بخشی از مقاله
توليد انرژي الکتريکي از انرژي خورشيدي توسط سلول هاي خورشيدي پليمري : شرايط کنوني ، چالش ها
چکيده
سامانه هاي فتوولتائيک از کاربردهاي رايج و اساسي انرژي خورشيدي هستند که به دليل امکان تبديل مستقيم انرژي خورشيدي به انرژي الکتريکي و نيز مزايايي از قبيل قابليت اطمينان بالا، عدم ايجاد آلودگي ، عمر طولاني و امکان بکارگيري در قدرت هاي کوچک مورد توجه قرار دارند. اگرچه استفاده از فتوولتائيک ها به صورت چشمگيري در حال افزايش است ، اما سامانه هاي فتوولتائيکي تنها کمتر از ٠.١% از انرژي توليد شده را تامين مي کنند. بيشتر فناوري هاي فتوولتائيک رايج از نوع سيليکوني و فيلم هاي نازکي هستند که بازدهي تبديل انرژي نسبتا خوبي در محدوده ٢٠-١٠% و عمرمفيدي در حدود ٢٥ سال را نشان مي دهند. اما، مساله مهم هزينه بالاي تحميلي در اين فناوري ها است که عامل محدوديت استفاده از آنها شده است . قابل توجه است که لازمه هر سامانه فتوولتائيک سه معيار پايداري بالا، بازدهي خوب و هزينه مناسب هستند. در کنار فتوولتائيک هاي غيرآلي ، فتوولتائيک هاي پليمري هستند که فناوري آن ، تکميل کننده سلول هاي خورشيدي سيليکوني است . اين سامانه ها شامل خواصي مانند انعطاف پذيري بالا، هزينه کم ، فرايندپذيري راحت و روش هاي سريع ساخت ، وزن کم ، عدم ايجاد آلودگي و صدا هستند. مساله اصلي در فتوولتائيک هاي آلي ، پايداري کم (عمرمفيد ١٠ سال ) و بازدهي کم (در حدود ٧%) آنها در مقايسه با سيليکوني ها است . از طرف ديگر، هزينه کم و فرايند سريع ساخت ، آنها را گزينه اي مناسب براي استفاده در ساخت سلول هاي خورشيدي مي داند.
اولين فتوولتائيک هاي پليمري با بازدهي ٠.٣% ساخته شده است و بهبود اين ساختارها بازدهي را در حدود ٧% را نتيجه داده است . اما، تفاوت زياد عملکرد اين فتوولتائيک ها با فتوولتائيک ها غيرآلي ، توليد فتوولتائيک هاي آلي با هزينه کم ، پايداري بالاتر از ١٠ سال و بازدهي بالاتر از ١٠ درصد را به يک چالش تبديل کرده است .
کلمات کليدي : انرژي تجديدپذير، انرژي خورشيدي ، سلول خورشيدي ، پليمر.
١-١ مقدمه
تقاضاي انرژي در قرن بيست و يکم به صورت چشمگيري رشد کرده و با پيشرفت زندگي بشري در حال توسعه است . تقاضاي زياد انرژي ، ميزان منابع انرژي مورد استفاده و تقليل منابع طبيعي را مورد سوال قرار مي دهد[١]. ميزان انرژي مصرفي توسط بشر در سال ٢٠٠٤ در حدود TW١٥ بوده است که درصد بيشتر آنرا منابع انرژي سوخت هاي فسيلي تامين کرده است . صنعتي شدن و گسترش کشورها، رشد جمعيت و افزايش کلي رفاه بشر، تقاضاي انرژي در حال و آينده را سريعا افزايش مي - دهد. به طوري که ، در سال ٢٠٥٠، ميزان انرژي مصرفي توسط بشر TW ٣٥-٢٨ پيش بيني شده است [٢]. نفت ، زغال سنگ و گازهاي طبيعي سوخت هاي فسيلي هستند که بيش از ٧٠ درصد انرژي توليد شده در آمريکا را در سال ٢٠٠٩ فراهم کرده اند(شکل ١). سوخت هاي فسيلي براي توليد انرژي الکتريکي و گرما استفاده مي شوند. محصولات جانبي فرايند سوخت اين منابع ، دي اکسيد کربن ١ (CO2) و ترکيبات سولفوري مانند دي اکسيد سولفور٢(SO2) هستند که گرم شدن زمين ، افزايش سطح دريا و ايجاد باران اسيدي را به دنبال دارند. از طرف ديگر، منابع سوخت هاي فسيلي بر روي زمين محدود هستند و دير يا زود به اتمام مي رسند که بر لزوم دستيابي به منابع جديد انرژي دلالت دارد[١].
شکل ١ درصد منابع انرژي مورد استفاده براي توليد برق در آمريکا در سال ٢٠٠٩[www.eia.doe.gov..http:].
