همه چیز درباره پتانسیل انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی، از تابش خورشید حاصل می‌شود که قادر به تولید گرما، ایجاد واکنش‌های شیمیایی یا تولید برق است. مقدار کل انرژی خورشیدی روی زمین بسیار فراتر از نیازهای انرژی فعلی و پیش‌بینی شده جهان است. اگر این منبع پراکنده‌ی انرژی به طور مناسب مهار شود، این پتانسیل را دارد که تمام نیازهای انرژی آینده را برآورده کند. در قرن بیست و یکم، انرژی خورشیدی به دلیل عرضه پایان ناپذیر و ویژگی غیرآلاینده‌اش، برخلاف سوخت‌های فسیلی محدود مانند زغال سنگ، نفت و گاز، به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر مورد توجه زیادی قرار گرفته است. در این مقاله، با پتانسیل انرژی خورشیدی بیشتر آشنا می‌شوید.

انرژی خورشیدی (Solar Energy)، اهمیت و پتانسیل

انرژی خورشیدی، فرایندهای طبیعی بی‌شماری روی زمین را تحت تأثیر قرار می‌دهد. برای مثال، فتوسنتز توسط گیاهان، جلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها به انرژی خورشید متکی است و اگر بگوییم که مهم‌ترین عامل حفظ حیات در کره زمین، خورشید است، اغراق نکرده‌ایم. اگر فتوسنتز متوقف شود، به زودی غذا یا سایر مواد آلی کمی روی زمین وجود خواهد داشت. بیشتر موجودات ناپدید می‌شوند و به مرور زمان جو زمین تقریبا فاقد اکسیژن گازی می‌شود. انرژی خورشیدی همچنین برای تبخیر آب در چرخه آبی، دمای آب و خشکی و تشکیل باد ضروری است که همه اینها عوامل اصلی در الگوهای آب و هوایی هستند که زندگی روی زمین را شکل می‌دهند.

خورشید منبع انرژی بسیار قدرتمندی است. نور خورشید با اختلاف، بزرگترین منبع انرژی دریافتی زمین است، اما شدت آن وقتی به سطح زمین می‌رسد، بسیار کم است. علت این موضوع، اساسا به دلیل پراکندگی زیاد پرتوهایی است که فاصله زیاد خورشید تا زمین را طی می‌کنند. تلفات جزئی دیگر این پرتوها مربوط به زمانی است که به جو و ابرهای زمین می‌رسند که تا ۵۴ درصد از نور خورشید ورودی را جذب یا پراکنده می‌کنند. نور خورشیدی که به زمین می‌رسد شامل تقریبا ۵۰ درصد نور مرئی، ۴۵ درصد تابش مادون قرمز و مقادیر کم‌تری از اشعه ماوراء بنفش و سایر اشکال تابش الکترومغناطیسی است.

پتانسیل استفاده از انرژی خورشیدی به صورت برق خورشیدی بسیار زیاد است، زیرا حدود ۲۰۰۰۰۰ برابر ظرفیت تولید برق روزانه در جهان هر روز توسط زمین به شکل انرژی خورشیدی دریافت می‌شود. متأسفانه، اگرچه انرژی خورشیدی، به خودی خود رایگان است اما هزینه بالای جمع آوری، تبدیل و ذخیره سازی آن، بهره برداری از آن را در بسیاری از نقاط جهان محدود می‌کند. تابش خورشیدی می‌تواند به انرژی حرارتی (گرما) یا به انرژی الکتریکی تبدیل شود، اگرچه دست‌یابی به اولی آسان‌تر است.

پتانسیل انرژی خورشیدی در صنعت

انرژی خورشیدی از دیرباز به طور مستقیم به عنوان منبع انرژی حرارتی مورد استفاده قرار گرفته است. با شروع قرن بیستم و افزایش سرعت رشد پیشرفت‌های تکنولوژیکی، تعداد استفاده‌ها و کاربردهای انرژی حرارتی خورشید، افزایش داشته و راه را برای تولید برق خورشیدی هموار کرده است.

انرژی حرارتی

از رایج ترین وسایلی که برای جذب انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انرژی حرارتی استفاده می‌شود، کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت هستند که برای کاربردهای گرمایشی خورشید استفاده می‌شوند. از آنجایی که شدت تابش خورشید در سطح زمین بسیار کم است، این کلکتورها باید از نظر مساحت بزرگ باشند. به عنوان مثال، حتی در مناطق آفتابی و معتدل جهان، باید مساحتی در حدود ۴۰ متر مربع از کلکتور صفحه تخت خورشیدی داشته باشیم، تا بتوانیم انرژی کافی را برای تامین نیازهای یک فرد تأمین کنیم.

پرکاربردترین کلکتور صفحه تخت به شکل یک صفحه فلزی سیاه است که با یک یا دو ورقه شیشه پوشانده شده است. این صفحه، با تابش نور خورشید روی آن گرم می‌شود. سپس این گرما به سیالات حامل(هوا یا آب) منتقل می‌شود که از پشت صفحه عبور می‌کنند. گرما ممکن است به طور مستقیم استفاده شود یا ممکن است برای ذخیره سازی به محیط دیگری منتقل شود. کلکتورهای صفحه تخت معمولا برای آبگرمکن‌های خورشیدی و گرمایش خانه استفاده می‌شود. این صفحات می‌توانند دمای آب را در تانک‌های عایق، بالا نگه دارند تا در شب یا روزهای سرد و آفتابی، مورد استفاده قرار بگیرند. چنین سیستمی می‌تواند آب گرم مورد نیاز خانه را که توسط مخزن، ذخیره می‌شود، تامین کند. یا با جریان آب گرم از طریق لوله‌های کف و سقف، گرمایش فضا را فراهم کند. کلکتورهای صفحه تخت معمولا سیالات حامل را تا دمای ۶۶ تا ۹۳ درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنند. بازده چنین کلکتورهایی، بسته به طراحی آن از ۲۰ تا ۸۰ درصد متغیر است. (بازده کلکتور یعنی نسبت انرژی دریافتی آن توسط نور خورشید به انرژی قابل استفاده)

