تاریخچه ای از سیستم های خورشیدی و پنل های فتوولتائیک

سیستم های خورشیدیانرژي خورشيدي بطور رايگان و بدون هيچگونه محدوديتي در همه نقاط جهان دريافت مي‌شود. واضح‌ترين و ساده‌ترين روش استفاده از انرژي خورشيدي تبديل آن به انرژي حرارتي از طريق گردآورنده‌هاي حرارتي خورشيدي است. بنابراين قابل درك است كه بسط و توسعه اوليه سيستم‌هاي انرژي خورشيدي بر روي تأمين انرژي لازم براي گرم كردن فضاي ساختمان‌ها و تأمين آب گرم مورد نياز، متمركز شده باشد. با اين حال، تبديل مستقيم نور خورشيد به الكتريسيته نظر بسياري از دانشمندان را برانگيخت، نه تنها بخاطر اينكه اين تكنولوژي مي‌توانست به طور مؤثر از متمرکز كردن سيستم‌هاي توليد برق بكاهد، بلكه همچنين توليد برق از انرژي خورشيدي با هزينه اندك و با راندمان بالا همواره از خواست‌هاي بشر بوده است.اغلب قمرهاي مصنوعي و ماهواره‌هائي كه از دهه 1950 ميلادي تاكنون به فضا فرستاده شده‌اند، قدرت مورد نياز خود را از پنل‌هاي متشكل از سلول‌هاي خورشيدي دريافت می کنند. پنل های خورشیدی و سيستم‌هاي فتوولتائيك مي‌توانند يكي از مهمترين روش‌هائي باشند كه برق مورد نياز روستاها و مناطق دور افتاده كشور را تأمين نمایند، زيرا بدليل صعب العبور بودن اغلب اين مناطق، تغذيه آنها از طريق شبكه‌هاي سراسري برق، بسيار پرهزينه و گاه غير ممكن مي‌باشد. اگرچه هنوز هم نسبت به تكنولوژي متداول توليد برق، گران‌تر مي‌باشند ولي يكي از بهترين روش‌هائي خواهد بود كه براي توليد برق، از انرژي پايان ناپذير خورشيدي بهره مي‌گيرد. بر اساس آمارهاي موجود، در طول 5 سال گذشته، سالانه 17 درصد بر فروش محصولات سيستم‌هاي فتوولتائيك افزوده شده است. با پيشرفت تكنولوژي ساخت سيستم‌هاي فتوولتائيك، بطور مستمر از هزينه آنها كاسته شده و اميد مي‌رود در دهه پیش رو توليد برق از سیستم های خورشیدی با شبکه های سراسری انتقال برق متداول، قابل رقابت گردد.در این نگارش سعی شده است تاریخچه مختصری از سلول های خورشیدی و پنل های فتوولتائیک، بیان گردد.پنل های فتوولتائیکگسترش بهره گيري از توليدات پراكنده و توليد همزمان انرژی های برق و حرارت در سال هاي اخير، به علت بحران آلودگي در جهان، در دستور كار تمامي كشورها قرار گرفته است. براي مثال، آمريكا هدف خود را در سال 2030 تولید 20 درصد برق مورد نياز بر مبناي فناوري توليد همزمان برق و حرارت و برودت قرار داده است. با ايجاد ظرفیت 241 گيگاواتي توليد همزمان برق و حرارت، پيش بيني می شود 848 ميليون تن از توليد دي اكسيدكربن در اين كشور كاسته شود. دانمارك نيز از دهه 1990 توسعه مولدهاي توليد پراكنده و نيروگاه هاي بادي را در دستور كار خود قرار داده است. در حال حاضر حدود 20 درصد برق مصرفي دانمارك از انرژي بادي تامين مي شود و در 20 سال گذشته نيروگاه هاي توليد همزمان برق و حرارت و برودت در سراسر اين كشور گسترده شده است. در ايران نيز اهميت اين مسئله تا حدي است كه احداث و توسعه مولدهاي پراكنده، با تأكيد بر توليد همزمان برق و حرارت و برودت، در زمره سياست هاي راهبردي وزارت نيرو در سال جاري قرار گرفته است. در روش توليد پراكنده بر خلاف روش سنتي كه در آن يك