اینجا..بدون..توقف

منتظرسری های بعدی در ایام عید نوروز باشید

سلول خورشیدی یکی از عباراتی است که بسیار آن را می شنویم و همیشه به عنوان یکی از راه حل های دنیای آینده برای تامین انرژی روی آن تاکید می شود. اما در قدم اول لازم نیست آن را چیز چندان پیچیده ای بدانیم. حتما شما ماشین حساب های با سلول خورشیدی را دیده اید. ابزارهایی که هیچ گاه به باتری و چیزهایی مانند این نیازی پیدا نمی کنند و دکمه خاموش و روشن هم ندارند. تا زمانی هم که نور کافی در محیط باشد، آنها برای همیشه به کار خود ادامه می دهند. شاید هم پنل های بزرگتر خورشیدی را دیده باشید. مثلا روی علائم و تابلوهای جاده ای و چراغ های سه رنگ راهنمایی سر چهارراه ها.

اگر چه این پنل های بزرگتر در دور اطراف ما همانند ماشین حساب های خورشیدی زیاد نیستند و عمومیت ندارند، اما اگر بدانید کجا دنبال آنها بگردید، به راحتی می توانید یکی از آنها را ببینید. در حقیقت ابزارهای فتو ولتائیک که زمانی منحصرا در فضا و برای تامین نیروی سیستم های الکتریکی ماهواره ها مورد استفاده قرار می گرفتند (از سال 1958) روز به روز استفاده های معمولی و ساده تری پیدا می کنند. تکنولوژی همیشه راه خود را به ابزارهای بیشتری باز می کند، از عینک های افتابی گرفته تا ایستگاه های شارژ ماشین های الکتریکی. 

و اکنون چند دهه است که انسان با امید به یک «انقلاب خورشیدی» و ایده اینکه روزی ما خواهیم توانست تمام انرژی الکتریسیته مان را از خورشید تهیه کنیم، زندگی می کند. این یک وعده اغوا کننده است، زیرا در یک روز روشن و آفتابی، امواج خورشید تقریبا 1000 وات برمتر مربع انرژی را روی سطح زمین رها می کنند. اگر روزی بتوانیم تمام این انرژی را جمع آوری و مهار کنیم، نیروی لازم برای تمام خانه ها و ادارات ما به طور رایگان تامین خواهد شد. 

در این مقاله قصد داریم به توضیح چگونگی تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته توسط سلولهای خورشیدی بپردازیم. پس در ادامه مطلب با نارنجی همراه باشید.

سلول های فتو ولتائیک: تبدیل فتون ها به الکترون ها

سلول های خورشیدی که در ماشین حساب ها و ماهواره ها می بینید، با نام سلول های photovoltaic یا «قدرت زای نوری» هم شناخته می شوند. این نام از آنجا نشات گرفته که photo به معنی نور و voltaic به معنی الکتریسیته است، این سلول ها قرار است که نور خورشید را مستقیما تبدیل به الکتریسیته کنند. یک ماژول از گروهی سلول های متصل الکتریکی تشکیل شده و در یک فریم قرار گرفته است که بیشتر به عنوان یک پنل خورشیدی شناخته می شود. این پنل ها در گروه های بزرگ آرایه های خورشیدی در کنار یکدیگر قرار می گیرند و همگی همانند یک جسم واحد عمل می کنند. 

سلول های فتو ولتائیک از مواد ویژه ای ساخته شده اند که آنها را semiconductor یا نیمه رسانا می نامیم. از این مواد می توان به سیلیکون اشاره کرد که اکنون بسیار پرکاربرد است. در اصل هنگامی که نور با سلول برخورد می کند، مقدار مشخصی از آن توسط مواد نیمه رسانا جذب می شود. این یعنی انرژی جذب شده از نور به نیمه رسانا منتقل می شود. انرژی به الکترون های سست ضربه می زند و اجازه می دهد که آنها آزاد شده و به گردش در آیند. 

سلول های فتو ولتائیک همچنین دارای یک میدان الکتریکی هستند که به عنوان یک اجبار برای الکترون های آزاد شده توسط نور جذب شده عمل می کند و آنها را در جهت معینی به جریان می اندازد. این گردش الکترون ها یک جریان ایجاد می کند و با قرار دادن اتصال های فلزی در پایین و بالای سلول فتو ولتائیک می توانیم این جریان را برای مصارف مختلف بیرون بکشیم. این جریان، به همراه ولتاژ درون سلول ها (که در نتیجه میدان یا میدان های الکتریکی درونی سلول ایجاد می شود) قدرت یا ولتاژ تولیدی توسط یک سلول خورشیدی را تعریف می کنند. 

این فرآیند اساسی است که در یک سلول خورشیدی اتفاق می افتد، اما واقعیت بسیار پیچیده تر و بیشتر از آن است. در ادامه به شکل دقیق تر و عمیق تر نگاهی به یک سلول فتو ولتائیک می اندازیم: یک سلول سیلیکونی تک-کریستال.

چگونه سیلیکون تبدیل به سلول خورشیدی می شود؟

سیلیکون برخی خصوصیات شیمیایی ویژه و منحصر به فرد دارد. به ویژه اینکه در حالت کریستالی باشد. یک اتم سیلیکون 14 لکترون دارد که در سه پوسته مختلف مرتب شده اند. دو لایه اول که دو و هشت الکترون دارند کاملا پر هستند. لایه یا پوسته بیرونی تنها نیمی از ظرفیتش با چهار الکترون پر شده است. اتم سیلیکون همواره به دنبال راهی است تا لایه آخر خود را کامل کند. و برای انجام این کار الکترون های خود را با چهار اتم کناری اش به اشتراک می گذارد. مانند اینکه هر اتم با اتم های کناری دست به دست هم داده و با چهار همسایه اش متحد شوند. این همان چیزی است که آن را ساختمان متبلور یا کریستالی می خوانند و این ترکیب است که در این نوع از سلول فوتو ولتائیک اهمیت فراوانی پیدا می کند. 

تنها مشکل این است که سیلیکون کریستالی خالص رسانای الکتریسیته ضعیفی است، زیرا بر خلاف مواد رسانایی همچون مس، هیچ یک از الکترون های آن برای انتقال الکتریسیته آزاد نیستند. برای حل این مشکل، سیلیکون مورد استفاده در سلول خورشیدی با برخی اتم های دیگر ترکیب شده و ناخالصی موجود کمی شیوه کار اتم های سیلیکون را تغییر می دهد. سیلیکون را با تعداد کمی اتم های فسفر تصور کنید. شاید یک اتم به ازای هر یک میلیون اتم سیلیکون. فسفر در لایه بیرونی خود بر خلاف 4 الکترون سیلیکون، 5 الکترون دارد. اما هنوز با سیلیکون های همسایه اش باند شده و تشکیل اتحاد می دهد. اما به شکلی منطقی، فسفرها هنوز یک الکترون آزاد دارند که به هیچ جا متصل نیست. و عضو هیچ اتحادی هم نیست. اما در هسته فسفر پروتون مثبتی قرار دارد که آن را در جای خود نگه می دارد. 

هنگامی که انرژی به سیلیکون خالص اضافه می شود، برای مثال به شکل فوتون، باعث می شود که برخی الکترون ها باندها و ارتباطات شان را شکسته و آزاد شوند. و در پس هر یک از این موارد شکست، یک حفره باقی می ماند. این الکترون ها «حاملان آزاد» نامیده می شوند و سپس به صورت تصادفی درون شبکه متبلور و کریستالی سرگردان خواهند بود و به دنبال حفره دیگری هستند تا درون آن افتاده و جریان الکتریکی را هدایت کنند. به هر صورت در سیلیکون خالص تعداد کمی از اینها وجود دارد که نمی توانند چندان مفید باشند. 

اما سیلیکون ناخالص همراه با اتم های فسفر داستان متفاوتی دارد. این ترکیب به انرژی بسیار کمتری نیاز دارد تا یکی از الکترون های اضافی فسفر را از دست دهد. زیرا آنها به جایی وصل نبوده و در اشتراک با دیگر اتم ها نیستند. در نتیجه بسیاری از این الکترون ها به سادگی می شکنند. در نتیجه نسبت به سیلیکون خالص، تعداد بسیار بیشتری حامل آزاد خواهیم داشت. فرآیند اضافه کردن ناخالصی را تغلیظ می نامند و هنگامی که این کار توسط فسفر انجام شود به سیلیکون تولید شده توسط این فرایند N-type می گویند که حرف n از کلمه negative گرفته شده است. زیرا این کار باعث از دست دادن الکترون می شود. سیلیکون تغلیظ شده N-type رسانای بسیار بهتری نسبت به سیلیکون خالص است. 

بخش دیگر سلول های خورشیدی معمول، سیلیکون تغلیظ شده با عنصر بور است. بور در لایه بیرونی خود تنها سه الکترون دارد. در این حالت سیلیکون تولیدی را P-type می نامند که از کلمه Positive گرفته شده است. زیرا این سیلیکون در لایه آخر خود جای خالی برای یک الکترون داشته و با جذب حامل ها بار مثبت پیدا می کند. 

حال بگذارید ببینیم هنگامی که این دو بخش در کنار هم قرار گرفته و به تعامل با هم می پردازند چه اتفاقی می افتد.

آناتومی یک سلول خورشیدی

اکنون می دانیم که دو بخش سیلیکونی ما به صورت مجزا ماهیت و طبیعت الکتریکی دارند. اما بخش جالب ماجرا وقتی شروع می شود که آنها را در کنار هم قرار دهید. زیرا بدون یک میدان الکتریکی، سلول کار نمی کند. و این میدان هنگامی شکل می گیرد که سیلیکون های P-type و N-type در ارتباط با هم باشند. ناگهان، الکترون های آزاد تمام حفره های خالی را پر می کنند؟ خیر. اگر چنین اتفاقی بیفتد، دیگر این دم و دستگاه چندان مفید و بدرد بخور نخواهد بود. البته درست در محل اتصال، آنها با هم ترکیب شده و یک سد می سازند. در نتیجه هر لحظه عبور الکترون ها از سمت N و رسیدن آنها به سمت P سخت تر و سخت تر می شود. سرانجام موازنه برقرار می شود. ما یک میدان الکتریکی مجزا در دو سو داریم. 

این میدان الکتریکی همچون یک «دیود» عمل می کند و به الکترون ها اجازه می دهد (و آنها را مجبور می کند) تا از سمت P به سمت N جریان پیدا کنند. اما در خلاف این جریان حرکتی نخواهیم داشت. این درست مانند یک تپه است که الکترون ها می توانند به راحتی از آن پایین بیایند (سمت N) اما امکان بالارفتن از آن را ندارند (سمت P). 

هنگامی که نور به شکل فوتون به سلول خورشیدی برخورد می کند، انرژی آن جفت های الکترون-حفره را از هم می شکند. هر فوتون با انرژی کافی معمولا می تواند یک الکترون را آزاد کند. اگر این اتفاق به اندازه کافی نزدیک به میدان الکتریکی باشد، یا اینکه الکترون و حفره آزاد شده سرگردان باشند، میدان الکتریکی موجود الکترون آزاد شده را به سمت N و حفره را به سمت P می راند. حال اگر یک مسیر جریان خروجی تهیه ببینیم، الکترون ها از سمت P به واحد الکتریکی جریان می یابند و کاری را که ما می خواهیم انجام می دهند. گردش الکترون ها تولید جریان می کند و میدان الکتریکی سلول باعث تولید ولتاژ می گردد. با جریان و ولتاژ، ما نیرو را خواهیم داشت که محصول هر دو است. 

البته هنوز برقی قطعات دیگر باقی مانده اند تا ما واقعا بتوانیم از سلول خورشیدی مان استفاده کنیم. سیلیکون ها مواد بسیار درخشانی هستند که می تواند قبل از اینکه فوتون ها کارشان را انجام دهد باعث بازتاب آنها شوند. 

یک پوشش ضد انعکاس لازم است تا تلفات را به حداقل برساند. مرحله آخر هم نصب چیزی است که از سلول ها در برابر محیط محافظت کند. این محافظ اغلب یک روپوش از طلق شیشه ای است. ماژول های فوتو ولتائیک معمولا از اتصال چندین سلول مجزا به یکدیگر برای دستیابی به سطح قابل قبولی از کاربردپذیری و میزان جریان و ولتاژ ساخته می شوند. و با قرار دادن آنها در یک فریم محکم و قوی به همراه ترمینال های مثبت و منفی داستان را کامل می کنند. 

