نیروگاه خورشیدی چیست، چگونه کار می‌کند، چه مزایایی دارد و انواع آن کدامند؟

نیروگاه‌های خورشیدی ازجمله منابع انرژی تثبیت‌شده‌ای هستند که به‌طور گسترده در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نیروگاه‌ها با استفاده از فناوری‌های پیشرفته، انرژی خورشید را به برق تبدیل می‌کنند و به دو دسته اصلی فتوولتائیک و متمرکزکننده خورشیدی تقسیم می‌شوند. با ظرفیت تولید از چند کیلووات تا چندین مگاوات، این فناوری نه‌تنها پاک‌ترین منبع انرژی شناخته می‌شود، بلکه با کاهش ۹۵ درصدی آلایندگی نسبت به سوخت‌های فسیلی، آینده انرژی جهان را متحول کرده است. برآورد می‌شود که یک نیروگاه خورشیدی ۱۰۰ مگاواتی می‌تواند سالانه از انتشار ۱۲۰ هزار تن CO2 جلوگیری کند! در ادامه به زبان ساده توضیح می‌دهیم که نیروگاه خورشیدی چیست، چه انواعی دارد، چگونه کار می‌کند و مزایای آن چیست.

نیروگاه خورشیدی چیست و چگونه کار می‌کند؟

نیروگاه‌های خورشیدی که با نام مزارع خورشیدی نیز شناخته می‌شوند، تأسیساتی بزرگ‌مقیاس هستند که برای جذب انرژی خورشیدی و تبدیل آن به برق طراحی شده‌اند. این نیروگاه‌ها از پنل‌های خورشیدی یا آینه‌ها برای دریافت نور خورشید و تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند.

به‌طور کلی، وظیفه نیروگاه خورشیدی تأمین انرژی گرمایی و برق است. فناوری مورد استفاده در این تأسیسات می‌تواند از نوع فتوولتائیک (PV) یا سیستم‌های متمرکزکننده انرژی خورشیدی (dCSP) باشد که انرژی خورشیدی را به برق قابل استفاده تبدیل می‌کنند. در ادامه هرکدام از این سیستم‌ها را توضیح می‌دهیم.

مزارع خورشیدی فتوولتائیک (PV)

در مزارع خورشیدی فتوولتائیک، آرایه‌هایی از پنل‌های خورشیدی شامل تعداد زیادی سلول فتوولتائیک وجود دارد که نور خورشید را جذب کرده و از طریق اثر فتوولتائیک، آن را مستقیماً به برق تبدیل می‌کنند. برق تولیدشده می‌تواند به شبکه برق تزریق شود یا برای تأمین انرژی کاربردهای خاص مورد استفاده قرار گیرد.

سلول‌های فتوولتائیک از مواد نیمه‌رسانایی مانند سیلیکون ساخته شده‌اند و شامل ۴ جزء اصلی هستند:

پنل خورشیدی
اینورتر خورشیدی
باتری خورشیدی
و لوازم جانبی خورشیدی

فرایند تولید برق در این نیروگاه‌ها شامل مراحل زیر است:

۱. جذب نور خورشید: هنگامی که نور خورشید به پنل‌های خورشیدی برخورد می‌کند، فوتون‌های نور انرژی خود را به الکترون‌های موجود در سلول‌های خورشیدی منتقل می‌کنند.

۲. تولید برق: این انرژی باعث می‌شود الکترون‌ها تحریک شوند و جریان برق مستقیم (DC) ایجاد شود. پنل‌های خورشیدی به‌صورت آرایه‌های بزرگی چیده می‌شوند تا توان الکتریکی قابل‌توجهی تولید کنند.

۳. تبدیل جریان الکتریکی: برق تولیدشده که به‌صورت جریان مستقیم است، توسط اینورترها به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌شود.

۴. انتقال و توزیع برق: برق متناوب تولیدشده به یک ترانسفورماتور ارسال می‌شود تا ولتاژ آن برای انتقال کارآمد از طریق خطوط برق افزایش یابد. سپس این برق از طریق شبکه توزیع الکتریکی به مصرف‌کنندگان منتقل و در دسترس آن‌ها قرار می‌گیرد.