نيروگاه كل برق يك منطقه را تأمين مي كند، هر يك از مصرف كنندگان مي توانند با استقرار تجهيزات لازم در محل مصرف اقدام به توليد برق در مقياس كوچك كنند. پيشرفت فناوري مولدهاي مقياس كوچك گازسوز، سازگاري با استاندارهاي زيست محيطي و همچنين امكان استفاده از اين مولدها در محيط هاي مختلف اعم از صنعتي، مسكوني و تجاري منجر به كاهش هزينه هاي توليد برق در اين روش نسبت به روش هاي متداول شده است. علاوه بر اين باعث كاهش سرمايه گذاري براي انتقال برق توليدي و امكان افزايش راندمان نيز در آنها بيشتر است. مهم ترين مزاياي به كارگيري توليد پراكنده در صنعت برق را مي توان به صورت زير فهرست كرد.· كاهش تلفات شبكه از طريق حذف تلفات انتقال· بهبود كيفيت توان و افزايش قابليت اطمينان شبكه· هزينه كمتر و مدت زمان كوتاه تر براي نصب تجهيزات· عدم نياز به به سرمايه گذاري زياد و در نتيجه امكان جذب مشاركت عمومي و سرمايه هاي متوسط· قابليت حمل و جابه جايي آسان تجهيزات در صورت نياز· كاهش توليد آلاينده هاي زيست محيطي به ويژه با افزایش راندمان· برق رساني آسان تر به مناطق صع بالعبور· فراهم آوردن امكان استفاده از منابع تجديدپذير انرژيمنابع انرژی تجدید پذیر به جهت افزایش تقاضا، هزینه و نقص منابع انرژی نفتی و گازی در برآوردن نیازهای انرژی بخش های مختلف اهمیت بیش از پیشی یافته اند. منابع انرژی تجدید پذیر نظیر انرژی خورشیدی، باد، زیست توده، گرمای اقیانوس ها و غیره برای تولید انرژی مورد نیاز مورد استفاده قرار می گیرند. تولید مستقیم انرژی به کمک نور خورشید و سلول های خورشیدی میسر می گردد. مزیت سلول های خورشیدی آن است که هیچ گونه قطعات مکانیکی ندارند. این امر موجب می شود استفاده از آنها تسهیل یابد و به نگهداری نیازی نداشته باشند و همچنین منجر به عمر طولانی تر آنها می شود.اولین نسل سلول های خورشیدی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، با ساخت اولین شبکه مخابرات بیسیم بین اقیانوسی خطوط تلگراف؛ در نیمه دوم قرن نوزدهم تولید شدند. مهندسان در حالی که برای میسر کردن ارتباط آنی بین قاره ها، این خطوط را در بستر دریا قرار می دادند، از سلنیوم برای تشخیص عیب های احتمالی در بین خطوط به طور آزمایشی استفاده کردند. اولین محققانی که با سلنیوم کار می کردند کشف کردند که کارکرد این ماده به مقدار نور خورشید تابش شده بر سطح آن بستگی دارد. تاثیر نور خورشید بر روی سلنیوم علاقه دانشمندان سرتاسر اروپا را به خود جلب کرد. آن ها در یکی از آزمایش های خود بر روی سلنیوم، مشاهده کردند که نور قادر است باعث ایجاد برق در یک ماده جامد شود. این امر در آن زمان یک پدیده کاملا جدید به حساب می آمد.اما علم آن روز به دلیل عدم اطمینان از وجود اتم ها، قادر به توضیح علت تولید برق توسط سلنیوم نبود. در نتیجه اکثر دانشمندان کار آدامز و دی را مورد تمسخر قرار دادند. با این وجود پس از کشف و قبول الکترون و اینکه نور حاوی بسته های انرژی با نام فوتون می باشد؛ مبحث سیستم های فوتوولتائیک در جامعه ی علمی اعتبار کسب کرد. تا اواسط دهه ی بیست از قرن بیستم میلادی دانشمندان استدلال کردند که به هنگام برخورد نور با سطح موادی مانند سلنیوم، فوتون های پرانرژی تر قادرند که الکترون های کم انرژی تر را از مدار خود خارج کنند. هنگامی که سیم ها به یکدیگر متصلند، الکترون های آزاد به صورت الکتریسیته در داخل سیم ها حرکت می کنند. بسیاری از محققان روزی را پیش بینی می کردند که بانک هایی از سلول های خورشیدی سلنیومی قادر خواهند بود انرژی مورد نیاز کارخانه ها و همچنین نور منازل را تامین کنند. البته هیچ کس نتوانست با استفاده از سلنیوم یک سلول خورشیدی بسازد که بازده تبدیل نور خورشید به الکتریسیته آن بیش از 0.5 درصد باشد. در نتیجه استفاده از این سلول ها به عنوان منبع انرژی توجیه ناپذیر بود.کشف پديده فتوولتاييک به فيزيکدان فرانسوی AlexandreEdmond Becquerel نسبت داده می‌شود که در سال ۱۸۳۹مشاهده نمود که ولتاژ باتری وقتی که صفحات نقره‌ای آن تحت تابش نور خورشيد قرار می‌گيرند، افزايش می‌يابد. وی که از کودکی نزد پدر دانشمندش به عنوان دانش آموز و سپس دستيار به تحقيق می پرداخت در سن 19 سالگی اين پديده را مشاهده کرد. پدر او Antoine César Becquerel کاشف اثر پيزوالکتريک بود. اين اثر ابتدا روی مواد جامد مثل سلنيوم توسط Heinrich Hertz در سال 1870 مطالعه شد. اما اولين گزارش از پديده فتوولتائیک در يک ماده جامد در سال ۱۸۷۷ بود که دو دانشمند دانشگاه کمبريج به نام های R.E. Day و W.G. Adams در مقاله‌ای به انجمن سلطنتی، تغييراتی که در خواص الکتريکی سلنيوم وقتی که تحت تابش نور قرار می‌گيرد را توضيح دادند.در سـال ۱۸۸۳ Charles Edgar Fritts که يک مهندس برق اهل نيويورک بود، يک سلول خـورشـيدی سلنيومی ساخت که از برخـی جهات شـبـيه به سـلـولـهای خورشـيـدی سيليکونی امروزی بود. اين ســلـول از يک ويـفـر نازک سـلنيوم تشـکيـل شده بـود که با يک تـوری از سـيـمـهـای خيـلی نازک طـلا و يک ورق حفاظـتی از شـيشه پوشانده شده بود. اما سـلول سـاخت او خـيلی کم بازده بود. کمتر از 1% انرژی خورشيدی تابيده شده به سطح اين سلول ابتدايی به الکتريسيته تبديل می‌شد. با وجود اين، سلول‌های سلنيومی سرانجام در نورسنج‌های عکاسی به طور وسيعی بکار گرفته شد.در سال 1887، Heinrich Hertz کشف کرد که نور ماوراء بنفش حداقل ولتاژ لازم برای ايجاد جرقه برای پرش بين دو الکترود فلزی را تغيير می دهد. در سال 1904 Hallwachs کشف کرد که يک ترکيبی از مس و اکسيد مس حساس به نور است. همچنين در اين سال انیشتن مقاله اش را در زمينه اثر فتوالکتريک منتشر کرد. فهم کامل و مفصل تر از قوانين اساسی سلول های خورشيدی در سال 1905 توسط انیشتن و در سال 1930 توسط اسکاتی بوجود آمد. سلول های خورشيدی از اواسط 1950 موجود بود. اولين سلول خورشيدی سيليکونی با بازده حدود 6% با نور مستقيم توسط Daryl Chapin ، Gerald Pearson و Calvin Fuller در سال 1954 بوجود آمد که ابتدا برای کاربردهای ماهواره های فضايی مورد استفاده قرار گرفت. البته بعضی ها اختراع سلول خورشيدی سيليکونی با بازده زير 1% را اولين بار در سال 1941 به Russell Ohl نسبت می دهند. سير پيشرفت تحقيقات در زمينه سلول های خورشيدی بعد از مقاله انیشتن در زمينه اثر فتوالکتريک به طور مختصر در شکل زیر آمده است: