بخشی از مقاله
بررسي فني و اقتصادي استفاده از انرژي خورشيدي در قالب توليد پنل هاي خورشيدي
چکيده
انرژي خورشيدي شامل کليه انرژيهايي است که به طور مستقيم يا غيرمستقيم از خورشيد سرچشمه ميگيرند.
از جمله موارد مصرف انرژي خورشيدي ميتوان به توليد برق توسط سلولهاي خورشيدي، توليد برق توسط مبدلهاي حرارتي ، توليد بخار صنعتي ، آبگرمکن خورشيدي، گرم کردن فضا و غيره اشاره نمود. هر چند در حال حاضر، هزينه استفاده از انرژي خورشيدي نسبتا بالاست ، ولي امروزه در سياست گذاريها فقط اين پارامتر در نظر گرفته نمي شود، بلکه فوايد حاصل از به کارگيري اين نوع انرژي، مانند کاهش آلودگي محيط زيست و... نيز مدنظر قرار ميگيرد، علاوه بر اينکه در آينده نزديک با کاهش جهاني قيمت اين نوع انرژي، استفاده از آن پر رونق تر خواهد شد. در اين مقاله ضمن بررسي کاربرد انرژي خورشيدي به ويژه در قالب پنلهاي خورشيدي ، وضعيت بهره برداري از آنها در جهان و مباحث زيست محيطي و فني و اقتصادي مرتبط بر استفاده از آن، به بحث و بررسي امکانسنجي احداث کارخانه بر پايه توليد پنل هاي خورشيدي وکارآفريني و خودکفايي ايجاد شده در شهر مشهد پرداخته شده است .
واژههاي کليدي: انرژي، مطالعات فني واقتصادي، انرژي خورشيدي، پنل هاي خورشيدي
مقدمه
توليد نيروي برق يکي از پايه هاي قدرت اقتصادي يک کشور مي باشد، به همين دليل نيز افزايش توليد الکتريسيته و ارزش افزوده آن در چند دهه اخير مورد توجه بوده است . در اين ميان با رويآوري و دست يابي به تکنولوژيهاي پيشرفته ، بکارگيري و استفاده از انرژيهاي پاک و سيستم هاي تجديدپذير در تامين انرژي مورد نياز بشر رشد قابل ملاحظه اي داشته است . در ايـن ميان انرژي خورشيدي در ميان ديگر انرژي هاي تجديد پذير سهم ويژه اي داشته است . سـهولت در دسترسـي و کـاربرد انـرژي خورشيدي، آن را در موقعيت مناسبي قرار داده است . خورشيد بزرگترين و تنها منبع تأمين کننده انرژي در هر زمينه مي باشد که انرژي صادره از آن به صورتهاي مختلف در جهت تأمين انرژي مورد نياز اعم از سـوخت هـاي فسـيلي و غيرفسـيلي مـورد استفاده قرار مي گيرد. اين امر در سيستم هاي تبديل انرژي زماني اهميت بيشتري مي يابد که بدانيم انرژي تابشـي خورشـيد بـا استفاده از سيستم هاي فتوولتائيک، بطور مستقيم و بدون نياز به فرآيندهاي واسـطه بـه انـرژي الکتريکـي تبـديل مـي شـود و سهولت در دسترسي به انرژي الکتريکي حاصل از برق خورشيدي يکي از کاربردهاي آن اسـت . لازم بـه ذکـر اسـت کـه توليـد سلول و ماژولهاي خورشيدي در چند سال اخير رشد فزايندهاي داشته است و در سالهاي کنوني به بـيش از ٢٥٠٠ مگـاوات پيک در سال رسيده است . [٣] شناخت انرژي خورشيدي و استفاده از آن براي منظورهاي مختلف به زمان ماقبـل تـاريخ بـاز مـي گـردد. شـايد بـه دوران سفالگري، در آن هنگام روحانيون معابد به کمک جام هاي بـزرگ طلائـي صـيقل داده شـده و اشـعه خورشـيد، آتشـدانهـاي محراب ها را روشن مي کردند. يکي از فراعنه مصر معبدي ساخته بود که با طلوع خورشيد درب آن باز و با غروب خورشيد درب بسته مي شد. ولي مهم ترين روايتي که درباره استفاده از خورشيد بيان شده داستان ارشميدس دانشمند و مخترع بزرگ يونـان قديم مي باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژي حرارتي خورشيد به آتش کشيد. گفته مي شود که ارشميدس با نصب تعـداد زيادي آئينه هاي کوچک مربعي شکل در کنار يکديگر که روي يک پايه متحرک قرار داشـته اسـت اشـعه خورشـيد را