اکنون این سلول فوتو ولتائیک ما چه میزان انرژی خورشید را جذب می کند؟ متاسفانه شاید این میزان چندان زیاد نباشد. برای مثال در سال 2006 اغلب پنل های خورشیدی تنها بازده 12 تا 18 درصدی داشتند. آنچه که امروزه به عنوان بهترین راندمان سلولهای خورشیدی مطرح می شود و رکوردی برای بازده است، 40 تا 40.7 درصد است.

اتلاف انرژی در یک سلول خورشیدی

نور مرئی تنها بخشی از طیف الکترومغناطیس است. تشعشع الکترومغناطیس تک رنگ نیست و از دامنه ای از طول موج های مختلف تشکیل شده و در نتیجه سطوح انرژی متفاوتی دارد. 

نور را هم می توان به طول موج های گوناگونی تجزیه کرد که ما آن را به شکل رنگین کمان می بینیم. از آنجایی که سلول ما توسط فوتون هایی با دامنه انرژی های متفاوت مورد اصابت قرار می گیرد، لذا برخی از آنها انرژی لازم برای شکست پیوند الکترون-حفره را ندارند. آنها به سادگی از درون سلول می گذرند، درست انگار که از یک شیشه شفاف عبور کرده اند. در حالی که برخی دیگر از فوتون ها انرژی بسیار زیادی دارند. تنها میزان مشخصی از انرژی، که با الکترون ولت اندازه گیری شده (و میزان لازم برای مواد درون سلول ما هم مشخص است) می تواند بر الکترون های اتم های سیلیکون سلول خورشیدی ما اثر گذارد. ما این را band gap energy می نامیم. اگر فوتونی انرژی بیش از میزان لازم داشته باشد، پس انرژی اضافی هدر می رود. مگر اینکه فوتون انرژی دو برابر میزان مورد نیاز داشته و بتواند به طور همزمان دو الکترون را رها کند که این هم چندان زیاد نیست که معنی دار محسوب شود. به این صورت است که تقریبا 70 درصد انرژی تابشی دریافتی توسط سلول ما در واقع تلف می شود و کارایی ندارد. 

چرا نمی توانیم موادی را انتخاب کنیم که band gap پایینی داشته باشند و از فوتون های بیشتری بهره ببریم؟ متاسفانه band gap ما توسط قدرت یا ولتاژ میدان الکتریکی مان هم محدود شده است و اگر بسیار پایین باشد، جریانی که توسط جذب فوتون های بیشتر تولید می شود، ولتاژ بسیار پایین تری تولید خواهد کرد. و شیوه کار فعلی بهینه ترین حالت ممکن برای تولید ولتاژ و جریان مناسب است. 

ما همچنین تلفات دیگری هم در این میان داریم. الکترون های ما توسط یک مدار بیرونی از یک سوی سلول به سوی دیگر جریان پیدا می کنند. ما می توانیم بخش پایینی را با فلز پوشانده و رسانایی مناسبی را تامین کنیم. اما اگر بخش بالایی را کامل بپوشانیم، آنگاه فوتون ها نمی توانند از درون رسانای مات عبور کنند و ما تمامی جریان را به کلی از دست می دهیم. در برخی از سلول های خورشیدی در بالا از رساناهای شفاف استفاده می شود. اگر هم نقاط تماس مان را در دیواره های سلول قرار دهیم. الکترون ها راه واقعا طولانی را لازم است برای رسیدن به نقاط تماس طی کنند. به خاطر داشته باشید که سیلیکون یک نیمه رسانا است و همانند فلز از پس عبور جریان بر نمی آید. و مقاومت داخلی آن نسبتا بالا است. و مقاومت بالا به معنی اتلاف انرژی بالا است. برای به حداقل رساندن این اتلاف، سلول ها را توسط شبکه فلزی می پوشانند که فاصله سفر الکترون ها تا نقاط تماس را به حداقل می رساند. البته این مورد هم باعث بلوکه شدن برخی فوتون ها می شود که اگرچه خیلی کم نیست، اما از مقاومت داخلی نیمه رساناها بسیار کمتر است. 

اکنون می دانیم که یک سلول خورشیدی چگونه کار می کند. اجازه دهید ببیینیم چگونه می توان انرژی یک خانه را با این تکنولوژی تامین کرد.

تامین انرژی خانه با سلول خورشیدی

برای تامین انرژی خانه مان با انرژی خورشیدی به چه چیزی نیاز داریم؟ اگر چه کار به سادگی نصب چند ماژول بر روی پشت بام خانه نیست. و البته چندان هم متفاوت با آن نیست. 

اول از همه، تمامی پشت بام ها جهت مناسب یا زاویه و شیب لازم برای استفاده کامل از نور خورشید را ندارند. سیستم های فوتو ولتائیک ثابت که امکان رهگیری نور خورشید را ندارد، باید در جهت مناسبی نصب شوند که بیشترین مدت روز و بیشترین مدت سال از نور مستقیم خورشید بهره مند شوند. البته هنگام نصب این نکته هم باید در نظر گرفته شود که شما می خواهید حداکثر برق را در صبح تولید کنید یا هنگام عصر آن را در اختیار داشته باشید. از خانه در زمستان بیشتر استفاده می شود یا تابستانه است. و مطمئنا پنل ها نباید توسط سایه درختان اطراف خانه یا خانه های همسایه ها پوشانده شوند. 

اگر هم پشت بام شما در جهت مناسبی قرار ندارد، اکنون لازم است درباره اندازه سیستم انتخابی تان تصمیم گیری کنید. این موضوع وقتی پیچیده تر می شود که حقایق دیگری را هم در داستان دخالت دهیم. مثلا اینکه تولید الکتریسیته بستگی به آب و هوا هم دارد که اصلا نمی توان آن را پیش بینی کرد. یا اینکه میزان مصرف الکتریسیته شما کاملا متغیر است. 

