◄ روند آتی انرژی خورشیدی

بخش 22 از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش 23  آن در ادامه می آید.

سلول های خورشیدی

روندهای آتی انرژی خورشیدی را می توان در زمینه های زیر خلاصه کرد:

• مواد جدیدی که مرزهای فناورانه پانل های خورشیدی را گسترش می دهند. سال ها سیلیکون ماده  غالب در ساخت پانل ها بود. ولی ماده  ارگانیک پراوسکایت (perovskite) و مجموعه سلول های فتوولتائیک (photovoltaic , PV) از منظر بازدهی، افق های جدیدی را می گشایند. به عنوان مثال، سلول های خورشیدی دو طرفه با پیوند دادن فناوری های سیلیکونی و پراوسکایتی می توانند نورهای بازتابی و پراکنده زمین را مجددا گردآوری کنند. ضمن اینکه خاصیت های پراوسکایت به گونه‌ایست که در جاهایی که قبلا ماده سیلیکونی غیرقابل استفاده بود (نظیر بدنه انواع وسایل نقلیه، کف خیابان ها، نماهای ساختمان، موزائیک های پشت بام، دیوارهای پرده‌ ای، نرده های محافظ، نورگیرهای پاسیو)، اینک کاربری دارد.
• پانل ها، محیط های کشاورزی را قابل کنترل می سازند. کشاورزان از طریق فناوری های جدید نه تنها اثر گلخانه ای کره زمین را خنثی می کنند، بلکه از نیروهای خورشیدی برای خنک کردن گلخانه های کشاورزی بهره می گیرند. ضمن اینکه حالا زمین دارای دوکاربری تولید کشاورزی و تأمین برق شده است.
• اینترنت اشیا موجب تغییر مقیاس کاربری انرژی خورشید می شود. ارتباطات بهتر اینترنت از طریق پهنای باند بیشتر فناوری 5 جی (و در آینده نزدیک 6 جی) و همچنین پیشرفت های اینترنت اشیا اجازه می دهند که وسایل خورشیدی کوچک و انعطاف پذیر بتوانند به انواع وسایل الکترونیکی نیرو برسانند و این وسایل را خودکار و حتی در قالب تجمیعی، آسیب‌یاب کنند.
• بهره گیری از نیروی خورشیدی در جایگاه های شارژ خودروهای برقی، باعث می شود که از شبکه برق محلی، نیروی کمتری استفاده شود.

در هر حال، گرایش به استفاده از انرژی خورشیدی به طرز حیرت انگیزی رو به تصاعد است. به دلیل حجم عظیم سرمایه‌ گذاری‌ ها، هزینه های ساخت تأسیسات خورشیدی طی چهار سال به کمتر از نصف تقلیل یافته است. صنعت فتوولتائیک (PV) با رشد سالانه  34 درصد، جهشی بزرگ به سوی تولید 158 گیگاوات در سال 2021 داشته است. رشد تقاضا در حالی صورت می پذیرد که در نیمه اول سال 2021 ، قیمت مدول های مزبور نسبت به رقبای مربوطه همچنان بالا باقی می ماند. در نمودار زیر سهم کشورهای مختلف را در ژانویه 2021 نشان می دهد. همانطور که ملاحظه می شود، سهم دو کشور چین و آمریکا در تأسیسات نصب شده انرژی خورشیدی، بیش از نصف کل جهان است.

آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر آمریکا (NREL) درباره معیار پایه هزینه سیستم فتوولتائیک و ذخیره انرژی طی یک دهه قبل، گزارشی را تهیه کرده که نشانگر کاهش هزینه ها در تأسیسات خورشیدی و ذخیره باتری است. روش‌ شناسی مزبور از نوع استقرایی (با رویکرد بررسی جزئیات تا رسیدن به بالاترین سطح نظری) است و در آن تنوع سیستم ها و هزینه های منطقه ای منظور شده است. این گزارش جهت گیری تحقیقات و توسعه آینده که موجب کاهش بیشتر هزینه ها می شود را هم مورد شناسایی قرار داده است.

در نمودار زیر چهار حوزه مطالعاتی شامل: سیستم پانل خورشیدی مناطق مسکونی، سیستم فتوولتائیک 200 کیلوواتی منصوب بر بام ساختمان های تجاری، فتوولتائیک در مقیاس شرکت های تأمین و توزیع برق منطقه ای با پانل های 100 مگاواتی از دو نوع  ثابت و متحرک از یک محور (در راستای موقعیت خورشید) ارائه شده است. رنگ های نمودار، معرف این موارد هستند: نارنجی: هزینه های نَرم (بالاسری، تملک اراضی، خطوط انتقال، مالیات فروش و سود)، آبی: هزینه های نرم (دستمزد برای نصب)، سبز: سخت افزار سیستم عامل تجاری (اجزاء سازه ای و برق)، سرخ: اینورتر، خاکستری تیره: مدول، سورمه ای: هزینه های اضافی ناشی از به روز شدن مدل.  

