انرژی خورشیدی چیست؟

انرژی خورشیدی چیست؟

انرژی خورشیدی، تابش خورشیدی است که قادر به تولید گرما، انجام واکنش‌های شیمیایی و یا تولید الکتریسیته می‌باشد. مقدار کل انرژی خورشیدی که به زمین می‌رسد بسیار بیشتر از انرژی مورد نیاز فعلی و آتی مردم جهان است. اگر این منبع انرژی به شیوه‌ای مناسب مهار شود، کل انرژی مورد نیاز در آینده را تامین می‌کند. انتظار می‌رود که انرژی خورشیدی در قرن بیست و یکم به طور فزاینده‌ای به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر به دلیل منبع پایان‌ناپذیر و ماهیت غیر آلاینده‌اش‌، در تضاد کامل با سوخت‌های فسیلی محدود همچون ذغال‌سنگ، نفت و گاز طبیعی، مورد توجه قرار گیرد.

کاربردهای معمول انرژی خورشیدی چیست؟

انرژی خورشیدی معمولاً برای آبگرمکن های خورشیدی و گرمایش خانه استفاده می شود. گرمای حوضچه های خورشیدی امکان تولید مواد شیمیایی، مواد غذایی، منسوجات، گلخانه های گرم، استخرهای شنا و ساختمان های دام را فراهم می کند. پخت و پز و تهیه منبع تغذیه برای وسایل الکترونیکی نیز با استفاده از انرژی خورشیدی امکان پذیر است.

انرژی خورشیدی چگونه جمع‌آوری می‌شود؟

رایج ترین وسایلی که برای جمع آوری انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انرژی حرارتی استفاده می شود، کلکتورهای صفحه تخت هستند. روش دیگری برای تبدیل انرژی حرارتی در حوضچه های خورشیدی یافت می شود که توده های آب نمکی هستند که برای جمع آوری و ذخیره انرژی خورشیدی طراحی شده اند. تشعشعات خورشیدی همچنین ممکن است مستقیماً توسط سلول‌های خورشیدی یا سلول‌های فتوولتائیک به الکتریسیته تبدیل شوند یا برای پختن غذا در اجاق‌های خورشیدی ویژه طراحی شده، که معمولاً نور خورشید را از یک منطقه وسیع به یک نقطه مرکزی متمرکز می‌کنند، مهار شود.

• انعکاس و جذب انرژی خورشیدی

اگرچه بخشی از نور دریافتی توسط اتمسفر و سطح زمین منعکس می‌شود، بخش اعظم توسط سطح جذب شده و سبب گرمای زمین می‌شود.

خورشید منبع انرژی بسیار قدرتمندی است و نور خورشید بزرگترین منبع انرژی دریافت ‌شده توسط زمین می‌باشد، اما شدت این انرژی در سطح زمین بسیار کم است. دلیل این امر اساسا به خاطر گسترش شعاعی تابش خورشید از فاصله دور است. بخشی از این کاهش انرژی نیز به خاطر اتمسفر و ابرهای کره‌ی زمین است که به اندازه ۵۴ درصد نور دریافتی را جذب یا پراکنده می‌کنند. بخشی از نور خورشید که به زمین می‌رسد شامل نزدیک به ۵۰ درصد نور مرئی، ۴۵ درصد تابش مادون‌قرمز و مقادیر کمتر اشعه فرابنفش و دیگر اشکال تابش الکترومغناطیسی است.

• پتانسیل انرژی خورشیدی، پتانسیل توان فتوولتاییک جهان

پتانسیل انرژی خورشیدی بسیار زیاد است، زیرا در حدود ۲۰۰۰۰۰ برابر ظرفیت تولید برق روزانه جهان هر روز توسط زمین به شکل انرژی خورشیدی دریافت می‌شود. متاسفانه، هر چند انرژی خورشیدی رایگان است، هزینه بالای جمع‌آوری، تبدیل و ذخیره‌سازی آن هنوز هم بهره‌برداری از این انرژی را در بسیاری از مکان‌ها محدود کرده است. تابش خورشیدی می‌تواند به انرژی حرارتی (‏گرما)‏ یا انرژی الکتریکی تبدیل شود، هرچند انجام اولی آسان‌تر است.

