استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر به جای سوخت‌های فسیلی کلید توسعه پایدار است. در این میان، انرژی خورشیدی به عنوان بهترین راه برای خودکفایی در تولید انرژی شناخته می‌شود.
انرژی خورشیدی چگونه کار می‌کند؟
میزان نور تابشی خورشید به سطح زمین در عرض یک ساعت و نیم برای تأمین انرژی مصرفی کل جهان در طی یک سال کفایت می‌کند. انرژی خورشیدی یک انرژی تجدیدپذیر و پایان‌ناپذیر است و از تابش الکترومغناطیسی خورشید به دست می‌آید.
فناوری‌های خورشیدی تشعشعات خورشید را جذب و اشکال مفید از انرژی همانند برق و گرما را به روشی کاملاً پایدار و رایگان تولید می‌کنند. علاوه بر این، انرژی خورشیدی آلودگی هوا یا گازهای گلخانه ای نیز تولید نمی‌کند.
انرژی خورشیدی چگونه تولید می‌شود؟
انرژی خورشیدی را می‌توان از پنل و آینه‌ها به دست آورد: فناوری‌های خورشیدی نور خورشید را از طریق پنل‌های فتوولتائیک (PV) یا از آینه‌هایی که قادر به متمرکز ساختن تشعشعات خورشیدی هستند، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این انرژی می‌تواند برای تولید برق استفاده یا در باتری و ذخیره‌سازهای حرارتی ذخیره شود.
به طور کلی سه نوع انرژی خورشیدی وجود دارد:
- فتوولتائیک که در تولید برق کاربرد دارد.
- حرارتی که از آن برای گرم کردن آب استفاده می‌کنند.
- غیرفعال که حاصل فرآیند بهره‌برداری مسقیم از نور خورشید است.
انرژی خورشیدی فتوولتائیک (PV)
احتمالاً با این نوع از انرژی خورشیدی که از آن در پنل‌های خورشیدی استفاده می‌شود، بیشتر آشنایی دارید. نور خورشید توسط سلول‌های فتوولتائیک جذب پنل می‌شود و طی فرآیندی به نام اثر فوتوالکتریک به طور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می‌شود؛ در طی این فرآیند مواد خاصی قادر به جذب فوتون و الکترون‌های آزاد و تولید جریان الکتریکی می‌شوند. انرژی خورشیدی فتوولتائیک نوری را فراهم می‌سازد که با استفاده از پنل‌های خورشیدی به الکتریسیته تبدیل می‌شود.
پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک از مجموعه‌ای از سلول‌های خورشیدی سیلیکونی تشکیل شده‌اند که قادرند نور (فوتون) را به انرژی الکتریکی (الکترون) تبدیل کنند. این پنل‌ها قابل نصب در ساختمان‌ها، منازل و در مقیاس بزرگتر در تأسیسات عظیم هستند.
انواع تأسیسات فوتوولتائیک:
- پنل‌های خورشیدی برای مصرف شخصی
- نیروگاه‌های تولیدی فوتوولتائیک
از آن‌جایی که پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک گرما تولید نمی‌کنند، نمی‌توان از آن‌ها برای ذخیره انرژی خورشیدی استفاده کرد.
با این وجود، مازاد تولید انرژی خورشیدی فتوولتائیک را می‌توان به شبکه مصرف انتقال داد. به لطف پنل‌های فتوولتائیک، تأمین انرژی شخصی به روشی دموکراتیک‌تر امکان‌پذیر است، بدین معنا که هرکس قادر است برق مصرفی خانه خود را تأمین و هزینه‌اش را کاهش دهد.
انرژی حرارتی خورشیدی
انرژی گرمایی خورشیدی از انرژی خورشید برای تولید گرمایی استفاده می‌کند که بعدتر به عنوان یک منبع انرژی در سطوح خانگی (برای گرم کردن خانه، آشپزی یا بهداشت شخصی) و همچنین صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در طی فرآیندی انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی تبدیل و از این طریق انرژی الکتریکی تولید می‌شود.
