انرژی خورشیدی چیست و چگونه می توان از آن استفاده کرد؟

انرژی خورشیدی (Solar Energy) تابشی از خورشید است که قادر به تولید گرما ، ایجاد واکنش های شیمیایی یا تولید برق است. مقدار کل انرژی خورشیدی در زمین بسیار بیشتر از نیازهای فعلی و پیش بینی شده انرژی جهان است. در صورت مهار مناسب ، این منبع بسیار پراکنده توانایی تأمین نیازهای آینده انرژی را دارد.

در قرن بیست و یکم انتظار می رود که انرژی تابشی خورشیدی به دلیل تأمین پایان ناپذیر و ویژگی غیر آلاینده آن به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر به طور فزاینده ای مورد توجه قرار گیرد.

هنگامی که نور خورشید از جو زمین عبور می کند ، بیشتر آن به شکل نور مرئی و تابش مادون قرمز است. گیاهان از آن برای تولید قند و نشاسته استفاده می کنند و این فرآیند تبدیل به عنوان فتوسنتز شناخته می شود. از پنل های خورشیدی هم در حال حاضر برای تبدیل این انرژی به برق استفاده می شود. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

انواع انرژی خورشیدی

انرژی تابشی خورشیدی را می توان بسته به نوع تبدیل و نوع انرژی که به آن تبدیل می شود به دو دسته انرژی خورشیدی منفعل و  فعال طبقه بندی کرد.

انرژی خورشیدی منفعل: این روش به دام انداختن انرژی خورشید بدون استفاده از هیچ وسیله مکانیکی است.

انرژی خورشیدی فعال: در این روش از دستگاه های مکانیکی برای جمع آوری ، ذخیره و توزیع انرژی استفاده می شود.

انرژی حرارتی خورشیدی: این انرژی حاصل از تبدیل انرژی خورشیدی به گرما است.

انرژی خورشیدی فتوولتائیک: این انرژی حاصل از تبدیل انرژی خورشیدی به برق است.

انرژی خورشیدی متمرکز: نوعی انرژی گرمایی خورشیدی است که برای تولید برق استفاده می شود.

از انرژی خورشیدی چه استفاده ای می شود؟

انرژی ساطع شده توسط خورشید به شکل نور است که  با استفاده از روش های مختلف مانند سیستم  گرمایش خورشیدی ، سلولهای فتوولتائیک و غیره مهار می شود و پایان ناپذیر است. منابع انرژی مانند انرژی خورشیدی متعلق به کسی نیست و از این رو رایگان است. مقدار انرژی خورشیدی دریافتی توسط جهان ۳۰۰۰-۵۰۰۰۰ اگزاژول (EJ) محاسبه شده است که بسیار بیشتر از کل انرژی مصرفی جهانی ۶۰۰ EJ است. بنابراین می توان از قدرت عالی خورشید برای تولید انرژی استفاده کرد.

کاربردهای انرژی خورشیدی

این انرژی نوعی انرژی تجدید پذیر ، پایان ناپذیر و مقرون به صرفه است. با استفاده از این انرژی می توان آلودگی محیط را تا حدی کاهش داد زیرا یکی از تمیزترین و خالص ترین اشکال انرژی است. در ادامه به کاربردهای این انرژی اشاره شده است:

استفاده برای پخت و پز

استفاده از انرژی خورشیدی برای پخت و پز ساده است. به جای پخت و پز با اجاق گاز معمولی ، پخت و پز  با اجاق خورشیدی شما را شگفت زده خواهد کرد.

برای تولید برق

صنایع مختلف به دلیل استفاده از ماشین آلات و تجهیزات سنگین به برق در سطوح بالا احتیاج دارند. این منبع تغذیه را می توان از طریق انرژی تابشی خورشید تامین کرد. از این انرژی برای محافظت از لوله ها در برابر خوردگی نیز استفاده می شود و باعث کنترل قبوض برق خواهد شد.

برای شارژ باتری

در صورت بروز مشکلات قطع برق ، باتری های مورد استفاده برای انجام بازی های ویدیویی و غیره می توانند در طول روز به عنوان پشتیبان شارژ شوند. همچنین ، برای صرفه جویی در مصرف برق می توانید پاور بانک خودتان را در طول روز در زیر نور آفتاب شارژ کرده و در شب استفاده کنید.

