در این مطلب قصد داریم انرژی خورشیدی به زبان ساده : مبانی فناوری فتوولتائیک خورشیدی را مورد بررسی قرار دهیم. این مقاله در واقع ترجمه ای است از اولین مقاله های تخصصی در این زمینه که در سال 1996 توسط گروه تحقیقاتی nrel منتشر شده است.
مبانی فناوری فتوولتائیک خورشیدی
فتوولتائیک (که اغلب به اختصار PV نامیده می‌شود) نام خود را از فرآیند تبدیل نور (فوتون) به الکتریسیته (ولتاژ) گرفته است که اثر فتوولتائیک نامیده می‌شود. این پدیده اولین بار در سال ۱۹۵۴ توسط دانشمندان آزمایشگاه‌های بل مورد استفاده قرار گرفت که یک سلول خورشیدی کارآمد از سیلیکون ساختند که در معرض نور خورشید جریان الکتریکی تولید می‌کرد. سلول‌های خورشیدی به زودی برای تأمین انرژی ماهواره‌های فضایی و اقلام کوچک‌تر مانند ماشین حساب و ساعت مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه، برق حاصل از سلول‌های خورشیدی در بسیاری از مناطق از نظر هزینه رقابتی شده است و سیستم‌های فتوولتائیک در مقیاس بزرگ برای کمک به تأمین انرژی شبکه برق مستقر می‌شوند.
سلول‌های خورشیدی سیلیکونی
اکثریت قریب به اتفاق سلول‌های خورشیدی امروزی از سیلیکون ساخته شده‌اند و هم قیمت مناسب و هم راندمان خوب (میزان تبدیل نور خورشید به الکتریسیته توسط سلول خورشیدی) را ارائه می‌دهند. این سلول‌ها معمولاً در ماژول‌های بزرگتری مونتاژ می‌شوند که می‌توانند روی سقف ساختمان‌های مسکونی یا تجاری نصب شوند یا روی قفسه‌های زمینی مستقر شوند تا سیستم‌های عظیم و در مقیاس صنعتی ایجاد کنند.
“سلول های خورشیدی که سلول های فتوولتائیک نیز نامیده می شوند، نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کنند.”
سلول‌های خورشیدی فیلم نازک
یکی دیگر از فناوری‌های رایج فتوولتائیک، سلول‌های خورشیدی فیلم نازک است، زیرا از لایه‌های بسیار نازکی از مواد نیمه‌هادی مانند تلورید کادمیوم یا دی‌سلنید گالیوم ایندیوم مس ساخته شده‌اند. ضخامت این لایه‌های سلولی تنها چند میکرومتر است – یعنی چند میلیونیم متر.
سلول‌های خورشیدی فیلم نازک می‌توانند انعطاف‌پذیر و سبک باشند و این امر آنها را برای کاربردهای قابل حمل – مانند کوله پشتی یک سرباز – یا برای استفاده در سایر محصولات مانند پنجره‌هایی که از خورشید برق تولید می‌کنند، ایده‌آل می‌کند. برخی از انواع سلول‌های خورشیدی فیلم نازک همچنین از تکنیک‌های تولیدی بهره می‌برند که به انرژی کمتری نیاز دارند و نسبت به تکنیک‌های تولیدی مورد نیاز سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، مقیاس‌پذیری آسان‌تری دارند.
سلول‌های خورشیدی III-V
نوع سوم فناوری فتوولتائیک، نام خود را از عناصر تشکیل‌دهنده‌ی آنها گرفته است. سلول‌های خورشیدی III-V عمدتاً از عناصر گروه III – مانند گالیوم و ایندیوم – و گروه V – مانند آرسنیک و آنتیموان – جدول تناوبی ساخته می‌شوند. ساخت این سلول‌های خورشیدی عموماً بسیار گران‌تر از سایر فناوری‌ها است. اما آنها نور خورشید را با راندمان بسیار بالاتری به برق تبدیل می‌کنند. به همین دلیل، این سلول‌های خورشیدی اغلب در ماهواره‌ها، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین و سایر کاربردهایی که نیاز به نسبت بالای توان به وزن دارند، استفاده می‌شوند.
سلول‌های خورشیدی نسل بعدی
محققان سلول خورشیدی در NREL و جاهای دیگر نیز در حال پیگیری بسیاری از فناوری‌های جدید فتوولتائیک هستند – مانند سلول‌های خورشیدی ساخته شده از مواد آلی، نقاط کوانتومی و مواد ترکیبی آلی-معدنی (که به عنوان پروسکایت نیز شناخته می‌شوند). این فناوری‌های نسل بعدی ممکن است هزینه‌های پایین‌تر، سهولت بیشتر در ساخت یا مزایای دیگری را ارائه دهند. تحقیقات بیشتر نشان خواهد داد که آیا این وعده‌ها می‌توانند محقق شوند یا خیر.
در صورتی که علاقه مند به مطالعه در زمینه پنل های خورشیدی یا تجهیزات برق خورشیدی هستید میتوانید از دیگر مقالات مانند سیستم‌های برق خورشیدی آفگرید و آنگرید چیست؟ و نیروگاه برق خورشیدی: راهکاری پایدار برای آینده انرژی نیز دیدن فرمایید.
تحقیقات قابلیت اطمینان و ادغام شبکه
تحقیقات فتوولتائیک چیزی بیش از ساخت یک سلول خورشیدی با راندمان بالا و هزینه کم است. صاحبان خانه و مشاغل باید مطمئن باشند که پنل‌های خورشیدی که نصب می‌کنند، عملکردشان کاهش نمی‌یابد و سال‌ها به تولید قابل اعتماد برق ادامه می‌دهند. شرکت‌های برق و تنظیم‌کننده‌های دولتی می‌خواهند بدانند که چگونه می‌توان سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی را به شبکه برق اضافه کرد، بدون اینکه تعادل دقیق بین عرضه و تقاضای برق را بی‌ثبات کنند.
دانشمندان مواد، تحلیلگران اقتصادی، مهندسان برق و بسیاری دیگر در NREL در تلاشند تا به این نگرانی‌ها رسیدگی کنند و اطمینان حاصل کنند که فتوولتائیک‌های خورشیدی منبع انرژی پاک و قابل اعتمادی هستند.
جمع بندی
در این مقاله یافتیم که آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر (NREL) که در زمینه فناوری‌های فتوولتائیک (PV) پیشرو است، بر توسعه مواد پیشرفته، افزایش بازدهی سلول‌های خورشیدی، بهبود دوام پنل‌ها، یکپارچگی با شبکه برق و کاهش هزینه‌های تولید تمرکز دارد. تحقیقات NREL شامل سلول‌های سیلیکونی، فیلم نازک، پروسکایت و فتوولتائیک ارگانیک است که بازدهی و پایداری را بهبود می‌بخشد.
این آزمایشگاه رکوردهای جهانی در بازدهی سلول‌های خورشیدی ثبت کرده و با آزمایش‌های محیطی و مدل‌سازی، طول عمر پنل‌ها را تضمین می‌کند. NREL همچنین با توسعه فناوری‌های ذخیره‌سازی و اینورترهای هوشمند، یکپارچگی سیستم‌های خورشیدی با شبکه برق را تسهیل می‌کند. همکاری‌های بین‌المللی و ابزارهای تحلیلی NREL، مانند نرم‌افزار SAM، به گسترش جهانی انرژی خورشیدی کمک می‌کند. در مجموع، NREL با نوآوری در فناوری‌های PV، انرژی خورشیدی را مقرون‌به‌صرفه‌تر و قابل‌اعتمادتر می‌سازد.
