انواع پنل های خورشیدی و کاربرد آن

تاریخچه انرژی خورشیدی

تأثیر فناوری انرژی خورشیدی، تا کنون بر روی جوامع بشری ناچیز بوده است. تنها مورد استثناء، استفاده از پانل های خورشیدی، جهت تأمین نیروی ماهواره ها را می توان نام برد. به عنوان نمونه، در ایالات متحده کم تر از یک دهم درصد(به بیان دیگر یک در هزار) نیروی برق مصرفی از نیروگاه های خورشیدی تأمین می گردد.

گر چه مشارکت کنونی فناوری انرژی خورشیدی در تأمین نیوی برق، در مقایسه با منابع سنتی (فسیلی و آبی) و همچنین انرژی هسته ای، نسبتاً کم می باشد، ولی در مورد ظرفیت بالقوه(پناسیل) آن، چنین اظهار نظری صحیح نیست. برای ده ها سال، هواداران انرژی خورشیدی، سعی نموده اندکه مشکلات بهره برداری از انرژی خورشیدی را کم اهمیت جلوه داده و در مقابل پیشرفت سریع فناوری استفاده از انرژی خورشید را پیش بینی نمایند. به عنوان مثال، مقالات فنی و علمی زیادی در دهه 1970، با اطمینان پیش بینی می کردند که تا سال 2000، ایالات متحده دارای یک اقتصاد متکی بر انرژی خورشیدی خواهد شد، که در همه جای آن، پانل های خورشیدی و آب گرم کن های خورشیدی به فراوانی یافت می شود. البته هنوز این اتفاق نیفتاده است. نشانه های وقوع سریع آن هم، آشکار نمی باشد. ولی در هر حال، هیچ شکی در مورد امکانات بالقوه مشارکت انرژی خورشیدی در تأمین نیروی برق جوامع بشری وجود ندارد. انرژی خورشیدی با معیارهای بشری تمام شدنی نیست و تبدیل مداوم آن به حرارت و الکتریسیته هم فرآیندهای تمیزی به حساب می آید.

این بخش در بر دارنده مروری بر تاریخچه فناوری مربوط به انرژی خورشیدی می باشد . این فناوری ها را می توان به دو گروه تقسیم بندی نمود:

الف) فناوری فتوولتائیک(PV) : که در آن ، نور خورشید مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می گردد.

ب) فناوری حرارتی: که در آن نور خورشید به انرژی گرمایی تبدیل می شود.

اگر چه هر دو مورد شایان اهمیت بوده ولی فناوری حرارتی، که قدیمی تر می باشد، ابتدا مورد بحث قرار می گیرد.

نور خورشید و حرارت

« فناوری غیر فعال» عبارتست از آن دسته از فناوری هایی که انرژی خورشیدی را به طور مستقیم برای گرمایش یا سرمایش استفاده نموده ولی در عین حال، هیچگونه تجهیزات مکانیکی یا الکتریکی در آن، به کار برده نمی شود. برای مثال، در فرهنگ هایی که دارای فناوری ساده ای هم بوده اند، ساختمان های مسکونی و غیر مسکونی به گونه ای ساخته می شده که فضاهای داخلی ساختمان می توانسته، حداکثر نور خورشید را در روزهای سرد سال جذب نماید. به عنوان نمونه، تعداد زیادی از خانه های قدیمی هندی و یونانی، با این تفکر ساخته شده اند. نور خورشید به داخل ساختمان تابانده شده و دیواری ضخیم و کف ساختمان را در ماه های سرد سال گرم می نماید و از سوی دیگر،  با استفاده از سایه اندازهایی، همان فضا ها در مقابل تابش خورشید در اواسط روز، که خورشید در قسمت بالای آسمان قرار می گیرد، محافظت می گردد. احتمالاً این نوع طراحی اولیه خورشیدی برای دست اندرکاران ساختمان بسیار واضح و بدیهی به حساب می آمده و بسیار  جالب است که در فرهنگ های کاملاً دور از هم، از نظر زمانی و مکانی، از طرح های نسبتاً یکسانی استفاده نمئده اند. دلیل آن واضح است. در مقایسه با جوامع امروزی، جوامع اولیه از نظر انرژی فقیر بوده و انرژی خورشیدی می توانسته پاسخ گوی خوبی به نیازهای آنان باشد.

انرژی خورشیدی پراکنده و همچنین در سطح زمین، غیر مداوم و غیر قابل اطمینان می باشد. در نتیجه، هنگامی که     فناوری­های انرژی فسیلی پایدار گردید و این امکان را به مصرف کنندگان می داد که مقدار زیادی حرارت را در هر کجا و هر زمان که نیاز داشته باشند، تولید نمایند، همگان به سوی استفاده از آن روی آورند. منازل، کارخانه ها و ساختمان های عمومی، با توجه کمی به خورشید به عنوان یک منبع انرژی ساخته شدند. میزان علاقه به خورشید به عنوان یک منبع انرژی، هم زمان با افزایش سرانه مصرف انرژی، دچار کاهش گردید. این انقلاب در مصرف انرژی با ذغال شروع شد، بعد از آن، نفت و سایر منابع انرژی پیاپی مطرح گردیدند. برخی از طراحان، پس از افزایش قیمت سوخت های فسیلی، به ساخت و ساز با تفکر استفاده غیر فعال از خورشید ادامه دادند.