از راه دور روي کشتي هاي روميان متمرکز ساخته و به اين ترتيب آنها را به آتش کشيدهاست . با وجود آنکه انرژي خورشيد و مزايـاي آن در قرون گذشته به خوبي شناخته شده بود ولي بالا بودن هزينه اوليه چنين سيستم هايي از يک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف ديگر سد راه پيشرفت اين سيستم ها شده بود تا اينکه افزايش قيمت نفـت در سـال ١٩٧٣ باعـث شـد کـه کشـورهاي پيشرفته صنعتي مجبور شدند به مسئله تولد انرژي از راه هاي ديگر (غير از استفاده سـوخت هـاي فسـيلي ) توجـه جـديتـري نمايند. سلولهاي خورشيدي ميانه دهة ١٩٥٠ در دسترس بوده اند ولي زماني که بکرل دانشـمند فرانسوي،کشـف کـرد کـه بـا تاباندن نور به برخي محلولهاي شيميايي ويژه يک جريان الکتريکي توليد مي شود. تحقيق علمي اثـر فتوولتـايي سـال ١٨٣٩ شروع شد،در سال ١٨٧٧ اين تاثير ابتدا در يک جامد فلزي (سلنيوم) مشاهدهشد. اين فلز سالهاي بسياري براي سـنجش نـور به کار رفته بود و فقط به مقادير خيلي کم تـوان داشـت . يـک درک عميـق تـر علمـي ، در سـال ١٩٠٥ توسـط انيشـتين و در سال ١٩٣٠ به وسيله اسکاتکي فراهم شد و لازم بود سلولهاي خورشـيدي کارآمـد سـاخته شـود. در سـال ١٩٥٤ يـک سـلول خورشيدي سيليسيمي که ٦% از انرژي خورشيد را به الکتريسيته تبديل مي کرد به وسيله پيرسون و فولر ساخته شد، اين نـوع باتري از ١٩٥٨در شاتل هاي فضايي به کار رفت . [٤] از آن زمان به بعد روز به روز بـه کاربردهـاي متنـوع سـلول و پنـل هـاي خورشيدي افزوده شد.
در سالهاي اخيـر نيـز در کشـورمان، کاربردهـايي از انـرژي خورشـيدي بـه طـور گسـترده در سـطح پنـل خورشـيدي و کاربري هايي همچون روشنايي معابر، روستاها، وسايل متنوع الکتريکي و الکترونيکي و غيـره در حـال شـکل گيـري اسـت و بـه منظور مطالعه و پژوهش در خصوص بهينه سازي مصرف انرژي و امکان بررسي روشهاي استفاده از انواع انرژيهاي تجديدپذير به ويژه انرژي خورشيدي، برنامه هاي مختلفي اجرا گرديده است و ديگر کاربردهاي پنل خورشـيدي نيـز در حـال رشـد اسـت .
همچنين در مورد توليد پنل خورشيدي در کشور بايد اشاره کرد که در اواخر سال ١٣٦٧ و بعـد از راه انـدازي کارخانـه توليـد کابل نوري يزد طرح توجيهي فني و اقتصادي توليد فيبر نوري در داخل کشور به مسـئولين امـر در وزارت پسـت و تلگـراف و تلفن ارائه شد. اين طرح در سال ١٣٦٨ به تصويب رسيد و مقرر شد شرکتي به اين منظور تشکيل و اجـراي طـرح مـذکور بـه عنوان هدف اصلي آن تعيين شود. شرکت توليد فيبر نوري در سال١٣٦٨ به ثبت رسيد. در همين سال با کسب اطلاع از علاقه مندي شرکت مخابرات ايران براي استفاده از سيسـتم هـاي بـرق خورشـيدي ( فتوولتائيـک)، امکـان سـاخت سـلول و مـدول خورشيدي در کشور مورد مطالعه قرار گرفت و با تهيه طرح توجيهي فني و اقتصادي آن در سال ١٣٦٩ مورد تاييـد مسـئولين وقت وزارت پست و تلگراف و تافن واقع شده و مسئوليت اجراي آن به عهده شرکت توليد فيبر نوري و برق خورشـيدي تغييـر يافت .شرکت توليد فيبر نوري و برق خورشيدي در ارديبهشت ماه سال ١٣٧٣ باحضور رياست محترم جمهوري افتتـاح و بهـره برداري از کارخانجات توليد فيبـر نـوري و توليـد سـلول و مـدول خورشـيدي ميسـر گرديـد.[٦] و از آن زمـان بـه بعـد رونـد کارخانه هاي مرتبط با انرژي خورشيدي رشد پيدا کرد. ما در پروژه پژوهشي خود به امکانسنجي ساخت پنلهاي خورشيدي در مشهدمقدس پرداخته ايم که در اين مقاله سعي شده است نتايج مهم و کليدي آن را منتشر نماييم .
