پنل‌های خورشیدی از ماهواره‌های دهه 50 تا خانه‌ها

پنل‌های خورشیدی به سرعت جزئی از وسایل خانه‌ها شدند، اما یک زمانی آنها تنها در حد یک خواسته‌ی دور از دسترس بودند.

چگونه استفاده از انرژی خورشیدی در ماهواره ها به ارزان ترین منبع تامین برق تبدیل شد؟

آیا چیزی در مورد مسیر آن وجود دارد که نشان دهد این پنل‌ها از کجا آمده‌اند و به کجا می روند؟

برای بررسی پاسخ این پرسش های جذاب، به سراغ جان پرلین، فردی که کتاب «تاریخچه انرژی خورشیدی» را نوشته است، رفتیم. تاریخچه ای که با عبوراز آن در برخی پیچ و تاب های غیر منتظره قرار گرفتیم.

در دنیای رقابتی امروز، بازاریابی و فروش به عنوان موتور محرکه کسب‌وکارها شناخته می‌شوند. این دو حوزه به عنوان پلی بین محصولات و خدمات و مشتریان نهایی عمل می‌کنند. با این حال، بسیاری از کسب‌وکارها در این مراحل با چالش‌هایی مواجه می‌شوند که می‌تواند مانعی برای رشد و موفقیت آن‌ها باشد.

پنل‌های خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟

بیایید با اصول فتوولتائیک شروع کنیم. این موضوع زمینه مفیدی برای توضیح چگونگی تکامل تکنولوژی در طول زمان است.

اساسا، برق جریان الکترون‌ها است. بعضی از مولکول ها در مقایسه با حالت پایدارشان، الکترون هایی را از دست داده‌اند. مولکول های دیگر الکترون های زیادی دارند. با انرژی کافی، الکترون ها می توانند از یک مولکول با تعداد زیاد به مولکول دیگری با تعداد کم بروند. این حرکت الکترون ها می تواند به یک جریان الکتریکی تبدیل شود.

پنل های خورشیدی این کار را با داشتن یک ویفر سیلیکونی با تعداد زیادی الکترون به نام N-type (به دلیل اینکه الکترون ها بار منفی وارد می‌کنند) با قرار گرفتن در بالای دیگری با تعداد کمی(P-type ) به دلیل اینکه به طور موثر مثبت شارژ شده است، انجام می‌دهد. هنگامی که نور خورشید به لایه نوع N برخورد می‌کند، پنل می‌تواند انرژی کافی را جذب کند تا الکترون اضافی را جابجا کند. در ابتدا، آن الکترون ها مستقیما به نوع P می روند تا هر حفره ای را که در دسترس است پر کنند، اما این شکاف ها خیلی سریع پر می‌شوند. این جا یک منطقه خالی را در جایی که دو لایه به هم می‌رسند، باقی می گذارد. حفره های الکترونی نزدیک به هم پر شده اند و دیگر الکترون‌های زیادی نمی‌توانند به راحتی از آن عبور کنند.

خوشبختانه يک راه ديگر هم وجود دارد. این مسیر، تمام وسایل ما را به انرژی می‌رساند. در این مسیر نوار های خازنی نازک در امتداد بالای لایه نوع N اعمال می شوند تا الکترون ها را به این مسیر بفرستد.

پس از اینکه از لایه سیلیکونی بالایی خارج شد، یک الکترون از طریق یک اینورتر می رود که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل کند تا توسط دستگاه های روزمره قابل استفاده باشد. سپس الکترون از هر چیزی که به برق نیاز دارد عبور می‌کند.

بعد از اینکه الکترون کارش را انجام داد، وقتی به لایه پایین سیلیکون برمی گردد، مدار کامل می‌شود. در خارج از ناحیه‌ی کاهشی، لایه ی نوع P هنوز تعداد کمی الکترون دارد و در انتهای دیگر آماده دریافت آن است. ممکن است همه چیز در آنجا به پایان برسد و الکترون ها سرانجام، خانه خود را پیدا کنند. اما لایه نوع N یک پنل خورشیدی، به اندازه کافی نازک است تا نور بتواند به لایه نوع P برسد، الکترون‌ها را از آنجا جابجا کند و آنها را به سطح بالاتری برگرداند تا دوباره از کل فرآیند عبور کند.

اگر می خواهید در مورد این موضوع اطلاعات جامع‌تری به دست آورید، ما در این مقاله توضیح مفصل‌تری را در مورد نحوه کار پنل‌های خورشیدی برای شما آورده‌ایم.

