انرژی کارآمد با قدمت میلیاردها سال

به گزارش ایران اکونومیست، خورشید نزدیک‌ترین ستاره به زمین است و کشش گرانشی آن حتی در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری، سیاره ما را در مدار نگه می‌دارد. خورشید، نور و گرما یا انرژی خورشیدی را ساطع می‌کند که وجود حیات را در زمین امکان‌پذیر می‌سازند.

گیاهان برای رشد کردن به نور خورشید نیاز دارند. حیوانات از جمله انسان برای تولید غذا و اکسیژن، به گیاهان نیاز دارند. بدون گرمای خورشید، زمین یخ می‌زند و باد، جریان‌های اقیانوسی یا ابرهای انتقال‌دهنده آب وجود نخواهند داشت.

انرژی چند میلیارد ساله

طول عمر انرژی خورشیدی به اندازه خود خورشید است و به حدود پنج میلیارد سال می‌رسد. اگرچه انسان به همین اندازه روی زمین نبوده، اما هزاران سال است که از انرژی خورشیدی به روش‌های گوناگون استفاده می‌کند.

انرژی خورشیدی برای همه امور کشاورزی از جمله کشت زمین، تولید محصولات زراعی و همچنین پرورش دام ضروری است. کشاورزی که حدود ۱۰ هزار سال پیش توسعه یافت، یک نقش کلیدی در ظهور تمدن داشت. روش‌های مبتنی بر خورشید مانند تناوب زراعی، برداشت را افزایش دادند. خشک کردن غذا با استفاده از نور خورشید و باد، از فاسد شدن محصولات جلوگیری کرد. توانایی انباشته کردن مواد غذایی، امکان شکل‌گیری جمعیت‌های متراکم‌تر و جوامع ساختاریافته را فراهم کرد.

تمدن‌های اولیه در سراسر جهان، ساختمان‌ها را به سمت جنوب قرار می‌دادند تا گرما و نور را جمع‌آوری کنند. آنها به همین دلیل و همچنین به منظور گردش هوا، از پنجره‌ها و نورگیرها استفاده می‌کردند. این‌ها عناصر معماری خورشیدی هستند. جنبه‌های دیگر شامل استفاده کردن از سایه‌های انتخابی و مصالح ساختمانی با جرم حرارتی مانند سنگ و بتن است که گرما را ذخیره می‌کنند. برنامه‌های رایانه‌ای امروزه برنامه‌ها را آسان‌تر و دقیق‌تر می‌کنند.

گلخانه یکی دیگر از انواع اولیه توسعه خورشیدی است. گلخانه‌ها با تبدیل کردن نور خورشید به گرما، امکان رشد گیاهان را در خارج از فصل و در اقلیم‌هایی که ممکن است برای آنها مناسب نباشد، فراهم می‌کنند. یکی از اولین گلخانه‌ها مربوط به ۳۰ سال پیش از میلاد مسیح و پیش از اختراع شیشه است. این گلخانه از ورقه‌های نیمه‌شفاف میکا ساخته شده که یک ماده معدنی نازک است. گلخانه مذکور برای امپراتور روم «تیبریوس»(Tiberius) ساخته شده بود که می‌خواست بتواند در تمام سال خیار بخورد. امروزه روش کلی یکسانی به کار می‌رود، اما پیشرفت‌های زیادی برای افزایش تنوع و مقدار محصولات کشت‌شده صورت گرفته است.

پس از برداشت مواد غذایی می‌توان از انرژی خورشیدی برای پختن آنها استفاده کرد. اولین اجاق خورشیدی در سال ۱۷۶۷ توسط «هوراس دو سوسور»(Horace de Saussure) فیزیکدان سوئیسی ساخته شد، دمای آن به ۸۷.۸ درجه سلسیوس رسید و برای پختن میوه مورد استفاده قرار می‌گرفت. امروزه انواع متفاوتی از اجاق‌های خورشیدی برای پخت‌وپز، خشک کردن و پاستوریزه کردن استفاده می‌شوند که رشد میکروب‌ها را در مواد غذایی کند می‌کنند. از آنجا که در این اجاق‌ها از سوخت‌های فسیلی استفاده نمی‌شود، ایمن هستند، آلودگی تولید نمی‌کنند و باعث تخریب جنگل‌ها نمی‌شوند.

