بررسی امکان توسعه کاربرد انرژی خورشیدی در منازل مسکونی

ما اگر می‌خواهیم میزان دی‌اکسید کربن‌ اتمسفر را در حد ثابتی نگه داریم، باید تا سال 2050 در حدود 15 تراوات انرژی قابل مصرف از منابع تجدیدپذیر تولید کنیم. از لحاظ میزان انرژی تجدیدپذیر در دسترس، انرژی خورشیدی بیشترین پتانسیل را برای برآورده کردن نیازهای ما دارد.

ریچارد پرز، یکی از محققان ارشد مرکز تحقیقات علوم اتمسفری SUNY-Albany اعتقاد دارد که انرژی خورشیدی احتمالا تنها منبع انرژی تجدیدپذیر است که هم از نظر ابعاد و میزان دسترسی و هم از نظر اقتصادی توانایی برآورده کردن نیازهای جهان آینده را دارد.  پرز این سخن را بر مبنای تحقیقاتی بیان می‌کند که در زمینه‌‌ی زمین‌گرمایی، انرژی بادی و سایر منابع تجدیدپذیر، انرژی هسته‌ای و البته تمامی اشکال انرژی فسیلی انجام شده است.

پس بااینکه انرژی بادی، هیدروالکتریک و زمین‌گرمایی به‌خوبی می‌توانند به‌عنوان منابع انرژی در سطح محلی یا ناحیه‌ای نیازهای مناطق خاصی را برآورده کنند؛ اما امروزه از میان منابع انرژی تجدیدپذیر تنها انرژی خورشیدی است که این قابلیت را دارد تا در سطح وسیع‌تری تولید انرژی کند. در واقع انرژی خورشیدی و انرژی هسته‌ای دو منبع اصلی تأمین انرژی برای تمدن بشری در آینده خواهند بود.

به‌طور میانگین، میزان انرژی رسیده از خورشید به زمین در حدود 175 وات در هر متر مربع است. اگر فرض کنیم که تنها 10 درصد این میزان انرژی به الکتریسیته تبدیل شود، در این صورت برای تأمین برق مورد نیاز ایالات متحده باید 2 درصد مساحت این کشور با سلول‌های خورشیدی پوشیده شود؛ یعنی در حدود مساحت داکوتای شمالی. از آنجایی که این مساحت در حدود 30 برابر میزان مساحت سقف تمام‌ خانه‌ها‌ی این کشور است، بنابراین برای تأمین انرژی شبکه باید نیروگاه‌های خورشیدی بزرگی ساخته شود.

با این حال نباید از امتیازات نصب پنل‌های خورشیدی در سقف خانه‌ها چشم‌پوشی کرد. اگر شما صاحب خانه هستید، احتمالا می‌توانید با نصب سلول خورشیدی در سقف خانه‌تان، وابستگی خود به شبکه‌ی برق برای تأمین انرژی خانه‌تان را کاهش دهید یا حتی الکتریسیته‌ی تولیدی در خانه‌ی خود را وارد مدار سراسری کنید. به این ترتیب نه‌تنها ممکن است هزینه‌های جاری خود را کاهش دهید، بلکه حتی می‌توانید درآمدزایی داشته باشید.

با توجه به تغییرات اخیر در کاخ سفید و تغییر نگرش حکمرانان آمریکا، احتمال استقبال از طرح‌های بزرگ انرژی خورشیدی بعید به نظر می‌رسد؛ اما سازمان‌های خصوصی، کسب‌ و کارهای کوچک و حتی شهروندان می‌توانند به استقبال استفاده از این انرژی بروند. به‌منظور دست‌یابی به تصویر بهتری از میزان استفاده‌ی اشخاص از سلول‌های خورشیدی خانگی در ایالات متحده، شرکت‌های مختلفی در مورد امکان استفاده از این انرژی و مباحث اقتصادی مربوط به آن و البته در مورد تجارب افرادی که خانه‌ی خود را به یک نیروگاه کوچک تولید برق تبدیل کرده‌اند، تحقیقاتی انجام داده‌اند. طبق یافته‌های آن‌ها، شما حتی اگر در زیرزمین زندگی کنید، ممکن است بتوانید از منافع انرژی خورشیدی استفاده کنید.

