سلول خورشیدی

انرژی فوتوولتاییک (انرژی خورشیدی) تبدیل نور خورشید به الکتریسیته از طریق یک سلول فتوولتاییک (pvs) است كه به طور معمول یک سلول خورشیدی نامیده می‌شود. سلول خورشیدی وسیله‌ای است برای تولید مستقیم الکتریسیته است. این سلول‌ها یک ابزار غیر مکانیکی است كه معمولاً از آلیاژ سلیکون ساخته می‌شود‌. نور خورشید از فوتون‌ها یا ذرات انرژی خورشیدی ساخته شده است. انرژی خورشید یکی از منابع تامین انرژی رایگان، پاک و بدون اثرات مخرب زیست محیطی است. با توجه به بحران انرژی در سال‌های اخیر و همچنین كاهش آلودگی و صرفه جویی در مصرف انرژی و كنترل عرضه و تقاضای انرژی‌، جایگزینی انرژی‌های تجدید پذیر مانند انرژی خورشیدی با انرژی‌های فسیلی اهمیت زیادی یافته است.

سلول‌های خورشیدی با فتوسل‌‌‌ها متفاوت هستند. در فتوسل‌ها با استفاده از خواص رسانائی نوری مواد شدت نور قابل اندازه گیری است. این قطعات نه برای تولید الكتریسیته بلكه برای اندازه گیری شدت نور در تجهیزات عكاسی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مزایا و معایب سلول خورشیدی

انواع سلول‌‌ خورشیدی

سلول‌‌ خورشیدی تا به امروز در سه نسل مختلف ارایه شده‌اند.

نسل اول‌

سلول‌های خورشیدی سیلیکونی هستند كه رایج‌ترین نوع موجود در بازار نیز هستند. مشکل اصلی این سلول‌ها گران قیمت بودن مواد اولیه مورد نیاز برای ساختن آن‌هاست.

نسل دوم‌

سلول‌هایی هستند كه با استفاده از مواد نیمه هادی ساخته می‌شوند. قیمت كمتری نسبت به نسل اول دارند اما بازده‌ی كمتری دارند‌.

‌نسل سوم‌

نمونه‌های تقویت شده‌ای از سلول‌های نسل دوم ‌كه در ساخت آنها از مواد نیمه هادی در ابعاد نانو و رنگ دانه‌ای مختلف برای جذب نور استفاده شده است. از آنجایی كه برای ساخت سلول‌های بهتر باید به كاستن میزان ماده مصرفی و كاهش هزینه اندیشید می‌توان با ساخت سلول‌های نازک‌تر و بهینه كردن ظرفیت جذب نور با كاهش هزینه بازده سلول‌ها را افزایش داد. یکی از راه‌های بهبود جذب نور استفاده از نانو ذرات فلزات نجیب است.

مشکلات و ویژگی‌های استفاده از انرژی خورشیدی

دو مشکل اصلی در استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد. مشکل اول این است که این انرژی از راه‌های مختلف و متغیر به زمین می‌رسد. در این بین امکان تغییر مقادیر آن در مکان‌ها و زمان‌های مختلف وجود دارد. برای مثال در یک نقطه از زمین، در هنگام شب، تابش خورشید متوقف می‌شود. در زمستان نیز میزان تابش کم‌تر از تابستان است. همچنین میزان انرژی خورشیدی دریافتی توسط ساکنین زمین، بسته به عرض و طول جغرافیایی و همچنین ارتفاع از سطح زمین در هر منطقه متفاوت است.

مشکل دوم این است که برای جمع‌ آوری انرژی خورشیدی، نیاز به سطح زیادی داریم. در واقع، بر خلاف سایر ادوات الکترونیکی مانند مدارهای مجتمع (IC) که هر روزه اندازه‌ی آنها کوچک‌تر می‌شود، سلول‌های خورشیدی ادواتی وابسته به سطح هستند و هر چه سطح بزرگ‌تری داشته باشند، انرژی بیشتری نیز تولید می‌کنند.

الکتریسیته می‌تواند به صورت مستقیم به وسیله ادوات فتوولتائیک از انرژی خورشیدی به دست آید. دلیل اینکه بر روی مستقیم بودن این تبدیل تاکید می‌کنیم، از این جهت است که انرژی الکتریکی را می‌توان با روش‌های غیرمستقیم نیز از خورشید به دست آورد. برای مثال، موتورهای بخاری وجود دارد که انرژی لازم برای گرم کردن یک مایع را توسط جمع کننده‌های نور خورشید دریافت می‌کنند و آن را در یک محل مشخص متمرکز می‌نمایند. به این ترتیب مایع به بخار تبدیل شده و در نهایت در ژنراتور بخار، انرژی الکتریکی تولید می‌شود.

