چگونه تولید انرژی از خورشید، فشار بر شبکه توزیع برق را کاهش می‌دهد؟

انرژی خورشیدی چیست و چگونه قابل استفاده است؟

نور خورشید از ذرات ریزی به‌نام فوتون تشکیل شده است. هنگامی که این فوتون‌ها به یک سطح فلزی برخورد می‌کنند باعث می‌شوند تا اتم‌های موجود در صفحه حرکت کنند و الکترون تولید کنند؛ این «اثر فوتوالکتریک» نامیده می‌شود و اولین بار توسط آلبرت انیشتین در سال 1920 کشف شد. اگر بتوانیم دستگاهی بسازیم که این الکترون‌ها را به‌شکل هدفمند تجمیع کند تا جریان پایداری را برقرار کند، قادر به تولید انرژی هستیم. این دستگاه، فوتوولتائیک (Photovoltaic) نام دارد که به‌اختصار PV نامیده می‌شود. دستگاهی که قادر است به‌شکل مستقیم از نور خورشید و از طریق یک فرآیند الکترونیکی و بر پایه به‌کارگیری نیمه‌هادی‌ها برق تولید کند. در مکانیزم فوق، الکترون‌های موجود در صفحات توسط انرژی خورشیدی آزاد می‌شوند و با استفاده از یک مدار الکتریکی به تجهیزات الکتریکی یا شبکه توزیع قدرت، انتقال پیدا می‌کنند. تجهیزات فوتوولتائیک این ظرفیت را دارند تا برق موردنیاز تجهیزات مختلفی مثل وسایل الکترونیکی در ابعاد کوچک، تابلوهای روشنایی کنار جاده‌ها، تلفن‌های نصب‌شده بین جاده‌ای یا برق موردنیاز واحدهای تجاری را تامین کنند. برخورد فوتون‌ها و ماده نیمه‌‌هادی یونیزه به صفحات خورشیدی باعث می‌شود الکترون‌های موجود در صفحه از طریق شکست پیوندهای اتمی، آزاد شوند. به‌دلیل ساختار مواد نیمه‌هادی مثل نقره، الکترون‌ها موجی از جریان الکتریکی در یک جهت را تولید می‌کنند. 

سلول خورشیدی چیست؟

سلول خورشیدی (Solar Cell)، یک برد الکترونیکی با توانایی جذب نور خورشید است که قادر است انرژی دریافتی از خورشید را به برق تبدیل کند. به‌طور معمول، این سلول‌ها ابعاد کوچکی دارند و در قالب اشکال هشت ضلعی به رنگ آبی تیره ساخته می‌شوند تا انرژی بیشتری از خورشید دریافت کنند. این سلول‌ها به یک‌دیگر متصل می‌شوند تا پنل بزرگ‌تری را که ماژول خورشیدی (Solar Module) نام دارد پدید آورند. در ادامه، این ماژول‌های خورشیدی در صفحه بزرگی که پنل خورشیدی (Solar Panel) نام دارد قرار می‌گیرند. پنل‌هایی که ممکن است روی سقف برخی از ساختمان‌ها دیده باشید. البته، شرکت‌ها سلول‌های خورشیدی را در ابعاد کوچک‌تری نیز تولید می‌کنند تا بتوان از آن‌ها در تجهیزات مصرفی کوچکی مثل ماشین‌حساب‌های جیبی و ساعت‌های دیجیتال استفاده کرد تا انرژی موردنیاز تراشه را تامین کنند. این پنل‌ها بسته به ابعاد و تعداد ماژول‌های قرار گرفته در آن‌ها قادر به تولید برق مشخص هستند. به‌طور مثال، یک صفحه خورشیدی 60 سلولی کوچک، نزدیک به 4 کیلووات برق تولید می‌کند.

پنل‌های خورشیدی چگونه ساخته شده و کار می‌کنند؟

اکنون، به این پرسش می‌رسیم که چه موادی در ساخت صفحات خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند؟ در نگاه اول به‌نظر می‌رسد که پنل‌های خورشیدی یک تکه هستند که همگی به یک‌دیگر متصل شده‌اند، اما این صفحات از مواد شیمیایی مختلفی ساخته شده‌اند که هر کدام در تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی قابل استفاده در تجهیزات الکترونیکی، نقش مهمی ایفا می‌کنند. ویفرهای سیلیکونی کریستالی، ماده اصلی شکل‌دهنده بخش عمده‌ای از صفحات فتوولتاییک خورشیدی هستند. شرکت‌ها به‌منظور بهبود قابلیت نیمه‌رسانایی پنل‌های خورشیدی در بیشتر آن‌ها از سیلیکون استفاده می‌کنند. البته در بازار مصرفی، پنل‌هایی نیز وجود دارند که از سلول‌های فتوولتاییک آلی در طراحی آن‌ها استفاده شده است. به‌طور کلی، نیمه‌هادی‌ها به‌منظور تولید انرژی الکتریکی در صفحات خورشیدی استفاده می‌شوند. الکترون‌های موجود در این مواد در تعامل با نور خورشید حرکت می‌کنند که سازوکار تولید برق بر مبنای انرژی خورشیدی را شکل می‌دهند. فرآیند فوق، فتوولتاییک نام دارد و مکانیزم کاری صفحات خورشیدی را شکل می‌دهد. البته‌، سلول‌های خورشیدی برای تامین برق به تجهیزات دیگری مثل شیشه، پلاستیک، فلز و سیم‌کشی نیاز دارند تا برقی که تولید می‌کنند، قابل استفاده باشد. به‌طور معمول، صفحات خورشیدی با یک لایه شیشه و یک پوشش ضدانعکاس پوشیده می‌شوند تا سلول‌های خورشیدی سیلیکونی استقامت بالاتری پیدا کنند و توانایی دریافت نور را داشته باشند. در ادامه، کل صفحه خورشیدی در یک قاب پلاستیکی یا پلیمری قرار می‌گیرد تا امکان نصب آن روی سقف خانه‌ها یا زمین وجود داشته باشد. پنل‌های خورشیدی انواع مختلفی دارند که از رایج ترین آن‌ها باید به پنل‌های خورشیدی تک‌کریستالی (Monocrystalline)، چند کریستالی (Polycrystalline) و فیلم نازک (Thin-film) اشاره کرد.

صفحات سیلیکون تک‌کریستالی تنها یک کریستال دارند که همین مسئله باعث شده تا صفحات کاملا کارآمدی باشند، اما گران‌ترین نوع صفحات خورشیدی هستند. صفحات سیلیکونی چند کریستالی بر مبنای ترکیب کریستال‌های مختلف سیلیکون ساخته می‌شوند. این صفحات، عملکرد کمتری نسبت به صفحات تک‌کریستالی دارند، اما مقرون‌به‌صرفه‌ هستند. سلول‌های خورشیدی فیلم نازک از سیلیکون بی‌شکل ساخته شده‌اند که انعطاف‌پذیری بالایی ارائه می‌دهند، اما عملکرد آن‌ها در مقایسه با دو نمونه فوق پایین‌تر است. به همین دلیل سهم کمی از بازار را به خود اختصاص داده‌اند.  

در همین ارتباط، نوع دیگری از این صفحات خورشیدی بر پایه فناوری جدیدی به‌شکل آزمایشی در ایالات متحده ساخته شده‌اند که آرایه‌های متمرکز (Concentrating) نام دارند. در این صفحات، از لنزها و آینه‌ها برای انعکاس انرژی خورشیدی به‌شکل متمرکز به سلول‌های خورشیدی استفاده شده تا بتوان به بالاترین سطح از عملکرد دست پیدا کرد. عملکرد آرایه‌های فوق به‌صورت ردیابی نور خورشید است، درست مشابه با کاری که گل‌های آفتاب‌گردان انجام می‌دهند.

چرا برای ساخت صفحات خورشیدی به سیلیکون نیاز داریم؟

سیلیکون به‌عنوان یک ماده نیمه‌هادی در صفحات خورشیدی فتوولتاییک استفاده می‌شود و تقریبا انتخاب اول سازندگان صفحات خورشیدی است، زیرا با بررسی عناصر جدول تناوبی مشاهده می‌کنیم که سیلیکون ویژگی‌هایی دارد که آن‌را به گزینه مناسبی برای استفاده در این صفحات تبدیل کرده است. علاوه بر این، سیلیکون به‌شکل گسترده در دسترس است و به‌عنوان یک ماده اولیه با هزینه کم در مقیاس گسترده قابل استفاده است. به‌لحاظ شیمیایی و الکترونیکی، این امکان وجود دارد تا سیلیکون را به ساده‌ترین شکل در تعامل با اثر فتوولتائیک بهینه‌سازی کرد. سومین دلیل استفاده از سیلیکون، طول عمر بالای آن است که سرمایه‌گذاری در زمینه ساخت صفحات خورشیدی را سودآور می‌کند. 

شرکت‌ها به چه شکلی صفحات خورشیدی را ایجاد می‌کنند؟

تقاضای روزافزون جهانی برای استفاده از صفحات خورشیدی، باعث شده تا فرآیند ساخت و تولید آن‌ها ساده، استاندارد و مقرون‌به‌صرفه باشد. فرآیند ساخت صفحات فوق از طریق ذوب مواد سیلیکونی و ترکیب آن‌ها با عناصر پایدار و نگه‌دارنده حالت، آغاز می‌شود. در ادامه، ورق‌هایی از این مواد ایجاد می‌شود. به‌طور معمول، این فرآیند به‌شکل تولید انبوه و با استفاده از برش‌های لیزری انجام می‌شود تا دقت و سرعت انجام کار بیشتر شود. در مرحله بعد، سلول‌های نهایی با لایه‌ای از شیشه یا پلاستیک عایق‌بندی می‌شوند تا استحکام آن‌ها بیشتر شود. هنگامی که سلول‌های خورشیدی ساخته شدند، در ابعاد و اشکال منظم مونتاژ شده و به یک‌دیگر متصل می‌شوند. در مرحله بعد، تولید‌کنندگان این سلول‌ها را به پایه پنل خورشیدی که از فلز رسانا است، لحیم می‌کنند تا هنگام استقرار، برق تولیدشده را به یک مکان مشخص مثل ساختمان یا شبکه برق محلی انتقال می‌دهند. در این میان فرآیند دیگری نیز انجام می‌شود که در آن ماژول خورشیدی به یک قاب پلیمری خارجی متصل می‌شود که پنل را نگه می‌دارد و در ادامه، مولفه‌های الکتریکی با یک لایه محافظ شیشه‌ای عایق‌بندی می‌شود. در نهایت، پنل‌ها بسته شده و روانه بازار می‌شوند. 

نکته‌ مهمی که باید به آن اشاره کنیم این است که پنل‌های خورشدی از سلول‌های خورشیدی ساخته می‌شوند که عملکرد 100 درصدی ندارند، زیرا مقداری از طیف نور توسط پنل‌ها منعکس می‌شود، مقداری از نور خورشید در قالب طیف مادون قرمز (infrared) از دست می‌رود و طیفی دیگر مثل ماوراء بنفش (ultraviolet) به‌جای تولید برق، گرما تولید می‌کند. ترکیب این عوامل باعث می‌شوند تا سلول‌های خورشیدی عملکرد 100 درصدی نداشته باشند. شکل ۱، نمای یک صفحه خورشیدی را نشان می‌دهد. 

طول عمر صفحات خورشید چقدر است؟

هنگامی که قصد استفاده از پنل‌های خورشیدی را داریم، اولین پرسشی که به ذهن‌مان می‌رسد این است که طول عمر آن‌ها چقدر است. صفحات خورشیدی به‌منظور تامین برق مورد نیاز ساختمان‌ها و خانه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، از این‌رو، باید اطلاعات کلی در مورد طول عمر و میزان تخریب پنل‌ها داشته باشیم تا ببینیم آیا خرید آن‌ها مقرون‌به‌صرفه است یا خیر. به‌عنوان یک قانون کلی باید بگوییم که طول عمر صفحات خورشیدی 25 تا 30 سال است. البته این حرف به این معنا نیست که پس از گذشت این زمان، صفحات خورشیدی دیگر قابل استفاده نخواهند بود، بلکه بعد از سپری شدن این زمان، عملکردشان در زمینه تولید برق به کمتر از حد تعیین‌شده خواهد رسید. 

نرخ تخریب صفحات خورشیدی

مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهند که میزان خروجی صفحات خورشیدی در هر سال 0.8 درصد افت می‌کند که این مسئله به دلایل مختلف مثل آسیب‌های وارده به صفحات در اثر باد شدید یا افتادن اجسام روی صفحات به‌وجود می‌آید، اما بازهم این صفحات قادر هستند برای چند دهه فرآیند تولید برق از نیروی خورشید را انجام دهند. با توجه به پیشرفت‌های انجام‌شده در حوزه فناوری، نرخ تخریب صفحات خورشیدی هر ساله‌ کمتر شده است. به‌طوری که محصولات تولیدشده توسط برخی از برندهای تولید‌کننده صفحات خورشیدی نرخ تخریب 0.5 درصد در هر سال را دارند. نرخ تخریب 0.8 به چه معنا است؟ این نرخ نشان می‌دهد در سال دوم صفحات خورشیدی ۹۹.۲ درصد خروجی خواهند داشت و تا پایان عمر مفید 25 ساله، ۸۲.۵ درصد عملکرد خود را حفظ می‌کنند. این در حالی است که یک پنل با نرخ تخریب 0.5 درصد، در همان زمان، به 87.5 درصد عملکرد خود را حفظ خواهد کرد. 

صفحات خورشید دارای گارانتی هستند؟

خوشبختانه، کیفیت بالای مواد به‌کار‌گرفته‌شده در این پنل‌ها باعث شده تا برخی از شرکت‌ها هنگام فروش صفحات خورشیدی، محصولات خود را گارانتی کنند. این گارانتی‌ها به کاربران درک دقیقی از میزان طول عمر صفحات خورشیدی می‌دهند. به‌طور معمول، تولیدکنندگان ضمانتی برای تجهیزات و ضمانت اجرا ارائه می‌دهند و تضمین می‌کنند که صفحات خورشیدی چه میزان برق تولید خواهند کرد. 

چگونه طول عمر پنل‌های خورشیدی را افزایش دهیم؟

همان‌گونه که اشاره کردیم، صفحات خورشیدی از مواد با‌کیفیت ساخته می‌شوند، زیرا تولیدکنندگان این پنل‌ها را به روش‌های مختلف آزمایش‌ می‌کنند. همچنین، به‌دلیل عدم استفاده از قطعات متحرک در صفحات خورشیدی، این سامانه‌ها به تعمیرات و نگه‌داری خاصی نیاز ندارند. بهترین راهکار در زمینه استفاده طولانی‌مدت از صفحات خورشیدی، انتخاب برند شناخته‌شده‌ای است که بهترین خدمات و گارانتی را ارائه می‌دهد. تقریبا، بیشتر شرکت‌های تولیدکننده پنل، عملکرد تجهیزات خود را 10 تا 12 سال تضمین می‌کنند و بازدهی و تولید انرژی خورشیدی را نیز 25 سال تضمین می‌دهند. با این حال، برای آن‌که صفحات خورشیدی با نرخ تخریب کمتر و عملکرد بالا قابل استفاده باشند، بهتر است از شرکت ارائه‌دهنده درخواست کنید به‌شکل منظم پنل‌ها را بررسی کنند و تا حد امکان اجازه ندهید گرد و خاک به مدت طولانی روی صفحات خورشیدی قرار بگیرد. 

شبکه هوشمند برق در تعامل با انرژی پایدار خورشیدی

همان‌گونه که مشاهده کردید، صفحات خورشیدی اجازه می‌دهند انرژی خورشیدی به‌شکل مقرون‌به‌صرفه‌ای ایجاد و در اختیار مصرف‌کنندگان قرار بگیرد. با این‌حال، تامین برق از طریق نیروی خورشید به‌تنهایی کافی نیست. کارهای دیگری باید در این زمینه انجام شود که پیاده‌سازی «شبکه هوشمند برق» به‌شکل گسترده و فراگیر یکی از آن‌ها است. یکی از کلیدی‌ترین پرسش‌ها این است که چگونه قادر هستیم میزان تولید برق را با مقدار برق مورد نیاز مصرف‌کنندگان هماهنگ کنیم؟ پاسخ در مفهومی که شبکه برق هوشمند (Intelligent Electric Grid) نام دارد، مستتر است. شبکه برق هوشمند، بر پایه این ایده به وجود آمده که می‌توان میزان تولید برق یک منبع را با اندازه‌گیری دقیق نحوه مصرف آن بهینه‌سازی کرد.

فرآیند ذخيره‌سازی انرژی الکتریسیته دشوار و ‌هزینه‌بر است. ایده‌آل‌ترین راهکار برای غلبه بر این مشکل، نزدیک کردن میزان تولید و مصرف به یک‌دیگر است تا هزینه ذخیره‌سازی برق به میزان قابل توجهی کاهش پیدا کند. نکته مهم دیگری که وجود دارد این است که میزان تولید و مصرف باید بالاترین سطح از هماهنگی را داشته باشند، زیرا اگر تولید برق کم باشد، بخشی از مشترکان شبکه برق قادر به دریافت آن نخواهند بود و اگر تولید بیش از سرانه مصرف باشد، انرژی مازاد تولید‌شده هدر می‌رود. 

شبکه هوشمند برای غلبه بر مشکلات فوق پدید آمد و با ارائه راهکار فناورانه‌محور توانست بر مشکلات این‌چنینی غلبه کند. شبکه هوشمند از طریق به‌کارگیری ابزارهای نظارتی، میزان تولید و عرضه را برای پاسخ‌گویی به تقاضای موجود با حداکثر دقت ممکن تنظیم می‌کند. به‌منظور رسیدن به چنین هدفی، شبکه‌های برق به حس‌گرهایی متصل می‌شوند که میزان مصرف در زمان واقعی را اندازه‌گیری می‌کنند. همچنین، از طریق به‌کارگیری الگوریتم‌های یادگیری ماشین، توانایی پیش‌بینی تغییرات و پیشگیری از بروز اختلالاتی را دارند که شبکه توزیع برق را با مشکل جدی روبه‌رو می‌کنند. برای این منظور، داده‌های به‌دست‌آمده از مشترکان در اختیار الگوریتم‌های هوشمند قرار می‌گیرد تا آن‌ها را تحلیل کنند. رشد روزافزون صنایع و تجهیزات مصرفی باعث شده تا شبکه‌های برق دیگر ماهیت تحویل یک‌طرفه نداشته باشند، زیرا تمامی گره‌ها در زنجیره توزیع و مصرف با ارائه اطلاعاتی در مورد وضعیت فعلی و میزان مصرف خود نقش مهمی در متعادل‌سازی میزان تولید و مصرف دارند.

شبکه هوشمند برق راهکاری در زمینه استفاده درست از انرژی

شبکه هوشمند ثابت کرده است که راهکاری قدرتمند در اختیار تامین‌کنندگان انرژی قرار می‌دهد. تامین‌کنندگان یا به عبارت دقیق‌تر، نیروگاه‌های تولید برق می‌توانند از طریق شبکه هوشمند مدیریت بهینه‌تری بر شبکه‌ها اعمال کنند و نرخ تلفات و از دست رفتن انرژی را به کمترین میزان ممکن تقلیل دهند و برای پیک مصرف آماده شوند. 

در صنعت برق، هنگامی که تنها یک نیروگاه وظیفه تامین برق را بر عهده داشته باشد، افزایش یا کاهش تولید برای پاسخ‌گویی به نیازهای مصرفی سخت نیست، اما اگر منابع انرژی تجدیدپذیر را که ماهیت متغیری دارند و باعث ناپایداری شبکه برق می‌شوند در نظر بگیریم، شرایط به یک‌باره پیچیده می‌شود. 

ظهور شبکه هوشمند، دستیابی به افق‌های جدیدی را در اختیار مصرف‌کنندگان نهایی قرار می‌دهد. در شبکه هوشمند، مصرف‌کننده قادر است از طریق کنتور هوشمند میزان مصرف روزانه را با دقیق‌ترین جزئیات مصرف بررسی کند و به‌جای یک گزارش کلی، اطلاعات دقیقی به‌دست آورد. این راهکار به میزان قابل توجی باعث کاهش هزینه‌های برق مصرفی مشترکان می‌شود. 

کلام آخر

همان‌گونه که مشاهده کردید، انرژی خورشیدی و شبکه هوشمند برق نقش تاثیرگذاری در کاهش فشار واردشده به شبکه‌های توزیع برق دارند و به ما اجازه می‌دهند از مدل تولید، توزیع و مصرف خطی خارج شویم و به‌سمت پیاده‌سازی یک شبکه واقعی یکپارچه و دقیق حرکت کنیم. نکته مهم و کلیدی که در این زمینه وجود دارد این است که در معماری فوق، مصرف‌کننده عادی از ماهیت منفعل خارج می‌شود و به یک عنصر فعال در شبکه تبدیل می‌شود. در مقیاس‌ خانگی بسیاری از افراد خانه‌‌های خود را به پنل‌های فتوولتائیک تجهیز کرده‌اند تا برق موردنیاز را به‌شکل مستقیم دریافت کنند، اما در مقیاس کلان و اجتماعی، شبکه هوشمند قادر است ساختمان‌های پایداری تعریف کند که مشترکان نه‌تنها قادر به استفاده از انرژی خورشیدی هستند، بلکه با دریافت دقیق‌ترین اطلاعات قادر به بهینه‌سازی مصرف انرژی خود هستند.