باشند و بتوان واحدهای خورشیدی را در آن‌ها نصب کرد.

فناوری‌های خورشیدی بر اساس روش دریافت، تبدیل و توزیع نور خورشید و کنترل انرژی خورشیدی در سطوح مختلف سراسر جهان و همین‌طور فاصله از استوا، به دو دسته‌ی active (فعال) و passive (منفعل) تقسیم می‌شوند. در روش active از فتوولتائیک‌ها، نیروی متمرکز خورشیدی، کلکتورهای گرمایی خورشیدی، پمپ‌ها و فن‌ها برای تبدیل نور خورشید به خروجی‌های مفید استفاده می‌شود. روش passive شامل انتخاب مصالحی با خواص گرمایی مناسب، طراحی فضاهایی برای تهویه‌ی هوا و قرار دادن موقعیت ساختمان در معرض نور خورشید است. فناوری‌های خورشیدی فعال تأمین انرژی را افزایش می‌دهند و متمرکز بر فناوری‌های سمت تأمین هستند؛ درحالی‌که فناوری‌های passive نیاز به منابع جایگزین را کاهش داده و به‌عنوان فناوری‌های سمت تقاضا درنظر گرفته می‌شوند.

سازوکار تولید انرژی

پنل‌های خورشیدی PV، برق جریان مستقیم (DC) را تولید می‌کنند. در برق DC الکترون‌ها از یک‌جهت دور مدار به جریان درمی‌آیند. به‌عنوان یک مثال از جریان DC می‌توان به تقویت لامپ با یک باتری اشاره کرد. الکترون‌ها از قطب منفی باطری حرکت کرده از لامپ عبور می‌کنند و مجددا به قطب مثبت بازمی‌گردند.

در برق AC (جریان متناوب)، الکترون‌ها در یک مسیر متناوب دچار نوسان می‌شوند، این وضعیت مشابه سیلندر موتور ماشین است. وقتی یک حلقه‌ی سیمی حول یک آهنربا پیچیده شده باشد، ژنراتور برق AC تولید می‌کند. بسیاری از منابع متفاوت انرژی مثل گاز، سوخت دیزلی، انرژی برق‌آبی، انرژی هسته‌ای، زغال‌سنگی، باد و انرژی خورشیدی می‌توانند این نوع ژنراتور را کنترل کنند.

به‌دلیل ارزان بودن انتقال برق AC در مسافت‌های طولانی، شبکه‌ی نیروی برق ایالات‌متحده از برق AC استفاده می‌کند. این در حالی است که پنل‌های خورشیدی برق DC تولید می‌کنند. حالا سؤال اینجاست که چگونه می‌توان برق DC را به شبکه‌ی AC منتقل کرد؟ پاسخ استفاده از مبدل یا معکوس‌کننده است.

عملکرد مبدل یا معکوس‌کننده‌ی خورشیدی

مبدل خورشیدی، برق DC را از آرایه‌ی خورشیدی دریافت کرده و آن را به برق AC تبدیل می‌کند. معکوس‌کننده‌ها مغزهای سیستم به شمار می‌روند. مبدل‌ها در کنار تبدیل توان DC به AC، وضعیت سیستم ازجمله ولتاژ و جریان موجود در مدارهای AC و DC، تولید انرژی و ردیابی حداکثر توان را هم نمایش داده و از خطا جلوگیری می‌کنند.

از ابتدای شکل‌گیری صنعت خورشیدی، مبدل‌های مرکزی متداول‌ترین انواع مبدل بوده‌اند. ظهور مبدل‌های میکرو یکی از بزرگ‌ترین تحولات فناوری در صنعت PV بود. مبدل‌های میکرو عملکرد هر پنل را به‌صورت مستقل بهینه‌سازی می‌کنند و مانند مبدل‌های مرکزی بر کل سیستم تأثیر نمی‌گذارند. به این صورت هر پنل خورشیدی حداکثر پتانسیل خود را ارائه می‌کند. یکی از معایب دیگر مبدل مرکزی این بود که بروز مشکل روی یک پنل خورشیدی (برای مثال قرار گرفتن آن در سایه یا کثیف شدن آن) عملکرد کل آرایه‌ی خورشیدی را مختل می‌ساخت. مبدل‌های میکرو ازجمله مبدل‌های موجود در سیستم خورشیدی خانگی SunPower Equinox این مشکل را حل کردند. درصورتی‌که یک پنل خورشیدی مشکلی داشته باشد، بقیه‌ی آرایه‌های خورشیدی بدون هیچ مشکلی به کار خود ادامه می‌دهند.

