تمامی پیشرفت بشر در عرصه فن‌آوری وابسته به یك مولفه حیاتی است؛ انرژی. بدون وجود انرژی هیچ یك از ابزارهای امروزی از تلفن‌های هوشمند گرفته تا ربات‌ها و هواپیماها قادر به فعالیت نیستند. حال این مسئله را در نظر بگیرید كه بخش عظیمی از منابع تامین كننده انرژی در حال حاضر، از منابع تجدید ناپذیر و یا به عبارت دیگر سوخت‌های فسیلی هستند.
این سوخت‌ها تجدید ناپذیرند و مصرف آنها عوارض بسیار ناگواری بر محیط زیست دارد. به همین علت، انسان در عصر مدرن همواره به دنبال راهی جهت تامین انرژی تجدیدپذیر بوده است. یكی از بهترین راه‌ها برای كسب انرژی به صورت دائمی، بهره‌گیری از نور خورشید است. در این قسمت سعی داریم به پنج پرسش اساسی در زمینه انرژی خورشیدی پاسخ دهیم.
1. انرژی خورشیدی چیست و تولید جریان الكتریكی از آن به چه صورت است؟
انرژی خورشیدی به انرژی تابشی حاصل از پرتوهای خورشید اطلاق می شود كه بر زمین می تابد. در حقیقت می توان بیان نمود كه تابش خورشید به همراه منابع انرژی تولید شده فرعی از آن (باد، امواج، الكتریسیته تولیدی از سد‌ها و انرژی بیولوژیكی) قسمت عمده انرژی های تجدیدپذیر را تشكیل مي‌دهند.
تولید جریان الكتریسیته از پرتوهای خورشیدی به دو صورت گرمایی و سلولهای فتوولتاییك امكان‌پذیر است. در حال حاضر بهترین راه به منظور دریافت انرژی خورشیدی استفاده از پنل‌های خورشیدی است كه از آرایه‌ای از سلولهای فتوولتاییك تشكیل مي‌شود.
2. چه میزان انرژی خورشیدی در دسترس است؟
انرژی خورشیدی یكی از منابع تجدیدپذیر و همیشه در دسترس است. خورشید انرژی خود را با نرخ ۸۳ در ۱۰ به توان ۲۳ كیلووات پخش می كند. از این مقدار فقط نسبت بسیار ناچیزی، یعنی ۸.۱ در ۱۰ به توان ۱۴ كیلووات به زمینی می رسد كه در ۱۵۰ میلیون كیلومتری خورشید است.
۶۰ درصد این انرژی به سطح زمین رسیده و بقیه توسط اتمسفر به فضا منعکس می شود. حال اگر ۱.۰ درصد از انرژی باقیمانده را بتوان با راندمان ۱۰ درصد به الكتریسیته تبدیل نمود، چهار برابر انرژی تولیدی حال حاضر دنیا یعنی سه هزار گیگاوات تولید می شود. به عبارت دیگر میزان انرژی خورشیدی كه به سطح زمین می رسد، ۷۵۰۰ برابر مصرف حال حاضر انرژی در زمین است.
از این بین برخی از مناطق و كشورها به علت شرایط خاص جغرافیایی خود بیشترین نفع را از این تابش سطحی می برند، مطابق شكل (۲) مشخص است كه كشور ما نیز با میانگین انرژی تابشی بالای ۲۰۰۰ كیلووات-ساعت در متر مربع یكی از بهترین مناطق برای استفاده از انرژی خورشیدی است.
3. آینده انرژی خورشیدی به چه صورت است؟
طبق نظر كارشناسان، انرژی خورشیدی در حال تبدیل شدن به محبوب‌ترین انرژی مورد استفاده توسط انسان است. مزایای زیاد استفاده از انرژی خورشیدی (كه در بند ۵ به آن اشاره خواهد شد) باعث شده كه روز به روز بر استقبال دولت‌ها و مردم از این انرژی افزوده شود.
همچنین بالا رفتن راندمان سلولهای فتوولتاییك تولیدی و كاهش قیمت تجهیزات مرتبط نیز در افزایش میزان استقبال تاثیر گذار بوده است. شكل (۳) ركورد‌های جهانی افزایش راندمان انواع فن‌آوری های سلولهای فتوولتاییك را از سال ۱۹۷۵ تا ۲۰۰۸ نشان مي‌دهد. در سال ۱۹۸۰ بالاترین راندمان در حدود ۱۰ درصد بوده است، در حالی كه در سال ۲۰۰۸ این رقم به ۴۰ درصد رسیده است كه نشان از رشد نسبتاً سریع این فن‌آوری ها است.
مطابق پیش‌بینی های انجام شده توسط شورای مشورتی تغییرات آب و هوایی آلمان، رشد استفاده از انرژی خورشیدی در سال‌های ۲۰۵۰ و ۲۰۱۰ مطابق شكل (۴) خواهد بود. در این شكل میزان انرژی خورشیدی فتوولتائیك و گرمایی به ترتیب به رنگ‌های زرد و نارنجی، انرژی باد به رنگ آبی، نفت به رنگ خاكستری، ذغالسنگ به رنگ سیاه و گاز به رنگ قهوه‌ای است.
4. موارد استفاده از انرژی خورشیدی كدامند؟
انرژی خورشیدی در بسیاری از مواردی كه نیاز به انرژی دارند قابل استفاده است. این كاربردها بخصوص به صورت تبدیل انرژی تابشی به انرژی گرمایی و الكتریسیته است. كاربرد تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی گرمایی در دماهای مختلف متفاوت است.
برای مثال كاربردهای آن برای دمای پایین ۱۰۰ درجه سانتیگراد گرم كردن آب برای مصارف خانگی و استخرها، گرم كردن ساختمان‌ها، سیستم‌های تبخیر مانند تقطیر آب، گندزدایی آب است. در محدوده دمایی بین ۱۰۰ تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد می توان از این گرمایش برای سیستم‌های تهویه هوا، خنك كردن هوا، گرم كردن آب و روغن برای مصارف صنعتی استفاده نمود. حرارت‌های بین ۲۰۰ تا ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد برای تولید انرژی الكتریكی و مكانیكی بكار می روند و در كوره‌های خورشیدی و مصارف صنعتی خاص حتی امكان بالا بردن دما تا بیش از ۵۰۰۰ درجه سانتیگراد نیز وجود دارد.
تبدیل انرژی خورشیدی به الكتریسیته در قالب سلولهای فتوولتاییك نیز كاربردهای مختلفی دارد. تامین برق در شبكه ملی و سیستم‌های تامین برق خارج از شبكه (تامین برق و روشنایی منازل مسكونی، تامین برق مناطق روستایی دورافتاده)، تامین انرژی تجهیزات انفرادی مانند سیستم‌های روشنایی، چراغ‌های راهنمایی، ایستگاه‌های مختلف عمومی (مانند ایستگاه‌های شارژ باتری)، استفاده در مناطق محافظت شده (مانند پارك‌های جنگلی)، سیستم‌های خنك كننده (یخچال و یخساز) و پمپاژ آب از جمله این كاربردها به شمار می روند.
5. مزایا و معایب استفاده از انرژی خورشیدی كدامند؟
فراوانی انرژی خورشید در كنار رایگان بودن آن از مزایای اصلی استفاده از انرژی خورشیدی به شمار می روند. امكان رشد و گسترش فناوری در زمینه این انرژی تجدید پذیر هنوز وجود دارد و احتمال ارزان شدن و بالا رفتن بهره‌وری در بكارگیری این انرژی وجود دارد.
میزان آلودگی های حاصل از این انرژی بسیار كمتر از سوخت‌های فسیلی است و آن هم در مراحل ساخت سلول‌ها و پنل‌ها و جابه‌جایی آنها است كه امكان كاهش آن وجود دارد. به علاوه، قابلیت بهره‌گیری از انرژی خورشیدی در اكثر نقاط دور افتاده و فاقد زیرساخت‌های شبكه برق وجود دارد و فرآیند‌های ترمیم و نگهداری آن ساده و ارتقای آن راحت است.
معایب استفاده از انرژی خورشیدی نیز شامل هزینه اولیه بالا، عدم وجود قابلیت اطمینان بسیار بالا به علت نیاز به صاف بودن هوا و نیاز به در دسترس بودن نور خورشید در منطقه مورد نظر است. همچنین به نظر می رسد هنوز بلوغ كافی در زمینه كارایی و راندمان سیستم‌های فعلی ایجاد نشده و امكان آن وجود دارد كه پیشرفت‌های آتی سبب شود كه سرمایه‌گذاری های فعلی توجیه ناپذیر شود.