چرا از سلول های خورشیدی استفاده می کنیم

چرا از سلول های خورشیدی استفاده می کنیم

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1-نور خورشید و کاربردهای آن
2- مشکلات و ویژگی‌های استفاده از انرژی خورشیدی

همه شما تاکنون عبارت صفحه‌های خورشیدی "Solar Panel" یا سلول خورشیدی "Solar Cell" را شنیده‌اید. این دو، وسایلی برای استفاده از انرژی خورشیدی هستند. برخی وسایلی که شما از آنها استفاده می‌کنید، مانند ماشین حساب‌ها، چراغ‌های راهنمایی یا چراغ‌های روشن در اتوبان‌ها مثال‌هایی هستند که انرژی خود را از سلول خورشیدی تأمین می‌کنند. حتی امروزه، ایده‌هایی مبنی بر استفاده از این فناوری در سطح عمومی، مانند پشت‌بام خانه‌ها و تولید خانگی برق مورد توجه دولت‌ها و مردم قرار گرفته است. نمونه‌ای از این سلول‌ها را در شکل 1 مشاهده می‌کنید.
«سلول خورشیدی چیست و چگونه کار می‌کند؟» سوالی است که در این سری از مقالات می‌خواهیم به همراه هم پاسخ آن را دریابیم. همچنین توسعه فناوری سلول‌های خورشیدی به واسطه فناوری نانو را در این مقالات بررسی خواهیم نمود.

 

شکل1- برای تولید برق می‌توان سطوح مختلفی مانند پشت‌بام منازل را که در معرض تابش نور خورشید هستند، با استفاده از صفحات خورشیدی پوشاند.

نور خورشید و کاربردهای آن
لغت Solar یک کلمه لاتین برای خورشید یا "Sun" است که یک منبع قدرتمند انرژی به حساب می‌آید. در واقع، مقداری از نور خورشید که فقط در یک ساعت به زمین می‌تابد، می‌تواند انرژی مورد نیاز زمین را برای یک سال تأمین کند! امروزه نیروگاه‌های خورشیدی زیادی در سرتاسر دنیا فعال هستند. البته این نیروگاه‌ها هنوز به دلایل اقتصادی و تکنولوژیکی گسترش پیدا نکرده‌اند. نمونه‌ای از این نیروگاه‌ها را در شکل 2 مشاهده می‌کنید.

