فناوری های انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی پاک ترین و فراوان ترین منبع انرژی تجدیدپذیر موجود است، فناوری های جدید این امکان را می‌دهد که از چندین راه از این منبع استفاده کنیم، فناوری هایی که توسط آنها انرژی خورشیدی مهار و سپس به برق تبدیل می شود.

فتوولتائیک (PV) که مستقیماً نور را به برق تبدیل می کند.نیروی خورشیدی متمرکز (CSP)، که از گرمای خورشید (انرژی گرمایی) برای به حرکت درآوردن توربین‌های الکتریکی در مقیاس کاربردی استفاده می‌کند.

سیستم های گرمایش و سرمایش خورشیدی (SHC) که انرژی حرارتی را برای تامین گرمایش یا تهویه آب گرم و هوا جمع آوری می کند.

فتوولتائیک

دستگاه های فتوولتائیک (PV) از طریق یک فرآیند الکترونیکی که به طور طبیعی در انواع خاصی از مواد به نام نیمه هادی ها اتفاق می افتد، برق را مستقیماً از نور خورشید تولید می کنند و الکترون‌های موجود در این مواد توسط انرژی خورشیدی آزاد می‌شوند و می‌توانند از طریق یک مدار الکتریکی حرکت کنند، وسایل الکتریکی را تغذیه کنند یا برق را به شبکه ارسال کنند.

دستگاه های PV را می توان برای تامین انرژی هر چیزی از وسایل الکترونیکی کوچک مانند ماشین حساب و علائم جاده گرفته تا خانه ها و مشاغل تجاری بزرگ استفاده کرد.

فناوری PV چگونه کار می کند؟

فوتون ها به مواد نیمه هادی روی صفحه خورشیدی برخورد کرده و یونیزه می کنند و باعث می شوند الکترون های بیرونی از پیوندهای اتمی خود جدا شوند. به دلیل ساختار نیمه هادی، الکترون ها در یک جهت مجبور به ایجاد جریان الکتریکی می شوند.

سلول های خورشیدی در سلول های خورشیدی سیلیکونی کریستالی 100% کارآمد نیستند، تا حدی به این دلیل که فقط نور خاصی در طیف قابل جذب است.

بخشی از طیف نور منعکس می شود، برخی برای ایجاد الکتریسیته ضعیف تر از آن هستند (مادون قرمز) و برخی (فرابنفش) به جای الکتریسیته انرژی گرمایی ایجاد می کنند.

برای ساخت این نوع سلول، ویفرهای سیلیکونی با خلوص بالا با ناخالصی‌های مختلف دوپ می‌شوند و با هم ذوب می‌شوند، ساختار حاصل مسیری را برای جریان الکتریکی در داخل و بین سلول های خورشیدی ایجاد می کند.

انواع دیگر فناوری فتوولتائیک

علاوه بر سیلیکون کریستالی (c-Si)، دو نوع اصلی دیگر از فناوری PV وجود دارد:

• PV لایه نازک بخش کوچکی از بازار خورشیدی تجاری است که به سرعت در حال رشد است، بسیاری از شرکت‌های تولید لایه نازک، استارت‌آپ‌هایی هستند که فناوری‌های تجربی را توسعه می‌دهند، آنها معمولاً کارایی کمتری دارند - اما اغلب ارزان تر - نسبت به ماژول های c-Si.

• در ایالات متحده، آرایه های PV متمرکز عمدتاً در صحرای جنوب غربی یافت می شوند، آنها از عدسی ها و آینه ها برای انعکاس انرژی متمرکز خورشیدی روی سلول های با کارایی بالا استفاده می کنند، آنها به نور مستقیم خورشید و سیستم های ردیابی برای مؤثرتر بودن نیاز دارند.

• فتوولتائیک های یکپارچه در ساختمان هم به عنوان لایه بیرونی یک سازه عمل می کنند و هم برای استفاده در محل یا صادرات به شبکه برق تولید می کنند. سیستم های BIPV می توانند در هزینه های مصالح و برق صرفه جویی کنند، آلودگی را کاهش دهند و به جذابیت معماری ساختمان بیافزایند.

تاریخچه فناوری فتوولتائیک

اثر PV در اوایل سال 1839 توسط الکساندر ادموند بکرل مشاهده شد و در اوایل قرن بیستم موضوع تحقیقات علمی بود. در سال 1954، آزمایشگاه های بل در ایالات متحده، اولین دستگاه PV خورشیدی را معرفی کردند که مقدار قابل استفاده برق تولید می کرد و تا سال 1958، سلول های خورشیدی در انواع کاربردهای علمی و تجاری در مقیاس کوچک مورد استفاده قرار گرفتند.

