انرژی خورشیدی

تاریخچه استفاده از انرژی خورشیدی

اگرچه از دیرباز استفاده از انرژی خورشید به عنوان یکی از در دسترس‌ترین منابع انرژی دوران باستان رایج بوده است، اما ظهور فناوری‌های نوین برای استفاده از نور خورشید در سال‌های اخیر صورت گرفته است.

استفاده از انرژی حرارتی خورشید به هزاران سال قبل برمی گردد، اما برای اولین بار در سال ۱۸۶۶ استفاده از تکنولوژی سهموی خطی برای تولید بخار مورد استفاده قرار گرفت. همچنین اولین اختراع ثبت شده برای کلکتور خورشیدی نیز در سال ۱۸۸۶ در ایتالیا بوده است. بهره برداری از تکنولوژی حرارت خورشید برای تولید برق برای اولین بار در سال ۱۹۶۸ در ایتالیا و اولین نیروگاه سهموی خطی به روش نوین در سال ۱۹۸۴ در آمریکا مورد بهره برداری قرار گرفته است.

کشف فناوری فتوولتائیک در سال ۱۸۳۹ با چاپ مقاله‌ای توسط فیزیک دان فرانسوی، Edmond Becquerel عنوان شد.اما در دهه‌ی شصت دانشمندان آزمایشگاه بل برای نخستین بار سیلیکون را در سلول‌های خورشیدی به کار گرفته و توانستند بازده چهار درصدی تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته را به دست آورند. در طی چند سال این صفحات توانستند توان مورد نیاز ماهواره‌ها و سفینه‌ها را تامین کنند. فیلم‌های نازک خورشیدی از اواخر دهه‌ی ۱۹۷۰، همزمان با ظهور ماشین حساب‌های خورشیدی که با لایه‌ی باریکی از سیلیکون آمورف کار می‌کردند در بازار ظاهر شدند. دهه‌های اخیر نیز شاهد ظهور فناوری‌های نسل جدید در حوزه انرژی خورشیدی بوده است.

با بررسی تاریخچه تکنولوژی‌های مرتبط با انرژی خورشیدی، برخی تکنولوژی‌ها دارای قدمت بالایی هستند در حالی که برخی به تازگی مورد استفاده قرار گرفته اند،

همچنین برخی تکنولوژی‌ها به طور کامل تجاری سازی شده اند و موجود می‌باشند در حالی که در بسیاری موارد طرح‌های مطرح شده هنوز در فاز تحقیقاتی به سر می‌برند و در دسترس موجود نمی‌باشند. بنابراین برای بررسی سن تکنولوژی‌ها و در دسترس بودن آن‌ها باید تکنولوژی‌ها را به تفکیک مورد بررسی قرار داد.

