انواع نیروگاه های خورشیدی؛ راهنمای گام به گام

انرژی خورشیدی امروز به عنوان یکی از ارکان اصلی توسعه پایدار و امنیت انرژی جهان شناخته می‌شود. این منبع پاک و تجدیدپذیر، نه‌ تنها راهکاری مؤثر برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی است، بلکه در مقابله با تغییرات اقلیمی نیز نقش حیاتی دارد. برای درک بهتر با گیتا انرژی همراه باشید تا با انواع نیروگاه‌ خورشیدی آشنا شوید.

به‌طور کلی، سه فناوری اصلی در این حوزه وجود دارد: سیستم‌های فتوولتائیک (PV) که با استفاده از صفحات خورشیدی، نور خورشید را به صورت مستقیم به برق تبدیل می‌کنند؛ سیستم‌های حرارتی متمرکز (CSP) که با تمرکز انرژی خورشید، بخار تولید کرده و از طریق توربین‌های حرارتی برق تولید می‌کنند؛ و در نهایت سیستم‌های هیبریدی (PVT) که ترکیبی از دو روش پیشین بوده و هم‌زمان برق و حرارت تولید می‌کنند.

در سال‌های اخیر، فناوری فتوولتائیک به دلیل کاهش چشمگیر هزینه‌های نصب و نگهداری، بیشترین سهم را در بازار جهانی انرژی خورشیدی به خود اختصاص داده است؛ به‌گونه‌ای که میانگین هزینه سطح‌بندی‌شده انرژی (LCOE) برای این فناوری در سال ۲۰۲۴ حدود ۰.۰۴۳ دلار به ازای هر کیلووات ساعت برآورد شده است. از سوی دیگر، فناوری CSP با قابلیت ذخیره‌سازی حرارتی و تولید برق در شب، به گزینه‌ای قابل اعتماد برای تأمین بار پایه شبکه تبدیل شده و هزینه تولید آن نسبت به سال‌های گذشته تا ۴۶ درصد کاهش یافته است. در همین حال، فناوری‌های پیشرفته PVT با راندمان کلی تا ۸۵ درصد و افزایش طول عمر پنل‌ها تا ۵۰ سال، به‌عنوان نسل آینده نیروگاه‌های خورشیدی شناخته می‌شوند و مسیر تحول صنعت انرژی پاک را هموار کرده‌اند.

طبقه‌ بندی راهبردی انواع نیروگاه های خورشیدی

نیروگاه های فتوولتائیک (PV)

نیروگاه‌های فتوولتائیک بر مبنای اثر فوتوالکتریک عمل می‌کنند و نور خورشید را مستقیما به جریان الکتریکی تبدیل می‌نمایند. این سیستم‌ها اغلب به صورت متصل به شبکه (Grid-Tied) اجرا می‌شوند.  اگر به دنبال استفاده بهینه از انرژی خورشید هستید، بد نیست بدانید که سیستم‌های خورشیدی فقط برای تأمین برق مصرفی نیستند، بلکه می‌توانند به منبعی پایدار برای درآمدزایی از برق تولیدی نیز تبدیل شوند. با نصب پنل‌های خورشیدی و اتصال آن‌ها به شبکه برق، می‌توانید انرژی مازاد تولیدی را به شرکت برق بفروشید و ماهانه سود دریافت کنید. برای آشنایی کامل با روش‌های مختلف کسب درآمد از انرژی خورشید، پیشنهاد می‌کنیم مقاله جامع درآمدزایی از پنل خورشیدی را مطالعه کنید.

مکانیسم و اجزای سیستم فتوولتائیک در انواع نیروگاه خورشیدی

سیستم‌های فتوولتائیک متصل به شبکه (On-grid PV Systems) یکی از رایج‌ترین و کارآمدترین انواع نیروگاه خورشیدی هستند. این سیستم‌ها با تبدیل مستقیم نور خورشید به جریان الکتریکی، بدون هیچ‌گونه آلودگی یا انتشار گازهای گلخانه‌ای، برق مورد نیاز منازل، ادارات و صنایع را تأمین می‌کنند. عملکرد این سیستم بر پایه‌ی سلول‌های خورشیدی نیمه‌هادی است که هنگام تابش نور، الکترون‌ها را به حرکت درآورده و برق مستقیم (DC) تولید می‌کنند.