در مقایسه با سایر روش‌های تولید انرژی الکتریکی، سیستم‌های فتوولتائیک الکتریسیته تمیز و در دسترس را بدون مصرف هر گونه سوخت فسیلی و بدون هر گونه حرکت مکانیکی تولید می‌کنند. این فرآیند به صورت خلاصه این گونه است که جذب انرژی موجود در نور خورشید توسط یک ماده نیمه هادی منجر به تولید الکترون شده و با خروج این الکترون‌ها از ماده، جریان الکتریکی شکل می‌گیرد.

انرژی خورشیدی و ساختمان سازی

امروزه با توجه به رشد جمعیت در دنیا، شاهد رشد بخش صنعت هستیم. خصوصاً صنعت ساخت و ساز ساختمان. پس از یک طرف با افزایش مصرف سوخت مواجه هستیم که نتیجه آن تولید غیر قابل کنترل آلاینده‌های زیست محیطی ساختمانی است و از سوی دیگر، عدم رعایت استاندارد‌ها و عدم وجود عایق در بسیاری از ساختمان‌ها که منجر به افزایش مصرف سوخت شده است.‌ این افزایش در مصرف سوخت ناشی از نقص فنی ساختمان‌ها و لوازم خانگی است و شرایط فعلی افزایش مصرف سوخت را بدتر کرده است.‌

در بحث مطالعه و بررسی‌های لازم در خصوص استفاده از انرژی خورشیدی در ساختمان سازی و با توجه به مقدار تابش زیادی که در طی روز بر روی ساختمان‌ها وجود دارد با دریافت‌، انباشت و توزیع مناسب انرژی خورشیدی می‌توان در مصرف حداقل انرژی گرمایشی یا سرمایشی از طریق شناخت بهتر خواص مصالح به کیفیت برتر در بهره برداری‌، ‌دسترسی پیدا کرد.

در عصر حاضر انرژی خورشیدی توسط سیستم‌های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری می‌شود که شامل موارد زیر است.

• استفاده ار انرژی حرارتی خورشیدی برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی
• تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته به وسیله تجهیزاتی به نام فتوولتاییک و همچنین توجه به معماری بومی و اقلیم محلی.
• بخش اعظم انرژی اولیه تولید شده در جهان در صنعت ساختمان و برای گرم کردن در زمستان و در تابستان برای سرمایش ساختمان مصرف می‌شود.

در حقیقت به لحاظ عدم عایق بندی و درز بندی مناسب و نیز عدم استفاده از مصالح مرغوب یا عدم تطابق ساختمان با شرایط اقلیمی و فرهنگی‌، مصرف انرژی در ساختمان‌ها به خصوص در ایران بسیار بالا است.

یکی از منابع رایگان و قابل دسترس انرژی در دنیا خورشید است. استفاده از انرژی خورشیدی برای گرم کردن آب مصرفی یا شوفاژ جهت گرمایش ساختمان می‌تواند هزینه‌های آب گرم منازل مسکونی را حدوداً ۷۰٪ ساختمان‌های هر شهر را تشکیل می‌دهد را تا حدود ۶۰٪ در طی سال کاهش دهد.

با استفاده از آبگرم کن‌های خورشیدی و سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی خورشیدی می‌توان در کل عمر ساختمان، هزینه‌های بسیاری را صرفه جویی کرد و نیز این سیستم‌های می‌توانند در حفظ منابع طبیعی و محیط زیست به مردم کمک موثری کنند.

معمولاًدر سیستم‌های خورشیدی یک سیستم کمکی هم قرار دارد که در روزهایی که ممکن است انرژی خورشیدی برای تامین گرمایش مورد نیاز کافی نباشد از آن استفاده شود.

استفاده از سیستم‌های خورشیدی یک سرمایه گذاری منطقی و از دیدگاه حفظ محیط زیست و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای‌، سرمایه گذاری منطقی است.

در مناطق گرم و خشک‌، شدت تابش و زمان آن بسیار زیاد است به طوری که انرژی خورشیدی به صورت تابش مستقیم و بدون دخل و تصرف خاص در آن در بیش از ۸۵٪ روزهای سال، تقریباً آزار دهنده است.