عملکرد سیستم پنل خورشیدی

بهتر است این مفهوم با یک مثال توضیح داده شود. در ابتدا، نور خورشید به پنل خورشیدی روی سقف می‌تابد. پنل‌ها انرژی را به جریان DC تبدیل می‌کنند تا در معکوس کننده جریان پیدا کند. معکوس‌کننده‌ی برق DC را به AC تبدیل می‌کند، در مرحله‌ی بعدی می‌توان از این برق برای تأمین نیروی یک خانه استفاده کرد. این انرژی ساده و پاک، مقرون‌به‌صرفه و بهینه است.

اما ساعاتی که شما در خانه نیستید چه اتفاقی می‌افتد؟ یا مثلا هنگام شب که سیستم خورشیدی، قادر به تولید برق نیست چه کار باید کرد؟ جای هیچ نگرانی نیست، در این شرایط می‌توان از سیستم net metering استفاده کرد. این سیستم یک نوع سیستم معمولی PV مبتنی بر شبکه است که در ساعات اوج روز انرژی بیشتری را تولید می‌کند، بنابراین انرژی مازاد دوباره به شبکه بازمی‌گردد. مصرف‌کننده می‌تواند از انرژی اضافه در هنگام شب یا روزهای ابری استفاده کند. net meter نسبت انرژی ارسالی به انرژی دریافتی از شبکه را ثبت می‌کند. در مقیاس گسترده‌تر، سه نوع سیستم نیروگاهی برای انرژی خورشیدی وجود دارد که عبارت‌اند از:

• سیستم متمرکزکننده‌ی خطی
• سیستم dish/engine (بشقاب/موتور)
• سیستم power tower یا برج نیرو

سیستم متمرکزکننده‌ی خطی انرژی خورشید را با استفاده از آینه‌های مستطیلی و سهموی جمع‌آوری می‌کند. آینه‌ها به سمت خورشید منحرف می‌شوند، نور خورشید را رو لوله‌هایی (گیرنده‌ها) متمرکز می‌کنند که در طول آینه‌ها قرار گرفته‌اند. نور منعکس‌شده، جریان سیال داخل لوله‌ها را گرم می‌کند. سپس از این جریان داغ برای جوشاندن آب در یک ژنراتور معمولی توربینی به‌منظور تولید انرژی برق استفاده می‌شود.

سیستم dish/engine از یک بشقاب آینه‌ای مشابه بشقاب بزرگ ماهواره‌ها استفاده می‌کند. این سیستم با هدف حداقل سازی هزینه‌ها، از ترکیبی از آینه‌های مسطح ساخته شده که در یک شکل بشقابی کنار هم قرار گرفته‌اند. سطح بشقابی نور خورشید را به گیرنده‌ی گرمایی هدایت می‌کند، گیرنده‌ی گرمایی گرما را جذب و جمع‌آوری می‌کند و سپس آن را به ژنراتور موتور منتقل می‌کند. متداول‌ترین نوع موتور گرمایی که امروزه در سیستم‌های dish/engine به کار می‌رود موتور استرلینگ است. این سیستم از سیال داغ برای جابه‌جایی پیستون‌ها و تولید نیروی مکانیکی استفاده می‌کند. سپس از این نیروی مکانیکی برای راه‌اندازی ژنراتور یا تناوبگر و تولید برق استفاده می‌شود.

سیستم برج نیرو (Power tower) از یک بخش بزرگ و مسطح از آینه‌های ردیابی خورشیدی موسوم به هلیوستات تشکیل شده که از آن‌ها برای متمرکز کردن نور خورشید روی یک گیرنده در قسمت بالای برج استفاده می‌کند. از سیال داغ موجود در گیرنده برای تولید بخار استفاده می‌شود، در مرحله‌ی بعدی از این بخار در یک ژنراتور توربینی معمولی برق تولید می‌شود. بعضی برج‌های نیرو از بخار یا آب به‌عنوان سیال داغ استفاده می‌کنند. طرح‌های پیشرفته‌ی دیگر به دلیل قابلیت‌های ذخیره‌سازی انرژی و انتقال گرمای نمک مذاب نیترات از این ماده استفاده می‌کنند. قابلیت ذخیره‌سازی انرژی یا ذخیره‌سازی گرمایی امکان توزیع برق در روزهای ابری یا هنگام شب را هم فراهم می‌کند.

