انرژی خورشیدی چگونه کار می‌کند؟ از نور خورشید تا جریان برق

زمان تقریبی مطالعه ۱۰ تا ۱۵ دقیقه

بزرگ‌ترین داستان انرژی در پانزده سال گذشته، رشد فتوولتائیک خورشیدی است که به آن سولار پی‌وی یا به سادگی پنل‌های خورشیدی نیز گفته می‌شود. فتوولتائیک خورشیدی در دهه ۱۹۵۰ اختراع شد و استفاده از آن در مقیاس قابل توجه برای تولید برق در سطح نیروگاه‌ها در آمریکا اوایل دهه ۲۰۰۰ آغاز شد، اما تنها حدود دهه ۲۰۱۰ بود که به سهم بزرگی از پروژه‌های تولید برق برنامه‌ریزی‌شده در سراسر جهان تبدیل شد.

از آن زمان، ظرفیت تولید برق خورشیدی با سرعت فوق‌العاده‌ای رشد کرده است. طبق برخی معیارها، فتوولتائیک خورشیدی سریع‌تر از هر منبع انرژی دیگری در تاریخ به کار گرفته شده است؛ به طوری که در عرض تنها ۸ سال، از ۱۰۰ تراوات‌ساعت تولید به ۱۰۰۰ تراوات‌ساعت رسیده است، در حالی که این زمان برای انرژی بادی و هسته‌ای ۱۲ سال، برای گاز طبیعی ۲۸ سال و برای زغال‌سنگ ۳۲ سال بوده است. در ایالات متحده، پروژه‌های فتوولتائیک خورشیدی به مراتب بزرگ‌ترین سهم را در ظرفیت برنامه‌ریزی شده جدید تولید برق دارند. از حدود ۱۹۰۰ گیگاوات پروژه تولید برق در صف اتصال شبکه، تقریباً ۵۰٪ آنها از نوع پروژه‌های فتوولتائیک خورشیدی هستند.

اما در حالی که فتوولتائیک خورشیدی با سرعت زیادی رشد می‌کند، از نظر مطلق هنوز سهم نسبتاً کوچکی دارد. تا سال ۲۰۲۳، انرژی خورشیدی حدود ۴٪ از کل تولید برق را تشکیل می‌داد و کمتر از ۱٪ از کل تولید انرژی ایالات متحده بود. این یعنی سوالات اصلی درباره فتوولتائیک خورشیدی حول پتانسیل آن است: رشد سریع آن تا چه زمانی ادامه خواهد داشت و چه درصدی از انرژی ما را می‌تواند به طور موثر تامین کند؟

پاسخ این سوال با دو واقعیت برجسته درباره انرژی خورشیدی شکل می‌گیرد. اول اینکه هزینه آن به طور چشمگیری در طول زمان کاهش یافته است. از زمان اختراع آن در دهه ۱۹۵۰، هزینه فتوولتائیک خورشیدی تقریباً تا ۱۰,۰۰۰ برابر کاهش یافته است. فقط در ۱۰ سال گذشته، هزینه سلول‌های خورشیدی بیش از ۵۰٪ کاهش یافته و انتظار می‌رود که حتی ارزان‌تر هم شوند. این موضوع فتوولتائیک خورشیدی را به یکی از ارزان‌ترین روش‌های تولید برق تبدیل کرده است.

دومین واقعیت برجسته درباره فتوولتائیک خورشیدی این است که نمی‌تواند برق را بر اساس تقاضا تولید کند. بر خلاف فناوری‌هایی که با سوزاندن سوخت انرژی تولید می‌کنند و می‌توان آن‌ها را به‌دلخواه خاموش و روشن کرد (مانند گاز، زغال‌سنگ، هسته‌ای)، انرژی خورشیدی متناوب است و تنها زمانی برق تولید می‌کند که خورشید می‌تابد. پتانسیل آینده انرژی خورشیدی به طور کلی تابع این دو عامل است. برخی معتقدند که نوسان‌پذیری انرژی خورشیدی محدودیت اساسی در میزان تامین انرژی ما ایجاد می‌کند. بنابراین، آن‌ها معتقدند باید به منابع انرژی «ثابت» مانند توربین‌های گازی، هسته‌ای نسل بعدی یا زمین‌گرمایی پیشرفته توجه بیشتری داشته باشیم. برخی دیگر استدلال می‌کنند که هزینه فتوولتائیک خورشیدی و باتری‌های ذخیره‌سازی آنقدر کاهش می‌یابد که نوسان‌پذیری آن کمتر و کمتر اهمیت پیدا خواهد کرد؛ هر چه ساخت آن ارزان‌تر باشد، می‌توان با ساخت تعداد بیشتری پنل و ظرفیت ذخیره‌سازی، نوسانات انرژی خورشیدی را جبران کرد.

