انرژی خورشیدی

مقدمه :
نيلوفر خورشيدي:
هر روز شاهد خلاقيت ها و ابتكارهاي تازه اي براي استفاده از انرژي هاي پاك و بدون آلودگي هستيم. يكي از جديدترين طرحهاي هوشمندانه و جذاب استفاده از انرژي خورشيدي، مولدهاي برقي كارآمدي است كه به شكل نيلوفرهاي آبي طراحي شده و در پارك ها و فضاهاي باز شهري نصب مي شود. برگ هاي اين نيلوفر آبي پوشيده از سلولهاي خورشيدي است كه از جهات گوناگون انرژي خورشيد را در روز جذب و براي روشنايي شب ذخيره مي كند. برگ هاي نيلوفر آبي خورشيدي روزها باز شده و شب ها بسته مي شود. بخش قابل توجهي از روشنايي پارك هاي بئونس آيرس توسط نيلوفرهاي آبي خورشيدي تامين مي شود.

آلودگي هوا پيامدهاي جبران ناپذيري دارد كه صنعت و جهان متمدن براي ساكنان كره زمين به ارمغان آورده اند.پيشگيري و رويارويي با اين پديده مخرب از چندين دهه گذشته تاكنون ادامه داشته، اما نتايج بدست آمده اندك بوده است. به همين دليل هر راهكار تازه اي براي پيشگيري از آلودگي هوا اهميت ويژه خود را دارد.

اعلام روز۲۹ دي ماه به عنوان روز ملي هواي پاك از سال۱۳۷۴ موجب شده تا هماهنگي براي پيشگيري از آلودگي هوا در بخش هاي مختلف گسترش يابد.
هدف از اعلام روز ملي هواي پاك ايجاد حساسيت در بين اقشار مختلف جامعه است و از آنجايي كه كليد اصلي كاهش آلودگي هوا، مشاركت مردمي و افزايش هماهنگي بين بخشي است اين روز

مي تواند عامل مهمي در ايجاد اين مشاركت و هماهنگي بين بخشي باشد.
برگزاري مراسم نماديني مانند هفته هواي پاك مي تواند تصوير روشني را از اهميت حفظ منابع ملي و مصرف بهينه انرژي ترسيم كند كه اين تصوير با فرهنگ سازي مؤثر نقش ماندگاري است كه زدوده نخواهد شد.

ايران با توجه به اهميت مباحث هواي پاك، متعهد به كنواسيون هايي همانند كنوانسيون تغييرات آب و هوا و قراردادهايي مانند پروتكل مونترال است كه در كشور در حال اجرا مي باشد. بر اين اساس، پروتكل مونترال به منظور حفاظت از لايه ازن شكل گرفت، زيرا انتشار آلاينده هايي مانند كلر كه يكي از عناصر تشكيل دهنده CFC ها به عنوان مواد مخرب لايه ازن است، در گرمايش زمين و تخريب اين لايه مؤثر است.

براساس تعاريف سازمان جهاني بهداشت دو درصد از كل مرگ و ميرهاي ناشي از عوارض قلبي در شهرهاي آلوده به طور مستقيم و غيرمستقيم مربوط به آلاينده هاي هوا است.
از آنجايي كه ميل تركيب CO با هموگلوبين۲۰۰ برابر اكسيژن است با ايجاد تركيب پايدار كربوكسي هموگلوبين ميزان اكسيژن رساني به بافت بدن كاهش يافته و به تناسب درصد آلودگي علايمي نظير سرگيجه، سردرد، خواب آلودگي و در موارد شديدتر مرگ بروز مي كند. چنانچه افراد در ايام سال با بيش از حد مجاز آلاينده CO مواجه باشند، مرگ و مير افراد۳۰ تا ۶۵ ساله تا۱۱ درصد افزايش مي يابد.

