تولید انرژی با سلول های فتوولتائیک خورشیدی

مقدار نور خورشید که در عرض یک ساعت و نیم به سطح زمین برخورد می‌کند، برای کنترل مصرف انرژی کل جهان برای یک سال کامل، کافی است. فناوری‌های خورشیدی، نور خورشید را از طریق پنل‌های فتوولتائیک (PV) یا از طریق آینه‌هایی که تشعشعات خورشیدی را متمرکز می‌کنند، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این انرژی می‌تواند برای تولید برق استفاده شود یا در باتری‌ها و یا ذخیره‌سازی حرارتی ذخیره شود.

کد خبر: ۶۷۵۱۶۰

۲۸ مهر ۱۴۰۱

مقدار نور خورشید که در عرض یک ساعت و نیم به سطح زمین برخورد می‌کند، برای کنترل مصرف انرژی کل جهان برای یک سال کامل، کافی است. فناوری‌های خورشیدی، نور خورشید را از طریق پنل‌های فتوولتائیک (PV) یا از طریق آینه‌هایی که تشعشعات خورشیدی را متمرکز می‌کنند، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این انرژی می‌تواند برای تولید برق استفاده شود یا در باتری‌ها و یا ذخیره‌سازی حرارتی ذخیره شود. در ادامه این مقاله، می‌توان منابع و اطلاعاتی درباره مبانی تابش خورشیدی، فناوری‌های فتوولتائیک و متمرکز انرژی خورشیدی-گرمایی، یکپارچه‌سازی سیستم‌های شبکه برق، و جنبه‌های غیرسخت‌افزاری (هزینه‌های نرم) انرژی خورشیدی را دریافت کرد. همچنین درباره‌ نحوه‌ی استفاده از انرژی خورشیدی و صنعت انرژی خورشیدی بیشتر گفته می‌شود.

انرژی خورشیدی

تابش خورشیدی، نوری است که به‌عنوان تابش الکترومغناطیسی نیز شناخته می‌شود، از خورشید ساطع می‌شود. در حالی‌که هر مکان روی زمین در طول یک سال مقداری نور خورشید را دریافت می‌کند، میزان تابش خورشیدی که به هر نقطه از سطح زمین می‌رسد متفاوت است. فناوری‌های خورشیدی این تشعشعات را جذب کرده و به اشکال مختلف انرژی، تبدیل می‌کنند.

مبانی سلول‌های فتوولتائیک خورشیدی

هنگامی‌که خورشید به یک صفحه خورشیدی می‌تابد، انرژی نور خورشید توسط سلول‌های فتوولتائیک، در پانل جذب می‌شود. این انرژی بارهای الکتریکی ایجاد می‌کند که در پاسخ به یک میدان الکتریکی داخلی در سلول حرکت کرده و باعث جریان الکتریسیته می‌شود. تابش خورشیدی که اغلب منبع خورشیدی یا فقط نور خورشید نامیده می‌شود، یک اصطلاح کلی برای تابش الکترومغناطیسی ساطع شده از خورشید است. تشعشعات خورشیدی را می‌توان با استفاده از فناوری‌های مختلف جذب و به اشکال مفید انرژی مانند گرما و الکتریسیته تبدیل کرد. با این حال، امکان‌سنجی فنی و بهره‌برداری اقتصادی این فناوری‌ها در یک مکان خاص به منابع خورشیدی موجود بستگی دارد. هنگامی‌که نور به یک سلول فتوولتائیک (Solar Photovoltaic Cell) که سلول خورشیدی نیز نامیده می‌شود، می‎تابد؛ آن نور ممکن است منعکس و یا جذب شود یا مستقیماً از سلول عبور کند. سلول فتوولتائیک (PV) از مواد نیمه هادی تشکیل شده است. "نیمه هادی" به این معنی است که می‌تواند الکتریسیته را بهتر از یک عایق هدایت کند، اما نه به خوبی یک رسانای خوب مانند یک فلز. چندین ماده نیمه هادی مختلف در سلول‌های PV استفاده می‌شود. دو نوع اصلی از فناوری‌های انرژی خورشیدی وجود دارد: فتوولتائیک (PV) و انرژی متمرکز خورشیدی-گرمایی concentrating solar-thermal power (CSP) هنگامی‌که نیمه هادی در معرض نور قرار می‌گیرد، انرژی نور را جذب می‌کند و آن را به ذرات دارای بار منفی در ماده‌ای به نام الکترون منتقل می‌کند.