١-٢ انرژي تجديدپذير
منابع انرژي تجديدپذير منابعي هستند که از منابع طبيعي بدون ايجاد نقصان در آنها استفاده کرده ، اثرات مضري براي محيط زيست ندارند. انرژي توليد شده از باد، انرژي توليد شده از امواج آب و انرژي خورشيدي از جمله اين منابع هستند[١]. قابل توجه است که انرژي تجديدپذير توليد شده به صورت انرژي الکتريکي است [٢]. در مقايسه با نيروگاه هاي سوختي فسيلي ، سامانه هاي انرژي تجديد- پذير امروزي توانايي توليد انرژي با هزينه کم را ندارند. بنابراين ، براي استفاده زياد از اين منابع ، توسعه و ايجاد سامانه هايي که توانايي رقابت با تسهيلات سوخت هاي فسيلي را داشته باشند، لازم است . اين توسعه بايد به منظور کاهش هزينه و افزايش بازدهي صورت پذيرد. ميزان استفاده فعلي از منابع انرژي تجديدپذير براي توليد برق و گرما در جدول ١ نشان داده شده است [١].
١-٣ انرژي خورشيدي
خورشيد منبع عظيم انرژي بلکه سرآغاز حيات و منشا تمام انرژي هاي ديگر است . در حدود ٦٠٠٠ ميليون سال از تولد اين گوي آتشين مي گذرد و در هر ثانيه ٤.٢ ميليون تن از جرم خورشيد به انرژي تبديل مي شود. با توجه به وزن خورشيد که حدود ٣٣٣ هزار برابر وزن زمين است ، اين کره نوراني را مي توان به عنوان منبع عظيم انرژي تا ٥ ميليارد سال آينده به حساب آورد[١].
ميزان دما در مرکز خورشيد حدود ١٠ تا ١٤ ميليون درجه سانتيگراد است که از سطح آن با حرارتي نزديک به ٥٦٠٠ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطيسي در فضا منتشر مي شود. زمين در فاصله ١٥٠ ميليون کيلومتري خورشيد واقع است و ٨ دقيقه و ١٨ ثانيه طول مي کشد تا نور خورشيد به زمين برسد. بنابراين سهم زمين در دريافت انرژي از خورشيد ميزان کمي از کل انرژي تابشي آن است . حتي سوخت هاي فسيلي ذخيره شده در زمين ، انرژي هاي باد، آبشار، امواج درياها و بسياري موارد ديگر از جمله نتايج همين انرژي دريافتي زمين از خورشيد است [١]. انرژي خورشيد به طور مستقيم يا غير مستقيم مي تواند به اشکال ديگر انرژي تبديل شود. انرژي خورشيدي در سامانه هاي نورسنتز٣ گياهان ، سامانه هاي شيميايي ، سامانه هاي حرارتي و سامانه هاي فتوولتائيک ٤ استفاده مي - شود. در نور سنتز، گياهان تشعشع خورشيدي را جذب کرده ، به کمک آن گاز کربنيک و آب را به مواد قندي تبديل مي کنند. در سامانه هاي شيميايي ، از تابش خورشيد در فرآيندهاي شيميايي و يا در نوع ديگر، از خورشيد به عنوان منبع حرارت استفاده مي کنند. از سامانه هاي حرارتي براي توليد آب گرم ، گرمايش و سرمايش ، شيرين کردن آب و توليد برق استفاده مي شود. نهايتا، در سامانه هاي فتوولتائيک ، سلول خورشيدي بر مبناي فرآيند فتوالکتريک توليد انرژي مي کند. موانع اصلي استفاده از انرژي خورشيدي ، متغير و متناوب بودن ميزان انرژي و توزيع بسيار وسيع آن است . در گذشته ، با وجود اين - که انرژي خورشيد و مزاياي آن به خوبي شناخته شده بود، ولي بالا بودن هزينه اوليه چنين سامانه - هايي از يک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف ديگر، سد راه پيشرفت اين سامانه ها شده بود تا اينکه ، افزايش قيمت نفت در سال ١٩٧٣ باعث شد، کشورهاي پيشرفته صنعتي مجبور شوند به مساله توليد انرژي از راه هاي ديگر (غير از استفاده سوخت هاي فسيلي ) توجه جدي تري نمايند. علاوه بر اين تحول ، محدوديت منابع فسيلي نيز لزوم مطالعه و بررسي انرژي هاي تجديدپذير جديد خصوصا انرژي خورشيد را برجسته تر ساخته است . انرژي خورشيدي ويژگي هاي لازم براي تأمين نيروي مورد نياز زندگي بشر را به دلايل زير دارا است [١]:
• آلوده کننده محيط زيست نيست .
• با استفاده از آن ، انرژي هاي ديگر براي مصارف نسل هاي آينده ، بهتر ذخيره مي شوند.
• تمام مردم دنيا امکان استفاده از انرژي خورشيدي را دارند.
• قابل تبديل به ساير انواع انرژي است .
