در حالی که امروزه در کشورمان بر اثر احداث سدهای متعدد به منظور تولید برق، شاهد کم‌آبی در سطح برخی استان‌ها هستیم، دنیا در حال بهره‌گیری از انرژی خورشیدی و منابع انرژی تجدیدپذیر بدین منظور است و دیگر اعتنای چندانی به شیوه منسوخ و نخ‌نمای "سدسازی" برای این امر ندارد.
حالی که بسیاری از کشورهای دنیا، آن هم نه فقط کشورهای پیشرفته و توسعه یافته، در حال بهره‌جویی از انرژی پاک خورشیدی برای تولید برق هستند، ما به عنوان یک کشور نیمه خشک همچنان برای تامین برق مورد نیاز خود به ساخت سدها و تولید انرژی برق‌آبی اصرار داریم!
این در حالی است که انرژی‌های تجدیدپذیر در سال ۲۰۲۰ از ذغال و حتی انرژی هسته‌ای نیز در تولید برق سبقت گرفته است و برخی از کشورها نیز تمام یا بخش عمده‌ای از انرژی مورد نیاز خود را از مزارع بادی و خورشیدی استحصال می‌کنند.
از طرف دیگر، اتکا به تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی نیز روز به روز در حال کاهش است و به عنوان مثال آمار استفاده از آن در ایالات متحده در سال ۲۰۲۰ به ۴۰ درصد رسیده است.
بسیاری از تلاش‌ها برای تولید انرژی‌های تجدیدپذیر بر استفاده از انرژی باد و به ویژه انرژی خورشید متمرکز است و فناوری‌های استفاده در صفحات یا پنل‌های خورشیدی هر روزه در حال توسعه و پیشرفت است و محققان زیادی در سراسر دنیا به دنبال بهینه‌سازی این فناوری کارآمد برای استفاده هرچه بیشتر از آن در زمین هستند.
“سلول خورشیدی”(Solar cell) یا سلول فتوولتائیک (photovoltaic cell) یک قطعه الکترونیکی است که به کمک اثر فوتوولتائیک، انرژی نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌کند. سلول‌های خورشیدی ساخته شده از ویفرهای سیلیکونی کاربرد بسیاری دارند.
اثر فوتوولتائیک به معنی تولید ولتاژ یا جریان الکتریکی متناظر با آن در ماده به دلیل در معرض نور قرار گرفتن است.
گفتنی است که خورشید در هر ثانیه حدود ۱۰۰۰ ژول انرژی به هر متر مربع از سطح زمین منتقل می‌کند که با جمع‌آوری کردن آن می‌توان انرژی مورد نیاز برای کارهای مختلفی را تأمین کرد.
نکته قابل توجه از چرایی گرایش مشتاقانه به این فناوری شاید در اعلامیه جدید یک شرکت انرژی خورشیدی آلمانی به نام “دزرتک”(Desertec) نهفته باشد که مدعی شده است که استقرار صفحات خورشیدی در تنها بخش کوچکی از صحرای بزرگ آفریقا می‌تواند تمام برق مورد نیاز ساکنان زمین را فراهم کند.
اکنون در اینجا به معرفی چند نمونه از جدیدترین فناوری‌ها در زمینه توسعه صفحات خورشیدی می‌پردازیم که استفاده بیشتر، بهتر و گسترده‌تر از آنها را در آینده نزدیک فراهم می‌کنند:
فناوری‌های توسعه سلول‌های خورشیدی
استفاده از سلول‌های خورشیدی در پنجره‌ها
یک گروه بین‌المللی از دانشمندان با توجه به این که روزی سلول‌های خورشیدی شفاف بتوانند به عنوان پنجره در خانه‌ها و سایر ساختمان‌ها مورد استفاده قرار بگیرند، نوع جدیدی از الکترود شفاف را ارائه داده‌اند. این فناوری می‌تواند با غلبه بر برخی از مشکلات عملکردی نمونه‌های پیشین و ترکیب دو فناوری مکمل، زمینه استفاده از سلول‌های خورشیدی پیشرفته را فراهم کند.
سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون، برای دهه‌ها یکی از پایه‌های اصلی فناوری خورشیدی به شمار می‌رفته‌اند اما در سال‌های اخیر شاهد هستیم که سلول‌های مبتنی بر پروسکایت، اثر خود را نشان می‌دهند. کارآیی رو به بهبود این سلول‌های خورشیدی، آنها را در مرکز توجه در مورد انرژی‌های تجدیدپذیر قرار داده است. یکی از امکانات جالب در مورد سلول‌های خورشیدی، ترکیب کردن آنها با سلول‌های سنتی مبتنی بر سیلیکون است تا هزینه کاهش یابد و بازدهی بیشتری ارائه شود.
دانشمندان پیشتر نشان داده‌اند که چگونه می‌توان نوارهای فوق‌العاده باریک طلا را به عنوان الکترودهای شفاف در سلول‌های خورشیدی به کار گرفت اما نتیجه نهایی، یک لایه یکنواخت بود که قابلیت رسانایی ضعیفی داشت. دانشمندان در این پروژه جدید دریافتند که استفاده از “کرومیم”(chromium) به عنوان لایه ابتدایی در نوارهای طلا می‌تواند مشکلات موجود در این زمینه را برطرف کند. کرومیم، انرژی سطح بالایی دارد و همین، محل خوبی برای ساخت طلا در قسمت بالای آن فراهم می‌کند و در واقع به طلا امکان می‌دهد تا یک لایه نازک پایدار را تشکیل دهد.
صفحه خورشیدی بدون قاب
شرکت سنگاپوری “فناوری‌های خورشیدی مکسئون”(Maxeon) موفق به ساخت صفحات خورشیدی بدون قاب شده است که راهی برای نصب این پنل‌های فتوولتائیک بر روی سقف آن دسته از ساختمان‌های تجاری ارائه داده است که ممکن است نتوانند از تنظیمات کنونی پشتیبانی کنند. این شرکت صفحات خورشیدی بدون قاب، نازک و سبکی ایجاد کرده است که می‌توانند مستقیماً روی سقف بام‌ها چسبانده شوند.
وی افزود: برای نزدیک به ۵۰ سال، صنعت انرژی خورشیدی تقریباً به طور انحصاری بر روی ساخت صفحات خورشیدی شیشه‌ای متمرکز شده است. با افزایش اندازه صفحات خورشیدی و کاهش هزینه سلول‌های خورشیدی، هزینه حمل، نصب و تعبیه صفحات شیشه‌ای بزرگ، قسمت زیادی از هزینه این سیستم را در برمی‌گیرد. اکنون ما با فناوری جدید خود می‌توانیم محصولی تولید کنیم که ضمن ایجاد فرصت‌های کاملاً جدید برای این بازار، با امکان نصب مستقیم صفحات خورشیدی بر روی بام‌های ساختمان‌های تجاری، این هزینه‌ها را کاهش دهد.
صفحات خورشیدی جدید این شرکت موسوم به “مکسئون ایر”(Maxeon Air) توسط یک لایه چسبنده یکپارچه پشتیبانی می‌شود که به آنها اجازه می‌دهد بدون نیاز به قاب آلومینیومی، پیکربندی، گیره و امثالهم مستقیماً روی بام ساختمان‌های تجاری نصب شوند. این صفحات خورشیدی همچنین طوری مهندسی شده‌اند که روی سطوح ناهموار نیز به راحتی قرار بگیرند.
تبدیل برق و شن به پنل‌های خورشیدی
یک استارتاپ به نام “مانا الکتریک”(Maana Electric) مستقر در لوکزامبورگ با هدف ارسال جعبه‌هایی به شکل انبارهای فلزی به بیابان‌های زمین که قادر به ساخت صفحات خورشیدی با استفاده از برق و شن و ماسه هستند، به کمک مبارزه با تغییرات آب و هوایی می‌آید.