روش دیگری برای استفاده از انرژی حرارتی خورشید، برکه‌ها یا حوضچه‌های خورشیدی هستند. یک برکه خورشیدی از سه لایه آب تشکیل شده است که از بالا به پایین چگالی نمک آن افزایش می‌یابد و لایه زیرین که نمک بیش‌تری دارد، گرما را ذخیره می‌کند. گرمای استخراج شده از این حوضچه‌ها، در تولید مواد شیمیایی، مواد غذایی، منسوجات و سایر محصولات صنعتی به کار می‌رود. همچنین می‌تواند برای گرم کردن گلخانه‌ها، استخرهای شنا و ساختمان‌های دامداری استفاده شود. گاهی اوقات با استفاده از برکه‌های خورشیدی به وسیله‌ی موتور چرخه رانکین آلی (وسیله ای نسبتا کارآمد و مقرون به صرفه برای تبدیل انرژی خورشیدی)، می‌توان برق تولید کرد، که به ویژه در مکان‌های دورافتاده مفید است. نصب و نگهداری برکه‌های خورشیدی نسبتا گران است و استفاده از آن‌ها عموما به مناطق گرم روستایی محدود می‌شود.

انرژی الکتریکی

تابش خورشید ممکن است مستقیما توسط سلول‌های خورشیدی یا سلول‌های فتوولتائیک به انرژی خورشیدی (الکتریسیته) تبدیل شود. در این صفحات، هنگامی که نور به محل اتصال یک فلز و یک نیمه هادی (مانند سیلیکون) یا اتصال بین دو نیمه هادی مختلف برخورد می‌کند، ولتاژ الکتریکی کوچکی تولید می‌شود. صفحات کوچک فتوولتائیک که هم با نور خورشید و هم با نور مصنوعی کار می‌کنند، کاربرد عمده‌ای در صنایع کم مصرف پیدا کرده اند. به عنوان مثال، از آن برای منابع انرژی در ماشین حساب‌ها و ساعت‌ها استفاده می‌شود. واحدهای بزرگتر برای تامین برق پمپ‌های آب و سیستم‌های ارتباطی در مناطق دور افتاده و ماهواره‌های آب و هوا و ارتباطات استفاده شده است. با اتصال تعداد زیادی صفحه سلولی منفرد به یکدیگر، مانند نحوه‌ چینش پنل‌های خورشیدی، صدها یا حتی هزاران کیلووات برق می‌تواند در یک نیروگاه خورشیدی یا در مساحت بزرگ خانگی تولید شود.

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز از کلکتورهای کانونی یا متمرکز برای تمرکز نور خورشید دریافتی از یک منطقه گسترده بر روی گیرنده کوچک سیاه آن‌ها استفاده می‌کنند و در نتیجه شدت نور را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند تا دماهای بالا تولید شود. چینش خاصی از آینه‌ها یا عدسی‌هایی که به‌دقت تراز شده‌اند می‌توانند نور خورشید را به اندازه کافی متمرکز کنند تا هدف را تا دمای ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد یا بیشتر گرم کنند. سپس از این گرما می‌توان برای راه اندازی دیگ بخار استفاده کرد که به نوبه خود، بخار را برای نیروگاه ژنراتور الکتریکی توربین بخار تولید می‌کند. برای تولید مستقیم بخار، می‌توان آینه‌های متحرک را طوری چید که مقادیر زیادی از تابش خورشید را روی لوله‌های سیاهی که آب از طریق آنها به گردش در می‌آید و در نتیجه گرم می‌شود، متمرکز کند.

مصارف دیگر

انرژی خورشیدی برای مقاصدی غیر از مواردی که در بالا توضیح داده شد نیز استفاده می‌شود. به عنوان مثال از انرژی خورشیدی برای تولید نمک از آب دریا از طریق تبخیر استفاده می‌شود یا کاربرد دیگر آن در واحدهای نمک‌زدایی با انرژی خورشیدی است که با تبدیل انرژی خورشید به گرما، به طور مستقیم یا غیرمستقیم، با انجام فرآیند نمک زدایی، آب نمک را به آب آشامیدنی تبدیل می‌کنند.

همچنین از انرژی خورشیدی می‌توان برای تولید پاک و تجدیدپذیر هیدروژن که به عنوان یک منبع انرژی جایگزین شناخته شده است، بهره برد. برگ‌های مصنوعی، دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون هستند که با تقلید از فرآیند فتوسنتز از انرژی خورشیدی برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن استفاده می‌کنند و عملا هیچ آلاینده‌ای باقی نمی‌گذارند. اگرچه که برای بهبود کارایی و مقرون به صرفه بودن این دستگاه‌ها برای مصارف صنعتی، راه درازی در پیش است.

کلام آخر

پتانسیل انرژی خورشیدی سبب شده که از آن در بخش‌های صنعتی و خانگی استفاده کنند. انرژی حاصل از نور خورشید در نیروگاه‌هایی مانند نیروگاه خورشیدی فولاد مبارکه اصفهان به تولید انرژی برق کمک می‌کند. البته، این تنها کاربرد انرژی خورشیدی نیست. بهره‌برداری از انرژی تجدیدپذیر خورشیدی توسط شرکت‌هایی مانند شرکت صنایع نیرو و انرژی پاک فولاد (صناپ) به داشتن آینده‌ای سبزتر و آبادتر کمک می‌کند.