شروعی چالش برانگیز!

اولین پنل خورشیدی فتوولتائیک ثبت شده در سال 1884 توسط «چارلز فریتس» در شهر نیویورک نصب شد. این پنل بر اساس کار فیزیکدان فرانسوی «ادموند بکورل» ساخته شد، کسی که تنها چند سال پیش اولین سلول خورشیدی را ساخته بود. پنل فریتس خیلی کارآمد نبود، فقط 1 درصد از انرژی خورشیدی را به عنوان برق جذب می‌کرد. مخترعی دیگر «جورج کاو، GOERGE COVE»، روش متفاوتی را اتخاذ کرد. به جای استفاده از نور خورشید، ماشینش از گرمای خورشید برای تولید جریان الکتریکی استفاده می‌کرد. این مفهوم در آن زمان جدید نبود، اما این نظریه هنوز هم امروزه توسط ژنراتورهای گرمای الکتریکی استفاده می‌شود. به نظر مي‌آمد که “کاو” آزمايشگاه “فريتس” را تصاحب کرد، اما اين کار کوتاه مدت بود و با بحث و مجادله همراه شد.پس از سرمایه گذاری خارجی قابل توجهی در شرکت انرژی خورشیدی خود، کاو توسط سرمایه داران آمریکایی ربوده شد تا او را مجبور به متوقف کردن کار خود کنند. این اتفاق ممکن است ارتباطی با این ادعا داشته باشد که می‌گفتند، پنل خورشیدی او در واقع با تقلب فقط انرژی را از شبکه برق می‌کشیده است نه اینکه خودش آن را تولید کند. بعضی‌ها هم فکر می‌کردند که کاو اصلاً ربوده نشده و فقط دنبال تبليغات بوده است. به همان اندازه هم ممکن است کار رقبای عصبانی او باشد که کسب و کارشان به انرژی سوخت فسیلی وابسته بود.در هر صورت، تا سال ۱۹۱۱ و افزایش تولید زغال سنگ و نفت، وعده این پنل های خورشیدی اولیه را برای نسل آینده به جا گذاشت.

انیشتين همه چيز را تغيير مي‌دهد!

انیشتین، با ورودش همه‌ی دانسته‌های ما را برهم ریخت. قبل از ورود او به طور کلی پذیرفته شده بود که نور به عنوان یک موج عمل می کند. به عنوان مثال، نوری که از دو منبع مختلف می‌آید، به یکدیگر بازنمی گردد، همانطور که اگر نور یک ذره باشد، چنین خواهد بود. نور از هر دو منبع مثل یک موج از میان یکدیگر عبور می‌کنند.اما انیشتین توانست ثابت کند که نور هم به عنوان یک ذره و هم به عنوان یک موج عمل می کند. او این کار را با مشاهده واکنش فلز به نور در طول موج‌های مشخص انجام داد. به طور خلاصه، او نشان داد که برخی از انواع نور دارای ویژگی های ذره ای کافی هستند تا الکترون‌های فلزات را از جای خود خارج کنند‌.

پیامدهای آن برای پنل‌های خورشیدی بسیار بزرگ موثر بود. انیشتین نشان داد که طول موج‌های کوتاه تر، انرژی بیشتری دارند. با این حال، این طول موج کوتاه تر به عمق مواد نفوذ نمی‌کرد. این به این معنی بود که پنل‌های خورشیدی باید عناصر فعال‌تر خود را (مانند جایی که لایه نوع P و لایه نوع N با هم برخورد می‌کنند) نزدیک تر به سطح داشته باشند تا ذرات نوری( فوتون ها) بتوانند الکترون‌ها را در آن تقاطع از بین ببرند. در این‌جا پتانسیل بهبود بهره وری، دوباره علاقه به تکنولوژی خورشیدی را در افراد برانگیخت.