• انرژی حرارتی

از جمله رایج‌ترین ابزارهایی که برای جذب انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انرژی حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، کلکتورهای صفحه تخت هستند که برای مصارف گرمایش خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنجا که شدت تابش خورشید در سطح زمین بسیار کم است، این جمع‌کننده‌ها باید مساحت زیادی داشته باشند. برای مثال حتی در مناطق گرمسیری جهان، کلکتورها باید سطحی در حدود ۴۰ متر مربع (‏۴۳۰ فوت مربع) ‏داشته باشند تا انرژی کافی برای تامین نیازهای انرژی یک نفر را جمع‌آوری کنند.

• گرمایش خورشیدی

سقف ساختمانی با کلکتورهای صفحه تخت که انرژی خورشیدی را به منظور گرمایش هوا یا آب به دام می‌اندازد.

کلکتورهای صفحه تخت که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل یک صفحه فلزی سیاه، پوشیده شده با یک یا دو صفحه شیشه‌ای هستند که به وسیله‌ی تابش نور خورشید گرم می‌شوند. سپس این گرما به هوا و یا آب منتقل می‌شود که سیالات حامل نامیده می‌شوند و از پشت صفحه عبور می‌کنند. ممکن است گرما به طور مستقیم مورد استفاده قرار گیرد و یا ممکن است برای ذخیره‌سازی به محیط دیگری منتقل شود. کلکتورهای صفحه تخت معمولا برای آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی و گرمایش خانه مورد استفاده قرار می‌گیرند. ذخیره‌سازی گرما برای استفاده در طول شب یا روزهای ابری معمولا با استفاده از مخازن عایق برای ذخیره‌سازی آب گرم در طول دوره‌های روشنایی انجام می‌شود. چنین سیستمی می‌تواند آب گرم یک خانه را تامین کند و یا با جریان آب گرم شده از طریق لوله‌هایی در کف و سقف، می‌تواند گرمایش فضا را فراهم نماید. کلکتورهای صفحه تخت معمولا سیال‌های حامل را در محدوده دمایی ۶۶ تا ۹۳ درجه سانتیگراد (‏۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه فارنهایت)‏ گرم می‌کنند. بازده چنین کلکتورهایی (‏یعنی نسبت انرژی دریافتی که کلکتورها به انرژی قابل‌استفاده تبدیل می‌کنند) ‏بسته به طراحی کلکتور بین ۲۰ تا ۸۰ درصد است.

یکی دیگر از روش‌های تبدیل انرژی گرمایی در استخرهای خورشیدی یافت می‌شود که مخازنی حاوی آب شور هستند و برای جمع‌آوری و ذخیره انرژی خورشیدی طراحی شده‌اند. گرمای استخراج ‌شده از این حوضچه‌ها، تولید مواد شیمیایی، غذا، منسوجات و دیگر محصولات صنعتی را ممکن می‌سازد و همچنین می‌تواند برای گرم کردن گلخانه‌ها، استخرهای شنا و محل نگهداری دام مورد استفاده قرار گیرد. گاهی اوقات حوضچه‌های خورشیدی برای تولید الکتریسیته از طریق استفاده از موتور سیکل رانکین آلی بکار می‌روند که نوعی ابزار نسبتا کارآمد و اقتصادی برای تبدیل انرژی خورشیدی بوده و به ویژه در مکان‌های دور افتاده کاربرد دارند. نصب و نگهداری حوضچه‌های خورشیدی نسبتا گران است و عموما به مناطق روستایی گرمسیر محدود می‌شود.

در مقیاس کوچکتر، انرژی خورشیدی را می‌توان برای پختن غذا در اجاق‌های خورشیدی مهار کرد. کوره‌های خورشیدی معمولا نور خورشید را از منطقه‌ای وسیع به یک نقطه مرکزی متمرکز می‌کنند که در آن ظرف سیاهی وجود دارد و نور خورشید را به گرما تبدیل می‌کند. این اجاق‌ها معمولا قابل‌حمل هستند و به هیچ ورودی سوخت دیگری نیاز ندارند.

• تولید الکتریسیته

تابش خورشیدی را می‌توان مستقیما توسط سلول‌های خورشیدی (‏سلول‌های فوتوولتاییک) ‏به الکتریسیته تبدیل کرد. در این سلول‌ها، ولتاژ الکتریکی ضعیفی پس از برخورد نور به اتصال بین یک فلز و یک نیمه‌رسانا (‏مانند سیلیکون)‏ یا اتصال بین دو نیمه‌رسانای مختلف تولید می‌شود. (‏به اثر فوتوولتاییک نگاه کنید.)‏ برق تولید شده توسط یک سلول فوتوولتاییک معمولا حدود دو وات است. اما با اتصال تعداد زیادی از سلول‌های منفرد به یکدیگر، مانند ردیف‌های متعدد پنل‌های خورشیدی، ممکن است صدها یا حتی هزاران کیلووات برق در یک نیروگاه برق خورشیدی یا پنل‌های خانگی تولید شود. بازده انرژی اکثر سلول‌های فتوولتاییک امروزی تنها حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد است، و از آنجا که شدت تابش خورشیدی برای شروع کم است، برای تولید مقادیر متوسط برق هم به مونتاژهای عظیم و گران‌قیمت این سلول‌ها نیاز است.