اجزای اصلی یک سیستم PV شامل پنل خورشیدی برای جذب انرژی، اینورتر برای تبدیل برق DC به AC قابل مصرف، تابلو برق و تجهیزات حفاظتی، و در صورت نیاز سیستم مانیتورینگ برای کنترل عملکرد لحظه‌ای است. در سیستم‌های متصل به شبکه، انرژی مازاد تولیدی می‌تواند به شبکه سراسری تزریق شده و حتی برای مالک درآمدزا باشد.

از نظر اقتصادی نیز، کاهش مداوم قیمت پنل‌ها در دهه اخیر باعث شده است که نصب نیروگاه‌های خورشیدی خانگی و صنعتی به یکی از سرمایه‌گذاری‌های سودآور و کم‌هزینه تبدیل شود. این سیستم‌ها نیاز بسیار کمی به تعمیر و نگهداری دارند و با تولید برق در ساعات اوج مصرف، به پایداری شبکه و کاهش هزینه انرژی کمک می‌کنند.

یاد بگیر چطور از انرژی خورشید درآمد بسازی!
همین حالا در دوره آموزش پنل خورشیدی گیتا انرژی ثبت‌ نام کن.

مقایسه نسل‌های مختلف سلول‌ PV

تکنولوژی فتوولتائیک (PV) در طول سال‌های اخیر پیشرفت قابل‌توجهی داشته و بر اساس نوع ساختار سلول، به چند نسل اصلی تقسیم می‌شود. رایج‌ترین و پرکاربردترین آن‌ها سلول‌های مبتنی بر سیلیکون کریستالی هستند که شامل دو گروه اصلی زیر است:

 سلول‌های مونوکریستال (Mono-Si):

• ساخته‌شده از سیلیکون خالص با ساختار یکنواخت

• بالاترین راندمان تبدیل انرژی در بین پنل‌های تجاری

• تولید تا چهار برابر انرژی بیشتر نسبت به پنل‌های فیلم نازک

• طول عمر متوسط: حدود ۲۵ سال

• مناسب برای فضاهای محدود به‌دلیل ابعاد کوچک و توان خروجی بالا

• فرآیند تولید پرهزینه‌تر (روش چوکرالسکی) به‌دلیل اتلاف بخشی از سیلیکون خالص

 سلول های فیلم نازک (Thin Film):

• دارای ساخت ساده‌تر و هزینه تولید پایین‌تر نسبت به سلول‌های سیلیکونی

• مقاومت حرارتی بالا؛ افت راندمان کمتر در دماهای بالا یا سایه

• راندمان کمتر در مقایسه با مونوکریستال‌ها

• مناسب برای پروژه‌های بزرگ با فضای آزاد زیاد یا بودجه محدود

• ظاهر یکنواخت و قابل استفاده در کاربردهای معماری و زیبایی‌شناسانه

فناوری های فراتر از سیلیکون

برای شکستن محدودیت راندمان نظری سلول‌های سیلیکونی (کمتر از ۳۰٪)، فناوری‌های نسل جدیدی مانند سلول‌های تاندم پروسکایت-سیلیکون (Perovskite-on-Silicon Tandem) در حال توسعه هستند. این فناوری رکورد جدید راندمان تبدیل تجاری ۲۵٪ را برای پنل‌های خورشیدی به ثبت رسانده است، که افزایش قابل توجهی نسبت به راندمان معمول ۲۱ تا ۲۳٪ ماژول‌های تجاری است. راندمان نظری سلول‌های تاندم می‌تواند به بیش از ۴۳٪ برسد.