خوشبختانه این موانع به سادگی قابل حل هستند. اطلاعات هواشناسی به ما امکان سنجش میزان تابش ماهیانه خورشید را می دهند. همچنین دیگر فاکتورهای مهم چون روزهای بارانی، ابری و میزان رطوبت را هم برای مان پیش بینی می کنند. شما باید سیستم را بر اساس بدترین ماه طراحی کنید، پس از آن در تمام سال انرژی کافی و حتی اضافی در اختیار خواهید داشت. با در اختیار داشتن این اطلاعات و دانستن میانگین نیاز خانه تان، به راحتی می توانید محاسبه کنید که به چه تعداد ماژول فوتو ولتائیک نیاز دارید. همچنین باید در خصوص ولتاژ سیستم هم از همان ابتدا تصمیم گیری کنید. این چیزی است که با تعداد ماژولی که به صورت سری به یکدیگر متصل می شوند کنترل می شود. 

البته در این میان مشکلاتی هم وجود دارند. اول از همه، هنگامی که خورشید نمی تابد باید چه کنیم؟

حل مشکلات سیستم تامین نیروی خورشیدی

زندگی کردن بر اساس حدس و گمان های یک هواشناس احتمالا چندان جذاب و خواستنی به نظر نمی رسد. اما شما چند گزینه اصلی دیگر را پیش رو دارید تا هنگامی که خورشید با شما همراهی نمی کند، از تامین انرژی لازم خانه تان اطمینان داشته باشید. اگر می خواهید کاملا ارتباط تان را با شبکه برق قطع کنید، اما به پنل های خورشیدی هم به طور کامل اعتماد ندارید، پس باید یک جانشین هم برای آنها داشته باشید. برای مثال می توانید از یک ژنراتور کوچک (موتور برق خانگی) استفاده کنید تا هنگام کم شدن برق پنل های خورشیدی به کمک تان بیاید. دومین راه حل استفاده از سیستم ذخیره انرژی به شکل باتری است. متاسفانه باتری ها می توانند هزینه و دردسر نگهداری زیادی را به سیستم فوتو ولتائیک وارد کند، اما در حال حاضر آن را می توان یک ضرورت دانست. 

یک راه حل دیگر اتصال خانه به شبکه برق شهری است. هنگامی که برق نیاز دارید، آن را می خرید و هنگامی که برق اضافی تولید می کنید آن را می فروشید. با چنین سیستمی شما در واقع از یک سیستم ذخیره بی انتها بهره می برید که هزینه نگهداری چندانی هم ندارد. البته این موضوع بستگی به قوانین و آیین نامه های دولتی و موقعیت مکانی شما هم دارد. 

در صورتی هم که تصمیم دارید از باتریها استفاده کنید، به خاطر داشته باشید که باتری به نگهداری و سرکشی دائمی و همچنین جایگزینی دوره ای نیاز دارند. پنل های خورشیدی معمولا عمر 30 ساله دارند، اما عمر باتری ها بسیار کمتر است. از سویی هم به دلیل استفاده از الکترولیت های اسیدی باتری ها به تهویه خوب نیاز داشته و باید از فلزات دور نگه داشته شوند.

پیشرفت های تکنولوژی سلول خورشیدی

تا به اینجای کار بیشتر درباره شیوه کارکرد یک سلول خورشیدی یا سیستم فوتو ولتائیک معمولی صحبت کردیم. اما مشکلات و نگرانی ها در زمینه هزینه تمام شده و به صرفه نبودن این سیستم باعث شده که همچنان تحقیقات پایان ناپذیری در خصوص پیدا کردن راه های جدیدی برای مهار انرژی خورشید در جریان باشد تا به آن، امکان رقابت با دیگر منابع انرژی متداول را بدهد. 

برای مثال سیلیکون تک-کریستال تنها ماده مورد استفاده در سلول های فوتو ولتائیک نیست. سیلیکون های پلی کریستال هم محصول دیگری هستند که برای کاهش هزینه تولید، مورد استفاده قرار می گیرند. البته سلول های تولیدی به اندازه سیلیکون تک-کریستال بازده ندارند. دومین نسل تکنولوژی سلول خورشیدی را با نام سلول های خورشیدی فیلم-نازک می شناسیم. در این سلول ها راندمان قربانی شده، اما محصول تولیدی ارزان تر از کار در آمده و ساخت آن آسان تر شده است. و در نتیجه به طور کلی بازده بهتر می شود. این نسل جدید از سلول های خورشیدی را می توان از مواد مختلفی تولید کرد. از این مواد می توان به سیلیکون غیر متبلور، ارسنیک گالیوم، ایندیوم مس و تلوریوم کادمیوم اشاره کرد. 


یک استراتژی دیگر برای افزایش راندامان استفاده از دو یا چند لایه مختلف مواد با band gap های متفاوت است. به یاد دارید که بسته به ساختار، فوتون های با انرژی های مختلف را می توان جذب کرد. لذا با قرار دادن مواد با band gap بالاتر بر روی سطح می توان فوتون های با انرژی بالا را جذب کرد و فوتون های با انرژی کمتر را توسط لایه های پایین تر و مواد با band gap کمتر جذب کرد. این گونه کارایی و راندمان بسیار بهتر خواهد بود. به چنین سلول هایی، سلول چند تقاطعی می گویند. این سلول ها می توانند بیش از یک میدان الکتریکی داشته باشند. 

تکنولوژی فوتو ولتائیک متمرکز یکی دیگر از میادین کاری برای توسعه شیوه دریافت انرژی خورشیدی است. به جای شیوه ساده جمع آوری و تبدیل هر میزان از نور خورشید که به زمین می تابد و تبدیل مستقیم آن به الکتریسیته، در سیستم های فوتو ولتائیک متمرکز، از تجهیزات نوری اضافی همانند لنزها و آیینه ها استفاده می شود تا میزان بیشتری از انرژی خورشید برای راندمان بیشتر بر روی سلول های خورشیدی متمرکز شود. علاوه بر اینکه تولید این سیستم ها گران تر از کار در می آید، آنها برخی مزیت ها هم نسبت به سیستم های مرسوم دارند و همین باعث شده که تحقیقات همچنان بر روی آنها ادامه یابد. 