خیلی از ما در دوران کودکی با ماشین‌حساب‌ و ساعت‌ خورشیدی سر و کار داشته‌ایم؛ حتی شاید بعضی از ما کیت‌های علمی مجهز به موتور الکتریکی مختلفی داشته‌ایم که متصل به یک سلول خورشیدی به‌اندازه‌ی کف دست بودند. تولید برق از نور واقعا جادویی به نظر می‌رسد. چرا نباید دنیا را با این جادو اداره کنیم؟

یکی از مهم‌ترین و قدیمی‌ترین موانع استفاده از انرژی خورشیدی برای روشن کردن تمدن‌های بشری میزان بهره‌وری پایین سلول‌های خورشیدی و هزینه‌ی بالای استفاده از آن‌ها بوده است؛ راندمان آن‌ها، یا به‌طور دقیق‌تر راندمان تبدیل فتوولتاییک، عبارت است از نسبت میزان انرژی الکتریکی تولیدشده توسط سلول خورشیدی به میزان کل انرژی خورشیدی رسیده به آن.

سلول‌های خورشیدی تاریخچه‌ای طولانی دارند. اولین سلول‌ خورشیدی در سال 1883 توسط چارلز فریتز ساخته شد. او باور داشت که سلول‌های خورشیدی‌اش می‌توانند شبکه‌ی برق رو به گسترش توماس ادیسون را که انرژی خود را از سوزاندن زغال‌سنگ به دست می‌آوردند، به چالش بکشند؛ اما سلول‌هایی خورشیدی او راندمان یک‌درصدی داشتند و به این خاطر رؤیای بزرگ او هیچ‌گاه محقق نشد.

در سال 1954 آزمایشگاه بل (Bell) نمونه‌ای از سلول‌های خورشیدی را در دسترس عموم قرار داد که به یک چرخ فِریس (Ferris wheel) و فرستنده‌ی رادیویی متصل بود. میزان راندمان این وسیله 6 درصد بود که نسبت به سلول‌های خورشیدی پیشین پیشرفت قابل‌ ملاحظه‌ای تلقی می‌شد. در واقع وسیله‌ی مذکور یک «پنل» واقعی بود که در آن چند سلول واحد با اتصال به هم، یک باتری خورشیدی را تشکیل می‌دادند؛ با این حال هزینه‌ی ساخت این دستگاه بالا بود و برای استفاده‌ی گسترده مناسب نبود. در هر صورت، روزنامه‌ی نیویورک‌تایمز تحت تأثیر قرار گرفت و در مورد آن نوشت:

این وسیله شاید آغاز یک عصر جدید باشد که در نهایت به تحقق یکی از بزرگ‌ترین رؤیاهای انسانی منجر شود؛ رؤیای مهار کردن منبع بی‌پایان انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای تمدن بشری.

در دهه‌های 50 و 60 میلادی تحقیق روی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی ادامه یافت. سلول‌های کوچک در این برهه در برخی از اسباب‌بازی‌ها و وسایل مصرفی دیگر ظاهر شدند. در میانه‌ی دهه‌ی 60 راندمان سلول‌های خورشیدی دو برابر شد؛ اما هزینه‌ها همچنان بالا بود، به‌خصوص که در آن زمان الکتریسیته‌ی تولیدشده توسط سوخت‌های فسیلی ارزان بود. استفاده از سلول خورشیدی یک واتی می‌توانست قیمت یک آداپتور را به 300 دلار برساند، در حالی که نیروگاه‌های تولید برق به ازای هر وات 50 سنت هزینه در پی داشتند.

در هر صورت، در پایان این دهه، ارزش سلول‌های خورشیدی به‌عنوان یک منبع باارزش انرژی برای ماهواره‌های ابتدایی آن زمان به همگان ثابت شده بود. نیروی دریایی ایالات متحده در ابتدا نسبت به سلول‌های خورشیدی بدبین بود؛ اما پس از این‌که باتری‌های معمولی اولین ماهواره‌ی قرارگرفته در مدار پس از چند روز از کار افتادند، درحالی‌که آرایه‌ی خورشیدی نصب‌شده در ماهواره توانست انرژی آن را برای سال‌ها تأمین کند، نگرش نیروی دریایی این کشور به استفاده از فناوری یادشده تغییر کرد.

سلول‌های خورشیدی با تکنولوژی بالا که در ماهواره‌ها و فضاپیما‌ها نصب می‌شدند، تنها بخش ناچیزی از هزینه‌ی کلی این سیستم‌ها‌ی پرهزینه را تشکیل می‌دادند. همچنین به علت هزینه‌ی نسبتا پایین سوخت و انرژی الکتریسیته‌ی تولیدشده در آن زمان، هیچ‌گونه نیازی برای کاهش هزینه‌ها احساس نمی‌شد. در اوایل دهه‌ی 70، سلول‌های خورشیدی ساخته‌شده با مواد ارزا‌ن‌تر باعث شد هزینه‌ی تولید هر وات انرژی توسط سلول‌های خورشیدی کاهش یابد و به رقم 20 دلار برسد. این موضوع به همراه بحران انرژی ایجادشده در سال 1973 باعث شد ضرورت استفاده از سلول‌های خورشیدی به‌منظور تأمین انرژی مصارف زمینی احساس شود.