افزایش راندمان از ۲۱٪ به ۲۵٪، اگرچه در ظاهر اندک به نظر می‌رسد، اما تأثیر تحول‌آفرینی بر اقتصاد پروژه دارد. این امر مساحت مورد نیاز برای تولید مقدار مشخصی برق را کاهش می‌دهد، که مستقیماً منجر به کاهش هزینه‌های توازن سیستم (BOS) و هزینه‌های مربوط به زمین می‌شود. این امر به نوبه خود، LCOE را کاهش داده و جذب انرژی خورشیدی را در مناطق با قیمت بالای زمین یا فضای محدود، به شدت تسهیل می‌کند.

نیروگاه های حرارتی خورشیدی متمرکز (CSP)

نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی متمرکز (CSP) بر تبدیل حرارت خورشید به انرژی مکانیکی متکی هستند و مزیت راهبردی ذخیره‌سازی حرارتی برای تولید برق پیوسته را دارند.

اصول عملکرد سیکل ترمودینامیکی در CSP

در سیستم‌های حرارتی خورشیدی، از سیکل ترمودینامیکی بسته رانکین استفاده می‌شود که در آن سیال در گردش (معمولاً آب) ضمن طی کردن سیکل، تغییر فاز می‌دهد. این سیال توسط حرارت متمرکز شده به بخار پَستافته در دیگ بخار تبدیل شده و سپس برای چرخاندن توربین و تولید برق به کار می‌رود. راهکارهای مهندسی برای افزایش بازده سیکل رانکین شامل افزایش دما و فشار بخار ورودی به توربین و کاهش فشار سیال خروجی از توربین است.

انواع رایج نیروگاه‌های CSP

انواع اصلی نیروگاه‌های CSP بر اساس نوع متمرکزکننده و گیرنده حرارت شامل موارد زیر است:

• سیستم کلکتور سهموی خطی (Parabolic Trough): این نیروگاه‌ها دارای ردیف‌های موازی و طولانی از متمرکزکننده‌هایی هستند که از آینه‌های شیشه‌ای سهموی شکل تشکیل شده‌اند. این سطوح انعکاسی نور را بر روی لوله‌های جاذب که در خط کانونی قرار دارند، متمرکز می‌کنند. این لوله‌های جاذب برای کاهش اتلاف انرژی با شیشه پیرکس پوشانده می‌شوند.
• نیروگاه دریافت‌کننده مرکزی (Central Receiver/Power Tower): در این پیکربندی، هلیوستات‌ها (آینه‌های ردیاب) نور خورشید را روی یک برج مرکزی متمرکز می‌کنند. برج‌های نیرو با نمک مذاب بیشترین پتانسیل را برای کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری و LCOE در نسل‌های آینده (Gen3) CSP نشان داده‌اند و به عنوان فناوری پیشرو شناخته می‌شوند.
• سیستم‌های دودکش خورشیدی (Solar Chimney): این فناوری که در حال تحقیق و توسعه است ، بر اساس اختلاف فشار ناشی از اختلاف دما عمل می‌کند. هوا در زیر یک سقف شفاف (کلکتور خورشیدی) گرم می‌شود و به سمت برج عمودی حرکت می‌کند، این حرکت مکشی باعث چرخش توربین‌ها و تولید برق می‌شود. با این حال، هزینه اولیه ساخت این نیروگاه‌ها در حال حاضر بسیار بالا است (حدود ۳۵۰۰ دلار بر کیلووات)، اما با پیشرفت فناوری، امید به استفاده بیشتر از آن‌ها در آینده وجود دارد. برای بهره‌برداری ۲۴ ساعته از دودکش خورشیدی، از ذخیره‌سازی حرارتی غیرفعال، مانند لوله‌های پر شده از آب در زیر سقف، استفاده می‌شود تا گرمای جذب شده در روز در شب آزاد شود.

مزیت استراتژیک ذخیره‌سازی حرارتی

برخلاف نیروگاه‌های PV که متناوب هستند و برای تأمین برق پس از غروب خورشید نیازمند باتری‌های خارجی گران‌قیمت هستند، نیروگاه‌های CSP از قابلیت ذخیره‌سازی حرارتی داخلی بهره می‌برند. این قابلیت با استفاده از موادی مانند نمک مذاب، امکان تولید برق در طول شب یا در زمان‌های اوج مصرف شبکه را فراهم می‌کند. این قابلیت دیسپچ‌پذیری، به CSP اجازه می‌دهد تا نقشی حیاتی در پایداری شبکه و تأمین بار پایه ایفا کند، که یک مزیت راهبردی مهم در مقابل PV متغیر محسوب می‌شود.

فناوری های ترکیبی و کاربردهای تخصصی خورشیدی

در این بخش با انواع نیروگاه های خورشیدی و فناوری های ترکیب شده با آن، نام خواهیم برد. برای دستیابی به بیشترین راندمان در تولید برق، آشنایی با زاویه پنل خورشیدی و نحوه تنظیم صحیح آن بر اساس موقعیت جغرافیایی بسیار ضروری است.

سیستم‌های فتوولتائیک حرارتی (PVT)

سیستم PVT یک فناوری هیبریدی است که تولید برق PV و جمع‌آوری حرارت خورشیدی را ترکیب می‌کند. در پانل‌های PVT، سلول‌های فتوولتائیک در بالای یک کلکتور حرارتی قرار گرفته و گرمای اضافی با عبور آب یا سیال دیگر از کلکتور، حذف می‌شود.

این فناوری هیبریدی، راندمان استفاده عمومی از نور خورشید را از حدود ۲۰٪ (برای PV ساده) به ۸۰ تا ۸۵ درصد بهبود می‌بخشد. خنک‌سازی فعال سلول‌های PV از طریق حذف گرما، نه تنها عملکرد لحظه‌ای تولید برق را بهبود می‌بخشد (با گزارش ۲۰ درصد خروجی سالانه بیشتر برق) بلکه طول عمر پنل PV را از ۳۰ سال به ۵۰ سال افزایش می‌دهد. علی‌رغم افزایش تا ۲۵ درصدی هزینه تولید نسبت به PV ساده، پانل‌های هیبریدی می‌توانند تا چهار برابر انرژی (برق و حرارت) بیشتری از سطح مشابه تولید کنند. این ترکیب تولیدی در مناطق سردسیر که بیش از ۵۲ درصد از کل انرژی مصرفی صرف گرمایش می‌شود، بالاترین ارزش اقتصادی را در طول عمر پروژه ارائه می‌دهد.

آب شیرین‌کن‌ خورشیدی (Solar Desalination)

آب شیرین‌کن‌های خورشیدی با استفاده از انرژی تجدیدپذیر خورشید، آب شور را شیرین می‌کنند و در صنایع باتری‌سازی، بیمارستان‌ها، آزمایشگاه‌ها و مکان‌های دور از شبکه کاربرد دارند.

• طبقه‌بندی ساختاری: این سیستم‌ها به دو نوع فعال (Active) و غیرفعال (Passive) تقسیم می‌شوند. سیستم‌های غیرفعال (Solar Still) مستقیماً از گرمای خورشید برای تبخیر و میعان استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها طراحی ساده و ارزانی دارند، اما تولید آب شیرین در آن‌ها بسیار کم است. سیستم‌های فعال از منابع خارجی مانند گرمای CSP یا برق PV برای فرآیندهای تبخیر حرارتی یا پمپ‌های اسمز معکوس استفاده می‌کنند.
• چالش‌های اقتصادی: بهای آب شیرین تولیدی در آب شیرین‌کن‌های خورشیدی (به ویژه انواع حرارتی کوچک) معمولاً بالاتر از واحدهای اسمز معکوس متکی بر نیروگاه‌های حرارتی است. با این حال، مزیت راهبردی این سیستم‌ها در کاهش گازهای گلخانه‌ای و امکان استقرار در مکان‌های خارج از دسترس شبکه‌های توزیع برق است، که آن‌ها را به گزینه‌ای جدی برای تحقق توسعه پایدار و امنیت آبی در مناطق خشک تبدیل می‌کند.