در پی بحران انرژی در سال های دهه 1970، علاقه به طراحی بر اساس استفاده غیر فعال از انرژی خورشید افزایش پیدا کرد، ولی این پدیده زودگذر بود. این علاقه به دنبال کاهش قیمت نفت در اوائل دهه 1980 افت پیدا کرد، ولی دوباره در اواخر دهه 1980 افزایش یافت. امروزه، در بعضی مناطق، به خصوص هلند و آلمان، طراحی ساختمان بر مبنای استفاده از گرمایش و سرمایش غیر فعال خورشیدی، متداول گردیده است(تقریباً همگانی شده است). البته این ساختمان ها به دلیل این که طراحی آنها به گونه ای است که بتوانند از شرایط محلی از قبیل شدت خورشید در مکان مورد نظر و جهت قرار گیری ساختمان نسبت به مسیر خورشید در آسمان ، استفاده نمایند، هزینه تمام شده آنها، بیشتر می باشد. به دلیل هین شرایط خاص، بر مبنای استفاده از انرِ غیر فعال، یک طرح واحد نمی تواند جواب گوی همه مکان ها باشد. ولی موضوعی که مورد توجه اکثر طراحان ساختمان ها با جهت گیری صرفه جویی در مصرف انرژی قرار می گیرد، گرم نمودن سطوحی از ساختمان توسط نور خورشید می باشد که حرارت نگهداری شده را در ساعات ایانی روز، بازتابش می نمایند. روش دیگر، به کارگیری نور خورشید، به منظور به جریان انداختن هوای گرم در قسمتی یا تمام قسمت های ساختمان می باشدکه البته توسط اجزاء معماری ساختمان انجام می شود.

انرژی غیر فعال بسیار ارزشمند است ولی فناوری هایی که از انرژی خورشید برای راه اندازی ماشین آلات استفاده می نمایند، فعلاً برای جوامع و محیط زیست مفاهیم و اهداف دور از دسترس به حساب می آیند. این فناوری ها انرژی خورشید را به «کار» تبدیل می نمایند و فعلاً عمومی ترین روش برای تبدیل نور خورشید به «کار» می باشد. تجهیزاتی که حرارت را به «کار» تبدیل می نمایند، به نام «موتورهای حرارتی» یا «ماشین های حرارتی» نامیده می شوند. تمام نیروگاه های فعال حرارتی، کاربردهای دیگری هم علاوه بر تولید برق دراند. در یک بیان کلی، ماشین های حرارتی، بدون توجه به منبع حرارتی آن ها، برای به حرکت در آوردن یک «محور» طراحی شده اند. در مورد نیروگاه های خورشیدی، محور مذکور به محور مذکور به ژنراتور متصل گردیده البته محور دوار می تواند به یک پمپ آب، یک سیستم محرکه اتومبیل و یا انواع دستگاه های دیگر متصل شود. موتورهای حرارتی در حال حاضر، بیشترین توان مصرفی جوامع را تولید می نمایند. توربین های بخار با مصرف ذغال قدیمی ترین فناوری ماشین های حرارتی را تشکیل داده و برای چند قرن مورد استفاده بوده اند. ماشین های حرارتی خورشیدی که کم تر مورد توجه قرار گرفته اند، برای اولین بار با طراحی جدید در دهه 1860 ساخته شده و به عنوان مبنایی برای صنعت خورشیدی پایدار، حدود 40 ساعت مورد استفاده بوده است.

ماشین های حرارتی که از خورشید نیرو می گیرند، دارای دو عنصر اصلی می باشند. یک دستگاه که نور خورشید را به حرارت تبدیل می نماید و یک موتور که حرارت را به «کار» تبدیل می کند. دستگاه هایی که نور را به حرارت تبدیل می نمایند، از قدیم شناخته شده هستند. استفاده از لنز برای متمرکز نمودن شعاع عای نورانی خورشید در نمایشنامه ابرها نوشته نمایشنامه نویس Aristophane ( سالهای 450 تا 388 قبل از میلاد) تشریح شده است. در سطرهای زیر از مکالمه بین دو شخصیت نمایش، شخصیت اول توضیح می دهد که چگونه یک لننز کیستالی را برای متمرکز نمودن اشعه خورشید به منظور ذوب نمودن موم ، به کار برده است.

شخصیت اول: آیا تا کنون یک سنگ شفاف زیبا را در داروخانه دیده ای که بتوانی توسط آن آتش روشن نمایی؟

شخصیت دوم: منظور ما یک لنز کریستالی است؟

شخصیت اول: درست است. خوب، حالا اگر من خودم را با این سنگ در فاصله ای از منشی دادگاه، در معرض نور خورشید قرار دهم، در حالی که منشی در حال نوشتند رأی محکومیت دادگاه باشد، من می توانم تمام موم هایی که با آن ها لغات و جملات علیه من نوشته شده است را ذوب نمایم.

همین یک مطلب هم آشکار می سازد که خواص لنز برای عده زیادی در 14 قرن پیش، شناخته شده بوده است. آینه هم برای متمرکز نمودن اشعه خورشید، از میلیون ها سال قبل استفاده می شده است. «روی آینه های سوزان» عنوان رساله ای از ریاضی دان یونان به نام Diocles ( سال های 240 تا 180 قبل از میلاد) که در آن خواص نوری آینه ها و بخه خصوص ، روشی که در آینه پارابولیک نور خورشید را جهت تولید حرارت، متمرکز می نماید، تشریح گردیده است. این ذساله، همراه با عملکرد سربازان یونانی که با راهنمایی ارشمیدس (سال های 290 تا 212 قبل از میلاد) در سیراکیوز  نور خورشید را روی کشتی های رومی که به سواحل شهر  نزدیک شده بودند، متمرکز نوده و آنها راب ه آتش کشیدند، سل هایی از دانش پژوهان را به مطالعه خواص نور به طور کلی و آینه های سوزان، به طور خاص، تشویق نمود. از دانشمندانس که کارهای قابل توجهی انجام داده اند، می توان فیزیکدان و ریاضی دان عرب«ابو علی الهیثم»(965 تا 1039 م) و دانش پژوه و کشیش متولد آلمان ، (سال 1601 تا 1680 میلادی) را نام برد که هر دو دانشمند کشف های مهمی در زمینه نور و آینه های سوزان انجام داده اند.