ذرات معلق به ويژه ذرات معلق به اندازه۱۰ ميكرون به علت ريز بودن از مجاري فوقاني تنفسي نفوذ و وارد سيستم تنفس مي شوند و در سطح حبابچه ريوي نشست مي كنند كه بخشي از بيماري هاي ريوي نظير آمفيزم را به آنها نسبت مي دهند. تماس افرادي كه سابقه بيمارهاي تنفسي دارند با ذرات معلق در هوا، حملات آسم و تنگي نفس ريوي را در پي دارد. ميزان بستري شدن اين افراد در هواي آلوده دو درصد بيشتر است:

براساس گزارش سازمان جهاني بهداشت۵ درصد از مواد سرطان هاي برونش و ريه در شهرهاي آلوده به علت آلودگي هوا است.
مصرف كنندگان دخانيات كه در هواي آلوده زندگي مي كنند، آلودگي بيشتري را وارد بدن خود مي كنند. آلودگي هوا در فضاهاي بسته به ويژه مناطق روستايي كه از سوخت جامد براي گرمايش و پخت و پز استفاده مي كنند نيز مطرح است. ميزان دريافت آلاينده يك زن خانه دار روستايي كه در طول روز از سوخت جامد براي پخت و پز و گرمايش استفاده مي كند، معادل مصرف دو پاكت سيگار است.
بررسي ها نشان داده است، كودكان و سالخوردگان، دوگروه آسيب پذير بر اثر آلودگي هوا هستند اما كودكان صدمات بيشتري را متحمل مي شوند.

تاريخچه
شناخت انرژي خورشيدي و استفاده از آن براي منظورهاي مختلف، به زمان ماقبل تاريخ باز مي گردد شايد به دوران سفاليگري ، در آن هنگام روحانيون معابد به كمك جامهاي بزرگ طلايي سيقل داده شده و اشعه خورشيد، جهت روشن كردن آتشدانهاي محراب استفاده مي كردند، و يا در دوران فراعنه مصر در دوره آمنوفيس پرنده اي نصب كرده بودند كه به وسيله تابش خورشيد صبحگاهي، پرنده به صدا در مي آمد.

مهمترين روايتي كه در رابطه با استفاده از تابش خورشيد بيان شده داستان ارشميدس دانشمند و مخترع بزرگ يونان قديم (سالهاي ۲۸۷-۲۱۲ ق-م) مي باشد كه ناوگان روم را با استفاده از انرژي حرارتي خورشيد به آتش كشيد. گفته مي شود كه ارشميدس با نصب تعداد زيادي آيينه هاي كوچك مربعي شكل در كنار يكديگر كه روي يك پايه متحرك قرار داشته است اشعه خورشيد را از راه دور روي كشتيهاي روميان متمركز ساخته و آنها را به آتش كشيده. روميان در تاريخ مي نويسند كه آنها مغلوب يك نيروي نامرئي شدند و اعتقاد پيدا كرده بودند كه با خدايان در حال جنگ هستند.

حدود ۱۸۰۰ سال پس از ارشميدس شخصي به نام كيرچر شاهكار ارشميدس را تكرار كرد و با استفاده از تعدادي آيينه، يك لنگرگاه چوبي را از فاصله دور آتش زد.
در سال ۱۶۱۵ سالمون اهل فرانسه بيانيه اي راجع به موتور خورشيدي منتشر كرد.
در قرن هجدهم ناتورا اولين كوره خورشيدي را در فرانسه ساخت.

دستگاههاي خوراك پز خورشيدي اولين بار توسط شخصي به نام (Nichelas DE 1799-1740 Saucer) ساخته شد.
آنتوني لاوازيه (۱۷۴۹-۱۷۴۳) خالق شيمي نوين براي كسب بيشترين انرژي از خالص ترين منبع حرارتي ، تحقيقاتي در كوره هاي خورشيدي انجام داد.
بسمر(۱۸۹۸-۱۸۱۳) پدر فولاد جهان حرارت مورد نياز كوره خود را با استفاده از انرژي خورشيدي تامين كرد.
در قرن نوزدهم تلاشهايي جهت تبديل انرژي خورشيدي به ديگر فرمهاي انرژي مثل توليد بخار و استفاده در موتورهاي بخار انجام گرفت، در اين سالها چندين موتور بخار خورشيدي ساخته شد و مورد آزمايش قرار گرفت.

