انرژی خورشیدی چیست و چگونه به زمین می‌رسد؟

سلول‌های خورشیدی، وسایلی برای تبدیل انرژی خورشید تابیده شده به زمین هستند. قبل از اینکه به بررسی مکانیزم عملکرد سلول‌های خورشیدی بپردازیم، لازم است کمی در رابطه با ماهیت و شرایط انرژی خورشیدی و امواج رسیده از خورشید به سطح زمین اطلاعاتی کسب کنیم. در این مقاله، با هم مروری بر ویژگی‌های آنچه از خورشید به زمین می‌رسد، خواهیم داشت.

انرژی خورشید و راه‌های انتقال آن به زمین

همان‌طور که می‌دانید، یکی از راه‌های انتقال انرژی حرارتی، تابش است. یک جسم با دمای معین، می‌تواند انرژی خود را از طریق تابش به سایر اجسام منتقل کند. به عنوان مثال، گرم شدن بیش از حد فضای اطراف یک لامپ پر مصرف به همین دلیل است. یا  بخاری‌های برقی که با استفاده از یک المنت، موجب گرم شدن محیط اطراف می‌شوند، گرما را از طریق مکانیزم تابش به اطراف منتقل می‌کنند.

خورشید کره‌ای متشکل از گازهای داغ است. انرژی خورشید با واکنش‌های هم‌جوشی هسته‌ای رخ داده در مرکز آن ایجاد می‌شود. تخمین زده می‌شود که دمای مرکز خورشید در حدود 20 میلیون درجه باشد. بر اساس آنچه در درس فیزیک مطالعه کرده‌اید، گرما همیشه از جسم گرم‌تر به جسم سردتر منتقل می‌شود. در فضای منظومه شمسی، خورشید جسم گرم‌تر محسوب می‌شود و فضای پیرامون آن جسم سردتر؛ لذا حرارت از خورشید به محیط اطراف آن منتقل می‌شود. به موجب این امر دمای سطح خورشید به حوالی 6000 درجه سانتی­گراد می‌رسد. در واقع سطح خورشید در تعادل با فضای سردتر اطراف آن است و بنابراین دمای کمتری خواهد داشت. انرژی حرارتی خورشید، از طریق تابش امواج الکترومغناطیسی منتشر می‌شوند. طبق قوانین فیزیک، میزان انرژی حرارتی تابیده شده از خورشید بر واحد زمان، متناسب با توان چهارم دمای آن است. بنابراین خورشید مقدار بسیار زیادی تابش الکترومغناطیس دارد. مقدار توان تابیده شده از سطح خورشید برابر با 10²³ × 3.83 وات یا به عبارتی دیگر 383000000000000000000000000  وات !!!! است. تصویری از خورشید که واکنش‌های هم‌جوشی هسته‌ای در آن در حال رخ دادن است، در شکل 1 نشان داده شده است. هم‌جوشی هسته‌ای یکی از انواع واکنش‌های هسته‌ای که می‌تواند انرژی بسیار زیادی تولید کند.

شکل1- تصویری از خورشید و اثرات فرآیندهای هم‌جوشی رخ داده در آن

همانگونه که گفته شد، انرژی حرارتی جسم داغی مانند خورشید، از طریق امواج الکترومغناطیسی (مانند نور مرئی و یا امواج فرابنفش) منتقل می‌شود. هر موج الکترومغناطیس مشخصه‌های مخصوص به خود را دارد. یکی از مهمترین ویژگی‌های یک موج، طول موج آن است. همان‌طور که می‌دانید، طول موج عبارتست از فاصله بین دو قله متوالی موج. طبق آنچه در فیزیک خوانده‌اید، هر چه انرژی یک موج بیشتر باشد، طول موج آن کمتر خواهد بود. امواج تولید شده در سطح خورشید، از طریق تابش، انرژی خورشید را به سایر اجسام و کره­های اطراف آن منتقل می‌کنند. این امواج الکترومغناطیسی سرعت بسیار زیادی (برابر با سرعت نور) دارند. این امواج بر خلاف امواج صوتی یا اکوستیک، می‌توانند در خلاء نیز منتشر شوند. در نور خورشید گستره‌ای از امواج الکترومغناطیس در نواحی فرابنفش، مرئی و فروسرخ وجود دارد. برای مثال، اگر در نقطه‌ای خاص به مساحت یک متر مربع از زمین میزان انرژی کل رسیده از خورشید 1004w  در هر متر مربع باشد، 527w  آن فرو سرخ، 445w  آن مرئی و 32w  آن فرابنفش است.

 پارامترهای مؤثر بر طیف نور خورشید

در صورتی‌که از تغییرات ناشی از گردش زمین به دور خورشید در مدار خاص آن صرف‌نظر کنیم، نشان داده شده است که میزان توان تابشی خارج از اتمسفر زمین، که با D0 نشان داده می‌شود، برابر با 1.353kW/m2 است. این پارامتر به عنوان ثابت خورشیدی شناخته می‌شود. به‌عبارت دیگر، ثابت خورشیدی، مقدار میانگین نور خورشید در بالای اتمسفر زمین است.

گفته می‌شود که میزان انرژی رسیده به سطح زمین، حداقل %15 کمتر از انرژی خورشیدی موجود در بالای اتمسفر است. جزئی از این میزان تابش، در حین عبور از اتمسفر زمین و قبل از رسیدن به سطح زمین، پراکنده و یا جذب می‌شود.

شکل 2 – نحوه توزیع انرژی خورشید رسیده به بالای جو زمین

همانگونه که اشاره شد، میزان انرژی تابیده شده از خورشید به ازای هر طول موج، مقدار متفاوتی است. برای مثال این میزان برای طول موج‌های محدوده مرئی (تقریبا بین 500 تا 750nm) بسیار بیشتر از محدوده بین طول موج‌های 1500 تا 1750nm است. علاوه بر این، میزان انرژی تابیده شده از خورشید (در سطح خورشید) با میزان انرژی رسیده از خورشید به بالای اتمسفر زمین و همچنین با میزان انرژی رسیده از خورشید به سطح دریاها نیز متفاوت است. همانگونه که گفته شد، مولکول‌های موجود در اتمسفر زمین می‌توانند بخش‌هایی از نور خورشید را جذب نمایند. به منظور بررسی دقیق‌تر، تمام این تفاوت‌ها را می‌توان با استفاده از یک نمودار به نام «طیف توزیع انرژی خورشید» نشان داد. شکل 3 طیف توزیع انرژی خورشید را نشان می‌دهد. محور عمودی این نمودار توان بر واحد سطح به ازای طول موج و محور افقی این نمودار نشان‌دهنده طول موج است. همان‌طور که می‌دانید انرژی هر موج را می‌توان برحسب طول موج آن بیان کرد. در این شکل، طول موج‌هایی که برخی ترکیبات موجود در اتمسفر باعث جذب نور خورشید و افت آن می‌شوند، نشان داده شده است. برای مثال، در طول موج حدود 750nm، عامل افت شدت نور خورشید، ترکیب O2 است. در شرایط جوی مختلف، نوع این ترکیبات و میزان هریک در اتمسفر متفاوت خواهد بود. همچنین وجود ابر و سایر پدیده‌های آب و هوایی نیز می‌تواند در تغییر طیف خورشید رسیده به زمین اثرگذار باشد. همچنین بسته به اینکه در چه ساعتی از شبانه روز هستیم، ممکن است بیشترین شدت طیف خورشید یا کمترین آن (یعنی صفر در شب!) را داشته باشیم.

در رابطه با میزان نور خورشید رسیده به زمین، عبارتی تحت عنوان AM وجود دارد که مخفف کلمه Air Mass و یا جرم هوا است و بیانگر زاویه تابشی خورشید به زمین است و به نوعی میزان انرژی تابیده شده به زمین را بیان می‌کند. مقدار AM0، بیان کننده میزان تابش رسیده به جسم خارج از جو زمین است که برای ماهواره‌هایی که خارج جو زمین هستند، کاربرد دارد. مقدار AM1 بیان کننده میزان تابشی است که به صورت عمودی بر زمین می‌تابد و عبارت AM1.5 میزان استاندارد تابش است که در عمل 1.5 برابر AM1 است. نشان داده می‌شود که شرایط تابشی AM1.5 در حالتی رخ می‌دهد که زاویه تابش خورشید با محور عمودی زمین 8.41o باشد.

 شکل3- طیف توزیع انرژی خورشید

برای تحقیقات، توسعه و بازاریابی سلول‌های خورشیدی، یک طیف استاندارد مورد نیاز است. زیرا طیف واقعی رسیده به زمین به دلیل پارامترهای مختلفی چون آب و هوا، تغییرات فصل، زمان روز و موقعیت تغییر می‌کند. داشتن یک طیف استاندارد، خواص اندازه‌گیری شده در سلول‌های مختلف را با یکدیگر قابل مقایسه می‌کند و امکان داوری بین نتایج گروه‌های مختلف تحقیقاتی را فراهم می‌سازد؛ زیرا همه سلول‌ها، تحت شرایط یکسان تابشی قرار می‌گیرند. به‌همین دلیل، برای فتوولتائیک‌های سطح زمین، شرایط استاندارد جهانی AM1.5 به‌صورت قراردادی مورد توافق قرار گرفته است. در شرایط آزمایشگاهی و تحقیقاتی، شبیه‌سازهای انرژی خورشیدی وجود دارند که با استفاده از لامپ‌هایی که توسط فیلترهای مشخص، خروجی کنترل شده دارند، این شرایط تابشی را ایجاد می کنند.

در این مقاله، مروری بر انرژی خورشیدی، مکانیزم تولید و راه‌های انتقال آن داشتیم. همچنین طیف خورشید را در شرایط مختلف بررسی کرده و عوامل مهم اثرگذار بر روی شدت نور خورشید را مطالعه نمودیم. در نهایت مبنایی را برای قابل مقایسه شدن تحقیقات صورت گرفته بر روی سلول‌های خورشیدی معرفی کردیم. این معیار بیانگر یک شدت معین از طیف خورشید در شرایط استاندارد است.