سیستم‌های انرژی حرارتی خورشیدی متمرکز (CSP) با به کارگیری آینه‌ها برای انعکاس و متمرکز کردن نور خورشید روی گیرنده‌هایی انرژی را جمع‌آوری و به گرما تبدیل می‌کنند. سپس، گرما را به مایع انتقال می‌دهند و آن را از طریق لوله‌هایی برای استفاده در ساختمان‌ها، تأسیسات یا حتی جهت تولید انرژی ترموالکتریک خورشیدی هدایت می‌کنند. با استفاده از تکنیک‌های معماری زیست‌محیطی می‌توان از این انرژی به صورت غیرفعال نیز استفاده کرد. با استفاده از تکنیک‌های معماری زیست‌محیطی می‌توان از این انرژی به صورت غیرفعال نیز استفاده کرد.
متناسب با کاربرد، انرژی حرارتی خورشیدی در سه طیف دمایی دسته‌بندی می‌شود:
- پایین: گیرنده‌ها دما را به 65 درجه سانتی‌گراد می‌رسانند.
- متوسط: گیرنده‌ها دما را به 300 درجه سانتی‌گراد می‌رسانند.
- بالا: گیرنده‌ها دما را به بیش از 500 درجه سانتی‌گراد می‌رسانند.
انرژی خورشیدی غیرفعال
انرژی‌های فتوولتائیک و حرارتی که به عنوان انرژی‌های فعال خورشیدی نیز شناخته می‌شوند، فناوری‌های مختلفی را برای جذب و پردازش انرژی خورشید به کار می‌گیرند. با این حال، می‌توان از انرژی خورشیدی به صورت غیرفعال، یعنی بدون نیاز به هیچ‌گونه مکانیزمی جهت جمع آوری و استفاده از آن، بهره برد. این قدیمی‌ترین روش برای استفاده از تابش خورشید است.
انرژی خورشیدی غیرفعال اصولاً با استفاده از معماری زیست اقلیم به دست می‌آید: در طراحی ساختمان‌ها با به کارگیری مواد و جهت‌گیری‌های مختلف، ازانرژی جذب شده برای گرم نگه داشتن ساختمان در شب و جلوگیری از گرم شدن بیش از حد در طول روز، استفاده می‌شود. در نتیجه، دسترسی طولانی‌تر به نور خورشید در طول روز منجر به کاهش نیاز به روشنایی، سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی می‌شود.
از جمله اقدامات موثر در این راستا می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- انتخاب موقعیت مکانی مناسب
- حصول اطمینان از جهت‌گیری ساختمان
- عایق‌کاری
- انتخاب بهترین نوع سقف
- استفاده از محافظ
یکپارچه‌سازی سیستم‌ها
بهره‌گیری از فناوری انرژی خورشیدی به تولید برق توسط سیستم‌های PV یا CSP ختم نمی‌شود. این سیستم‌های انرژی خورشیدی باید در خانه‌ها، مشاغل، و شبکه‌های برق موجود با ترکیب‌های متفاوتی از منابع انرژی سنتی و دیگر انرژی‌های تجدیدپذیر ادغام شوند. یکپارچه‌سازی سیستم‌های خورشیدی استفاده از فناوری و ابزاری را دربرمی‌گیرد که به انرژی خورشیدی اجازه ورود به شبکه برق را با حفظ قابلیت اطمینان، امنیت و کارایی شبکه می‌دهد.
در این زمینه نوآوری‌هایی شکل گرفته است که می‌توان از ریزشبکه‌ها، ذخیره‌سازی انرژی و کنتورهای هوشمند به عنوان چشم‌گیرترین آن‌ها یاد نمود:
ریزشبکه‌ها نه تنها ما را قادر به توزیع نیرو در شبکه می‌سازند، بلکه در صورت وجود نقص در شبکه، می‌توانند اتصال خود با شبکه بزرگتر را قطع کنند و به عنوان یک زیرمجموعه الکتریکی به فعالیت خود ادامه دهند.