ولی مطالب زیادتری در مورد ماشین حرارتی، نسبت به منبع حرارت وجود دارد. اولین ماشین هایی که توانشتند حرارت را به «کار» تبدیل نمایند، ماشین های بخار بودند و اولین ماشین بخار توسط مخترعین انگلیسی به نام های توماس ساوری (1650 تا 1715 م) و توماس نیوکامن (1663 تا 1729 م)اختراع گردید.

ماشین های اختراعی ایشان، به خصوص اختراع نیوکامن، در طول سالها، بدون تغییر در طرح، به عنوان نیروی محرکه پمپها، جهت تخلیه آب معادن مورد استفاده قرار گرفت. ماشین های بخار، به طور اساسی توسط مخترع اسکاتلندی جیمزوات(1736 تا1819 م) و همکارانش، دوباره طراحی شدند. زمانی که اصول کار ماشین ها به طور بهتری درک گردید، مخترعین طرحهای ابتکاری زیادی را ارائه نمودند و ماشین های تازه طراحی در راه های مهم و جدیدی به کار گرفته شدند. زمان مرگ وات، ماشین بخار تعداد زیادی فرآیندهای صنعتی و همچنین قلیق های موتوری را نیرو رسانی می نمود.

این واقعیت قابل توجه است که تا سال های دهه 1860 یعنی کمتر از 50 سال پس از مرگ وات، ماشین های بخاری ساخته می شدند که با انرژی خورشیدی کار می کردند.

ماشین بخار با انرژی خورشیدی توسط مخترع و ریاضی دان فرانسوی به نام آگوستین ماچوت(1825 تا 1912 م ) طراحی و ساخته شد. ماچوت معتقد بود که ذغال سنگ، که در آن زمان تنها سوخت فسیلی مورد استفاده عمومی به شمار می آمد، به زودی تمم خواهد شد. بسیاری از معاصران وی نیز چنین اعتقادی داشتند. ماچوت معتقد بود که انرژی خورشیدی، جایگزین خوبی برای ذغال سنگ می باشد و تمام تلاش خودر ا صرف ساخت ماشین بخار با سوخت انرژی خورشیدی نمود. ماچوت تلاش خود را با ساخت دستگاه هایی برای متمرکز نمودن انرژی خورشیدی و دستگاه هایی برای تقطیرالکل آغاز کرد. در سال 1866 او توانست یک ماشین بخار را با انرژی خورشیدی راه اندازی کند و در سال 1878، به طور موفقیت آمیز، نیروی مورد نیاز یک دستگاه «یخ ساز» را با نور خورشید تأمین نمود. دولت فرانسه علاقه ویژه ای به کاربرد انرژی خورشیدی در کشور الجزایر(مستعمره آن زمان فرانسه) داشت جایی که ذغال گران قیمت بود و کمبود تأمین نیرو هم وجود داشت. ماچوت از پشتیبانی اساسی دولتی برخوردار گردید. با توجه به اینکه عدم پیوستگی انرژی خورشیدی یک مساله جدیدی به حساب می آمد، ماچوت در پی طراحی یک ماشین بخار با استفاده از انرژی خورشیدی  برآمد که همانند ماشین بخار ذغال سوز، دارای پیوستگی عملکرد باشد.

ماشین بخار ذغال سوز تا زمانی که ذغال وجود داشته باشد، می تواند به طور پیوسته کار کند. کلید حل مساله در این بود که ماچوت بتواند انرژی خورشیدی را به شکلی از انرژی که قابل ذخیره شدن باشد، تبدیل نماید.

او چنین فکر می کرد که انرژی خورشیدی را صرف گرم کردن آب نموده و آن را در مخازن بزرگ عایق بندی شده، ذخیره سازی کند. در زمانی که حرارت مورد نیاز باشد می توان آب گرم را تخلیه کرده و توسط آن، ماشین حرارتی را انرژی دهی نمود.

در نهایت ، ماچوت تصمیم به کاربرد انرژی خورشیدی به منظور تولید انرژی الکتریکی گرفت. از جریان الکتریکی برای تجزیه آب به دو عنصر اصلی تشکیل دهنده آن یعنی هیدروژن و اکسیژن استفاده می شد. هیدروژن که بسیار قابل اشتعال است می تواند ذخیره گردیده و در زمانی که انرژی مورد نیاز است ولی خورشیدی در دسترس نمی باشد، سوزانده شود( این روشی موثر برای ذخیره سازی انرژی خورشیدی می باشد که امروزه به طور وسیع مورد توجه قرار گرفته است).

گرچه ماشین های حرارتی مبتنی بر انرژی خورشیدی که در زمان معاصر ساخته می شوند از مصالح و فناوری های ساخت بهتری برخوردار هستند، ولی بسیاری از مفاهیم اصلی طراحی آنها را می توان در کارهای ماچوت مشاهده نمود.