این انرژی اضافی به الکترون‌ها امکان می‌دهد تا به‌عنوان جریان الکتریکی از مواد عبور کنند. این جریان از طریق کنتاکت‌های فلزی رسانا( خطوط شبکه مانند روی سلول‌های خورشیدی) استخراج می‌شود و سپس می‌توان از آن برای تامین انرژی خانه و بقیه شبکه برق استفاده کرد. کارایی یک سلول فتوولتائیک به سادگی مقدار نیروی الکتریکی خارج شده از سلول در مقایسه با انرژی نوری است که به آن می‌تابد، و نشان می‌دهد سلول چقدر در تبدیل انرژی از یک شکل به شکل دیگر موثر است. مقدار الکتریسیته تولید شده از سلول های فتوولتائیک، به ویژگی هایی (مانند شدت و طول موج) نور موجود و ویژگی‌های عملکردی چندگانه سلول بستگی دارد.

یک سلول فتوولتائیک منفرد معمولاً کوچک است و معمولاً حدود ۱ یا ۲ وات توان تولید می‌کند. این سلول‌ها از مواد نیمه هادی مختلف ساخته شده‌اند و اغلب کمتر از ضخامت چهار تار موی انسان هستند. برای اینکه سال‌ها در فضای باز مقاومت کنند، سلول‌ها بین مواد محافظ در ترکیبی از شیشه و یا پلاستیک قرار می‌گیرند. برای افزایش توان خروجی سلول‌های فتوولتائیک، آنها به‌صورت زنجیره‌ای به یکدیگر متصل می‌شوند تا واحدهای بزرگتری را به نام ماژول‌ها یا پانل‌ها تشکیل دهند. ماژول‌ها را می‌توان به‌صورت جداگانه مورد استفاده قرار داد، یا می‌توان چندین ماژول را به هم متصل کرد تا آرایه‌ها را تشکیل دهند. سپس یک یا چند آرایه به‌عنوان بخشی از یک سیستم فتوولتائیک کامل به شبکه برق متصل می‌شود. به‌دلیل این ساختار مدولار، سیستم‌های فتوولتائیک را می‌توان برای برآورده کردن تقریباً هر نیاز برق الکتریکی، کوچک یا بزرگ، ساخت. ماژول‌ها و آرایه‌های فتوولتائیک تنها بخشی از یک سیستم فتوولتائیک هستند. این سیستم‌ها همچنین شامل سازه‌های نصبی هستند که پانل‌ها را به سمت خورشید هدایت می‌کنند، همراه با اجزایی که جریان مستقیم (DC) الکتریسیته تولید شده توسط ماژول‌ها را می‌گیرند و آن را به برق جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کنند که برای تامین انرژی تمام لوازم خانگی استفاده می‌شود. یکی از ویژگی‌های مهم نیمه هادی‌های فتوولتائیک، فاصله باند است که نشان می‌دهد ماده چه طول موجی از نور را می‌تواند جذب کرده و به انرژی الکتریکی تبدیل کند. اگر فاصله باند نیمه هادی با طول موج نوری که به سلول فتوولتائیک می‌تابد مطابقت داشته باشد، آن سلول می‌تواند به طور موثر از تمام انرژی موجود استفاده کند. پرکاربردترین مواد نیمه هادی برای سلول‌های PV در شکل زیر نشان داده شده است.