اگرچه پیش‌بینی آینده دشوار است، مدل‌سازی‌های ساده به نظر می‌رسد نتیجه دوم را ترجیح می‌دهند. تأمین بخش بزرگی از مصرف انرژی صرفاً با انرژی خورشیدی واقعاً نیازمند ساخت «بیش از حد» است: یعنی ساخت ظرفیت فتوولتائیک خورشیدی و ذخیره‌سازی بسیار بیشتر از مصرف روزانه انرژی. اما حتی با این ساخت بیش از حد، پیشرفت اندکی در هزینه‌های خورشیدی و ذخیره‌سازی کافی است تا انرژی خورشیدی در مقیاس بزرگ به همان ارزان یا حتی ارزان‌تر از برق امروزی تبدیل شود.

سازوکار انرژی خورشیدی

پنل‌های خورشیدی با تبدیل نور خورشید به برق کار می‌کنند. توضیحی کمی دقیق‌تر در مقاله قبلی من درباره انرژی خورشیدی موجود است، اما به طور خلاصه، پنل‌های خورشیدی شامل قطعات نیمه‌رسانا به نام پی-ان‌جَنکشن (p-n junction) هستند. وقتی نور به این پی-ان‌جَنکشن برخورد می‌کند، الکترون‌ها تحریک می‌شوند و به وسیله میدان الکتریکی داخلی، به یک طرف پی-ان‌جَنکشن رانده می‌شوند و در طرف دیگر، حفره‌های الکترونی باقی می‌ماند. اگر دو طرف این پی-ان‌جَنکشن را با سیم به هم وصل کنید، برق جاری می‌شود چون الکترون‌ها تلاش می‌کنند تعادل را دوباره برقرار کنند.

انواع مختلف پنل‌های خورشیدی دارای بازده تبدیل متفاوتی هستند (یعنی نسبت انرژی خورشیدی تبدیل شده به انرژی الکتریکی)، اما پنل‌های مقیاس نیروگاهی در آمریکا معمولاً بازدهی ۲۰ تا ۲۳ درصد دارند. هر چه شدت نور بیشتر باشد، پنل انرژی بیشتری تولید می‌کند. در جو زمین، نور خورشید با شدت ۱۳۶۰ وات بر متر مربع به بالای جو می‌رسد، اما این مقدار در عبور از هوا کاهش می‌یابد و در سطح زمین شدت تابش حدود ۱۰۰۰ وات (۱ کیلووات) بر متر مربع است، زمانی که خورشید درست بالای سر و بدون مانع ابر قرار دارد. بنابراین، یک پنل خورشیدی با بازده ۲۱٪ حداکثر خروجی ۲۱۰ وات بر متر مربع خواهد داشت. در یک نقطه مشخص از سطح زمین، شدت تابش از صفر وات بر متر مربع در زمان تاریکی کامل شروع می‌شود، به تدریج به حداکثر می‌رسد و سپس در شب دوباره به صفر کاهش می‌یابد. نمودار زیر شدت تابش خورشیدی در خط استوا را در یک روز از ماه مارس نشان می‌دهد.

شدت تابش خورشیدی وقتی به حداکثر می‌رسد که نور به صورت عمود بر سطحی که به آن می‌تابد باشد: برای سطح افقی روی زمین، این زمانی رخ می‌دهد که خورشید درست بالای سر باشد. از آنجا که زمین تقریباً کروی است، هر چه به سمت شمال بروید، سطح زمین نسبت به خورشید بیشتر کج می‌شود (یعنی خورشید در آسمان پایین‌تر خواهد بود) و این باعث کاهش شدت تابش روی سطح افقی می‌شود. همچنین به دلیل تغییر زاویه محور زمین نسبت به خورشید در طول سال، شدت تابش خورشیدی بسته به فصل نیز تغییر می‌کند: در نیمکره شمالی، شدت تابش در تابستان افزایش یافته و در زمستان کاهش می‌یابد.

