تبدیل مستقیم نور خورشید به برق چگونه ممکن است؟

سلول‌های خورشیدی، که به نام سلول‌های فتوولتایک نیز شناخته می‌شوند، رایج‌ترین فناوری برای تبدیل انرژی خورشیدی به برق به شمار می‌روند. آن ها از مواد نیمه هادی تشکیل شده‌اند که با استفاده از فرآیند معروف به اثر فوتوالکتریک، نور خورشید را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. سلول‌های فتوولتایک از لایه‌هایی از سیلیکون ساخته می‌شوند که به طور ویژه‌ای پردازش می‌شوند تا ویژگی‌های الکتریکی متفاوتی را به دست آورند. زمانی که نور خورشید به سلول برخورد می‌کند، الکترون‌ها در سیلیکون تحریک می‌شوند و این امر موجب می‌شود که آنها از میان لایه‌ها حرکت کرده و جریانی الکتریکی تولید کنند.

جریان الکتریکی که توسط یک سلول فتوولتایک تولید می‌شود، نوعی برق مستقیم (DC) است که مشابه برق مورد استفاده در باتری‌ها می‌باشد. اکثر منازل و کسب‌وکارها از برق متناوب (AC) بهره می‌برند، که این نوع برق از پریزهای دیواری تأمین می‌شود. برای تبدیل برق مستقیم (DC) تولید شده توسط سلول‌های فتوولتائیک به برق متناوب (AC) که قابل استفاده در خانه‌ها و مشاغل باشد، از دستگاهی به نام اینورتر استفاده می‌شود.

تولید برق از انرژی خورشیدی

از جنبه فنی، تولید انرژی الکتریکی از نور خورشید نیازمند توجه بیشتری است. به طور کلی، سیستم‌های فتوولتائیک به این صورت عمل می‌کنند: سیستم‌هایی که شامل پنل‌های خورشیدی و باتری‌های ذخیره‌سازی هستند، به طور فراوانی برای تولید برق از انرژی خورشیدی به کار می‌روند. سلول‌های خورشیدی تابش خورشید را دریافت کرده و انرژی را در باتری‌ها انباشته می‌سازند. این انرژی سپس می‌تواند در زمان واقعی و همچنین در شب مورد استفاده قرار گیرد. به خاطر ذخیره انرژی، خورشید برای حفظ ارزش منظومه شمسی نیازی به تابش مداوم ندارد. معمولاً یک سیستم خورشیدی به این صورت عمل می‌کند:

اشعه خورشید به پانل‌های خورشیدی می‌تابد و فوتون‌های آن را جذب می‌کند. این پانل‌ها، فوتون‌های خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این فرایند بلافاصله پس از برخورد اشعه خورشید با پانل‌ها آغاز می‌شود و هیچ تأخیر طولانی‌مدتی وجود ندارد. سیستم برق خورشیدی مستقیما جریان مستقیم تولید می کند. اینورتر، که معمولا روی دیوار گاراژ نصب می شود، نقش مهمی در تبدیل این جریان مستقیم به جریان متناوب ایفا می کند. امکان استفاده از این منبع انرژی در شبکه برق داخلی برای راه‌اندازی تلویزیون، روشن کردن لامپ‌ها و سایر دستگاه‌های الکتریکی وجود دارد. برخلاف گرما، الکتریسیته به تنهایی قابل ذخیره‌سازی نیست و این یک تفاوت اساسی است.

استفاده از انرژی خورشیدی راه‌حل‌های مختلفی را پیش روی ما قرار می‌دهد. می‌توانیم از انرژی تولیدشده به دو روش استفاده کنیم: استفاده مستقیم در خانه یا تغذیه آن در شبکه برق. مزیت دیگر این است که می‌توان سیستم فتوولتائیک را با سیستم ذخیره برق ترکیب کرد و بدین ترتیب، در عصر و شب نیز از برق تولیدشده در طول روز استفاده نمود.

مراحل تولید برق خورشیدی (سیستم فتوولتائیک)

1. نور خورشید توسط پنل‌های خورشیدی جذب می‌شود و این فرایند باعث آزاد شدن الکترون‌ها از سلول‌های سیلیکونی و تولید برق مستقیم (DC) می‌گردد.
2. برای استفاده از برق در خانه‌ها و مشاغل، به یک دستگاه اینورتر نیاز است که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل کند.
3. انرژی خورشید می‌تواند به دو روش ذخیره شود: یا در باتری‌ها برای استفاده در شب ذخیره شود، یا به شبکه شهری منتقل و به وزارت نیرو فروخته شود.
4. اگر پنل‌های خورشیدی شما نیازهای انرژی‌تان را برطرف نکند، می‌توانید از شبکه برق شهری، برق اضافی دریافت کنید.