بدین ترتیب هزینه های ناشی از مواد و کارکرد مدول ها بر اثر ارتقای سطح فناوری، سریعا در حال تنزل است. ولی هزینه های مربوط به اتصال به شبکه برق، دستمزدها، بالاسری و سود بسیار کندتر کاهش می یابند. پایین بودن سطح دستمزدها عامل اصلی برتری کشور چین در این صنعت است. بنابراین انتظارات قبلی برای کاهش شدید قیمت تمام شده در آینده ای نزدیک، معمولا برآورده نمی شود. به هر حال منحنی مجموع هزینه های تامین انرژی و ذخیره سازی آن نشان می دهد که هدف میان مدت یعنی دسترسی به 3 سنت به ازای هرکیلووات ساعت فاصله زمانی چندانی برای تحقق ندارد.     

سلول های خورشیدی از دو ماده نیمه هادی فتوولتی متفاوت ولی با شکاف باند الکترونیکی مکمل یکدیگر شامل لایه سیلیکون و لایه کریستالی پیچیده، ارزان قیمت  و متشکل از حداقل مجموعه پنج عنصر گوناگون PBX3 به نام پراوسکایت (perovskite) ساخته می شود. این ماده در برابر نور، حرارت و رطوبت فرسوده می گردد. بیشتر مطالعات بر دو زمینه افزایش دوام و ارتقای سطح بازدهی پراوسکایت متمرکز است. با پوشاندن آن با لایه هایی به ضخامت چند اتم، می توان پراوسکایتی با دوام ساخت. ولی برای نفوذ کردن نور از این لایه و کم نشدن بازدهی آن، تحقیقات زیادی باید انجام شود.

در یک آزمایشگاه آلمان، بازدهی تبدیل فتوولتائیک (PV) سلول خورشیدی به 29.15 درصد رسید که نسبت به نمونه قبلی، تقریبا کمی کمتر از 3 درصد بهبود یافته است. اگر بتوان نتیجه آزمایش را در سطح تولید کلان تجاری هم حفظ نمود، به لحاظ صرفه اقتصادی و عقب راندن مصرف سوخت های فسیلی نقش مهمی خواهد داشت. در این سیستم با ایجاد حفره های نانویی و تأمین فضای سه بُعدی در صفحه، عملاً میزان جذب نور بیشتر می شود. ضمن اینکه پایداری این سلول 1.92 ولتی پس از 300 ساعت فعالیت، به 95 درصد رسیده است. در واقع سیلیکون جذب کننده مؤثر امواج فروسرخ  و پراوسکایت جاذب طیف امواج مرئی خورشیدی و مجموعاً تبدیل کننده بهینه آفتاب به برق هستند (تصویر زیر).

یادآور می شود در حال حاضر میانگین بازدهی صفحات خورشیدی موجود حدود 15 تا 20 درصد است که رشد بازدهی آزمایشگاه مزبور حیرت انگیز است.  شرکت ال‌جی پانل هایی با بازدهی  22.1 درصد ساخته است. میانگین خروجی پانل ها بین 250 تا 400 وات است. عوامل مؤثر در بازدهی سلول های خورشیدی: عمر، سطح آلایندگی هوا، شدت آفتاب، میزان تمیزی صفحات، جهت‌ گیری پانل ها نسبت به خورشید، اندازه و تعداد پانل ها و سایر عوامل آب و هوایی است.

شرکت بزرگ نفتی هانت (Hunt) آمریکا، 4 میلیارد دلار بر روی تحقیق و توسعه پراوسکایت سرمایه‌گذاری کرده است. شرکت وابسته‌ به آن (Hunt Provskite Tech. HPT) ، حق انحصاری اکتشاف و اختراع (patent) فناوری پراوسکایت سلول خورشیدی به میزان 22 مورد در آمریکا و 45 مورد در سطح جهان را در اختیار دارد. شرکت HPT رابطه نزدیکی با اداره دولتی آزمایشگاه انرژی تجدیدپذیر ملی آمریکا دارد. دلیل این سرمایه‌گذاری اینست که پراوسکایت تنها ماده ایست که می تواند قیمت سلولهای خورشیدی را به شدت پایین آورده و بازار جهانی را تسخیر کند.

