انرژى خورشیدی -Solar Energy

انرژی خورشیدی؛ فراوان‌ترین انرژی در جهان

میزان انرژی‌ای که خورشید در مدت زمان »یک ساعت« به زمین ارزانی می‌دارد، معادل انرژی مورد نیاز تمام انسان‌ها در طول یک سال است؛ گزاره‌ای عجیب و البته تکان‌دهنده. باور این واقعیت که انرژی مورد نیاز سالیانه 7 میلیارد انسان برای گرمایش، سرمایش، حمل‌ونقل و ...، در طی یک ساعت از خورشید به زمین می‌رسد، اما ما برای تامین انرژی، زمین را کاویده و در جستجوی سوخت‌های فسیلی آن را تکه‌تکه می‌کنیم، سخت و تاسف‌بار است. شکل 1 این واقعیت را به خوبی به تصویر می‌کشد. میزان انرژی که زمین در طول یکسال از خورشید دریافت می‌کند با رنگ نارنجی و میزان انرژی مصرفی سالانه جهان با رنگ آبی نشان داده ‌شده ‌است که به نوعی تصدیق‌کننده همان جمله ابتدای پاراگراف است. از طرف دیگر مکعب‌های سبز، قرمز، خاکستری و زرد کل ذخایر فسیلی موجود در جهان را نشان می‌دهد که مجموع آن‌ها حتی کمتر از انرژی یک‌سال خورشید است. به علاوه در میان انرژی‌های تجدیدپذیر نیز، انرژی خورشیدی فراوان‌ترین انرژی محسوب می‌شود.

شکل1. منابع انرژی در دسترس در مقابل میزان مصرف انرژی یک سال جهان

خورشید سخاوتمند

صنعت برق کشور سال 1389 را با تولید 230 تراوات ساعت برق، سپری کرد. آمار و اطلاعات رسمی وزارت نیرو حاکی از آن است که بیش از 96 درصد برق تولیدی کشور، در نیروگاه‌های فسیلی و کمتر از 4 درصد آن از منابع تجدیدپذیر بوده است. به طور تقریبی، تمام این برق تجدیدپذیر نیز توسط نیروگاه‌های برق آبی بزرگ (که بنا به دلایلی نیروگاه‌های تجدیدپذیر به حساب نمی‌آیند) تولید شده است و سهم انرژی‌های بادی، خورشید، برق آبی کوچک و ... بسیار اندک بوده است. نتیجه آن که تنها 200 میلیون کیلووات ساعت از برق تولیدی کشور (کمتر از یک هزارم) از منابع تجدیدپذیر ـ غیر از برقابی‌های بزرگ‌ـ تولید شده است!

به نظر می‌رسد که با توجه به موارد زیر، تجدید نظر در سیاست‌های کلان بخش انرژی کشور، با هدف تغییر و بهبود شرایط موجود و دستیابی به سبدی پاک برای تولید برق، امری ضروری است.

• صنعت برق کشور با تولید سالیانه بیش از 150 میلیون تن دی‌اکسید کربن، سهمی 28 درصدی در انتشار کربن دارد. به عبارت دیگر، در حال حاضر سبد نیروگاهی کشور به ازای تولید یک کیلووات ساعت برق، بیش از 650 گرم دی‌اکسید کربن منتشر می‌کند. با توجه به احتمال تعیین تعهداتی برای کاهش گازهای گلخانه‌ای برای کشورهای در حال توسعه همچون ایران در آینده‌ای نزدیک (شاید 2012 به بعد)، تدوین برنامه‌ای یکپارچه برای کاهش شدت کربن صنعت برق کشور و توسعه استفاده از منابع تجدیدپذیر، اجتناب ناپذیر است.

• متوسط شدت تابش خورشید در کشورهای پیشرو در حوزه انرژی خورشیدی همچون آلمان و ژاپن 50 درصد و اسپانیا 80 درصد ایران است. به نظر می‌رسد که توسعه انرژی خورشیدی در ایران با توجه به پتانسیل موجود، ضمن کاهش انتشار آلاینده‌های زیست‌محیطی، از منابع فسیلی بین نسلی (با هدف ایجاد ارزش افزوده بیشتر) صیانت می‌نماید.