تحت تأثیر کارهای او، تعدادی از مخترعین که بعضی از آنها قبلاً بسیار شاخص هم بودند، تلاش کردند تا از انرژی خورشیدی منافعی کسب نمایند. نمونه قابل توجه، مخترع آمریکایی به نام فرانک شومان( 1862 تا 1918 م) می باشد. این مخترع که از طریق اختراع ثبت شده اش در رابطه با شیشه ایمنی و شیشه تقویت شده توسط شبکه سیمی، ثروتمند شده بود، اقدام به ساخت پمپ های آب رسانی با استفاده از انرژی خورشیدی برای پروژه های بزرگ آبیاری نمود. از آنجا که این نوع پمپ ها نیاز به کارکرد مداوم ندارند، مساله ذخیره سازی انرژی موضوعیت نداشته و از نظر اقتصادی هم، به دلیل گران بودن ذغال، که در آن زمان اصلی ترین منبع به حساب می آمد و همچنین به دلیل تقاضای زیاد بازار، ساخت آنها توجیه پذیر بود. یک پمپ که مدل نمایشی آن در کشور مصر ساخته شد، توانی معادل 65 اسب بخار(48 کیلووات) تولید نمود و 6000 گالن (23000 لیتر) آب را در ساعت انتقای پمپاژ کرد. گرچه ساخت این پمپ به منظور نشان دادن چگونگی استفاده از خورشید برای آبیاری صحرا بود ولی استفاده وسیع تر از انرژی خورشیدی برای بسیاری از دست اندرکاران انرژی، آشکارتر گردید. بعضی از مهندسین در آن زمان پیش بینی می نمودند که کشور مصر، به دلیل منابع خورشیدی فراوانش، می تواند به یک مرکز صنعتی مهم تبدیل گردد، موضوعی که امروز هم مجدداً توجه ها را به خود جلب نموده است (DESETEC نام سازمانی است که توسط ولیعهد اردن پشتیبانی می شود و در حال حاضر ساخت نیروگاه های حرارتی انرژی خورشیدی را در صحراهای شرق میانه و شمال آفریقا، به مظور صدور انرژی الکتریکی به اروپا، برنامه ریزی می نماید).

کارهای ماچوت و شومان و دیگران در این دوره بسیار خلاق از تاریخ استفاده از انرژی خورشیدی، با شروع جنگ جهانی اول خاتمه پذیرفت. در خلال جنگ، ارزش نفت به عنوان یک منبع انرژی برای همگان آشکار گردید.نفت می توانست به راحتی حمل و نقل شود،از نظر انرژی بسیار غنی بوده و می توانست دستگاه های بسیار زیاد را تأمین نیرو نماید. ذخایر عظیمی از نفت در ایالات متحده و سایر مناطق جهان کشف گردد. آن قدر نفت تولید شد که در برخی از حوزه های بزرگ، در بعضی مواقع هر بشکه آن به قیمت چند Penny (یکصدم پوند) به فروش می رسید. بنابراین انرژی خورشیدی نتوانست رقابت نماید. موتورهای انرژی خورشیدی، با اینکه سوخت آنها رایگان بود ولی ساخت آنها گران تمام شده و در شرایط هوای ابری، کم توان یا حتی ناتوان به حساب می آمدند و علیرغم تلاش های ماچوت برای ساخت نیروگاه هایی که به طور دایمی کار نمایند، تمامی موتورهای خورشیدی از هنگام غروب آفتاب متوقف می شدند. تلاش های تحقیقاتی در مورد موتورهای حرارتی انرژی خورشیدی، تا بعد از بحران انرژی سال 1973، به طور جدی ادامه پیدا نکرده و می توان گفت با نوعی رکود همراه بود.

فناوری اولیه فتوولتائیک (PV)

فناوری فتوولتائیک، نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می نماید، بدون اینکه آن را قبلاً به حرارت تبدیل کند. تاریخچه فناوری فتوولتائیک به زمانی بر می گردد که الکساندر ادموند بکرل (سال 1820 تا 1878 م) دریافت که توانسته است جریان برق را توسط مواد خاصی که در معرض تابش نور خورشید قرار گرفته، تولید نماید(عده ای معتدند که بکرل پدر، اولین کسی بود که این پدیده را مشاهده نمود) ولی پدیده ای که هر دو بکرل مشاهده نمودند، ضعیف و به سختی قابل فهم بوده و به طور کلی، فقطپیشرفت کمی در جهت درک مفهوم رابطه بین نور و الکتریسیته در خلال قرن 19 حاصل گردید. دستاورد بسیار چشم گیری که پس از تجربیات بکرل ها و قبل وردود به سال 1900 به دست آمد، ساخت اولین سلول خورشیدی واقعی توسط مخترع آمریکایی به نام چارلز فریتز بود. فریتز، سلنیوم، همان ماده ای که الکساندر گراهام بل در ساخت تلفن نوری استفاده نمود را به کار برد.

دستاورد او در مقاله«شکل جدیدی از سلول سلنیومی» که در نشریه «مجله علمی آمریکا» به چاپ رسید، تشریح گردید. سلول های فریتز، دستاورد فنی بسیار جالب و مهمی به حساب می آمد. او امکانات بالقوه (پتانسیل) این فناوری را درک نمود ولی از نقطه نظر علمی، سلول های او ارزش چندانی نداشتند، چرا که می توانستند فقط یک درصد نور تابیده شده را به الکتریسیته تبدیل نمایند.

یک پیشرفت نظری بسیار مهم در سال 1905 میلادی با چاپ مقاله تحقیقی فیزیکدان زاده شده در آلمان- آلبرت انیشتین- حاصل گردید. در این مقاله انیشتین تا حدودی پدیده فتو الکتریک را توضیح داد، پدیده ای که عامل تولید الکتریسیته توسط یک سلول خورشیدی می باشد. با این مقاله، انیشتین در نهایت جایزه نوبل فیزیک را از آن خود نمود. در خلال چند دهه بعد، کارهای تجربی در رابطه با اثر فتوالکتریک انجام گرفت ولی تا سال 1954 طول کشید تا اولین سلول فتوولتائیک با توان تولید مقدار قابل توجهی جریان الکتریسیته، ساخته شود. این سلول ها که از سیلسکون ساخته شده و با راندمان تولیدی 6 درصد کار می کردند، محصول آزمایشگاه های بل بودند.

