سلول های فتوولتائی بعنوان واحد دریافت کننده انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انرژی الکتریکی دارای اهمیت ویژه ای در تامین انرژی برق از منابع انرژی های تجدیدپذیر می باشد. سلول های فتوولتائی یا خورشیدی در حقیقت بلورهای نیمه هادی سیلیکون و همچنین شکل غیربلوری آن هستند که پردازش شده و عملیاتی روی آنها انجام میگیرد؛ بطوریکه اساس پدیده فتوولتائی جذب فوتون نور، تولید جفت الکترون ـ حفره و جداسازی الکترون ها و حفره های تولید شده به وسیله مبدل الکتریکی در داخل ماده نیمه هادی استوار می شوند پدیده تولید ولتاژ و جریان باین روش اثر فتوولتائی نامیده می شود.
یکی از دانشمندان در حین آزمایش دیویدهای تولیدی در آزمایشگاه خود مشاهده نمود که این دیویدها با قرارگرفتن در معرض نور ولتاژ و جریان قابل ملاحظه ایجاد میکنند. این یافته به توسعه سلول های خورشیدی سیلیکونی کمک کرده باطری خورشیدی تهیه شده از این دیودها دارای بازده خوبی نسبت به سلول های خورشیدی قبلی داشته است. باین ترتیب در سال 1958 برای اولین بار تامین برق اضطراری اولین ماهواره فضایی امریکا از 6 پنل کوچک فتوولتائی سیلیکونی استفاده شد که بیش از 6 سال طول عمر ماهواره و برق فرستنده 5 میلی واتی ماهواره راتامین نمود.
این آغاز ظهور یک صنعت جدید بود. صنعتی که در وهله اول در زمینه صنایع فضایی جهت تامین برق در فضا از سطح میلی وات تا ردیف های با قدرت بیش از 20 کیلو وات مورد استفاده قرارگرفت که امروزه با پیشرفت فناوری آن نیروگاه های فتوولتائیک تا چندین مگاوات هم ساخته شده اند. در روستاها و شهرهای بزرگ بصورت مستقل و متصل به شبکه برق مورد استفاده قرار می گیرند حتی در ساختمان های مسکونی مالکین با نصب این صفحات در پشت بام ها یا روی دیوارها برق موردنیاز خود را از انرژی خورشیدی تامین نموده و در مواقعی که از برق آن استفاده نمی کنند ویا در مواقع پیک مصرف شبکه، دولت برق آنها را باقیمت مناسب می خرد.
همانطور که گفته شد سیلیسیوم یا سیلیکون پایه و اساس صنعت فتوولتائی می باشد، سلول های سیلیکونی که از ماسه ساخته می شوند در طبیعت به وفوریافت می شوند که طی دوره حیات خود می توانند الکتریسیته معادل سوزاندن 500000 تن زغال سنگ تولید نمایند. و تقریباً 20 درصد پوسته زمین را تشکیل می دهند. و بعلت اهمیت آن در بازار الکترونیک اطلاعات موجود درباره خواص الکتریکی، اپتیکی، فیزیکی و شیمیائی این نیمه هادی از هرماده دیگر بیشتر است. صفحات خورشیدی از اتصال یک سری سلول خورشیدی که بصورت سری موازی به هم متصل می شوند شکل می گیرند.
به مجموعه پانل های فتوولتائیک یک ارایه خورشیدی گفته می شود که انواع مختلف و بصورت تک کریستال ـ چند کریستال ـ بی شکل مورداستفاده قرار می گیرند. بازده تبدیل انرژی نورانی به الکتریکی آنها حدود 17 تا 18 درصد است که با فناوری های نوین راندمان آنها خیلی بالاتر رفته است. این پانل ها بصورت صفحات پلاستیکی فیلم نازک ساخته می شوند که غیر از پشت بام و روی دیوار در روی شیشه ساختمان ها نیز نصب میگردند که از برق آنها نیز می توان استفاده نمود.
