فراتر از نیم‌قرن از ساخت نخستین سلول‌های خورشیدی برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی می‌گذرد، ولی تنها طی یک دهه گذشته روند استفاده از صفحه‌های خورشیدی از یک‌سو و کاهش قیمت این صفحه‌ها از سوی دیگر رشد بسیار چشمگیری داشته است. نمودار 1 نشان می‌دهد که در دو دهه آینده روند استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر بیش از سه برابر خواهد شد. در میان انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی نقش و اهمیت بسیار بالاتری دارد. همچنین نمودار 2 نشان می‌دهد که هزینه تولید انرژی خورشیدی نسبت به دیگر منابع انرژی روند کاهشی بسیار زیادی داشته و طی 10 سال گذشته بیش از 70 درصد از هزینه‌های آن کاسته شده است. در این مقاله کوشیده‌ایم با بیانی ساده و تصویری، شما را با اهمیت و ویژگی‌های انرژی خورشیدی آشنا سازیم.
وقتی صفحه‌ای فرضی به ابعاد یک متر در یک متر (یعنی مساحت یک مترمربع) را بیرون جو زمین و عمود بر امتداد تابش پرتوهای نور خورشید قرار دهیم، به این صفحه فرضی در هر ثانیه حدود 1360 ژول انرژی می‌رسد (شکل1). از آنجا که نسبت انرژی بر واحد زمان را «توان» می‌نامیم، می‌توان گفت توان دریافتی توسط این صفحه فرضی از طرف خورشید حدود 1360 وات است. وقتی تابش خورشید به سطح زمین می‌رسد، مقدار قابل‌توجهی از انرژی آن، به علت جذب در جو زمین و ابرها، از دست می‌رود؛ به‌طوری که میانگین انرژی تابشی خورشید در سطح زمین به ازای هر مترمربع، در هر ثانیه حدود 300 ژول است.
خوب است بدانید: انرژی تابشی خورشید به ازای هر مترمربع، در بیشتر مناطق ایران دو تا سه برابر میانگین جهانی است.
در جدول 1 میانگین زاویه تابش پرتوهای نور خورشید به سطح زمین در تابستان و زمستان برای چند شهر متفاوت کشور آمده است. همان‌طور که دیده می‌شود، میانگین زاویه تابش خورشید در فصل تابستان بین صفر تا حدود 20 درجه متغیر است و در زمستان هم حداکثر به حدود 60 درجه می‌رسد. به عبارت دیگر، میانگین سالانه زاویه تابش خورشید در بیشتر مناطق ایران بین 20 تا 30 درجه است و این موضوع بیشتر مناطق سرزمین ایران را در وضعیتی ممتاز برای بهره‌مندی از مواهب انرژی خورشیدی قرار داده است. به همین دلیل سرمایه‌گذاری برای بهره‌مندی از انرژی خورشیدی در ایران یک گزینه بسیار مطلوب است.
در شکل 2 صفحه‌ای فرضی و عمود بر پرتوهای نور خورشید دیده می‌شود که روی آن پنجره‌ای مربعی شکل به ابعـاد 1m× 1m (یعنی مساحت m2 1) ایجاد شده است. زاویه تابش خورشید در منطقه شکل2. الف 5/16 درجه و در منطقه شکل 2. ب 5/63 درجه در نظر گرفته شده است. همان‌طور که دیده می‌شود، در حالت الف انرژی خورشیدی روی سطحی مربعی شکل به ابعاد 1/04m× 1/04m(یعنی مساحت 1/08m2) و در حالت ب انرژی خورشیدی روی سطحی مربعی شکل به ابعاد 2/24m× 2/24m (یعنی مساحت 5/01m2) توزیع شده است.
شما به عنوان تمرین می‌توانید برای شکل 2 محاسبه‌هایی را انجام دهید و مثلاً برای هر یک از شهرهای داده شده در جدول1 و با توجه به زاویه میانگین تابش نور خورشید، بررسی کنید که در تابستان و زمستان، انرژی خورشیدی در آن منطقه روی چه سطحی توزیع می‌شود.
ادامه بحث را با یک مثال دنبال می‌کنیم. فرض کنید مطابق شکل 3. الف، یک صفحه خورشیدی به مساحت یک مترمربع در اختیار داریم که بازدهی آن برابر 20 درصد است. یعنی تنها 20 درصد از انرژی دریافت شده از نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. اگر قرار باشد از این صفحه خورشیدی در مناطق متفاوت ایران استفاده شود، دست‌کم در هر ثانیه 500 ژول انرژی از خورشید دریافت می‌کند و با توجه به بازدهی 20 درصدی آن مطابق آنچه در شکل 3. ب محاسبه شده است، در هر ثانیه 100 ژول انرژی الکتریکی تولید می‌کند (یعنی توان الکتریکی تولیدی آن 100 وات است).
اکنون این پرسش مطرح می‌شود که: با 100 وات توان الکتریکی چه می‌توان کرد؟ برای پاسخ به این پرسش شکل 4 را ببینید. همان‌طور که دیده می‌شود، یک لامپ رشته‌ای قدیمی که امروز دیگر از آن به ندرت استفاده می‌شود، برای روشن‌شدن به تمامی 100 وات توان الکتریکی نیاز دارد. این لامپ تقریباً 95 درصد انرژی الکتریکی دریافت شده را به گرما و تنها حدود 5 درصد آن را به نور تبدیل می‌کند. در حالی که با 100 وات توان الکتریکی می‌توان حدود شش لامپ کم‌مصرف و 10 لامپ «ال‌ای‌دی» را روشن کرد.
خوب است بدانید: لامپ‌های کم‌مصرف حدود 70 درصد و لامپ‌های ال‌ای‌دی حدود 95 درصد انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می‌کنند و تولید گرمای آن‌ها در مقایسه با لامپ‌های رشته‌ای قدیمی بسیار کمتر است.
همان‌طور که دیده می‌شود، وسایل برقی مورد نیاز ما در خانه‌ها، به سبب تحولات زیادی که در حوزه علم و فناوری رخ داده است، با توان الکتریکی بسیار کمتری نسبت به گذشته کار می‌کنند. به عبارت دیگر طی یک دهه گذشته، از یک‌سو شاهد پایین آمدن هزینه‌های تولید برق خورشیدی بوده‌ایم و از سوی دیگر شاهد کاهش جدی در توان مصرفی وسایل برقی هستیم. همین موضوع سبب شده است کشورهای زیادی به سمت استفاده از انرژی خورشیدی در خانه (شکل 5. الف) یا مزرعه‌های خورشیدی (شکل 5. ب) بروند.