انرژی خورشیدی وسیعترین منبع انرژی در جهان است. انرژی نوری که از جانب خورشید در هر ساعت به زمین می تابد، بیش از کل انرژی است که ساکنان زمین در طول یک سال مصرف می کنند. به عنوان مثال، نوری که سالیانه بر یک سایت آزمایشی در نوادای آمریکا می تابد، اگر با راندمان 15% به الکتریسته تبدیل شود، دو برابر انرژی تولیدی سالیان ایالات متحده آمریکا خواهد شد. با وجود گسترده بودن این انرژی، چگالی آن بسیار پایین است. برای بهره گیری از این منبع باید راهی جست تا انرژی پراکنده آن با راندمان بالا و هزینه کم به انرژی قابل مصرف الکتریکی تبدیل شود. 

روش های تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی

   با استفاده از تکنولوژی های خاص، انرژی حاصل از نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. این تکنولوژی ها را به دو دسته می توان تقسیم کرد:

• سیستم فتوولتائیک (PV): که عموماً تجهیزاتی جامد و بی حرکت هستند (جز در مورد انواع مجهز به سیستم ردیابی خورشید).
• سیستم های گرمایی خورشیدی: که از نور متمرکز شده خورشید برای گرم کردن مایعی که بخار آن یک توربین را به حرکت در می آورد، استفاده می کند.

در این میان استفاده از سیستم های فتوولتائیک برای استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی بسیار رایج تر است. استفاده از پنل های فتوولتائیک در کشورهای پیشرفته به سرعت رو به گسترش است. استفاده از انرژی خورشیدی که یکی از اشکال انرژی موسوم به سبز است از سوی طرفداران محیط زیست پشتیبانی می شود. علت این استقبال را باید در ویژگی های انرژی خورشیدی جست.

ویژگیهای انرژی خورشیدی

• انرژی خورشیدی تمام نشدنی است.
• انرژی تمیزی است و هیچ آسیبی به محیط زیست نمی رساند.
• بدلیل عدم وجود قسمت های متحرک، نگهداری و اتوماسیون آن آسان است.
• ظرفیت آن را متناسب با نیاز می توان طراحی کرد.

سیستم فتولتائیک چیست؟

   بخش اصلی یک سیستم فتوولتائیک، پنل فتوولتائیک می باشد. پنل های فتوولتائیک که در معرض خورشید قرار می گیرند، متشکل از سلولهای فتوولتائیک هستند. این سلول ها از مواد نیمه هادی سیلیکونی ساخته شده اند. پنلی که در شکل (1) دیده می شود شامل 36 واحد (سلول) است که در ردیف های 6 تایی کنار هم چیده شده اند. این پنل روی بام خانه ای در لس آنجلس واقع در ایالات متحده آمریکا نصب شده است.

   سیستم فتوولتائیک شامل تجهیزات دیگری از جمله مبدل هایی برای تبدیل جریان مستقیم به جربان متناوب نیز می باشد. یک سال مصرف می کنند. به عنوان مثال، نوری که سالیانه بر یک سایت آزمایشی در نوادای آمریکامی تابد. اگر بارندمان 15% به الکتریسته تبدیل شود ، دو برابر انرژیتولیدی سالیان ایالات متحده آمریکا خواهد شد. با وجود گسترده بودن این انرژی، چگالی آن بسیار پایین است. برای بهره گیری از این منبع باید راهی جست تا انرژی پراکنده آن با راندمان بالا و هزینه کم به انرژی قابل مصرف الکتریکی تبدیل شود. 

اصول کار یک پنل فتوولتائیک

   پنل های فتوولتائیک از نیمه هادیها ساخته شده و با اتصال سیلیکون های نوعN و P شکل می گیرند. وقتی نور خورشید به یک سلول فتوولتائیک می تابد، به الکترون ها در آن انرژی بیشتری می بخشد. با تابش نور خورشید الکترون ها در نیمه هادی پلاریزه شده، الکترونهای منفی در سیلیکون نوع N و یون های مثبت در سیلیکون نوع P بوجود می آیند.

   بدین ترتیب بین دو الکترود، اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آنها می گردد. شکل (2) پروسه تولید برق در یک سلول فتوولتائیک را نشان می دهد. 

شکل 2- پروسه تولید برق بوسیله یک سلول فتوولتائیک

میزان تولید انرژی الکتریکی بوسیله یک سیستم فتوولتائیک

   میزان تولید برق بوسیله یک سیستم فتوولتائیک معمولاً از 2 تا 50 کیلووات می باشد. یک سیستم فتوولتائیک که برای نصب روی بام ساختمان ها در شهر لوس آنجلس ساخته شده است با ظرفیت توان 2 کیلووات، 3600 کیلووات ساعت انرژی در سال تولید می کند. این میزان تولید انرژی باعث 3/4  تن صرفه جویی در سوخت زغال سنگ برای تولید برق شده و همچنین مانع ورود lbs 5000 گاز به اتمسفر می گردد. یک سیستم PVدیگر که با ظرفیت 10 کیلو وات در دره تنسی در ایالات متحده آمریکا نصب شده، بطور متوسط در حدود 16500 کیلو وات ساعت انرژی در سال تولید می کند. این میزان انرژی کمی بیش از نیاز مصرف برق یک خانه متوسط در ایالات متحده است.

سایت های خورشیدی جهت نصب پنل های فتوولتائیک چگونه انتخاب می شوند؟

   سایت ها باید با معیارهای لازم فیزیکی همخوانی داشته باشند، از جمله اینکه جهت آنها رو به جنوب باشد، به خوبی در معرض آفتاب قرار داشته باشند (آفتاب گیر باشند) و فضای لازم و همچنین ساختار مناسبی برای نصب پنل های فتوولتائیک داشته باشند.

