تحقیق در مورد انرژی خورشیدی و معایب آن

انرژی خورشیدی، همان انرژی دریافتی از خورشید است که بشر از دیرباز تاکنون از آن بهره برده است. انسان‌های نخستین به خوبی می‌دانستند چگونه از نور و گرمای این منبع بی‌پایان استفاده کنند.

در طول تاریخ، استفاده از انرژی خورشیدی تکامل یافته است. یونانیان و رومیان باستان خانه‌های خود را به گونه‌ای می‌ساختند که بیشترین نور خورشید را در زمستان جذب کند. داستان استفاده از آینه‌های بزرگ برای آتش زدن کشتی‌های دشمن، هرچند افسانه‌ای است، اما نشان‌دهنده درک کهن بشر از قدرت تمرکز نور خورشید است.

در عصر جدید، با پیشرفت علم، توانستیم این انرژی را به کمک صفحه‌های خورشیدی مستقیماً به برق تبدیل کنیم. این یک انقلاب بزرگ در زمینه تولید انرژی پاک بود.

اما مانند هر فناوری دیگری، انرژی خورشیدی تنها مزیت ندارد و معایبی نیز دارد. هزینه اولیه نصب و راه‌اندازی سیستم‌های خورشیدی می‌تواند بالا باشد. همچنین، تولید انرژی به هوا و ساعت روز وابسته است؛ در روزهای ابری یا در شب، تولید انرژی بسیار کاهش می‌یابد. علاوه بر این، ساخت صفحه‌های خورشیدی خود نیازمند منابع و انرژی است و بازیافت آن‌ها در پایان عمر مفیدشان چالشی مهم به شمار می‌رود.

با این وجود، انرژی خورشیدی به عنوان یکی از امیدبخش‌ترین منابع انرژی پاک برای آینده زمین شناخته می‌شود.

انرژی خورشیدی چیست؟

انرژی خورشیدی، همان نیرویی است که از خورشید به‌صورت نور و گرما به زمین می‌رسد. این انرژی، یکی از مهم‌ترین و پاک‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر در جهان به شمار می‌رود و در واقع، منبع اصلی تمام انرژی‌هایی است که روی کره زمین در دسترس ما قرار دارد. در ادامه، بیشتر با این موضوع آشنا خواهیم شد. با ما همراه باشید.

این انرژی به دو روش مستقیم و غیرمستقیم به شکل‌های دیگر انرژی مانند برق و گرما تبدیل می‌شود. مقدار انرژی‌ای که در هر ثانیه از خورشید منتشر می‌شود، عدد بسیار بزرگی در حدود ۱٫۳ × ۱۰ˆ۱۸ ژول است.

با وجود این که انرژی خورشیدی را می‌توان مانند بقیه انرژی‌ها به شکل‌های مفیدی مانند گرمایش و الکتریسیته تبدیل کرد، هنوز به طور گسترده از آن استفاده نمی‌شود. دلایل این موضوع عبارت‌اند از: کمبود دانش فنی و تجربه کافی برای تبدیل کارآمد این انرژی، تغییرات مداوم در میزان انرژی دریافتی به خاطر شرایط آب‌وهوایی، فصل‌های سال و زاویه تابش خورشید، و همچنین پخش بودن این انرژی در مناطق گسترده.

کاربرد منابع عظیم انرژی خورشید برای تولید برق، استفاده در سیستم‌های مکانیکی، گرم کردن فضاهای داخلی و ساختمان‌ها، خشک کردن محصولات کشاورزی و انجام واکنش‌های شیمیایی، به تازگی مورد توجه قرار گرفته و در حال توسعه است.

تاریخچه انرژی‌ خورشیدی

از گذشته‌های بسیار دور، انسان‌ها با انرژی خورشید آشنا بودند و از آن برای کارهای گوناگون بهره می‌گرفتند. شاید به روزگاران سفالگری بازمی‌گردد، زمانی که کاهنان معابد با جام‌های بزرگ و براق طلایی، نور خورشید را جمع می‌کردند و آتش محراب‌ها را روشن می‌نمودند. یکی از پادشاهان مصر باستان نیز معبدی ساخته بود که درهایش با طلوع خورشید باز و با غروب آن بسته می‌شد.