نکات اجرایی در طراحی ساختمان

به طور عمده در طراحی ساختمان‌ها در مناطق گرم و خشک با در نظر گرفتن مسایل اقلیمی و استفاده از انرژی خورشیدی به نکات مهم باید توجه داشت.

• ‌جلوگیری از ورود انرژی خورشیدی غیر ضرر به داخل ساختمان، به لخاظ موقعیت اقلیمی این مناطق که معمولاً مشکل گرم کردن ساختمان مطرح نیست. از طرق مختلف من جمله عایقکاری به صورت ایزولاسیون بام‌ها‌، دیوارهای ضخیم یا هر دو لایه یا دیوراهای با بازشوهای کم یا ترمب، استفاده از پنجره‌های دو جداره یا کلاً پشت به خورشید برای دفع گرما و جلوگیری از شدت تابش آفتاب.
• ‌در طراحی اقلیمی در برابر تابش‌های شدید و مزاحم، ساختمان‌ها را باید طوری بسازیم تا با استفاده از مصالح سنگین و از بابت سازگاری با اقلیم و طبیعت در جهت خنک کردن یا گرم نگهداشتن ساختمان مشکلی وجود نداشته باشد و در مقایسه با انرژی الکتریکی مصرفی در ساختمان برای رسیدن به شرایط آسایش در طویل المدت بسیار ناچیز است.
• استفاده از حداکثری از انرژی خورشیدی در دریافت‌، انباشت و تبدیل آن توسط دستگاه‌ها و ابزارهای نه چندان پیچیده‌. به طوری که عامه مردم بتوانند به راحتی از آن استفاده کنند و این تبدیل به یک فرهنگ در جهت صرفه جویی اقتصادی تبدیل شود.
• در این راستا هدف کم کردن هزینه انرژی برای ایجاد شرایط در ساختمان‌ها است. که به عنوان مثال پوسته یک ساختمان یعنی سطوح خارجی در ارتباط با فضای آزاد به عنوان یک مبادله کننده قوی نقش مهمی در این بین دارد.

روش‌های استفاده از سلول‌های خورشیدی در صنعت ساختمان

در بحث استفاده از ‌سلول‌‌ خورشیدی به دو طریق می‌توان عمل کرد.

• روش جذب ترمیک، یعنی دریافت‌، انباشت و توزیع و تبدیل انرژی به حرارت برای گرمایش خانه و نیز تولید آب گرم مصرفی یا شوفاژ.
• روش فتوولتاییک که شامل تبدیل انرژی خورشیدی از طریق سلول‌ها و پنل‌ها به انرژی برق برای گرمایش‌، سرمایش و نیز راه اندازی دستگاه‌های الکتریکی مورد نیاز در ساختمان که از برق تغذیه می‌شوند.

در روش اول بخش اعظم دریافت انرژی خورشیدی در ساختمان در اثر انعکاس نور آفتاب از سطوح افقی و عمودی کنار و اطراف آن است که مربوط به زمین و ساختمان‌های پیرامون است که با تغییر رنگ آن به تیره از انعکاس آنها می‌توان جلوگیری کرد.

راه دیگر برای کاستن شدت تابش در تابستان در اقلیم گرم و خشک‌، حرکت دادن هوا و عبور باد در دور تا دور و اطراف ساختمان است که باید دیوارها را خنک کنیم و از سطوح روشن در پوسته خارجی ساختمان جهت عدم جذب تابش و نیز از سایبان‌های افقی و عمودی بر روی پنجره‌ها و باز شوها جهت ایجاد سایه استفاده کنیم.

مقدار انرژی خورشیدی تابیده شده در طول سال به هر نقطه از مین بستگی به شدت و دوام تابش و نیز مدت زمان آن دارد. اما هدف اصلی آماده سازی محیط برای ایجاد تعادل حرارتی دن انسان و محیط اطرافش برای زیست بشری است. در مناطق گرم و خشک و درطول روز تابستان شرایط طبیعی از حوزه آسایش فاصله دارد. لذا تهویه هم از نظر تعادل آب بدن و هم از نظر آسایش حرارتی به صلاح نیست.

صاف بودن آسمان باعث می‌شود تا شب‌ها بسیار سرد باشند و به همین لحاظ ساختمان‌هایی که دارای سقف و دیوارهای ضخیم و نیز از مصالح سنگین هستند. به واسطه اینکه هوای داخلی را در طی شبانه ورز نسبتاً ثابت حفظ می‌کنند‌ بسیار مفید است.