کشفیات سال های اول دهه 1950 میلادی، درست قبل از پرتاب اولین ماهواره های ساخت بشر اتفاق افتاد، یعنی زمانی که ایالات متحده و اتحاد شوروی سابق در جهت انتقال فناوری های بسیار پیچیده و پیشرفت به داخل فضا، به سختی با یکدیگر رقابت می کردند. مسابقه در 4 اکتبر 1957، زمانی که اتحاد شوروی نخستین اسپوتنیک را که اولین ماهواره مصنوعی هم به شمار می آمد، به فضا پرتاب نمود. ولی این ماهواره منحصراً وابسته به باطری هایی بود که محدودیت  جدی برای عمر مفیدماهواره ایجاد کردند. علاوه بر آن ، باطری ها سنگین بودند و همین سنگینی باعث می شد که توان ماهواره برای حمل بار و مواد کاهش پیدا کند. بنابراین، منبع نیروی بهتری مورد نیاز بود.

باطری های خورشیدی ساخت آمریکا و شوروی از همان روزهای اول مسابقات فضایی، گران و ناکارآمد بودند ولی به هر حال، جایگزین عملی هم برای اینگونه باطری ها وجود نداشت. فناوری PV باعت دستیابی به یک منبع نیروی پیوسته و دارای عمر طولانی گردید. در سال 1958 میلادی، ایالات متحده ماهواره وانگارد یک راب ه فضا پرتاب نمود که مجهز به یک مجموعه PV با قدرت تولید اندکی کم تر از یک وات بود. اتحاد شوروی هم مدل ها و طرح های دیگری از ساپوتنیک را با فناوری PV به فضا پرتاب نمود. همان طور که فناوری PV نیروی برق مورد نیاز تجهیزات الکترونیکی ارسال شده به فضا توسط آمریکا و شوروی را تأمین می نمود، فشارهای ناشی از مسابقات فضایی باعث ایجاد تحرک و افزایش میزان تحقیقات بر روی فناوری PV هم می گردید.

پیشرفت در فناوری PV برای کاربردهای فضایی، مداوم و سریع بود. در سال 1964 میلادی، فقط 6 سال پس از پرتاب وانگاردیک، یک موسسه «ناسا» اولین از هفت ماهواره نیمبوس را به فضا پرتاب کرد. این ماهواره با برنامه تحقیق در علوم جوی دارای یک مجموعه PV با قدرت تولید 470 وات بود. امروزه هر صفحه یا پانل PV در «ایستگاه فضایی بین المللی» تقریباً 33000 وات(33 کیلووات) برق تولید می نماید.

گرچه استفاده از فناوری PV برای ماهواره ها در مدار زمین و همچنین مأموریت های داخلی منظومه­ شمسی، ضروری      می­باشد ولی هنوز برای کاربردهای روی زمین، ارزش واقعی پیدا نکرده است. البته این موضوع نمی تواند مانعی برای «خواستن» و «تلاش کردن» باشد. تحقیقات در جهت رسیدن به پیشرفت های اساسی و همچنین کاهش قیمت در کاربرد فناوری PV ادامه دارد. سلول هایی که بیش از 40 درصد نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می نمایند، به طور موفقیت آمیز، آزمایش شده اند. سلول های PV با راندمان پاییتر هم ساخته شده اند که تولید انبوه آنها نسبت به طرح های قبلی بسیار ارزان تر می باشد. علیرغم همه این امتیازها، فناوریPV فقط در جاهای مناسب کاربرد یافته است. به عنوان مثال، تجهیزاتی که از شبکه های توزیع نیرو دور باشند، از باطریهای خورشیدی بهره می گیرند و همچنین برخی از باطری های پشتیبان توسط آرایه های PV شارژ می گردند. طرح های نمایشگاهی مربوط به این فناوری هم فراوان است، به شرط اینکه از یارانه های اساسی دولتی بهره مند شوند. قطعاً یارانع های دولیت مورد نیاز می باشد، چرا که علی رغم پیشرفت های حاصل شده در قیمت و راندمان، هنوز نیروی برق تولید شده توسط فناوری PV گران ترین نوع برق تولیدی در دسترس بوده و به همین دلیل، اغلب تمایل دارند که سایر منابع انرژی را انتخاب نمایند.

علاوه بر قیمت های زیاد باطری خورشیدی، مطلب دیگری که نفوذ فناوریPV را به درون صنعت تولید برق محدود می نماید، نبود روش های موثر و با صرفه به منظور ذخیره نمودن الکتریسیته برای استفاده از آن در زمان های آتی می باشد. در مورد کاربردهای کوچک، نظیر خانه های تک واحدی، می توان انرژی تولید شده، توسط فناوری PV رادرباطری ها ذخیره نمود؛ ولی باطری ها گران هستند و علاوه بر آن، سخت افزارهای مورد نیاز برای تبدیل و هدایت جریان الکتریسیته از شیکه توزیع برق به درون باطری ها و از باطری ها به مصرف کنندگان هم گران می باشد. ولی بدون وجود مکانیسمی برای ذخیره نمودن نیروی برق، طبیعت ناپیوسته تابش خورشید، بدین معناست که آرایه های خورشیدی نمی توانند به عنوان منابع تولید برق خدکفا عمل نمایند. در نتیجه، صاحبان منازلی که علاقمند با استفاده از نیروی خورشید هستند، بایستی مبلغ بیشتری برای آرایه های PV و همچنین برای شبکه پشتیبان بپردازند و آشکار است که هزینه دو سامانه، گران تر از یک سامانه می باشد.