اهميت انرژي خورشيدي
در ميان انرژي هاي تجديدپذير، انرژي خورشيدي به دليل دسترس پذيري و کاربردهـاي بسـيار زيـاد آن، اهميـت ويـژ اي دارد. در جدول ذيل ، مقايسه اي بين ديگر انرژيهاي جايگزين صورت گرفته است . [١]
جدول ١- مقايسه محصولات جايگزين
انرژي خورشيدي نتيجه ي فرآيند پيوسته ي همجوشي هسته اي در خورشيد است . تـوان تابشـي در مـدار ميـانگين کـرهي زمين از شدتي برابر با ١.٣٦ برخوردار مي باشد. محيط زمين ٤٠٠٠٠ کيلومتر و در نتيجه توان رسيده بـه مـدار زمـين بـه TW ٤٠٠ ميرسد. حداکثر شدت انرژي در سطح دريا نوعا ١ است . و ميانگين ٢٤ ساعته در سطح زمين نوعا برابر بـا
٠.٢ است . اين مقدار برابر با TW ١٠٢٠٠٠ انرژي که ١٠٠٠٠ برابر مصرف انرژي فعلي است . [٤]
کشور ما که در بين مدارهاي ٢٥ تا ٤٠ درجة عرض شمالي قرار گرفته است . در منطقه اي واقع شده که به لحاظ دريافـت انرژي خورشيدي در بين مناطق مختلف جهان در بالاترين رده ها قرار گرفته است . ميزان تابش انرژي خورشيدي در ايران بين
١٨٠٠ تا ٢٢٠٠ کيلووات ساعت بر متر مربع در سال تخمين زده شده است . تعداد روزهاي ابري پشت سر هم در سراسر کشور کمتر از ٥ روز در سال مي باشد و همچنين شفافيت هوا در اکثر نقاط ايران بيش از ٦٠% در نظر گرفته مي شود و علاوه بر اين با توجه به آنکه در نقاط مرتفع ميزان تابش خورشيد بيشتر بوده و سرزمين ما نيز کوهستاني است و اکثر نقاط آن ارتفاعي بيش از ١٠٠٠ متر از سطح دريا دارد اين نيز يک ويژگي در بهره گيري از انرژي خورشيدي بوده و طبيعي است اگر بکار گيري انرژي خورشيدي براي تأمين آب گرم مصرفي در کشورهاي به مراتب کم بهره تر از امتياز فوق مقرون به صرفه باشد در کشور ما قطعا مقرون به صرفه خواهد بود.[٧]
با توجه به نمودار تابش متوسط ساليانه خورشيد بر نقاط مختلف کره زمين ، متوجه مي شويم که منـاطق نزديـک بـه خـط استوا بيشترين پتانسيل دريافت نور خورشيد را دارند،[٣] لذا با توجه به وجود کشورهاي همسايه و کشورهاي آفريقايي نزديک خط استوا و با توجه به روابط تجاري دوستانه بين کشورها مي توان بـه عنـوان بـازار هـدف خـارجي مطـرح کـرد. کشـورهايي همچون : مصر، کامرون، نيجيريه ، سوريه ، عراق، افغانستان و... به عنوان کشورهاي مناسب جهت استفاده از انرژي خورشيدي و رونق صادرات محصولات خورشيدي ايراني مطرح هستند.