ارتقاء سیلیکون

نوید پنل‌های خورشیدی در دنیای مخابرات دوباره ظهور کرد. در دهه ۱۹۵۰، آزمایشگاه‌های «بل» وظیفه پیدا کردن یک جایگزین برای باتری‌های سلول خشک را داشتند که در آب و هوای گرمسیری تخریب می‌شد و خدمات تلفن بین راهی را تحت تاثیر قرار می‌داد. محقق اصلی، «داریل چاپین» شروع به بررسی انرژی خورشیدی به عنوان یک راه حل کرد.کلمه “دوپینگ” دقیقاً یک مفهوم مثبتی ندارد، اما یک پیشرفت مهم در فن آوری پنل خورشیدی بود. در آن زمان، نیمه هادی‌های پنل خورشیدی نسبتاً محدود بودند، عنصر سلنیوم مورد استفاده قرار می گرفت، ولی هنوز به اندازه کافی کارآمد نبود که عملی باشد. پس از برخی آزمایشات، آزمایشگاه‌های بل کشف کردند که وارد کردن ناخالصی به سیلیکون، به طور قابل توجهی عملکرد آن را به عنوان یک نیمه هادی بهبود می‌بخشد.مشخص شد که اضافه کردن (یا دوپینگ کردن) سیلیکون با فسفربه لایه‌ی بالایی، الکترون‌های بیشتری را به مخلوط اضافه می‌کند. به همین ترتیب، اضافه کردن بور به لایه پایین، حفره‌های الکترونی بیشتری برای پر کردن اضافه می‌کرد. این تفاوت بیشتر در بارها باعث افزایش جریان الکترون بین دو لایه در جایی که با هم برخورد می کنند شد. با بهره وری 6 درصدی، پنل‌های خورشیدی در نهایت برای استفاده در دنیای واقعی آماده شدند.

مسابقه فضایی

خب، شايد يه کم خارج از اين دنيا! در اين مرحله، شوروي‌ها و آمريکايي‌ها در مسابقه ي فضايي محبوس شده بودند. ماهواره ها پرتاب شده بودند، اما عمرشان به خاطر باتری‌هایی که با آن ها پرتاب می شدند، به چند هفته محدود شده بود. دولت ایالات متحده مشتاق بود که راه حل هایی را تأمین مالی کند تا با آن‌ها در جنگ سرد پیشی بگیرد. يک فرد که قبلا نازي بود، هانس زيگلر، تحت حمايت عمليات پيپر کلیپ(عملیات گیره کاغذ) به آمريکا آمده بود. “پیپرکلیپ” یک برنامه مخفی آمریکایی بود که هدفش جلب دانشمندان آلمانی پس از جنگ جهانی دوم و در عین حال فرار از ممنوعیت‌های داخلی برای مهاجران نازی بود.طنز کل این ماجرای تاریخی این است که سلول خورشیدی را به عنوان چیزی غیرعادی در نظر بگیرید. در واقع توسط مجتمع صنعتی نظامی در آمریکا به وجود آمده است.زیگلر به دنبال معرفی سلول‌های خورشیدی به ماهواره ها بود. علیرغم شک و تردید داخلی، اولین آزمایش زیگلر در ماهواره وانگارد 1 در سال 1958 تصویب و پرتاب شد. اگرچه برنامه ریزی شده بود که این ماموریت ۹۰ روز طول بکشد، اما به لطف پنل‌های خورشیدی اش توانست برای بیش از شش سال با زمین ارتباط برقرار کند. وانگارد 1 در واقع هنوز هم در مدار وجود دارد. این مورد برای انرژی خورشیدی ساخته شد، و به سرعت تبدیل به استاندارد برای تمام ماهواره‌های پرتاب شده در آینده شد.