برای تولید گرما

نصب پنل های خورشیدی بر روی ساختمان های مسکونی می تواند انرژی لازم برای گرم کردن آب را در ساختمان تامین کند و با چرخیدن این آب در ساختمان باعث گرم شدن محیط بدون استفاده از هیچ سوخت فسیلی شود. در مناطقی از جهان که دمای هوا به زیر صفر نمی رسد کلکتور خورشیدی در چنین سیستمی درست در داخل مخزن ذخیره آب قرار می گیرد. آب هنگامی گرم می شود که آفتاب مستقیماً به مخزن ذخیره آب بتابد.

تکنولوژی های خورشیدی کدامند؟

سه فناوری اصلی که توسط آن انرژی تابشی خورشید مورد استفاده قرار می گیرد شامل فتوولتائیک (PV) است که مستقیماً نور خورشید را به برق تبدیل می کند. انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) ، که از گرمای خورشید (انرژی حرارتی) برای هدایت توربین های برقی در مقیاس مطلوب استفاده می کند. سیستم های گرمایش و سرمایش خورشیدی (SHC) ، که انرژی گرمایی را برای تأمین آب گرم و گرمایش هوا یا تهویه هوا جمع آوری می کنند.

مزایا و معایب انرژی خورشیدی

فواید انرژی خورشیدی عبارتند از:

پاکی: به عنوان پاک ترین شکل انرژی در نظر گرفته می شود زیرا هیچ نوع انتشار دی اکسید کربن مانند سوخت های فسیلی که یکی از دلایل گرم شدن کره زمین است وجود ندارد.

تجدید پذیر: تا زمانی که خورشید وجود دارد ، مقدار کافی انرژی در زمین موجود است بنابراین می تواند به کاهش هزینه های آب و برق کمک کند.

قابل اطمینان: این انرژی را می توان در باتری ها ذخیره کرد  بنابراین بحث عدم اطمینان وجود ندارد.

انرژی رایگان:  زیرا می تواند به راحتی به دام بیفتد و به وفور وجود دارد.

معایب انرژی خورشیدی:

• تولید آن در زمستان ها و در روزهای ابری کم است.
• نصب و راه اندازی و هزینه اولیه آن گران است.
• فضای بیشتری مصرف می کند.

سلول خورشیدی چگونه کار می کند؟

سلول خورشیدی به تبدیل انرژی تابشی خورشید به الکتریسیته اشاره دارد. این کار توسط سلول فتوولتائیک انجام می شود که به آن سلول خورشیدی نیز می گویند. سیلیکون همراه با ژرمانیم و دیگر عناصر شناخته شده در این سلول به عنوان نیمه هادی عمل می کنند. رساناهای الکتریکی در این سلول در بین هادی ها ، فلزات و عایق ها قرار گرفته است. سیلیسیم ماده اصلی در سلول های خورشیدی است.

نور خورشید از گلوله های ریز انرژی معروف به فوتون تشکیل شده است. فوتون های موجود در نور خورشید به سلول خورشیدی برخورد می کنند و توسط اتم های سیلیکونی که سلول از آن ساخته شده جذب می شوند. فوتون ها الکترون ها و پروتون ها را تحریک می کند و باعث می شود تا به سطح انرژی بالاتری بروند. در این شرایط الکترون می تواند انرژی بدست آمده را به شکل گرما پراکنده کرده و به موقعیت اصلی خود بازگردد یا می تواند وارد بدنه سلول خورشیدی شود و جریان برق ایجاد کند. سلول خورشیدی انرژی تابشی خورشید را به جریان مستقیم برق قابل استفاده تبدیل می کند. در این شرایط اتصال به یک پنل خورشیدی می تواند جریان مداومی از برق را تولید کند.

بهتر است بدانید:

این سلول های خورشیدی را می توان برای تولید برق به پنل های خورشیدی مورد استفاده برای تأمین انرژی خانه ها یا آرایه های خورشیدی مانند آنچه در ماهواره های فضایی استفاده می شود ، متصل کرد. این آرایه های خورشیدی می توانند تقریباً به اندازه زمین های فوتبال باشند. اگرچه این فناوری نوید تولید یک انرژی بی پایان را می دهد ، اما چند مانع در این راه وجود دارد که  بیشتر آنها تکنولوژیکی هستند.

کارایی یک پنل خورشیدی موجود در بازار ۱۲ تا ۱۸ درصد و حداکثر بازده حاصل شده در آزمایشگاه حدود ۴۵ درصد است. افزودن لایه های مختلف فلزات و ترکیبات در سطوح بالایی پنل باعث افزایش کارایی و طول عمر سلول خورشیدی خواهد شد.