• ضرورت توسعه انرژی خورشیدی در کشور در  شرایطی دو چندان می‌شود، که مطابق پیش‌بینی‌های انجام شده قیمت برق خورشیدی تا 2020، معادل قیمت برق تولیدی نیروگاهی گازی سیکل ترکیبی خواهد شد.

مستند حاضر در پی آن است که با معرفی تکنولوژی‌های رایج انرژی خورشید و ترسیم اهداف و برنامه‌های کلان کشورها و مناطق نمونه‌ای از جهان، فضای فکری لازم برای  پرداختن به موضوع انرژی خورشیدی در ایران را فراهم نماید. امید که مجموعه تلاش‌های انجام شده، برای پیشبرد سیاست‌های کلان توسعه انرژی خورشیدی در ایران، مفید واقع شود.

انرژی خورشیدی؛ فراوان‌ترین انرژی در جهان

میزان انرژی‌ای که خورشید در مدت زمان »یک ساعت« به زمین ارزانی می‌دارد، معادل انرژی مورد نیاز تمام انسان‌ها در طول یک سال است؛ گزاره‌ای عجیب و البته تکان‌دهنده. باور این واقعیت که انرژی مورد نیاز سالیانه 7 میلیارد انسان برای گرمایش، سرمایش، حمل‌ونقل و ...، در طی یک ساعت از خورشید به زمین می‌رسد، اما ما برای تامین انرژی، زمین را کاویده و در جستجوی سوخت‌های فسیلی آن را تکه‌تکه می‌کنیم، سخت و تاسف‌بار است. شکل 1 این واقعیت را به خوبی به تصویر می‌کشد. میزان انرژی که زمین در طول یکسال از خورشید دریافت می‌کند با رنگ نارنجی و میزان انرژی مصرفی سالانه جهان با رنگ آبی نشان داده ‌شده ‌است که به نوعی تصدیق‌کننده همان جمله ابتدای پاراگراف است. از طرف دیگر مکعب‌های سبز، قرمز، خاکستری و زرد کل ذخایر فسیلی موجود در جهان را نشان می‌دهد که مجموع آن‌ها حتی کمتر از انرژی یک‌سال خورشید است. به علاوه در میان انرژی‌های تجدیدپذیر نیز، انرژی خورشیدی فراوان‌ترین انرژی محسوب می‌شود.

شکل1. منابع انرژی در دسترس در مقابل میزان مصرف انرژی یک سال جهان

مسئله دیگری که لزوم بهره‌گیری از انرژی خورشیدی را دوچندان می‌کند، پیامدهای زیست‌ محیطی حاصل از به‌کارگیری انبوه سوخت‌های فسیلی و انتشار کربن است. بر اساس دورنمای فناوری انرژی ( ETP2008)، 38 درصد از کاهش انتشار کربن در سال 2050، از طریق اصلاح سبد تولید برق جهان صورت می‌گیرد (شکل 2). برای دستیابی به این مهم، نقشه‌راه آبی آژانس بین‌المللی انرژی (Blue Map) باید اجرایی شود که در آن سهم تولید برق خورشیدی 11 درصد در نظر گرفته شده‌است. هدف نقشه‌راه آبی آژانس، رساندن سطح انتشار کربن سال 2050 به نصف مقدار حال حاضر، یعنی 14 میلیارد تن در سال است. در صورتی که 11 درصد تولید برق از انرژی خورشیدی در سال 2050 محقق شود، سالانه 2.5 میلیارد تن کربن کمتر به محیط‌زیست تحمیل خواهد شد.

شکل 2. میزان کاهش انتشار کربن در سال 2050 به تفکیک بخشهای مختلف

 انواع فناوری‌های استفاده از انرژی خورشیدی

برای استفاده از منبع همیشگی انرژی خورشیدی، سه روش وجود دارد که در زیر فهرست شده‌اند.