ذخیره‌سازی انرژی این امکان را برای انرژی‌های تجدیدپذیر فراهم می‌سازد تا از طریق مدیریت برق با شبکه نیرو ادغام شوند؛ بدین صورت که انرژی مازاد ذخیره و در صورت لزوم آزاد می‌سازند.
اندازه‌گیرهای هوشمند ارتباط رفت و برگشتی میان مصرف‌کننده و شرکت‌ها را مهیا می‌سازند. تمام کنتورهای هوشمند می‌توانند انرژی مصرف شده (وارد شده) و صادرات مجدد به شبکه را اندازه‌گیری کنند. به سبب وجود این قابلیت، خدمات پشتیبانی قادر خواهد بود در بازگردانی نیروی برق، در صورت قطعی، سریع‌تر عمل کند.
هزینه‌های نرم
تعدادی از هزینه‌های غیرسخت‌افزاری که به عنوان هزینه‌های نرم شناخته می‌شوند، بر هزینه تأمین انرژی خورشیدی نیز تأثیر می‌گذارند. این هزینه‌ها شامل کسب مجوز، تأمین مالی و نصب انرژی خورشیدی و در کنار هزینه‌هایی است که شرکت‌های خورشیدی برای به دست آوردن مشتریان جدید، به تأمین‌کنندگان پرداخت می‌کنند. در بررسی هزینه‌های سیستم های انرژی خورشیدی مستقر در پشت بام بیشترین سهم به هزینه‌های نرم تعلق گرفته است.
کاربردهای انرژی خورشیدی
انرژی خورشیدی می‌تواند به کاهش هزینه برق، ایجاد یک شبکه الکتریکی منعطف، ایجاد فرصت‌های شغلی و تحریک رشد اقتصادی و تولید برق پشتیبان شبانه در صورت قطعی کمک کند و با راندمان مشابه در مقیاس‌های کوچک و بزرگ کار کند. ازجمله کاربردهای انرژی خورشیدی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- تولید برق
- گرمایش آب
- تولید خنک‌کننده خورشیدی اتاق سرد و سیستم‌های گرمایشی
- محصولات آبی
- روشنایی محیط
- ماشین‌های خورشیدی و سایر اختراعات
مزایا و معایب انرژی خورشیدی
نیاز حیاتی به انرژی خورشیدی، روز به روز آشکارتر می شود. در کنار مزایای فراوان این انرژی، ضروری است که قبل از شروع هر گونه اقدامی در راستای راه‌اندازی، معایب آن را نیز لحاظ کنید. یافتن انرژی مناسب و تعیین میزان کارایی انرژی خورشیدی متناسب با سبک زندگی روزانه حائز اهمیت بسیاری است. ارزیابی چند عامل شما را در تصمیم‌گیری در این خصوص یاری می‌کند.
مزایا
- کاهش هزینه برق مصرفی
کاهش هزینه برق مصرفی در بیشتر خانواده ها از اهمیت بالایی برخوردار است. انرژی خورشیدی نه تنها باعث صرفه‌جویی در هزینه می‌شود، بلکه به شما در کسب درآمد بیشتر نیز کمک می‌کند. به عنوان مثال، در ایالات متحده آمریکا تعدادی از سیستم‌های انرژی خورشیدی نامزد دریافت مشوق، تخفیف و اعتبارات مالیاتی فدرال در سطح ایالت هستند. پس از راستی‌آزمایی، در صورتی که از این انرژی سبز و ایمن استفاده کرده باشید، دولت با کاهش مالیات در کاهش هزینه نصب و راه‌اندازی مساعدت می‌کند.
- سازگاری با محیط زیست
انرژی خورشیدی نسبت به انرژی‌های ناسازگار با محیط زیست که به شدت به سوخت‌های فسیلی وابسته‌اند، کربن بسیار کمتری آزاد می‌سازد. هرچند که به دلیل عدم احتراق سوخت، انتشار گازهای گلخانه‌ای از این طریق بسیار ناچیز است. هر کیلووات ساعت انرژی خورشیدی به طور قابل ملاحظه‌ای انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند کربن دی اکسید و سایر آلاینده های خطرناک مانند اکسیدهای گوگرد، اکسیدهای نیتروژن و ذرات معلق را کاهش می دهد. لذا، افزایش تعداد افرادی که انرژی‌های تجدیدپذیر را انتخاب می‌کنند منجر به هوایی پاکیزه‌تر می‌شود.
