انرژی خورشیدی چیست و چگونه به زمین می‌رسد؟

مقدمه 

سلول‌های خورشیدی، وسایلی برای تبدیل انرژی تابیده شده از خورشید به زمین هستند. در شرایط امروز که بحران‌‌های سیاسی، اقتصادی و مسائلی نظیر محدودیت دوام ذخایر فسیلی، نگرانی‌‌های زیست محیطی، افزایش جمعیت، رشد اقتصادی و ضریب مصرف چالش‌های شدیدی در حوزه تأمین انرژی به وجود آورده است؛ استفاده از پنل‌های خورشیدی برای بهره‌گیری از انرژی پاک و تجدید پذیر آفتاب بسیار مورد توجه قرار گرفته است. یکی از اجزای بسیار مهم در پنل های خورشیدی باتری این سیستم‌ها می‌باشد. برای خرید باتری یو پی اس و مخصوص پنل خورشیدی با ما تماس بگیرید. متخصصین ما در شرکت مهرآذین بهراد آماده ارائه مشاوره رایگان در زمنیه طراحی و فروش و اجرای سیستم‌های پنل خورشیدی به مشتریان هستند. شما می‌توانید همین حالا برای دریافت مشاوره رایگان با ما تماس بگیرید. همچنین برای خرید یو پی اس نیز می‌توانید با کارشناسان ما تماس گرفته و از تجربه بیش از 3 دهه شرکت بهراد در زمینه تولید و فروش یو پی اس بهره مند شوید.

قبل از اینکه به بررسی مکانیزم عملکرد سلول‌های خورشیدی بپردازیم، لازم است کمی در رابطه با ماهیت و شرایط انرژی خورشیدی و امواج رسیده از خورشید به سطح زمین اطلاعاتی کسب کنیم. در این قسمت، با هم مروری بر ویژگی‌های آنچه از خورشید به زمین می‌رسد، خواهیم داشت.

انرژی خورشید و راه‌های انتقال آن به زمین چیست؟

همان طور که می‌دانید، یکی از راه‌های انتقال انرژی حرارتی، تابش است. یک جسم با دمای معین، می‌تواند انرژی خود را از طریق تابش به سایر اجسام منتقل کند. مثال روزمره این پدیده، گرم شدن بیش از حد فضای اطراف یک لامپ پر مصرف است. بخاری‌های برقی که با استفاده از یک المنت، موجب گرم شدن محیط اطراف می‌شوند، گرما را از طریق مکانیزم تابش به اطراف منتقل می‌کنند.
خورشید کره‌ای متشکل از گازهای داغ است. انرژی خورشید با واکنش‌های هم‌جوشی هسته‌ای رخ داده در مرکز آن ایجاد می‌شود. تخمین زده می‌شود که دمای مرکز خورشید در حدود 20 میلیون درجه باشد. بر اساس آنچه در درس فیزیک مطالعه کرده‌اید، گرما همیشه از جسم گرم‌تر به جسم سرد‌تر منتقل می‌شود. در فضای منظومه شمسی، خورشید جسم گرم‌تر محسوب می‌شود و فضای پیرامون آن جسم سردتر؛ لذا حرارت از خورشید به محیط اطراف آن منتقل می‌شود. به موجب این امر دمای سطح خورشید به حوالی 6000 درجه سانتیگراد می‌رسد. در واقع سطح خورشید در تعادل با فضای سردتر اطراف آن است و بنابراین دمای کم‌تری خواهد داشت. انرژی حرارتی خورشید، از طریق تابش امواج الکترومغناطیسی منتشر می‌شوند. طبق قوانین فیزیک، میزان انرژی حرارتی تابیده شده از خورشید بر واحد زمان، متناسب با توان چهارم دمای آن است. بنابراین، خورشید مقدار بسیار زیادی تابش الکترومغناطیس دارد. مقدار توان تابیده شده از سطح خورشید برابر با 10²³×83/3 وات است. تصویری از خورشید که واکنش‌های هم‌جوشی هسته‌ای در آن در حال رخ دادن است، در شکل 1 نشان داده شده است.