در سال ۱۸۷۸ موشو اولين كلكتور خورشيدي با متمركزكننده مخروطي شكل را طراحي كرد كه قدرت داشت ۷۸ درصد از انرژي خورشيدي تابيده شده را جذب كند.
در سال ۱۸۸۰ اولين كلكتور تخت خورشيدي به وسيله چارلز تلي ير ساخته شد.
در سال ۱۸۸۸ وستر پيشنهاد استفاده از انرژي خورشيدي در ترموكوپلها را ارائه داد.
در قرن نوزدهم دستگاههاي آب شيرين كن خورشيدي رواج پيدا كردند.

در قرن بيستم استفاده از كلكتورها جهت توليد بخار در نيروگاههاي برقي مورد توجه زياد قرار گرفت. گرم كردن ساختمانها با استفاده از انرژي خورشيد، ايده تازه اي بود كه در سالهاي ۱۹۳۰ مطرح و در يك دهه به پيشرفتهاي قابل توجهي نائل آمد. اولين خانه خورشيدي در انستيتو تكنولوژي ماساچوست آمريكا(MIT) در سال ۱۹۳۸ ساخته شد. پيشرفت در طراحي و ساخت خانه هاي خورشيدي و آبگرمكنها آنچنان سريع بود كه تصور مي شد تا سال ۱۹۷۰ گرمايش ميليونها خانه در كشورهاي مختلف به وسيله انرپي خورشيدي تامين خواهد شد اما نه تنها چنين نشد آمار نشان مي دهد كه گرمايش خورشيدي در سالهاي ۱۹۷۰ نسبت به سال ۱۹۵۵ كمتر هم شده بود. علت، هزينه اوليه چنين سيستمها و در عين حال عرضه نفت و گاز ارزان بود. اما بحران انرژي در سال ۱۹۷۴ و از طرفي پيشرفت تكنيك ساخت كلكتورهاي مختلف خورشيدي، و احتمال كاهش و يا اتمام بعضي از منابع زيرزميني، بار ديگر توجه جهانيان را به انرژي خورشيدي جلب كرده و تلاشهاي در اكثر كشورهاي مختلف جهان، در جهت تكامل و پيشرفت اين تكنيك صورت مي گيرد.

در حال حاضر از انرژي خورشيدي توسط سيستمهاي مختلف و براي مقاصد متفاوت استفاده و بهره گيري مي شود كه اهم آنها عبارتند از:
۱- سيستمهاي فتوبيولوژيك: تغييراتي كه در حيات و زيست گياهان و جانداران به وسيله نور خورشيد و فتوسنتز ايجاد مي گردد، فرآيند تجزيه كود حيوانات و استفاده از گاز آن.
۲-سيستمهاي فتوشيميايي: تغييرات شيميايي در اثر نور خورشيد-الكتروليزورهاي نوري-سيستمهاي فتولتائيك الكتروشيمي- تاسيسات تهيه هيدروژن.
۳-سيستمهاي فتولتائيك: تبديل انرژي خورشيد به انرژي الكتريكي-سلولهاي خورشيدي.
۴-سيستمهاي حرارتي و برودتي: شامل سيستمهاي تهيه آبگرم- گرمايش و سرمايش ساختمانها-تهيه آب شيرين-سيستمهاي انتقال و پمپاژ-سيستمهاي توليد فضاي سبز(گلخانه ها)-خشك كنها و اجاقهاي خورشيدي- سيستمهاي سرد سازي-برجهاي نيرو-خشك كنهاي خورشيدي-نيروگاههاي خورشيدي.