- تقویت چشم‌انداز استقلال از سایر انرژی‌ها
منابع محدودی مانند سوخت‌های فسیلی اتمام‌پذیر و غیرقابل تجدید هستند، اما خورشید تا میلیاردها سال دیگر به درخشش خود ادامه خواهد داد. استقلال از منابع محدود شرایط رشد انرژی‌های تجدیدپذیر و توسعه فناوری آن‌ها را فراهم می‌سازد، چنان که با گذر زمان می‌توانند هرچه بیشتر در زندگی روزمره ما ایفای نقش کنند.
- پایداری
انرژی خورشیدی دارای پتانسیل بالایی در تبدیل به یک منبع پایدار برای میلیاردها سال و در عین حال، فراوان ترین منبع انرژی روی زمین است. نتایج تحقیقات حاکی از آن است که انرژی حاصل از تراوات ارسالی به سطح کره زمین معادل با بیش از 5000 برابر انرژی مورد نیاز است. تمامی ذخایر احتمالی اعم از نفت، گاز، زغال سنگ، اورانیوم، توریم و... در قیاس با انرژی خورشید بسیار بسیار ناچیز هستند.
- تعمیر و نگهداری ناچیز
اکثر سیستم‌های انرژی خورشیدی با ضمانت‌نامه بلندمدتی، گاهی تا 25 سال، عرضه می‌شوند. نگهداری از این سیستم‌ها معمولاً فقط به تمیز کردن سالیانه و تعویض هر ده سال یک بار پنل‌های فتوولتائیک و قطعات حرارتی خورشیدی، منحصر می‌شود. به دلیل نبود هیچ قطعه متحرکی، احتمال تخریب به حداقل می‌رسد. علاوه بر این، سیستم‌های انرژی خورشیدی برای افرادی که در تعمیر یا نگهداری لوازم خانگی محدودیت دارند، می‌تواند گزینه جذابی باشد.
- بهبود وضعیت شبکه برق
از آن‌جایی که انرژی خورشیدی بار کمتری بر شبکه برق وارد می‌کند، برخی از ایالت‌های ایالات متحده آمریکا سیاست‌های اندازه‌گیری خالص را ارائه کرده‌اند. اندازه‌گیری خالص انرژی (NEM) یک مکانیسم برای محاسبه صورتحساب برق است که به مصرف‌کنندگان اجازه می‌دهد تا بخش یا تمامی برق مصرفی خود را تولید کنند، و از آن در هر زمانی، و نه تنها پس از تولید، استفاده نمایند. از این رو این امکان برای افرادی که برق خورشیدی تولید می‌کنند فراهم می‌شود که برق اضافی را به شرکت‌ها با نرخ خرده‌فروشی بفروشند و اعتبار صورتحساب خود را دریافت کنند. این اعتبار مصرف برق مشتری را در دیگر زمان‌های روز یا سال جبران می‌کند. از این رو، شرکت‌های برقی قادر خواهند بود تا برق کمتری را تأمین کنند.
معایب
هرچند دلایل بسیاری برای انتخاب این انرژی تجدیدپذیر و سازگار با محیط زیست وجود دارد، انرژی خورشیدی نمی‌تواند برای همگان بهترین گزینه باشد.
- سرمایه گذاری اولیه گران قیمت
نصب و راه‌اندازی اولیه یک سیستم انرژی خورشیدی بسیار پرهزینه است. این هزینه می‌تواند بسته به موقعیت مکانی شما، تعداد پنل های خورشیدی مورد نیاز، نیازمندی‌های نصب و هزینه دستمزد متفاوت باشد. در عین حال، بسیاری از افراد قادر به تقبل چنین هزینه‌ای نیستند.