بحران انرژی در دهه 1970 شروع علاقه‌مندی عمده به استفاده از سلول‌های خورشیدی برای تولید برق در خانه‌ها و مشاغل بود، اما قیمت‌های بازدارنده (تقریبا 30 برابر بیشتر از قیمت فعلی) کاربردهای در مقیاس بزرگ را غیرعملی کرد.

تحولات صنعت و تحقیقات در سال های بعد باعث شد دستگاه های PV امکان پذیرتر شود و چرخه افزایش تولید و کاهش هزینه ها آغاز شد که تا امروز ادامه دارد.

هزینه های فتوولتائیک خورشیدی

کاهش سریع قیمت ها انرژی خورشیدی را مقرون به صرفه تر از همیشه کرده است. میانگین قیمت یک سیستم PV تکمیل شده طی دهه گذشته 59 درصد کاهش یافته است.

فتوولتائیک مدرن

هزینه PV به طور چشمگیری کاهش یافته است زیرا صنعت تولید را افزایش داده و به طور تدریجی فناوری را با مواد جدید بهبود بخشیده است. هزینه های نصب نیز با نصابان با تجربه و آموزش دیده کاهش یافته است. در سطح جهانی، ایالات متحده سومین بازار بزرگ تاسیسات PV را دارد و به سرعت در حال رشد است.

اکثر سلول های خورشیدی مدرن از سیلیکون کریستالی یا مواد نیمه هادی لایه نازک ساخته شده اند. سلول های سیلیکونی در تبدیل نور خورشید به الکتریسیته کارآمدتر هستند، اما به طور کلی هزینه های تولید بالاتری دارند.

مواد لایه نازک معمولاً کارایی پایین تری دارند، اما می توانند ساده تر و هزینه کمتری برای تولید داشته باشند.

یک دسته تخصصی از سلول های خورشیدی - که سلول های چند اتصالی یا پشت سر هم نامیده می شوند - در کاربردهایی که به وزن بسیار کم و راندمان بسیار بالا نیاز دارند، مانند ماهواره ها و کاربردهای نظامی استفاده می شود.

انواع سیستم های PV امروزه به طور گسترده در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

امروزه هزاران مدل پانل فتوولتائیک جداگانه از صدها شرکت موجود است. صفحات خورشیدی را بر اساس کارایی، توان خروجی، ضمانت‌ها و موارد دیگر در EnergySage مقایسه کنید.

گرمایش و سرمایش خورشیدی

فن آوری های گرمایش و سرمایش خورشیدی (SHC) انرژی حرارتی خورشید را جمع آوری می کند و از این گرما برای تامین آب گرم، گرمایش فضا، سرمایش و گرمایش استخر برای کاربردهای مسکونی، تجاری و صنعتی استفاده می کند.

این فناوری ها نیاز به استفاده از برق یا گاز طبیعی را جایگزین می کند.

امروزه، آمریکایی ها در سراسر کشور مشغول تولید و نصب سیستم های گرمایش و سرمایش خورشیدی هستند که وابستگی ما به سوخت های وارداتی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

ما به سیاست‌های هوشمندانه‌ای نیاز داریم تا این بخش با رشد سریع و ایجاد شغل را گسترش دهیم.

اتحاد گرمایش و سرمایش خورشیدی ایالات متحده یک بخش از SEIA است که بر رشد بازار گرمایش و سرمایش خورشیدی از طریق کاهش موانع و حمایت از سیاست‌ها در سطوح فدرال، ایالتی و محلی متمرکز است.

حقایق سریع گرمایش و سرمایش خورشیدی

• سیستم های گرمایش خورشیدی برای خانواده ها مقرون به صرفه است. بازگشت سرمایه می تواند 3-6 سال باشد. سیستم های تجاری به شرکت ها کمک می کنند تا قبض های انرژی خود را کاهش داده و مدیریت کنند و هزینه های بلندمدت را مدیریت کنند. در همین حال، قیمت سوخت های فسیلی به طور قابل توجهی در نوسان است و انتظار می رود در دهه آینده به طور قابل توجهی افزایش یابد.

• گرمایش آب، گرمایش فضا، و سرمایش فضا 72 درصد از انرژی مصرف شده در یک خانواده متوسط در ایالات متحده را در سال 2010 به خود اختصاص داده است - که نشان دهنده پتانسیل عظیمی از بازار برای فناوری های گرمایش و سرمایش خورشیدی است!

• در سال 2010، ایالات متحده شاهد 35464 سیستم گرمایش آب خورشیدی و 29540 سیستم گرمایش استخر خورشیدی بود که در مجموع بیش از 65000 خانه، کسب و کار و استخر را گرم می کرد.

• از سال 2010، ایالات متحده همچنین برخی از تاسیسات گرمایش هوای خورشیدی رکوردشکنی را تولید کرده است، با سیستم‌های بین 10000 تا 50000 فوت مربع که بر روی یک دیوار در سراسر کشور نصب شده‌اند، که نشان‌دهنده فرصت انرژی در مقیاس بزرگ در پرداختن به گرمایش فضا/تهویه است.

• از هر چهار آمریکایی (74 درصد) سه نفر موافقند که «رشد صنعت گرمایش آب خورشیدی باعث ایجاد شغل و کمک به اقتصاد آمریکا خواهد شد.» این حمایت در سراسر مناطق کشور و در سراسر خطوط حزبی قوی است.

مبانی فناوری گرمایش آب خورشیدی

سیستم های گرمایش آب خورشیدی را می توان در اکثر خانه ها در ایالات متحده نصب کرد و از سه عنصر اصلی تشکیل شده است: کلکتور خورشیدی، لوله های عایق شده و مخزن ذخیره آب گرم.

همچنین می‌توان کنترل‌های الکترونیکی و همچنین سیستم محافظت در برابر یخ زدگی را برای آب‌وهوای سردتر در نظر گرفت. کلکتور خورشیدی گرمای تابش خورشید را جمع آوری کرده و گرما را به آب آشامیدنی منتقل می کند.

این آب گرم شده از کلکتور به یک مخزن آب گرم جریان می یابد و در صورت لزوم استفاده می شود. گرمایش کمکی می‌تواند در صورت لزوم به مخزن آب گرم متصل بماند تا پشتیبان‌گیری شود.

مبانی فناوری فتوولتائیک خورشیدی + حرارتی

پانل های خورشیدی فتوولتائیک + حرارتی (PVT) پانل های برق خورشیدی پیشرفته ای هستند که با استفاده از یک ماژول خورشیدی در همان فضای سقف ارزشمند، برق تولید می کنند و آب گرم می کنند.

رایج‌ترین نوع کلکتور PVT، اجزای فتوولتائیک الکتریکی را برای تولید برق بهتر خنک می‌کند و در عین حال انرژی گرمایی مفیدی را ارائه می‌کند. به همین دلیل، پانل های PVT می توانند خروجی الکتریکی ماژول را تا 20٪ افزایش دهند، اندازه سیستم از مقیاس کوچک تا صنعتی متغیر است.

با احتساب انرژی حرارتی، پانل های PVT می توانند تا چهار برابر بیشتر از یک ماژول PV به تنهایی قدرت تولید کنند.

مبانی فناوری هوای خورشیدی

گرمایش هوای خورشیدی یک فناوری حرارتی خورشیدی است که برای ساختمان های تجاری و صنعتی استفاده می شود که در آن انرژی خورشید گرفته شده و برای گرم کردن هوا استفاده می شود.

این به یکی از بزرگترین کاربردهای انرژی ساختمان در گرمایش آب و هوا، که گرمایش فضا است، می پردازد. همچنین برای خشک کردن کشاورزی استفاده می شود.

اکثر سیستم های گرمایش هوای خورشیدی به صورت دیواری نصب می شوند که به آنها امکان می دهد حداکثر میزان تابش خورشید را در زمستان جذب کنند. پانل های کلکتور خورشیدی سوراخ دار مخصوص چندین اینچ از یک دیوار رو به جنوب نصب می شوند و یک حفره هوا ایجاد می کنند.

هوا معمولاً از بالای دیوار خارج می شود و در یک روز آفتابی از 30 تا 100 درجه فارنهایت بالاتر از محیط گرم می شود. سپس هوای گرم شده خورشیدی از طریق اتصال به ورودی HVAC به داخل ساختمان هدایت می شود.

در اقلیم های سردتر با امکان یخ زدگی از سیستم غیر مستقیم استفاده می شود. محلول ضد یخ، مانند پروپیلن گلیکول غیر سمی، در کلکتور خورشیدی گرم شده و از طریق یک مبدل حرارتی به مخزن ذخیره آب گرم منتقل می شود.