بازار استفاده از انرژی خورشیدی در دنیا

در بین کشورهای جهان، آمریکا پیشرو استفاده از این انرژی پاک است و بیش از ۸۸ گیگاوات (GW) سلول خورشیدی و فناوری ‌های خورشیدی در این کشور برای تأمین انرژی ۱۶.۴۱۶.۴ میلیون خانه نصب و راه اندازی شده است. استفاده از این فناوری در آمریکا طی دهه گذشته هر سال به طور متوسط ​​۴۹ % رشد کرده است.

در حال حاضر برآورد شده است که بیش از ۲.۶۲.۶ میلیون تجهیزات مربوط به این انرژی در آمریکا وجود دارد که شامل سیستم‌ های کوچک در پشت بام خانه‌ ها تا سیستم‌ های بزرگ در برای تولید صدها مگاوات برق است.

در اروپا نیز استفاده از این انرژی و فناوری‌ های خورشیدی برای کاهش هزینه های برق در حال توسعه است که در بین آنها آلمان پیشرو استفاده از این انرژی پاک است.

در ایران نیز  نیروگا‌های کوچک تولید برق خورشیدی در یزد، شیراز و همدان تولید وجود دارد و می توان به گسترش آنها در آینده خصوصا در مناطق بیابانی ایران با تابش مداوم خورشید اشاره کرد.

قیمت خرید و فروش و نصب پنل های خورشیدی

در حال حاضر شرکت های زیادی در سراسر دنیا اقدام به تولید و فروش پنل خورشیدی می کنند که کره جنوبی و آمریکا در این فناوری پیشرو هستند. البته کانادا ، فرانسه ، آلمان ، چین و سنگاپور نیز در این زمینه فعالیت می کنند.

بر اساس آمار موجود قیمت خرید و نصب یک سیستم خورشیدی ۵ کیلوواتی (۵۰۰۰ واتی) برای مصارف خانگی در سال ۲۰۲۰ حدود  ۲۱,۸۷۰۲۱,۸۷۰ دلار بوده است. قیمت نصب و خرید پنل های تجاری بالاتر است طوریکه قیمت یک پنل ۵۰ کیلوواتی برای مصارف تجاری حدود ۱۲۴,۱۰۰۱۲۴,۱۰۰  دلار برآورد شده است و با افزایش قدرت دستگاه برای تولید برق بیشتر هزینه نصب و خرید نیز افزایش خواهد یافت. هزینه سنگین خرید و نصب این پنل ها یکی از دلایل اصلی عدم استقبال از این انرژی پاک است.

چگونه یک سلول خورشیدی بسازیم؟

برای ساخت این سلول شما به اکسید تیتانیوم نیاز دارید که می توانید آنرا از یک بسته آرد دونات تهیه کنید. بدین ترتیب که آرد را در آب حل کرده و از فیلتر قهوه عبور می دهیم و باقی مانده را برای حذف چربی ۳ ساعت در دمای ۲۶۰ درجه فر قرار می دهیم.

اکنون به شیشه رسانا نیاز دارید که می توانید آنرا از فروشگاه های لوازم خورشیدی خریداری نمایید. حالا دی اکسید تیتانیوم را با یک میلی لیتر اتانول خالص خوب مخلوط کنید. سپس با قطره چکان هر سری یک قطره را در سطح شیشه پخش کنید تا پوشش نازکی از دی اکسید تیتانیوم روی شیشه ایجاد شود.

حالا شیشه را به مدت ۱۰ تا ۲۰ دقیقه  در فر یا روی هیتر قرار دهید. در این مرحله رنگ سلول خورشیدی ابتدا قهوه ای شده و سپس به سفید برمی گردد که نشان دهنده تکمیل فرآیند پخت است. حالا سلول خودتان را با چای پررنگ که حاوی آنتوسیانین است رنگ کنید تا بتواند نور مرئی را جذب کند.

اکنون یک قطعه شیشه رسانای دیگر را با گرافیت رنگ کنید برای این کار از یک مداد کمک بگیرید. این دو شیشه را با استفاده از یک قطعه پلاستیکی روی هم قرار دهید. حالا نیاز به یک الکترولیت دارید که محلول ید ایده آل است البته باید آنرا به نسبت ۳ به ۱ با الکل مخلوط کنید و سپس یکی دو قطره از آنرا بین دو قطعه شیشه بریزید و شیشه را به هم فشار دهید.  حالا سلول خورشیدی را در زیر آفتاب قرار داده و آنرا به یک آمپرسنج وصل کنید و از جریان تولید شده لذت ببرید.