انرژی خورشیدی چیست؟ | هر آنچه باید بدانید

انرژی خورشیدی یکی از شکل‌های انرژی تجدید پذیر است که با پیشرفت تکنولوژی پیش از پیش در زندگی روزمره بشر تاثیر دارد. در این مطلب در مورد انرژی خورشیدی و ویژگی‌های آن صحبت می‌کنیم. فناوری‌های آن را توضیح خواهیم داد و در مورد سلول‌های خورشیدی و شرکت‌های تولید کننده سلول‌های خورشیدی صحبت خواهیم کرد. اگر ذهن شما نیز دارای سوالات بی جوابی در مورد انرژی خورشیدی است این مطلب را از دست ندهید.

انرژی چیست؟

دانشمندان انرژی را به عنوان توانایی انجام کار تعریف می‌کنند. در حال حاضر تمدن مدرن به این دلیل ممکن است زیرا مردم آموخته‌اند که چگونه انرژی را از شکلی به شکل دیگر تغییر دهند و سپس از آن برای انجام کار استفاده کنند. مردم از انرژی برای پیاده‌روی و دوچرخه‌سواری، جابجایی ماشین‌ها در جاده‌ها و قایق‌ها در مسیر آب، پختن غذا روی اجاق‌ها، سرد کردن مواد غذایی در فریزرها، روشن کردن خانه‌ها و محل کار، تولید محصولات و حتی فرستادن فضانوردان به فضا استفاده می‌کنند.

انواع مختلفی از انرژی وجود دارد که شامل انرژی حرارتی، انرژی تابشی، انرژی حرکتی، انرژی الکتریکی، انرژی شیمیایی و انرژی گرانشی است. انرژی را می‌توان از شکلی به شکل دیگر تبدیل کرد و از آن استفاده کرد.

منابع مهم انرژی چه هستند؟

از مهمترین منابع انرژی می‌توان به خورشید اشاره کرد، هر چند در گذشته سوخت‌های فسیلی نیز از پرکاربردترین منابع انرژی در زندگی بشر بودند اما با توجه به این که منابع انرژی فسیلی تجدید ناپذیر هستند بشر به دنیال جایگزینی آن با انواع انرژی‌های تجدید پذیر از جمله انرژی خورشیدی است.

منابع انرژی را می‌توان به دو دسته تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم‌بندی کرد. منابع تجدید پذیر انرژی شامل انرژی خورشیدی، انرژی گرمایی زمین، انرژی باد، انرژی زیست توده و انرژی برق آبی هستند. به این منابع انرژی، انرژی‌های تجدیدپذیر گفته می‌شود زیرا به طور طبیعی دوباره جایگزین می‌شوند.

منابع انرژی غیر قابل تجدید عبارت از سوخت‌های فسیلی (نفت، گاز، زغال‌سنگ) و انرژی هسته‌ای هستند. این منابع انرژی غیر قابل تجدید نامیده می‌شوند زیرا منابع آنها محدود به مقادیری است که می‌توان از زمین استخراج کرد.

اگر علاقه‌مند به مطالعه بیشتر در مورد منابع انرژی هستید و اگر می‌خواهید در مورد انرژی تجدید پذیر بدانید، می‌توانید مطالب مرتبطی که درباره آن‌ها در مجله فرادرس به انتشار رسیده است را مطالعه کنید.

آنچه در مورد خورشید باید بدانیم

در طول تاریخ بشر نظر مردم در مورد خورشید متفاوت بوده است گاهی خورشید مورد ترس بوده و گاهی حتی مورد پرستش قرار گرفته است. با این حال حتی نیاکان ما نیز از این موضوع آگاه بودند که خورشید یک عنصر حیاتی برای زندگی بشر روی زمین است. بدون انرژی تأمین شده از طریق نور خورشید پوشش گیاهی نمی‌تواند رشد کند و بدون پوشش گیاهی حیوانات منبع تغذیه ندارند.

با پیشرفت علم اینک ما می‌دانیم که زمین صرفاً قطعه‌ای از یک ساختار بزرگتر است که ما آن را منظومه شمسی می‌نامیم. همچنین نکته دیگر این است که اگر چه ممکن است در سیارات و اجرام دیگر منظومه شمسی حیات وجود نداشته باشد اما خورشید به همان اندازه بر آن‌ها نیز تأثیرگذار است.

خورشید همان چیزی است که به عنوان ستاره دنباله اصلی شناخته می‌شود. یعنی کره‌ای که اساساً از دو گاز هیدروژن و هلیوم تشکیل شده و به گونه‌ای باید شرایط خاصی داشته باشد تا به عنوان ستاره دنباله اصلی شناخته شود.

شرط اول این است که خورشید باید دارای جرمی باشد که در بازه خاصی قرار دارد. اگرچه مقدار این محدوده مورد بحث و بررسی است اما این بازه باید تقریباً بین $$1.4\times 10^{29}$$ کیلوگرم تا $$3\times 10^{32}$$ کیلوگرم باشد (این محدوده اغلب حداقل 75 برابر جرم مشتری و بیش از 150 برابر جرم خورشید توصیف می‌شود).