با این حال تکنولوژی سلول‌های خورشیدی نتوانست خود را با نیازها وفق دهد. میزان راندمان در حدود 10 درصد باقی مانده بود و از طرف دیگر هزینه‌ی تولید این انرژی همچنان بسیار بالا بود. امروزه میزان اقبال به انرژی خورشیدی، هم در حوزه‌ی خانگی و هم در حوزه‌های وسیع‌ دیگر شتاب گرفته است. این موضوع می‌تواند چند علت داشته باشد: کاهش شدید هزینه‌ی تولید انرژی با این روش، افزایش میزان راندمان سلول‌های خورشیدی، افزایش ضوابط محدودکننده و مالیات در حوزه‌های آسیب‌رسان به محیط زیست، افزایش آگاهی و نگرانی نسبت به تغییرات اقلیمی و نو‌آوری‌های بزرگ کارآفرینی.

این موج افزایش تقاضای انرژی خورشیدی با گسترش تصاعدی استفاده از این انرژی در بیست سال گذشته همراه بوده است. در حداقل 30 کشور، از جمله در بخش‌هایی از مناطق ایالات متحده، انرژی الکتریکی تولیدشده توسط پنل‌های خورشیدی نصب‌شده در سقف منازل، از انرژی خریداری‌شده از شبکه‌ی برق سراسری ارزان‌تر است، البته در این مقایسه یارانه‌های دولتی که به پنل‌های خورشیدی اختصاص یافته، در نظر گرفته نشده است.

فاکتور مؤثر دیگر در افزایش اقبال به انرژی خورشیدی این است که بعضی از شرکت‌های فعال در این زمینه، محصولات دیگری را به غیر از پنل‌های مرسوم خورشیدی به فروش می‌رسانند. بعضی از کمپانی‌ها پنل‌های خورشیدی به شکل کاشی عرضه می‌کنند که باعث زیبایی بیشتر سقف خانه می‌شود. شرکتی دیگر دست به فروش خانه‌های کوچک پیش‌ساخته زده است که هدف از طراحی آن‌ها جذب طیف‌های خاصی از مشتریان عنوان شده است. میزان دی‌اکسید کربن تولید‌شده توسط این خانه‌ها بسیار کم است و البته در ساخت آن‌ها از پنل‌های خورشیدی استفاده شده است. بعضی از این محصولات با قابلیت «مستقل بودن از شبکه‌ی برق» به فروش می‌رسند.

ایلان ماسک، کارآفرین و نوآور برجسته‌ی آمریکایی، اخیرا اعلام کرده است که بدون در نظر گرفتن قابلیت تولید الکتریسیته، نصب «سقف خورشیدی» او نسبت به نصب سقف‌های معمولی هزینه‌ی کمتری دارد. چنین موضوعی باعث می‌شود که استفاده از پنل‌های خورشیدی سقفی به یک گزینه‌ی جدیی برای ساختمان‌سازی تبدیل شود.

البته صاحبان خانه به استفاده از سقف خانه برای نصب سلول‌های خورشیدی محدود نیستند؛ آن‌‌ها می‌توانند پنل‌های خورشیدی را در سقف سایه‌بان‌ها و سازه‌های خانگی دیگر استفاده کنند. همچنین تأسیسات سلول‌‌های خورشیدی را می‌توان در حیاط‌های پشتی و فضاهای باز نصب کرد.

با این‌که امروزه تمرکز و تأکید زیادی بر انرژی خورشیدی خانگی می‌شود؛ اما باید به رشد زیاد تأسیسات خورشیدی سایز متوسط نیز اشاره کرد. این تأسیسات نسبت به پنل‌های خورشیدی خانگی بزرگ‌تر هستند، درحالی‌که نسبت به نیروگاه‌های خورشیدی بسیار کوچک‌ترند. هم‌اکنون در مناطق حومه‌ی مری‌لند و ویرجیانا، گاهی اوقات به‌جای مزارع ذرت یا علفزار، مزارع خورشیدی به چشم دیده می‌شود. محبوبیت این «مزارع خورشیدی» در بین جوامع کوچک در حال افزایش است. افراد یک ناحیه می‌توانند از طریق این مزارع برق مورد نیاز خود را تأمین کنند، بدون این‌که تک‌تک آن‌ها مجبور باشند در سقف خانه‌ی خود پنل خورشیدی نصب کنند.

ما اکنون در سطح تازه‌ای از مهار انرژی رایگان و تمام‌نشدنی خورشیدی قرار داریم. این‌که امروزه به‌جای ذرت، مردم حومه‌ی شهر به تولید برق از مزارع خورشیدی مبادرت می‌کنند، بسیار دلگرم‌کننده است.