این یعنی حتی بدون در نظر گرفتن عواملی مانند پوشش ابری، یک پنل خورشیدی در یک مکان ثابت در زمان‌های مختلف سال مقدار قابل توجهی توان متفاوت تولید خواهد کرد. برای مثال، اگر من ۲۰ متر مربع پنل خورشیدی با بازده تبدیل ۲۰٪ داشته باشم که به‌صورت افقی روی زمین نزدیک آتلانتا نصب شده‌اند، در یک روز بدون ابر در ماه ژوئن این پنل‌ها در زمان اوج تولید خود نزدیک به ۴ کیلووات توان تولید خواهند کرد. اما در یک روز بدون ابر در ماه ژانویه، توان اوج تولید آن‌ها تقریباً نصف این مقدار خواهد بود.

چرخه‌های شب و روز، تغییر شدت تابش خورشیدی بر اساس زمان سال و موقعیت جغرافیایی، و همچنین موانعی مانند پوشش ابری، همگی باعث می‌شوند که پنل‌های خورشیدی معمولاً بسیار کمتر از ظرفیت نظری خود برق تولید کنند. میانگین ضریب ظرفیت پنل‌های خورشیدی مقیاس نیروگاهی در ایالات متحده حدود ۲۳٪ است؛ یعنی به‌طور میانگین، این پنل‌ها تنها ۲۳ درصد از برقی را تولید می‌کنند که در صورت دریافت ۱۰۰۰ وات بر متر مربع نور خورشید به‌صورت ۲۴ ساعته تولید می‌کردند. این ضریب ظرفیت بسته به موقعیت مکانی متفاوت است و ایالت‌های آفتابی جنوب‌غربی آمریکا ضریب ظرفیت بالاتری نسبت به ایالت‌های شمال‌شرقی دارند.

بیشترین توان تولیدی یک سیستم خورشیدی فتوولتائیک (PV) معمولاً در میانه روز اتفاق می‌افتد، زمانی که خورشید در بالاترین نقطه خود در آسمان قرار دارد. این زمان‌بندی چندان با الگوی مصرف برق هم‌خوانی ندارد، چرا که مصرف برق معمولاً در ساعات اولیه عصر به اوج خود می‌رسد. برای مثال، اگر ۲۰ متر مربع پنل خورشیدی در آتلانتا نصب کرده باشیم، نمودار توان تولیدی این پنل‌ها در طول روز به‌خوبی بر روی نمودار مصرف برق یک خانه تک‌خانواری قرار می‌گیرد تا نشان دهد این دو منحنی چگونه با هم اختلاف دارند.

رسیدگی به چالش ناپیوستگی انرژی خورشیدی

راه‌های مختلفی برای مقابله با مشکل ناپیوستگی تولید برق از خورشید وجود دارد. واضح‌ترین راه این است که وقتی خورشید نمی‌تابد، از منابع دیگر انرژی استفاده کنیم؛ منابعی که بتوان آن‌ها را به‌صورت دلخواه روشن و خاموش کرد (مانند توربین‌های گازی)، یا منابع متناوب دیگری که اوج تولیدشان در زمانی متفاوت با خورشید رخ می‌دهد (مانند انرژی بادی).

اگر بخواهیم از یک سیستم کاملاً خورشیدی استفاده کنیم، اساساً دو راهبرد اصلی برای مقابله با ناپیوستگی تولید برق داریم. یکی این است که میزان برق تولیدی از پنل‌های خورشیدی‌مان را افزایش دهیم. این راهکار نمی‌تواند برق شبانه (دست‌کم روی زمین) را تأمین کند، اما ظرفیت کافی از پنل‌ها می‌تواند نیازهای برق در زمستان، ساعات اولیه‌ی صبح با نور کم، یا هنگام ابری بودن هوا را برآورده کند. راه‌های مختلفی برای افزایش توان خروجی پنل‌های خورشیدی وجود دارد:

• می‌توانید پنل‌های خورشیدی بیشتری نصب کنید.