در مورد مصرف کننده های بزرگ، فقط تعداد کمی طرح های نمایشی اجرا گردیده است. این طرح ها از نظر ساخت گران بوده، در شب ها بدون استفاده می باشد و در هنگام روز هم قابل اعتماد نیستند؛ چرا که قطعه ای از ابر می تواند باعث کاهش قابل ملاحظه ای در تولید برق گردد. از آنجا که روزهای بدون ابر را از مدتی قبل، نمی توان به دقت پیش بینی نمود، این گونه مصرف کنندگان بایستی دارای منابع برق پیشتیبان مطوئن و با سرعت عمل باشند( برق بدون وقفه، بدون انقطاع=    (ON –LINE).

آشکار است که فناوری PV هنوز بایستی به چالش های مهمی غالب آید تا بتواند از نظر اقتصادی موقعیت مطلوبی به دست آورد. ولی این مساله غیر قابل حل نیستند. به هر حال، فناوری PV می تواند مشارکت مهمی در تأمین برق برای شبکه های تولید و توزیع نیرو داشته باشد.

در سال 2007 ، سازمان طرح های پزوهشی پیشرفته دفاعی تلاش سه ساله ای را برای ساخت سلول های خورشیدی که توان تبدیل بیش از 50  درصد نور خورشید به الکتریسیته را دارا باشند، آغاز نمود.

سلول های خورشیدی

سلول خورشیدی از قطعه ای نیمه هاید با اتصال الکتریکی تشکیل شده است. این قطعه، انرژی خورشیدی را جذب نموده و به انرژی الکتریکی تبدیل می نماید. پرتوهای نوری که توسط سلول خورشیدی جذب می شوند باعث آزاد شدن کووالانت (اتصالات اتمی در نیمه هادی ها) و سپس ایجادالکترونهای منفی آزاد و حفرهای مثبت آزاد می گردند. این موضوع باعث جابجایی بارهای مثبت و منفی می گردد. با استفاده از الکترود درطرفین نیمه هادی جریان الکتریکی برقرار می شود که قدرت الکتریکی (P=I×V) حاصله به بار داده می شود.

سلول های خورشیدی با فتوسل های متفاوت هستند. در فتوسل ها با استفاده از خواص رسانایی نوری مواد، شدت نور قابل اندازه گیری است. این قطعات نه برای تولید الکتریسیته بلکه برای اندازه گیری شدت نور در تجهیزات عکاسی مورد استفاده قرار می گیرند. اندازه سلولهای خورشیدی با توجه به نوع کاربرد مورد نظر انتخاب می شود. اندازه این سلول ها 10×10 و 15×15 سانتیمتر مربع است. شکل هندسی این سلول ها مربع مستطیل است ولی می توان آن ها را به اشکال دیگری مانند دایره و نیم دایره نیز تولید نمود. سلول های خورشیدی از یک لایه بسیار نازک (چند میکرون) سیلیکون نوع N و لایه ضخیم تری از سیلیکون نوع P تشکیل شده اند. سلول های خورشیدی از سیلیکون تک بلور ساخته می شوند. علاوه بر این ماده مواد دیگر مانند سیلیکون های چند بلوره سیلیکون آمورف، آرسنید گالیوم و سولفید کارمیم نیز در ساخت سلول های جدیدتر مورد استفاده قرار می گیرند. تحت شرایط مناسب یک سلول خورشیدی با ابعاد 10×10 سانتیمتر در معرض تابش مستقیم خورشید می تواند5/1 ولت برق تولید نماید. از پیوستن تعدادی از سلول های خورشیدی یک مازول (مدول ) ایجاد می گردد و از اتصال تعدادی از ماژول ها یک آرایه ساخته می­شود.

برای تکمیل عملکرد سلول خورشیدی، عناصر دیگری هم مورد نیاز است:

1- شارژر- کنترلر؛

2- باطری ذخیره؛

3- مبدل برق DC/AC .

همانطور که در بحث اصلی مربوط به انرژی خورشیدی توضیح داده شده، ویژگی اصلی انرژی خورشیدی غیر دائمی بودن آن است. به این شرح که انرژی الکتریکی تولیدی، دارای توان خروجی ثابت نبوده، بلکه مقدار آن کاملاً وابسته به شدت نورخورشید می باشد. عنوان مثال، در هنگام شب مقدار آن به حدود صفر می رسد و در ساعت های ابری روز هم مقدار آن به شدت کاهش می یابد. این در حالی است که مصرف کننده ها، از جنین نوساناتی پیروی ننموده و یا حتی ممکن برعکس آنهم عمل کنند مثلاً در ساعات اولیه شب، که مقدار تولید انرژی خورشیدی به صفر می رسد، مقدار تقاضای برق، به مقدار قله(اوج بار) نزدیک می گردد. برای حل این مشکل نیاز به سامانه ذخیره سازی انرژی الکتریکی خواهیم داشت. آن طور که در مبحث مربوطه توضیح داده خواهد شد، اساساً ذخیره سازی برق بسیار مشکل و عموماً غیر اقتصادی است. به هر حال، ساده ترین روش، استفاده از باطری (اعم از اسیدی یا خشک) می باشد. برای این که بتوانیم از برق خروجی از باطری برای مصرف در لوازم خانگی استفاده نماییم، لازم است مبدل برق DC/AC هم به مدار اضافه کنیم. بالاخره، برای انجام مقاصد کنترلی، به منظور ذخیره سازی برق و آزاد سازی آن برای مصرف، نیاز به دستگاه ذخیره کننده و کنترل کننده (شارژر- کنترلر) هم خواهد بود.