همه این نسخه های مختلف تکنولوژی سلول های خورشیدی توسط شرکت های مختلفی حمایت شده و آنها محصولات مختلفی را بر این پایه تولید می کنند. از هواپیماهای مجهز به پنل های خورشیدی تا ایستگاه های فضایی مجهز به سلول خورشیدی و کاربردهای روزمره ای چون پرده ها، لباس ها و کیس های کامپیوتر مجهز به سلول های فوتو ولتائیک. و حتی محققان همچنان به دنبال کشفیاتی جدید تر همچون سلول های خورشیدی اورگانیک هستند.

هزینه های انرژی خورشیدی

شاید تا اینجا شما هم ایده استفاده از انرژی خورشیدی را در سرتان پرورانده باشید. درست است که نور خورشید رایگان است، اما الکتریسیته تولیدی توسط سیستم های فوتو ولتائیک این گونه نیست. فاکتورهای زیادی در نصب سیستم های فوتو ولتائیک تاثیر دارند که مهم ترین آنها قیمت است. 

اولین سوال این است که شما در کجا زندگی می کنید. افرادی که در شهرها و مناطق آفتابی زندگی می کنند، مزیت های بیشتری داشته و انرژی بیشتری هم نسبت به مناطق ابری تولید خواهند کرد. البته قیمت تجهیزات اگر چه در مناطق مختلف متفاوت است، اما در همه جا مهم ترین گزینه است. 

اما بگذارید به قیمت بپردازیم. با توجه به قیمت های سال 2009، هزینه راه اندازی پنل های خورشیدی خانگی تقریبا 8 تا 10 دلار به ازای هر وات است. سیستم های بزرگ تر، هزینه بر وات کمتری دارند. اما این را هم باید به خاطر داشت که تقریبا هیچ سیستم انرژی خورشیدی پوشش 100 درصدی را برای تان فراهم نمی آورد. لذا هنوز هم شما باید قبض برق را پرداخت کنید، اما میزان آن بسیار کمتر خواهد شد. 

البته سیستم های خورشیدی هنوز راه درازی دارند تا بتوانند با شرکت های توزیع برق رقابت کنند. اما به لطف تحقیقات و بهبود تکنولوژی قیمت ها دائما کاهش می یابند. و روزی خواهد آمد که سیستم های فوتو ولتائیک از نظر قیمت در مناطق شهری به صرفه خواهند شد. یکی از مشکلات کارخانه ها این است که حجم تولید باید بسیار بالا رود تا هزینه ها به صرفه شود. و فعلا چنین درخواستی برای فوتو ولتائیک وجود ندارد و قیمت هنوز به سطح رقابتی نرسیده است. اما جهان روز به روز بیشتر نگران مشکلات زیست محیطی پیش آمده توسط منابع انرژی معمول می شود و توجه بیشتری به انرژی های تجدید پذیر چون نور خورشید دارد. و در اینده این داستان جدی تر هم می شود.

داستان انرژی خورشیدی در ایران

تحقیقات روی انرژی های تجدید پذیر و به خصوص انرژی خورشید در ایران هم روز به روز جدی تر شده و اکنون به مرحله ای رسیده است که تولید پنل های خورشیدی هم در ایران انجام می شود. و جالب اینکه مراکز مختلفی هم به این کار مشغول هستند. از سوی دیگر، امسال از نظر حمایت دولتی هم یک نقطه عطف برای انرژی خورشیدی در ایران بود. 

طبق آیین نامه ها و قوانین فعلی هر کاربر خانگی در ایران اکنون می تواند از وام های خاص بانکی برای راه اندازی نیروگاه خورشیدی خانگی استفاده کرده و به تولید انرژی مورد نیاز خود بپردازد. و جالب تر اینکه وزارت نیرو، برق مازاد تولیدی را هم با قیمت مناسبی از کاربران خانگی خریداری می کند. اگر چه به عنوان یک درآمد بر روی این کار نمی توان فکر کرد، اما شاید بتواند گوشه ای از هزینه ها را جبران کند.

توییتر حالا بیش از 200 میلیون کاربر دارد و هفته پیش هم 7 ساله هم شده. برای پرداختن به این سایت میکرو بلاگینگ، بد نیست به 7 مورد جالب درباره آن اشاره کنیم. 

  1. توییتر اتفاقی شکل گرفت. در سال 2006، شرکتی بود به نام Odeo که به افراد امکان می داد فایل های صوتی منتشر کنند. به خاطر فقدان رشد و بی رغبتی سرمایه گذاران، این شرکت تغییر مسیر داد و تصمیم گرفت یک هکاتون برگزار کند. این مسابقه ی طوفان فکری منجر شد به تولد توییتر. 

  2. توییتر در یک زمین بازی ساخته شد. دام ساگولا که یکی از اعضای گروه موسس بود می گوید که همگی به بالای سرسره ای در یک زمین بازی که در محله South Park سان فرانسیسکو بود رفتند و جک دورسی همانجا این مفهوم را مطرح کرد که "آدم اصلاً به ایده ها فکر نکند، فقط بنویسدشان." آن لحظه تبدیل شد به ایده اصلی یک شرکت چند میلیارد دلاری. 

  3. اولین توییت ها. وقتی توییتر آغاز به کار کرد، توییت اول همه یک متن خودکار بود: «Just setting up my twttr» که اولین آن را جک دورسی در 21 مارس 2006 ارسال کرد. آن توییت تا حالا بیش از 8900 ریتوییت شده. 

  4. ترین ها. خواننده پاپ امریکایی جاستین بیبر با 36 میلیون دنبال کننده، پر طرفدار ترین فرد است. شرکت مدیریت محتوای اجتماعی Hootsuite، بیش از 1.1 میلیون حساب کاربری را دنبال می کند و دنبال کننده ترین است. یک دختر ژاپنی با حساب کاربری Yougakduan_00 بیشترین تعداد توییت را دارد. او قبل از اینکه حسابش توسط توییتر تعلیق شود، 36,402,262 توییت ارسال کرده بود. پرطرفدارترین برند در توییتر متعلق است به یوتوب با 25 میلیون دنبال کننده. 

  5. حساب های تایید شده. تعداد حساب های تایید شده تا کنون حدود 47,815 حساب است ولی جالب اینکه حساب مدیر عامل توییتر آقای دیک کاستولو (dickc) در این میان نیست! 