شکل 2- نمونه‌ای از یک نیروگاه خورشیدی

همانگونه که در کتاب فیزیک سال اول دبیرستان آموخته‌اید، از انرژی خورشیدی به دو صورت می‌توان استفاده کرد؛ یکی به عنوان منبع گرما (انرژی حرارتی) و دیگری به عنوان منبع انرژی الکتریکی (الکتریسیته). هرچند استفاده از انرژی خورشیدی محدود به این دو نیست. خورشید در حقیقت یکی از منابع حیات طبیعت است. برای مثال پدیده فوتوسنتز در گیاهان، با استفاده از انرژی خورشیدی انجام شده می‌شود. در این فرآیند انرژی خورشید صرف انجام واکنش شیمیایی درون برگ درختان می‌شود. ضمن اینکه نباید فراموش کرد که در سیاراتی که از سهم کمتری از انرژی خورشید برخوردار هستند، مانند نپتون، عملاً امکان حیات وجود ندارد!
مردم برای سال‌های طولانی از خورشید به عنوان منبع گرمایی استفاده می‌کردند. برای مثال خانواده‌ها در یونان باستان خانه‌های خود را به نحوی می‌ساختند که بیشترین مقدار نور خورشید را در طی زمستان دریافت کند. امروزه نیز علاوه بر سیستم‌های گرمایش آب، این جنبه از انرژی خورشید در کاربردهایی همچون خشک کردن محصولات کشاورزی مورد استفاده قرار دارد. در صفحه‌های خورشیدی نیز نور خورشید صرف تولید حرارت می‌شود. اما بحث اصلی در سلول‌های خورشیدی، تولید انرژی الکتریکی از نور خورشید و در واقع پدیده فتوولتائیک است. هرچند در ادامه اشاره‌ای مختصر به سیستم‌های خورشیدی حرارتی هم خواهیم داشت.
سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک در واقع وسیله‌ای الکترونیکی است که انرژی خورشید (یعنی انرژی تابشی رسیده از خورشید) را تحت فرآیندی به نام فتوولتائیک، به الکتریسیته تبدیل می‌کند. در واقع، پدیده فتوولتائیک، پدیده‌ای است که طی آن انرژی خورشیدی به صورت "مستقیم" به انرژی الکتریسیته تبدیل می‌شود و معنای لغوی آن الکتریسیته یا همان جریان الکتریکی ناشی از نور خورشید است. همان‌طور که می‌دانید، جریان الکتریکی به دلیل حرکت الکترون‌ها درون سیم ایجاد می‌شود.
سلول‌های خورشیدی برای کاربردهای مختلفی استفاده می‌شوند. سلول‌های خورشیدی کوچک در قطعات الکترونیکی با ابعاد کوچک مانند ماشین حساب‌ها، سنسورها و ساعت‌های خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ماژول‌های خورشیدی نیز در تجهیزات عظیم‌تری مثل ایستگاه‌های فضایی موجود در مدار زمین و یا ماشین‌های خورشیدی استفاده می‌شوند. تجهیز نیروگاه‌های خورشیدی و تولید برق برای مناطقی که امکان برق‌رسانی به آنها وجود ندارد و همچنین تأمین نیازهای الکتریکی منازل، طیف گسترده مصارف این قطعات را نشان می‌دهد. نمونه‌های این کاربردها در شکل 3 نشان داده شده است.
 

ماژول‌های خورشیدی، مجموعه‌ای از تعداد زیادی سلول خورشیدی هستند که در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.

شکل 3- برخی کاربردهای سلول‌های خورشیدی: الف) یک ایستگاه فضایی، ب) چراغ روشنایی در یک خیابان، ج) یک ماشین حساب، د) یک ایستگاه شارژ ماشین‌های خورشیدی، ه) یک ماشین خورشیدی پیشرفته

مشکلات و ویژگی‌های استفاده از انرژی خورشیدی
دو مشکل اصلی در استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد. مشکل اول این است که این انرژی از راه‌های مختلف و متغیر به زمین می‌رسد. در این بین امکان تغییر مقادیر آن در مکان‌ها و زمان‌های مختلف وجود دارد. برای مثال در یک نقطه از زمین، در هنگام شب، تابش خورشید متوقف می‌گردد. در زمستان نیز میزان تابش کمتر از تابستان است. همچنین میزان انرژی خورشیدی دریافتی توسط ساکنین زمین، بسته به عرض و طول جغرافیایی و همچنین ارتفاع از سطح زمین در هر منطقه متفاوت است. مشکل دوم این است که برای جمع‌آوری انرژی خورشیدی، نیاز به سطح زیادی داریم. در واقع، بر خلاف سایر ادوات الکترونیکی مانند مدارهای مجتمع (IC) که هر روزه اندازه آنها کوچک‌تر می شود، سلول‌های خورشیدی ادواتی وابسته به سطح هستند و هرچه سطح بزرگتری داشته باشند، انرژی بیشتری نیز تولید می‌کنند.
الکتریسیته می‌تواند به‌صورت مستقیم به وسیله ادوات فتوولتائیک از انرژی خورشیدی به دست آید. دلیل اینکه بر روی مستقیم بودن این تبدیل تأکید می‌کنیم، از این جهت است که انرژی الکتریکی را می‌توان با روش‌های غیرمستقیم نیز از خورشید به‌دست آورد. برای مثال، موتورهای بخاری وجود دارد که انرژی لازم برای گرم کردن یک مایع را توسط جمع‌کننده‌های نور خورشید دریافت می‌کنند و آن را در یک محل مشخص متمرکز می‌نمایند. به این ترتیب مایع به بخار تبدیل شده و در نهایت در ژنراتور بخار، انرژی الکتریکی تولید می‌شود. نمونه‌ای از این دست نیروگاه‌ها را در شکل 4 مشاهده می‌کنید.
در مقایسه با سایر روش‌های تولید انرژی الکتریکی، سیستم‌های فتوولتائیک الکتریسیته تمیز و در دسترس را بدون مصرف هرگونه سوخت فسیلی و بدون هرگونه حرکت مکانیکی تولید می‌کنند. نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی در مقالات بعدی به تفصیل توضیح داده خواهد شد. این فرآیند به صورت خلاصه اینگونه است که جذب انرژی موجود در نور خورشید توسط یک ماده نیمه‌هادی منجر به تولید الکترون شده و با خروج این الکترون‌ها از ماده، جریان الکتریکی شکل می‌گیرد.
 