سلول های فتوولتائی فقط در صورتیکه در معرض نور قرار گیرند انرژی الکتریکی تولید می کنند. به همین سبب در هنگام شب و روز های ابری که شدت تابش نور ناچیز است از باطری استفاده می شود که باطری ها در زمانیکه شدت تابش مناسب است توسط صفحات خورشیدی شارژ می شوند. در چندین پارک در تهران مانند پارک پردیسان ـ پارک گلبرگ در نارمک و در برخی مناطق شهر این چراغ های خورشیدی نصب گردیده اند و در شب ها روشنائی این پارک ها از این چراغ های خورشیدی تامین می گردد و شهرداری تهران فعالیت خوبی را در کاربرد انرژی خورشیدی آغاز کرده حتی برق برخی چراغ ها معابر و چراغ های راهنمائی را از این انرژی پاک تامین نموده است. حتی در پارک پلیس در مسجد و اماکن بهداشتی در این پارک آبگرمکن خورشیدی نصب نموده است. امیدواریم در این پارک های بزرگ سرپناه های خورشیدی هم که در مواقع وقوع زلزله مورد استفاده قرار گیرد ساخته شوند.
افزایش روزافزون کارائی سیستم های فتوولتائی سبب شده است که برای مناطقی که از شبکه سراسری دور هستند استفاده از این سیستم ها در ارجحیت قرار گیرند. هم اکنون در امریکا بزرگترین نیروگاه فتوولتائی با ظرفیت 2/5 مگا وات پیک کار میکند و در نظر است تا 10 سال آینده حدود 1000 مگاوات پیک برای استفاده در منازل و صنایع نصب گردند.
· تامین نیروی حرکتی ماهواره ها و سفینه های فضایی
· تامین انرژی لازم دستگاهایی که نیاز به ولتاژهای کمتری دارند مثل ماشین حساب و ساعت
· تهیه برق شهر توسط نیروگاههای فتوولتائیک
· تامین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایقهای کوچک
سلول خورشیدی عبارت از قطعات نیمرسانایی هستند که انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند.رسانندگی این مواد به طور کلی به دما ,روشنایی ,میدان مغناطیسی و مقدار دقیق ناخالصی موجود در نیم رسانا بستگی دارد.
از ویژگی های سلولهای خورشیدی میتوان به این موارد اشاره کرد:
جای زیادی اشغال نمی کنند .قسمت متحرک ندارند .بازده انها با تغییرات دمایی محیط تغییرات چندانی نمی کنند.نسبتا به سادگی نصب می شوند.به راحتی با سیستمهای به کار رفته در ساختمان جور می شوند.
همچنین از اشکالات سلولهای خوشیدی می توان به تولید وسایل فتوولتائیک که هزینه زیادی دارد و چگالی انرژی تابشی که بسیار کم است اشاره کرد که در فصول مختلف و ساعات متفاوت شبانه روز تغییر می كند که باید ذخیره شود و همین موضوع بسیار هزینه بر است.
نیروگاه های حرارتی که حرارت لازم توسط اینه هایی که نور خورشید را روی دیگ بخار متمرکز میکنند, تولید میشود.
اثر فتوولتایی:در این روش انرژی تابشی مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.قطعاتی که اثر فتوولتایی از خود نشان میدهند به سلول خورشیدی معروفند .
و در حال حاظر بیشترین استفاده از انرژی خورشیدی با این روش است.در برخی کشورها نیروگاه های فتوولتائیک ساخته شده که برای تولید برق است.
اما بیشترین استفاده از سلولهای خورشیدی در نیروگاه(( فتو ولتائیک50مگاواتی جزیره کرت یونان))است.
گرمایش ساختمان توسط خورشید، اولین و اصلی ترین کاربرد انرژی خورشیدی در بخش ساختمان می باشد. سیستمهای گرمایش خورشیدی برمبنای نوع سیال هوا یا مایع، که در کلکتورهای خورشیدی گرم می شود، به دو نوع عمده تقسیم بندی می شوند. هر دو نوع از این سیستم ها تابش خورشید را جمع آوری و جذب کرده و حرارت بدست آمده از خورشید را جهت تامین بار گرمایش مستقیما" به فضاهای داخلی ساختمان ها انتقال می دهند. استفاده این سیستم ها از منبع انرژی بی پایان و ارزان خورشیدی یکی از مزایای سیستم های خورشیدی می باشد و از همه مهمتر این سیستم ها برخلاف سوخت های فسیلی تهدیدی برای محیط زیست به شمار نمی روند.