فناوری نمک مذاب

از نمک مذاب می‌توان به‌عنوان روش ذخیره‌سازی گرمایی برای حفظ انرژی جمع‌آوری شده توسط برج خورشیدی استفاده کرد که درنهایت برای تولید برق در آب‌وهوای بد یا هنگام شب به کار می‌رود. بر اساس پیش‌بینی‌ها بازدهی این سیستم ۹۹ درصد است. نمک در دمای ۱۳۱ درجه‌ی سانتی‌گراد ذوب می‌شود. و تا ۲۸۸ درجه‌ی سانتی‌گراد در یک محفظه‌ی ذخیره‌سازی سرد به حالت مایع باقی می‌ماند. نمک مایع از طریق پنل‌ها به داخل یک کلکتور (جمع‌کننده) خورشیدی پمپ می‌شود، در این کالکتور دما به ۵۶۶ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد. در صورت نیاز به برق نمک داغ به یک ژنراتور بخار معمولی پمپ می‌شود تا بخار داغ را برای توربین یا ژنراتور در هر کدام از واحدهای نیروی هسته‌ای، زغال‌سنگی، نفتی و … فراهم کند.

کاربردهای انرژی خورشیدی

فناوری خورشیدی ساختمان‌های صنعتی، تجاری و مسکونی مشابه است (فتوولتائیک، گرمایش passive، نور روز و گرمایش آبی). البته ساختمان‌های غیرمسکونی می‌توانند از انواعی استفاده کنند که کاربرد خانگی ندارند. این فناوری‌ها شامل تهویه‌ی هوا، گرمایش و سرمایش خورشیدی هستند. در ادامه به صورت مختصر به انواع کاربردهای انرژی خورشیدی در مقیاس خانگی و صنعتی اشاره شده است:

گرمایش، سرمایش، تهویه: دودکشی خورشیدی (دودکش گرمایی) یک سیستم تهویه‌ی خورشیدی passive است که از یک محور عمودی تشکیل شده است. این محور بیرون و درون ساختمان را به یکدیگر وصل می‌کند. با گرم شدن دودکش هوای داخل ساختمان هم گرم می‌شود و هوا را به داخل ساختمان می‌کشد. از گیاهان و درختان فصلی می‌توان به‌عنوان واسطه‌ای برای کنترل گرمایش و سرمایش خورشیدی استفاده کرد. اگر گیاه در بخش جنوبی ساختمان قرار بگیرد، برگ‌های آن در طول تابستان سایه تولید می‌کنند و در زمستان شاخه‌های لخت و بدون امکان عبور نور را فراهم می‌کنند.

آشپزی: اجاق‌های خورشیدی از نور خورشیدی برای آشپزی، خشک‌ کردن و پاستوریزه‌سازی استفاده می‌کنند. این وسایل به سه دسته‌ی عمده تقسیم می‌شوند: اجاق‌های جعبه‌ای، اجاق‌های پنلی و اجاق‌های انعکاسی.

تصفیه‌ی آب: با فرآیند تقطیر خورشیدی می‌توان از آب‌شور یا بدمزه آب آشامیدنی تولید کرد. اولین بار شیمی‌دان‌های عرب قرن شانزدهم به این فناوری دست پیدا کردند. سپس پروژه‌ی تقطیر خورشیدی در مقیاس بزرگ‌تر در ۱۸۷۲ در لاس سالیناس شیلی آغاز شد.

معماری: نور خورشید از ابتدای تاریخچه‌ی معماری بر طراحی ساختمان تأثیرگذار بوده است. روش‌های پیشرفته‌ی معماری خورشیدی و برنامه‌ریزی شهری در ابتدا توسط یونانی‌ها و چینی‌ها به کار رفتند، آن‌ها برای حداکثر استفاده از نور و گرما ساختمان‌های خود را به سمت جنوب می‌ساختند.

در روش‌های جدید طراحی خورشیدی از مدل‌سازی کامپیوتر استفاده می‌شود و سیستم‌های گرمایش، نورپردازی و تهویه‌ی خورشیدی در یک مجموعه‌ی یکپارچه ارائه می‌شوند. تجهیزات خورشیدی active مانند پمپ‌ها، فن‌ها و پنجره‌های قابل‌جایگزینی می‌توانند مکملی برای طراحی passive باشند و عملکرد کلی سیستم را بهبود دهند.

کشاورزی و باغبانی. صنعت کشاورزی و باغبانی به‌دنبال بهینه‌سازی انرژی خورشیدی دریافتی و افزایش بهره‌وری واحدها است. روش‌هایی مثل چرخه‌های زمان‌بندی‌شده، جهت‌گیری سطری، ارتفاع متناوب بین سطرها و ترکیب گونه‌های گیاهی می‌توانند به توسعه‌ی برداشت محصول کمک کنند. در بعضی نقاط کشاورزها برای حداکثرسازی جذب انرژی خورشیدی از دیوارهای میوه‌ای استفاده می‌کنند. این دیوارها سرعت رسیدن میوه‌ها را از طریق گرم نگه‌داشتن آن‌ها افزایش می‌دهند. دیوارهای اولیه عمود بر زمین و به سمت جنوب ساخته می‌شدند؛ اما به‌مرور زمان، برای جذب بهتر نور خورشید از دیوارهای شیب‌دار استفاده شد. انرژی خورشیدی علاوه بر پرورش در دیگر کاربردهای کشاورزی مثل پمپ کردن آب، خشک کردن محصولات، جوجه‌کشی و خشک کردن کودهای کشاورزی هم نقش دارد. گلخانه‌ها هم نور خورشید را به گرما تبدیل می‌کنند. در این شرایط امکان پرورش بسیاری از محصولات به‌صورت طبیعی فراهم می‌شود.

حمل‌ونقل: یکی از اهداف مهندسین از دهه‌ی ۱۹۸۰ توسعه‌ی ماشین‌های خورشیدی بوده است. بعضی وسایل نقلیه از پنل‌های خورشیدی برای تأمین نیروی اضطراری از جمله تهویه‌ی هوا برای خنک کردن فضای داخل ماشین استفاده می‌کنند و به این صورت مصرف سوخت را کاهش می‌دهند.

تولید سوخت: فرآیندهای شیمیایی خورشیدی از انرژی خورشیدی برای اجرای واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌کنند. این فرایندها می‌توانند انرژی خورشید را به سوخت‌های قابل‌انتقال و قابل ذخیره‌سازی تبدیل کنند. واکنش‌های شیمیایی خورشیدی را می‌توان به دو نوع ترموشیمیایی و فوتوشیمیایی تقسیم کرد. فناوری‌های تولید هیدروژن از دهه‌ی ۱۹۷۰ بخش گسترده‌ای از پژوهش‌های انرژی خورشیدی را در برمی‌گیرند.

مزایا و معایب انرژی خورشیدی

با تهدید فزاینده‌ی تغییرات آب و هوایی بر اثر نشر بیش‌ازاندازه‌ی کربن، بسیاری از کشورها به‌دنبال جایگزین‌های انرژی تمیز برای سوخت‌های فسیلی سنتی خود هستند. از میان تمام جایگزین‌های انرژی، انرژی خورشیدی بیشترین هزینه را داشته است. بااین‌حال، با درنظر گرفتن مزایا و معایب و کاهش ۸۰ درصدی قیمت پنل‌های خورشیدی در پنج سال گذشته، انرژی خورشیدی آینده‌ی درخشانی خواهد داشت. ازجمله مزایای این انرژی می‌توان به موارد زیر اشاره‌ کرد:

پایداری

انرژی خورشیدی جایگزین پایداری برای سوخت‌های فسیلی به شمار می‌رود. با‌اینکه سوخت‌های فسیلی تاریخ انقضا دارند؛ اما انرژی خورشید حداقل چند میلیارد سال در دسترس خواهد بود. علاوه براین، هرروز ۷۳ هزار تراوات انرژی خورشید به سطح زمین می‌رسد که ۱۰٬۰۰۰ برابر بیشتر از مصرف روزانه‌ی انرژی در کل جهان است. برای استفاده از این منبع انرژی عظیم تنها لازم است فناوری‌ موردنیاز آن پیاده‌سازی شود.

