انرژي خورشيدي وسيعترين منبع انرژي در جهان است. انرژي نوري كه از جانب خورشيد در هر ساعت به زمين مي تابد، بيش از كل انرژي است كه ساكنان زمين در طول يك سال مصرف مي كنند. به عنوان مثال، نوري كه ساليانه بر يك سايت آزمايشي در نواداي آمريكا  مي تابد (.sq.mi 1300) اگر بارندمان 15% به الكتريسته تبديل شود ، دو برابر انرژي  توليدي ساليان ايالات متحده آمريكا خواهد شد[1]. با وجود گسترده بودن اين انرژي، چگالي آن بسيار پايين است. براي بهره گيري از اين منبع بايد راهي جست تا انرژي پراكنده آن با راندمان بالا و هزينه كم به انرژي قابل مصرف الكتريكي تبديل شود.

1-روش هاي تبديل انرژي خورشيدي به انرژي الكتريكي

با استفاده از تكنولوژي هاي خاص، انرژي حاصل از نور خورشيد را به انرژي الكتريكي تبديل مي كنند. اين تكنولوژي ها را به دو دسته مي توان تقسيم كرد :

-         سيستم فتوولتائيك (1)(PV ) : كه عموما" تجهيزاتي جامد و بي حركت هستند ( جز در مورد انواع مجهز به سيستم رديابي خورشيد).

-          سيستم هاي گرمايي خورشيدي (2) : كه از نور متمركز شده خورشيد براي گرم كردن مايعي كه بخار آن يك توربين را به حركت در مي آورد، استفاده مي كند.

-         در ابن ميان استفاده از سيستم هاي فتو ولتائيك براي استفاده از نور خورشيد به عنوان منبع انرژي بسيار رايج تر است. استفاده از پنل هاي فتوولتائيك در كشورهاي پيشرفته به سرعت رو به گسترش است. استفاده از انرژي خورشيدي كه يكي از اشكال انرژي موسوم به " سبز" است از سوي طرفداران محيط زيست پشتيباني مي شود. علت اين استقبال را بايد در ويژگيهاي انرژي خورشيدي جست.

2-ويژكيهاي انرژي خورشيدي

-                     انرژي خورشيدي تمام نشدني است .

-                      انرژي تميزي است و هيچ آسيبي به محيط زيست نمي رساند.

-                      بدليل عدم وجود قسمت هاي متحرك، نگهداري و اتوماسيون آن آسان است.

-                      ظرفيت آن را متناسب با نياز مي توان طراحي كرد.

3-سيستم ولتائيك چيست؟

بخش اصلي يك سيستم فتوولتائيك، پنل فتوولتائيك مي باشد. پنل هاي فتوولتائيك كه در معرض خورشيد قرار مي گيرند، متشكل از سلولهاي فتوولتائيك هستند. اين سلول ها از مواد نيمه هادي سيليكوني ساخته شده اند. پنلي كه در شكل (1) ديده مي شود شامل 36 واحد ( سلول ) است كه در رديف هاي 6 تايي كنار هم چيده شده اند. اين پنل روي بام خانه أي در لس آنجلس واقع در ايالات متحده آمريكا نصب شده است[4].

شكل (1) : فرآيند توليد برق توسط يك سلول فتوولتائيك

سيستم فتوولتائيك شامل تجهيزات ديگري از جمله مبدل هايي براي تبديل جريان مستقيم به جربان متناوب نيز مي باشد.

4-اصول كار يك پنل فتوولتائيك

پنل هاي فتوولتائيك از نيمه هاديها ساخته شده و با اتصال سيليكون هاي نوع N  و P  شكل مي گيرند. وقتي نور خورشيد به يك سلول فتوولتئيك مي تابد، به الكترون ها در آن انرژي بيشتري مي بخشد[2]. با تابش نور خورشيد الكترونها در نيمه هادي پلاريزه شده، الكترونهاي منفي در سيليكون نوع N   و يونهاي مثبت در سيليكون نوع  P  بوجود مي آيند[3]. بدين ترتيب بين دو الكترود، اختلاف پتانسيل بروز كرده و اين امر موجب جاري شدن جريان بين آنها مي گردد. شكل (2) پروسه توليد برق در يك سلول فتوولتائيك را نشان مي دهد.

