تفاوت بین فتوولتاییک خورشیدی و حرارتی خورشیدی

خورشید تامین کننده نهایی انرژی است. در واقع توسعه بازار انرژی های تجدیدپذیر تا حد زیادی بر این واقعیت استوار است. بیشتر فناوری های سبز که در حال حاضر فعال هستند؛ به صورت مستقیم یا غیرمستقیم از انرژی خورشید استفاده می کنند. در میان منابع غیرمستقیم انرژی خورشیدی می توان به این موارد اشاره کرد: باد، انرژی زمین گرمایی درجه پایین (مورد استفاده در سیستم پمپ های حرارتی منابع زمینی)، جزر و مد و امواج دریا (که تا حد زیادی قابل استفاده است).

منابع مستقیم انرژی خورشیدی شامل پرتوهای خورشیدی هستند که به جو می رسند. با استفاده از دو فناوری مختلف، یعنی سیستم های فتوولتاییک خورشیدی (که به PV خورشیدی نیز معروف است) و حرارتی خورشیدی می توان این پرتوها را جمع آوری کرد. ما در اینجا قصد داریم به نحوه کارکرد این سیستم ها و تفاوت های بین آنها بپردازیم.

فناوری

تفاوت اصلی بین فناوری های PV خورشیدی و گرمایی خورشیدی در اصول کار آنها نهفته است. یک سیستم PV خورشیدی مبتنی بر اثر فتوولتاییک است که در آن یک فوتون (واحد پایه نور) پس از برخورد با سطح ساخته شده از یک ماده خاص، باعث آزاد شدن الکترون می گردد. از طرف دیگر در فناوری حرارتی خورشیدی، از نور خورشید برای گرم کردن یک سیال (بسته به کاربرد ممکن است آب یا یک ماده دیگر باشد) استفاده می شود.

اثر فتوولتاییک تنها در برخی از مواد یعنی نیمه رساناها (مانند سیلیکون مونوکریستالی، پلی کریستالی و آمورف تلورید و کادمیم تلورید) رخ می دهد؛ این مواد پس از پشت سر گذاشتن فرآیندهای شیمیایی خاص و بعد از قرار گرفتن در معرض نور، جریان الکتریکی تولید می کنند. این نیمه رساناها به شکل لایه های نازکی درمی‌آیند تا با عنصر اصلی هسته سلول های خورشیدی (یا به اصطلاح جزء اصلی سیستم PV خورشیدی) که جریان مستقیم برق را تولید می کند، مطابقت پیدا کنند.

سپس سلول های خورشیدی در قالب ساختارهای بزرگتری به نام پنل های خورشیدی با هم ادغام می شوند؛ در این صورت می توان مقادیر مورد نیاز جریان و ولتاژ را از آنها به دست آورد. اما برای سیستم های متصل به شبکه (که بخش بزرگی از بازار را به خود اختصاص می دهند)، استفاده از یک اینورتر (برای تبدیل برق DC تولید شده توسط پنل ها به برق AC مورد استفاده در شبکه) ضروری است.

اصول کار سیستم های حرارتی خورشیدی بسیار پیچیده تر است؛ اما به اندازه اثر فتوولتاییک در تولید انرژي کارآمد هستند. در این سیستم ها آب یا سایر مایعات، توسط نور خورشید گرم می شود. این تبدیل انرژی در دستگاه های مختلف، بسته به محدوده دمایی سیال حامل گرما صورت می گیرد.

کلکتورهای دما پایین و متوسط می توانند به شکل پنل های صفحه تخت یا لوله های تخلیه شده باشند. اما کلکتورهای دمای بالا از سیستم های خورشیدی متمرکز مانند ناوهای سهموی شکل، بازتابنده های فرنل، دیش های استرلینگ و برج های خورشیدی تشکیل می شوند.

کاربرد

با توجه به موارد کاربرد این فناوری ها، اولین گام در جداسازی سیستم های خورشیدی کوچک از نیروگاه ها، در سیستم های PV و حرارتی نهفته است. در ادامه قصد داریم در مورد کاربرد خانگی این فناوری ها صحبت کنیم.

در مورد نیروگاه ها می توان از سیستم های PV و حرارتی برای تولید برق استفاده کرد. سیستم های PV جریان برق را مستقیماً از انرژی خورشیدی تولید می کنند؛ اما سیستم های حرارتی خورشیدی با گرم کردن سیال (آب، هوا، نفت و غیره)، موتورهای بخار، توربین های گازی و دستگاه های مشابه را به حرکت درمی آورند. این برق به صورت AC و براساس مقدار مورد نیاز به شبکه برق منتقل می شود.