وضعيت انرژي در ايران
ايران يكي از ۱۵ كشور جهان از لحاظ مصرف بالاي مواد نفتي است و در بين كشورهاي اوپك بيشترين مصرف كننده اينگونه مواد مي باشد. در زماني كه دنياي غرب با اعمال سياستهاي بهينه سازي مصرف انرژي، مصرف خود را پايين آورده، ايران در كمتر از دودهه مصرف فرآورده هاي نفتي خود را حدودا سه برابر كرده.(از۴۳۰۰۰۰ بشكه در روز در سال ۱۹۷۶ به ۱۱۰۰۰۰۰۰ بشكه در روز در سال ۱۹۹۱ م). با توجه به رشد مصرف بالاي ۵ درصدي در ايران ، هر ۱۰ سال مصرف انرژي ما دو برابر مي شود.

بهينه سازي مصرف هرچه بهتر و با راندمان بيشتر انرژي مي باشد.كه باعث پايين آمدن سطح آسايش و استاندارد زندگي نمي شود. كشورهاي صنعتي به اين نتيجه رسيده اند كه بهينه سازي مصرف انرژي در صنايع و ساختمانها، باعث كاهش بين ۳۰ تا ۴۰ درصد مصرف انرژي است.
در صورتيكه در كشور ما براي يك دوره ده ساله ، با استفاده از سياستهاي بهينه سازي مصرف انرژي و بدون لطمه به توليد و رفاه عمومي حدود ۲۰ درصد كاهش در مصرف به دست آيد، منافع زير حاصل مي شودك

۱- با احتساب مصرف بيش از يك ميليون بشكه معادل نفت در روز، سود ارزي حاصله بيش از يك ميليارد دلار در سال خواهد شد.
۲-كاهش آلودگي هوا در شهرهاي بزرگي مثل تهران
۳-صرفه جويي در سرمايه گذاري در ساخت نيرو.گاهها، پالايشگاهها و سيستم گازرساني به ميزان ميلياردها دلار در سال.
۴-طولاني شدن عمر ذخائر نفتي
۵- ايجاد اشتغال در كشور.

منابع عمده انرژي كه در حال حاضر در ايران مورد استفاده قرار مي گيرد عبارتند از: نفت خام، گاز طبيعي، ذغال سنگ، پتانسيل آبي و انرژيهاي غير تجاري. در حاليكه ايران در مجموع كشوري است بسيار آفتابي و از نظر مقدار و دريافت انرژي خورشيدي در شمار بهترين كشورها محسوب مي شود. انرژي فراوان و لايزال خورشيد، بدون نياز به شبكه هاي انتقال و توزيع عظيم و پر خرج ، در سراسر كشور گسترده شده. معماري سنتي ايران نشان دهنده توجه خاص ايرانيان در استفاده صحيح و موثر از انرژي خورشيد در زمانهاي قديم مي باشد، ولي متاسفانه در حال حاضر و با وجود علوم و تكنولوژي جديد در كشور؛ استفاده از انرژي خورشيد بسيار ناچيز است. در حاليكه با توجه به سطح كنوني علمي و فني ايران، اگر طرحهاي خورشيدي معرفي شوند و علوم و فنون مربوطه ترويج يابند، صنايع خورشيدي كشور، مي توانند به عنوان يك صنعت خودكفا وارد عمل گردد. مهمترين نكته اين است كه پژوهشگران

و مخترعين و صنعتگران ايراني بايد طرحها و دستگاههايي را معرفي كنند كه با شرايط جوي و علمي و فني ايران مطابقت داشته و از نظر اقتصادي نيز مقرون به صرفه باشد.
به طور كلي دلايلي كه لزوم استفاده از انرژي خورشيدي را براي كشور ما آشكار مي سازند شامل فن آوري ساده، آلوده نشدن هوا و محيط زيست و از همه مهمتر ذخيره شدن سوختهاي فسيلي براي آيندگان يا تبديل آنها به مواد و مصنوعات پرارزش با استفاده از تكنيك پتروشيمي است.