شرکت انرژیکای اتریش یک گونه مدول‌ فتوولتائیکِ جدیدِ بدون درز ساخته که از بازدهی بالاتری نسبت صفحات خورشیدی متداول برخوردار است.

در زنجیره تامین ساخت صفحات خورشیدی، حدود 45 درصد از مواد اولیه مصرفی پلی‌سیلیکون در چین تولید می گردد. اما این مواد در معادن زغال سنگ منطقه سین‌کیانگ (ترکستان شرقی) و توسط اقلیت اویغور تامین می شود. فلز رسانا به شکل آجرهایی در می آیند و سپس در ورقه های ویفری به نازکی تیغ تهیه شده و توسط سیم هایی به سلول های خورشیدی متصل می شوند. در مرحله بعدی مجموعه در قالب پانل های بزرگ در می آیند. چهار شرکت از بزرگترین سازندگان پلی‌سیلیکون جهان در چین فعالیت می کنند. این شرکت ها ابتدا فلز پلی سیلیکون را در سطح خلوص 99 درصد تهیه می کنند. سپس خلوص آن را به 99.9999 درصد می رسانند.

 اجرای این فرایند انرژی‌بر، شامل مواد شیمیایی خورنده و دمای بالای 1000 درجه سانتی گراد است. 4 درصد از هزینه های تولید فلز سیلیکون مربوط به مصرف برق است. چین با استفاده از زغال سنگ منطقه سین‌کیانگ، ارزان ترین برق (یعنی 3 سنت به ازای هر کیلووات ساعت) را مصرف می کند. این موضوع بدین معنی است که به منظور کاهش میزان گازکربنیک جهان از طریق سلول های خورشیدی، لازم می شود که برای تولید پلی‌سیلیکون، این چنین حجم عظیمی از گازکربنیک تولید و در هوا رها ‌شود. از طرف دیگر، بخشی از ارزانی قیمت این مواد به خاطر مجانی بودن خدمات کارگران اویغور است. کشورهای غربی بر سر دو راهی محکوم کردن و تحریم خرید این گونه مواد از چین و به تبع آن باختن رقابت به سایر کشورها برای تولید انرژی ارزان، یا چشم پوشی از ستم دولت چین و تأمین پانل های ارزان قیمت، همچنان مردد باقی مانده‌ اند.    

اما نقطه تاریک تر و کثیف‌ تر انرژی خورشیدی نیز وجود دارد. پس از عمر مفید 30 ساله پانلها، برای مواد بازمانده ای شامل فلزات سمی، فایبرگلاس، مواد نفتی و سایر مواد، می بایست فکری شود. با توجه به اینکه در تلاش برای هر چه ارزانتر کردن تولید سلول های خورشیدی، مصرف فلزات گرانبها در آنها مرتباً کمتر می شود، هزینه بازیافت این سلولها از ارزش آنها فراتر می رود و لذا رغبتی برای اینکار وجود ندارد. طبق یک گزارش تحقیقی، میزان زباله های سالانه این فناوری تا سال 2050، در کشورهای آمریکا 10، آلمان 3، چین 20، ژاپن 7.5 و هند 7.5 میلیون تن خواهد رسید. دفن این زباله ها به سبب صدماتی که احتمالاً به خاک وارد می آورد، در بعضی از کشورها به طور مشروط انجام می پذیرد.

 یکی دیگر از مهمترین ضعف های نیروگاه های خورشیدی اشغال سرزمین است. این موضوع در نقاطی که زمین های کشاورزی وجود دارد، یک معضل مهم محسوب می شود. در تصویر زیر راه حل چین برای رفع آن، راه اندازی نیروگاه ها در آب های ساحلی است که البته مشمول خورندگی ناشی از رطوبت بالا و نمک ها می شود.

کشور عمدتاً کشاورزی هلند با کمبود شدید زمین روبروست. یک شرکت استارت‌آپی هلندی، سازه ای مثلثی شکل شناور در آب های ساحلی را ساخته که بر روی آن پانل های خورشیدی به ارتفاع سه متر نصب می شوند. این سازه مثلثی که از جنس پلی اولفین است، توانایی مقابله با بارهای دینامیکی امواجی تا ارتفاع سه متر در دریای شمال را دارد. شناوری سازه به حدی است که امواجی با ارتفاع  متوسط به صفحات حورشید برخورد نکرده و در آنها ترک های مویین ایجاد نمی کنند. این صفحات مثلثی که در آن استانداردهای ایمنی، عملیاتی و نگهداری رعایت شده، قابلیت اتصال به یکدیگر را دارند. توان فعلی آن 10 مگاوات است و قابل توسعه به 500 مگاوات می باشد. از ضعف های آن، جهت گیری ثابت شرقی- غربی و ناتوانی پانل ها در تطابق با زاویه تابش آفتاب است (تصویر زیر). قرار است که دومین پروژه از این نوع در بلژیک نصب شود. 