• می‌توانید از سلول‌های خورشیدی با بازده تبدیل بالاتر استفاده کنید. برخی سلول‌های آزمایشگاهی به بازدهی نزدیک به ۵۰٪ رسیده‌اند و بازدهی متوسط سلول‌های تجاری نیز به مرور زمان رو به افزایش بوده است.

• می‌توانید پنل‌های خورشیدی را به زاویه‌ای مطلوب‌تر نسبت به خورشید بچرخانید. سیستم‌های خورشیدی مجهز به ردیاب از موتورهایی برای دنبال کردن حرکت خورشید استفاده می‌کنند. در ایالات متحده، حدود ۹۶٪ از سیستم‌های مقیاس-یوتیلیتی جدید از ردیاب تک‌محوره بهره می‌برند (یعنی پنل‌ها می‌توانند در یک جهت تغییر زاویه دهند). حتی سیستم‌های بدون ردیاب نیز معمولاً با زاویه‌ای ثابت نصب می‌شوند که با توجه به موقعیت جغرافیایی، بیشترین میزان تابش خورشید را دریافت کنند.

• می‌توانید از آینه‌ها یا لنزها برای متمرکز کردن نور بیشتر روی پنل‌های خورشیدی استفاده کنید. این نوع سیستم‌ها تحت عنوان "فتوولتائیک متمرکز" شناخته می‌شوند، اما محبوبیت زیادی ندارند.

• می‌توانید پنل‌های خورشیدی را در فضا و در مداری نصب کنید که تقریباً ۲۴ ساعته در معرض تابش خورشید قرار گیرد. این ایده تحت عنوان "انرژی خورشیدی مبتنی بر فضا" شناخته می‌شود. به‌طور تاریخی، هزینه‌ها و دشواری‌های پرتاب پنل‌ها به فضا و انتقال انرژی به زمین باعث شده‌اند که این نوع انرژی عمدتاً جنبه نظری داشته باشد، اما ایده‌ی داشتن انرژی خورشیدی ۲۴ ساعته بسیار وسوسه‌برانگیز است و همیشه کسانی هستند که در تلاش‌اند آن را عملی کنند.

راه دیگر برای مقابله با ناپیوستگی تولید انرژی، افزودن نوعی ذخیره‌سازی انرژی است. روش‌های متعددی برای این کار وجود دارد — استفاده از برق تولیدی پنل‌های خورشیدی برای چرخاندن یک چرخ‌طیار، پمپاژ آب به ارتفاع بالاتر، یا سنتز متان برای سوزاندن در زمان دیگر — اما در عمل، امروزه بیشتر ذخیره‌سازی‌های جدید انرژی به صورت باتری‌های بزرگ لیتیوم-یونی هستند. در عمل، مقابله با ناپیوستگی نیازمند هر دو اقدام است: هم افزایش توان تولیدی پنل‌ها و هم افزودن ظرفیت ذخیره‌سازی. بدون ذخیره‌سازی، حتی بزرگ‌ترین مجموعه پنل‌های خورشیدی روی زمین نیز در شب هیچ برقی تولید نمی‌کند. از طرفی، ذخیره‌سازی زمانی مفید است که سیستم فتوولتائیک ما به اندازه‌ای بزرگ باشد که انرژی مازاد بر نیاز لحظه‌ای تولید کند. ارزش نسبی افزایش ظرفیت پنل‌های خورشیدی در برابر افزایش ذخیره‌سازی چقدر است؟ برای درک این موضوع می‌توان شبیه‌سازی‌هایی با مقادیر مختلفی از ظرفیت پنل‌های خورشیدی و ذخیره‌سازی انرژی انجام داد و آن را با میزان تقاضای برق یک خانه‌ی فرضی مقایسه کرد. نمودار زیر، توان تولیدشده برای این خانه‌ی فرضی را در مقادیر مختلف ظرفیت پنل‌های خورشیدی و بدون هیچ‌گونه ذخیره‌سازی نشان می‌دهد. با استفاده صرف از پنل‌های خورشیدی، حداکثر می‌توانیم کمی کمتر از ۵۰٪ از تقاضای سالانه‌ی برق را با سیستم فتوولتائیک خود تأمین کنیم: مهم نیست چند پنل اضافه کنیم، این سیستم همچنان نمی‌تواند در شب برق تولید کند. اما بیایید ببینیم وقتی شروع به افزودن ظرفیت ذخیره‌سازی می‌کنیم، شرایط چگونه تغییر می‌کند.