دومین و مهمترین شرط این است که باید در خورشید همجوشی هسته‌ای وجود داشته باشد. همجوشی هسته‌ای فرآیندی است که طی آن دو هسته اتمی سبک‌تر به هم می‌پیوندند یا فیوز می‌شوند تا یک هسته اتمی سنگین‌تر تولید کنند. در بافت ستارگان هیدروژن سبک‌تر و هلیوم سنگین‌تر است.

اندازه خورشید در مقایسه با بزرگترین ستاره‌های شناخته شده (غول‌های قرمز) خیلی بزرگ نیست. با این حال اگر با رایج‌ترین نوع ستاره‌های جهان یعنی کوتوله‌های قرمز مقایسه شود خورشید کمی بزرگتر است. بنابراین خورشید بزرگترین ستاره در عالم نیست اما قطعاً از بیشتر ستاره‌ها بزرگتر است.

خورشید ویژگی‌های یکتا و عجیبی در ستاره شناسی و نجوم دارد که در این قسمت برخی از آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

1. $$99.86$$ درصد جرم منظومه شمسی را خورشید تشکیل داده است.
2. حدود یک میلیون زمین می‌توانند در خورشید جا بگیرند.
3. یک روز خورشید زمین را می‌بلعد.
4. انرژی که در هسته خورشید تولید می‌شود، سوخت هسته ‌ای است.
5. خورشید تقریباً یک کره کامل است.
6. خورشید با سرعت 220 کیلوتر بر ثانیه حرکت می‌کند.
7. خورشید در نهایت به اندازه زمین خواهد شد.
8. هشت دقیقه طول می‌کشد که نور از خورشید به زمین برسد.
9. خورشید در نیمه عمر خود است.
10. فاصله بین زمین و خورشید متغیر است.
11. خورشید در جهت مخالف زمین می‌چرخد.
12. خورشید میدان مغناطیسی قوی دارد.
13. دما در داخل خورشید می‌تواند به 15 میلیون درجه سلسیوس برسد.
14. خورشید بادهای خورشیدی را تولید می‌کند.
15. اتمسفر خورشید از سه لایه تشکیل شده است.
16. خورشید در دسته ستاره‌های کوتوله زرد دسته‌بندی می‌شود.

موارد بالا از مهمترین ویژگی‌های خورشید هستند.

انرژی خورشیدی چیست؟

انرژی خورشیدی همانگونه که از نام آن مشخص است انرژی حاصل از خورشید است که به انرژی گرمایی یا الکتریکی تبدیل می‌شود. این انرژی تمیزترین و فراوان‌ترین منبع انرژی تجدید پذیر است. امروزه فناوری‌های خورشیدی می‌توانند از این انرژی برای مصارف مختلف از جمله تولید برق، تأمین نور یک فضای داخلی راحت و گرم کردن آب برای مصارف خانگی، تجاری یا صنعتی استفاده کنند.

فناوری‌های خورشیدی چه هستند؟

سه روش اصلی برای مهار انرژی خورشیدی وجود دارد که عبارتند از : «فتوولتائیک» (photovoltaics)، گرمایش و سرمایش خورشیدی و تمرکز انرژی خورشیدی.

فتوولتائیک از طریق یک فرآیند الکترونیکی مستقیماً از نور خورشید برق تولید می‌کند و می‌توان برای تأمین انرژی وسایل الکترونیکی کوچک مانند ماشین حساب، علائم به کار برده در جاده تا خانه‌ها و مشاغل بزرگ تجاری از آن استفاده کرد.

دو فناوری‌ دیگر انرژی خورشیدی یعنی گرمایش و سرمایش خورشیدی (SHC) و تمرکز انرژی خورشیدی (CSP) هر دو از گرمای تولید شده توسط خورشید برای تأمین گرمای فضا یا آب گرم در سیستم‌های SHC یا توربین‌های تولید کننده برق در سیستم‌های CSP استفاده می‌کنند.

کاربردهای انرژی خورشیدی

دو کاربرد اصلی انرژی خورشیدی شامل تولید برق و تولید گرما از انرژی خورشیدی است که روش تولید آن‌ها را در ادامه توضیح خواهیم داد. همچنین در حال حاضر از این انرژی در زمینه‌های دیگر نیز استفاده می‌شود که در بخش‌ کاربردهای دیگر این موارد را معرفی می‌کنیم.

تولید انرژی حرارتی با انرژی خورشیدی چگونه است؟

از جمله متداول‌ترین دستگاه‌هایی که برای جذب انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انرژی حرارتی استفاده می‌شوند کلکتورهای صفحه تخت هستند که برای کاربردهای گرمایش خورشیدی استفاده می‌شوند.