آیا سیستم های فتوولتائیک بطور مداوم الکتریسیته تولید می کنند؟ در شرایط ابری و آب و هوای سرد چطور؟

   تولید برق بوسیله سیستم های  PVبه فصول بستگی ندارد، اما در طول شبانه روز از ساعات اولیه صبح تا غروب می توانند برق تولید کنند. پیک تولید آنها در ساعات ظهر می باشد. واحدهای فتوولتائیک در صورت ابری بودن هوا نیز می توانند برق تولید کنند، هر چند خروجی آنها کاهش می یابد. در یک روز بسیار ابری کم نور، یک سیستم فتوولتائیک ممکن است 5 تا 10 درصد نور خورشید در روزهای عادی را دریافت دارد، به طبع خروجی آن نیز به همان میزان کم خواهد شد.

   پنل های خورشیدی در دمای پایین تر، برق بیشتری تولید می کنند. این تجهیزات همچون سایر دستگاههای الکتریکی در صورتی که هوا خنک باشد، بهتر کار می کنند. البته سیستم های PVدر روزهای زمستانی کمتر از روزهای تابستانی انرژی تولید می کنند که علت آن نه برودت هوا، بلکه کاهش ساعات روز و پایین تر بودن زاویه تابش خورشید است.

آسیب پذیری دستگاههای فتوولتائیک

   پنل های خورشیدی طوری ساخته شده اند که در برابر همه سختی های محیط مانند سرمای شدید قطبی، گرمای بیابان، رطوبت استوایی و بادهای با سرعت بیش از 125 مایل در ساعت مقاومت می کنند. با اینحال جنس این وسایل از شیشه بوده و در اثر ضربات سنگین ممکن است بشکنند.

بهره برداری از سیستم های فتوولتائی برای استفاده از انرژی خورشیدی در سطح جهان

   استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع به دلیل ویژگیهایی که در آغاز این مقاله ذکر شد، کاملاً فراگیر شده است. شرکت های متعددی در کشورهای مختلف نسبت به نصب این سیستم ها اقدام کرده اند و کار بهینه سازی این سیستم ها، همچنان ادامه دارد.

   شرکت آب و برق لس آنجلس (LADWP) در نظر دارد برنامه ای را برای نصب سیستم های برق خورشیدی روی سقف ساختمان های این شهر به مورد اجراء گذارد. به موجب این طرح تا سال 2010 ، 100000 سیستم فتوولتائیک روی سقف ساختمان ها اعم از مسکونی و تجاری نصب خواهند شد. این سیستم ها در اتصال با شبکه کار می کنند.

   طبق این برنامه، هر ساختمانی برق خویش را تأمین خواهد کرد. در صورتی که میزان تولید برق ساختمانی کمتر از نیاز مصرف آن باشد و همینطور در شب، کمبود برق از سوی شبکه سراسری جبران می شود و بر عکس اگر ساختمانی بیش از مصرف خود برق تولید کند، این انرژی اضافی به شبکه برق جاری خواهد شد. اداره آب و برق لوس آنجلس برای نصب سیستم های خورشیدی روی بام ساختمانها شرایطی به قرار زیر وضع کرده است :

• ساختمان یک طبقه و سقف آن تخته کوبی شده باشد.
• عمر ساختمان کمتر از 10 سال باشد.
• فضای آزاد آن حداقل 300 متر مربع و شیب سقف آن بین 10 تا 25 درجه باشد.ترجیحا" سوی شیب بام ساختمان به سمت جنوب یا جنوب غربی بوده و در ساعات بین 11 قبل از ظهر تا 4 بعد از ظهر سایه نخورد.
• شرکتTVAدر ایالت تنسی آمریکا نیز اقدام به استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی سبز کرده است. این شرکت برای نمایش تولید برق خورشیدی و به منظور تشویق مشترکین خود به استفاده از آن در سایت انرژی خورشیدی، یکی در موزه علوم کامبرلند (1) و دیگری در یک گردشگاه توریستی در دالیورد (2) دایر کرده است. 
• میزان انرژی تولید شده در سایت کامبرلند روزKwh 7/5 می باشد. میزان انرژی تولید شده در این سایت، 146 کیلو وات ساعت و ظرفیت تولید آن Kwac25 است. میزان انرژی الکتریکی تولیدی در این سایت در شکل (4) نشان داده شده است. 

شکل 2- منحنی توان دریافتی از خورشید و توان تولید شده توسط سایت انرژی خورشیدی مستقر در موزه کامبرلند در ایالت تنسی آمریکا

   تحقیق در زمینه کاربرد عملی سیستم برق با استفاده از پنل های فتوولتائیک بصورت متصل در شبکه برق اکیناوای ژاپن نیز ادامه دارد. این تحقیقات شامل بررسی ویژگیهای عملکرد سیستم و تأثیر باتری ها بر شبکه و همینطور راندمان و تداوم برق رسانی شبکه می باشد. در میاکو، مصرف برق به هنگام شب، تقریباً با پیک روز برابر است . بنابراین از انرژ ی خورشیدی برای تامین بخشی از نیاز برق روزانه بطور مستقیم و برق شبانه از طریق باتری ها استفاده می شود. شکل (3) عملکرد تولید برق خورشیدی را در سیستم برق میاکو در ژاپن نشان می دهد. 

شکل 3 – منحنی بار و عملکرد سیستم تولید برق خورشیدی در شبکه برق میاکو-ژاپن