كميت و كيفيت انرژي خورشيدي
انرژي در مركز خورشيد كه حرارت آن بين ۱۰ تا ۱۴ ميليون درجه سانتيگراد مي باشد توليد شده و از سطح خورشيد كه حرارت آن تقريبا معادل ۵۶۰۰ درجه سانتيگراد است به صورت امواج در فضا منتشر مي شود. نورهاي قابل رويت به وسيله چشم انسان ۴۶ درصد از كل انرژي صادره از خورشيد را تشكيل مي دهند كه اين اشعه ها در طول موجهاي ۳۵/۰ تا ۷۵/۰ ميكرون پخش شده و شامل همه رنگهاي آشنا به چشم انسان است. حدود ۴۷ تا ۴۹ درصد از تشعشعات خورشيدي در طول موجهاي مادون قرمز منتشر مي شوند. تشعشعاتي كه ما از آنها احساس گرما مي كنيم بيش از طول موج رنگ قرمز هستند(بيش از ۷۵/ ۰ميكرون). بقيه اشعه خورشيد در منطقه ماوراء بنفش و با طول موج كمتر از ۳۵/۰ميكرون منتشر مي شوند.

به طور كلي انرژي توليد شده توسط خورشيد ناشي از تحولات دما هسته اي در مركز خورشيد است كه به صورت تشعشعات الكترومغناطيسي و با فركانس بسيار زياد به فضاي خورشيد تابيده مي شود. تمام امواج الكترومغناطيسي كه از سطح خورشيد پخش مي شوند با سرعت حركت نور يعني ۳۰۰ هزار كيلومتر در ثانيه فضا را مي پيمايند و زمين كه در فاصله ۱۵۰ ميليون كيلومتر از خورشيد قرار گرفته فقط يك جزء از ۲۰۰۰ ميليون جزء انرژي خورشيد را دريافت مي كند.
از مجموع تشعشعات خورشيد كه به وسيله زمين و جو آن دريافت مي شود در حدود ۳۵ درصد آن مجددا به فضاي خارج از جو بازتاب مي شود.
نكته مهم اين است كه در طبقات فوقاني جو زمين، گاز اوزون تقريبا تمام اشعه هاي ماوراءبنفش را كه براي پوست و چشم انسان مضر است، جذب مي كند. بخار آب و دي اكسيد كربن در طبقات تحتاني جو زمين، اشعه مادون قرمز را جذب مي كنند.

يكي از مهمترين عواملي كه در تعيين ميزان تشعشعات خورشيدي كه به پوسته زمين مي رسد موثر مي باشد، طول مسيري است كه اشعه خورشيد قبل از رسيدن به سطح زمين در جو طي مي كند. در طول روز هنگامي كه خورشيد در اوج مسير روزانه خود قرار مي گيرد (ظهر خورشيدي) اشعه كمترين مسير را در جو طي كرده و به زمين مي رسدف ولي هر قدر خورشيد به افق نزديك مي شود (غروب آفتاب) مسيري كه به وسيله اشعه در جو زمين پيموده مي شود طولاني تر مي گردد. هرچقدر اين مسير طولاني تر باشد ميزان انرژي جذب شده و پراكنده شده در جو افزايش يافته و در نتيجه از مانده انرژي كه به زمين مي رسد كاسته مي شود. به همين دليل در نقاط مرتفع به علت كاسته شدن از ضخامت جو زمين، محتواي انرژي تشعشعي خورشيد از نقاط ديگر بيشتر است.

انرژي خورشيد به صورت يك دسته امواج متمركز و ثابت و به صورت موازي به سمت زمين تابيده خواهد شد. مهمترين تغييرات در شدت تابش خورشيد و دماي هواي محيط ناشي از حركت طبيعي زمين به دور خورشيد و مورب بودن محور چرخش كره زمين مي باشد كه حول اين محور داراي حركت وضعي است. اين شدت تابش تابع قانون عكس مجذور فاصله است و تغييرات آن نسبت به كره زمين داراي محدوده ۳% مي باشد.