تأثیر کم بر محیط

تأثیر انرژی خورشیدی بر محیط در مقایسه با سوخت‌های فسیلی، بسیار کمتر است. این انرژی گاز گلخانه‌ای منتشر نمی‌کند زیرا فناوری مربوط به آن نیاز به احتراق سوخت ندارد. اگرچه نیروگاه‌های گرمایی خورشیدی (CSP) به دلیل مصرف آب و بر اساس نوع فناوری به‌کاررفته، نسبتا غیربهینه هستند، استفاده از فناوری مناسب می‌تواند بازدهی را افزایش دهد برای مثال سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک (PV) برای تولید برق نیازی به آب ندارند.

استقلال انرژی

ازآنجاکه نور خورشید در اغلب کشورهای دنیا فراوان است، بنابراین می‌تواند هر کشوری را به یک تولید‌کننده‌ی انرژی بالقوه تبدیل کند و وابستگی کشورها به انرژی را کاهش دهد و از طرفی امنیت آن‌ها را افزایش دهد. انرژی خورشیدی تنها در سطح ملی امنیت و استقلال را افزایش نمی‌دهد؛ بلکه در مقیاس‌های کوچک‌تر برای مثال با نصب پنل‌های خورشیدی روی بام خانه‌ها هم می‌توان نیروی برق موردنیاز هر خانوار را تأمین کرد.

معایب

یکی از بزرگ‌ترین مشکلات فناوری خورشیدی، این است که تنها هنگام تابش خورشید انرژی تولید می‌کند. به این معنی که هنگام شب یا در روزهای ابری ممکن است تأمین انرژی مختل شود. اگر روش‌های کم‌هزینه‌ای برای ذخیره‌سازی انرژی وجود داشته باشد این مسئله مشکل‌ساز نخواهد شد، زیرا دوره‌های آفتابی طولانی می‌توانند انرژی اضافه‌ را تولید کنند. برای مثال آلمان یکی از پیشتازان فناوری خورشیدی، در حال حاضر بر توسعه‌ی ذخیره‌سازی انرژی کار می‌کند تا این مشکل را برطرف کند.

خرابی زمین

یکی از نگرانی‌های انرژی خورشیدی، آسیب به زمین، فرسایش و از بین رفتن حیات‌وحش است. بااینکه سیستم‌های خورشیدی PV را می‌توان در محل‌های ثابتی نصب کرد، اما ممکن است سیستم‌های بزرگ PV برای تولید هر مگاوات برق به ۳.۵ تا ۱۰ جریب زمین و تأسیسات CSP برای تولید همین میزبان به ۴ تا ۱۶.۵ جریب زمین نیاز داشته باشند. برای حل این مشکل می‌توان تأسیسات را در بخش‌های کم کیفیت یا در امتداد جاده‌ها و بزرگراه‌ها نصب کرد.

کمبود مصالح

بعضی فناوری‌های خورشیدی به مصالح نادری در تولید خود نیاز دارند. بااین‌حال این مشکل فناوری PV هست نه فناوری CSP. برای مثال بسیاری از مصالح نادر و کمیاب محصولات جانبی فرآیندهای دیگر هستند و به‌طور مستقیم از معدن استخراج نشده‌اند.

بازیافت مصالح PV و پیشرفت‌های حاصل در نانو فناوری بازدهی سلول‌های خورشیدی را بالا برده و به افزایش تأمین توان کمک می‌کنند اما شاید یافتن جایگزین‌ها با فراوانی بیشتر بتوانند نقش عمده‌ای در حل این مشکل ایفا کنند.

بااینکه فناوری خورشیدی معایبی دارد و در بعضی بازارها پرهزینه است، اما جایگزین بسیار مناسبی برای سوخت‌های فسیلی است. مشکلات هزینه با پیشرفت‌های آینده‌ی فناوری در افزایش بازدهی و ظرفیت ذخیره‌سازی قابل‌حل هستند. با درنظر گرفتن سودهای بالقوه‌ی برداشت گرما و نور خورشید، انگیزه‌ برای توسعه‌ی آینده‌ی انرژی خورشیدی بالا خواهد رفت.

برای مشاهده مقالات و پروژه های بیشتر ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.

انرژی خورشیدی پاک و فراوان و از همه‌ مهمتر رایگان است؛ بر خلاف سوخت‌های فسیلی تمام نمی‌شود، به طبیعت آسیبی نمی‌زند و مشکلی هم برای خرید و فروشش وجود ندارد. پس چرا نباید به آن اهمیت بدهیم؟ شاید بد نباشد به عنوان نخستین گام، ببینیم که انرژی خورشیدی واقعاً چیست و چطور می‌شود آن را از طریق سازه‌های ساخت بشر، ذخیره کرد و مورد استفاده قرار داد.