شرط‌بندی شرکت‌های بزرگ نفت روی انرژی خورشیدی

اکسون به عنوان دشمن بزرگ جنبش آب و هوایی شهرت دارد، به همین دلیل است که وقتی پرلین به ما گفت که اکسون اولین عرضه تجاری پنل‌های خورشیدی زمینی را به کار گرفته است، بسیار خبر شگفت انگیزی بود.اِکسون تعداد زیادی حفاری در ساحل و عملیات‌های از راه دور دیگری داشت که به انرژی نیاز داشتند. بسیاری از آنها به باتری‌های اولیه متکی بودند که بسیار گران و غیرقابل شارژ بودند. سلول‌ها گاهی اوقات وقتی که از کار می‌افتادند در اقیانوس ریخته می شدند. در یک نقطه، تعدادی از این زباله‌های الکترونیکی به سواحل هیوستون رسیدند، که این اتفاق برخی از مردم را عصبانی کرد.در پی این اختلاف نظر، اکسون به دنبال گزینه‌های جایگزین بود. محقق «الیوت برمن» به طور گسترده ای انرژی خورشیدی را ترویج میداد، و پس از کار با Exxon در مورد کشف این فرصت، او انتخاب شد تا شرکت تابعه خورشیدی Exxon، Solar Power Corporation را اداره کند. در اینجا، برمن روشی عالی برای کاهش هزینه ها ایجاد کرد. ر سیلیکون از ذوب کوارتز (ماسه) به یک شمش بزرگ و سپس تراشیدن ویفر از روی آن ساخته می‌شد. این فرآیند یک ساختار اتمی تک کریستالی ایجاد کرد که در تولید انرژی خورشیدی کارآمد بود، اما گزینه دیگری نیز وجود داشت.برمن ميخواست از پنل‌هاي خورشيدي که براي سفرهاي فضايي مناسب نبود استفاده کند و سیلیکون پلی کریستالی را با ترکیب قطعات سیلیکون تولید کند. او توانست از سیلیکون صنعت الکترونیک استفاده کند. نتیجه پلی کریستالی به اندازه پنل‌های خورشیدی تک کریستالی به دلیل رشد کریستال، کارآمد نبود، اما ساخت آنها حدود پنج برابر ارزان تر بود.با استفاده موفقیت آمیز از انرژی خورشیدی در فضا و کاهش هزینه‌ها به لطف کار برمن، اکسون شروع به آزمایش پنل های خورشیدی در سیستم عامل‌های خود کرد. البته، انرژی خورشیدی خیلی خوب کار می کرد. خیلی طولی نکشید که صنایع دیگر متوجه شوند و شروع به استفاده از انرژی خورشیدی برای سایر عملیات‌های از راه دور کنند.

استقلال انرژی آمریکا

نقش نفت در توسعه انرژی خورشیدی هنوز تمام نشده بود. کاهش جهانی عرضه نفت توسط اوپک در سال 1973 باعث شد که ایالات متحده به دنبال راه هایی برای کاهش وابستگی به بازار بی ثبات خاورمیانه باشد. در حالی که اکسون فعالانه برای تنوع بخشیدن به این احتمال که نمی توان در تجارت نفت باقی ماند کار می کرد، انرژی خورشیدی اولویت چندم دولت بود.با وجود تمام مطبوعاتی که جیمی کارتر برای نصب آبگرمکن خورشیدی در بالای کاخ سفید دریافت کرد، او هنوز سابقه ای به عنوان یک مهندس هسته ای داشت. در حالی که او انرژی خورشیدی را در کنار صرفه جویی انرژی به عنوان وسیله ای برای استقلال انرژی ترویج می داد، سیاست های او به شدت به انرژی هسته ای و زغال سنگ کمک می کرد. کارتر حتی درخواست های ارتش برای استفاده از انرژی خورشیدی را برای نیازهای عملیات از راه دور خود رد کرد. آزمایشگاه های بل در دهه 50 با مشکلات مشابهی روبرو شدند چون برنامه ی “اتم برای صلح” ایزنهاور، انرژی هسته ای را به عنوان راه آینده ترویج داد. آمریکا در نهایت ذخایر نفت داخلی بیشتری را پیدا کرد و در طول دهه 80 مازاد قابل توجهی داشت.

چین وارد عمل می‌شود

تا این نقطه، آمریکا خود را به عنوان مرکز توسعه پنل‌های خورشیدی تاسیس کرده بود. به هر حال، آمریکایی‌ها پیشگام تحقیقات اولیه بودند، تکنولوژی را به فضا بردند، و برای استقلال قدرت فشار آوردند. اما حالا همه چي تغيير می‌کند. ارائه دهندگان خدمات مخابراتی استرالیایی در زمینه ارائه خدمات در مناطق روستایی قانونگذاری شده بودند، و با همان مشکلاتی مواجه شدند که آزمایشگاه های بل زمانی با آن مواجه بودند. بخش هاي زيادي از استراليا هوا بیار گرم است و استفاده از گاز يا باتري براي انتقال برج‌ها به مناطق دور افتاده اصلاً امکان پذیر نيست.این مشکل باعث سرمایه گذاری روی راه حل ها شد. از جمله توسعه نهایی سلول خروجی یا PERC) ) توسط مارتین گرین در دانشگاه نیو ساوت ولز. از همه مهم‌تر، این امر جذب گرما از پنل‌های خورشیدی را کاهش داد تا بتوانند در دمای بالا به کار خود ادامه دهند. همچنین این مزیت را داشت که نور را به داخل سیلیکون بازتاب می داد تا فرصتی دیگر برای جذب داشته باشد. این اتفاق، کارایی را تا 25 درصد افزایش داد. امروزه حدود ۹۰ درصد از پنل‌های خورشیدی از سلول های PERC استفاده می کنند.فاجعه زمانی اتفاق افتاد که تنها دولت چین علاقه ای به انرژی خورشیدی نشان داد. آنچه که در ابتدا به عنوان یک اختراع آمریکایی با سلول خورشیدی بل آغاز شد، اکنون چین 80٪ یا 90٪ از مواد خورشیدی در جهان را تولید می کند. (جان پرلین)با وجود نیاز داخلی، چشم انداز سیاسی برای پیشرفت تکنولوژی گرین مناسب نبود. مانند آمریکا، استرالیا منافع خود را در سوخت های فسیلی، به طور فعال در برابر فتوولتاییک می‌دید. یکی از دانشجویان دکترا گرین، شی ژنگ رونگ، تکنولوژی جدید PERC را به چین برد و سرمایه کافی برای شروع تولید سلول‌های خورشیدی در سال 2002 به عنوان یک تولید کننده به نام Suntech جمع آوری کرد. علاوه بر حل نیازهای برق مخابراتی استرالیا، بیشتر پنل ها به آلمان می رفتند تا از انگیزه های بزرگ دولت برای تولید انرژی تجدید پذیر استفاده کنند.بسیاری از سرمایه گذاران Suntech از طریق تماس گرین با کارشناسان فنی آمریکایی ارتباط گرفتند. این تماس ها در نهایت منجر به تبدیل شدن سانتک به اولین شرکت خصوصی مستقر در چین شد که در بورس اوراق بهادار نیویورک لیست شد. این علاقه به حدی افزایش یافت که چندین تولید کننده انرژی خورشیدی چینی دیگر به میدان آمدند. در نتیجه رقابت شدید بین آنها باعث کاهش قیمت‌ها شد.حتی با پول آمریکا و حمایت دولت چین، بحران مالی سال ۲۰۰۸ این قیمت های پایین را برای برخی از افراد غیرقابل تحمل کرد. با این حال، بسیاری از این تولید کنندگان بزرگ پنل‌های خورشیدی چینی موفق به تأمین سرمایه گذاری آمریکایی شدند و به سرعت به تولید انبوه رسیدند تا از بحران مالی جان سالم به در ببرند و در نهایت قیمت‌های پایین تاریخی انرژی خورشیدی را حفظ کنند. پنل خورشیدی در وانگارد 1 100 دلار برای هر وات هزینه داشت، اما امروز کمتر از 3 دلار برای هر وات است.

آینده پنل‌های خورشیدی

پنل‌های خورشیدی ممکن است به نظر برسد که پنل‌های خورشیدی فقط چند سال است که در همه جا ظاهر شده اند، اما آنها بیش از یک قرن است که به سمت این لحظه در زیر نور خورشید حرکت می کنند. تئوری اولیه فتوولتائیک راه را برای کشف انیشتین از نور به عنوان یک موج و ذره هموار کرد. آزمایشگاه بل تئوری را به واقعیت تبدیل کرد، که باعث شد پنل‌های خورشیدی به فضا فرستاده شوند و به نوبه خود به اکسون ثابت کرد که آن (و پس از آن صنایع دیگر) می توانند از انرژی خورشیدی برای عملیات از راه دور استفاده کنند. در حالی که آمریکا بیشتر به سمت سوخت‌های فسیلی حرکت کرد، چین زمین باروری برای سرمایه گذاران و محققان بود تا تولید پنل‌های خورشیدی را در مقیاس بزرگ آغاز کند و قیمت ها را پایین بیاورد.اکنون نصب پنل خورشیدی در سراسر ایالات متحده با سرعتی بی سابقه در حال افزایش است. پرلین به مراحل بعدی خوش بین است. به طوری که در یک چشم انداز آرمان شهر می‌توان هرسقف را با یک پنل خورشیدی در نظر گرفت. بنابراین در حالی که ممکن است همه ما هر روز به سیلیکونی نگاه نکنیم و آن را ندیده باشیم، اما این شانس وجود دارد که آن با قدرت در پشت صحنه‌ی زندگی مدرن وجود داشته باشد.شما می‌توانید برای خواندن مطالب به روز و علمی بیشتر، سایت نمابازار را دنبال کنید. با تشکر از همراهی شما.