چگونه انرژی خورشیدی کار می‌کند

อ่านประมาณ 4 นาที

انرژی خورشیدی یعنی گرفتن نور و گرمای خورشید و تبدیل کردنش به برق یا گرما که بتونیم ازش استفاده کنیم. دو روش اصلی دارد: پنل‌های خورشیدی (فتوولتائیک) و نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی [1].

پنل‌های خورشیدی (فتوولتائیک)

این پنل‌ها از سلول‌های مخصوصی ساخته شده‌اند که معمولاً جنسشان از سیلیکون است [2]. هر سلول خورشیدی از دو لایه سیلیکون تشکیل شده که با مواد مختلف به صورت شیمیایی تیمار یا «آلاییده» شده‌اند: لایه بالایی با فسفر آلاییده شده و الکترون‌های فراوانی ایجاد می‌کند (نوع N)، در حالی که لایه پایینی با بور آلاییده شده و کمبود الکترون یا «حفره» ایجاد می‌کند (نوع P) [3].

وقتی فوتون‌های نور خورشید به سلول خورشیدی برخورد می‌کنند، الکترون‌ها را از پیوندهای اتمی خود جدا می‌کنند و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. میدان الکتریکی در محل اتصال PN این الکترون‌های آزاد را مجبور به جریان در یک جهت می‌کند و جریان مستقیم الکتریسیته ایجاد می‌کند [3]. این فرایند «اثر فتوولتائیک» نامیده می‌شود که توسط فیزیکدان فرانسوی، الکساندر ادموند بکرل، در سال ۱۸۳۹ کشف شد [3].

سلول‌های خورشیدی منفرد معمولاً ۰.۵ تا ۰.۶ ولت تولید می‌کنند، بنابراین چندین سلول به صورت سری در هر پنل به هم متصل می‌شوند تا به سطوح ولتاژ قابل استفاده، معمولاً ۳۰ تا ۴۰ ولت در هر پنل، دست یابند [3]. برق تولید شده توسط پنل‌ها جریان مستقیم (DC) است و باید توسط یک دستگاه به نام «اینورتر» به برق متناوب (AC) تبدیل شود که برای خانه‌ها و وسایل برقی قابل استفاده باشد [3].

سلول‌های خورشیدی تجاری مدرن معمولاً ۱۸ تا ۲۲ درصد از نور خورشید تابیده شده را به برق تبدیل می‌کنند و در نمونه‌های آزمایشگاهی به راندمانی بیش از ۲۶ درصد دست یافته‌اند [3].

نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی

در این روش، از آینه‌های بزرگ برای متمرکز کردن نور خورشید روی یک نقطه استفاده می‌شود. این کار یک مایع (مثل روغن یا نمک مذاب) را خیلی داغ می‌کند. آن مایع داغ، آب را به بخار تبدیل می‌کند و بخار هم توربین را می‌چرخاند تا برق تولید شود [1].

مزایا و محدودیت‌ها

انرژی خورشیدی تمیز و بدون آلودگی است، پایان‌ناپذیر محسوب می‌شود (تا وقتی خورشید هست) و بعد از نصب، هزینه نگهداری آن کم است [1]. با این حال، شب‌ها یا روزهای ابری تولید آن کم می‌شود، نیاز به باتری برای ذخیره برق دارد و نصب اولیه آن هزینه دارد [1].

اجزای سیستم برق خورشیدی

یک سیستم برق خورشیدی شامل اجزای الکتریکی پیچیده‌ای است که برای ارائه انرژی پاک و قابل اعتماد با هم کار می‌کنند. از لحظه‌ای که نور خورشید به پنل برخورد می‌کند تا زمانی که برق به لوازم خانگی می‌رسد، اجزا و فرآیندهای متعددی درگیر هستند [3].

اجزای الکتریکی DC نقش حیاتی در سیستم دارند. برخلاف برق AC که به طور طبیعی جهت خود را عوض می‌کند، برق DC به طور مداوم در یک جهت جریان می‌یابد و قوس‌های پایداری ایجاد می‌کند که قطع آنها دشوار است. تأسیسات خورشیدی مدرن اغلب با ولتاژهای DC بیش از ۶۰۰ ولت کار می‌کنند و برخی سیستم‌های در مقیاس بزرگ به ۱۵۰۰ ولت یا بالاتر می‌رسند [3].

اینورترهای مدرن کاری فراتر از تبدیل ساده DC به AC انجام می‌دهند. آنها از الگوریتم‌های ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) استفاده می‌کنند که به طور مداوم بار الکتریکی روی پنل‌ها را تنظیم می‌کنند تا حداکثر توان موجود را استخراج کنند. این بهینه‌سازی پویا می‌تواند برداشت انرژی را ۱۰ تا ۳۰ درصد افزایش دهد. اینورترهای مدرن به راندمان تبدیل بیش از ۹۵٪ دست می‌یابند [3].

بازدهی و بهینه‌سازی

تلفات انرژی در هر مرحله از جذب فوتون تا تحویل نهایی برق AC رخ می‌دهد. تلفات DC شامل تلفات مقاومتی در سیم‌کشی، تلفات عدم تطابق بین پنل‌ها با ویژگی‌های متفاوت، و تلفات ناشی از گرد و غبار روی سطوح پنل می‌شود. سیستم‌های نظارت هوشمند، تولید، مصرف و تعامل شبکه را ردیابی می‌کنند تا عملکرد سیستم را بهینه کنند [3].

سلول‌های خورشیدی مدرن از دو لایه نیمه‌رسانا تشکیل شده‌اند که وقتی نور خورشید به آنها می‌تابد، الکترون‌ها انرژی می‌گیرند و حرکت می‌کنند. این حرکت یک جریان الکتریکی تولید می‌کند [4].

انرژی خورشیدی از یک مفهوم آینده‌نگرانه به یک راهکار انرژی رایج تبدیل شده که میلیون‌ها خانه و کسب‌وکار را در سراسر جهان تغذیه می‌کند [3]. ظرفیت تولید برق خورشیدی با سرعت فوق‌العاده‌ای رشد کرده و فتوولتائیک خورشیدی سریع‌تر از هر منبع انرژی دیگری در تاریخ به کار گرفته شده است [5].