زواياي خورشيدي
محوري كه زمين در حول ان حركت وضعي خود را انجام مي دهد نسبت به صفحه افقي كه از مركز زمين و خورشيد عبور مي كند، داراي زاويه مي باشد. زاويه اي كه اشعه خورشيد با صفحه استوا مي سازذ در ظهر خورشيدي زاويه ميل ناميده مي شود كه مقادير آن از ۴۵/۲۳- در اول زمستان تا صفر درجه در اول بهار و پاييز و ۴۵/۲۳+ درجه در اول تابستان براي نيمكره شمالي تغيير مي كند.

تغييرات فصول و همچنين تغييرات تابش خورشيد بر روي سطح زمين، و تغييرات در ساعات روشنايي و تاريكي، همه ناشي از تغييرات روزانه ميل مي باشد.
موقعيت خورشيد را مي توان با زاويه فراز يا ارتفاع خورشيد نسبت به افق و زاويه سمت در تصوير قائم نشان داد. در ظهر خورشيدي، خورشيد دقيقا روي نصف النهار زمين است و زاويه سمت صفر ميشود.

مسير حركت خورشيد
در ماههاي تابستان مسير حركت روزانه خورشيد طولاني تر و زاويه ارتفاع خورشيد بيشتر بوده و زاويه سمت هنگام طلوع و غروب آفتاب وسيعتر است، در صورتيكه در ماههاي زمستان اين مسير كوتاهتر و ارتفاع خورشيد كمتر و زاويه سمت در موقع طلوع و غروب بسته تر مي باشد.

مقدار تابش خورشيد بر زمين
اشعه هاي خورشيدي هنگام عبور از اتمسفر زمين مقداري از تشعشعات مستقيم خود را به وسيله نيتروژن، اكسيژن، گرد و غبار، وبخار آب و به طور كلي ذراتي قطرشان از طول موج اشعه هاي خورشيد كمتر يا برابر آنهاست، ازدست مي دهند. اشعه هاي جذب شده و پراكنده در اتمسفر زمين، عامل آبي رنگ بودن آسمان است كه البته مقداري از اين اشعه ها نيز به صورت پراكنده به سطح زمين برخورد مي كند.

اولين مرحله اين جذب ها كه باعث كاهش انرژي خورشيد شده در اثر وجود اوزون در خارج جو زمين است كه امواج تشعشعي ماوراءبنفش را تا طول موج ۲۹/۰ جذب مي كند و امواج تشعشعي با طول موجهاي بلندتر توسط مواد جاذب ديگري مثل بخار آب و دي اكسيد كربن جذب مي شوند. نكته قابل توجه اين است كه حتي در روزهايي كه نور آفتاب صفر است مقدار تابش صفر نمي باشد زيرا مقدار قابل توجهي از انرژي خورشيدي از طريق اشعه هاي پراكنده به زمين مي رسند.
مجموع امواج تشعشعي جذب شده در هر مكان را مي توان به وسيله ضخامت اتمسفر هوا در مسير اشعه و نيز تركيبات اتمسفر محاسبه نمود. اتمسفر استاندارد در سطح دريا شامل mm 8/2 اوزون، mm20 رطوبت معلق در هوا و ۳۰۰ ذره غبار در سانتيمتر مكعب مي باشد.