نیروگاه‌های خورشیدی فتوولتائیک معمولاً در مناطقی با تابش خورشیدی بالا و زمین‌های وسیع احداث می‌شوند. این نیروگاه‌ها می‌توانند به‌صورت سیستم‌های نصب‌شده روی زمین یا روی پشت‌بام‌ها پیاده‌سازی شوند.

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP)

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز از آینه‌ها یا لنزها برای تمرکز نور خورشید روی یک دریافت‌کننده استفاده می‌کنند. این دریافت‌کننده، سیالی را گرم کرده و بخار تولید می‌کند. بخار ایجادشده یک توربین را به حرکت درمی‌آورد و درنهایت با حرکت توربین، برق تولید می‌شود. در ادامه، نحوه عملکرد این نیروگاه‌ها به‌صورت ساده توضیح داده شده است:

۱. تمرکز نور خورشید: آینه‌ها یا لنزها با دنبال کردن حرکت خورشید، نور را به یک نقطه کانونی یا دریافت‌کننده متمرکز می‌کنند. این تمرکز نور، دمای دریافت‌کننده را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.

۲. انتقال و ذخیره‌سازی گرما: دریافت‌کننده، نور متمرکز شده را جذب کرده و گرما را به یک سیال انتقال‌دهنده حرارت مانند نمک مذاب یا روغن منتقل می‌کند. این سیال می‌تواند گرما را برای استفاده در زمان‌های بعدی ذخیره کند، به‌طوری‌که نیروگاه حتی در هنگام عدم تابش خورشید نیز قادر به تولید برق باشد.

۳. تولید بخار: سیال داغ‌شده برای تولید بخار با فشار بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این بخار، توربینی را که به یک ژنراتور متصل است، به حرکت درمی‌آورد. ژنراتور، انرژی مکانیکی توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

۴. تولید و توزیع برق: برق تولیدشده از طریق شبکه انتقال و توزیع برق، به مصرف‌کنندگان منتقل می‌شود تا نیازهای انرژی آن‌ها را تأمین کند.

همان‌طور که گفته شد، سیستم‌های CSP امکان ذخیره‌سازی انرژی حرارتی را دارند و حتی در ساعات بدون تابش خورشید نیز می‌توانند برق تولید کنند.

نیروگاه‌های خورشیدی فتوولتائیک و نیروگاه‌های متمرکز خورشیدی هر دو به توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر کمک کرده و وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهند. همچنین، با کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، تأثیر مثبتی بر محیط‌زیست دارند.

انواع نیروگاه‌های خورشیدی

نیروگاه‌های خورشیدی انواع مختلفی دارند که براساس کاربرد، محل نصب و روش بهره‌برداری به دسته‌های متفاوتی تقسیم می‌شوند. به‌طور کلی، نیروگاه‌های فتوولتائیک به انواع مختلف: متصل به شبکه (On-Grid)، منفصل از شبکه (Off-Grid) و هیبریدی تقسیم می‌شوند. نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز نیز شامل سیستم‌های آبشار (Parabolic Trough)، بازتابنده خطی فرنل، برج خورشیدی (Solar Power Tower) و دیسک استرلینگ (Dish Stirling) هستند.

هریک از این فناوری‌ها مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند و بسته به شرایط محیطی و نیازهای انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع نیروگاه فتوولتائیک

به‌طور کلی، انواع نیروگاه‌های فتوولتائیک عبارت‌اند از:

نیروگاه فتوولتائیک متصل به شبکه یا On-Grid: این نیروگاه خورشیدی که با نام Grid Tie نیز شناخته می‌شوند، به شبکه برق متصل است و در صورت نیاز به آن تکیه می‌کند. سیستم‌های متصل به شبکه تنها زمانی قادر به تولید برق هستند که به شبکه برق دسترسی داشته باشند. این سیستم‌ها باید برای کار کردن به شبکه برق متصل شوند. همچنین، در صورت تولید مازاد برق، می‌توان آن را از طریق برنامه‌های خرید تضمینی برق (Net metering) به شبکه توزیع تزریق کرد.