اصول اساس میزان تابش خورشیدی

هر مکان روی زمین حداقل در بخشی از سال، نور خورشید را دریافت می‌کند. میزان تابش خورشیدی که به هر نقطه از سطح زمین می‌رسد بر اساس موارد زیر متفاوت است: موقعیت جغرافیایی و زمانِ روز و  فصل و چشم‌انداز محلی و آب و هوای محلی. از آنجایی که زمین گرد است، خورشید در زوایای مختلف به سطح برخورد می‌کند، از صفر درجه (درست بالای افق) تا ۹۰ درجه (مستقیم بالای سر). هنگامی‌که پرتوهای خورشید عمودی هستند، سطح زمین تمام انرژی ممکن را دریافت می‌کند. هر چه پرتوهای خورشید شیب بیشتری داشته باشند، بیشتر در جو حرکت می‌کنند و پراکنده‌تر می‌شوند. از آنجایی که زمین گرد است، مناطق قطبی منجمد هرگز پرتوهای خورشیدی بلند، دریافت نمی‌کنند، هرچند به‌دلیل محور چرخش، این مناطق در بخشی از سال اصلا خورشید دریافت نمی‌کنند. زمین در مداری کروی به دور خورشید می‌چرخد و در بخشی از سال به خورشید نزدیکتر است. هنگامی‌که خورشید به زمین نزدیک‌تر است، سطح زمین کمی انرژی خورشیدی بیشتری دریافت می‌کند. زمانی‌که در نیمکره جنوبی تابستان و در نیمکره شمالی زمستان است، زمین به خورشید نزدیکتر است. با این حال، وجود اقیانوس‌های وسیع، تابستان‌های گرم‌تر و زمستان‌های سردتر را که انتظار می‌رود در نیمکره جنوبی در نتیجه این تفاوت به‌وجود آید، تعدیل می‌کند. انحراف ۲۳،۵ درجه در محور چرخش زمین عامل مهم‌تری در تعیین میزان تابش نور خورشید به زمین در یک مکان خاص است. کج شدن منجر به روزهای طولانی‌تر در نیمکره شمالی از اعتدال بهاری تا اعتدال پاییزی و روزهای طولانی‌تر در نیمکره جنوبی در طول ۶ ماه دیگر می‌شود. روزها و شب‌ها هر دو دقیقاً ۱۲ ساعت در اعتدال هستند که هر سال در ۲۳ مارس و ۲۲ سپتامبر رخ می‌دهند. کشورهایی مانند ایالات متحده که در عرض‌های جغرافیایی میانی قرار دارند، در تابستان نه‌تنها به‌دلیل طولانی بودن روزها، بلکه به این دلیل که خورشید تقریباً بالای سر است، انرژی خورشیدی بیشتری دریافت می‌کنند. پرتوهای خورشید در روزهای کوتاه‌تر ماه‌های زمستان، بسیار شیب‌دارتر است. شهرهایی مانند دنور، کلرادو (نزدیک به عرض جغرافیایی ۴۰ درجه) در ماه ژوئن تقریباً سه برابر بیشتر از ماه دسامبر انرژی خورشیدی دریافت می‌کنند. چرخش زمین همچنین مسئول تغییرات ساعتی نور خورشید است. در اوایل صبح و اواخر بعد از ظهر، خورشید در آسمان پایین است. پرتوهای آن بیشتر از ظهر، زمانی که خورشید در بالاترین نقطه خود است، در جو حرکت می‌کند. در یک روز صاف، بیشترین مقدار انرژی خورشیدی در حوالی ظهر خورشیدی به یک کلکتور خورشیدی می‌رسد. به‌صورت کلی یک کلکتور خورشیدی یک مبدل حرارتی است که انرژی خورشید را به گرما تبدیل می‌کند، در مبدل‌های معمولی انتقال انرژی از طریق یک سیال به سیال دیگر صورت می‌گیرد ولی در کلکتورهای خورشیدی انتقال انرژی از طریق تشعشع به سیال انتقال پیدا می‌کند. کلکتور گرمای خورشیدی (Solar thermal collector)، اصلی‌ترین جزء سامانه گرمایش خورشیدی است.