تحلیل اقتصاد مهندسی و مقایسه هزینه سطح‌بندی‌شده (LCOE)

LCOE (Levelized Cost of Energy) به عنوان متریک استاندارد صنعتی، امکان مقایسه هزینه‌های تولید برق را در طول عمر پروژه فراهم می‌کند. پارامترهای اصلی ورودی شامل هزینه‌های سرمایه‌گذاری (CAPEX)، راندمان، بازده انرژی و نرخ تنزیل است.

مقایسه PV و CSP بر اساس LCOE (داده‌های جهانی ۲۰۲۴)

تحلیل روندهای جهانی نشان می‌دهد که انرژی‌های تجدیدپذیر همچنان رقابتی‌ترین منابع تولید برق جدید هستند.

• روند PV: متوسط وزنی جهانی LCOE برای فتوولتائیک در سال ۲۰۲۴ در حدود 0.043 دلار به ازای هر کیلووات ساعت تثبیت شده است.
• روند CSP: در یک تحول مهم، LCOE برای نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی متمرکز (CSP) کاهش شدید ۴۶ درصدی را در سال ۲۰۲۴ تجربه کرده است.

این کاهش چشمگیر در هزینه‌های CSP نشان‌دهنده بلوغ و پیشرفت این فناوری، به ویژه برج‌های نیرو با نمک مذاب است. این روند منجر به همگرایی هزینه بین CSP و PV شده است. در حالی که PV دارای کمترین CAPEX است، CSP به دلیل قابلیت دیسپچ‌پذیری داخلی (که PV را نیازمند ذخیره‌سازهای باتری گران‌قیمت می‌کند)، به سرعت در حال تبدیل شدن به یک گزینه کاملاً رقابتی برای تولید برق ثابت است.

مقایسه در برابر نیروگاه‌های فسیلی (مطالعه موردی اقتصاد ملی)

تحلیل هزینه نیروگاه‌های خورشیدی در مقایسه با گزینه‌های فسیلی نشان‌دهنده برتری اقتصادی خورشید است، زمانی که هزینه‌های سوخت و نگهداری بلندمدت در نظر گرفته شود. در یک مقایسه اقتصادی، هزینه کل نصب ۱۰۰۰ مگاوات پنل خورشیدی حدود ۶۰۰۰ میلیارد تومان برآورد شد. این رقم در مقابل هزینه احداث ۱۶۰۰ مگاوات نیروگاه سیکل ترکیبی (شامل شبکه مورد نیاز) به علاوه هزینه سالانه سوخت (۸۵۰ میلیارد تومان در سال)، که در مجموع بالغ بر ۶۴۵۰ میلیارد تومان می‌شود، ارزان‌تر است. این تحلیل نشان می‌دهد که از منظر اقتصاد ملی، مولد خورشیدی در همان سال نخست ارزان‌تر از گزینه حرارتی است.

چشم‌انداز آینده و توصیه راهبردی انواع نیروگاه خورشیدی

برای آینده انواع نیروگاه خورشیدی می توان توصیه های مفیدی کرد که میزان سرمایه شما را حفظ و افزایش دهد.

آینده فناوری‌های پربازده

آینده تولید برق خورشیدی به طور فزاینده‌ای به فناوری‌های نسل بعدی متکی است. سلول‌های تاندم پروسکایت-سیلیکون با پتانسیل راندمان نظری بالای ۴۳٪، به دلیل افزایش چشمگیر بازدهی، نیاز به مساحت زمین را کاهش داده و به کاهش هرچه بیشتر LCOE در مقیاس‌های بزرگ کمک خواهند کرد. این تحول، سرعت پذیرش انرژی پاک را در سطح جهانی افزایش خواهد داد.

تکامل شبکه و نقش CSP

در شبکه‌های آینده که حجم زیادی از انرژی‌های متغیر (VRE) مانند باد و PV در آن‌ها نفوذ می‌کند، نیروگاه‌های CSP به دلیل ماهیت دیسپچ‌پذیر و ذخیره‌سازی حرارتی داخلی، به یک عنصر ضروری برای پایداری، مدیریت بار و ارائه خدمات جانبی به شبکه تبدیل خواهند شد.

توصیه نهایی