برق خورشیدی

با انرژی خورشیدی یا تابندگی خورشید اشتباه نشود.

برق خورشیدی ، به تبدیل نور خورشید به برق گفته می‌شود. این کار می‌تواند به صورت مستقیم و با استفاده از فتوولتائیک انجام شود، یا به صورت غیر مستقیم و با استفاده از سیستم‌های تمرکز نور انجام شود یا حتی ترکیبی از هر دو باشد. سیستم‌های نور متمرکز از عدسی‌ها یا آینه‌ها و سیستم‌های ردیابی نور خورشید استفاده کرده و نور تابیده به مساحت بزرگی را به ناحیه کوچکی متمرکز می‌کنند. سلول‌های فتوولتائیک با استفاده از اثر فتوولتائیک، نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند.^[1]

فتوولتائیک در ابتدا فقط به عنوان منبع برق برای کاربردهای کوچک و متوسط مورد استفاده قرار می‌گرفت، از ماشین حساب گرفته تا خانه‌های از راه دور که با سیستم فتوولتائیک پشت‌بام خارج از شبکه کار می‌کردند. نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز تجاری برای اولین بار در دهه ۱۹۸۰ توسعه یافتند. با کاهش هزینه برق خورشیدی، تعداد سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی متصل به شبکه به میلیون‌ها عدد رسیده و نیروگاه‌های فتوولتائیک در مقیاس گیگاوات در حال ساخت هستند. فتوولتائیک خورشیدی به سرعت در حال تبدیل شدن به یک فناوری ارزان و کم کربن برای استخراج انرژی‌های تجدیدپذیر از خورشید است. بزرگترین نیروگاه فتوولتائیک فعلی در جهان پارک خورشیدی پاواگادا، در کارناتاکای هند با ظرفیت تولید ۲۰۵۰ مگاوات است.^[2]

آژانس بین‌المللی انرژی در سال ۲۰۱۴ پیش‌بینی کرد که تحت سناریوی «تجدیدپذیر زیاد»، تا سال ۲۰۵۰، فتوولتائیک خورشیدی و انرژی خورشیدی متمرکز به ترتیب حدود ۱۶ و ۱۱ درصد از مصرف برق در سراسر جهان را تأمین کنند و خورشید بزرگترین منبع برق جهان باشد. نصب بیشتر تأسیسات خورشیدی در چین و هند انجام می‌شود.^[3] در سال ۲۰۱۹، انرژی خورشیدی ۲٫۷٪ از برق جهان را تولید کرد که بیش از ۲۴٪ نسبت به سال قبل رشد کرده‌است.^[4] تا اکتبر سال ۲۰۲۰، هزینه ترازشده انرژی بدون یارانه برق برای انرژی خورشیدی در مقیاس تأسیسات شهری حدود ۳۶ دلار به ازای هر وات ساعت است.^[5]

فناوری‌های پذیرفته شده

بسیاری از کشورهای صنعتی ظرفیت قابل توجهی از انرژی خورشیدی را در شبکه‌های برق خود نصب کرده‌اند تا جایگزینی برای منابع انرژی متعارف تأمین کرده یا مکمل آنها باشند، در حالی که تعداد فزاینده‌ای از کشورهای کمتر توسعه یافته برای کاهش وابستگی به سوخت‌های گران وارداتی به انرژی خورشیدی روی آورده‌اند. خطوط انتقال مسافت طولانی به منابع انرژی تجدیدپذیر دورافتاده اجازه می‌دهد میزان مصرف سوخت فسیلی را کاهش دهند. نیروگاه‌های خورشیدی از یکی از دو فناوری زیر استفاده می‌کنند:

• سیستم‌های فتوولتائیک (PV) از پنل‌های خورشیدی چه در پشت بام و چه در مزارع خورشیدی مستقر در زمین استفاده می‌کنند و نور خورشید را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
• نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) از انرژی حرارتی خورشیدی برای تولید بخار استفاده می‌کنند، که این بخار برای تولید برق توسط توربین استفاده می‌شود.

سلول‌های فتوولتائیک

مقاله‌های اصلی: فتوولتاییک و سلول خورشیدی

شماتیک سیستم فتوولتاییک خانگی متصل به شبکه برق^[6]

سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک دستگاهی است که با استفاده از اثر فتوولتائیک نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. اولین سلول خورشیدی توسط چارلز فریتس در دهه ۱۸۸۰ ساخته شد.^[7] ارنست ورنر فون زیمنس صنعتگر آلمانی از جمله اولین کسانی بود که اهمیت این کشف را تشخیص داد.^[8] در سال ۱۹۳۱، مهندس آلمانی برونو لانژ یک سلول خورشیدی با استفاده از سلنید نقره به جای اکسید مس ایجاد کرد،^[9] اگرچه نمونه‌های اولیه سلول‌های سلنیوم، کمتر از ۱٪ نور برخوردی را به برق تبدیل می‌کردند. به دنبال کار راسل اوهل در دهه ۱۹۴۰، محققان جرالد پیرسون، کالوین فولر و داریل چاپین سلول خورشیدی سیلیسیمی را در سال ۱۹۵۴ ایجاد کردند.^[10] این سلول‌های خورشیدی اولیه ۲۸۶ دلار بر وات هزینه داشتند و به بازدهی ۴٫۵ تا ۶ درصد رسیدند.^[11] در سال ۱۹۵۷، محمد عطاالله فرایند غیرفعال‌سازی سطح سیلیسیم توسط اکسایش حرارتی را در آزمایشگاه‌های بل توسعه داد.^[12][13] از آن زمان به بعد فرایند غیرفعال‌سازی سطح در کارایی سلول‌های خورشیدی بسیار مهم بوده‌است.^[14]

نمای داخلی یک اینورتر خورشیدی. به تعداد زیاد خازن‌های بزرگ (استوانه‌های آبی) که برای ذخیره مختصر انرژی و بهبود شکل موج خروجی استفاده می‌شوند، توجه کنید.

آرایه‌ای از یک سیستم برق فتوولتائیک، برق جریان مستقیم (DC) تولید می‌کند که شدت این جریان با تغییرات شدت نور خورشید تغییر می‌کند. برای استفاده عملی، معمولاً نیاز به تبدیل این جریان به ولتاژهای دلخواه یا جریان متناوب (AC) از طریق استفاده از اینورتر است.^[15] چندین سلول خورشیدی به هم متصل شده و یک ماژول ساخته می‌شود. از اتصال چندین ماژول به هم یک آرایه ساخته شده، و سپس این آرایه به یک اینورتر متصل می‌شود، تا در جریان مستقیم ولتاژ مورد نظر و در برق متناوب، فرکانس یا فاز مورد نظر را تولید کند.^[15]

بسیاری از سیستم‌های فتوولتاییک مسکونی، مخصوصاً در کشورهای پیشرفته با بازارهای بزرگ، در هر کجا که موجود باشند به شبکه برق سراسری متصل می‌شوند.^[16] در این سیستم‌های فتوولتاییک متصل به شبکه، استفاده از ذخیره انرژی اختیاری است. در بعضی از کاربردهای خاص مانند ماهواره، فانوس دریایی یا کشورهای در حال توسعه، باتری‌ها یا مولدهای برق اضافی اغلب به عنوان پشتیبان اضافه می‌شوند. اینگونه سیستم‌های برق مستقل اجازه کار در شب و زمان‌های دیگر با تابش محدود خورشید را فراهم می‌کنند.

برق خورشیدی متمرکز

مقالهٔ اصلی: برق خورشیدی متمرکز

یک کلکتور سهموی، نور خورشید را روی یک لوله واقع در نقطه کانونی خود متمرکز می‌کند.

برق‌خورشیدی متمرکز که «حرارت خورشیدی متمرکز» نیز نامیده می‌شود، از عدسی‌ها یا آینه‌ها و سیستم‌های ردیابی جهت خورشید برای تمرکز نور خورشید استفاده کرده، و سپس از گرمای حاصل برای تولید برق از طریق توربین‌هایی که توسط بخار به حرکت درآورده می‌شوند، استفاده می‌کند.^[17]

سیستم‌های ترکیبی

در سیستم‌های ترکیبی، برق خورشیدی متمرکز و فتوولتاییک با یکدیگر یا با سیستم‌های تولید برق دیگری مانند ژنراتورهای دیزلی، انرژی بادی، یا زیست‌گاز ترکیب می‌گردد. ترکیب سیستم‌ها به آنها کمک می‌کند تا بتوانند خروجی خود را با تقاضا منطبق کرده یا طبیعت نوسانی برق خورشیدی در شب و روز را کاهش دهند.

توسعه و استقرار

برای چندین سال، عمده توسعه جهانی سیستم‌های برق خورشیدی مربوط توسعه آن در اتحادیه اروپا بود، اما امروزه این تأثیر عمده به آسیا منتقل شده‌است که عمده دلیل آن کشورهایی مانند چین و ژاپن هستند. امروزه برق خورشیدی در کشورهای دیگری از قبیل استرالیا، کانادا، شیلی، هند، اسرائیل، مکزیک، آفریقای جنوبی، کره جنوبی، تایلند و آمریکا به سرعت در حال گسترش هستند. در سال ۲۰۱۲ توکلائو تبدیل به اولین کشوری شد که تمام نیاز برق خود را از برق خورشیدی تأمین می‌کند و دارای یک سیستم ۱ مگاواتی است که از باتری برای شب هنگام استفاده می‌کند.^[18]