عمل جذب تابش خورشیدی و انتقال گرما  به سیال توسط این قسمت انجام می‌گیرد. کلکتور خورشیدی بایستی دارای ویژگی‌های انتقال حرارت خوب، ضریب هدایت حرارتی و ضریب جذب بالا ضریب صدور پایین بوده و در مقابل دماهای بالا پایدار باشد. همچنین باید در مقابل خوردگی داخلی و خارجی مقاوم باشند. بازده کلکتور بستگی کامل به شرایط و جنس مواد استفاده شده در ساخت آن دارد. تابش پراکنده و مستقیم خورشیدی با عبور نور خورشید از جو، مقداری از آن از طریق مولکول‌های هوا و بخار آب و ابرها و گرد و خاک و آلاینده‌ها و آتش‌سوزی جنگل و آتشفشان‌ها، جذب، پراکنده و منعکس می‌شود. به این جریان، تابش پراکنده خورشیدی می‌گویند. تابش خورشیدی که بدون انتشار به سطح زمین می‌رسد، تابش خورشیدی پرتو مستقیم نامیده می‌شود. مجموع تابش پراکنده و مستقیم خورشید را، تابش خورشیدی جهانی می‌نامند. شرایط جوی می‌تواند تابش پرتو مستقیم را تا ۱۰ درصد در روزهای روشن و خشک و تا ۱۰۰ درصد در روزهای غلیظ و ابری کاهش دهد.

اندازه‌گیری تابش خورشیدی

دانشمندان میزان تابش نور خورشید به مکان‌های خاص را در زمان‌های مختلف سال اندازه‌گیری می‌کنند. سپس میزان نور خورشید را که بر مناطقی در همان عرض جغرافیایی با آب و هوای مشابه می‌تابد، را تخمین می‌زنند. اندازه‌گیری‌های انرژی خورشیدی معمولاً به‌صورت تابش کل در یک سطح افقی یا به صورت تابش کل روی سطحی که خورشید را دنبال می‌کند، صورت می‌گیرد. داده‌های تابش برای سیستم‌های برق خورشیدی (فتوولتائیک) اغلب به صورت کیلووات ساعت بر متر مربع نشان داده می‌شوند. تخمین مستقیم انرژی خورشیدی نیز ممکن است به صورت وات بر متر مربع (W/m2) بیان شود. داده‌های تابشی برای سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی و گرمایش فضا معمولاً بر حسب واحد حرارتی بریتانیا در هر فوت مربع (Btu/ft2) نشان داده می‌شود. توزیع منابع خورشیدی در سراسر ایالات متحده برای سیستم‌های فتوولتائیک (PV) کافی است، زیرا از نور مستقیم و پراکنده خورشید استفاده می‌کنند. سایر فناوری ها ممکن است محدودتر باشند. با این حال، میزان انرژی تولید شده توسط هر فناوری خورشیدی در یک مکان خاص به میزان انرژی خورشیدی که به آن می‌رسد بستگی دارد. بنابراین، فناوری‌های خورشیدی در جنوب غربی ایالات متحده، که بیشترین مقدار انرژی خورشیدی را دریافت می‌کنند، کارآمدترین عملکرد را دارند.