سیستم خورشیدی خارج از شبکه یا Off-Grid: سیستم های خارج از شبکه به شبکه برق متصل نیستند و بنابراین نیاز به ذخیره انرژی در باتری دارند. در مناطق دورافتاده‌ای که شبکه برق به آنها نرسیده است یا برق تولیدی کافی نیست از سیستم برق خورشیدی خارج از شبکه استفاده می‌شود. سیستم‌های خارج از شبکه به شما این امکان را می‌دهند که انرژی خورشیدی خود را در باتری‌ها ذخیره کنید تا بعداً از آن استفاده کنید. این سیستم برای کار کردن، به شبکه برق نیاز ندارد و در تمام طول سال می‌تواند برق کافی و پیوسته تولید کند. سیستم Off-Grid نور خورشید را به برق پیوسته تبدیل می‌کند که به‌صورت مستمر در دسترس است. برق اضافی این سیستم به‌صورت خودکار در باتری‌های خورشیدی ذخیره می‌شود و در غیاب نور خورشید کمبود برق وجود نخواهد داشت.

سیستم خورشیدی هیبریدی: سیستم انرژی خورشیدی هیبریدی، ترکیبی از دو سیستم بالا است. این سیستم شامل مجموعه‌ای از باتری‌های خورشیدی است که در صورت نیاز می‌توانند با شبکه اصلی برق ارتباط برقرار کنند.

انواع نیروگاه متمرکز

انواع اصلی نیروگاه‌های CSP عبارت‌اند از:

سیستم‌های آبشار (Parabolic Trough Systems): این نیروگاه‌ها از آینه‌های سهموی بلند (آب‌شاری) استفاده می‌کنند که با دنبال‌کردن حرکت خورشید، نور را روی یک لوله گیرنده در خط کانونی متمرکز می‌کنند. این لوله حاوی یک سیال انتقال حرارت است که در دماهای بالا گرم می‌شود. گرمای این سیال برای تولید بخار و به حرکت درآوردن یک توربین که به ژنراتور متصل است، استفاده می‌شود.

بازتابنده خطی فرنل (LFR): این سیستم از آینه‌های مسطح برای متمرکز کردن نور خورشید روی یک جاذب ثابت که در نقطه کانونی مشترک از بازتابنده‌ها قرار دارد، استفاده می‌کند. این انرژی متمرکز از طریق جاذب به سیال حرارتی منتقل می‌شود. این سیال معمولاً قادر به حفظ حالت مایع در دماهای بسیار بالاست. سپس سیال از یک مبدل حرارتی عبور می‌کند تا یک مولد بخار را تغذیه کند.

سیستم‌های برج خورشیدی (Solar Power Tower Systems): در این نوع نیروگاه، مجموعه‌ای از آینه‌های متحرک به نام هلیواستات، نور خورشید را به‌سمت یک دریافت‌کننده مرکزی که در بالای یک برج قرار دارد، بازتاب می‌دهند. این دریافت‌کننده، انرژی خورشیدی متمرکز شده را جذب کرده و سیال انتقال‌دهنده حرارت مانند نمک مذاب یا روغن را گرم می‌کند. سپس این سیال داغ برای تولید بخار و در نتیجه تولید برق از طریق یک توربین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سیستم‌های دیسک استرلینگ (Dish Stirling Systems): این نیروگاه‌ها از آینه‌های بزرگ بشقابی‌شکل برای متمرکز کردن نور خورشید روی یک دریافت‌کننده در نقطه کانونی استفاده می‌کنند. این دریافت‌کننده حاوی یک موتور استرلینگ است که براساس اختلاف دمای بین بخش گرم (در معرض نور متمرکز خورشید) و بخش سرد کار می‌کند. موتور استرلینگ انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و درنهایت برق تولید می‌شود.

مزایای نیروگاه‌های خورشیدی

نیروگاه‌های خورشیدی مزایای متعددی دارند که به گذار جهانی به‌سمت انرژی‌های پاک و پایدار کمک می‌کند. برخی از این مزایا عبارت‌اند از:

منبع انرژی تجدیدپذیر و پایدار: انرژی خورشید یک منبع نامحدود است و تا زمانی که خورشید می‌تابد، امکان تولید برق از آن وجود دارد. این ویژگی باعث کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و ارائه‌ی راهکاری پایدار برای تولید انرژی می‌شود.