آب آشامیدنی در مخزن ذخیره توسط مبدل حرارتی داغ و مملو از ضد یخ گرم می شود و سپس می توان از آب گرم شده در صورت لزوم استفاده کرد، در حالی که گلیکول خنک شده به کلکتور خورشیدی برگشت داده می شود تا دوباره گرم شود.

یکی دیگر از انواع متداول طراحی سیستم های گرمایش آب خورشیدی برای آب و هوای سرد، زهکشی نامیده می شود.

این نوع سیستم انرژی خورشیدی معمولاً از آب به عنوان سیال انتقال حرارت استفاده می کند، و به گونه ای طراحی شده است که به تمام آب موجود در کلکتور خورشیدی اجازه می دهد تا به مخزن نگهدارنده در قسمت گرم شده ساختمان که در آن استفاده می شود، تخلیه شود.

هنگامی که نور خورشید برای گرمایش در دسترس نباشد، پمپ خورشیدی خاموش می شود و آب به وسیله نیروی جاذبه به مخزن تخلیه جریان می یابد.

مهم نیست که از کدام نوع سیستم انرژی خورشیدی استفاده می شود، می توان انتظار داشت که یک سیستم گرمایش آب خورشیدی که به درستی طراحی و نصب شده باشد، درصد قابل توجهی (40 تا 80 درصد) از نیازهای آب گرم ساختمان را تامین کند.

نحوه عملکرد کلکتورهای آب گرمایش خورشیدی

کلکتورهای گرمایش آب خورشیدی انرژی گرمایی تولید می کنند و آنها را از ماژول های فتوولتائیک (PV) که برق تولید می کنند متمایز می کند. انواع مختلفی از کلکتورها وجود دارد: صفحه تخت، لوله تخلیه، ذخیره سازی کلکتور یکپارچه (ICS)، ترموسیفون، و کنسانتره. کلکتورهای صفحه تخت رایج ترین نوع کلکتور در ایالات متحده هستند.

لوله های مسی به یک صفحه جاذب که در یک جعبه عایق قرار دارد که با یک صفحه پوششی شیشه ای یا پلیمری پوشانده شده است چسبانده می شود.

کلکتورهای لوله تخلیه شده از ردیف‌هایی از لوله‌های شیشه‌ای شفاف و موازی تشکیل شده‌اند که از هوا تخلیه شده‌اند و یک عایق حرارتی بسیار کارآمد برای سیالی که در طول لوله جریان دارد ایجاد می‌کنند.

سیستم‌های لوله‌ای تخلیه‌شده معمولاً در مواقعی که دماهای بالاتر یا حجم‌های بالاتر آب مورد نیاز است، و همچنین برای سیستم‌های گرمایش فرآیند و تهویه مطبوع خورشیدی استفاده می‌شوند.

تمرکز انرژی خورشیدی

نیروگاه های خورشیدی متمرکز (CSP) از آینه ها برای متمرکز کردن انرژی خورشید برای به حرکت درآوردن توربین های بخار سنتی یا موتورهایی که برق تولید می کنند استفاده می کنند.

انرژی حرارتی متمرکز در یک نیروگاه CSP را می توان ذخیره کرد و برای تولید الکتریسیته در زمان نیاز، در روز یا شب استفاده کرد.

امروزه، تقریباً 1815 مگاوات (MWac) از نیروگاه های CSP در ایالات متحده در حال فعالیت هستند.

سهموی - Parabolic Trough

سیستم های سهموی از آینه های منحنی برای متمرکز کردن انرژی خورشید بر روی یک لوله گیرنده که از مرکز یک فرورفتگی پایین می رود، استفاده می کنند. در لوله گیرنده، یک سیال انتقال حرارت با دمای بالا (مانند یک روغن مصنوعی) انرژی خورشید را جذب می کند و به دمای 750 درجه فارنهایت یا بالاتر می رسد و برای گرم کردن آب و تولید بخار از یک مبدل حرارتی عبور می کند.

بخار یک سیستم قدرت توربین بخار معمولی را برای تولید برق به حرکت در می آورد.

یک میدان کلکتور خورشیدی معمولی شامل صدها ردیف موازی از فرورفتگی است که به صورت یک سری حلقه‌ها به هم متصل شده‌اند، که در یک محور شمالی-جنوبی قرار می‌گیرند تا فرورفتگی‌ها بتوانند خورشید را از شرق به غرب دنبال کنند. ماژول های جمع کننده انفرادی معمولاً 15-20 فوت ارتفاع و 300-450 فوت طول دارند.

بازتابنده خطی فشرده فرنل

CLFR از اصول سیستم های آینه خمیده استفاده می کند، اما با ردیف های موازی طولانی از آینه های تخت ارزان قیمت. این بازتابنده‌های مدولار انرژی خورشید را روی گیرنده‌های مرتفعی متمرکز می‌کنند که از سیستم لوله‌هایی تشکیل شده‌اند که آب از طریق آن جریان می‌یابد.

نور متمرکز خورشید، آب را به جوش می‌آورد و بخار پرفشاری برای استفاده مستقیم در تولید برق و کاربردهای بخار صنعتی تولید می‌کند.

برج برق - Power Tower

سیستم‌های برج برق از یک سیستم گیرنده مرکزی استفاده می‌کنند که امکان دمای عملیاتی بالاتر و در نتیجه راندمان بیشتر را فراهم می‌کند. آینه‌های کنترل‌شده توسط رایانه (به نام هلیواستات) خورشید را در امتداد دو محور دنبال می‌کنند و انرژی خورشیدی را روی گیرنده‌ای در بالای برج مرتفع متمرکز می‌کنند.

انرژی متمرکز برای گرم کردن سیال انتقال (بیش از 1000 درجه فارنهایت) برای تولید بخار و راه اندازی یک مولد برق مرکزی استفاده می شود. ذخیره انرژی را می توان به راحتی و به طور موثر در این پروژه ها گنجاند و امکان تولید برق 24 ساعته را فراهم کرد.

دیش موتور - Dish-Engine

آینه ها بر روی سطح بشقاب سهموی توزیع می شوند تا نور خورشید را روی گیرنده ای که در نقطه کانونی ثابت است، متمرکز کنند. برخلاف سایر فناوری‌های CSP که از بخار برای تولید برق از طریق توربین استفاده می‌کنند، یک سیستم موتور ظرفشویی از سیال کاری مانند هیدروژن استفاده می‌کند که تا دمای ۱۲۰۰ درجه فارنهایت در گیرنده گرم می‌شود تا موتور را به حرکت درآورد.

هر ظرف در امتداد دو محور برای ردیابی خورشید می چرخد.

الزامات کلیدی برای نیروگاه های خورشیدی متمرکز

• تامین مالی - چالش اصلی برای هر تاسیسات تولید انرژی در مقیاس شهری، از جمله CSP، تامین مالی پروژه است.

• مناطق پرتابش خورشیدی - برای تمرکز انرژی خورشید، نباید بیش از حد پراکنده باشد. این با شدت طبیعی مستقیم (DNI) انرژی خورشید اندازه گیری می شود، همانطور که نقشه آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر در زیر نشان می دهد پتانسیل تولید در جنوب غربی ایالات متحده از بقیه ایالات متحده جدا است.

• قطعات زمینی به هم پیوسته با پوشش ابر محدود - یک نیروگاه CSP زمانی که در اندازه های 100 مگاوات و بالاتر ساخته می شود کارآمدترین و در نتیجه مقرون به صرفه ترین کار را انجام می دهد و در حالی که نیازهای زمین بر اساس تکنولوژی متفاوت است، یک نیروگاه CSP معمولی به 5 تا 10 هکتار زمین در هر مگاوات ظرفیت نیاز دارد و سطح زمین بزرگتر ذخیره انرژی حرارتی را در خود جای می دهد.

• دسترسی به منابع آب - مانند سایر نیروگاه های حرارتی، مانند گاز طبیعی، زغال سنگ و هسته ای، اکثر سیستم های CSP برای خنک کردن نیاز به دسترسی به آب دارند و همه برای شستن سطوح مجموعه و آینه به مقدار کمی آب نیاز دارند، نیروگاه های CSP می توانند از تکنیک های خنک کننده مرطوب، خشک و هیبریدی برای به حداکثر رساندن راندمان در تولید برق و صرفه جویی در آب استفاده کنند.

• دسترسی در دسترس و نزدیک به انتقال - نیروگاه‌های CSP باید در زمینی مناسب برای تولید برق با دسترسی کافی به یک شبکه انتقال با فشار روزافزون و قدیمی مستقر شوند؛ دسترسی به خطوط انتقال ولتاژ بالا برای توسعه پروژه‌های انرژی خورشیدی در مقیاس کاربردی برای انتقال برق از نیروگاه خورشیدی به کاربران نهایی کلیدی است، بسیاری از زیرساخت های انتقال موجود در جنوب غربی با ظرفیت کامل است و انتقال جدید به فوریت مورد نیاز است.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.