از آنجا که شدت تابش خورشید در سطح زمین بسیار کم است این کلکتورها یا جمع کننده‌ها باید مساحت زیادی داشته باشند. به عنوان مثال حتی در مناطق آفتابی معتدل جهان یک کلکتور باید مساحتی حدود 40 مترمربع (430 فوت‌مربع) داشته باشد تا انرژی کافی برای تأمین انرژی مورد نیاز یک فرد را فراهم کند.

کلکتورهای صفحه تختی که بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل یک صفحه فلزی سیاه شده هستند که با یک یا دو ورق شیشه پوشانده شده و با تابش نور خورشید گرم می‌شوند. این گرما به هوا یا آبی که از پشت صفحه کلکتور عبور می‌کند منتقل می‌شود که به آن سیال حامل می‌گویند.

این گرما ممکن است به طور مستقیم استفاده شود یا ممکن است برای ذخیره به محیط دیگری منتقل شود. کلکتورهای صفحه تخت معمولاً برای آبگرمکن خورشیدی و گرمایش خانه استفاده می‌شوند. همچنین ذخیره گرما نیز برای استفاده در شب یا روزهای ابری معمولاً با استفاده از مخازن عایق‌بندی شده برای ذخیره آب گرم در دوره‌های آفتابی انجام می‌شود.

چنین سیستمی می‌تواند آب گرم خانه را تأمین کرده یا با عبور گرما از طریق لوله‌ها در کف و سقف گرمایش فضا را تأمین کند. کلکتورهای صفحه تخت به طور معمول مایعات حامل گرما را تا دمای 66 تا 93 درجه سانتیگراد (150 تا 200 درجه فارنهایت) گرم می‌کنند. بازده چنین کلکتورهایی (یعنی نسبت انرژی دریافتی به انرژی قابل استفاده) بسته به طراحی کلکتور از 20 تا 80 درصد است.

روش دیگر برای تولید انرژی گرمایی از انرژی خورشیدی استفاده از «استخرهای خورشیدی» (solar ponds) است که بدنه‌های آن‎ها از آب نمک ساخته شده و برای جمع‌آوری و ذخیره انرژی خورشیدی طراحی شده‌اند. گرمای استخراج شده از چنین حوضچه و مخزن‌هایی امکان تولید مواد شیمیایی، مواد غذایی، منسوجات و سایر محصولات صنعتی را فراهم می‌کند و همچنین می‌تواند برای گرم کردن گلخانه‌ها، استخرهای شنا و ساختمان‌های دام مورد استفاده قرار گیرد.

از استخرهای خورشیدی گاهی اوقات برای تولید برق از طریق موتور «چرخه رانکین» (Rankine cycle) استفاده می‌شود. این روش و وسیله ابزاری نسبتاً کارآمد و اقتصادی برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریسیته به ویژه در مکان‌های دور از دسترس است. نصب و نگهداری حوضچه‌های خورشیدی نسبتاً گران است و معمولاً محدود به مناطق گرم روستایی می‌شود.

در مقیاس کوچکتر می‌توان از انرژی خورشید برای پخت غذا در کوره‌های خورشیدی مخصوص استفاده کرد. کوره‌های خورشیدی معمولاً نور خورشید را از مناطق مختلف و وسیع در یک نقطه مرکزی متمرکز می‌کنند. این نقطه مرکزی یک ظرف با سطح سیاه است که نور خورشید را به گرما تبدیل می‌کند. کوره‌ها خورشیدی معمولاً قابل حمل هستند و ورودی سوختی دیگری ندارند.

تولید برق با انرژی خورشیدی چگونه است؟

تابش خورشید ممکن است توسط سلول‌های خورشیدی (سلول‌های فتوولتائیک) مستقیماً به برق تبدیل شود. در چنین سلول‌هایی هنگامی که نور به محل اتصال فلز و نیمه هادی (مانند سیلیکون) یا محل اتصال بین دو نیمه هادی متفاوت برخورد می‌کند ولتاژ الکتریکی کوچکی ایجاد می‌شود، به این اثر فوتوولتائیک می‌گویند. در این فرآیند دو ماده غیر مشابه در تماس نزدیک با یکدیگر هنگام برخورد با نور یا انرژی تابشی ولتاژ الکتریکی تولید می‌کنند.

توان تولید شده توسط یک سلول فتوولتائیک تنها در حدود دو وات (2 W) است. با اتصال تعداد زیادی سلول جداگانه به یکدیگر همانند قطعات کوچک صفحه خورشیدی می‌توان صدها یا حتی هزاران کیلووات برق در یک نیروگاه برق خورشیدی یا در یک مجموعه بزرگ خانگی تولید کرد. بازده انرژی اکثر سلول‌های فتوولتائیک امروزی تنها در حدود 15 تا 20 درصد است و از آنجا که شدت تابش خورشید نیز پایین است تجهیزات بزرگ و پرهزینه سلول‌های از این نوع برای تولید مقادیر متوسط ​​انرژی لازم است.