  6. پرنده توییتر. اسم رسمی پرنده توییتر که در تبلیغات و بنرها حضور دارد، لری است. اسم کامل او لری برد (Larry Bird) است. این رفیق کوچولو و معروف، همانند بازیکن افسانه ای بوستون سلتیکز یعنی لری برد نامگذاری شده. چرا اسم یک بسکتبالیست؟ احتمالا به خاطر اینکه موسس مشترک توییتر آقای بیز استون در ماساچوستس بزرگ شده. 

  7. توسعه دهندگان. توییتر سازنده retweet ها، reply ها، hashtag ها، اپلیکیشن موبایل یا تبلیغات اجتماعی نبوده بلکه کاربران و توسعه دهندگان این اکوسیستم آنها را ایجاد کرده اند. این ویژگی ها بعدا توسط توییتر پشتیبانی شدند ولی متاسفانه این نوآوران، فعلا نمی توانند یک برش از این کیک 10 میلیارد دلاری را به خانه ببرند و باید مثل همه افراد دیگر، منتظر بمانند تا عرضه عمومی سهام توییتر انجام شود. 

وقتی که برق می رود و دوباره می آید، یا اینکه باتری ساعت تان تمام شده و آن را عوض می کنید، از کجا می دانید که ساعت تان را روی چه زمانی تنظیم کنید؟ اصلا از کجا می دانید که گذر زمان چگونه بوده است؟ یا اینکه چگونه می توان گذر دقیق زمان را بدون اشتباه اندازه گرفت؟ در حالی که ساعت های ما مرتبا عقب مانده یا جلو می روند؟ اصلا چطور می توانیم این طور دقیق برای تحویل سال به ساعت مان اعتماد کنیم؟! :) 

در ایالات متحده زمان استاندارد بر اساس ساعت مرجع رصدخانه نیروی دریایی (USNO) که مرجع رسمی زمان برای وزارت دفاع است، تنظیم می شود. و تاثیر این مکانیسم در تمامی ساعت های مچی، زنگ دار، کامپیوترها، منشی های تلفنی خودکار و برنامه های زمان بندی این کشور قابل مشاهده است. 

و به همین ترتیب در تمام دنیا ساعت های مرجع این چنینی برای تنظیم زمان وجود دارند. اما این ساعت ها چقدر دقیق اند و از چه نوعی هستند که این گونه با اعتماد کامل تمام محاسبات زمان دنیا را بر دوش آنها گذارده اند؟ 

جواب کوتاه «ساعت اتمی» است و برای جواب کامل هم پیشنهاد می کنم در ادامه مطلب با نارنجی همراه باشید.

آیا ساعت های اتمی رادیواکتیو هستند؟

ساعت های اتمی بهتر از هر ساعت دیگری زمان را نگه می دارند. آنها حتی بهتر از چرخش زمین و حرکت ستارگان حساب گذر زمان را دارند. بدون ساعت های اتمی، مسیریابی با GPS تقریبا غیرممکن است، اینترنت ممکن است همگام نشده و محتوای منطبقی نداشته باشد ، و حتی تعیین موقعیت سیاره ها برای سفینه های فضایی و ربات های کاوشکر به طور دقیق امکان پذیر نگردد. 

ساعت های اتمی رادیواکتیو نیستند. آنها دارای چرخه فروپاشی اتمی نیستند. و البته همانند ساعت های معمولی پاندول نوسانگر یا فنر ارتجاعی هم ندارند. 

بزرگترین تفاوت میان ساعت اتاق شما و یک ساعت اتمی این است که نوسان در یک ساعت اتمی، میان هسته یک اتم و الکترون های اطراف آن اتفاق می افتد. این نوسان دقیقا همانند چرخ بالانس و فنر مویی ساعت کوکی نیست، اما در واقع هر دو این ساعت ها از شمارش نوسان ها برای اندازه گیری زمان استفاده می کنند. 

فرکانس های نوسان درون اتم توسط حجم هسته و جاذبه الکترواستاتیک میان قطب مثبت هسته و ابر الکترونی اطراف آن تعیین می شوند.

انواع ساعت های اتمی

امروزه انواع مختلی از ساعت های اتمی تولید شده اند که البته همگی بر پایه یک قانون بنا گردیده اند. در این میان تفاوت اصلی در عنصر مورد استفاده و شیوه آشکارسازی هنگام تغییر سطح انرژی است. انواع مختلف ساعت اتمی را می توان شامل این گروه ها دانست: 
ساعت های اتمی سزیمی: که یک پروتو از اتم های سزیم را به خدمت گرفته اند. در این ساعت اتم های سزیم مختلف با سطوح متفاوت انرژی توسط میدان مغناطیسی از یکدیگر جدا می شوند. 

ساعت های اتمی هیدروژنی: که اتم های هیدروژن با سطح خاصی از انرژی را درون محفظه ای با دیوارهایی از فلز ویژه نگهداری می کنند، تا اتم ها نتوانند سطح انرژی بالای شان را با سرعت زیادی از دست دهند. 

ساعت های اتمی رادیومی: که ساده ترین و فشرده ترین نوع هستند و از یک سلول شیشه ای گاز رادیوم تشکیل شده اند. تغییرات در میزان جذب نور در رادیوم با فرکانس نوری متفاوت هنگامی که توسط مایکروویو با فرکانس صحیح احاطه شده باشد، باعث کارکرد ساعت می شود. 

دقیق ترین ساعت های اتمی امروزه از اتم سزیوم و میدان های مغناطیسی معمولی به همراه آشکارسازها استفاده می کنند. علاوه بر این، اتم های سزیم توسط اشعه لیزر تحت تاثیر واقع نمی شوند. و اثر دوپلر تاثیر بسیار کمی روی آنها دارد.