شكل (2) : نمونه اي از صفحه فتوولتائيكي

-ميزان توليد انرژي الكتريكي بوسيله يك سيستم فتوولتائيك

ميزان توليد برق بوسيله يك سيستم فتوولتائيك معمولا" از 2 تا 50 كيلووات مي باشد. يك سيستم فتوولتائيك كه براي نصب روي بام ساختمان ها در شهر لوس آنجلس ساخته شده است با ظرفيت توان 2 كيلووات، 3600 كيلووات ساعت انرژي در سال توليد مي كند. اين ميزان توليد انرژي باعث 3/4   تن صرفه جويي در سوخت زغال سنگ براي توليد برق شده و همچنين مانع ورود lbs  5000 گاز به اتمسفر مي گردد[4]. يك سيستم PV  ديگر كه با ظرفيت 10 كيلو وات در دره تنسي در ايالات متحده آمريكا نصب شده، بطور متوسط در حدود 16500 كيلو وات ساعت انرژي در سال توليد مي كند. اين ميزان انرژي كمي بيش از نياز مصرف برق يك خانه متوسط در ايالات متحده است.

6-سايت هاي خورشيدي جهت نصب پنل هاي فتوولتائيك چگونه انتخاب مي شوند؟

سايت ها بايد با معيارهاي لازم فيزيكي همخواني داشته باشند، از جمله اينكه جهت آنها رو به جنوب باشد، به خوبي در معرض آفتاب قرار داشته باشند( آفتاب گير باشند) و فضاي لازم و همچنين ساختار مناسبي براي نصب پنل هاي فتوولتائيك داشته باشند.

7-آيا سيستم هاي فتوولتائيك بطور مداوم الكتريسيته توليد مي كنند؟ در شرايط ابري و آب و هواي سرد چطور؟

توليد برق بوسيله سيستم هاي PV  به فصول بستگي ندارد، اما در طول شبانه روز از ساعات اوليه صبح تا غروب مي توانند برق توليد كنند. پيك توليد آنها در ساعات ظهر مي باشد.

واحدهاي فتوولتائيك در صورت ابري بودن هوا نيز مي توانند برق توليد كنند، هر چند خروجي آنها كاهش مي يابد. در يك روز بسيار ابري كم نور، يك سيستم فتوولتائيك ممكن است 5 تا 10 درصد نور خورشيد در روزهاي عادي را دريافت دارد، به طبع خروجي آن نيز به همان ميزان كم خواهد شد.

پنل هاي خورشيدي در دماي پايين تر، برق بيشتري توليد مي كنند. اين تجهيزات همچون ساير دستگاههاي الكتريكي در صورتي كه هوا خنك باشد، بهتر كار مي كنند. البته سيستم هاي PV  در روزهاي زمستاني كمتر از روزهاي تابستاني انرژي توليد مي كنند كه علت آن نه برودت هوا، بلكه كاهش ساعات روز و پايين تر بودن زاويه تابش خورشيد است.

8-آسيب پذيري دستگاههاي فتوولتائيك

پنل هاي خورشيدي طوري ساخته شده اند كه در برابر همه سختي هاي محيط مانند سرماي شديد قطبي، گرماي بيابان، رطوبت استوايي و بادهاي با سرعت بيش از 125 مايل در ساعت مقاومت مي كنند. با اينحال جنس اين وسايل از شيشه بوده و در اثر ضربات سنگين ممكن است بشكنند.

9-بهره برداري از سيستم هاي فتوولتائي براي استفاده از انرژي خورشيدي در سطح جهان

استفاده از انرژي خورشيدي به عنوان يك منبع به دليل ويژگيهايي كه در آغاز اين مقاله ذكر شد، كاملا" فراگير شده است. شركت هاي متعددي در كشورهاي مختلف نسبت به نصب اين سيستم ها اقدام كرده اند و كار بهينه سازي اين سيستم ها، همچنان ادامه دارد.