همانگونه که گفته شد، انرژی حرارتی جسم داغی مانند خورشید، از طریق امواج الکترومغناطیسی (مانند نور مرئی و یا امواج فرابنفش) منتقل می‌شود. هر موج الکترومغناطیس مشخصه‌های مخصوص به خود را دارد. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های یک موج، طول موج آن است. همان طور که می‌دانید، طول موج عبارتست از فاصله بین دو قله متوالی موج. طبق آنچه در فیزیک خوانده‌اید، هر چه انرژی یک موج بیش‌تر باشد، طول موج آن کم‌تر خواهد بود. امواج تولید شده در سطح خورشید، از طریق تابش، انرژی خورشید را به سایر اجسام و کرات اطراف آن منتقل می‌کنند. این امواج الکترومغناطیسی سرعت بسیار زیادی (برابر با سرعت نور) دارند. این امواج بر خلاف امواج صوتی یا اکوستیک، می‌توانند در خلاء نیز منتشر شوند. در نور خورشید گستره‌ای از امواج الکترومغناطیس در نواحی فرابنفش، مرئی و فروسرخ وجود دارد. برای مثال، اگر در نقطه‌ای خاص به مساحت یک متر مربع از زمین میزان انرژی کل رسیده از خورشید w 1004 در هر متر مربع باشد، w527 آن فروسرخ، w 445آن مرئی و w 32 آن فرابنفش است.

پارامترهای موثر بر طیف نور خورشید

در صورتیکه از تغییرات ناشی از گردش زمین به دور خورشید در مدار خاص آن صرف نظر کنیم، نشان داده شده است که میزان توان تابشی خارج از اتمسفر زمین، که با D0 نشان داده می‌شود، برابر با kW/m21.353 است. این پارامتر به عنوان ثابت خورشیدی شناخته می‌شود. به عبارت دیگر، ثابت خورشیدی، مقدار میانگین نور خورشید در بالای اتمسفر زمین است.
گفته می‌شود که میزان انرژی رسیده به سطح زمین، حداقل 15درصد کم‌تر از انرژی خورشیدی موجود در بالای اتمسفر است. جزئی از این میزان تابش، در حین عبور از اتمسفر زمین و قبل از رسیدن به سطح زمین، پراکنده و یا جذب می‌شود. نحوه‌ی توزیع انرژی رسیده به بالای جو زمین در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل2: نحوه توزیع نور خورشیده رسیده به بالای جو زمین

عوامل متعددی بر میزان انرژی رسیده از خورشید به سطح زمین اثرگذار هستند. این عوامل عبارتند از:
-1 بخار آب و سایر گازهای موجود در هوا می‌توانند نور خورشید را در بخش‌های مختلف از طیف آن جذب کنند. امواجی که در ناحیه فروسرخ طیف خورشید قرار دارند توسط آب و دی اکسید کربن موجود در هوا جذب می شوند. در حالیکه جذب امواج مربوط به ناحیه مرئی طیف خورشید، توسط اکسیژن و جذب امواج مربوط به ناحیه فرابنفش طیف خورشید توسط ترکیب اوزون رخ می‌دهد.
-2 ذرات کوچک و همچنین قطرات موجود در هوا می‌توانند به صورت قابل توجهی نور خورشید را جذب کرده و یا باعث پراکنده شدن و برگشتن آن به فضا شوند.
-3 ابرها از تعداد بسیار زیادی قطرات کوچک آب یا یخ تشکیل شده‌اند و می‌توانند نور خورشید را جذب یا پراکنده کنند.
-4چرخش زمین باعث می‌شود که نور خورشید مسیر طولانی‌تری نسبت به حالت تابش عمود را از میان اتمسفر طی کند. در واقع بسته به زاویه‌ای که نور وارد اتمسفر می‌شود، برای رسیدن به سطح زمین، باید مسیر متفاوتی را از درون اتمسفر عبور کند. این امر باعث می‌شود که این پرتوها مقادیر متفاوتی از عوامل جذب کننده یا پراکنده کننده نور را بر سر راه خود مشاهده کنند. این امر موجب می‌شود که مقدار نوری که به زمین میظرسد، متفاوت باشد.
همانگونه که اشاره شد، میزان انرژی تابیده شده از خورشید به ازای هر طول موج، مقدار متفاوتی است. برای مثال این میزان برای طول موج‌های محدوده مرئی (تقریبا بین 500 تا nm 750 (بسیار بیشتر از محدوده بین طول موج‌های 1500 تا nm 1750 است. علاوه‌بر‌این، میزان انرژی تابیده شده از خورشید (در سطح خورشید) با میزان انرژی رسیده از خورشید به بالای اتمسفر زمین و همچنین با میزان انرژی رسیده از خورشید به سطح دریاها نیز متفاوت است. همانگونه که گفته شد، مولکول‌های موجود در اتمسفر زمین می‌توانند بخش‌هایی از نور خورشید را جذب نمایند. به منظور بررسی دقیق‌تر، تمام این تفاوت‌ها را می‌توان با استفاده از یک نمودار به نام «طیف توزیع انرژی خورشید» نشان داد. شکل 3 طیف توزیع انرژی خورشید را نشان می‌دهد. محور عمودی این نمودار توان بر واحد سطح به ازای طول موج و محور افقی این نمودار نشان دهنده طول موج است. همان طور که می‌دانید انرژی هر موج را می‌توان بر حسب طول موج آن بیان کرد. در این شکل، طول موج‌هایی که برخی ترکیبات موجود در اتمسفر باعث جذب نور خورشید و افت آن می‌شوند، نشان داده شده است. برای مثال، در طول موج حدود nm 750، عامل افت شدت نور خورشید، ترکیب O2 است. در شرایط جوی مختلف، نوع این ترکیبات و میزان هریک در اتمسفر متفاوت خواهد بود. همچنین وجود ابر و سایر پدیده‌های آب و هوایی نیز می‌تواند در تغییر طیف خورشید رسیده به زمین اثر‌گذار باشد. همچنین بسته به اینکه در چه ساعتی از شبانه روز هستیم، ممکن است بیشترین شدت طیف خورشید یا کم‌ترین آن (یعنی صفر در شب!) را داشته باشیم.
در رابطه با میزان نور خورشید رسیده به زمین، عبارتی تحت عنوان AM وجود دارد که مخفف کلمه Air Mass و یا جرم هوا است و بیانگر زاویه تابشی خورشید به زمین است و به نوعی میزان انرژی تابیده شده به زمین را بیان می‌کند. مقدار AM0، بیان کننده میزان تابش رسیده به جسم خارج از جو زمین است که برای ماهواره‌هایی که خارج جو زمین هستند، کاربرد دارد. مقدار AM1 بیان کننده میزان تابشی است که به صورت عمودی بر زمین می‌تابد و عبارت AM1.5 میزان استاندارد تابش است که در عمل 5/1 برابر AM1 است. نشان داده می‌شود که شرایط تابشی AM1.5 در حالتی رخ می‌دهد که زاویه تابش خورشید با محور عمودی زمین o 8.41 باشد.