• بهره‌گیری از سلول‌های خورشیدی (PV) : تبدیل انرژی خورشید به ولتاژ DC از طریق سلول‏های خورشیدی

• استفاده از انرژی حرارتی خورشید (CSP): متمرکز نمودن انرژی خورشید و استفاده از انرژی حرارتی آن برای به حرکت درآوردن توربین و تولید برق

• سرمایش و گرمایش خورشیدی (SHC): سیستم‌های که از انرژی مستقیم خورشید و بدون تبدیل آن به برق، برای تولید گرما و سرما استفاده می‌کنند (مانند آبگرمکن خورشیدی)

در این‌جا تمرکز ما بر دو روش اول، یعنی تولید برق از خورشید است. فناوری‌هایPV  وCSP  به خاطر ساختار متفاوت و کارکردهای مختلفی که دارند، در برخی مناطق و برای پاره‌ای از کاربردهای ویژه، ممکن است هر کدام از آن‌ها نسبت به دیگری ارجحیت داشته باشند. مهم‌ترین تفاوت‌های این دو فناوری در زیر عنوان شده است.

• نصب آسان سلول‌های خورشیدی در تمامی مناطق و امکان استفاده از آن‌ها به عنوان منابع تولید پراکنده

• عدم نیاز به آب برای خنک‌سازی سلول‌های خورشیدی بر خلاف نیروگاه‌های CSP

• امکان استفاده سلول‌های خورشیدی از اشعه غیرمستقیم آفتاب و تولید برق حتی در روزهای ابری

در مقابل:

• امکان ذخیره‌سازی انرژی به صورت حرارتی در نیروگاه‌های CSP و تولید برق در تمامی ساعات روز مستقل از تابش خورشید (امکان تامین بار پایه)

• ارزان‌تر بودن برق تولیدی در نیروگاه‌های حرارتی به سبب تولید انبوه و ارزان‌تر بودن تکنولوژی‌ ساخت

بر اساس آمار منتشر شده از سوی اتحادیه انرژی خورشیدی(SEIA)، 21500 مگاوات ظرفیت انرژی خورشیدی تا پایان سال 2009 در جهان نصب شده‌ است که 10هزار مگاوات آن به کشور آلمان اختصاص دارد. اسپانیا و ژاپن با حدود 3600 و 2600 مگاوات رتبه‌های دوم و سوم جهان را در اختیار دارند (شکل 3).  

شکل3. کشورهای پیشرو در بهره گیری از انرژی خورشیدی ‍(CSP, PV)

انرژی خورشیدی حرارتی Concentrating Solar Power

 از 21500 مگاوات ظرفیت انرژی خورشیدی جهان، تنها حدود 800 مگاوات آن از نوع نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی است که 400 مگاوات آن در آمریکا، 300 مگاوات آن در اسپانیا و 100 مگاوات آن در سایر نقاط جهان احداث شده ‌است. دلایل کمتر بودن ظرفیت ساخته‌شده این فناوری در مقابل فناوری سلول‌های خورشیدی، در چند مورد زیر خلاصه می‌شود.

• لزوم تولید برق به روش متمرکز و در ابعاد نیروگاهی و در نتیجه نیاز به وجود مکان مناسب برای احداث نیروگاه

• نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه بالا

• عدم صرفه اقتصادی ساخت نیروگاه در مناطق با شدت تابش کم نور مستقیم خورشید (تنها مناطقی چون جنوب غرب آمریکا، بخش‌های وسیعی از آفریقا و خاورمیانه، استرالیا و تا حدی جنوب اروپا برای احداث این نیروگاه‌ها مناسب است. شکل4 میزان تابش مستقیم خورشید را نشان می‌دهد).

لازم به یادآوری است که شدت تابش مستقیم خورشید (Direct Normal Irradiance) با DNI نشان داده می‌شود و واحد آن «کیلووات ساعت در متر مربع در سال» است. می‌توانید با مطالعه سایر مقالات با نحوه عملکرد و برخی خصوصیات این نیروگاه‌ها، مانند انوع فناوری‌های ساخت، میزان آب مصرفی نیروگاه، هزینه‌های طول عمر، بازده سالانه تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی و ... آشنا شوید.