انرژی خورشیدی یکی از پاک‌ترین و پایدارترین منابع انرژی تجدیدپذیر در جهان است. با توجه به بحران‌های زیست‌محیطی، تغییرات اقلیمی، و کاهش منابع سوخت‌های فسیلی، توسعه‌ی انرژی‌های پاک اهمیت ویژه‌ای یافته است. امروزه با پیشرفت فناوری، نیروگاه‌های خورشیدی به دو دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند: نیروگاه‌های فتوولتائیک (PV) و نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی متمرکز یا سکولار (CSP). در این مقاله به بررسی انواع این نیروگاه‌ها، ویژگی‌ها، مزایا و معایب آن‌ها به همراه تصاویر شماتیک خواهیم پرداخت.
بخش اول: نیروگاه‌های فتوولتائیک (PV)
عبارتند از:
1- سیستم‌های ثابت (Fixed Tilt PV Systems)
در این سیستم‌ها پنل‌ها در یک زاویه مشخص نصب می‌شوند و حرکت نمی‌کنند. این نوع نصب ساده و کم‌هزینه است، ولی راندمان آن در مقایسه با سیستم‌های متحرک کمتر است. از این سیستم‌ها بیشتر در پروژه‌های کوچک، مسکونی و یا مناطقی که بودجه محدود دارند استفاده می‌شود. همچنین این سیستم‌ها در شرایطی که نگهداری و تعمیرات دشوار است، گزینه‌ی قابل‌اعتمادی هستند.
2- سیستم‌های دنبال‌کننده خورشید (Tracking PV Systems)
الف) تک‌محوره (Single-Axis): پنل‌ها فقط در یک راستا (افقی یا مایل) حرکت می‌کنند. این نوع سیستم نسبت به سیستم ثابت راندمان بالاتری دارد و تولید انرژی بیشتری را در طول روز فراهم می‌کند.
ب) دو‌محوره (Dual-Axis): پنل‌ها در دو راستا حرکت می‌کنند تا همیشه رو به خورشید باشند. این سیستم‌ها بیشترین راندمان را دارند، اما هزینه نصب و نگهداری آن‌ها نیز بالاتر است. در پروژه‌های صنعتی و مناطق با تابش شدید خورشید، استفاده از این سیستم‌ها رایج‌تر است و می‌توانند بهره‌وری سیستم را تا بیش از ۳۰ درصد افزایش دهند.
3- سیستم‌های متصل به شبکه (On-Grid)
این سیستم‌ها به شبکه برق سراسری متصل‌اند. اگر مصرف‌کننده برق اضافی تولید کند، می‌تواند آن را به شبکه بفروشد. این موضوع به بهره‌وری اقتصادی سیستم کمک کرده و باعث بازگشت سرمایه در زمان کوتاه‌تری می‌شود. در بسیاری از کشورها، دولت‌ها با اعمال سیاست‌های حمایتی مانند تعرفه‌های تضمینی خرید برق، این سیستم‌ها را تشویق می‌کنند و باعث رشد روزافزون آن‌ها شده‌اند.
4- سیستم‌های منفصل از شبکه (Off-Grid)
برای مناطق فاقد برق، این سیستم‌ها به همراه باتری استفاده می‌شوند و کاملاً مستقل‌اند. استفاده از باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی در این سیستم‌ها اهمیت زیادی دارد و انتخاب نوع باتری و ظرفیت آن نقش مهمی در کارایی کل سیستم دارد. هزینه‌ی بالای باتری یکی از چالش‌های اصلی این مدل است، ولی پیشرفت در تکنولوژی باتری‌های لیتیوم-یون نویدبخش بهبود شرایط است.
5- سیستم‌های هیبریدی
ترکیب سیستم خورشیدی با ژنراتور یا منابع دیگر انرژی برای پایداری بیشتر، به ویژه در مناطق دورافتاده. این سیستم‌ها می‌توانند در شرایط نامساعد جوی یا در مواقع افزایش مصرف، تأمین برق پایدار را تضمین کنند. از جمله کاربردهای مهم این سیستم‌ها در بیمارستان‌های روستایی یا ایستگاه‌های مخابراتی در مناطق دورافتاده است که نیاز به تامین برق بدون قطعی دارند.
6- نیروگاه‌های خورشیدی شناور
نصب پنل‌ها بر روی آب که علاوه بر تولید انرژی، تبخیر آب را کاهش می‌دهد و از فضای زمین صرفه‌جویی می‌شود. این نوع سیستم‌ها برای دریاچه‌ها، سدها و مخازن آبی بسیار مناسب هستند و همچنین به دلیل خنک‌تر بودن محیط اطراف، عملکرد پنل‌ها بهبود می‌یابد. از دیگر مزایای آن می‌توان به کاهش رشد جلبک‌های مضر در سطح آب اشاره کرد.
بخش دوم: نیروگاه‌های خورشیدی حرارتی متمرکز (CSP)
شامل موارد زیر است:
1- نیروگاه سهموی خطی (Parabolic Trough)
نور خورشید با آینه‌های سهموی روی لوله‌ای متمرکز می‌شود که درون آن سیال گرمایی وجود دارد. این سیال گرما را به مبدل حرارتی منتقل می‌کند تا بخار تولید شود و توربین برق تولید کند. این نوع سیستم یکی از رایج‌ترین و تجاری‌ترین اشکال CSP در جهان است و از تکنولوژی نسبتاً تثبیت‌شده‌ای برخوردار است.
2- برج خورشیدی (Solar Power Tower)
صدها آینه نور خورشید را به سمت گیرنده‌ای در بالای برج متمرکز می‌کنند و دمای بالا تولید می‌شود. این دما برای تولید بخار و به‌دنبال آن تولید برق استفاده می‌شود. یکی از مزایای اصلی این نوع نیروگاه، قابلیت ذخیره‌سازی گرما برای استفاده در ساعات شب است. برج‌های خورشیدی معمولاً در مقیاس‌های بزرگ صنعتی ساخته می‌شوند.
3- دیسک سهموی (Parabolic Dish)
از یک بشقاب سهموی استفاده می‌شود که نور را روی یک نقطه خاص متمرکز می‌کند و معمولاً از موتور استرلینگ استفاده می‌کند. این سیستم‌ها در مقیاس کوچک‌تر و معمولاً برای کاربردهای خاص مانند تولید برق در نقاط دورافتاده یا برای تحقیقات استفاده می‌شوند. مزیت آن‌ها عملکرد مستقل و بازده بالا در تولید برق در واحد کوچک است.
4- فرنل خطی (Linear Fresnel Reflector)
آینه‌های تخت و کوچکی که با آرایش خاص، نور را روی یک گیرنده ثابت منعکس می‌کنند. این نوع طراحی ساده‌تر و ارزان‌تر از سیستم‌های سهموی است، اما راندمان پایین‌تری دارد. در مناطقی که هزینه نصب پایین‌تر اهمیت دارد و فضای کافی در دسترس است، می‌توان از این سیستم‌ها بهره گرفت.
مزایا و معایب
عبارتند از:
فتوولتائیک (PV):
مزایا: نصب آسان، نگهداری کم، مناسب برای مقیاس کوچک تا بزرگ. همچنین امکان استفاده در سازه‌های مختلف مانند پشت‌بام‌ها، پارکینگ‌ها و حتی روی وسایل نقلیه وجود دارد.
معایب: تولید وابسته به تابش مستقیم، نیاز به فضای مناسب. راندمان آن نسبت به سیستم‌های CSP در مقیاس بزرگ پایین‌تر است.
CSP:
مزایا: ذخیره انرژی برای استفاده شبانه، راندمان بالا در مقیاس صنعتی. این نیروگاه‌ها به ویژه در مناطق کویری با تابش مستقیم و پیوسته عملکرد مطلوبی دارند.
معایب: هزینه بالا، نیاز به فضای زیاد و نور مستقیم خورشید. همچنین به دلیل پیچیدگی سیستم‌های مکانیکی و حرارتی، نیاز به نگهداری تخصصی‌تری دارند.
نتیجه‌گیری
با توجه به شرایط اقلیمی و فنی، هر نوع نیروگاه خورشیدی می‌تواند انتخاب مناسبی باشد. در مناطق گرم و خشک، CSP راندمان بالاتری دارد و در مناطق با تابش پراکنده، سیستم‌های فتوولتائیک مناسب‌ترند. سیاست‌های دولتی، میزان سرمایه‌گذاری اولیه، فضای موجود و نوع مصرف نیز در انتخاب نوع سیستم تأثیرگذار هستند. آینده انرژی خورشیدی، با توسعه فناوری‌های نوین و کاهش هزینه‌ها، بسیار روشن و امیدوارکننده است و نقش مهمی در گذار به سمت انرژی پاک ایفا خواهد کرد.