از انرژی حرارتی خورشیدی می‌توان برای گرم کردن آب استفاده کرد. آب‌گرمکن خورشیدی که اولین بار در اواخر دهه ۱۸۰۰ معرفی شد، پیشرفت بزرگی نسبت به نمونه‌هایی بود که چوب یا ذغال‌سنگ می‌سوزاندند، زیرا تمیزتر بود و هزینه کمتری برای کار کردن داشت. آب‌گرمکن‌های خورشیدی برای خانه‌هایی که در مکان‌های آفتابی آمریکا از جمله ایالت‌های آریزونا، فلوریدا و کالیفرنیا قرار داشتند، بسیار محبوب بودند. با وجود این، در اوایل دهه ۱۹۰۰ نفت و گاز طبیعی ارزان‌قیمت در دسترس قرار گرفتند و جایگزین سیستم‌های خورشیدی شدند. امروزه این سیستم‌های خورشیدی نه تنها دوباره محبوب شده‌اند، بلکه در برخی از کشورها مانند چین، یونان و ژاپن در حال تبدیل شدن به یک هنجار هستند. آنها حتی برای هر ساخت‌وساز جدید در کشورهایی مانند استرالیا و اسپانیا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

علاوه بر گرم کردن آب می‌توان از انرژی خورشیدی برای قابل آشامیدن کردن آب نیز استفاده کرد. یکی از این روش‌ها، «ضدعفونی خورشیدی»(SODIS) است. این روش که در دهه ۱۹۸۰ توسعه یافت، شامل پر کردن بطری‌های پلاستیکی با آب و قرار دادن آنها در معرض نور خورشید برای چندین ساعت است. این فرآیند به کاهش ویروس‌ها، باکتری‌ها و تک‌یاخته‌های موجود در آب می‌انجامد. میلیون‌ها نفر در ۲۸ کشور در حال توسعه، روزانه از این روش برای ضدعفونی کردن آب آشامیدنی خود استفاده می‌کنند.

برداشت کردن انرژی خورشیدی

برداشت کردن انرژی خورشیدی، بیشتر با کمک پنل‌های خورشیدی انجام می‌شود که روی بام خانه‌ها نصب می‌شوند. با وجود این، استفاده تجاری از برداشت انرژی خورشیدی، کاربردهای متفاوتی را در بر می‌گیرد که مقادیر شگفت‌انگیز انرژی را در اختیار جهان قرار می‌دهند. در این گزارش، پنج فناوری نوآورانه برداشت انرژی خورشیدی را بررسی می‌کنیم.

۱. پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک

پنل‌های خورشیدی «فتوولتائیک»(PV) از نیروی خورشید برای ایجاد جریان برق استفاده می‌کنند. امروزه این روش، رایج‌ترین روش برداشت انرژی خورشیدی است. این پنل‌ها که اندازه آنها از چند سانتی‌متر مربع تا چند متر مربع است، از سلول‌های فتوولتائیک زیادی ساخته شده‌اند که در یک ماتریس پیچیده قرار دارند. به طور شهودی، هر چه سطح در دسترس برای نفوذ نور خورشید به سلول‌های فتوولتائیک بیشتر باشد، انرژی خورشیدی بیشتری برداشت می‌شود.

هر سلول خورشیدی فتوولتائیک به طور کلی از یک ساختار ویفر نیمه‌رسانای مرکب تشکیل شده است که می‌تواند یک ساختار تک کریستالی یا چند کریستالی باشد. دو ویفر نیمه‌رسانای نازک این سازه، هر کدام به طور جداگانه کار می‌کنند. دو ویفر روی هم قرار می‌گیرند و واکنش طبیعی که بین آنها رخ می‌دهد، یک منطقه تخلیه را ایجاد می‌کند که بدون تولید کردن برق به نقطه تعادل می‌رسد.

هنگامی که فوتون‌های نور از ویفرهای نیمه‌رسانا عبور می‌کنند، تعامل آنها انرژی کافی را برای ایجاد یک اختلال تعادل در ناحیه تخلیه آزاد می‌کند. این عمل متعاقبا جریان مختصری از برق را به وجود می‌آورد، اما به دلیل حضور مداوم نور، این تعامل به طور مداوم رخ می‌دهد و می‌تواند مقادیر زیادی انرژی الکتریکی تولید کند. نیروی تولیدشده از تعامل فوتون، در سراسر سطح سلول فتوولتائیک تکرار می‌شود. این فعل‌وانفعال جزئی در ناحیه تخلیه می‌تواند تکرار شود و به چند برابر برسد. در نتیجه، مقدار قابل توجهی برق تولید می‌شود.

اولین سلول خورشیدی در دهه ۱۸۸۰ ساخته شد و اولین کاربرد عمده آن در ماهواره آمریکایی «ونگارد-۱»(Vanguard I) بود که در سال ۱۹۵۸ پرتاب شد. یک فرستنده رادیویی با انرژی سلول‌های خورشیدی حدود هفت سال کار کرد، اما فرستنده دیگری که به باتری‌های معمولی مجهز بود، تنها ۲۰ روز دوام آورد. از آن زمان، سلول‌های خورشیدی به منبع ثابت انرژی برای ماهواره‌ها از جمله ماهواره‌هایی که در حوزه مخابرات استفاده می‌شوند، تبدیل شده‌اند.

روی زمین، سلول‌های خورشیدی برای همه چیز از ماشین‌حساب و ساعت گرفته تا خانه‌ها، ساختمان‌های تجاری و حتی استادیوم‌ها استفاده می‌شوند.

مشکل اینجاست که مقدار برق تولیدشده توسط هر سلول بسیار کم است. بنابراین، تعداد زیادی از آنها باید در کنار هم قرار بگیرند تا برق کافی را تولید کنند.

۲. انرژی تابش الکترومغناطیسی

خورشید طیف گسترده‌ای از تابش را با طول موج‌های گوناگون از جمله فروسرخ تولید می‌کند. این طیف، انرژی حرارتی را به طور مؤثر به اجسامی که می‌توانند آن را جذب کنند، انتقال می‌دهد. عناصری که می‌توانند این انرژی الکترومغناطیسی حرارتی را به طور مؤثر جذب کنند، به عنوان «اجزای سیاه» شناخته می‌شوند؛ زیرا رنگ سیاه، تمام طول موج‌های تابشی را که برای چشم انسان قابل مشاهده هستند، جذب می‌کند. یک جسم سیاه ایده‌آل می‌تواند تمام طول موج‌های طیف الکترومغناطیسی را به درستی جذب و ساطع کند.

تابش الکترومغناطیسی از دیرباز در بسیاری از سیستم‌های گرمایشی مانند سیستم پخت تخم‌مرغ، حمام‌های رومی و خانه‌های مصر باستان و همچنین در سیستم‌های مدرن مانند پنل‌های خورشیدی حرارتی و ترموسیفون‌ها استفاده می‌شود. این راهبردهای برداشت انرژی خورشیدی حرارتی به شدت بر فیزیک تشعشعات جسم سیاه و توانایی آنها در جذب و انتقال تابش الکترومغناطیسی تکیه دارند. در سطح مسکونی، انرژی حرارتی اغلب برای استفاده در سیستم‌های گرمایش آب برداشت می‌شود، اما این راه‌حل‌ها برای تولید انرژی در مقیاس صنعتی، زیاد مناسب نیستند.

۳. آبگرمکن خورشیدی

یک نمونه عالی از کاربردهای برداشت انرژی خورشیدی حرارتی که معمولا در آب‌وهوای آفتابی در سراسر جهان اجرا می‌شود، آب‌گرمکن خورشیدی است که در اوایل گزارش به طور مختصر به آن پرداختیم. ساده‌ترین نسخه سیستم آب‌گرمکن خورشیدی، از یک پمپ برای گردش آب خنک در میان پنل سیاه بدنه استفاده می‌کند. این از نظر بصری مشابه یک پنل خورشیدی فتوولتائیک است که در آن سطح سیاه به طور مؤثر انرژی حرارتی را جذب می‌کند، سپس توسط آب در گردش خنک می‌شود و در نتیجه آب را گرم می‌کند. آب به طور مداوم در این حلقه به گردش در می‌آید و آب گرم را تولید می‌کند. در چنین سیستم‌هایی باید مخزن ذخیره بالاتر از منبع جذب انرژی خورشیدی باشد.

۴. آب‌گرمکن خورشیدی لوله وکیوم

سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی پیشرفته‌تر و کارآمدتر، از لوله‌های وکیوم و لوله‌های حرارتی مستقل برای انتقال دادن انرژی حرارتی به مخزن ثانویه استفاده می‌کنند. لوله وکیوم اطمینان می‌دهد که انرژی تابشی می‌تواند به سیستم وارد شود، اما تمام انرژی که به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود، در لوله وجود دارد. لوله حرارتی، این انرژی را جذب می‌کند و متعاقبا آن را به مخزن بزرگ آب انتقال می‌دهد. این سیستم‌ها برای گرم کردن آب در ماه‌های سرد بسیار کارآمدتر هستند، زیرا کمترین مقدار انرژی حرارتی از لوله وکیوم بیرون می‌رود و تقریبا تمام انرژی تابشی به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود.

۵. برداشت انرژی خورشیدی با نمک مذاب

پیشرفت‌های اخیر در سیستم‌های نمک مذاب، مرزهای تولید برق با استفاده از انرژی خورشیدی را تغییر داده‌اند. مانند سیستم‌های گرمایش آب مبتنی بر انرژی خورشیدی که قبلا در مورد آن صحبت شد، نیروگاه‌های نمک مذاب از تابش الکترومغناطیسی برای ذوب کردن نمک استفاده می‌کنند. این نمک مذاب به یک مبدل حرارتی منتقل می‌شود که آب را به بخار گرم تبدیل می‌کند و سپس برای تولید برق، به یک توربین بخار هدایت می‌شود. نیروگاه‌های نمک مذاب، به شبکه گسترده‌ای از آینه‌های هلیواستات متکی هستند تا نور خورشید را به یک نقطه واحد هدایت کنند که اغلب از آن به عنوان «برج برق» یا «برج مرکزی» یاد می‌شود. نمک مذاب در مخازن عایق‌بندی‌شده ذخیره می‌شود تا حتی زمانی که خورشید دیگر نمی‌تابد، بتوان از انرژی استفاده کرد.

آینده برداشت انرژی خورشیدی

فناوری برداشت انرژی خورشیدی به طور فزاینده‌ای به عنوان یک جایگزین برای برق تولیدشده توسط سوخت‌های فسیلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگرچه روش‌های گوناگونی برای برداشت انرژی خورشیدی وجود دارد، اما همه آنها اساسا از خورشید برای انجام دادن کار به روش دلخواه استفاده می‌کنند. ما به طور سنتی برای انجام دادن چنین کارهایی به برق متکی هستیم. افزایش راندمان و بهینه‌سازی فرآیندها، بهره‌وری تلاش‌ها را برای برداشت انرژی خورشیدی در آینده به همراه خواهد داشت و ممکن است نیاز به استفاده کردن از سوخت‌های فسیلی را به طور کلی برطرف کنند.

با وجود همه مزیت‌های ذکرشده، چالش‌هایی در مورد انرژی خورشیدی وجود دارد که به شرح زیر هستند.

• انرژی خورشیدی، مستمر نیست زیرا وقتی خورشید وجود ندارد، نمی‌توان انرژی تولید کرد. به منظور تأمین پیوسته انرژی باید از منابع ذخیره یا سایر منابع انرژی مانند نیروی باد استفاده شود.
• اگرچه هر دو انرژی خورشیدی فتوولتائیک و متمرکز را می‌توان تقریبا در هر مکانی به کار برد، اما تجهیزات مورد نیاز آنها فضای زیادی را اشغال می‌کنند.
• نصب پنل‌ها در هر جایی به جز روی سازه‌های موجود، می‌تواند با تاثیرگذاری بر گیاهان و حیات وحش، تأثیر منفی بر اکوسیستم داشته باشد.
• هزینه جمع‌آوری، تبدیل و ذخیره انرژی خورشیدی بسیار بالاست، اما شاید با پیشرفت‌های حوزه فناوری و افزایش تقاضا، هزینه‌ها کاهش ‌یابند.

اگرچه چنین مشکلاتی در مورد انرژی خورشیدی وجود دارد، اما منابع دیگر نیز بدون مشکل نیستند. سوخت‌های فسیلی مانند ذغال‌سنگ، نفت و گاز طبیعی در حال حاضر بیشتر نیروی برق ما را تولید می‌کنند، اما از سوی دیگر، مسؤول تقریبا تمام آلودگی‌های سیاره ما هستند. به علاوه، آنها تجدیدپذیر نیستند و این بدان معناست که عرضه محدودی وجود دارد.

از سوی دیگر، خورشید انرژی رایگان و پاک را به وفور ارائه می‌دهد. در واقع، انرژی بسیار بیشتری نسبت به آنچه ممکن است استفاده کنیم، توسط خورشید ارائه می‌شود. تنها پرسشی که باقی می‌ماند، این است که چگونه و چه زمانی می‌توانیم بهره کامل را از خورشید ببریم.