رشد جهانی فتوولتائیک از سال ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۳ به‌طور متوسط ۴۰٪ در سال بوده‌است^[19] و کل ظرفیت نصب شده در پایان سال ۲۰۱۶ به ۳۰۳ گیگاوات رسیده‌است که مجموع بیشترین نصب در چین بوده‌است (۷۸ گیگاوات).^[20] بزرگترین تولیدکنندگان برق‌خورشیدی در جهان، در چین واقع شده‌اند.^[21][22]

انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) نیز به سرعت در حال رشد است و از سال ۲۰۰۴ تا ۲۰۱۳ ظرفیت خود را تقریباً ده برابر افزایش داده‌است، البته نسبت به فتوولتاییک در سطح پایین‌تری قرار داشته و کشورهای کمتری درگیر آن شده‌اند.^[23]

جستارهای وابسته

• انرژی خورشیدی
• انرژی حرارتی خورشیدی
• صفحه خورشیدی
• سلول خورشیدی
• سلول خورشیدی رنگ-حساس
• اثر فوتوولتاییک
• اثر ترموالکتریک
• اثر فوتوالکتریک
• فضا توان
• شراره خورشیدی
• خروج جرم از تاج خورشیدی
• مدار خورشید مرکزی
• چرخه خورشیدی
• ثابت خورشیدی

منابع

1. "Energy Sources: Solar". Department of Energy. Archived from the original on 14 April 2011. Retrieved 19 April 2011.
2. Ranjan, Rakesh (2019-12-27). "World's Largest Solar Park at Karnataka's Pavagada is Now Fully Operational". Mercom India (به انگلیسی). Retrieved 2020-02-13.
3. "Solar photovoltaic roadmap" (PDF). International Energy Agency. 2010. Archived (PDF) from the original on 24 September 2015. Retrieved 18 August 2014.
4. "BP Global: Solar energy". Archived from the original on 6 December 2018. Retrieved 10 June 2021.
5. "Levelized Cost of Energy and Levelized Cost of Storage 2020". Archived from the original on 20 February 2021. Retrieved 10 June 2021.
6. Solar Cells and their Applications Second Edition, Lewis Fraas, Larry Partain, Wiley, 2010, شابک ‎۹۷۸−۰−۴۷۰−۴۴۶۳۳−۱, Section10.2.
7. Perlin (1999), p. 147
8. Perlin (1999), pp. 18–20
9. Corporation, Bonnier (June 1931). "Magic Plates, Tap Sun For Power". Popular Science: 41. Retrieved 19 April 2011.
10. Perlin (1999), p. 29
11. Perlin (1999), p. 29–30, 38
12. Black, Lachlan E. (2016). New Perspectives on Surface Passivation: Understanding the Si-Al2O3 Interface (PDF). Springer. p. 13. ISBN 978-3-319-32521-7.
13. Lojek, Bo (2007). History of Semiconductor Engineering. Springer Science & Business Media. pp. 120& 321–323. ISBN 978-3-540-34258-8.
14. Black, Lachlan E. (2016). New Perspectives on Surface Passivation: Understanding the Si-Al2O3 Interface (PDF). Springer. ISBN 978-3-319-32521-7.
15. Solar Cells and their Applications Second Edition, Lewis Fraas, Larry Partain, Wiley, 2010, شابک ‎۹۷۸−۰−۴۷۰−۴۴۶۳۳−۱, Section10.2.
16. "Trends in Photovoltaic Applications Survey report of selected IEA countries between 1992 and 2009, IEA-PVPS". Archived from the original on 25 May 2017. Retrieved 8 November 2011.
17. Author (2018-06-11). "How CSP Works: Tower, Trough, Fresnel or Dish". Solarpaces (به انگلیسی). Retrieved 2020-03-14. {{cite web}}: |last= has generic name (help)
18. AG, SMA Solar Technology. "Tokelau becomes the world's first 100% solar powered country". www.sma.de.
19. "Photovoltaics: Overview of installed PV in 2013". Renewables International. 14 ژانویه 2014. Archived from the original on 30 March 2014. Retrieved 23 June 2014.
20. "2016 Snapshot of Global Photovoltaic Markets" (PDF). International Energy Agency. 2017. Archived (PDF) from the original on 27 August 2017.
21. Colville, Finlay (30 ژانویه 2017). "Top-10 solar cell producers in 2016". PV-Tech. Archived from the original on 2 February 2017.
22. Ball, Jeffrey; et al. (21 مارس 2017). "The New Solar System - Executive Summary" (PDF). Stanford University Law School, Steyer-Taylor Center for Energy Policy and Finance. Archived (PDF) from the original on 20 April 2017. Retrieved 27 June 2017.
23. REN21 (2014). "Renewables 2014: Global Status Report" (PDF). Archived (PDF) from the original on 15 September 2014.