موتور استرلینگ موتورهای گرما- کاری هستند که حرارت را تبدیل به جنبش می کنند ونسبت به موتور بنزینی و دیزلی کارآیی بیشتری دارند. امروزه چنین موتورهایی برایموردهای خاص استفاده می شوند. موتورهای استرلینگ از چرخه استرلینگ استفاده می کنند که با چرخه های استفاده شده درموتورهای احتراق داخلی متفاوت است. چرخه استرلینگ از یک منبع حرارتی خارجی که مانند بنزین، انرژیخورشیدی یا گازهای بیومس استفاده می کند و هیچ احتراقی داخلسیلندرهای موتور رخ نمی دهد . برای تامین انرژی مورد نیاز این موتور از یک دیش منعکس کننده استفاده می شود. این دیش انرژی حرارتی خورشید را مستقیما به روی موتور منعکس می کند و موتور شروع به تولید برق می کند.
از انرژی حرارتی خورشید علاوه بر استفاده نیروگاهی، می توان در زمینه های زیر بصورت صنعتی، تجاری و خانگی استفاده کرد
نیروگاه حرارتی خورشیدی از نوع برج دریافت کننده مرکزی با متمرکز نمودن پرتوهای تابش خورشید روی برج دریافت کننده انرژی الکتریکی تولید میکنند. این سیستم از مجموعه ای از آینه ها که هر یک بطور جداگانه خورشید را ردیابی میکنند تشکیل شده تعداد این آینه ها در یک نیروگاه به صدها و هزاران عدد میرسد که هلیوستات نامیده میشوند. سطوح متمرکز کننده طوری تنظیم میشود که همواره پرتوها را روی دریافت کننده ثابتی که همان برج مرکزی است منعکس کنند.
نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سیستم کلکتور سهموی خطی شامل ردیفهای موازی و طولانی از متمرکز کننده ها میباشد. بخش متمرکز کننده شامل سطوح انعکاسی سهموی است که از جنس آینه های شیشه ای میباشند و روی یک سازه نگهدارنده قرار میگیرند. دریافت کننده انرژی شامل لوله های جاذب استوانه ای شکل با پوشش انتخابی هستند که بوسیله شیشه پیرکس پوشانده میشوند و در طول خط کانونی قرار میگیرند.بخش دریافت کننده در قسمتهای انتهایی روی دو تکیه گاه قرار گرفته اند که این مجموعه روی تیرکهای اصلی سازه سوار است. سیستم ردیابی در این دستگاهها تک محوره بوده و ردیابی خورشید از شرق به غرب بر روی تک محور دورانی انجام میگیرد بگونه ای که پرتوهای خورشیدی در تمام مدت ردیابی بر روی لوله های جذب کننده کانونی میشوند. یک سیال انتقال حرارت، بطور مشخص روغن، در دمای بیش از 400 درجه سانتیگراد از میان لوله های جاذب در جریان میباشد و روغن داغ در مبدلهای حرارتی، آب را به بخار تبدیل میکند و بخار فوق داغ طی سیکل رانکین از توربین و ژنراتور انرژی الکتریکی تولید می کند.
انرژي باد نظير ساير منابع انرژي تجدبدپذير از نظر جغرافيايي گسترده و در عين حال به صورت پراكنده و غير متمركز و تقريبا هميشه در دسترس مي باشد. انرژي باد طبيعتي نوساني و متناوب داشته و وزش دائمي ندارد. هزاران سال است كه انسان با استفاده از آسياب هاي بادي تنها جز بسيار كوچكي از آن را استفاده مي كند.
اين انرژي تا پيش از انقلاب صنعتي به عنوان يك منبع انرژي، به طور گستوره اي مورد بهره برداري قرار مي گرفت و لي در دوران انقلاب صنعتي، استفاده از سوخت هاي فسيلي به دليل ارزاني و قابليت اطمينان بالا جايگزين انرژي باد شد. در اين دوره توربين بادي قديمي ديگر از نظر اقتصادي قابل رقابت با بازار انرژي هاي نفت و گاز نبودند. تا اين كه در سال هاي 1973و 1978 دو شوك بزرگ نفتي ضربه بزرگي به اقتصاد انرژي هاي حاصل از نفت و گاز وارد آورد. به اين ترتيب هزيته انرژي توليد شده به وسيله توربين هاي بادي در مقايسه با نرخ جهاني قيمت انرژي بهبود يافت. پس از آن مراكز و موسسات تحقيقاتي و آزمايشگاهي متعددي در سراسر دنيا به بررسي تكنولوژي هاي مختلف جهت استفاده از انرژي باد به عنوان يك منبع بزرگ انرژي پرداختند. به علاوه اين بحران باعث ايجاد تمايلات جديدي در زمينه كاربرد تكنولوژي انرژي باد جهت توليد برق متصل به شبكه پمپاژ آب، و تامين انرژي الكتريكي نواحي دور افتاده شد. همچنين در سال هاي اخير، مشكلات زيست محيطي و مسائل مربوط به تغيير آب و هواي كره زمين به علت استفاده از منابع انرژي فسيلي بر شدت اين تمايلات افزوده است. از سال 1975 پيشرفت هاي شگرفي در زمينه توربين هاي بادي در جهت توليد برق به عمل آمده است. در سال 1980 اولين توربين برق بادي متصل به شبكه سراسري نصب گرديد. بعد از مدت كوتاهي اولين مزرعه برق بادي چند مگاواتي در امريكا نصب و به بهره برداري رسيد.
در پايان سال 1990 ظرفيت توربين هاي برق بادي متصل به شبكه در جهان به 200 MW رسيد كه توانايي توليد سالانه 3200 Gwh برق را داشته كه تقريبا تمام اين توليد مربوط به ايالت كاليفرنيا آمريكا و كشور دانمارك بود. امروزه كشورهاي ديگر نظير هلند، آلمان، بريتانيا، ايتاليا و هندوستان برنامه هاي ملي و ويژه اي را در جهت توسعه و عرضه تجاري باد آغاز كرده اند. در طي دهه گذشته، هزينه توليد انرژي به كمك توربين هاي بادي به طور قابل ملاحظه اي كاهش يافته است.
در حال حاضر توربين هاي بادي از كارآيي و قابليت اطمينان بيشتري در مقايسه با 15 سال پيش برخوردارند. با اين همه استفاده وسيع از سيستم هاي مبدل انرژي باد ( WECS ) هنوز آغاز نگرديده است. در مباحث مربوط به انرژي باد، بيشتر تاكيدات بر توربين هاي بادي مبدل برق جهت اتصال به شبكه است. زيرا اين نوع از كاربرد انرژي باد مي تواند سهم مهمي در تامين برق مصرفي جهان داشته باشد. بر اساس برنامه سياست هاي جاري ( CP ) تخمين زده مي شود كه سهم انرژي باد در تامين انرژي جهان در سال 2020 تقريبا برابر با 375Twh در سال خواهد بود. اين ميزان انرژي با استفاده از توربين هاي بادي به ظرفيت مجموع 180 GW توليد خواهد گرديد.
اما در قالب برنامه ضرورت هاي زيست محيطي ( ED) سهم اين انرژي در سال 2020 بالغ بر 970 Twh در سال خواهد بود. كه با استفاده از توربين هاي بادي به ظرفيت مجموع 470 GW توليد خواهد شد. به طور كلي با استفاده از انرژي باد، به عنوان يك منبع انرژي در دراز مدت مي توان دو برابر مصرف انرژي الكتريكي فعلي جهان را تامين كرد.