با افزایش میزان ذخیره‌سازی، می‌توانیم سهم بیشتری از نیاز برق خانوار را تأمین کنیم، به‌طوری‌که با ۴۲ کیلووات (حدود ۲۰۰ متر مربع) ظرفیت پنل خورشیدی و ۸۰ کیلووات‌ساعت ظرفیت ذخیره‌سازی، به بیش از ۹۹٪ تأمین می‌رسیم. این میزان حدود چهار برابر بیشترین مصرف برق خانوار ماست و تقریباً ۴۰٪ بیشتر از ظرفیت باتری نسخه پایه‌ی تسلا مدل ۳ است.

اما هم ظرفیت ذخیره‌سازی و هم ظرفیت پنل‌های خورشیدی با بازدهی کاهنده مواجه‌اند. هر متر مربع اضافی از پنل یا هر کیلووات‌ساعت اضافه در ذخیره‌سازی، سهم کمتری از تقاضای برق را تأمین می‌کند، به این معنا که هر کیلووات‌ساعت اضافی برق تولیدشده هزینه‌برتر از قبلی خواهد بود. ما می‌توانیم ۲۵٪ از برق مورد نیاز خانوار را با ۱۵ متر مربع پنل تأمین کنیم. اما برای تأمین ۷۵٪ نیاز، نه فقط سه برابر آن (۴۵ متر)، بلکه بیش از پنج برابر (۸۵ متر مربع) پنل نیاز داریم، به‌علاوه‌ی ۲۰ کیلووات‌ساعت ظرفیت ذخیره‌سازی. و برای افزایش از ۷۵٪ به ۹۵٪، تقریباً باید اندازه کل سیستم را دو برابر کنیم، به ۱۳۵ متر مربع پنل و ۵۰ کیلووات‌ساعت ذخیره‌سازی.

نتیجه‌گیری

انرژی خورشیدی، به‌ویژه فناوری فتوولتائیک (PV)، در دهه‌های اخیر به یکی از سریع‌ترین منابع در حال رشد تولید برق تبدیل شده است. کاهش چشمگیر هزینه‌ها، پیشرفت در بازده تبدیل انرژی و توسعه سیستم‌های ردیاب خورشیدی، این فناوری را به گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه و قابل اتکا برای آینده انرژی جهانی تبدیل کرده است. با این حال، چالش اساسی انرژی خورشیدی، ناپیوستگی تولید آن به دلیل وابستگی به تابش مستقیم خورشید است. برای غلبه بر این مشکل، دو راهکار اصلی وجود دارد: افزایش ظرفیت تولید از طریق گسترش مساحت پنل‌ها، استفاده از سلول‌های با راندمان بالاتر و فناوری‌های مکمل مانند ردیاب‌های خورشیدی؛ و دوم، بهره‌گیری از سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی برای تأمین برق در ساعات غیرآفتابی. تحلیل داده‌ها نشان می‌دهد که ترکیب بهینه‌ای از این دو عامل می‌تواند تا بیش از ۹۹٪ از تقاضای برق یک خانوار را تأمین کند. اما باید توجه داشت که با افزایش ظرفیت سیستم، بازدهی کاهش می‌یابد و هزینه هر کیلووات‌ساعت اضافه شده افزایش می‌یابد.

در نهایت، اگرچه انرژی خورشیدی به‌تنهایی نمی‌تواند به‌صورت مطلق جایگزین منابع سنتی شود، اما با ترکیب هوشمندانه آن با ذخیره‌سازی و سایر منابع انرژی، می‌توان نقش مؤثر و قابل‌توجهی در گذار به سیستم‌های انرژی پایدار و کم‌کربن ایفا کرد.