نتيجه گيري
عوامل زيادي در تامين شدت و كميت و كيفيت انرژي خورشيدي موثرند، كه عبارتند از طول و عرض جغرافيايي محل، ضخامت و تركيبات اتمسفر (نوع و مقدار ذرات موجود در اتمسفر)، رطوبت هوا، ابري يا آفتابي بودن و ارتفاع پوشش ابرها از سطح زمين، فصلها و ساعات شبانه روز و طول مسير حركت اشعه خورشيد تا زمين و …
شناخت و تامين اين عوامل كه به شناخت انرژي خورشيدي و تعيين شدت و نوع آن منجر مي شود، در نتيجه طراحي موفق يك ساختمان خورشيدي موثر است. طراحي دقيق، مناسب و علمي باعث افزايش شرايط آسايش و كاهش استفاده از سوختهاي كمكي براي ساختمان خورشيدي مي شود كه در بهينه سازي مصرف سوخت و كاهش تاثيرات مخرب آن بر محيط زيست موثر مي باشد.

آفتاب:
ايران چهارمين کشور صاحب نيروگاه توليد برق از انرژی خورشيدی است. پيش از اين کشورهای آمريکا، اسپانيا و آلمان به اين فن آوری دست يافته بودند.
به گزارش سرويس علم و فن آوری آفتاب، مدير دفتر انرژی خورشيدی سازمان انرژيهای نو ايران گفت : «پژوهشگران ايرانی پارسال با توليد بخار سوپرهيد از انرژی خورشيدی برق
” نخستين نيروگاه حرارتی برق خورشیدی کشور در شيراز قرار دارد و در حال حاضر به شکل آزمايشی استفاده می شود “
نيروگاهی توليد کردند ».

پيمان کنعان، گفت: «نخستين نيروگاه حرارتی برق خورشيدی کشور در شيراز قرار دارد و در حال حاضر به شکل آزمايشی استفاده می شود ».
وی در خصوص توليد برق به کمک سلولهای خورشيدی، گفت: «هم اکنون برق ۶۰ هزار خانه روستايی به اين روش تامين می شود و تا پايان امسال برق ۶۳ روستای ديگر هم به این شکل تامين خواهد شد».

کنعان با اشاره به فعاليت شش واحد صنعتی توليد آبگرمکن خورشيدی، گفت :« اين واحدها سالانه بيش از دو هزار آبگرمکن خورشيدی توليد می کنند».
رئيس سازمان صنايع و معادن اصفهان هم، اين استان را درکاربردی کردن انرژی خورشيدی درکشور پيشگام خواند و گفت: «هم اکنون آب گرم ۱۹۱ روستای استان و برق تمامی چراغهای چشمک زن و ۴۰ تقاطع هوشمند شهر اصفهان، از انرژی خورشيدی تامين می شود».

انرژي خورشيد يکي از منابع تامين انرژي رايگان، پاك و عاري از اثرات مخرب زيست محيطي است که از دير باز به روش‌هاي گوناگون مورد استفاده بشر قرار گرفته است.
بحران انرژي در سال‌هاي اخير، کشورهاي جهان را بر آن داشته که با مسائل مربوط به انرژي، برخوردي متفاوت نمايند که در اين ميان جاي‌گزيني انرژي‌هاي فسيلي با انرژي‌هاي تجديدپذير و از جمله انرژي خورشيدي به منظور کاهش و صرفه‌جويي در مصرف انرژي، کنترل عرضه و تقاضاي انرژي و کاهش انتشار گازهاي آلاينده با استقبال فراواني روبرو شده است.
به طور متوسط خورشيد در هر ثانيه ۱۰۲۰*۱٫۱ كيلووات ساعت انرژي ساطع مي‌كند. از كل انرژي منتشر شده توسط خورشيد، تنها در حدود ۴۷% آن به سطح زمين مي‌رسد. اين بدان معني است كه زمين در هر ساعت تابشي در حدود ۶۰ ميليون Btu دريافت مي‌کند.