- عدم کارکرد حین شب
انرژی خورشیدی برای تولید برق در شب، به شبکه‌های شهری متکی است. برخی از سیستم‌های پنل خورشیدی دارای یک باتری پشتیبان اختیاری هستند اما این گزینه برای همه آن‌ها در دسترس نیست. بنابراین، در صورت عدم تابش خورشید، این افراد باید مانند بقیه به شبکه انرژی تکیه کنید.
- محدودیت در ذخیره انرژی
در صورتی که انرژی خورشیدی بلافاصله مورد استفاده قرار نگیرد، باید روی باتری ذخیره شود، که هم امری هزینه‌بر است و هم فضای زیادی را اشغال می‌کند. این باتری‌ها در طول روز شارژ می‌شوند تا انرژی مورد نیاز در طی شب را تأمین کنند.
- محدودیت فضا
نیاز هرچه بیشتر به برق افزایش تعداد پنل‌های خورشیدی و در نتیجه گسترش فضا را ایجاب می‌کند. همه سقف‌ها فضای کافی برای تجهیز تعداد پنل‌های خورشیدی مدنظر مشتریان را ندارند. اگرچه می توان آن‌ها در حیاط نیز نگهداری کرد، اما حیاط‌های درخت‌کاری شده نیز جوابگو نخواهند بود. محاسبات نشان داده است که در نظر گرفتن 320 وات توان برای هر پنل خورشیدی، به طور متوسط، برای تأمین انرژی مورد نیاز هر خانه با مصرف ماهیانه 1000 کیلووات ساعت انرژی، به 26 تا 30 پنل خورشیدی نیازمندیم.
- اهمیت موقعیت مکانی
اگرچه خورشید منبع انرژی فراوانی است، اما شدت تابش و دسترس‌پذیری آن در سراسر جهان متفاوت است. متناسب با محل زندگی، شرایط آب و هوایی تغییر می‌کند. در برخی از نقاط جهان، مانند آلاسکا که خورشید در روزهای زمستانی پدیدار نمی‌شود، استفاده از انرژی خورشیدی با مشکل مواجه می‌شود. خورشید‌گرفتگی همچنین از عوامل تأثیرگذار بر مولدهای انرژی خورشیدی است؛ در حین خورشید‌گرفتگی، باید از منابع برق دیگری برای جبران کاهش انرژی خورشیدی استفاده نمود. بهره‌برداری از انرژی خورشیدی در مناطق کم‌نور نیز ملزوم برنامه‌ریزی بسیار دقیقی است.
- تولید آلاینده
پنل‌های خورشیدی نماد انرژی سبز و سازگار با محیط‌زیست هستند. اما در حالی که تولید برق از طریق فتوولتائیک در واقع برای محیط زیست بهتر از سوزاندن سوخت‌های فسیلی است، ساخت این پنل‌های درخشان آلودگی شیمیایی را در محیط زیست به همراه آورده است. بر اساس مطالعات تیم تحقیقاتی Sol Voltaics، برای ساخت یک پنل خورشیدی باید در حدود 11 تن زغال سنگ سوزانده شود. به نظر می‌رسد که زمان لازم برای جبران انرژی مصرفی و گازهای گلخانه‌ای منتشر شده در تولید این پنل‌ها، به طور قابل توجهی به جغرافیای موقعیت مکانی و نوع فناوری بستگی دارد.
انرژی خورشیدی، آری یا خیر؟
با افزایش تعداد علاقمندان به انرژی‌های تجدیدپذیر و سبز، تمایز دادن مزایا و معایب امری اجتناب‌ناپذیر خواهد بود. لذا، قبل از تصمیم‌گیری نهایی در این خصوص، سعی کنید بودجه‌ای را تنظیم کنید که مقرون به صرفه باشد. سپس، هزینه‌های انرژی خورشیدی و میزان صرفه‌جویی در درازمدت را تخمین بزنید. فهرستی از مزایا و معایب که به طور خاص برای شما و خانواده‌تان شخصی‌سازی شده است، تهیه کنید تا در نهایت بتوانید گزینه مناسب خود را بیابید.