-         شركت آب و برق لس آنجلس (LADWP  ) در نظر دارد برنامه أي را براي نصب سيستم هاي برق خورشيدي روي سقف ساختمان هاي اين شهر به مورد اجراء گذارد. به موجب اين طرح تا سال 2010 ، 100000 سيستم فتوولتائيك روي سقف ساختمان ها اعم از مسكوني و تجاري نصب خواهند شد[4]. اين سيستم ها در اتصال با شبكه كار مي كنند. طبق اين برنامه، هر ساختماني برق خويش را تأ مين خواهد كرد. در صورتي كه ميزان توليد برق ساختماني كمتر از نياز مصرف آن باشد و همينطور در شب، كمبود برق از سوي شبكه سراسري جبران مي شود و بر عكس اگر ساختماني بيش از مصرف خود برق توليد كند، اين انرژي اضافي به شبكه برق جاري خواهد شد. اداره آب و برق لوس آنجلس براي نصب سيستم هاي خورشيدي روي بام ساختمانها شرايطي به قرار زير وضع كرده است :

·                       ساختمان يك طبقه و سقف آن تخته كوبي شده باشد.

·                       عمر ساختمان كمتر از 10 سال باشد.

·                       فضاي آزاد آن حداقل 300 متر مربع و شيب سقف آن بين 10 تا 25 درجه باشد.

·          ترجيحا" سوي شيب بام ساختمان به سمت جنوب يا جنوب غربي بوده و در ساعات بين 11قبل از ظهر تا 4 بعد از ظهر سايه نخورد.

-         شركت  TVA  در ايالت تنسي آمريكا نيز اقدام به استفاده از انرژي خورشيدي به عنوان يك منبع " انرژي سبز" كرده است. اين شركت براي نمايش توليد برق خورشيدي و به منظور تشويق مشتركين خود به استفاده از آن در سايت انرژي خورشيدي، يكي در موزه علوم كامبرلند(1) و ديگري در يك گردشگاه توريستي در داليورد(2) داير كرده است. شكل (3) سابت مستقر در مزه كامبرلند را نشان مي دهد.

شكل 3- سايت انرژي خورشيدي در موزه علوم كامبرلند واقع در ايالت تنسي آمريكا

ميزان انرژي توليد شده در سايت كامبرلند روز/m /Kwh  7/5 مي باشد. ميزان انرژي توليد شده در اين سايت، 146 كيلو وات ساعت و ظرفيت توليد آن Kwac  25 است. ميزان انرژي الكتريكي توليدي در اين سايت در شكل (4) نشان داده شده است.

  شكل 4- منحني توان دريافتي از خورشيد و توان توليد شده توسط سايت انرژي

خورشيدي مستقر در موزه كامبرلند در ايالت تنسي آمريكا

-         تحقيق در زمينه كاربرد عملي سيستم برق با استفاده از پنل هاي فتوولتائيك بصورت متصل در شبكه برق اكيناواي ژاپن نيز ادامه دارد. اين تحقيقات شامل بررسي ويژگيهاي عملكرد سيستم و تأثير باتري ها بر شبكه و همينطور راندمان و تداوم برق رساني شبكه مي باشد. در مياكو، مصرف برق به هنگام شب، تقريبا" با پيك روز برابر است . بنابراين از انرژ ي خورشيدي براي تا"مين بخشي از نياز برق روزانه بطور مستقيم و برق شبانه از طريق باطري ها استفاده مي شود. شكل (5) عملكرد توليد برق خورشيدي را در سيستم برق مياكو در ژاپن نشان مي دهد[3].

شكل 5 – منحني بار و عملكرد سيستم توليد برق خورشيدي در شبكه برق مياكو-ژاپن

1- پايگاه اطلاعاتي مركز تحقيقات برق آمريكا ( EPRI ) www.epri.com

2- آمريكا TVA پايگاه اطلاعاتي شركت   www.tva.org

3- پايگاه اطلاعاتي شركت برق اكيناوا - ژاپن www.okiden.co.jp

4- پايگاه اطلاعاتي اداره آب و برق لس آنجلس - آمريكا www.ladwp.com

 منابع: