نیروگاه خورشیدی چگونه انرژی تولید میکند؟

امروزه استفاده از نیروگاه های برق خورشیدی به عنوان یکی از منابع اصلی تولید انرژی در سطح کلان از سوی کشورهای مختلفی مورد توجه قرار گرفته است. در این گزارش به بررسی چگونگی عملکرد این نیروگاه ها میپردازیم.

به گزارش «بهداشت نیوز» آلاینده های جوی است. این موضوع که همزمان با صنعتی شدن جوامع و رویکرد گسترده انسان ها به استفاده از سوخت های فسیلی به وجود آمده، در سال های اخیر یکی از دغدغه های سران کشورهای مختلف دنیا بوده و در این میان یکی از مهمترین اهداف پیش روی جوامع صنعتی، استفاده از انرژی های پاک و تجدیدپذیر است.

دانشمندان پیش بینی میکنند روند فعلی تولید دی اکسید کربن که سبب گرمایش زمین میشود در سی سال آینده موجب خواهد شد که میانگین دمای کره زمین دستکم 2 درجه افزایش پیدا کند. در این میان تنها راه پیش رو، استفاده از انرژی های پاک و تجدیدپذیر است که انرژی خورشیدی یکی از مهمترین و اصلی ترین آنها محسوب میشود.

به اعتقاد کارشناسان، اکثر مردم به طور نادرست اعتقاد دارند که انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و باد به دلیل متناوب بودن دسترسی به آنها، قابل اعتماد نبوده و نمیتوانند جایگزین خوبی برای سوخت های فسیلی باشند. امروزه صنعت انرژی های تجدیدپذیر در حال بررسی و حل مشکلات پیش رو بوده و تلاش میکند این انرژی را به عنوان یک گزینه ایده آل و مطلوب در حوزه های مختلف معرفی کند.

البته انرژی خورشیدی به طور مستقیم قابلیت استفاده را نداشته و باید تبدیل به سایر صورت های انرژی از قبیل انرژی الکتریکی شود. این کار معمولا در سطح جزئی توسط باتری های خورشیدی و در سطح کلان توسط نیروگاه های برق خورشیدی که شامل سطح وسیعی که از سلول های باتری خورشیدی پوشانده شده اند، انجام میشود. در این نیروگاه ها انرژی خورشیدی از طریق مبدل حرارتی به روش های مختلفی تبدیل به انرژی الکتریکی شده و میتواند جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی محسوب شود. سلول های خورشیدی، از مواد مختلفی ساخته میشوند که رایج ترین آنها سلول های فتوولتائیک و سیلیکون هستند که میتوانند انرژی دریافتی از خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این انرژی قابلیت ذخیره سازی در باتری های ویژه ای را دارد که البته مهمترین مشکل پیش روی گسترش استفاده از این انرژی، دشواری های موجود در ذخیره سازی آن است.

سلول های خورشیدی که امروزه اصلی ترین وسیله جهت دریافت و ذخیره این انرژی محسوب میشوند، معمولا از موادی نیمه رسانا از جمله ترکیبات سیلیسیم ساخته میشوند. هر اتم سیلیسیم با چهار اتم دیگر پیوند تشکیل میدهد و بدین صورت، شکل کریستالی آن پدید میاید.

در باتری‌های خورشیدی به سیلیسیم مقداری جزئی ناخالصی اضافه میکنند. اگر اتم ناخالصی ۵ ظرفیتی باشد (اتم سیلیسیم ۴ ظرفیتی است)، آنگاه در ارتباط با چهار اتم سیلیسیم یک لایهٔ آن بدون پیوند باقی میماند (یک تک الکترون). به همین دلیل چون بار نسبی منفی پیدا میکند به آن سیلیسیم نوع منفی Negative  میگویند.

درصورتی که اتم ناخالصی دارای ظرفیت ۳ باشد، آنگاه یک حفرهٔ اضافی ایجاد میشود. حفره را به گونه‌ای میتوان گفت که جای خالی الکترون است، با بار مثبت (به اندازهٔ الکترون) و جرمی برابر با جرم الکترون؛ که این امر هم باعث مثبت شدن نسبی ماده میشود و به آن سیلیسیم نوع P) Positive) میگویند.

این موضوع سبب شده تا در بسیاری از نقاط دنیا شاهد استفاده گسترده تر از این انرژی باشیم. بر اساس آمارهای موجود، امروزه بخش اعظم انرژی الکتریکی خانه ها در نیوزلند از طریق انرژی خورشیدی تامین شده و یا در حال حاضر یک میلیون واحد در ایالات متحده آمریکا از این سیستم انرژی استفاده میکنند که البته این رقم هنوز بسیار ناچیز بوده و نشان دهنده استفاده یک درصدی از انرژی خورشیدی در آمریکا است.

از سوی دیگر باید در نظر داشت که  فناوری مبتنی از انرژی خورشیدی به تازگی آغاز به کار کرده و ما هنوز در ابتدای راه هستیم. از سوی دیگر به باور برخی کارشناسان در حال حاضر مهمترین مشکل پیش روی مردم برای استفاده از انرژی خورشیدی، گران بودن تجهیزات و ادوات اولیه است که باید برای این منظور هزینه کنند.

این هزینه اولیه بسیار بالا سبب شده بسیاری از مردم کماکان در صدد تهیه برق مصرفی خود از طریق شبکه های برق شهری باشند. تامین نیروی برق شهری معمولا از طریق نیروگاه های مختلف آبی یا اتمی صورت میگیرد که هر یک به نوبه خود دارای تاثیراتی مخرب بر محیط زیست هستند و نیروگاه های بادی نیز اگرچه به محیط زیست آسیب نمیرسانند ولی به دلیل فراهم نبودن شرایط استفاده از آنها در بسیاری از نقاط دنیا کاربری چندانی نداشته و در این میان تنها استفاده از انرژی خورشیدی میتواند گزینه ای همیشگی و در دسترس برای عموم مردم باشد. خورشید به عنوان ستاره منظومه شمسی و مرکز و منبع سیارات این منظومه؛ انرژی گرمایشی و نور سیارات منظومه خود را تامین میکند. بر اساس محاسبات دانشمندان؛ خورشید در هر ثانیه هزار ژول انرژی به یک متر مربع از زمین منتقل میکند. میزان انرژی تولید شده توسط خورشید که در کره زمین دریافت میشود، به اندازه ای زیاد است که هزاران برابر بیشتر از میزان کل انرژی مصرف شده توسط انسان است و تنها مشکل موجود در این زمینه، چگونگی جمع آوری و ذخیره این انرژی است.

انرژی موجود در خورشید از طریق تبدیل هیدروزن به صورت فوتونی یا نوترینو انجام شده و این انرژی به شکل گرمایش شدید که در مرکز این ستاره حدود 15 میلیون درجه سانتیگراد بوده و در سطح آن 6 هزار درجه است، با سرعتی زیاد و تنها هشت دقیقه بعد از جدا شدن از منبع خود، به کره زمین میرسد.

زمانی که استفاده از انرژی خورشیدی در سال 1970 میلادی آغاز شد، این تکنولوژی تنها برای مصارف جزئی مانند چراغ های شهری، چراغ های راهنمائی و رانندگی و مراکز ارتباطی دورافتاده در کوهستان ها مناسب بود. ولی امروزه ما تلاش میکنیم که از انرژی خورشیدی برای تمامی سطوح جامعه استفاده کنیم. که این هدف تنها از طریق رشد نیروگاه های برق خورشیدی محقق خواهد شد. این انرژی توسط صفحات خورشیدی موجود در نیروگاه های برق خورشیدی جمع آوری میشوند. از نظر ساختار فنی، هر باتری خورشیدی از ۶ لایه تشکیل شده که هر لایه را ماده‌ای خاص تشکیل میدهد. البته باید توجه داشت که امروزه انواع مختلفی از سلول های خورشیدی وجود دارند که مهمترین آنها عبارتند از:

1. سلول های خورشیدی سیلیکون کریستالی که خود به دو گروه سیلیکون های تک کریستالی و چند کریستالی تقسیم میشوند.
2. سلول های خورشیدی سیلیکون غیر کریستالی
3. سلول های خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتومی
4. سلول های خورشیدی ساخته شده از مواد آلی مانند سلول های خورشیدی کریستال مایع؛ سلول های حساس به رنگ و سلول های خورشیدی پلیمری
5. سلول های خورشیدی لایه نازک GaAs

در این سیستم باتری قابل شارژ، سلول های خورشیدی انرژی لازم را از نور خورشید جذب کرده و سپس در باتری های مخصوصی ذخیره میکنند.

بزرگترین نیروگاه های برق خورشیدی جهان

نیروگاه خورشیدی فوتوولتائیک آمارلخا Amareleja Photovoltaic Power Station در کشور پرتغال، به عنوان بزرگترین نیروگاه خورشیدی در جهان شناخته میشود. این نیروگاه در منطقه شهری مورا در کشور پرتغال قرار گرفته و موقعیت جغرافیائی آن به گونه ای است که در آفتاب گیرترین بخش قاره اروپا واقع شده است.

ساخت این نیروگاه دارای دو مرحله کلی بوده بخش نخست در سال 2008 میلادی شروع شده و 13 ماه به طول انجامید و بخش دوم آن در سال 2010 شروع شده و تکمیل شد. هزینه کلی این نیروگاه برق خورشیدی ، 250 میلیون یورو تخمین زده میشود.

این نیروگاه منطقه ای در حدود 250 هکتار را در بر گرفته و توانائی تولید 93 گیگاوات انرژی الکتریکی در ساعت را دارد. در این نیرگاه بیش از 376 هزار پنل خورشیدی نصب شده است که 190 هزار عدد از آنها دارای پایه ثابت هستند و ما بقی پنل ها میتوانند زاویه خود را نسبت به جهت تابش نور خورشید، تغییر دهند.

نیروگاه برق خورشیدی شناور یاکامورا

شرکت ژاپنی Kyocera اقدام به تاسیس نیروگاهی برق خورشیدی Kagoshima Nanatsujima  در مناطق ساحلی کشور ژاپن کرده است که این تجربه موفق، الهام بخش مهندسان ژاپنی برای ارائه طرح بزرگترین نیروگاه انرژی خورشیدی شناور جهان شده است. در این پروژه، بیش از 50 هزار مجموعه صفحات خورشیدی شناور روی سطح آب مخزن دریاچه سد یاکامورا Yakamura قرار میگیرد. این صفحات خورشیدی، سطح آب را به مساحت 180 هزار متر مربع میپوشانند و بر این اساس طراحان پروژه برآورد میکنند که این نیروگاه برق خورشیدی توانائی تولید پانزده و نیم مگاوات برق در ساعت داشته باشد. این میزان انرژی تولید شده، پاسخگوی به طور میانگین،  4 هزار و 700 منزل مسکونی خواهد بود . 

نیروگاه برق خورشیدی آتاکاما در شیلی

این نیروگاه که در شمال کشور شیلی و در منطقه آتاکاما Atacama قرار گرفته است، نیروگاهی با قدرت 141 مگاوات به شمار میرود. این نیروگاه برق خورشیدی توانائی تامین نیروی برق یکصد و هفتاد هزار خانه مسکونی و یا تامین نیازمندی های الکتریکی سیصد و چهل هزار نفر را در سراسر این کشور آمریکای جنوبی دارد. پروژه مورد ذکر، بزرگترین پروژه تولید نیروی الکتریسته از خورشید در آمریکای جنوبی محسوب شده و برق تولید شده توسط این نیروگاه از طریق سازمان برق کشور شیلی وارد شبکه توزیع سراسری شده و در مناطق مختلف این کشور توزیع میشود.

مزایا و معایب نیروگاه های برق خورشیدی

از جمله مزایای نیروگاه برق خورشیدی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1. این نیروگاه ها نیاز به سوخت ندارند.

2. این نیروگاه ها نیاز به آب ندارند.

3. این نیروگاه ها علاوه بر این که قادر هستند به شبکه های بزرگ برق برسانند، در شبکه های کوچک برای انتقال برق نیاز به کابل های فشار قوی ندارند.

4. این نیروگاه ها به دلیل نداشتن استهلاک بالا، دارای عمر زیادی هستند.

5. این نیروگاه ها تولید هیچ نوع  آلاینده ای که باعث آلودگی هوا شود را ندارند. 

معایب نیروگاه های برق خورشیدی

به باور برخی کارشناسان، مزارع ذخیره انرژی خورشیدی باعث از بین رفتن چشم اندازهای طبیعی میشوند. از سوی دیگر در برخی موارد این نیروگاه ها، مساحت زیادی از سطح زمین را که میتواند برای مصارف کشاورزی و باغداری استفاده شود، پوشانده و موجب تخریب پوشش گیاهی میشود.

از سوی دیگر ردیف های پنل و تخته های ذخیره انرژی خورشیدی در مقیاس وسیع در میانه دشت ها منظره زشتی را به وجود میاورند البته یکی از گروه زیست محیطی موسوم به دوستداران زمین در این رابطه معتقد هستند که مزارع ذخیره انرژی خورشیدی میتواند دست در دست با تولید مواد غذایی همراه شوند. بر اساس طرح ارائه شده از سوی این گروه، از طریق سیستم برنامه ریزی مناسب و سیاست معقول میتوان مزارع کوچک ذخیره انرژی خورشیدی زیادی را ایجاد کرد و نتیجه بهتری گرفت.