اما یکی از مشهورترین داستان‌ها دربارهٔ بهره‌گیری از انرژی خورشید، مربوط به ارشمیدس، دانشمند بزرگ یونان باستان است. می‌گویند او با نصب آینه‌های کوچک مربعی روی یک پایه متحرک، پرتوهای خورشید را از فاصله دور روی کشتی‌های دشمن متمرکز کرد و آن‌ها را آتش زد. در ایران باستان نیز معماری سنتی نشان می‌دهد که مردم آن زمان به خوبی می‌دانستند چگونه از انرژی خورشید به درستی استفاده کنند.

اگرچه مزایای انرژی خورشید از قرن‌ها پیش شناخته شده بود، اما هزینه بالای راه‌اندازی چنین سامانه‌هایی از یک سو، و دسترسی به نفت و گاز طبیعی ارزان از سوی دیگر، مانع گسترش آن شد. پس از افزایش ناگهانی قیمت نفت در سال ۱۹۷۳، کشورهای صنعتی ناچار شدند به دنبال روش‌های دیگری برای تولید انرژی بروند؛ روش‌هایی که به سوخت‌های فسیلی وابسته نباشند.

منابع انرژی تجدیدپذیر خورشیدی

با اندازه‌گیری میزان انرژی خورشیدی که به لایه‌های بالایی جو زمین می‌رسد، می‌توانیم کل انرژی دریافتی از خورشید را به دست آوریم. این مقدار تقریباً برابر با ۱.۸ × ۱۰^۱۱ مگاوات است. اما همه این انرژی به سطح زمین نمی‌رسد و بخشی از آن توسط لایه‌های مختلف هواکره جذب می‌شود.

مواد موجود در جهان بیشتر از دو عنصر هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند که بخش عمده‌ی آن‌ها در فضای بین ستاره‌ها و کهکشان‌ها پراکنده شده است. نیروی کشش گرانشی بین ذرات، باعث فشرده شدن گاز و غبار می‌شود و این تراکم، به تدریج ابرهای ستاره‌ساز را به وجود می‌آورد.

انرژی ذخیره شده در نیروی گرانش، دمای درون ستاره را افزایش می‌دهد و این افزایش دما، باعث بالا رفتن چگالی ستاره می‌شود. در نتیجه، دمای درونی آن آنقدر زیاد می‌شود که حالت پلاسمای خورشیدی پیدا می‌کند.

در چنین شرایطی، امکان همجوشی هسته‌ای فراهم می‌شود. هنگامی که دوتریوم و تریتیوم با هم ترکیب می‌شوند، مقدار مشخصی انرژی آزاد می‌شود (۱۷.۶ مگاالکترون‌ولت). بنابراین، همان‌طور که اشاره شد، انرژی دریافتی از خورشید به سطح زمین را می‌توان با استفاده از دستگاه‌های جمع‌آورنده خورشیدی مهار کرد و برای مصارف خانگی و صنعتی به کار برد.

انرژی خورشیدی در ایران

ایران با داشتن نزدیک به ۳۰۰ روز آفتابی در سال، یکی از مناسب‌ترین کشورهای جهان برای بهره‌گیری از انرژی خورشیدی به شمار می‌رود. به دلیل موقعیت جغرافیایی ایران و پراکندگی روستاها در مناطق مختلف، استفاده از انرژی خورشیدی می‌تواند راهکاری بسیار مناسب برای تأمین انرژی باشد.

به کارگیری انرژی خورشیدی در مقایسه با روش‌های دیگر انتقال برق به روستاها و مناطق دورافتاده، از نظر هزینه، جابه‌جایی، نگهداری و موارد مشابه، بسیار به‌صرفه و عملی است.

بر پایه استانداردهای جهانی، اگر میانگین انرژی دریافتی از خورشید در روز بیش از ۳٫۵ کیلووات ساعت بر مترمربع (معادل ۳۵۰۰ وات‌ساعت) باشد، استفاده از سامانه‌های خورشیدی مانند کلکتورهای خورشیدی یا پنل‌های فتوولتائیک، از نظر اقتصادی کاملاً توجیه‌پذیر است.