روش صحیح این است که در چنین بناهایی پنجره‌ها را در شب باز کنیم تا هوای خنک وارد ساختمان شود و سپس در طی روز آنها را ببندیم تا خنکی محبوس شده در فضاها تا دیر هنگام باقی بماند و گرمای روز این خنکی حبس شده را از بین نبرد.

فناوری نانو در ساخت سلول‌‌ خورشیدی

دانشمندان با استفاده از فناوری‌های نانو موفق شده‌اند تا سلول‌هایی با جذب ۹۰ درصد تابش خورشید، بسازند. چنین تولیدی به ما اجازه می‌دهد تا اثر بخشی توان خورشیدی متمرکز خود را به شدت افزایش دهیم. بر خلاف سلول‌های خورشیدی سنتی، سلول‌های مدرن با جذب انرژی‌ متمرکز، با گردآوری نور خورشید از طریق آیینه‌ها و تمرکز آن‌ها بر روی نمک‌های آب شده، به تولید انرژی بیشتر می‌پردازند. این نمک‌های حرارت دیده برای تولید بخار و در نتیجه تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار می‌گیرند.

‌فناوری‌های جدید می‌تواند حرارت بالا را تحمل کند و برای سال‌ها در محیط‌های گوناگون دوام بیاورد. با استفاده از این فناوری، کشور‌های در حال توسعه قادر به ساخت کارخانه‌های تولید انرژی متمرکز خورشیدی خواهند بود. و این در حالی است که دیگر نیاز به تعمیرات گسترده در مدت زمان کوتاه نخواهند بود. این فناوری می‌واند در کارخانه‌های فعلی ادغام و ‌با بازسازی آن‌ها مجدداً انرژی‌های پاک تولید نمود.

كاربرد نانو تكنولوژی در سلول‌‌‌های خورشیدی

كاربرهای نیروگاهی

تاسیساتی كه با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الكتریسیته تبدیل می‌شود نیروگاه حرارتی خورشید نامیده می‌شود. در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخش‌های خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربین‌هاست. یا به عبارت دیگر می‌توان گفت كه این نیروگاه‌ها شامل دو قسمت سیستم خورشیدی كه پرتو‌های خورشید را جذب كرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می‌نماید.

آبگرمكن‌های خورشیدی و حمام خورشیدی‌

می‌توان از انرژی حرارتی خورشید جهت تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماكن عمومی استفاده كرد. همچنین با افزایش ظرفیت این سیستم‌ها می‌توان از آنها در حمام‌های خورشیدی استفاده نمود.

گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطلوب خورشیدی

همچنین با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم‌های خورشیدی می‌توان علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم‌ها در فصول گرم برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.

آب شیرین کن خورشیدی

زمانی كه حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت كم روی آب شور تاثیر بگذارد فقط آب تبخیر می‌شود و املاح باقی می‌ماند و سپس با استفاده از روش‌های مختلف می‌توان آب تبخیر شده را شیرین و قابل استفاده كرد. با این روش می‌توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی كه دسترسی به آب شیرین ندارند را تامین كرد مانند جزایر قشم، كیش و لاوان. آب شیرین كن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می‌شود.

‌خشك كن خورشیدی‌

گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات كه باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باكتری‌ها می‌شود را فرایند خشك كردن می‌نامیم. در خشك كن‌های خورشیدی به طور مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشك نمودن مواد استفاده می‌شود.

‌ساخت ‌سلول‌‌ خورشیدی‌ به کمک نانو ذرات اکسید روی

این روش علاوه بر سازگاری با محیط زیست، قابلیت کنترل اندازه و ساختار محصول نهایی را به راحتی امکان‌پذیر می‌کند. ‌در این کار، تولید نانو ساختارهای مذکور، با استفاده از روش سونو شیمیایی انجام گرفته است. استفاده از این روش، سبب کاهش مدت زمان تولید نانو ساختارهای اکسید روی می‌شود. ‌تنها در مدت زمان نیم ساعت نانو ساختارهای اکسید روی تولید شده است. این روش، سبب کاهش انرژی مصرفی و افزایش بازده تولید می‌شود.

‌چنانچه نانو ساختارهای اکسید روی با ساختارهای مختلف و در محیط‌های یون مایع تولید شوند، خواص نوری متفاوتی از خود نشان می‌دهند. مایعات یونی بر اساس نوع ساختار و غلظت، در حلال آرایش‌های متفاوتی خواهند داشت که نتیجه آن خودآرایی نانو ذرات و ساختارهای مختلف آن‌ها خواهد شد.