دوستدار محیط‌زیست: برق خورشیدی یک منبع پاک محسوب می‌شود، زیرا میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای آن بسیار کمتر از سوخت‌های فسیلی است. استفاده از انرژی خورشیدی می‌تواند به کاهش تغییرات اقلیمی، کاهش آلودگی هوا و بهبود سلامت عمومی کمک کند.

استقلال و امنیت انرژی: با توسعه نیروگاه‌های خورشیدی، کشورها می‌توانند وابستگی خود را به واردات سوخت‌های فسیلی کاهش دهند و ریسک‌های ژئوپلیتیکی مربوط به تأمین انرژی را مدیریت کنند. این نیروگاه‌ها به امنیت انرژی کمک می‌کنند، زیرا از یک منبع محلی و فراوان استفاده می‌کنند.

مقرون‌به‌صرفه بودن: هزینه‌های فناوری خورشیدی به‌دلیل پیشرفت‌های تولید و افزایش مقیاس تولید به‌طور قابل‌توجهی کاهش یافته است. علاوه‌براین، نیروگاه‌های خورشیدی هزینه عملیاتی و نگهداری کمتری نسبت به نیروگاه‌های سنتی دارند، که آن‌ها را در درازمدت از نظر اقتصادی به‌صرفه‌تر می‌کند.

ایجاد اشتغال و رشد اقتصادی: صنعت خورشیدی فرصت‌های شغلی زیادی در حوزه‌های تولید، نصب، بهره‌برداری و نگهداری نیروگاه‌ها ایجاد می‌کند. این صنعت می‌تواند به رونق اقتصادی، جذب سرمایه‌گذاری و توسعه بخش انرژی‌های پاک کمک کند.

قابلیت توسعه‌پذیری و طراحی ماژولار: نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند در مقیاس‌های مختلف ساخته شوند، از سیستم‌های خانگی کوچک گرفته تا پروژه‌های بزرگ مقیاس شبکه‌ای. این ویژگی باعث می‌شود که انرژی خورشیدی برای تأمین نیازهای گوناگون، از مصارف خانگی گرفته تا برق‌رسانی به جوامع قابل استفاده باشد.

راهکارهای تأمین برق خارج از شبکه: ترکیب نیروگاه‌های خورشیدی با سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی امکان تأمین برق در مناطق دورافتاده یا مناطقی که دسترسی محدودی به شبکه برق دارند را فراهم می‌کند. این نیروگاه‌ها می‌توانند زندگی جوامع روستایی را بهبود بخشند، آموزش را تسهیل کنند و توسعه اقتصادی را ارتقا دهند.

نیروگاه‌های خورشیدی یک منبع انرژی پایدار و مطمئن برای تولید برق ارائه می‌دهند، میزان انتشار کربن را کاهش می‌دهند و مزایای اقتصادی و اجتماعی متعددی دارند. پیشرفت‌های فناوری و سیاست‌های حمایتی می‌توانند به گسترش بیشتر استفاده از انرژی خورشیدی و نقش‌آفرینی آن در تحول جهانی بخش انرژی کمک کنند.

جمع‌بندی

نیروگاه‌های خورشیدی با بهره‌گیری از دو فناوری کلیدی فتوولتائیک و تمرکز انرژی خورشیدی (CSP)، انقلابی در تولید انرژی پاک ایجاد کرده‌اند. این سیستم‌ها نه‌تنها با کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و کاهش چشمگیر انتشار گازهای گلخانه‌ای به حفظ محیط‌زیست کمک می‌کنند، بلکه با قابلیت نصب در مقیاس‌های مختلف – از نیروگاه‌های عظیم تا سیستم‌های خانگی – و هزینه‌های عملیاتی پایین، به گزینه‌ای ایده‌آل برای تأمین انرژی پایدار تبدیل شده‌اند. با پیشرفت فناوری و افزایش راندمان، انرژی خورشیدی امروزه به سومین منبع بزرگ تولید برق تجدیدپذیر جهان تبدیل شده و آینده روشنی را برای امنیت انرژی و توسعه پایدار ترسیم می‌کند.