در حال حاضر سلول‌های فتوولتائیک كوچكی كه با نور خورشید یا نور مصنوعی كار می‌كنند بیشترین نقش را در كاربردهای كم مصرف به عنوان مثال در نقش منبع تغذیه ماشین حساب‌ها یا ساعت‌ها پیدا كرده‌اند. از واحدهای بزرگتر این سلول‌ها برای تأمین برق پمپ‌های آب و سیستم‌های ارتباطی در مناطق دور افتاده و ماهواره‌های آب و هوا و مخابرات استفاده می‌شود.

پنل‌های سیلیکون کریستالی کلاسیک و فناوری‌های نوظهور با استفاده از سلول‌های خورشیدی با لایه نازک از جمله فتوولتائیک یکپارچه توسط صاحبان‌خانه‌ها و مشاغل در پشت بام نصب می‌شوند تا منبع برق معمولی را جایگزین یا تقویت کنند.

نیروگاه‌های خورشیدی از کلکتورهای متمرکز کننده یا همگرا کننده نور استفاده می‌کنند تا نور خورشید را از یک منطقه گسترده به یک گیرنده کوچک سیاه متمرکز کنند. در نتیجه شدت نور به طور قابل توجهی افزایش یافته و دماهای بالا تولید می‌شود.

آینه‌ها یا عدسی‌هایی که با دقت با یکدیگر تراز می‌شوند می‌توانند به اندازه کافی نور خورشید را متمرکز کنند تا هدف را تا دمای 2000 درجه سانتیگراد (3600 درجه فارنهایت) یا بیشتر گرم کنند. از این گرما می‌توان در یک دیگ بخار استفاده کرد که به نوبه خود بخار نیروگاه مولد برق توربین بخار را تولید می‌کند.

برای تولید مستقیم بخار، آینه‌ها و عدسی‌های متحرک را می‌توان طوری تنظیم کرد که مقدار زیادی تابش خورشید را بر روی لوله‌های سیاه شده‌ای که از آن آب جریان می‌یابد بتاباند و در نتیجه آب داخل لوله داغ و تبخیر می‌شود.

کاربردهای دیگر انرژی خورشیدی

از انرژی خورشیدی در مقیاس کوچک برای مقاصدی غیر از آنچه در بالا توضیح داده شد نیز استفاده می‌شود. به عنوان مثال در بعضی از کشورها از انرژی خورشیدی برای تولید نمک از آب دریا به وسیله تبخیر استفاده می‌شود.

به همین ترتیب واحدهای نمک زدایی با انرژی خورشیدی با تبدیل انرژی خورشید به گرما به طور مستقیم یا غیرمستقیم آب شور دریا را به آب آشامیدنی تبدیل می‌کنند و فرآیند نمک‌زدایی آب دریا را هدایت می‌کنند.

همچنین امروزه از فناوری انرژی خورشیدی برای تولید پاک و تجدید پذیر هیدروژن به عنوان منبع انرژی جایگزین استفاده می‌شود. این روش با تقلید از روش فتوسنتز صورت می‌گیرد و در آن برگ‌های مصنوعی دستگاه که از سیلیکون ساخته شده‌اند با استفاده از انرژی خورشیدی آب را به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می‌کنند و در واقع هیچ آلودگی باقی نمی‌ماند. با این حال برای بهبود کارایی و مقرون به صرفه بودن این دستگاه‌ها برای استفاده‌های صنعتی تحقیقات و کار بیشتری لازم است.

نحوه استفاده از انرژی خورشیدی چگونه است؟

انرژی خورشیدی یک فناوری بسیار انعطاف پذیر است که می‌توان آن را به صورت تولید توزیع شده (واقع در نقطه یا در نزدیکی محل استفاده) یا به عنوان یک نیروگاه خورشیدی در مقیاس مطلوب در ایستگاه مرکزی (مشابه نیروگاه‌های قدیمی) تولید و استفاده کرد.

همچنین انرژی تولید شده توسط روش‌های گفته شده در بالا را می‌توان با استفاده از فناوری‌های ذخیره‌سازی، ذخیره کرد و  برای استفاده پس از غروب خورشید به کار برد.

در حال حاضر انرژی خورشیدی در سیستم پیچیده و پیوسته برق در بسیاری از کشورها وجود دارد و در کنار سایر فناوری‌ها مانند انرژی باد برای تبدیل جهانی مجهز به اقتصاد انرژی پاک مشارکت می‌کند.

انرژی خورشیدی چه فایده‌ای دارد؟

انرژی خورشیدی دو مزیت بزرگ نسبت به سوخت‌های فسیلی (زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی) دارد. اول اینکه اگر چه می‌توان هنوز از سوخت‌های فسیلی با منابع محدود استفاده کرد اما یک منبع بی پایان از نور خورشید که منبع انرژی خورشیدی است وجود دارد.