همانطور که مي دانيد اهميت ويژه انرژي خورشيدي به دليل کاربردهاي بسيار متنوع آن اسـت و در عصـر حاضـر از انـرژي خورشيدي توسط سيستم هاي مختلف و براي مقاصد متفاوت استفاده و بهرهگيري مي شود که عبارتند از: [٣]
- استفاده از انرژي حرارتي خورشيد براي مصارف خانگي ، صنعتي و نيروگاهي
- تبديل مستقيم پرتوهاي خورشيد به الکتريسيته بوسيله تجهيزاتي به نام فتوولتائيک
- استفاده از انرژي حرارتي خورشيد
- کاربردهاي نيروگاهي و غير نيروگاهي
هر چند هزينه استفاده از انرژي خورشيدي بسيار بالاست ، ولي امروزه در سياسـت گـذاريهـا فقـط هزينـه سيسـتم هـاي خورشيدي در نظر گرفته نمي شود، بلکه فوايد حاصل از بکارگيري آنها، مانند کاهش آلودگي محيط زيسـت نيـز مـدنظر قـرار مي گيرد، با وجود تمام مسائلي که مطرح مي شود، مي توان مناطقي از کشور را يافت که استفاده از انرژي خورشـيدي در آنهـا توجيه اقتصادي دارد. به عنوان نمونه ، استفاده ازسلول هاي خورشيدي در مناطق دور دست را مي توان در عرض چند سال بـه قيمت روز رساند. با توجه به فناوري هاي موجود و وسعت استفاده از انرژي خورشيدي در دنيا، به نظر مي آيد در بخـش هـايي مانند گرمايش ساختمان ها، توليد آب گرم، آب شيرين کن ها و ...، اين انرژي مي تواند با انرژيهاي رايج رقابت کند. تحقيقـات انجام شده نشان مي دهد که درحال حاضر، ساخت نيروگاه هاي مستقل خورشيدي به صرفه نيسـت ، امـا اسـتفاده از پتانسـيل خورشيدي کشور در قالب کاربردهاي مختلف ، روزبه روز در حال رونق مي باشد.[ ٣]
پنل هاي خورشيدي
سلول خورشيدي قطعه اي از يک نيمه هادي است که از اتصال الکتريکي تشکيل شده است . اين قطعه ، انرژي خورشيدي را جذب نموده و به انرژي الکتريکي تبديل مي نمايد. پرتوهاي نوري که توسط سلول خورشيدي جذب مي شوند باعـث آزاد شـدن کووالانت (تصالات اتمي درنيمه هادي ها) و سپس ايجاد الکترونهاي منفي آزاد و حفره هاي مثبت آزاد مي گردند. ايـن موضـوع باعث جابجائي بارهاي مثبت و منفي مي گردد . با استفاده از الکترود در طرفين نيمه هادي جريان الکتريکي برقرار مي شود کـه قدرت الکتريکي حاصله به بار داده مي شود. ماده اصلي تشکيل دهنده بيشتر سلولهاي خورشيدي موجود در بازار، لايه نازکي از مواد نيمرسانا مانند سيليکون مي باشد.[٨]
همانطور که مي دانيد از اجتماع چندين سلول خورشيدي، پنل خورشيدي (ماژول) تشکيل مي شـود. در مـورد مـدت عمـر محصول بايد بدانيم که از پنلها به مدت حداقل ٢٠ تا ٢٥ سال مي توان بهر برداري نمود ولي بعـد از ٢٥ سـال بـازده آنهـا کـم مي شود ولي هيچگاه يک پنل بعد از اين مدت بطور کلي خراب نمي شود. حال بعد از اين مدت در صورتي ديده شد کـه انـرژي توليدي پنل ها به دليل کاهش راندمان پنل ها کاهش يافته است مي توان با اضافه کردن چند پنل جديد، از کل سيستم دوبـاره استفاده نمود بدون آنکه بخواهيم تمامي پنل ها را عوض کنيم . [٢]