تاریخچه پیدایش و پیشرفت سلول های خورشیدی

کشف فتو ولتاییک ‌به ‌فیزیکدان ‌فرانسوی Alexandre Edmond Becquerel نسبت داده می‌شود که در سال ۱۸۳۹ مشاهده نمود که ولتاژ باتری وقتی که صفحات نقره‌ای آن تحت تابش نور خورشید قرار می‌گیرند، افزایش می‌یابد. وی که از کودکی نزد پدر دانشمندش به عنوان دانش آموز و سپس دستیار به تحقیق می پرداخت در سن ۱۹ سالگی این پدیده را مشاهده کرد. پدر او  An-toine César Becquerel (1788-1878) کاشف اثر پیزوالکتریک بود.این اثر ابتدا روی مواد جامد مثل سلنیوم توسط Hein-rich Hertz در سال ۱۸۷۰ مطالعه شد. اما اولین گزارش از پدیده PV در یک ماده جامد در سال ۱۸۷۷ بود که دو دانشمند کمبریج R.E. Day و W.G. Adams در مقاله‌ای به انجمن سلطنتی تغییراتی که در خواص الکتریکی سلنیوم وقتی که تحت تابش نور قرار می‌گیرد را توضیح دادند. در سـال ۱۸۸۳ Charles Edgar Fritts که یک مهندس برق اهل نیویورک بود، یک سلول خـورشـیدی سلنیومی ساخت که از برخـی جهات شـبـیه به سـلـولـهای خورشـیـدی سیلیکونی امروزی بود. این ســلـول از یک ویـفـر نازک سـلنیوم تشـکیـل شده بـود که با یک تـوری از سـیـمـهـای خیـلی نازک طـلا و یک ورق حفاظـتی از شـیشه پوشانده شده بود. اما سـلول سـاخت او خـیلی کم بازده بود. کمتر از ۱‌% انرژی خورشیدی تابیده شده به سطح این سلول ابتدایی به الکتریسیته تبدیل می‌شد. با وجود این، سلول‌های سلنیومی سرانجام در نورسنج‌های عکاسی به طور وسیعی بکار گرفته شد.در سال ۱۸۸۷، Hein-rich Hertz کشف کرد که نور ماوراء بنفش حداقل ولتاژ لازم برای ایجاد جرقه برای پرش بین دو الکترود فلزی را تغییر می دهد. در سال ۱۹۰۴ Hallwachs کشف کرد که یک ترکیبی از مس و اکسید مس حساس به نور است. همچنین در این سال Einstein مقاله اش را در زمینه اثر فتوالکتریک منتشر کرد. فهم کامل و مفصل تر از قوانین اساسی سلول های خورشیدی در سال ۱۹۰۵ توسط Einstein و در سال ۱۹۳۰ توسط Schottky بوجود آمد.

سلول‌های‌خورشیدی از اواسط ۱۹۵۰ موجود بود. اولین سلول خورشیدی سیلیکونی با بازده حدود ۶‌% با نور مستقیم توسط Daryl-Chapin ، GeraldPearson و CalvinFuller در سال ۱۹۵۴ بوجود آمد که ابتدا برای کاربردهای ماهواره های فضایی مورد استفاده قرار گرفت. البته بعضی ها اختراع سلول خورشیدی سیلیکونی با بازده زیر ۱‌% را اولین بار در سال ۱۹۴۱ به Russell Ohl نسبت می دهند.

برخی کاربردهای انرژی خورشیدی عبارتند از:

آبگرمکن‌ها و حمام‌های خورشیدی از انرژی خورشیدی می‌توان برای تولید آب گرم تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی‌به خصوصدر مکان‌هایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد.چنانچه ظرفیت این سیستم‌ها افزایش یابد می‌توان از آنها در حمام‌های خورشیدی نیز استفاده نمود.

 گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی

اولین خانه خورشیدی در سال ۱۹۳۹ساخته شد که در آن از مخزن گرمای فصلی برای بکارگیری گرمای آن در طول سال استفاده شده‌است. گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه‌ای بود که در دهه ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی رسید. با افزودن سیستم تبرید جذبی به سیستم‌های آب گرم کن خورشیدی می‌توان به سیستم تبرید جذبی خورشیدی(solar absorption refrigeration) دست یافت که علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش، در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز بکار روند.

 آب شیرین کن خورشیدی

هنگامی‌که حرارت دریافت شده از خورشید با دمای کم روی آب شور اثر کند  آب تبخیر می‌شود و املاح باقی می‌ماند. سپس با استفاده از روش‌های مختلف می‌توان آب تبخیر شده را تقطیر کرد و به این ترتیب آب شیرین تهیه نمود. با این روش می‌توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند مانند برخی جزایر را نیز  تأمین کرد.آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می‌شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می‌توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.

 خشک کن خورشیدی (solar dryer)

خشک کردن عبارت است از گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتری‌ها است. در خشک کن‌های خورشیدی بطور مستقیم یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می‌شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می‌گردد. خشک‌کن‌های خورشیدی در اندازه‌ها و طرحهای مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون طراحی و ساخته می‌شوند.