دومین مزیت انرژی خورشیدی این است که انرژی خورشیدی مانند سوزاندن سوخت‌های فسیلی آلودگی ایجاد نمی‌کند. با این وجود تجهیزات مورد نیاز برای جمع‌آوری و استفاده از انرژی خورشیدی گران است و هزینه بالای انرژی خورشیدی استفاده از آن را محدود کرده است.

بازار انرژی خورشیدی در حال حاضر چگونه است؟

بیش از 88 گیگاوات (GW) سلول خورشیدی و فناوری‌های خورشیدی تنها در ایالات متحده نصب شده که برای تأمین انرژی $$16.4$$ میلیون خانه کافی است. طی دهه گذشته بازار انرژی خورشیدی در ایالات متحده هر ساله به طور متوسط ​​49 درصد رشد کرده است. در حال حاضر بیش از $$2.6$$ میلیون تجهیزات مربوط به انرژی خورشیدی در ایالات متحده وجود دارد که نوع آن‌ها از سیستم‌های کوچک در پشت بام خانه‌ها تا سیستم‌های بزرگ در مقیاس مطلوب که صدها مگاوات برق تمیز به شبکه برقی اضافه می‌کنند، متفاوت است.

در اروپا نیز استفاده از انرژی خورشیدی و فناوری‌های آن با توجه به هزینه‌های بالای تولید برق به صورت سنتی در حال پیشرفت و توسعه است. از سردمداران استفاده از انرژی خورشیدی در قاره سبز می‌توان به آلمان اشاره کرد.

در ایران نیز نیروگا‌های کوچک تولید برق احداث شده که از جمله قوی‌ترین آن‌ها می‌توان به نیروگاه تولید برق یزد، شیراز و همدان اشاره کرد. البته با توجه به مدت زمان تابش نور خورشید در ایران و پتانسیل کشورمان در این زمینه، استفاده از انرژی خورشیدی را می‌توان بیش از این توسعه و گسترش داد.

بهترین شرکت‌های تولید کننده پنل خورشیدی در دنیا و قیمت آن‌ها

طبق گزارشات و نظرات کاربران پنل‌های خورشیدی، در دنیا 20 شرکت به عنوان بهترین شرکت‌های تولید کننده پنل خورشیدی در سال 2020 در دنیا شناخته شده‌اند که در جدول زیر می‌توانید نام آن‌ها، کشور تولید کننده آن و قیمت این پنل‌های خورشیدی را مشاهده کنید.

قیمت خرید و نصب پنل خورشیدی چه قدر است؟

در جدول بالا قیمت هر وات از انرژی خورشیدی را برای برخی شرکت‌های برتر سال 2020 بیان کردیم. به صورت کلی و براساس محاسبات انجام شده در ژانویه 2019 قیمت هر بخش سلول خورشیدی با نصب آن $$2.19$$ دلار برآورده شده بود. این در حالی است که این قیمت از سال 2010 تا کنون $$61.3\%$$ کاهش داشته است.

در سال 2020 قیمت خرید و نصب یک سیستم خورشیدی 5 کیلوواتی (5000 واتی) برای مصارف خانگی $$21,870$$ دلار و قیمت نصب و خرید یک پنل 50 کیلوواتی برای مصارف تجاری $$124,100$$ دلار برآورد شده است. با افزایش قدرت دستگاه هزینه نصب و خرید نیز افزایش می‌یابد. برخی دولت‌ها برای تشویق مردم به خرید و نصب سلول‌های خورشیدی برای مصارف خانگی و تجاری تخفیفاتی نیز در نظر می‌گیرند که در نهایت قیمت تمام شده دستگاه کاهش پیدا می‌کند، جزئیات قیمت برای مصارف خانگی و تجاری را می‌توانید در جدول زیر مشاهده کنید.

در حال حاضر در ایران نیز شرکت‌های مختلفی وجود دارند که خدمات مربوط به سلول‌های خورشیدی را ارائه می‌دهند.

معایب و مزایای انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی نیز مانند بسیاری از منابع دیگر انرژی معایب و مزایای خاص خود را دارد. این نقص‌ها و مزیت‌ها را می‌توانید به طور خلاصه در جدول زیر مشاهده کنید:

چگونه یک سلول خورشیدی بسازیم؟

با توجه به قیمت بالای سلول خورشیدی و کاربردهای فراوان و متفاوت این سلول‌ها در تولید برق و گرمایش شاید بد نباشد که بخواهید با روش ساخت این سلول‌های خورشیدی آشنا شوید و شاید بخواهید ساخت آن‌ها را امتحان کنید. به همین دلیل در ادامه به شما یاد خواهیم داد که چگونه می‌توانید در تعطیلات خود سلول خورشیدی بسازید.