شکل4- نمونه‌ای از برخی نیروگاه‌های خورشیدی که با متمرکز نمودن نور خورشید، گرمای لازم برای تولید بخار و به‌کار افتادن موتور و تولید الکتریسیته را تامین می‌کنند.

در پایان باید از این نظر نیز به سلول‌های خورشیدی نگاه کرد که اثرات مخرب محیط زیستی سلول‌های خورشیدی در مقایسه با سایر منابع انرژی مانند سوخت فسیلی و انرژی هسته‌ای (که حقیقتاً امروزه آلودگی‌های زیستی این دو محیط جزء بزرگترین دغدغه‌های طرفداران محیط زیست است) بسیار ناچیز است. در این سیستم‌ها، نه نیاز به آب برای خنک کردن سیستم است و نه محصولات جانبی در حین فرآیند تولید می‌شود. از طرف دیگر، یکی دیگر از مشکلات و دغدغه‌های اساسی دنیای امروز، پایان یافتن منابع سوخت فسیلی به عنوان مهمترین منبع فعلی انرژی دنیا است. پیش‌بینی‌ها به‎طور متوسط چنین می‌گویند که طی 50 سال آینده منابع نفت و طی 110 سال آینده منابع گاز به پایان خواهند رسید. از این‌رو، دسترسی به یک منبع پایان‌ناپذیر انرژی امری بسیار ضروری به‌نظر می‌رسد. انرژی خورشیدی، علاوه بر پایان‌ناپذیر بودن، منبعی است که انرژی بسیار عظیمی را در اختیار بشر می‌گذارد و همچنین در اکثر نقاط دنیا قابل دسترسی است و انرژی پاکی به شمار می‌رود. امروزه، تنها مشکلی که از توسعه گسترده این انرژی جلوگیری کرده است، هزینه تمام شده نسبتاً بالای آن است که امکان رقابت آن با سایر انرژی‌ها مانند هسته‌ای و فسیلی را هنوز ممکن نکرده است. تلاش‌های دانشمندان در راستای افزایش بازده و کاهش قیمت این سلول‌ها در کنار ابداع روش‌های آسان برای ساخت و تهیه این سلول‌ها در ابعاد بزرگ است. پیش‌بینی‌ها بیان می‌کنند که طی 20 سال آینده، انرژی خورشیدی از نظر اقتصادی قابل رقابت با انرژی فسیلی خواهد شد. در واقع، علاوه‌بر کاهش هزینه‌های سلول خورشیدی، انرژی فسیلی نیز روندی صعودی در قیمت‌ها داشته است. همین امر سبب شده است که دولت‌ها، برنامه‌ریزی‌های استراتژیکی را برای دسترسی به این منبع انرژی انجام دهند و گروه‌های زیادی را برای دسترسی به این هدف مأمور کرده‌اند.

در نهایت....
تا اینجا سعی شد مقدمه‌ای بر سلول‌های خورشیدی مطرح شود و اساساً لزوم توجه به این تکنولوژی و تحقیق و گسترش آن مورد بحث قرار گیرد. در ادامه مطالب، به صورت جزئی، نحوه عملکرد و انواع سلول‌های خورشیدی به تفصیل مورد بحث قرار خواهد گرفت.