انرژی خورشیدی منحصربه فردترین منبع انرژی تجدید پذیر در جهان است و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین به شمار می آید. این انرژی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می‌تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل شود. با توجه به محدود بودن منابع سوخت فسیلی و مشکلات ناشی از احتراق این سوخت‌ها مانند آلودگی روز افزون هوا، استفاده از فناوریهای خورشیدی مورد توجه بسیاری از کشورها قرار گرفته و در حال حاضر کشورهای زیادی وجود دارند که به دنبال استفاده از نور خورشید به طرق مختلف هستند تا از آن به عنوان مثال برق تولید کنند.
انواع فناوریهای استفاده از انرژی خورشیدی
برای استفاده از منبع همیشگی انرژی خورشیدی، سه روش به شرح زیر وجود دارد:
بهره‌گیری از سلولهای خورشید (PV) : تبدیل انرژی خورشید به ولتاژ DC از طریق سلولهای خورشیدی
استفاده از انرژی حرارتی خورشید (CSP): متمرکز کردن انرژی خورشید و استفاده از انرژی حرارتی آن برای به حرکت درآوردن توربین و تولید برق
سرمایش و گرمایش خورشیدی (SHC): سیستم‌هایی که از انرژی مستقیم خورشید و بدون تبدیل آن به برق، برای تولید گرما و سرما استفاده می کنند (مانند آبگرمکن خورشیدی)
تلفیق فناوری با انرژی خورشیدی؛ این نعمت الهی می تواند برطرف کننده بسیاری از نیازهای انسانی باشد به طوریکه باتریهای خورشیدی، سلولهای خورشیدی، کوره های خورشیدی، نیروگاههای تولید برق با انرژی خورشیدی و … نشانی از ورود به عرصه استفاده از انرژی خورشیدی هستند.
در ایران هم ظرفیت های خوبی برای بهره مندی از نور خورشید وجود دارد و محققان زیادی در حوزه های مختلف، فعالیت برای استفاده بهینه از انرژی خورشیدی را آغاز کرده اند. در همین راستا درصدد برآمدیم تا به پتانسیل های خورشیدی کشور اشاره کنیم و به معرفی و تشریح آخرین فناوری های خورشیدی بپردازیم.
ایران در کمربند خورشیدی زمین قرار دارد
رشد قابل توجه انرژی خورشیدی نشان از اهمیت روز افزون این منبع انرژی پاک دارد. میزان تابش انرژی خورشیدی در نقاط گوناگون جهان یکسان نبوده و در کمربند خورشیدی زمین بیشترین مقدار را داراست. ایران به دلیل قرار گرفتن در کمربند تابشی خورشید از پتانسیل بالایی در زمینه بهره‌برداری از این موهبت خدادادی برخوردار است. به طوری که در ۹۰درصد مساحت کشورمان بیش از ۳۰۰ روز آفتابی مؤثر در سال وجود دارد.
از این رو راه اندازی نیروگاههای خورشیدی مورد استقبال بسیاری از شهرها و استان ها قرار گرفته است و به تازگی استان های تهران، قم، یزد، لرستان، خوزستان، فارس و … از این فناوری بهره مند شده اند.
این نیروگاهها با ظرفیت های مختلفی ایجاد شده اند تا بهره وری را افزایش دهند. برخی از این نیروگاه های برق خورشیدی کشور مجهز به سیستم ردیاب خورشیدی هستند به گونه ای که سلولهای ذخیره کننده انرژی خورشید با چرخش خورشید حرکت می‌کنند تا میزان بیشتری از انرژی را در خود ذخیره کنند.
رئیس سازمان بسیج مستضعفین هم اخیرا به گسترش نیروگاههای خورشیدی در کشور برای بهره مندی از این نعمت الهی تاکید کرده است. سردار غلامحسین غیب پرور با بیان اینکه بناست از همین روزها ۶ هزار گروه جهادی به مناطق مختلف کشور اعزام می‌شوند، تصریح کرد: بسیج به عرصه انرژی خورشیدی ورود پیدا کرده است و ما ساخت ۳ هزار واحد نیروگاهی ۵ کیلوواتی انرژی خورشیدی را این هفته آغاز می‌کنیم و بنای ما این است که به نیروگاههای ۱۰۰ کیلوواتی برسیم.
سلولهای خورشیدی نور بیشتری جذب می کنند
از سوی دیگر بخشی از دستیابی به فناوریهای مرتبط با انرژی خورشیدی به بهینه کردن سلولهای خورشیدی مربوط می شود که در این زمینه نیز محققان بسیاری در کشورمان فعالیت می کنند تا با ارائه نوآوری راندمان این سلول ها را افزایش دهند.
از جمله این راهکارها می توان به استفاده از موادی با توانایی جذب بالا به عنوان ماده فعال سلول و همچنین ساختارهای مختلف مبتنی بر نانوساختارها از جمله کریستال های فوتونی، ذرات پلاسمونی جهت افزایش جذب اشاره کرد.
برای کاهش مصرف انرژی لازم است که تحقیقات موثر و هدفمندی در این زمینه انجام شود. با این هدف محققان دانشگاه شهید رجایی با پشتیبانی صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران معاونت علمی «طراحی و شبیه‌سازی سلول خورشیدی با بازده بالا مبتنی بر نانوساختارها» را انجام دادند.
در این طرح تمرکز اصلی روی افزایش بازدهی و بهبود جذب در سلول زیرین است. بدین صورت که اگر از لایه ای نازک به عنوان لایه فعال استفاده شود، میزان زیادی از فوتون های با طول موج بلند بدون جذب از آن عبور کرده و از سلول خارج می شوند بنابراین باید روشی برای بهبود جذب در زیر سلول پایینی ارائه شود.
سلولهای خورشیدی سیلیکونی، به هزینه بالایی برای تولید نیاز دارند و از موادی با ضخامت حدود ۲۰۰ میکرون برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته استفاده می‌کنند. بنابراین برای کاهش هزینه، سلولهای خورشیدی لایه نازک با ضخامت ۱۰۰ تا ۳۰۰۰ نانومتر پیشنهاد شده‌اند.
در طی چند دهه گذشته، پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای در مطالعه رفتار نور در مقیاس نانو به‌دست آمده است. این پیشرفت‌ها در تمام زمینه‌ها از جمله نانوساختارهای مبتنی بر فوتونیک و پلاسمونیک بوده است.
سلولهای خورشیدی با ساختارهای لایه نازک تک‌پیوندی یا چندپیوندی بهبود قابل توجهی را در بازدهی سبب می‌شوند. در این طرح، از موادی با قابلیت جذب بالا در یک ساختار پشت‌سرهم یا چندپیوندی استفاده شده است. همچنین ساختارهای پلاسمونی جهت حبس نور در ساختار معرفی شده و داخل سلول قرار می‌گیرند.
از اهداف طرح می‌توان به طراحی ساختاری مناسب برای جذب قسمت اعظم نور فرودی بر سلول، استفاده از ماده‌ای مناسب در لایه فعال سلول، استفاده از نانوساختارهایی که نور فرودی بر سلول را در داخل ساختار حبس کنند تا زمانی‌که فرآیند جذب رخ دهد، اشاره کرد.
افزایش کارایی سلولهای خورشیدی پلیمری با فناوری نانو
نیروگاههای خورشیدی نیاز به سلول های خورشیدی دارند که گاها از فناوری نانو برای ساخت آن استفاده می شود. یکی از دستاوردهایی که به این موضوع مربوط می شود، در دانشگاه شهید مدنی انجام شده است.
در این کار تحقیقاتی با اعمال یک روش ساده و استفاده از نانولوله‌های کربنی اصلاح سطح شده در ساختار سلولهای خورشیدی پلیمری، بازده تبدیل توان سلولهای ساخته شده تا هفت برابر افزایش پیدا کرده است.
از سلولهای خورشیدی منعطف پلیمری، در ساخت باتریهای خودشارژ شونده گوشی‌های تلفن همراه و دیگر وسایل پرتابل استفاده می‌شود.
افزایش کارایی سامانه های جاذب انرژی خورشیدی
از طرف دیگر، محققان کشور سامانه‌ای را طراحی و راه‌اندازی کرده‌اند که می‌توان به کمک آن بازدهی دریافت انرژی از خورشید را افزایش داد. در این طرح به‌منظور افزایش بازدهی جذب انرژی تابشی خورشید از دو راهکار، کاربرد دریافت کننده‌های حفره‌ای و کاربرد نانوسیال به عنوان سیال عامل سیستم متمرکز کننده بشقابی خورشیدی، به‌صورت هم‌زمان استفاده شده است.
در این راستا، سامانه‌ای متشکل از گردآورنده بشقابی و دریافت کننده حفره‌ای استوانه‌ای حاوی نانوسیال طراحی و ساخته شد و کارایی آن در جذب انرژی خورشیدی مورد بررسی قرار گرفت.استفاده از سیستم طراحی شده در این طرح به‌عنوان سامانه جاذب انرژی خورشید موجب کاهش تلفات انرژی خورشیدی در هنگام جذب شده و بازده تبدیل انرژی افزایش خواهد یافت.
نانوسیالات به دلیل هدایت حرارتی بالایشان قادرند انرژی حرارتی جذب شده از خورشید را با کمترین تلفات منتقل کنند؛ ازاین‌رو در طرح حاضر ازاین‌گونه نانومواد جهت بهبود کارایی سامانه‌های جاذب انرژی خورشید استفاده شده است.
از این طرح یک اختراع با عنوان «ساخت و ارزیابی دریافت کننده‌های حفره‌ای در متمرکز کننده بشقابی خورشیدی، جهت تولید توان با کاربرد نانوسیال های مختلف» به ثبت رسیده است.