انواع صفحات خورشیدی

صفحات یا پانل های خورشیدی از اتصال تعدادی سلول خورشیدی، که به صورت سری یا موازی به یکدیگر متصل شده تشکیل می گردد. همان طور که اشاره شد عنصر اصلی تشکیل دهنده یک سلول خورشیدی، نیمه هادی P-N می باشد. سلول های مورد مصرف در طرح های مختلف دارای انواع زیر است:

1- مواد سیلیکونی تک کریستالی؛

2- مواد سیلیکونی چند کریستالی؛

3- مواد غیر سیلیکونی بی شکل؛

مطالعات و بررسی های فنی نشان می دهد که سلول های خورشیدی کریستالی پایدارتر از نوع بی شکل آن می باشد و از بین انواع کریستالی، مقرون به صرفه تر است. در ادامه بحث، شکل ظاهری، مشخصات فنی و کاربردهای انواع صفحات خورشیدی، ارائه می گردد.

کاربرد سیستم های فتوولتائیک در تولید برق خورشیدی

در حال حاضر بیش از 45% انرژی خورشیدی دنیا در کشور ژاپن تولید می شود، اروپا با 25% رتبه دوم و ایالات متحده آمریکابا 19% رتبه سوم را به خود اختصاص داده است. در خصوص بازار عرضه سلولهای خورشیدی از نوع سیلیکونی کریستالی می توان می توان گفت که این سلول ها88% از بازار را به خود اختصاص داده اند و با وجود آنکه جذب کننده نسبتاً ضعیفی بوده و برای کارآیی مناسب نیازمند ضخامت زیادی در حد چند میکرون می باشند ولی این نوع سلولها از گذشته تا کنون در اغلب سیستم های جذب کننده نور خورشید به کار گرفته می شوندو با کارایی 11 الی 16 درصد کاربرد وسیع و گسترده در تکنولوژی میکرو الکترونیک دارند. هر سلول خورشیدی از این نوع حدود 5/0 ولت برق تولید می کند. به عنوان مثال در یک سیستم خورشیدی از نوع MA36/45، 36 سلول خورشیدی به صورت سری با توان تولید 45 وات نیروی برق بهم متصل می باشند. عمر کاری صفحات خورشیدی( مدولهای فتوولتائیک) 25 سال است. البته سلول های خورشیدی از نوع فیلم باریک که جاذب های بسیار خوبی برای نور محسوب می شوند در مقایسه با ورق های سیلیکونی کریستالی که حدود 40 الی50 درصد قیمت تمام شده یک سیستم خورشیدی را دارا بوده و مواد ارزان تر برای ساخت   سلول های خورشیدی به حساب می آیند، اخیراً وارد بازار شده است؛ طوری که مصرف این نوع از سلول ها قیمت تمام شده محصول را بسیار پایین می آورد. لازم به ذکر است که در سلول های مزبور از لایه های نازک سمی کامداکتور که روی شیشه و ا فولاد ضد زنگ قرار می گیرند استفاده شده است.

به طور کلی کاربرد سیستم های انرژی های تجدید پذیر به ویژه سیستم فتوولتائیک از نظر اقتصادی مستلزم سرمایه گذاری بالا می باشد. معمولاً کاربرد اینگونه سیستم در مناطق محروم از منابع انرژی فسیلی و دور افتاد از شبکه های توزیع برق با الویت ویژه و مطلوبیت بیشتر مواجه می گردد. وجود زمینه های سرمایه گذاری و تولید برق از طریق سیستم های فتولتائیک منجر به انجام مطالعاتی در این خصوص شده ست. مکاتبات متعدد با شرکت های داخلی سازنده سیستم های فتوولتائیک نشان می دهد که هزینه هر سیستم با توان 5 و 15 کیلوواتی متناسب با شرایط منطقه مشخص می شود. مطالعه و بررسی شرکت های سازنده و نصب کننده سیستم های فتوولتائیک در دنیا نیز حاکی از آن است که هزینه های خرید و نصب سیستم های فتوولتائیک در کشورهای مختلف بسیار متفاوت است. معمولاً هزینه مدول های فتوولتائیک 40 تا 60 درصد و هزینه تعمیرات و نگهداری سیستم را حدود 2% هزینه کل سیستم فتوولتائیک در نظر می گیرند. سلول های فتوولتائیک یا سلول های کریستال سیلیکونی به ازای هر متر مربع حدود100 تا 120 وات توان انرژی الکتریکی تولید می کند. بر اساس پژوهشهای انجام شده در دنیا هزینه سرمایه گذاری سیستم های فتوولتائیک بسته به محل و نوع کاربری 5 تا 15 دلار بر وات پیک برآورد شده است. همچنین دوره عمر سیستم های فتوولتائیک در دنیا با توجه به کیفیت تعمیرات و نگهداری سالیانه، از 15 تا 30 سال متغیر بوده که امروزه با در نظر گرفتن دوره عمر متوسط 20 سال، نرم هزینه تولید برق سیستم های فتوولتائیک در دنیا بین 20 الی60 دلار بر کیلووات، بستگی به محل کار و هزینه های  تجهیزات جانبی متغیر می باشد.

نتیجه استعلام قیمت پانل های فتوولتائیک و تجهیزات وابسته از شرکت های سازنده داخلی هزینه های هر نیروگاه فتوولتائیک 5 و15 کیلوواتی مجهز به باطری های ذخیره شارژ کنترلی و دیگر سیستم های جانبی طبق طراحی اولیه متناسب با شرایط تابش منطقه ای در جدول های زیر ارائه شده است.

هزینه خرید تجهیزات نیروگاه های فتوولتائیک 5 و 15 کیلوواتی با تعداد باطری های مورد نیاز با 3 روز ذخیره احتیاطی به ترتیب 645400 و 2295400 هزار ریال برآورد شده است.

جدول 4-1- سیستم فتوولتائیک مدل 48/kw5

جدول 4-2- سیستم فتوولتائیک مدل 48/15kw

اطلاعات جداول فوق نشان می دهد که هزینه تولید برق توسط هر کدام از سیستم های مذکور در کشورمان بسیار بالاتر از میانگین جهانی(20 تا 60 دلار بر کیلووات) بوده و بایستی پارامترهای موثردیگر نیز در تحلیل اقتصادی چنین سیستم هایی را مورد ارزیابی قرار داد.