تابش‌های گرم خورشیدی، چگونه به وجود می‌آیند؟

اگر حالات ماده را به چهار نوع جامد، مایع، گاز و پلاسما تقسیم کنیم، ستاره‌ی خورشید از نظر حالت در دسته‌ی چهارم یعنی پلاسما قرار می‌گیرد. یعنی گازهای تشکیل‌دهنده‌ی آن چنان داغ و پرانرژی‌اند که از نظر ساختاری، به یون تبدیل شده‌اند. از نظر شیمیایی، سه چهارم جرم خورشید را هیدروژن و باقی‌مانده‌ی آن را هلیم و چند گاز دیگر (مانند اکسیژن، کربن و نئون) تشکیل می‌دهند.

اساس کار تولید گرما در خورشید، بر پایه‌ی واکنش‌های همجوشی هسته‌ای است؛ دانشی که در حال حاضر، امکان پیاده‌سازی آن در زمین وجود ندارد. وقتی هیدروژن و هلیم در یکدیگر جوش می‌خورند، بر اساس فرمول مشهور فیزیکدان نامی، آلبرت انیشتین، یعنی E=MC^2، از تبدیل جرم به انرژی، مقدار زیادی گرما به صورت تابش، به اطراف پراکنده می‌شود؛ خلاء حاکم بر فضا را می‌پیماید و به اجرام اطراف، از جمله زمین می‌رسد.

چگونه انرژی خورشید را جمع‌آوری می‌کنیم؟

در بحث استفاده از انرژی خورشیدی، دو راهکار داریم: AV و PV
AV سرواژه‌ی انگلیسی “active solar” است و به جمع‌آوری انرژی از راه استفاده از  پنل‌های خورشیدی یا مولدهای ترموالکتریک، گفته می‌شود. به این پنل‌های خورشیدی، پنل‌های فوتوولتائیک نیز گفته می‌شوند.

PV که مخفف “passive solar” است، ما را به طراحی خانه و ساختمان، به گونه‌ای که بیشترین‌ استفاده را از تابش‌های خورشید ببریم، دعوت می‌کند. ایجاد محیط‌های نورگیر یا استفاده از پنجره‌های بزرگ در این حیطه قرار دارد.

پنل‌های خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟

برای استفاده از انرژی خورشید و تبدیل آن به سایر صورت‌های انرژی، راه‌کار های زیادی پیشنهاد شده است. اختراعاتی چون دیودهای فروسرخ، دیودهای بالستیک یا مولدهای حرارتی که هر یک با مشکلاتی رو به رو بودند. در نهایت به این نتیجه رسیدیم که در حال حاضر، بهتر است تمرکز خود را بر صفحات پوشیده شده با سلول‌های خورشیدی معطوف کنیم.این صفحات از اثر فوتوالکتریک، بهره می‌برنداین پنل‌ها از مواد نیمه هادی درست می‌شوند و وقتی فوتون‌های نور (که دارای انرژی هستند) به این مواد برخورد می‌کنند، باعث جداسازی الکترون و به وجود آمدن جریان الکتریکی، می‌شوند. مقدار جریان ایجاد شده، به کارایی و کیفیت ساخت پنل بستگی دارد. مدل‌های تجاری رایج، تقریباً حدود ۲۰ درصد نور دریافتی را به انرژی تبدیل می‌کنند؛ در حالی که نمونه‌های خاص و گرانی که NASA در ماهواره‌هایش استفاده می‌کند، بازدهی ۴۰ درصدی دارند.

چرا باید به سراغ انرژی خورشیدی برویم؟

در قطب جنوب و مناطق یخ زده آلاسکا، عذر مردم برای چشم‌پوشی از این منبع خدادادی پذیرفتنی است؛ اما در مناطقی که در ۶ ماه سال، از آفتابی گرم و سوزان بهره می‌برند(!) عدم استفاده از آن، اسراف نعمت‌های خداوندی است و توجیهی ندارد. در آمریکا، دولت تصمیم گرفته تا با کاهش مالیات بر خرید پنل‌های خورشیدی در ایالت‌های گرمسیری، شهروندان را به خرید آن‌ها ترغیب کند. در برخی کشورها مانند استرالیا، صدها مزرعه بزرگ خورشیدی راه‌اندازی شده است. حتی بر روی سقف کاخ سفید، مقر سران ایالات متحده هم، پنل‌های خورشیدی نصب شده تا برق وسایل روشنایی را فراهم کنند.