در بين انرژي هاي تجديدپذير، انرژي باد يكي از اقتصادي ترين روش هاي توليد برق است كه آلودگي محيط زيست را در پي نداشته و پايان پذير نيز نيست. طبق آمار موجود توليد هر كيلو وات ساعت انرژي الكتريكي از باد مي تواند از انتشار حدود يك كيلوگرم CO2 در مقايسه با نيروگاه هاي سوخت فسيلي جلوگيري نمايد. به طور كلي با جايگزيني انرژي برق بادي به جاي انرژي برق توليدي از نيروگاه سوخت فسيلي مي توان از انتشار گازهاي گلخانه اي كاست. به عنوان نمونه در منجيل هر توربين 500 كيلووات در سال حداقل 1500000 كيلووات ساعت انرژي برق توليد مي نمايد كه باعث كاهش آلاينده هاي محيط زيست به مقدار زير خواهد گرديد:
CO2 1275000 Kg
SO2 4350 Kg
NOx 3900 Kg
خاك 150 Kg
خاكستر 82500 Kg
در زماني كه برق مورد نياز شبكه توسط توربين هاي برق بادي تزريق مي شود برق توليدي ساير نيروگاه ها كاهش يافته از اين رو در مصرف سوخت فسيلي اين نيروگاه ها صرفه جويي مي گردد كه با توجه به ميزان تزريق برق بادي به شبكه، از انتشار آلاينده هاي محيط زيست كاسته خواهد شد.
از طرف ديگر مي توان به جاذبه هاي طبيعي و چشم انداز سيستم هاي انرژي بادي كه در معرض ديد افراد قرار مي گيرند اشاره كرد كه نمايي از انرژي پاك براي مردم تلقي مي شود. در ضمن از سطح زميني كه براي احداث مزرعه برق بادي اختصاص مي يابد 99% آن قابل استفاده مي باشد. گرچه پره هاي توربين هاي بادي نوعا بيشتر از 10 متر !! قطر دارند اما از آنجا كه در ارتفاع بالاتر از 20 متري قرار دارند، اجازه فعاليت هاي كشاورزي و دامپروري تا كنار برج توربين ها همچنان فراهم است و شواهد مويد اين است كه حيوانات اهلي و وحشي اطراف مزارع بادي نيز متحمل اثر سوئي نمي گردند. هم چنين مطالعات در كشورهاي پيشرو در اين تكنولوژي نشان مي دهد كه تنها 1% از كل سطح مزارع بادي توسط خود اين توربين ها اشغال مي شوند. در نتيجه با توجه به موارد فوق انرژي بادي در كاهش هزينه هاي اجتماعي در مقايسه با نيروگاه هاي سوخت فسيلي كه در برگيرنده اثرات برون زايي منفي مي باشند توجيه پذير مي باشد و برق حاصل از آن مي تواند به عنوان يك انرژي پايدار در توسعه اقتصادي، اجتماعي و فرهنگي كشور مورد استفاده قرار گيرد.
تولید کنندگان صنعت اتومبیل در راستای تولید اتومبیلهای دوست دار محیط زیست دست به فعالیتهای خلاقانه ای می زنند که گاه ممکن بودن آن امری دور از ذهن به نظر می آید. ابداع اتومبیلی که با استفاده از انرژی باد حرکت می کند نیز در دسته چنین فعالیتهایی قرار دارد.
به گزارش CarXR.com : اتومبیل Formula AE با استفاده از انرژی خورشیدی نیروی مورد نیاز خود را تامین می کند اما در کنار این انرژی نیروی باد را نیز به یاری گرفته و از آن در چرخاندن توربین موتورش استفاده می کند.
به مفهومی دیگر پس از اتمام شارژ باطری خورشیدی، اتومبیل از بادی که در اطراف اتومبیل در حال جریان است استفاده کرده و توربینی که در ساختار آن گنجانده شده است را به منظور تولید انرژی الکتریکی به گردش می اندازد.
Formula AE قادر است در کمتر از 4 ثانیه شتاب خود را از صفر به 96 کیلومتر بر ساعت برساند و حداکثر سرعت این اتومبیل خورشیدی- بادی 250 کیلومتر بر ساعت خواهد بود. همچنین این اتومبیل دو سرنشینه به لایه هایی از صفحات خورشیدی کاغذ مانند و موثر مجهز است که در کمتر از 1.5 ساعت به طور کامل شارژ خواهند شد. این شارژ به راننده اجازه طی 321 کیلومتر مسافت و یا یک ساعت مسابقه پرسرعت را خواهد داد.
بر اساس گزارش تلگراف، بدنه این اتومبیل نیز از آلومینیوم بسیار سبک و فولاد مقاوم و مناسب برای انجام مسابقات اتومبیل رانی تولید شده است. نمونه نهایی Formula AE ماه آگوست به پایان رسیده و قیمت احتمالی آن 100 هزار دلار خواهد بود.