ساعت اتمی چه زمانی اختراع شد؟

در سال 1945 پروفسور ایسیدور رابی، فیزیکدان دانشگاه کلمبیا پیشنهاد کرد می توان با استفاده از تکنیکی که وی در سال 1930 آن را توسعه داده و «رزنانس مغناطیسی شعاع اتمی» نامیده بود، یک ساعت ساخت. در سال 1949 اداره استاندارد اعلام کرد اولین ساعت اتمی جهان را راه اندازی کرده که از ملکول آمونیاک به عنوان منبع نوسان بهره می برد. و در سال 1952 این اداره اعلام کرد اولین ساعت اتمی به اتم های سزیم به عنوان منبع ارتعاش مجهز شده است: NBS-1 

در 1955 لابراتوار ملی فیزیک انگلیس اولین ساعت پرتو سزیم را تولید کرد. آنها از آن به عنوان مرجع درجه بندی و کالیبراسیون استفاده می کردند. طی یک دهه بعدی، انواع پیشرفته تری از ساعت های اتمی خلق شدند. در 1967، سیزدهمین کنفرانس اوزان و مقیاس ها، مرجع اندازه گیری SI ثانیه را بر حسب ارتعاش اتم سزیم تعریف کرد. از این پس دیگر سیستم وقت نگهدار جهانی بر اساس ستاره شناسی و نجوم نبود. NBS-4 به عنوان پایدارترین ساعت سزیمی دنیا در سال 1968 کامل شد و تا دهه 1990 به عنوان بخشی از سیستم زمانی NIST مورد استفاده قرار می گرفت. 

در سال 1999 ساعت NIST-F1 با ضریب خطای یک ثانیه در بیست میلیون سال شروع به کار کرد و تبدیل به یکی از دقیق ترین ساعت های جهان شد. و البته این تنها تاریخچه ساعت های ایالات متحده است و دیگر نقاط دنیا هم همپای این کشور به ساخت ساعت های اتمی بسیار دقیق مشغول هستند .

زمان اتمی چگونه اندازه گیری می شود؟

فرکانس دقیق رزونانس سزیم ویژه مورد استفاده در ساعت های اتمی طبق یک توافق بین المللی 9,192,631,770 هرتز است. و هنگامی اعداد را تقسیم کنیم، خروجی دقیقا یک هرتز یا یک سیکل در ثانیه خواهد بود. 

دقت طولانی مدت قابل دستیابی با ساعت های اتمی سزیمی مدرن (تقریبا در تمامی آنها)، تقریبا در حد یک ثانیه در یک میلیون سال است. ساعت های اتمی هیدروژنی البته دقت کوتاه مدت (یک هفته ای) بسیار بهتری داشته و حدودا 10 مرتبه دقیق تر هستند. در نتیجه اندازه گیری زمان با ساعت های اتمی دقت کار را حدود یک میلیون بار نسبت به روش های قدیمی استفاده از تکنیک های نجومی بهبود بخشیده است. 

در آمریکا، اولین ساعت های اتمی تجاری را در ماساچوست با استفاده از سزیم تولید کردند. امروزه هم این ساعت ها توسط شرکت های گوناگونی در سراسر دنیا تولید می شوند که از مشهورترین آنها می توان به HP و FTS اشاره کرد. و البته تکنولوژی جدید دائما در حال بهبود کارایی این ساعت ها است. بسیاری از ساعت های اتمی سزیمی آزمایشگاه های دقیق هزاران بار بهتر از نمونه های تجاری هستند. 

اگر به خاطر داشته باشید پیش از این کاربرد ساعت اتمی در ماهواره های جی پی اس و سرورهای اسپنر گوگل را مثال زدیم. و البته حتی کامپیوتر شما هم از طریق سرور مایکروسافت، خود را با ساعت های اتمی دنیا تنظیم می کند. شما چه کاربردهایی را برای این زمان سنجی دقیق متصور هستنید؟

تلسکوپ هابل سرانجام ستاره شناسان را قادر به شناسایی پیرترین ستاره رصد شده هستی -که می توان عمر آن را به شکل قابل اعتمادی تخمین زد- کرد. ستاره HD 140283 با تاریخ تولدی نزدیک به 14.5 میلیارد سال قبل (حاشیه خطای 0.8 میلیارد سال) مسن ترین ستاره ای است که تا کنون شناسایی شده. 

تخمین های قبلی عمر 16 میلیارد سال را برای آن نشان می دادند ولی همان طور که ناسا اشاره کرده، این حقیقت که عمر تقریبی جهان در حدود 13.8 میلیارد سال محاسبه شده، تناقض آشکاری را در قبول این عدد به وجود می آورد. اما تخمین جدید دوباره امکان همزیستی مسالمت آمیز علم کیهان شناسی و فیزیک ستاره ای را میسر کرد. 

نقش هابل در این بین چنین بود که به ستاره شناسان امکان داد فاصله ستاره از زمین را با استفاده از تفکیک اثر اختلاف منظر به طور دقیق محاسبه کنند. اختلاف منظر یا دیدگشت به وضعیتی گفته می شود که به ظاهر، موقعیت ستاره به خاطر تغییر مکان مشاهده گر زمینی تغییر می کند. اما با مقایسه مشاهدات مجزای هابل از یک منظر معکوس امکان تخمین دقیق تر برای فاصله ستاره به دست آمد. سپس اطلاعات مربوط به فاصله ستاره از زمین، با اطلاعات مربوط به روشنایی طبیعی آن ترکیب شد تا عمرش با دقتی 5 برابر گذشته مشخص شود. 

هوارد باند از انستیتو علمی تلسکوپ فضایی، می گوید: «ما عمر 14.5 میلیارد سال را به دست آوردیم، البته با یک خطای احتمالی که عمر ستاره را با عمر جهان هستی سازگار می کند. با توجه به مزایایی نظیر روشنایی و نزدیکی، این بهترین ستاره در آسمان برای انجام محاسبات عمر دقیق بود.» 

ستاره HD 140283 که با سرعت 1,287,475 کیلومتر بر ساعت در حال حرکت است سر انجام به میان هاله نورانی ستارگان در بر گیرنده کهکشان راه شیری خواهد رفت. با این حال تا آن زمان علاقمندان به نجوم می توانند با دوربین های دو چشمی خود آن را درصورت فلکی ترازو مشاهده کنند. 

فکر می کنید داستان کامپیوترهای پوشیدنی تا کجا پیش خواهد رفت؟ عینک گوگل؟ ساعت هوشمند سامسونگ و آی واچ اپل؟ درباره کفش ها چه؟ کفش سخنگو! گوگل پس از گوگل گلس اکنون در فستیوال شمال از شمال غربی که بخشی از آن به تکنولوژی های آینده نگرانه می پردازد، کفش سخنگوی خود را عرضه کرده است که به روایت داستان سخت پیاده روی های خود برای دوستانش بر روی وب می پردازد. 