تولید برق خورشیدی در مناطق دور از شبکه

در برخی مناطق دورافتاده که فاقد دسترسی به شبکه برق‌رسانی عمومی هستند، تولید برق خورشیدی به امری رایج تبدیل شده است. این مناطق برای تامین انرژی مصارف الکتریکی خود، به راه‌حل‌هایی فراتر از شبکه برق متکی هستند. راه‌اندازی نیروگاه‌های خورشیدی کوچک که چند خانوار یا چند ساختمان را تحت پوشش قرار می‌دهند، یا نصب سیستم آفگرید برای منازل یا ساختمان‌های منفرد، روش‌های متداولی برای تولید برق خورشیدی در این مناطق هستند.

در مناطق دورافتاده، برق خورشیدی با استفاده از تجهیزاتی مانند پنل‌های خورشیدی، باتری‌ها، اینورترها و کنترلرهای شارژ تولید می‌شود. این سیستم‌ها برق مورد نیاز را برای مصارف مختلف تامین می‌کنند و به دلیل دور بودن از شبکه برق اصلی، راه‌حلی کارآمد و مستقل برای تامین انرژی به شمار می‌روند.

تولید برق خورشیدی در مناطق شهری

در گوشه و کنار مناطق شهری، انقلاب انرژی خورشیدی در حال شکل‌گیری است. افراد زیادی وجود دارند که با نصب نیروگاه‌های خورشیدی متصل به شبکه، پا به میدان تولید برق خورشیدی گذاشته‌اند، حتی در مناطقی که دسترسی آسانی به برق شبکه دارند. این افراد با نصب پنل‌های خورشیدی و ایجاد نیروگاه‌های کوچک، برق خورشیدی تولید می‌کنند و مازاد آن را به شبکه می‌فروشند و درآمد کسب می‌کنند. این اقدام نه تنها نشان‌دهنده آگاهی و مسئولیت‌پذیری شهروندان است، بلکه گامی مهم در جهت استقلال انرژی و کاهش فشار بر منابع محدود فسیلی است.

برخی از افراد برق تولیدی خود را مصرف نمی‌کنند و ترجیح می‌دهند آن را به شبکه بفروشند. این افراد در واقع برق خورشیدی تولیدی خود را با قیمتی چندین برابر قیمت برق شبکه‌ای که مصرف می‌کنند، به فروش می‌رسانند. این امکان وجود دارد که در برخی موارد و شرایط، فردی هم برق تولید کند و هم از برق تولیدی خود استفاده نماید، اما این موضوع در مقایسه با فروش برق تولیدی به شبکه، کمتر رایج است.

تولید برق خورشیدی در کنار کشاورزی

استفاده از زمین‌های کشاورزی برای تولید برق خورشیدی، رویکرد جدیدی است که به مالکان زمین این امکان را می‌دهد تا از زمین خود برای دو منظور استفاده کنند. این روش در زمین‌هایی اجرا می‌شود که محصولات کشاورزی در آن‌ها در سایه بهتر رشد می‌کنند. پنل‌های خورشیدی با ایجاد سایه، نه تنها مانع رشد محصولات نمی‌شوند، بلکه باعث افزایش رشد آن‌ها نیز می‌گردند. بنابراین، تولید برق خورشیدی در کنار کشاورزی می‌تواند راه‌حلی پایدار و سودمند برای استفاده بهینه از زمین‌هایی باشد که قبلاً استفاده تک‌منظوره داشتند.

استفاده از پنل‌های خورشیدی روی زمین‌های کشاورزی، علاوه‌بر تولید انرژی پاک، مزیت خنک‌کردن پنل‌ها توسط تبخیر آب گیاهان را نیز دارد که باعث افزایش راندمان آن‌ها می‌شود. یکی از دلایل کاهش راندمان پنل‌های خورشیدی، بالا رفتن دمای آن‌هاست و روش‌های مختلفی برای مقابله با این مشکل پیشنهاد شده است. اما ایده قرار دادن پنل‌ها روی زمین کشاورزی، راه‌حلی خلاقانه و کاربردی است که بدون نیاز به هزینه‌های اضافی، مشکل گرمایش پنل‌ها را حل می‌کند و راندمان نیروگاه‌های خورشیدی را افزایش می‌دهد.