در بسیاری از مناطق ایران، میزان انرژی خورشیدی دریافت شده بسیار بیشتر از این مقدار استاندارد است و در بعضی نقاط حتی به ۷ تا ۸ کیلووات‌ساعت در مترمربع نیز می‌رسد. با این حال، به طور میانگین، انرژی تابشی خورشید در ایران حدود ۴٫۵ کیلووات‌ساعت بر مترمربع برآورد شده است.

تاکنون با توجه به شرایط جغرافیایی ایران، تعداد زیادی آبگرمکن خورشیدی و همچنین چندین حمام خورشیدی در مناطق مختلف از جمله استان‌های خراسان، سیستان و بلوچستان، یزد و کرمان نصب و مورد استفاده قرار گرفته است.

پیشنهاد: تأمین برق پاک با استفاده از پنل‌های خورشیدی.

معایب صفحات خورشیدی

قیمت بالا

پیشرفت انرژی خورشیدی در هر کشور، به برنامه‌ریزی دقیق وابسته است. وقتی یک کشور برای توسعه این انرژی برنامه داشته باشد، می‌تواند مشوق‌های مناسبی ایجاد کند تا استفاده از انرژی خورشید در مقایسه با دیگر منابع انرژی، جذاب‌تر شود.

دلیل این نیاز به برنامه‌ریزی و حمایت دولت این است که هزینه اولیه راه‌اندازی سیستم‌های خورشیدی بسیار بالا است. از این رو، سرمایه‌گذاران خصوصی برای خرید و نصب پنل‌های خورشیدی، به دریافت تسهیلات مالی و حمایت نیاز دارند.

متناوب بودن

نور خورشید یک منبع انرژی همیشگی نیست و فقط در ساعات مشخصی از روز در دسترس است. علاوه بر این، پیش‌بینی وضعیت آب و هوا همیشه آسان نیست و ممکن است هوا ابری یا بارانی شود. به همین دلیل، نمی‌توان تنها روی انرژی خورشید به عنوان منبع اصلی تولید برق حساب کرد.

ذخیره سازی هزینه بر

دستگاه‌هایی که انرژی خورشیدی را ذخیره می‌کنند، مثل باتری‌ها، باعث می‌شوند برق به صورت یکنواخت و پایدار در اختیار ما قرار بگیرد. اما این فناوری‌ها هزینه بسیار بالایی دارند.

 آلایندگی

اگرچه انرژی خورشیدی به خودی خود پاک و بدون آلودگی است، اما چالش‌هایی هم در مسیر استفاده از آن وجود دارد. برخی از موادی که برای ساخت صفحات خورشیدی به کار می‌روند، مانند نیتروژن تری‌فلوراید و سولفور هگزافلوراید، گازهای گلخانه‌ای منتشر می‌کنند. علاوه بر این، جابجایی و نصب این صفحات نیز ممکن است به طور غیرمستقیم باعث ایجاد آلودگی شود.

مواد نایاب

برخی از انواع صفحه‌های خورشیدی برای ساخت به موادی نیاز دارند که هم قیمت بالایی دارند و هم به مقدار کم در طبیعت یافت می‌شوند. این موضوع در مورد سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک که با ترکیباتی مانند کادمیوم تلوراید یا مس ایندیوم گالیوم سلناید ساخته می‌شوند نیز صدق می‌کند.

نیازمند فضا

وقتی می‌خواهیم بدانیم از یک منطقه خاص چقدر انرژی می‌توان گرفت، یکی از معیارهای مهمی که بررسی می‌شود، “چگالی توان” است که با واحد وات بر متر مربع (W/m²) سنجیده می‌شود.
اگر یک نیروگاه خورشیدی چگالی توان کمی داشته باشد، به این معناست که برای تولید برق مورد نیاز، باید زمین وسیعی برای نصب صفحات خورشیدی در نظر گرفته شود. به طور میانگین، در سطح جهان، چگالی توان تابش خورشید حدود ۱۷۰ وات بر متر مربع است.
منابع: ویکی‌پدیا، دانشنامه رشد، شرکت رویان صنعت