با توجه به محدوديت ها و مشکلات منابع سوخت هاي فسيلي و مزاياي عنوان شده براي انرژي خورشيد و همچنين انرژي مورد نياز بشر در آينده ، بررسي انرژي خورشيدي و روش تبديل آن به انرژي قابل استفاده براي بشر از اهميت بالايي برخوردار است . فرايند فتوولتائيک مهم ترين روش تبديل تشعشع خورشيد به انرژي برق است که در ادامه شرح داده مي شود.
١-٤ فتوولتائيک چيست ؟
همانطور که بيان شد، انرژي تامين شده از سوخت هاي فسيلي محدود و تمام شدني است . از اينرو، تامين انرژي در آينده مساله مهمي است که نياز به حل دارد. خوشبختانه ، انرژي هاي زيادي از خورشيد حاصل مي شود که در اينجا، بحث مهم نحوه تبديل اين انرژي ها به انرژي قابل استفاده براي بشر است . قسمتي از زمين که در معرض خورشيد قرار مي گيرد، انرژي در حدود TW ١٠٥×١.٢ را به دست مي آورد که تقريبا ١٠٠٠٠ برابر انرژي مصرفي در سال ٢٠٠٤ است . بنابراين ، حتي با دو برابر شدن انرژي مصرفي در ٥٠ سال آينده ، انرژي زيادي ، تنها از خورشيد قابل دست يابي است . از اينرو، بايد با استفاده از تجهيزاتي مانند سلول هاي خورشيدي اين انرژي به انرژي قابل استفاده براي بشر تبديل شود[٢].
فتوولتائيک ، مستقيم ترين راه تبديل تشعشعات خورشيد به انرژي الکتريکي است که اولين بار توسط Henri در سال ١٨٣٩ کشف شده است . مبناي اين منبع تجديدپذير انرژي ، ايجاد ولتاژ الکتريکي بين دو الکترود ضميمه شده به سامانه جامد و يا مايع ، از طريق تابش نور به اين سامانه است . ابزارهاي فتوولتائيک به نام سلول خورشيدي شناخته شده اند که توانايي جذب قسمت زيادي از طيف خورشيدي را دارند[٣]. انرژي نوري ١ فراهم شده توسط خورشيد مي تواند در سلول هاي خورشيدي به انرژي الکتريکي تبديل شود[١]. انواع مختلف سلول هاي خورشيدي وجود دارد. سلول - هاي سيليکوني از اولين سلول هايي هستند که انواع متفاوتي دارند[٢]. به دليل هزينه بالاي سلول هاي خورشيدي سيليکوني ، تنها در مناطقي که خطوط نيرويي از نيروگاه هاي مرسوم موجود نباشد، از آنها استفاده مي شود. در مقايسه با نيروگاه هاي سوختي فسيلي ، راه هاي کاهش هزينه در ساخت سلول هاي خورشيدي مهمترين چالش است [١].
امروزه ، سلول هاي خورشيدي در عمل به صورت مجموعه اي از سلول هاي سيليکوني بلوري متوالي و يا لايه اي از مواد فيلمي نازک که از داخل به حالت متوالي مرتبط شده اند، استفاده مي شوند. اين سامانه ها بر دو ديدگاه حفاظت سلول خورشيدي از محيط اطراف و توليد ولتاژي بيشتر از ولتاژ سلول تنها(ولتاژي کمتر از ١ ولت )، متمرکز هستند. بازدهي تبديل سلول هاي امروزي در محدوده ١٣% تا ١٦% است . بهترين بازدهي به دست آمده از سلول سيليکوني آزمايشگاهي تاکنون ٢٤.٧% بوده است [٣].
مطالعات اوليه بر روي فتوولتائيک هاي آلي ، از فرايند نورسنتز گياهان که در آن نور توسط کلروفيل جذب مي شود و مجموعه اي فعل و انفعالات شيميايي رخ مي دهد، الهام گرفته شده است [٤].
پليمرهاي رسانا در اواسط دهه ١٩٧٠ به عنوان نوع جديدي از مواد مورد توجه زياد قرار گرفتند.
براساس گزارشات ، خواص الکتريکي پليمرها، از مواد عايق به مواد نيمه رسانا و سپس به مواد رسانا(رسانايي بيشتر از S.cm ١٠٠٠٠٠) مرتب شده اند. مواد جديد نيمه رسانا و رسانا خواص نوري و الکتريکي نيمه رساناهاي غيرآلي را با انعطاف پذيري مکانيکي پليمرها ترکيب کرده اند. در حالي که خواص الکتريکي و نوري مي تواند کاملا شبيه به غيرآلي ها باشد، حمل بار الکتريکي و مکانيسم انتقال آن در پليمرهاي نيمه رسانا متفاوت از همتاي غيرآلي شان است [١].
خواص مورد توجه فتوولتائيک ها عبارتند از:
• تبديل مستقيم تشعشع خورشيد به برق
• عدم وجود قطعات مکانيکي و ايجاد صدا
