نیروگاه خورشیدی از تبدیل انرژی  نور خورشید به الکتریسیته استفاده می کند،که این کار  یا به طور مستقیم با استفاده از سلولهای  فتوولتائیک (PV)، یا به طور غیرمستقیم با استفاده از انرژی خورشیدی متمرکز یا ترکیبی از هر دو انجام می شود . سلول های فتوولتائیک نور را با استفاده از اثر فتوولتائیک به جریان الکتریکی تبدیل می کنند. سیستم‌های انرژی خورشیدی متمرکز از عدسی‌ها یا آینه‌ها و سیستم‌های ردیابی خورشیدی استفاده می‌کنند تا ناحیه بزرگی از نور خورشید را به یک نقطه داغ متمرکز کنند، که این کار اغلب برای به حرکت درآوردن یک توربین بخار می باشد .

فتوولتائیک ها در ابتدا صرفاً به عنوان منبع برق برای کاربردهای کوچک و متوسط ​​استفاده می شدند، از ماشین حسابی که توسط یک سلول خورشیدی تغذیه می شد تا خانه های راه دور که توسط یک سیستم PV پشت بام خارج از شبکه تغذیه می شد. نیروگاه های خورشیدی متمرکز تجاری برای اولین بار در دهه 1980 توسعه یافتند. از آن زمان، با کاهش هزینه برق خورشیدی، سیستم های PV خورشیدی متصل به شبکه کم و بیش به طور تصاعدی رشد کرده اند. میلیون ها تاسیسات و نیروگاه های فتوولتائیک در مقیاس گیگاوات ساخته شده و در حال ساخت هستند. انرژی خورشیدی PV به سرعت تبدیل به یک فناوری کم کربن قابل دوام شده است، و از سال 2020، ارزان ترین منبع برق در تاریخ را فراهم می کند.

از سال 2021، انرژی خورشیدی 4 درصد از برق جهان را تولید می کند، در مقایسه با 1 درصد در سال 2015 که توافقنامه پاریس برای محدود کردن تغییرات آب و هوایی امضا شد. انرژی خورشیدی همراه با انرژی بادی ، ارزان‌ترین هزینه الکتریسیته، در مقیاس شهری است. آژانس بین‌المللی انرژی در سال 2021 اعلام کرد که تحت سناریوی «صفر خالص تا 2050»، انرژی خورشیدی حدود 20 درصد از مصرف انرژی در سراسر جهان را تامین می‌کند و انرژی خورشیدی بزرگترین منبع برق جهان خواهد شد .

میزان تابش تخمینی انرژی خورشیدی در جهان

فن آوری

نیروگاه های خورشیدی از یکی از این دو فناوری استفاده می کنند:

* سیستم های فتوولتائیک (PV) از پنل های خورشیدی، چه روی پشت بام ها یا در مزارع خورشیدی نصب شده در زمین، استفاده می کنند و نور خورشید را مستقیماً به برق تبدیل می کنند.

* نیروی خورشیدی متمرکز (CSP) از آینه ها یا عدسی ها برای متمرکز کردن نور خورشید به گرمای شدید استفاده می کند تا در نهایت بخار تولید کند که توسط یک توربین به برق تبدیل می شود.

سلول های فتوولتائیک

شماتیک یک سیستم برق PV مسکونی متصل به شبکه

سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک وسیله ای است که نور را با استفاده از اثر فتوولتائیک به جریان الکتریکی تبدیل می کند. اولین سلول خورشیدی توسط چارلز فریتز در دهه 1880 ساخته شد. صنعتگر آلمانی ارنست ورنر فون زیمنس از جمله کسانی بود که به اهمیت این کشف پی برد. در سال 1931، مهندس آلمانی برونو لانگ یک سلول عکس با استفاده از سلنید نقره به جای اکسید مس ساخت، [10] اگرچه نمونه اولیه سلول‌های سلنیوم کمتر از 1٪ نور فرودی را به الکتریسیته تبدیل کرد. به دنبال کار راسل اوهل در دهه 1940، محققان جرالد پیرسون، کالوین فولر و داریل چاپین سلول خورشیدی سیلیکونی را در سال 1954 ساختند. این سلول های خورشیدی اولیه 286 دلار آمریکا در هر وات هزینه داشتند و بازدهی 4.5 تا 6 درصد داشتند. در سال 1957، محمد م. آتلا  Mohamed M. Atalla فرآیند غیرفعال سازی سطح سیلیکون را توسط اکسیداسیون حرارتی در آزمایشگاه Bell توسعه داد. فرآیند غیرفعال سازی سطحی از آن زمان برای بازده سلول خورشیدی حیاتی بوده است.

آرایه یک سیستم فتوولتائیک یا سیستم PV، برق جریان مستقیم (DC) تولید می کند که با شدت نور خورشید تغییر می کند . برای استفاده عملی، این جریان DC معمولا نیاز به تبدیل به جریان متناوب (AC)، از طریق استفاده از اینورترها دارد. سلول‌های خورشیدی متعدد در داخل ماژول‌ها به هم متصل می‌شوند.

در کاربردهای خاصی مانند ماهواره ها، فانوس دریایی، یا در کشورهای در حال توسعه، باتری ها یا ژنراتورهای برق اضافی اغلب به عنوان پشتیبان اضافه می شوند. چنین سیستم های قدرت مستقلی امکان عملیات در شب و در زمان های دیگر با نور محدود خورشید را فراهم می کند.

انرژی خورشیدی متمرکز

یک کلکتور سهموی نور خورشید را روی یک لوله در نقطه کانونی خود متمرکز می کند.

نیروی خورشیدی متمرکز (CSP)، همچنین به نام «گرمای خورشیدی متمرکز»، از لنزها یا آینه‌ها و سیستم‌های ردیابی برای متمرکز کردن نور خورشید استفاده می‌کند، سپس از گرمای حاصل برای تولید برق از توربین‌های بخار معمولی استفاده می‌کند.

طیف وسیعی از فناوری‌های متمرکز وجود دارد: از جمله شناخته‌شده‌ترین آنها می‌توان به فرورفتگی سهموی، بازتابنده خطی فشرده فرنل، دیش استرلینگ و برج انرژی خورشیدی اشاره کرد. تکنیک های مختلفی برای ردیابی خورشید و تمرکز نور استفاده می شود. در تمام این سیستم‌ها، یک سیال  توسط نور متمرکز خورشید گرم می‌شود و سپس برای تولید برق یا ذخیره انرژی استفاده می‌شود. ذخیره سازی حرارتی به طور موثر امکان تولید برق 24 ساعته را فراهم می کند.

یک فرورفتگی سهموی parabolic trough شامل یک بازتابنده سهموی خطی است که نور را روی گیرنده ای که در امتداد خط کانونی بازتابنده قرار دارد متمرکز می کند. گیرنده لوله ای است که در امتداد نقاط کانونی آینه سهموی خطی قرار گرفته و با یک سیال فعال پر شده است. این بازتابنده برای تعقیب خورشید در ساعات روشنایی روز با ردیابی در امتداد یک محور ساخته شده است. سیستم‌های سهموی، بهترین فاکتور کاربری زمین را در میان هر فناوری خورشیدی ارائه می‌کنند. کارخانه‌های سیستم‌های تولید انرژی خورشیدی در کالیفرنیا و نوادا سولار وان آچیونا در نزدیکی بولدر سیتی، نوادا، نمایندگان این فناوری هستند.

بازتابنده های خطی فشرده فرنل Compact Linear Fresnel Reflectors ، واحدهای CSP هستند که به جای آینه های سهموی از نوارهای آینه ای نازک زیادی استفاده می کنند تا نور خورشید را روی دو لوله با سیال کار متمرکز کنند. این مزیت را دارد که می‌توان از آینه‌های تخت استفاده کرد که بسیار ارزان‌تر از آینه‌های سهمی‌ای هستند و بازتاب‌کننده‌های بیشتری را می‌توان در همان مقدار فضا قرار داد و اجازه می‌دهد تا از نور خورشید بیشتری استفاده شود. بازتابنده‌های فرنل خطی متمرکز می‌توانند در واحد‌های بزرگ یا فشرده‌تر استفاده شوند.

دیش خورشیدی استرلینگ یک دیش متمرکز سهموی را با یک موتور استرلینگ ترکیب می کند که معمولاً یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت در می آورد. از مزایای خورشیدی استرلینگ نسبت به سلول های فتوولتائیک، راندمان بالاتر تبدیل نور خورشید به برق و طول عمر بیشتر است. سیستم‌های بشقاب پارابولیک بیشترین کارایی را در بین فناوری‌های CSP دارند. دیش بزرگ 50 کیلوواتی در کانبرا، استرالیا نمونه ای از این فناوری است.