آماده سازی اکسید تیتانیوم

مرحله اول: در ابتدا نیاز به تیتانیوم اکسید یا $$TiO_{2}$$ دارید که احتمالاً با خودتان می‌گویید این را از کجا پیدا کنم؟ ولی نگران نباشید در چیزی که فکرش را نمی‌کنید یعنی آرد پخت دونات که اخیراً شرکت‌های مختلفی آن را تولید می‌کنند به تیتانیوم اکسید یا اکسید تیتانیوم خواهید رسید. یک بسته پودر تهیه دونات بخرید، ماده شیمیایی داخل این پودر اکسید تیتانیوم است که برای ساخت سلول خورشیدی استفاده می‌شود.

مرحله دوم: مشکل این است که این اکسید تیتانیوم خالص نیست و شامل چربی و شکر است و باید روی آن عملیات خالص سازی انجام دهید. برای این منظور پودر دونات را در آب داغ ریخته، هم نزنید و سپس از یک کاغذ صافی رد کنید (صافی‌های مربوط به قهوه برای این منظور بهتر است). چیزی که از صافی رد می‌شود و باقی می‌ماند چربی و اکسید تیتانیوم است. در قسمت جداسازی شکر، مقدار آب یک فنجان به ازای پودر مورد نیاز برای پنج دونات است.

مرحله سوم: در این مرحله می‌خواهیم چربی را از پودر جدا کنیم. برای جداسازی چربی از پودر آن را در یک ظرف بریزید و در داخل فر با دمای 260 درجه سانتی‌گراد برای 3 ساعت بگذارید. بعد از سه ساعت چیزی که در داخل ظرف شما باقی می‌ماند اکسید تیتانیوم است و چربی‌های موجود در پودر تبخیر شده است.

آماده سازی سلول خورشیدی

مرحله اول: از شیشه رسانا استفاده کنید. سطح بیشتر شیشه‌های رسانا با اکسید قلع ایندیم پوشانده می‌شوند. این موضوع کمک می‌کند تا سطح شیشه به جای اینکه به عنوان عایق برای جریان الکتریسیته باشد آن را هدایت کند. شما می‌توانید شیشه رسانا را به صورت آنلاین یا در یک فروشگاه لوازم خورشیدی خریداری کنید. این شیشه‌ها معمولاً در سایز مربع‌های یک در یک اینچی ($$2.54\times 2.54$$ سانتی‌متری) یافت می‌شوند.

مرحله دوم: یک محلول دی‌اکسید تیتانیوم درست کنید. در ظرف شیشه‌ای اتانول را به دی‌اکسید تیتانیوم اضافه کنید و هم بزنید. شما باید از خالص‌ترین اتانولی که می‌توانید پیدا کنید استفاده کنید. برای پودر هر دانه دونات یک میلی‌لیتر اتانول استفاده کنید و محلول را در لیوان یا ظرف در بسته خوب تکان دهید تا این دو به خوبی با هم حل شوند.

مرحله سوم: در این مرحله می‌خواهیم به شیشه‌ رسانا پوشش دی‌اکسید تیتانیوم اضافه کنیم. برای این منظور یک لایه چسب در سه طرف قطعه شیشه‌ای می‌چسبانیم این کار کمک می‌کند تا ضخامت لایه دی‌اکسید تیتانیوم را کنترل کنیم. با استفاده از یک قطره چکان یک قطره از محلول را روی شیشه می‌چکانیم و بر روس سطح شیشه پخش می‌کنیم و اضافی آن را بر می‌داریم. این کار را ده دفعه تکرار کنیم تا قطعه شیشه شما دارای پوشش نازکی از دی‌اکسید تیتانیوم ده باره شود.

مرحله چهارم: پخت سلول خورشیدی است. سلول خورشیدی را درون یک ظرف مخصوص شفاف و ضد حرارت قرار دهید. ظرف را روی یک صفحه فر یا هیتر بگذارید (می‌توانیدسلول خورشیدی را مستقیماً روی صفحه گرم قرار دهید). هیتر را روشن کرده و اجازه دهید سلول خورشیدی شما به مدت 10 تا 20 دقیقه بپزد. باید از نزدیک سلول خورشیدی خود را تماشا کنید. در فرآیند پخت در ابتدا رنگ سلول خورشیدی قهوه‌ای می‌شود و سپس به رنگ سفید بر می‌گردد. وقتی سلول به رنگ سفید اصلی خود بازگشت بدان معنی است که حلال‌های آلی (اتانول) سوخته و فرآیند پخت تمام شده است.

مرحله پنجم: سلول خورشیدی را با چای رنگ کنید. چای‌ها حاوی ترکیبات آلی معروف به آنتوسیانین هستند. این ترکیبات در جذب نور طیف مرئی عملکرد خوبی دارند. یک فنجان چای گیاهی دم کرده و سلول خورشیدی را برای چند ساعت در آن بیندازید. چای‌های تیره‌تر عملکردی و تاثیر بهتری دارند. این مرحله باعث رنگ‌دار شدن سلول و اتصال آنتوسیانین‌ها به سطح سلول می‌شود. سلول شما اکنون قادر به جذب نور مرئی است. قبل از رنگ کردن، سلول تنها می‌توانست نور طیف UV را جذب کند.

تولید جریان

مرحله اول: یک قطعه دیگر از یک شیشه رسانا را با گرافیت رنگ کنید. این تکه شیشه به عنوان ضد الکترود عمل خواهد کرد. می‌توانید از یک مداد ساده برای این کار استفاده کنید. نوک مداد را روی شیشه بمالید تا جایی که سطح شیشه کاملا با گرافیت پوشانده شود.

مرحله دوم: بین قطعات شیشه فاصله قرار دهید. می‌توانید یک لایه پلاستیکی نازک را برش دهید تا بین قطعات شیشه قرار گیرد. این پلاستیک باید روی سمت تمیز شیشه قرار گیرد (طرف مقابلی که روی آن را با گرافیت رنگ کرده‌اید). روش دیگر این است که می‌توانید نوار چسبی را در اطراف لبه‌های سمت تمیز شیشه قرار دهید تا یک فاصله‌دهنده تشکیل شود. با این کار شیشه‌ها تا حدی از هم جدا می‌شوند.

مرحله سوم: لازم است که به سلول خورشیدی خود یک محلول الکترولیت اضافه کنید. محلول ید، یک الکترولیت ایده‌آل است و در اکثر داروخانه‌ها می‌توانید آن را بدون نسخه دریافت کنید. محلول را به نسبت سه به یک با الکل مخلوط کنید و یک تا دو قطره از محلول را بین دو قطعه شیشه بریزید.

مرحله چهارم: تکه‌های شیشه را به هم فشار دهید. قبل از اینکه محلول الکترولیت بین شیشه‌ها فرصتی برای بخار شدن داشته باشد دو قطعه شیشه را محکم به هم فشار دهید. حتی می‌توانید برای فشردن شیشه‌ها به هم از گیره‌های کاغذ نیز استفاده کنید. حالا سلول شما آماده است و با قرار دادن آن در معرض نور خورشید می‌توانید جریان الکتریکی تولید کنید.

برای اینکه مطمئن شوید که سلول خورشیدی ساخته شده درست کار می‌کند آن را در زیر نور خورشید قرار دهید و توسط یک آمپر متر جریان آن را اندازه‌گیری کنید.

استفاده از انرژی خورشیدی در ایران

امروزه استفاده گسترده از انرژی خورشیدی به دلیل پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های انرژی خورشیدی بسیار امیدوارکننده است. براساس سیاست‌های فعلی جهانی مربوط به انرژی، نیروگاه‌های خورشیدی، بادی و زمین گرمایی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه هستند. استفاده از پتانسیل عظیم منابع انرژی‌های تجدید‌ پذیر را می‌توان با فرض فراهم بودن فناوری، سرمایه و بودجه اولیه، نیروهای متخصص و سایر منابع همراه با سیاست طولانی مدت استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر تحقق بخشید.

در میان منابع انرژی تجدید پذیر ایران دارای پتانسیل انرژی خورشیدی بالایی است. به همین دلیل بسیاری از سرمایه‌گذاران در داخل و خارج از کشور علاقه‌مند به سرمایه‌گذاری در توسعه انرژی خورشیدی در ایران هستند. مساحت کل ایران حدود 1,600,000 کیلومتر مربع یا $$1.6\times 10^{12}$$ متر مربع با حدود 300 روز آفتابی روشن در سال و به طور متوسط ​​2200 کیلووات ساعت تابش خورشید در هر متر مربع است. این میزان تابش دو برابر بیشتر از آلمان است که یکی از سردمداران استفاده از انرژی خورشیدی است.

با در نظر گرفتن تنها $$1\%$$ از کل مساحت و با بهره‌وری سیستم $$10\%$$ برای مهار انرژی خورشیدی می‌توان حدود 9 میلیون مگاوات ساعت انرژی را در روز به دست آورد. هدف دولت ایران در سال 2012 نصب 53,000 مگاوات نیروگاه برای تولید برق بود.

برای رسیدن به این هدف فرض بر این بود که می‌توان از تولید‌کنندگان و سرمایه‌گذاران مستقل از جمله سرمایه گذاران خارجی استفاده کرد. بر اساس برنامه پنج ساله 5 اقتصادی، اجتماعی و توسعه فرهنگی انتظار می‌رفت که بخش خصوصی سهمی حداقل 270 مگاواتی در توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر داشته باشد.

با بررسی‌های تکنیکی انجام شده و بر اساس فناوری‌های شناخته شده خورشیدی، منطقه خورشیدی ساخت نیروگاه، متوسط ​​ساعت خورشیدی و تابش مستقیم خورشید از لحاظ تکنیکی پتانسیل برق خورشیدی 14.7 تراولت برآورد شده است.

با توجه به نرخ رشد بالای تقاضای برق در ایران که در بین سال‌های 2001 تا 2007 سالیانه به مقدار $$8.9\%$$ افزایش یافته است انتظار می‌رود که سهم منابع انرژی‌های تجدید پذیر در کل ظرفیت برق ایران تا سال 2030 حدود$$2\%$$ باشد.