 اجاق‌های خورشیدی (Solar cooker)

دستگاه‌های خوراک‌پز خورشیدی اولین بار بوسیله شخصی بنام نیکلاس ساخته شدند. اجاق او شامل یک جعبه عایق‌بندی شده با صفحه سیاه رنگی بود که قطعات شیشه‌ای درپوش آن را تشکیل می‌داد. پرتو خورشید با عبور از میان این شیشه‌ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می‌شد سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸ درجه افزایش می‌داد. اصول کار اجاق خورشیدی جمع‌آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه است.

امروزه طرح‌های متنوعی از این سیستم‌ها وجود دارد که این طرح‌ها در مکان‌های مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده‌اند. استفاده از این اجاق‌ها به ویژه در مناطق شرقی ایران که با مشکل کمبود سوخت مواجه می‌باشند بسیار مفید خواهد بود.

 کوره خورشیدی

نوتورا در اوایل قرن ۱۸ اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوب را در فاصله ۶۰ متری آتش زد. بسمر، پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز در کوره خود را از انرژی خورشیدی تأمین می‌کرد.

متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی، متشکل از دو آینه، یکی تخت و دیگری کروی می‌باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می‌شود. طبق قوانین اپتیک، هرگاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید، در محل کانون، متمرکز می‌شوند و به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می‌شود، که این نقطه به دماهای بالایی می‌رسد. امروزه پروژه‌های متعددی در زمینه کوره‌های خورشیدی در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می‌باشد.

 انرژی الکتریکی خورشیدی

می‌توان انرژی خورشیدی را به الکتریسیته تبدیل کرد برای این کار دو روش اصلی وجود دارد. یک روش استفاده از حرارت خورشیدی و روش دیگر استفاده از صفحات خورشیدی فتوولتاییک است.

الف) نیروگاه حرارتی خورشیدی

تأسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می‌شود، نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می‌شود. در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخش‌های خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربین‌ها است یا به عبارت دیگر می‌توان گفت که این نوع نیروگاه‌ها شامل دو قسمت هستند:

سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می‌نماید.

سیستمی‌موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاه‌های حرارتی بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می‌کند.

این تأسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده‌های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده‌ها به چند دسته تقسیم می‌شوند:

نیروگاه‌هایی که گیرنده آنها آینه‌های سهموی ناودانی(سهموی خطی) هستند.

نیروگاه‌هایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه‌های بزرگی به نام هیلیوستات (heliostat) به آن منعکس می‌شود.

نیروگاه‌هایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (parabolic dish) است.

دودکش خورشیدی (solar chimney power plants)

ب) تولید برق خورشیدی فتو ولتاییک

به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیسم‌های محرک، الکتریسیته تولید کند، Related image پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی‌که از این پدیده‌ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند.الکتریسیته  می‌تواند به‌طور مستقیم از انرژی خورشید تولید شود. فتو ولتاییک یا به اختصار PV، یکی از انواع سامانه‌های تولید الکتریسیته از نور خورشید است. در این روش با بکارگیری سلول خورشیدی، تولید مستقیم الکتریسیته از تابش خورشید امکان‌پذیر می‌شود.

سیستم‌های فتوولتائیک یکی ازپرمصرف‌ترین کاربردهای انرژی‌های تجدیدپذیر  می‌باشند. از سری و موازی کردن سلول‌های آفتابی می‌توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلول‌های سری و موازی شده پنل (Panel) فتوولتائیک می‌گویند.

پنل‌های خورشیدی از نظر جنس گونه‌های مختلفی دارند و از دیدگاه حرکتی ممکن است ثابت یا گردان باشند. نوع گردان روی پایه ای ثابت نصب است و با مجهز بودن به ردیاب خورشیدی می‌تواند مسیر خورشید در آسمان را دنبال کند.