یک برج انرژی خورشیدی از مجموعه ای از بازتابنده های ردیابی (هلیوستات) برای متمرکز کردن نور بر روی گیرنده مرکزی بالای برج استفاده می کند. برج ‌های خورشیدی می‌توانند بازدهی بالاتر (تبدیل حرارتی به برق) نسبت به طرح‌های ردیابی خطی CSP و قابلیت ذخیره‌سازی انرژی بهتری نسبت به فن‌آوری‌های دیش استرلینگ داشته باشند. نیروگاه خورشیدی PS10 و نیروگاه خورشیدی PS20 نمونه هایی از این فناوری هستند.

سیستم های هیبریدی

یک سیستم هیبریدی (C)PV و CSP را با یکدیگر یا با سایر اشکال تولید مانند دیزل، باد و بیوگاز ترکیب می کند. شکل ترکیبی تولید ممکن است سیستم را قادر سازد تا توان خروجی را به عنوان تابعی از تقاضا تعدیل کند یا حداقل ماهیت نوسان انرژی خورشیدی و مصرف سوخت غیر قابل تجدید را کاهش دهد. سیستم های هیبریدی اغلب در جزایر یافت می شوند.

سیستم یکپارچه سیکل ترکیبی خورشیدی (ISCC)

نیروگاه Hassi R'Mel در الجزایر نمونه ای از ترکیب CSP با یک توربین گازی است که در آن یک آرایه 25 مگاواتی CSP-پارابولیک، نیروگاه توربین گازی سیکل ترکیبی بسیار بزرگتر 130 مگاواتی را تکمیل می کند. نمونه دیگر نیروگاه یزد در ایران است.

کلکتور خورشیدی هیبریدی حرارتی فتوولتائیک (PVT)

همچنین به عنوان هیبریدی PV/T شناخته می شود، تابش خورشیدی را به انرژی حرارتی و الکتریکی تبدیل می کند. چنین سیستمی یک ماژول خورشیدی (PV) را با یک کلکتور حرارتی خورشیدی به روشی مکمل ترکیب می کند.

فتوولتائیک متمرکز و حرارتی (CPVT)

یک سیستم هیبریدی حرارتی فتوولتائیک متمرکز شبیه یک سیستم PVT است. از فتوولتائیک متمرکز (CPV) به جای فناوری PV معمولی استفاده می کند و آن را با یک کلکتور حرارتی خورشیدی ترکیب می کند.

سیستم دیزل PV

این سیستم یک سیستم فتوولتائیک را با یک ژنراتور دیزلی ترکیب می کند. ترکیب با دیگر انرژی های تجدیدپذیر امکان پذیر است و شامل توربین های بادی می شود.

سیستم PV-ترموالکتریک

دستگاه های ترموالکتریک یا «ترموولتائیک» اختلاف دمایی بین مواد غیرمشابه را به جریان الکتریکی تبدیل می کنند. سلول های خورشیدی فقط از بخش فرکانس بالا تابش استفاده می کنند، در حالی که انرژی گرمایی فرکانس پایین هدر می رود. چندین حق ثبت اختراع در مورد استفاده از دستگاه های ترموالکتریک در پشت سر هم با سلول های خورشیدی ثبت شده است.

ایده افزایش کارایی سیستم ترکیبی خورشیدی/ترموالکتریک برای تبدیل تابش خورشیدی به برق مفید است.

انرژی خورشیدی در ایران

کشور ایران در میان مدارهای ۲۵ تا ۴۰ درجه عرض شمالی قرار گرفته است و در منطقه‌ای واقع شده که به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در میان نقاط جهان در بالاترین رده‌ها قرار دارد. میزان تابش خورشیدی در ایران بین ۱۸۰۰ تا ۲۲۰۰ کیلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمین زده شده است که البته بالاتر از میزان میانگین جهانی است. در ایران به طور میانگین سالیانه بیش از ۲۸۰ روز آفتابی گزارش شده است که بسیار قابل توجه است.

از این رو نیروگاهها و مزرعه های خورشیدی زیادی نصب و راه اندازی شده اند و تعداد بیشماری طرح نیروگاه خورشیدی توسط بخشهای دولتی ، عمومی و خصوصی در حال احداث می باشند .از جمله نیروگاههای احداث شده و در دست اجرا عبارتند از :