این جعبه‌ها با نام “تراباکس”(Terrabox) بسیار ساده به نظر می‌رسند. همانطور که “مانا الکتریک” در وب‌سایت خود توضیح داده است: “تراباکس” یک کارخانه کاملاً خودکار است که قادر به تولید پنل‌های خورشیدی با استفاده از شن و برق به عنوان ورودی است.
این کارخانه‌های کوچک قابلیت قرارگری و جابجایی را درون کانتینرها دارند، به این معنی که می‌توان آنها را به مکان‌های دورافتاده بیابانی منتقل کرد تا در آنجا بتوانند صفحات خورشیدی مورد نیاز برای تولید انرژی خورشیدی پاک را تولید کنند. این محصول انقلابی علاوه بر کمک به مقابله با تغییرات آب و هوا همچنین می‌تواند به کاهش وابستگی اپراتورهای انرژی تجدیدپذیر به چین را که اغلب صفحات خورشیدی فتوولتائیک جهان را تولید می‌کند، کمک کند.
افزایش پایداری سلول‌های خورشیدی
پژوهشگران انگلیسی مکانیسمی را شناسایی کرده‌اند که می‌تواند پایداری سلول‌های خورشیدی را افزایش دهد.
سلول‌های خورشیدی، انرژی را از خورشید می‌گیرند و یک جایگزین برای منابع تجدیدناپذیر انرژی مانند سوخت‌های فسیلی ارائه می‌دهند. در هر حال، سلول‌های خورشیدی با چالش‌های ناشی از فرآیندهای پرهزینه تولید و کارآیی ضعیف رو به رو هستند.
“پروسکایت‌ها”(Perovskites)، موادی هستند که برای نسل بعدی سلول‌های خورشیدی ابداع شده‌اند. اگرچه ساخت پروسکایت‌ها بسیار کم‌هزینه‌تر از پنل‌های خورشیدی سیلیکونی است و بازدهی مشابهی دارد اما پروسکایت‌ها حاوی مواد سربی سمی هستند. نسخه‌های پروسکایت با استفاده از مواد دیگری به جای سرب، تحت بررسی قرار دارند.
انواعی که به جای سرب، در آنها از قلع استفاده می‌شود، امیدوارکننده هستند اما به سرعت تخریب می‌شوند. پژوهشگران “دانشگاه باث”(University of Bath) انگلیس در بررسی جدید خود نشان داده‌اند که چگونه این پروسکایت‌ها به “یدید قلع”(tin iodide) تجزیه می‌شوند. هنگامی که یدید قلع در معرض رطوبت و اکسیژن قرار بگیرد، ید را تشکیل می‌دهد. این ید به تشکیل یدید قلع بیشتری کمک می‌کند و به تخریب منجر می‌شود.
استفاده گسترده از سلول‌های خورشیدی
کشورهای مختلف دنیا چند سالی است که انرژی برق‌آبی را از صدر فهرست تولید برق به ذیل کشیده‌اند و به دنبال بهره‌گیری از سلول‌های خورشیدی و انرژی باد بدین منظور هستند.
دولت‌های این کشورها سیاست‌های مختلفی را در توسعه این مسیر در پیش گرفته‌اند و ابتدا با بکار گرفتن توان خود در احداث مزارع بادی و خورشیدی، شرکت‌ها و مردم را نیز به استفاده از آنها در پشت‌بام ساختمان‌های خود دعوت کرده‌اند و سیاست‌های تشویقی را برای آنها در نظر گرفته‌اند.
کشورهای اروپایی به خصوص کشورهای اسکاندیناوی به طور ویژه با بهره‌گیری از انرژی باد و آفتاب و تولید هیدروژن سبز از انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده می‌کنند و توانسته‌اند همه یا قسمت زیادی از انرژی مورد نیاز شهروندان و صنایع خود را از طریق آنها تامین کنند.
از طرفی ایالات متحده نیز می‌تواند یک نمونه بارز در این موضوع باشد، چرا که این کشور دارای مزارع خورشیدی بزرگی است که ظرفیت تولید برق بالایی دارند. به عنوان مثال مزرعه خورشیدی “توپاز”(Topaz) در کالیفرنیا واقع است که می‌تواند ۵۸۰ مگاوات نیرو تولید کند و همچنین مزرعه خورشیدی “ایوانپا سولار”(Ivanpah Solar) در کالیفرنیا که ۳۹۲ مگاوات برق تولید می‌کند و همچنین مزرعه خورشیدی “آگوا کالینته”(Agua Caliente) در آریزونا که ۲۹۰ مگاوات برق تولید می‌کند. ضمن اینکه چندین مزرعه خورشیدی دیگر نیز در سطح این کشور مستقر است و چند مزرعه نیز در دست احداث است.
به عنوان مثال یک مزرعه بزرگ خورشیدی با ظرفیت فوق‌العاده ۳۵۰ مگاواتی در صحرای کالیفرنیا ساخته خواهد شد که قادر به تأمین انرژی نزدیک به ۹۰ هزار خانه خواهد بود. این پروژه ۵۵۰ میلیون دلاری پس از اتمام، ظرفیت تأمین انرژی ۸۷ هزار و ۵۰۰ خانه را در منطقه خواهد داشت. این پروژه در ۲۰۰۰ هکتار از اراضی تحت مدیریت BLM به عنوان یک مرکز ۳۵۰ مگاواتی ساخته خواهد شد که می‌تواند همین مقدار انرژی را تولید کند و تحویل دهد.
در سایر نقاط جهان نیز بزرگترین مزارع خورشیدی را در استرالیا، سنگاپور، چین، هند و امارات متحده عربی می‌توان یافت که میزبان بزرگترین مزارع انرژی خورشیدی در جهان هستند.
یک تیر و دو نشان با “کانال‌های خورشیدی”
همانطور که اشاره شد، کشورهای دنیا به دنبال استفاده هر چه بیشتر از سلول‌های خورشیدی و به طور کلی منابع انرژی تجدیدپذیر هستند و در این راه ابتکارات جالبی نیز در پیش می‌گیرند. یکی از این ابتکارات، ایده پوشاندن کانال‌های سراسری روباز انتقال آب با سلول‌های خورشیدی است که می‌تواند از چند جهت بسیار موثر واقع شود. راهکاری که در کشور کم‌آب و نیمه خشک ما نیز احتمالا می‌تواند چاره‌ساز باشد.
افزودن صفحات خورشیدی روی آبراه‌ها که اصطلاحا “کانال‌های خورشیدی” را پدید می‌آورد، می‌تواند به ایجاد تحول بزرگی در جهت پایداری انرژی و آب کمک کند و ضمن تولید برق، سالیانه از تبخیر و هدر رفت ۶۳ میلیارد گالن آب(۲۳۸ میلیون متر مکعب) تنها در ایالت کالیفرنیای آمریکا جلوگیری کند.
محققان دانشگاه “کالیفرنیا مرسد”(California Merced) و دانشگاه “کالیفرنیا سانتا کروز”(California Santa Cruz) با استفاده از شبیه‌سازی، توانایی اقتصادی ساخت شبکه‌ای از “کانال‌های خورشیدی” را در یکی از بزرگترین شبکه‌های آبی جهان که آب مورد نیاز بیش از ۲۷ میلیون شهروند را تأمین می‌کند، ارزیابی کردند.
دکتر “برندی مک کوئین” نویسنده اصلی این تحقیق در بیانیه مطبوعاتی خود توضیح داد: ما از مقدار قابل توجه جلوگیری از تبخیر آب که پیش‌بینی می‌کنیم ۸۲ درصد باشد، شگفت‌زده شدیم. این مقدار آب می‌تواند تفاوت قابل توجهی در مناطق کم آب ایجاد کند. وی همچنین گفت که سایه این صفحات خورشیدی بر روی آب کانال‌ها می‌تواند رشد علف‌های هرز آبزی را کاهش دهد و منجر به کاهش هزینه‌های نگهداری شود.
البته این صفحات خورشیدی به طور کلی مانع از تمام تبخیرها نمی‌شوند. اگرچه تبخیری که اتفاق می‌افتد، مزیت خنک‌سازی صفحات خورشیدی را به همراه دارد و آنها را در تبدیل نور خورشید به برق کارآمدتر می‌کند.
نزدیکترین مشابه این طرح در “گوجارات” هند یافت می‌شود؛ جایی که صفحات خورشیدی مساحت ۷۵۰ متری از یک کانال را در سال ۲۰۱۵ پوشاندند و بیش از ۱۸ میلیون دلار هزینه در برداشت.
کسب مقام دوم تولید برق جهان توسط تجدیدپذیرها
براساس اطلاعات جدید اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده(EIA)، منابع تجدیدپذیر در سال ۲۰۲۰ پس از سوخت‌های فسیلی به طور رسمی دومین منبع تولید برق دنیا شدند و در واقع انرژی‌های تجدیدپذیر برای اولین بار دومین منبع پر مصرف انرژی در جهان شدند.
چندین منبع انرژی تجدیدپذیر مانند زمین‌گرمایی و برق‌آبی بیش از یک پنجم کل برق تولید شده در ایالات متحده را شامل می‌شوند که میزان دقیق آن ۲۱ درصد است. منبع بعدی در این فهرست، انرژی هسته‌ای با ۲۰ درصد سهم و زغال سنگ با ۱۹ درصد سهم است. البته تولید برق با استفاده از سوخت‌های فسیلی هنوز در این کشور در رتبه اول قرار دارد و ۴۰ درصد از کل برق تولید شده در سال ۲۰۲۰ را شامل می‌شود، اما هنوز هم این آمار گامی بزرگ در جهت استفاده از تجدیدپذیرها محسوب می‌شود که نشان دهنده کاهش مداوم اتکا به زغال سنگ است که کاهش ۲۰ درصدی را در سال ۲۰۲۰ نسبت به سال ۲۰۱۹ نشان می‌دهد. در مقابل، استفاده از منابع تجدیدپذیر در همین بازه زمانی ۹ درصد افزایش یافته است و اگر این پیشرفت ادامه یابد، منابع تجدیدپذیر ممکن است به زودی از سوخت‌های فسیلی پیشی بگیرند.
از بین انواع مختلف انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی باد در سال ۲۰۲۰ بیشترین سهم را داشته است. بر اساس داده‌های وب‌سایت EIA، انرژی خورشیدی بیش از یک مگاوات برق تولید کرده است که حاکی از افزایش ۲۶ درصدی از سال ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۰ است.
این آمار حاوی یک نکته مهم است و آن اینکه با وجود استقبال گرم از انرژی هسته‌ای توسط بسیاری از دانشمندان، استفاده از آن در تولید برق کاهش یافته است. شاید یکی از موضوعاتی که موجب آن شده است، نیاز به بررسی اثرات زیست محیطی دفع زباله‌های رادیواکتیو حاصل از آن است. البته دانشمندان می‌گویند هیچ گونه شواهد مبتنی بر علم یافت نشده است که انرژی هسته‌ای بیش از سایر فناوری‌های تولید برق به سلامت انسان یا محیط زیست آسیب می‌رساند.
در هر حال آمار EIA نشان می‌دهد که تولید برق از انرژی هسته‌ای از سال ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۰ حدود دو درصد کاهش یافته و دو درصد دیگر نیز در سال ۲۰۲۱ و سه درصد دیگر هم در سال ۲۰۲۲ کاهش می‌یابد. البته این امر به دلیل بازنشستگی چندین نیروگاه هسته‌ای و مسائل مربوط به تعمیر و نگهداری نیروگاه‌ها رخ داده است.
منبع: خبرگزاری دانشجویان ایران