این کفش جذاب در واقع یک ایده مفهومی و بخشی از پروژه هنری جدید شرکت با نام Art, Copy, Code است. این پروژه قرار است به یاری اشیاء معمولی روزانه آمده و آنها را اجتماعی تر کرده و به آنها کمی زندگی ببخشد. 

گوگل برای کنکاش در یک دنیای متصل به وب با همکاری دو هنرمند متبحر دست به کار تولید کفشی شده که دارای شخصیت مستقلی برای خود بوده و می تواند در صورت اجازه صاحبش، با فعالیت های فردی که آن را پوشیده در وب ارتباط برقرار کند و به تبادل اطلاعات بپردازد. 

با استفاده از یک شتاب سنج ، یک ژیروسکوپ، بلوتوث و برخی دیگر از لوازم تکنولوژیک، کفش سخنگو حرکات کاربر خود را به یک گزارش به موقع، مهیج و جذاب تبدیل می کند. نکته جالب اینجا است که کفش سخنگو می تواند گزارشش را در گوگل پلاس پست کند یا اینکه از طریق اسپیکرهایش به صورت زنده و لحظه ای آن را بخواند. و حتی آن را در وب به صورت صوتی منتشر کند. 

البته این گجت را نمی توان اولین کفش هوشمند دانست. به گمانم برخی از شما هنوزکفش تویت کننده آدیداس را به خاطر دارید؟ 

اگر تا کنون مجبور به بلند کردن یا حمل یک پیانو نشده باشید، احتمالا آن را یک وسیله موسیقایی بی عیب و تمام عیار می دانید -چون باعث کمر دردتان نشده. حتی پیانوهای مکانیکال-الکتریکال که در آنها ساز و کار کلاویه ها مکانیکی است ولی صداها، همگی نمونه های ذخیره شده در حافظه دستگاه هستند هم وزنی در حدود 30 کیلوگرم و بالاتر دارند. 

در پیانوهای مکانیکال که از قرن 18 میلادی با بشر همراه اند، با فشار دادن کلاویه ها، چکش های نرمی به حرکت در می آیند تا به سیم ها برخورد کرده و طنین های مختلفی را تولید کنند. در پیانوهای مکانیکال-الکتریکال هم تنها بانک صدا جایگزین سیم ها و جعبه صدا شده. با این وجود، تغییراتی که در طول زمان در این ساز به وجود آمده، نسبتاً محافظه کارانه بوده اند. حالا با یک تغییر رادیکال چطور هستید؟ 

نوآوران شرکت ROLI  یک پیانوی حساس غیر مکانیکی ساخته اند که گویی از آینده به میان ما آمده. کلیدهای آن که جنس نرمی دارند با سنسورهایی که در زیرشان قرار دارند، قادر اند کوچکترین ظرافت های موسیقایی را از سر انگشت های شما دریافت کرده و تبدیل به صدا کنند و به این شکل، قدرت بیان موسیقایی نیز به مرحله بالاتری خواهد رفت. 

جان مور از گاردین که با این پیانو کار کرده می نویسد: «به نظر می رسد یک تله پاتی واقعی بین نوازنده و دستگاه برقرار است. وقتی قطعه Joanna at home را می نواختم مثل این بود که با چند تا موز دارم روی کلاویه ها می کوبم ولی Seaboard ظرافت طبع و افکار موسیقایی مرا به یک واقعیت قابل قبول تبدیل می کرد.» 

این پیانوی زیبا و فوق العاده ساده با کلیدهایی از جنس سیلیکون سیاه، وقتی به تولید انبوه برسد قیمت مناسبی پیدا خواهد کرد ولی فعلا بهتر است فکر داشتن آن را نکنید. تکنولوژی SEA (مخفف Sensory Elastic Adaptive؛ تکنولوژی حسیِ وفق پذیر و کشسان) به کوچکترین لمسی عکس العمل نشان داده و صدای مناسب را تولید می کند. این تکنولوژی قطعاً کاربردهای بسیار بیشتری در دنیای فناوری خواهد یافت. 

همچنین با نرم افزار SoundDial می توان کنترل کامل صدای دستگاه را از روی کامپیوتر به دست گرفت و یکپارچگی کاملی بین سخت افزار و نرم افزار ایجاد کرد. 

محققان دانشگاه ایلینویز در حال توسعه نوعی بافت الکترونیک تاتو مانند هستند که به پوست متصل شده و می تواند به اندازه گیری آمار حیاتی و ارسال بیسیم گزارش ها بپردازد. این ابزار نازک شامل الکترودها، سنسورها، منبع تغذیه و سیستم ارتباطی بیسیم است که ظاهری شبیه یک نوار چسب زخم بندی دارد. 

سنسورها می توانند میزان آب و دمای پوست زیر خود را اندازه گرفته و همچنین هرگونه فشار و تنش را ثبت نمایند. این بافت توسط یک ماده چسب مانند در جای خود محکم شده و می تواند با دقت کافی برای مانیتور و کنترل بیمار پس از عمل جراحی یا در دوران نقاهت مورد استفاده قرار گیرد. 

محققان قبلا این ابزار را در ضخامت بیشتر آماده کرده بودند که نیازمند بخش چسبنده قوی تری در پشت خود بود. اما محصول فعلی ضخامتی یک سیزدهم نمونه های قبلی دارد. همچنین تا دو هفته می تواند به کار خود ادامه دهد و پس از آن به صورت طبیعی جدا شده و می افتد. 

این محصول بر خلاف ظاهر سست و کم دوام خود، به خوبی در جای خود محکم شده و از دوام بالایی هم برخوردار است. نصب آن هم کاملا ساده است. تنها کافی است که روی پوست قرار گرفته و بر روی آن کمی اسپری مخصوص برای محافظت پاشیده شود. 

به نظر می رسد که علاوه بر ابزارهای سرگرمی و کاربردی، دستگاه های پزشکی و سلامتی هم روز به روز به سمت وسایل پوشیدنی پیش می روند و از سویی هم همه چیز قرار است به صورت خودکار به اینترنت و شبکه های داخلی متصل باشد و «اینترنت ابزارها» به مفهومی همه گیر در زندگی روزمره تبدیل شود. پیش بینی شما از آینده مراقبت های پزشکی چیست؟