همچنین انتظار می‌رود که ظرفیت سلول‌های خورشیدی نصب شده تا سال 2030 به $$2.8$$ گیگاوات برسد که این موضوع نیاز به بیش از 2800 میلیون دلار سرمایه گذاری در این زمینه دارد.

با این همه در حال حاضر نیروگاه‌های خورشیدی با ظرفیت کم در شیراز، سمنان، طالقان، یزد، تهران، همدان و خراسان موجود و در حال فعالیت هستند. که در این بین یزد از بیشترین پنل نصب شده برخوردار است و حدود $$58.5$$ مگاوات برق را از این طریق تولید می‌کند. بعد از یزد فارس و همدان به ترتیب در رتبه‌های دوم و سوم تولید برق از طریق پنل‌های خورشیدی قرار دارند. همچنین با بررسی‌های انجام شده استان قزوین نیز پتانسیل بالایی برای تولید برق از طریق سلول‌های خورشیدی دارد.

انجمن انرژی خورشیدی جهانی

انجمن انرژی‌های تجدید پذیر یا IRENA (+) یک نهاد غیردولتی است که در انتقال دانش، تکنولوژی و استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر به کشورها کمک می‌کند. در حال حاضر 162 کشور در این مجمع عضو هستند که ایران نیز یکی از اعضای این مجمع است.

برای دریافت ساپورت و حمایت از جنبه‌های مختلف در انرژی های تجدید پذیر می‌توانید در وبسایت این مجمع درخواستی را تکمیل کرده و جزئیات پروژه‌ای که قصد انجام آن را دارید توضیح دهید. درخواست شما بررسی و نتیجه آن به شما اطلاع داده می‌شود.

در کنار این موضوع مجمع جهانی انرژی خورشیدی یا SEI (+) که در سال 1991 تاسیس شد نیز وجود دارد. این مجموعه یک سازمان آموزشی غیرانتفاعی است که ماموریت آنها ارائه آموزش فنی و تخصصی پیشرو در صنعت در زمینه انرژی‌های تجدید پذیر برای توانمندسازی مردم، جوامع و مشاغل در سراسر جهان است.

هدف اصلی این مجموعه، جهانی است که همه انرژی آن از انرژی‌های تجدید پذیر تامین شود. در این راستا این مجموعه دوره‌های آموزشی در زمینه‌های انرژی خورشیدی برگزار می‌کند و در هر دوره مدرک خاص آن دوره را اعطا می‌کند.

انجمن انرژی خورشیدی ایران

انجمن علمی انرژی خورشیدی ایران (+) بر اساس نیاز جامعه به متخصصان و اندیشمندان در بهره گیری از انرژی‌های پاک به جای سوخت‌های فسیلی به وجود آمده است. این مجموعه یک انجمن غیر انتفاعی است و زیر نظر معاونت پژوهشی وزارت علوم تحقیقات و فناوری فعالیت می‌کند.

از فعالیت‌ها و وظایف این انجمن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ایجاد و تحکیم روابط علمی و تحقیقاتی در سطح بین المللی در زمینه انرژی تجدید پذیر
• همکاری با نهادهای اجرایی علمی و پژوهشی در زمینه ارزیابی و بازنگری طرح‌ها و برنامه‌های مربوط به امور آموزش و پژوهش در زمینه علمی
• ترغیب و تشویق پژوهشگران و تجلیل از محققان و استادان ممتاز در زمینه انرژی‌های تجدید پذیر
• ارائه خدمات آموزشی و پژوهشی
• تشکیل گردهمایی‌های علمی در سطح ملی منطقه‌ای و بین المللی
• انتشار کتب و نشریات علمی در حدود موضوع انجمن پس از اخذ مجوزهای لازم

جمع‌بندی

این مطلب به مفهوم انرژی خورشیدی و کاربردهای آن اختصاص داشت. بدین منظور ابتدا در مورد مفهوم انرژی و منابع مختلف انرژی صحبت کردیم. سپس به بیان حقایقی در مورد خورشید پرداختیم. در ادامه روش‌های متفاوت استفاده از انرژی خورشیدی و کاربردهای متفاوت انرژی خورشیدی را معرفی کردیم. سپس به معرفی 20 شرکت برتر تولید کننده سلول خورشیدی در دنیا در سال 2020 پرداختیم و هزینه‌های مربوط به خرید و نصب یک سلول خورشیدی در کاربرد خانگی و تجاری را بیان کردیم.

بررسی وضعیت انرژی خورشیدی در ایران از دیگر موضوعاتی بود که در این مطلب به آن پرداختیم. به عنوان یک پروژه دانشجویی- دانش‌آموزی روش ساخت یک سلول خورشیدی را بیان کردیم و در نهایت ارگان‌ها و مجموعه‌های علمی مربوط به انرژی خورشیدی را در ایران و دنیا معرفی کردیم.