شرکت‌های بزرگ مانند گوگل یا اپل که به علت داشتن کاربران میلیونی و ترافیک بسیار سنگین اینترنتی، ناگزیرند هزینه‌های زیادی را برای تأمین انرژی مورد نیاز دیتاسنترهای عظیم‌شان خرج کنند، روی به انرژی‌های پاک و ارزان مانند انرژی خورشیدی آورده‌اند و با تأسیس مزرعه‌هایی از پنل‌های خورشیدی، برق مصرفی‌شان را تأمین می‌کنند. مانند دیتاسنتر بزرگ اپل در منطقه مِیدن در صحرای نوادا.

حتی سعی می‌شود خانه‌های مدرن، به گونه‌ای ساخته شوند که بخشی از انرژی مورد نیاز وسایل منزل، با کمک انرژی خورشید تأمین شود. صنعت هواپیما‌سازی هم دارد اندک اندک به استفاده از این گرمای رایگان  روی می‌آورد. مانند شرکت Solar Impulse که ادعا می‌کند می‌تواند هواپیمایی ۲۲۶۸ کیلوگرمی را را با کمک ۱۷۰۰۰ سلول خورشیدی، به پرواز درآورد؛ هواپیمایی که قادر است فاصله میان اقیانوس آرام تا اقیانوس اطلس را ۵ روزه بپیماید.

با همه گیر شدن خودروهای الکتریکی، می‌توان با استفاده از انرژی خورشید، وسایل نقلیه را شارژ کرد و برای همیشه از بنزین و آلودگی هوای ناشی از آن رهایی یافت. در آمریکا پروژه‌ای با سرمایه‌ی ۱ میلیون دلاری کلید خورده که قرار است بخش‌هایی به مساحت ۷۵۰۰۰ کیلومتر مربع از جاده‌های این کشور را با سلول‌های ۶ ضلعی و بسیار مقاوم خورشیدی بپوشاند و برق خانه‌های بسیاری را از این راه تأمین کند.

با این‌همه که گفتیم، هنوز موانعی سر راه است که نه تقصیر من است، نه شما. هنوز امکان تهیه صفحات خورشیدی برای همه وجود ندارد و قیمت آن‌ها هم برای شهروندان سطح متوسط خیلی از کشورها، بالا است. در کشورهای پیشرفته، برخی هنوز به امکانات موجود اعتماد ندارند و منتظرند تا صفحات خورشیدی از نظر کارایی و راندمان، توانایی‌های بیشتری بدست آورند. برخی هم مثل همیشه، بدنبال بهترین نسبت کارایی به قیمت‌اند و بی‌توجه به وضعیت نگران‌کننده‌ای که خانه‌ی بزرگ ما، یعنی زمین را تهدید می‌کند.

برای فراگیر‌شدن استفاده از این پنل‌ها، باید آن‌ها را بیش از پیش بهینه کرد و بهای‌شان را کاهش داد؛ همچنین میزان تولید را بالاتر برد تا بتوان دایره‌ی توزیع را بزرگ‌تر کرد. بهرحال وقتی بین یک انگیزه‌ی معنوی و محدودیت‌های مادی گیر بیافتیم، مانند همین موضوع، راهی جز تولید گازهای گلخانه‌ای بیشتر نداریم تا زمانی ‌که شرایط بهتر شود.

اما در سطوح کلان که امکان اختصاص بودجه‌ی بیشتری داریم، حیف است که این منابع سرشار و ارزان را نادیده بگیریم. بیش از دو سوم خاک ایران را مناطق بیابانی و نیمه بیابانی تشکیل می‌دهند که حداقل در ۶ ماه سال، آفتاب با قدرتی بی‌نظیری بر آن‌ها می‌تابد. احداث توربین‌های بادی در مناطق مستعد، کاری قابل تقدیر است که تا کنون انجام گرفته؛ پس می‌توان مقصد بعدی را ایستگاه خورشیدی در نظر گرفت.

برای مشاهده مقالات و پروژه های بیشتر ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.