پژوهش های بانک جهانی حاکی از آن است که کارایی سیستم های PV (مدول های خورشیدی) افزایش یافته و طی دهه های اخیر کارایی این گونه سیستم ها و ارتقایشان به 70 الی85 درصد رسیده که این امر نقش مهمی در کاهش هزینه برق ناشی از انرژی خورشیدی ایفا می نماید.

هزینه سیستم که شمال هزینه تجهیزات جانبی سیستم PV از قبیل پایه های نگهدارنده، مبدل انرژی (جریان DC به AC)، ابزار کنترل، کابل رابط، باطری های ذخیره و غیره می باشد به طور میانگین 40 الی 60 درصد هزینه های سرمایه گذاری سیستم PV را در بر می گیرد.

مزایاسیستم های فتولتائیک در مقایسه با نیرو گاه های متعارف نیز درخور توجه بوده که ما به چند مورد از آن اشاره می نمائیم:

1) عدم نیاز به توسعه شبکه توزیع نیرو و صرفه جوییدر هزینه های سرمایه گذاری توزیع؛

2) عمل کاهش آلودگی هوا و آلودگی صوتی که مسئله مهمی در بعضی مناطق کشور محسوب می شود؛

3) عدم نیاز به پرسنل تمام وقت برای نگهداری از دستگاه ها و سهولت آموزش عمومی برای نگهداری از سیستم PV؛

4) اقتصادی بودن بهره برداری زمانیکه قله بار کوتاه باشد؛

در کشور ایران اقداماتی را می توان انجام داد که هزینه های سرمایه گذاری به حداقل برسد که از آن جمله می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

الف. اگر سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه توزیع برق شود(با توجه به حذف هزینه های سنگین مربوط به باطری های ذخیره که 40 الی45 درصد کل هزینه سیستم فتوولتائیک را به خود اختصاص می دهندد) هزینه سرمایه گذاری نسبت به سیستم مجهز به باطری های ذخیره، بسیار کم تر می گردد.

ب. همان طوری که اشاره شد طول عمر متوسط سیستم های فتتوولتائیک در مدول های فتوولتائیک ساخت خارج30 سال قید شده است در حالیکه بر اساس نظر سازندگان داخلی طول عمر مدول های فتوولتائیک، تولید داخل 15 سال تعیین شده است. این امر در بررسی هزینه الکتریسیته تولیدی سیستم فتوولتائیک تأثیر قابل توجهی می گذارد. طوری که با اعمال طول عمر 30 سال برای سیستم های مذکور هزینه تولید الکتریسیته با نرخ تنزیل 18 درصد از 80 به 74 (دلار بر کیلووات) کاهش می یابد.

ج. امروزه هزینه مدول­های فتوولتائیک کریستال سیلیکونی در دنیا حدود 370 دلار بر متر مربع می باشد در حالیکه قیمت مدول­های مشابه ساخت داخل بیش از 450 دلار بر متر مربع استعلام شده است. به حداقل رساندن تفاوت قیمت مذکور بین کشورهای خارجی و شرکت های داخلی منجر کمی شود که هزینه های این بخش به حداقل برسد که این امر به توجیه اقتصادی کاربرد سیستم های فتوولتائیک کمک شایانی می نماید.

د.کاهش هزینه های مرتبط تجهیزات جانبی از طریق به کارگیری و نصب مدول­هادر معماری ساختمان و کاهش تعداد باطری های لازم در مناطقی که دسترسی به شبکه توزیع برق وجود دارد امکان پذیر بوده و در نتیجه منجر به کاهش هزینه تولید الکتریسیته توسط سیستم فتوولتائیک خواهد شد.

مصرف بی رویه سوخت های فسیلی علاوه بر آلودگی آب و هوا موجب حادتر شدن مسئله تغییرات دمایی کره زمین        می شود. بر اساس پیش بینی دانشمندان، چنانچه روند کنونی مصرف سوخت فسیلی و تخریب جنگل ها ادامه یابد در حدود 30 تا 50 سال آینده دمای کره زمین در حدود 4 درجه سانتیگراد افزایش خواهد یافت. این افزایش دما در زمین به نوبه خود منجر به بالا رفتن سطح آب  دریاهاو اقیانوس ها به اندازه 40 الی 60 سانتی متر خواهد شد. از عوارض دیگر مصرف     سوخت های فسیلی تخریب لایه ازن می باشد که خود در جذب تشعشات ماورای بنفش موثر بوده و باعث بروز برخی بیماری ها از جمله سرطان پوست در انسان شده و محصولات کشاورزی نیز در این روند آسیب خواهند دید.

مسئله انرژی خورشیدی و استفاده از این منبع بسیار ارزشمند و لایتناهی در سال های اخیر در سطح جهان بیشتر عنوان گردیده است. این انرژی، آزاد، بدون قیمت و قابل گردآوری و استفاده است و جالب آنکه در هنگام استفاده موجب آلودگی محیط زیست نیز نمی شود.مقدار انرژی ای که زمین از خورشید دریافت می دارد 5000 برابر بیشتر از آن است که جمعیت فعلی زمین بتوانند آن را مورد استفاده قرار دهند و مهمتر اینکه این انرژی در انحصار هیچ شرکتی یا کشوری نیست که بتواند محدودیتی ایجاد نماید. در ضمن با روی آوردن به انرژی خورشیدی این امکان فراهم می شود که نفت این طلای سیاه با ارزش که موجبات تکامل و ترقی زندگی انسان ها نیز محسوب می شود در تولید هزاران فرآورده پتروشیمی مورد استفاده قرار گیرد.