در پروژه ای دیگر در نظر است که سازه ای برای نصب 39 پانل خورشیدی 65 کیلوواتی در روتردام ساخته شده و به یک دستگاه الکترولیز 10 کیلوواتی وصل گردد. این پروژه به سرمایه‌گذاری یک میلیون یورویی نیاز دارد تا در آینده هیدروژن کشتی ها را تأمین کند.

شرکت چینی ترینا سولار (Trina Solar) سازنده مدول های خورشیدی در نظر دارد که مدول های مبتکرانه و مطابق با محیط زیست از نوع فوق پر قدرت 600 وات فتوولتائیک بسازد.  شرکت ترینا با تعدادی از بزرگترین تولید کنندگان اینورتر تماس گرفته است. این شرکت های پیشتاز صنعت، یا اخیراً محصولاتشان را ارتقا داده‌اند یا نمونه های جدیدی را عرضه کرده‌ اند. علاوه بر آن شرکت های مزبور در زمینه اینورترهای متمرکز یا رشته ای فعال هستند که با پانل های فتوولتائیک بزرگتر و قوی‌تر قابلیت تطابق دارند. اینورتر این شرکت ها برای پانل هایی با پایه 210 میلیمتری ویفرِ سیلیکونی طراحی شده‌ اند. در تصویر زیر مدول خورشیدی دوقلوی دوماکس (Duomax) دو شیشه ای دو روی ساخت شرکت ترینا دیده می شود.

به عنوان مثال شرکت هوآوی غول صنعت چین نیز دو نمونه جدید ارتقا یافته را در اواسط سال 2021 برای دو بازار چین و خارج از کشور طراحی کرده که هر دو آنها به سطح حداکثر جریان برق 100 آمپری (بر حسب MMPT) رسانده شده‌ و با مدول 210 میلیمتری تیز تطابق یافته‌اند. یا شرکت سیننگ (Sineng Electric) ، اینورترهای رشته ای و متمرکز را به این بخش از بازار جدید عرضه کرده که هر دو آنها با مدول های 210 میلیمتری سازگارند. شرکت آلمانی (SMA) نیز اعلام کرده که تمامی اینورترهای متمرکز و رشته ای آن شرکت با انواع محصولات پر قدرت خورشیدی قابلیت تطابق دارند.

سلول های خورشیدی فضایی

دانشمندان پنتاگون در ماه مه 2020 در مأموریتی مخفی با موفقیت توانستند یک پانل خورشیدی به اندازه یک جعبه پیتزا که بر روی یک پهپاد ویژه بدون خلبان نصب شده بود را به گونه ای به کار اندازند که بتوان برق حاصله را به هر نقطه ای از جهان منتقل کرد. این وسیله که در مدار پایین حرکت می کند، هر 90 دقیقه یک بار به دور زمین می چرخد. با توجه به اینکه پانل مزبور قریب نیمی از اوقات در مناطق تاریک قرار می گیرد و از کار می افتد، قرار است که بعدها در مدار سنکرون با گردش زمین قرار داده شود تا مدت زیادتری نور خورشید را دریافت کند.

این پانل به گونه ای طراحی شده تا از نور پر قدرت آبی خورشید (که از آتمسفر زمین عبور نمی کند و لذا آسمان را آبی نشان می دهد) حداکثر بهره‌ برداری را بنماید. در آزمایش مزبور، از این پانلِ کمی بزرگتر از 30*30 سانتی‌متر مربعی توانستند از طریق ارسال امواج مایکرویو، 10 وات انرژی (که برای کارکردن یک تبلت کافی است) به زمین ارسال کنند.

عده ای در این فکر هستند که با ایجاد صفحات عظیم در فضا، نیرویی در حد چند گیگا وات تولید کنند. از مزایای آن، بسیار پاک بودن و قابلیت انتقال با سرعتی نزدیک به یک ثانیه به هر نقطه از جهان است. بهترین کاربری آن انتقال نیرو به مناطق بحران زده ناشی از حوادث طبیعی است و از معایب آن گرانی شدید ارسال تجهیزات به فضاست که البته به طور روز افزونی رو به کاهش می باشد. علاوه بر آن چالشهای حل مسائلی چون ملاحظات تنظیم‌گری شامل طیف، ایمنی و هماهنگی بین المللی هم می بایست مد نظر قرار گیرد. 

(این نوشتار ادامه دارد)

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته