برق و گرمایش خورشیدی

 

برق و گرمایش خورشیدی

 

برق خورشیدی از تابش نور خورشید به سلول های خورشیدی تعبیه شده در پنل های خورشیدی تولید می گردد. این پدیده با سیستم های تأمین آب گرم و یا گرمایش خورشیدی که در آنها از انرژی خورشید برای بالا بردن دمای آب یا هوا بهره گرفته می شود، کاملاً متفاوت است.

اگر هدفتان این است که برای تأمین گرمایش از انرژی خورشید استفاده کنید، در نظر داشته باشید که بازده سیستم های گرمایش خورشیدی بسیار بهتر از نمونه های تولید کنندۀ برق خورشیدی بوده و برای تأمین یک میزان انرژی مشخص، به پنل ها یا به عبارت دیگر، کلکتورهای کوچکتری نیاز خواهید داشت.

هرگاه صحبت از برق خورشیدی می شود، پای سلول های فتوولتائی (یا اختصاراً PV) که در قالب پنل های خورشیدی به تولید برق می پردازند هم به میان کشیده می شود.

در این مقاله، هر جا که به پنل های خورشیدی اشاره می شود، منظور، مجموعه یا سیستم هائی است که با داشتن سلول های فتوولتائی قادر به تولید برق از انرژی خورشید بوده و با سیستم های گرمایش خورشیدی هیچ سنخیتی ندارند.

 

  • منشأ توان خورشیدی

در اعماق خورشید و قسمت مرکزی این کرۀ سوزان، واکنش های هسته ای عظیمی رخ می دهند که موجب انتشار تابش های شدیدی از آن می گردد. این تابش ها به نوبۀ خود باعث ایجاد فوتون ها یعنی حامل های انرژی نوری می گردند. فوتون ها فاقد جرم فیزیکی بوده ولی مقادیر قابل توجهی از انرژی را با خود حمل کرده و بالطبع ، از تکانه با اندازۀ حرکت بالایی برخوردارند. فوتون های مختلف، حامل انرژی های نوری با طول موج های گوناگونی می باشند. برخی از آنها حامل نور نامرئی (مادون قرمز و ماوراء بنفش) بوده و گروهی دیگر نورهای مرئی (سفید) را انتقال می دهند.

فوتون ها به تدریج و از مرکز خورشید، راهی سطح خارجی آن می شوند. گاهی اوقات این نقل و انتقال و جابجایی ممکن است چیزی در حدود یک میلیون سال به طول بیانجامد! ذرات یاد شده پس از رسیدن به سطح خارجی خورشید با سرعتی در حدود یک میلیارد کیلومتر بر ساعت در فضا منتشر می شوند. با همۀ این ها، هر فوتونی که از سطح خورشید در فضا پراکنده می شود، در حدود هشت دقیقه بعد به سطح سیارهی ما، یعنی زمین می رسد.

در این مسیر طولانی، یعنی فاصلۀ خورشید تا زمین، پاره ای از فوتون ها به سایر ذرات موجود، در فضا برخورد کرده و از مسیر خود منحرف می شوند و در تصادم با هر چیزی که جاذب تابش های خورشیدی باشد، گرما تولید می کنند. علت این که در یک روز آفتابی گرمتان می شود این است که بدن شما فوتون های ساطع شده از خورشید را جذب می نماید. اتمسفر یا جو زمین، بسیاری از این فوتون ها را قبل از رسیدن به سطح خود جذب می نماید.

این، یکی از دو علتی است که باعث می شود در اواسط روز، خورشید را گرم تر احساس کنیم. در این ساعات، خورشید تقریباً در بالای سرمان واقع شده و فوتون ها برای رسیدن به سطح زمین، مسیر کوتاه تر یا به عبارت دیگر، لایه نازک تر و دقیق تری از جو اطراف سیارهی ما را می پیمایند، در حالی که در حوالی غروب و ساعات پایانی روز، چون خورشید در حال غروب کردن بوده و اشعۀ آن به صورت مایل به زمین می تابد، فوتون ها مسیر طولانی تر، غلیظ تر و  متراکم تری را طی می کنند.

برهان مزبور دربارۀ سرد بودن نسبی یک روز آفتابی زمستانی در قیاس با یک روز آفتابی تابستانی نیز صادق است. در این حالت و با توجه به آنکه در فصل زمستان، به خاطر انحراف محور گردش زمین از وضعیت عمودی، از خورشید دور می شود، فوتون ها ناچارند مسیر طولانی تر و به تبع آن، غلیظ تری را طی نمایند.

دلیل دیگری که در توجیه گرم تر بودن خورشید در ساعات میانی روز نسبت به ساعات پایانی می توان ارائه داد این است که شدت و میزان تراکم فوتون ها در میانۀ روز بسیار بیشتر است. وقتی به دلیل زاویۀ موقعیت شما در روی زمین نسبت به خورشید، خورشید در ارتفاع پایین تری قرار می گیرد، فوتون ها در فواصل طولانی تری پراکنده می گردند.

 

تأثیر زاویه خورشید در میزان گرمایش زمین

شکل (۱) تأثیر زاویه خورشید در میزان گرمایش زمین

 

 

 

  • مبانی برق خورشیدی

یک پنل خورشیدی برای تولید برق، از پدیده ای که اثر فتوولتائی نامیده می شود، استفاده می کند. این پدیده در اوایل قرن نوزدهم و به توسط دانشمندانی کشف گردید که با تحقیقات مستمر و گوناگون متوجه شدند که مواد خاصی وجود دارند که وقتی در معرض تابش نور قرار می گیرند، باعث جاری شدن یک جریان الکتریکی در مدار خود می گردند. برای خلق این پدیده، دو لایه از مواد نیمه هادی خاص را باید با یکدیگر تلفیق نمود (شکل ۲).

 

یک سلول خورشیدی که با استفاده از یک پیوند PN ایجاد شده است

شکل (۲) یک سلول خورشیدی که با استفاده از یک پیوند PN ایجاد شده است

 

یکی از این لایه ها باید با کمبود الکترون ها مواجه باشد. لایه های مزبور در مواجه با نور خورشید، فوتون ها را جذب می کنند. با این عمل، الکترون ها تحریک شده و برخی از آنها از یک لایه به لایه بعدی جهیده و با این کار خود، باعث ایجاد یک جریان الکتریکی می گردند.

مادۀ نیمه هادی که در ساخت سلول خورشیدی به کار می رود، سیلیکون بوده و به صورت پولک های بسیار نازکی بریده و آماده سازی می شود. برای ایجاد یک حالت عدم توازن الکترونی در این لایه ها، به برخی از آن ها یک ناخالصی شیمیایی اضافه می گردد. پس از ایجاد این لایه ها، آن ها با نظم خاصی در کنار هم قرار گرفته و از مجموعه یشان، یک سلول خورشیدی ایجاد می گردد. وقتی این مجموعه در معرض تابش نور خورشید واقع می شود، جریان الکتریسیته ای در آن تولید می گردد که از سرسیم های ظریفی که به دو طرفش متصل شده، قابل دریافت می باشد.

هنگامی که یک فوتون به سلول خورشیدی برخورد می کند: یا باید جذب آن شود، یا با تصادم با سلول، منحرف و باز تابیده گردد و یا بطور مستقیم از آن عبور کرده و راه خود را ادامه دهد.

وقتی یک جریان الکتریکی از دو ترمینال یا سرسیم های سلول نوری اخذ می شود، زمانی است که فوتون، جذب سیلیکون سلول شده است. هر چه شدت نور و نتیجتاً تعداد فوتون ها بیشتر باشد، میزان بیشتری از آنها جذب سلول خورشیدی شده و جریان الکتریکی شدیدتری تولید می گردد.

سلول های خورشیدی قسمت عمده ای از برق تولیدی خود را از تابش مستقیم نور خورشید تأمین می نمایند هرچند که وسایل مزبور در روزهای ابری هم به تولید جریان الکتریسیته ادامه می دهند و حتی برخی از نمونه ها، در نور موجود در شب های مهتابی هم کار تولید برق را متوقف نساخته و به عبارت دیگر می توان این گونه نتیجه گرفت که این سلول ها، با دریافت نور غیر مستقیم هم برق تولید می کنند. هرکدام از سلول های خورشیدی مجزا فقط قادر به تولید مقدار اندکی انرژی الکتریکی می باشند. در این صورت و برای کسب یک انرژی الکتریکی قابل توجه، باید تعدادی از این سلول ها را در کنار هم و به دنبال یکدیگر، بهم متصل ساخت. از تجمع تعدادی از این سلول ها به دنبال یکدیگر، یک مدول با پنل خورشیدی ایجاد می گردد که گاهی اوقات به آن مدول فتوولتائی هم اطلاق می شود.

 

  • شناخت اصطلاحات ذیربط

 

  • برق خورشیدی اشاره به تولید برق با استفاده از پنل های خورشیدی شامل سلول های فتوولتائی دارد.

 

  • منظور از انرژی خورشیدی، میزان انرژی گرمایی یا الکتریکی ایجاد شده به توسط خورشید می باشد.

 

  • مقصود از توان خورشیدی، توان گرمایی یا الکتریکی است که با استفاده از خورشید می توان به آن دست یافت.

 

  • و نهایتاً مقصود از گرمایش خورشیدی، تولید آب یا هوای گرم با استفاده از کلکتورهای خورشیدی می باشد.

 

 

  • معقول کردن انتظارات از برق خورشیدی

تا زمانی که مکان مورد نظر از آفتابگیری مناسبی برخوردار بوده و موقعیت مزبور عاری از موانع مختلف سایه انداز بر روی پنل های خورشیدی از قبیل درختان و سایر ساختمان های مجاور باشد، توان خورشیدی راه بی دردسری برای تولید مقادیر جزیی و اندک برق است. معمولاً در مواردی که هیچ منبع در دسترس و قابل حصول تولید برق دیگری وجود نداشته باشد، مشورت با متخصصین و افراد خبرۀ این فن مشخص می کند که برق خورشیدی، تنها انتخاب و گزینۀ مقرون به صرفه و اقتصادی می باشد.

با توجه به آنکه این گونه موارد و موقعیت ها کم نیستند، انتظارات هم بالا می روند. در غالب موقعیت ها، تولید برق خورشیدی کاملاً عملی بوده و در قیاس با بهره گیری از سایر روش های سنتی و متداول قبلی، باعث صرفه جویی زیادی در هزینه ها می گردد. در ادامه به پاره ای از این موارد اشاره شده است:

 

  • تأمین روشنایی با نصب یک پریز برق در یک انباری یا گاراژی که در قسمت نسبتاً پرت و دوری از ساختمان اصلی یک باغ واقع شده و کابل کشی و اتصال آن به برق شهر، میسر و مقرون به صرفه نباشد.

 

  • در مناطق یا مکان هایی که به دلایل مختلف، برق شبکه قابل اطمینان نبوده و در ساعات خاصی از شبانه روز با نوسانات غیر قابل قبولی همراه شده و یا در حالاتی که برق شهر با قطع و وصل های متعدد یا جیره بندی های منظمی روبرو است، استفاده از برق خورشیدی راه حل بی دردسر و مقرون به صرفه ای تلقی می شود.

 

  • برق خورشیدی در واقع یک منبع مولد برق متحرک و پرتابل هم تلقی شده و از آن می توان در اردوها (کمپ زدن یا اتراق کردن در بین راه)، کارگاه های  ساختمانی خارج از شهر و راه اندازی ابزارهای برقی مختلف مثل دریل و فرز، در جاهایی که دسترسی به برق شهر میسر نمی باشد، استفاده نمود.

 

  •  برق خورشیدی در واقع یک منبع انرژی فاقد آلودگی و دوستدار محیط زیست تلقی شده و با یک سری تمهیدات و موافقت نامه های ویژه حتی می توان مازاد آن را به شرکت های تأمین کنندۀ برق شهری هم فروخت.

 

میزان انرژی مورد نیاز مستقیماً در ابعاد و هزینه های لازم برای ایجاد یک سیستم برق خورشیدی تأثیر می گذارد به این معنی که هر چه تولید برق بیشتری مدنظرتان باشد، کار دشوارتر شده و هزینه های طرح و اجرای آن هم افزایش می یابد: 

اگر انتظارات معقول باشد و هدف از نصب یک سیستم برق خورشیدی، روشن کردن چند لامپ و تأمین برق مورد نیاز چند وسیله ی برقی نه چندان قوی مثل یک لپ تاپ، یک تلویزیون کوچک، یک یخچال جمع و جور و کم فوت و وسایلی از این دست را شامل شود، در صورتی که مکان موردنظر از شرایط اقلیمی مناسبی برخوردار باشد، مطمئن باشید که با نصب این گونه سیستم ها به مقصود خود می رسید.

از طرف دیگر اگر تصورتان این است که با نصب یک سیستم برق خورشیدی، توان مورد نیاز دستگاه های پرواتی مثل بخاری برقی فن دار، ماشین ظرفشوئی و لوازم و وسایلی از این دست را تأمین کنید، ملاحظه خواهید کرد که سیر صعودی هزینه ها حالت افسار گسیخته ای به خود گرفته و کنترل پروژه از دست تان خارج خواهد شد.

برق خورشیدی برای تأمین گرما مناسب نبوده و به درد گرم کردن  اتاق ها، آشپزی و گرم کردن آب و استحمام نمی خورد. به کار بردن برق برای ایجاد این گونه انرژی های گرمایی مقرون به صرفه نبوده و بازدهی مناسبی در انتظارتان نخواهد بود.

راه حل جایگزین این است که به جای بهره گیری از برق در تأمین گرما، از یک آبگرمکن خورشیدی  استفاده کرده و برای آشپزی، متناسب با شرایط محل، از کپسول های گاز سفری و یا حتی زغال بهره بگیرید.

اگر طراحی سیستم با برنامه ریزی مدون و حساب شده ای صورت بگیرد، با استفاده از برق خورشیدی می توان برق مورد نیاز یک ویلا یا خانۀ ییلاقی متوسط و نه چندان بزرگ را به صورت پیوسته و بدون قطعی تأمین نمود. اگرچه این کار خیلی هم کم هزینه نبوده و سقف یا شیروانی ساختمان موردنظر باید از چنان مساحتی برخوردار باشد که بتواند چندین پنل خورشیدی متعدد را در خود جای دهد.

بهترین کار این است که قبل از شروع قطعی پروژۀ نصب پنل های خورشیدی و در مرحلۀ ارزیابی میزان برق مورد نیاز، تا حد امکان صرفه جویی و حذف زواید را سر لوحۀ کار قرار داد. در حالت طبیعی و با وجود برق شهر در سیم کشی و پریزهای منازل و مراکز تجاری، بسیاری از مصارف، غیر ضروری و زائد می باشند.

در اولین قدم و با صرف کمی وقت، این موارد را شناسایی کنید. اگر هدفتان این است که برق خورشیدی با صرفه ای داشته باشید، این کار، یعنی حذف شاخ و برگ های اضافی، جزء ضروریات محسوب می شود. اگر در مناطق سردسیر و خنک تر که انرژی خورشید در ماه های فصل زمستان ضعیف و کم توان است زندگی می کنید، انجام این عمل یعنی حذف موارد غیر ضروری و رعایت صرفه جویی، اهمیت بیشتری پیدا می کند.

برای مثال، در برخی از مناطق، مساحت سقف خانه های متوسط آنقدر زیاد نیست که بتوان با نصب پنل های خورشیدی لازم، در کل سال، برق مصرفی مورد نیاز را تأمین نمود. اینجا است که رعایت صرفه جویی در مصرف انرژی نقش مهم خود را نشان می دهد. ولی در مجموع و در اکثر کاربردها، نصب یک سیستم مولد برق خورشیدی بسیار با صرفه بوده و نیازهای ضروری را تأمین می نماید.

برای مثال، مادامی که گرمایش فضاهای داخلی و آشپزی را از طریق کپسول های گاز و زغال و موارد مشابه تأمین کرده و مکان مورد نظر، آفتابگیر و فاقد موانع سایه انداز بر روی پنل ها باشد، ایجاد برق لازم برای یک خانه ویلایی یا ییلاقی غیر ممکن و دست نیافتنی نخواهد بود. با این ترتیب و در صورتی که خانۀ موردنظر به برق شهر متصل نبوده و نزدیک ترین شبکۀ انتقال برق شهر در فاصلۀ قابل ملاحظه ای از آن واقع شده باشد، اطمینان داشته باشید که بهره گیری از سیستم برق خورشیدی، مقرون به صرفه خواهد بود.

مطمئن باشید که حتی اگر کابل های انتقال شبکۀ برق از مجاورت محل موردنظر هم عبور کرده باشند، در این گونه موارد، یعنی مصارف جزیی برق، بهره گیری از سیستم های برق خورشیدی بسیار با صرفه تر است.

 

مقالات مرتبط