ظرفیت نیروگاه های فتوولتاییک بزرگ بالای 500 مگا وات است؛ در حالیکه ظرفیت بزرگترین نیروگاه های حرارتی خورشیدی نهایتاً به 400 مگا وات می رسد. هر دو نوع این نیروگاه ها در بسیاری از نقاط جهان رشد سریعی را تجربه کرده اند و بسیاری از آنها در دست برنامه ریزی و ساخت هستند.

تاسیسات PV خانگی، برق DC را مستقیماً از نور خورشید تولید می کنند. دو نوع سیستم PV خانگی وجود دارد: متصل به شبکه و خارج از شبکه یا مستقل. سیستم اول امکان تغذیه شبکه (با انگیزه ارائه مشوق های اقتصادی) از طریق یک اینورتر را فراهم می کند. سیستم دوم کاملاً در خدمت انرژی مصرفی خانوار (روشنایی، گرمایش فضا، گرمایش آب و غیره) است و برای اینکه برق خانوار را به صورت کامل تامین کند؛ نیاز به باتری برای ذخیره سازی انرژی دارد.

کاربرد اصلی سیستم های حرارتی خورشیدی، گرمایش آب است. آنها معمولاً همراه با سیستم های گرمایشی مرکزی نفتی یا گازی کار می کنند. وقتی دمای مخزن آب به زیر یک دمای مشخص می رسد؛ فعالیت شان آغاز می شود. بنابراین چنین سیستمی می تواند آب گرم مصرفی خانوار را در تمام طول سال، حتی در آب و هوای سرد نیز تامین نماید. از طرف دیگر سیستم های ترمودینامیکی می توانند در صورتیکه تمام آب مخزن مصرف شود؛ آب را با استفاده از یک کمپرسور داخلی گرم کنند. به این ترتیب می توانید سیستم گرمایشی آب خانه خود را از سوخت های فسیلی بی‌نیاز سازید. در ضمن می توان از سیستم های حرارتی خورشیدی، برای گرمایش فضا نیز استفاده کرد (این امر در کشورهایی مانند سوئد رایج است).

مزایا و معایب

برخی از مهمترین مزایای سیستم های PV خورشیدی عبارتند از:

• طراحی نیروگاه های PV بسیار ساده تر از نیروگاه های حرارتی است. یک نیروگاه PV از تعداد زیادی از پنل های خورشیدی تشکیل می شود که به صورت سری و موازی به هم متصل می گردند. از سوی دیگر تولید برق با استفاده از فناوری حرارتی خورشیدی، به معنی انتقال انرژی از یک سیال داغ به یک ژنراتور است. این کار مستلزم طراحی دستگاه ها و تجهیزات پیچیده ای است که در قسمت بالا به برخی از آنها اشاره کردیم.
• سیستم های PV خانگی در مقیاس کوچک تر، نسبت به سیستم های حرارتی خورشیدی تطبیق پذیرتر هستند؛ زیرا می توانند برق مصرفی بسیاری از دستگاه های برقی را تامین کنند (گرمایش خورشیدی به گرمایش فضا و آب محدود می شود). در ضمن این سیستم ها طول عمر بالاتری دارند.

برخی از مهمترین مزایای سیستم های حرارتی خورشیدی در زیر آورده شده است:

• امکان ذخیره انرژی تولید شده را دارند؛ زیرا نیروگاه های حرارتی، انرژی خورشید را مستقیماً به برق تبدیل نمی کنند و سیستم های حرارتی خورشیدی همیشه دارای مخزن آب هستند که می توان گرما را در آن ذخیره کرد. سیستم های PV از یک وقفه ذاتی رنج می برند که ناشی از الگوهای تابش نور خورشید است. معمولاً ذخیره برق خورشیدی به دلیل تلفات انرژی که آن را واقعاً ناکارآمد می کند، گزینه ای مناسب به شمار نمی آید. به همین دلیل برق تامین شده توسط نیروگاه های حرارتی خورشیدی، یکنواخت تر و مطمئن تر است.
• پیچیدگی فناوری حرارتی خورشیدی در ابعاد خانگی بسیار کمتر از تکنولوژی PV خورشیدی است. نحوه تولید انرژی در سیستم های PV و حرارتی در مصارف مسکونی با هم متفاوت است. سیستم حرارتی گرما تولید می کند؛ در حالیکه کار سیستم PV تولید برق است. در ضمن پنل های حرارتی در زمینه استفاده از فضا کارآمدتر عمل می کنند.