استفاده از انرژيهاي تجديد پذير به لحاظ محدوديت روند رو به کاهش منابع سوخت هاي فسيلي و اثرات مخـرب آنهـا بـر محيط زيست در چند دهه اخير مورد توجه قرار گرفته اسـت . در ايـن ميـان بـازار اسـتفاده از انـرژي خورشـيدي بـه صـورت فتوولتاييک در ١٥ سال اخير رشد قابل ملاحظه ١٥ الي ٣٠ درصد در سال را داشته است . در جـدول ذيـل سـهم انـرژيهـاي تجديدپذير در تامين انرژي دنيا تا سال ٢٠٤٠ پيش بيني شده است . اين چشم انداز بر اسـاس سياسـت هـاي حمـايتي توسـط
European Renewable Energy Council تهيه شده است . همانطور که مشاهده مي کنيد در اين صورت ٤٧.٧% از انـرژي دنيا در ٢٠٤٠ توسط انرژيهاي نو توليد خواهد شد. اگر چنين حمايت ها و مشوقهاي ديگر بيشترمحقق گردد، نسـبت انـرژي باد به فتوولتاييک در سالهاي ٢٠١٠ ، ٢٠٢٠ ، ٢٠٣٠ و ٢٠٤٠ به ترتيب ٢٢ ، ١١ ، ١.٥٤ و ٠.٨٨ خواهد بود. يعني در ٢٠٤٠ توليد انرژي توسط صنعت فتوولتاييک از انرژي استحصال شده توسط نيروگاههاي بادي بيشتر خواهد شد. [١]
درمورد اهميت و کاربرد پنل خورشيدي، مطالب زيادي وجود دارد، که عمده دلايل توجه به صـنعت فتوولتاييـک در يـک دهه اخير و رشد سالانه آن به شرح ذيل مي باشد: [٥]
- عدم نياز به سوخت فسيلي و مشکلات سوخت رساني بويژه در مناطق صعب العبور
- قابليت توليد در محل مصرف، کاهش و صرفه جويي در هزينه هاي انتقال و توزيع انرژي الکتريکي و عـدم نيـاز بـه شـبکه سراسري برق
- تنوعبخشي با منابع تامين کننده انرژي
- امکان نصب و راه اندازي در توانهاي مختلف ، متناسب با نياز مصرف کننده
- طول عمر مناسب و سهولت در بهر برداري
- امکان نصب بر نما و يا روي سقف خانه ها و توانايي ذخيرهسازي انرژي در باتري
لازم به ذکر است که اهميت امنيت انرژي، کنترل ميزان آلودگي هوا، کاهش ميزان گازهاي گلخانه اي، کاربردهاي متنـوع و رشد اشتغالزايي از جمله اولويت هايي است که گسترش تکنولوژي انرژيهاي نو را غير قابل چشم پوشي مي نماياند لذا رونـد رو به رشد و توسعه سيستم هاي فتوولتاييک در جهان و در نتيجه افزايش تقاضاي انرژي بشري را دنبال خواهـد داشـت . از جملـه کاربردهاي اصلي و مهم پنل الکتريکي مي توان به برقرساني روستايي ، کاربردهاي فضايي و نظامي ، اتصال به شـبکه سراسـري،
حفاظت کاتديک و روشنايي معابر اشاره کرد. اين کاربردها در موقعيت هاي ذيل قابل استفاده مي باشند. مواردي همچون :
- روشنايي جهت روستاهاي دورافتاده، ويلاها، باغ ها، هتل ها، رستورانها، جادهها، معابر شهري، پارکها، مناطق کوهستاني ، اتاقک هاي نگهباني و ...
- استفاده در ابزار و لوازم الکترونيکي و الکتريکي ، گوشي تلفن هاي همراه، انواع ساعت ، ماشين حساب، آبنمـا و فـوارههـا، علائم راهنمائي و رانندگي و ترافيکي ، نمايشگرهاي صنعتي و ...
بررسي موارد فني توليد پنل خورشيدي
در اين بخش اطلاعاتي در مورد موارد فني امکانسنجي کارخانه توليد پنل خورشيدي در مشهد ارائه مي گردد. [١] کد ISIC
مربوط به اجزا و قطعات پنل هاي خورشيدي ٣١١٠١٣٣١ مي باشد. نقشه انفجاري پنل خورشيدي به شکل ذيل اسـت . ترتيـب قطعات به ترتيب از بالا به پايين فريم آلومنيومي ، فويل E.V.A، شيشه سکوريت ، سلولهاي مونوکريستال، فويل E.V.A،Back Sheet و دست آخر جعبه تقسيم (junction box) مي باشد.