سیلیکون

سیلیکون تا حد زیادی متداول‌ترین ماده نیمه هادی است که در سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود و امروزه تقریباً ۹۵ درصد از ماژول‌های فروخته شده از سیلیکون تشکیل شده است. همچنین سیلیکون، دومین ماده فراوان روی زمین (پس از اکسیژن) و رایج ترین نیمه هادی مورد استفاده در تراشه‌های کامپیوتری است. سلول‌های سیلیکونی کریستالی از اتم‌های سیلیکون ساخته شده‌اند که به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک شبکه کریستالی تشکیل دهند. این شبکه یک ساختار سازمان یافته را فراهم می‌کند که تبدیل نور به برق را کارآمدتر می‌کند. سلول‌های خورشیدی ساخته شده از سیلیکون درحال حاضر ترکیبی از راندمان بالا، هزینه کم و طول عمر طولانی را ارائه می‌دهند. انتظار می‌رود که این ماژول‌ها به مدت ۲۵ سال یا بیشتر دوام داشته باشند و پس از این مدت همچنان بیش از ۸۰ درصد توان اولیه خود را تولید کنند. فتوولتائیک های فیلم نازک یک سلول خورشیدی لایه نازک، با قرار دادن یک یا چند لایه نازک از مواد PV بر روی یک ماده نگهدارنده مانند شیشه، پلاستیک یا فلز ساخته می‌شود. امروزه دو نوع اصلی از نیمه هادی‌های فتوولتائیک لایه نازک در بازار وجود دارد: تلورید کادمیوم (CdTe) و مس ایندیم گالیوم دیزلنید (CIGS). هر دو ماده را می‌توان مستقیماً روی سطح جلو یا پشت ماژول قرار داد. تلورید کادمیوم (CdTe) دومین ماده متداول فتوولتائیک بعد از سیلیکون است و سلول‌های تلورید کادمیوم  را می‌توان با استفاده از فرآیندهای تولید کم هزینه ساخت. هر چند که این سلول‌های تلورید کادمیوم ، آنها را به یک جایگزین مقرون به صرفه تبدیل می‌کند، بازده آنها هنوز به اندازه سیلیکون نیست. سلول‌های مس ایندیم گالیوم دیزلنید (CIGS) دارای خواص بهینه برای مواد فتوولتائیک و کارایی بالا در آزمایشگاه هستند، اما پیچیدگی موجود در ترکیب چهار عنصر، انتقال از آزمایشگاه به ساخت را چالش‌برانگیزتر می‌کند. هر دو ماده ی CdTe و CIGS به حفاظت بیشتری نسبت به سیلیکون نیاز دارند تا عملکرد طولانی مدت در فضای باز را فراهم کنند.

سلول‌های خورشیدی پروسکایت

این سلول‌ها، نوعی سلول لایه نازک هستند و به دلیل ساختار کریستالی مشخص آنها نامگذاری شده‌اند. سلول‌های پروسکایت با لایه‌هایی از مواد ساخته می‌شوند که با چاپ، پوشش داده می‌شوند یا با خلاء بر روی یک لایه پشتیبان زیرین که به‌عنوان زیرلایه شناخته می‌شود، رسوب می‌کنند. آنها معمولاً به راحتی مونتاژ می‌شوند و می‌توانند به کارایی مشابه سیلیکون کریستالی برسند. در آزمایشگاه، راندمان سلول‌های خورشیدی پروسکایت، سریع‌تر از هر ماده فتوولتائیک، دیگری از ۳ درصد در سال ۲۰۰۹ به بیش از ۲۵ درصد در سال ۲۰۲۰ بهبود یافته است. برای اینکه سلول‌های فتوولتائیک پروسکایت از نظر تجاری قابل دوام باشند، باید به اندازه کافی پایدار باشند تا بتوانند ۲۰ سال در فضای باز زنده بمانند. محققان در حال کار بر روی دوام بیشتر آنها و توسعه تکنیک‌های تولید در مقیاس بزرگ و کم هزینه هستند.

فتوولتائیک‌های آلی

سلول‌های فتوولتائیک آلی Organic Photo Voltaics یا (OPV) از ترکیبات غنی از کربن (آلی) تشکیل شده‌اند و می‌توانند برای بهبود عملکرد خاصی از سلول فتوولتائیک مانند، فاصله باند، شفافیت یا رنگ طراحی شوند. کارآمدی سلول‌های فتوولتائیک آلی (OPV) در حال حاضر حدود نصف سلول‌های سیلیکونی کریستالی است و طول عمر کمتری دارند، اما ممکن است هزینه کمتری نیز برای تولید در حجم‌های بالا داشته باشند. آنها همچنین می‌توانند در انواع مواد مانند پلاستیک انعطاف‌پذیر، بکار روند که باعث می‌شود سلول‌های فتوولتائیک آلی (OPV)  بتواند کاربردهای متنوعی داشته باشد.