سلول خورشیدی. زمانی که نور خورشید به یک سلول خورشیدی می‌خورد، یک الکترون با اثر فتوالکتریک آزاد می‌شود. سپس دو نیمه‌رسانای متفاوت که از نظر ولتاژ الکتریکی نیز متفاوت هستند، سبب جریان یافتن الکترون‌ها از طریق مدار خارجی شده و برق را تامین می‌کنند. جریان الکتریسیته حاصل به خصوصیات نیمه‌رساناهای مورد استفاده بستگی دارد و کاملا از طریق نور خورشید تامین می‌گردد.

سلول‌های فوتوولتاییک کوچک که بر روی لامپ‌های خورشیدی یا نور مصنوعی کار می‌کنند، کاربرد زیادی در دستگاه‌های کم مصرف یافته‌اند – به عنوان مثال منابع برق برای ماشین‌حساب‌ها و ساعت‌ها. واحدهای بزرگ‌تر برای تامین برق مورد نیاز پمپ‌های آب، سیستم‌های ارتباطی در مناطق دور افتاده و ماهواره‌های ارتباطی و هواشناسی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. پنل‌های سیلیکونی بلوری کلاسیک و فناوری‌های نوظهور با استفاده از سلول‌های خورشیدی لایه نازک، از جمله فوتوولتاییک‌های ساختمانی، می‌توانند توسط صاحب‌خانه‌ها و کسب و کارها بر روی پشت‌بام‌ها نصب شوند تا منبع برق معمولی را جایگزین یا تقویت کنند.

• برق خورشیدی. خانه‌ای با پنل‌های خورشیدی بر روی سقف

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز از کلکتورها برای متمرکز کردن نور خورشید دریافت‌ شده از یک ناحیه وسیع بر روی یک گیرنده سیاه کوچک استفاده می‌کنند، در نتیجه شدت نور را به طور قابل‌توجهی به منظور تولید دماهای بالا افزایش می‌دهند. آینه‌ها یا لنزهای به دقت هم تراز شده می‌توانند نور خورشید کافی را برای گرم کردن در دمای ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد (‏۳۶۰۰ درجه فارنهایت)‏ یا بیشتر متمرکز کنند. سپس این گرما می‌تواند برای راه‌اندازی دیگ بخاری استفاده شود که به نوبه خود بخار را برای یک نیروگاه تولید برق با توربین بخار تولید می‌کند. برای تولید بخار به طور مستقیم، آینه‌های متحرک را می‌توان طوری تنظیم کرد که مقدار زیادی از تابش خورشید را بر روی لوله‌های سیاهی متمرکز کنند که از طریق آن‌ها آب به گردش در می‌آید و در نتیجه گرم می‌شود.

کاربردهای دیگر انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی در مقیاس کوچک برای مقاصدی غیر از مواردی که در بالا توضیح داده شد نیز استفاده می‌شود. به عنوان مثال در برخی کشورها از انرژی خورشیدی برای تولید نمک از آب دریا از طریق تبخیر استفاده می شود. به طور مشابه، واحدهای نمک‌زدایی با انرژی خورشیدی، با تبدیل انرژی خورشیدی به گرما، به طور مستقیم یا غیرمستقیم، آب نمک را به آب آشامیدنی تبدیل می‌کنند.
فناوری خورشیدی همچنین برای تولید پاک و تجدیدپذیر هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی جایگزین پدید آمده است. برگ‌های مصنوعی دستگاه‌های سیلیکونی هستند که از فرآیند فتوسنتز تقلید کرده، از انرژی خورشیدی برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌کنند و عملا هیچ آلاینده‌ای باقی نمی‌گذارند. اما برای بهبود کارایی و مقرون به صرفه بودن این دستگاه‌ها برای مصارف صنعتی نیاز به تحقیقات بیشتری است.

۱۰۰%

• عالی