شکل3: طیف توزیع انرژی خورشید

برای تحقیقات، توسعه و بازاریابی سلول‌های خورشیدی، یک طیف استاندارد مورد نیاز است. زیرا طیف واقعی رسیده به زمین به دلیل پارامترهای مختلفی چون آب و هوا، تغییرات فصل، زمان روز و موقعیت تغییر می‌کند. داشتن یک طیف استاندارد، خواص اندازه‌گیری شده در سلول‌های مختلف را با یکدیگر قابل مقایسه می‌کند و امکان داوری بین نتایج گروه‌های مختلف تحقیقاتی را فراهم می‌سازد؛ زیرا همه سلول‌ها، تحت شرایط یکسان تابشی قرار می‌گیرند. به همین دلیل، برای فتوولتائیک‌های سطح زمین، شرایط استاندارد جهانی AM1.5 به صورت قراردادی مورد توافق قرار گرفته است. در شرایط آزمایشگاهی و تحقیقاتی، شبیه‌سازهای انرژی خورشیدی وجود دارند که با استفاده از لامپ‌هایی که توسط فیلترهای مشخص، خروجی کنترل شده دارند، این شرایط تابشی را ایجاد می‌کنند.

طیف خورشید و فوتون‌ها

سؤال این است که نور خورشید چگونه توصیف می‌شود؟ مشاهده رنگ‌های طیف نشان می‌دهد که نور خورشید می‌تواند به رنگ‌های مختلفی تقسیم شود. همچنین، استفاده از خطوط موازی بسیار نزدیک، به عنوان توری پراش، نشان می‌دهد که رنگ‌ها می‌توانند با فاصله خطوط مرتبط باشند. بدین معنی که طول موجی مربوط به هر رنگ وجود دارد. از این رو نور یک موج الکترومغناطیسی است و می‌توان یک طول موج به آن نسبت داد. از سوی دیگر، با مشاهده پدیده‌هایی چون اثر فوتوالکتریک می‌شود توضیح داد که نور به صورت بسته‌های کوچک انرژی حرکت می‌کند، که مانند ذره رفتار می‌کنند و فوتون نامیده می‌شوند. در واقع بنا به نظریه کوانتومی، امواج به ظاهر پیوسته الکترومغناطیسی، کوانتیده‌اند و از کوانتوم‌های گسسته‌ای به نام فوتون تشکیل شده‌اند که هر فوتون دارای انرژی مشخصی است که مقدار آن فقط به فرکانس بستگی دارد.

در این بخش، مروری بر انرژی خورشید، مکانیزم تولید و راه‌های انتقال آن داشتیم. همچنین طیف خورشید را در شرایط مختلف بررسی کرده و عوامل مهم اثرگذار بر روی شدت نور خورشید را مطالعه نمودیم. در نهایت مبنایی را برای قابل مقایسه شدن تحقیقات صورت گرفته بر روی سلول‌های خورشیدی معرفی کردیم. این معیار بیانگر یک شدت معین از طیف خورشید در شرایط استاندارد است.

منبع: سیستم جامع آموزش فناوری نانو