نقاط کوانتومی سلول‌های خورشیدی

نقطه کوانتومی الکتریسیته را از طریق ذرات ریز مواد نیمه هادی مختلف با عرض تنها چند نانومتر، که به آن نقاط کوانتومی می‌گویند، هدایت می‌کنند. نقاط کوانتومی روش جدیدی برای پردازش مواد نیمه هادی ارائه می‌دهند، اما ایجاد یک اتصال الکتریکی بین آنها دشوار است، بنابراین آنها در حال حاضر کارآمد نیستند. با این حال، تبدیل آنها به سلول‌های خورشیدی آسان است. آنها را می‌توان با استفاده از روش پوشش چرخشی، اسپری یا چاپگرهای رول به رول مانند مواردی که برای چاپ روزنامه استفاده می‌شود، روی یک بستر قرار داد. نقاط کوانتومی در اندازه‌های مختلفی وجود دارند و فاصله باند آن‌ها قابل تنظیم است و به آن‌ها امکان می‌دهد نوری را جمع‌آوری کنند که گرفتن آن دشوار است و با سایر نیمه‌رساناها مانند پروسکایت‌ها جفت شوند تا عملکرد یک سلول خورشیدی چند اتصالی را بهینه نمایند.

فتوولتائیک‌های چند اتصالی

استراتژی دیگر برای بهبود کارایی سلول‌های فتوولتائیک، لایه‌بندی چند نیمه هادی برای ساخت سلول‌های خورشیدی چند اتصالی است. این سلول‌ها در اصل پشته‌هایی از مواد نیمه هادی مختلف هستند، برخلاف سلول‌های تک پیوندی که فقط یک نیمه هادی دارند. در سلول‌های چند اتصالی، هر لایه دارای شکاف باند متفاوتی است، بنابراین هر کدام بخش متفاوتی از طیف خورشیدی را جذب می‌کنند و از نور خورشید بیشتر از سلول‌های تک اتصالی، استفاده می‌کنند. سلول‌های خورشیدی چند پیوندی می‌توانند به سطوح بازدهی بی‌سابقه‌ای برسند زیرا نوری که توسط اولین لایه نیمه هادی جذب نمی‌شود بوسیله لایه‌ای زیر آن جذب می‌شود. درحالی که تمام سلول‌های خورشیدی با بیش از یک باند، سلول‌های خورشیدی چند پیوندی هستند، سلول خورشیدی با دو شکاف باند، سلول خورشیدی پشت سر هم نامیده می‌شود. سلول های خورشیدی چند پیوندی که نیمه هادی های ستون های III و V را در جدول تناوبی ترکیب می‌کنند (پیوند خارجی است) سلول‌های خورشیدی چند پیوندی III-V نامیده می‌شوند. سلول‌های خورشیدی چند پیوندی بازدهی بالاتر از ۴۵ درصد را نشان داده‌اند، اما ساخت آن‌ها پرهزینه و دشوار است، بنابراین برای اکتشاف فضایی در نظر گرفته شده‌اند. نیروهای مسلح از سلول‌های خورشیدی III-V در هواپیماهای بدون سرنشین استفاده می‌کند و محققان در حال بررسی کاربردهای دیگری برای آنها هستند که دارای راندمان بالایی باشند.

فتوولتائیک‌های متمرکز

فتوولتائیک کنسانتره(CPV) یا  فتوولتائیک غلطتی یا فتوولتائیک متمرکز، یک فناوری فتوولتائیک است که از نور خورشید برق تولید می‌کند. فتوولتائیک متمرکز، نور خورشید را با استفاده از یک آینه یا عدسی بر روی سلول خورشیدی متمرکز می‌کند. با تمرکز نور خورشید بر روی یک منطقه کوچک، مواد فتوولتائیک کمتری مورد نیاز است. با متمرکز شدن نور، مواد فتوولتائیک کارآمدتر می‌شوند، بنابراین بیشترین بازده کلی با سلول ها و ماژول های CPV به دست می‌آید. با این حال، مواد گران‌تر، تکنیک‌های ساخت و توانایی ردیابی حرکت خورشید مورد نیاز است، بنابراین از نظر مزیت هزینه لازم نسبت به ماژول‌های سیلیکونی با حجم بالا، گرانتر می باشند.