يعني انرژي ناشي از سه روز تابش خورشيد به زمين ‌برابر با تمام ‌انرژي ناشي از احتراق كل سوخت‌‌هاي ‌فسيلي در دل زمين است و بنابراين مي‌توان نتيجه گرفت كه در اثر تابش خورشيد به مدت چهل روز، مي‌توان انرژي مورد نياز يک قرن را ذخيره نمود.
بنابراين با به كارگيري كلكتورهاي خورشيدي مي‌توان تا حدودي از اين منبع انرژي بي‌پايان، پاك و رايگان استفاده كرد و تا حد بسيار زيادي در مصرف سوخت‌هاي فسيلي صرفه جويي نمود

موقعيت كشور ايران از نظرميزان دريافت انرژي خورشيدي
كشور ايران در بين مدارهاي ۲۵ تا ۴۰ درجه عرض شمالي قرار گرفته است و در منطقه‌اي واقع شده كه به لحاظ دريافت انرژي خورشيدي در بين نقاط جهان در بالاترين رده‌ها قرار دارد. ميزان تابش خورشيدي در ايران بين ۱۸۰۰ تا ۲۲۰۰ كيلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمين زده شده است كه البته بالاتر از ميزان متوسط جهاني است. در ايران به طور متوسط ساليانه بيش از ۲۸۰ روزآفتابي گزارش شده است كه بسيار قابل توجه است.
ويژگي‌هاي استفاده از انرژي خورشيدي پاك و بدون آلودگي (حذف انتشار گازهاي گلخانه‌اي از جمله دي‌اكسيد كربن)
– بي‌پايان
– رايگان و دردسترس
– كاهش مصرف سوخت‌هاي فسيلي
– امن و بي‌خطر

كاربرد انرژي خورشيدي
۱- تامين روشنايي از انرژي خورشيدي
۲- تامين انرژي الكتريسيته
• توليد برق با استفاده از فوتوولتاييك‌ها

• توليد برق با استفاده از گرمايش خورشيدي
۳- سرمايش و گرمايش هوا
۴- اجاق ها
۵- آب شيرين كن

۶- گرمايش آب
• تهيه آب‌گرم مورد نياز مصارف خانگي با استفاده از آبگرمكن‌هاي خورشيدي
• تامين آبگرم در فرايندهاي صنعتي و تامين گرماي مورد نياز برخي فرايندها
• گرمايش استخرها
• مخازن ذخيره آب فصلي
• كاربرد انرژي خورشيدي

استفاده از گرمايش خورشيدي براي تامين آبگرم مصرفي در ايران از طريق راه اندازي دو نوع سيستم صورت گرفته است:
• آبگرمكن‌هاي خانگي خورشيدي (Domestic Solar Water Heaters)
• آبگرمكن‌هاي عمومي خورشيدي(Solar Bath water heater)

سلول های خورشيدی
طريقه دريافت الکتريسيته از انرژي خورشيدی :

۱-نيروگاه های حرارتی که حرارت لازم توسط آينه هايی که نور خورشيد را روی ديگ بخار متمرکز ميکنند, توليد ميشود.
۲-اثر فتوولتايی:در اين روش انرژی تابشی مستقيما به انرژی الکتريکی تبديل ميشود.قطعاتی که اثر فتوولتايی از خود نشان ميدهند به سلول خورشيدی معروفند .
و در حال حاظر بيشترين استفاده از انرژی خورشيدی با اين روش است.در برخی کشورها نيروگاه های فتوولتائيک ساخته شده که برای توليد برق است.
اما بيشترين استفاده از سلولهای خورشيدی در نيروگاه(( فتو ولتائيک۵۰مگاواتی جزيره کرت يونان))است.

اساس کار سلولهای خورشيدی :
سلول خورشيدی عبارت از قطعات نيمرسانايی هستند که انرژی تابشی خورشيد را به انرژی الکتريکی تبديل ميکنند.رسانندگی اين مواد به طور کلی به دما ,روشنايی ,میدان مغناطیسی و مقدار دقيق ناخالصی موجود در نيم رسانا بستگی دارد.
از ويژگی های سلولهای خورشيدی ميتوان به اين موارد اشاره کرد:
جای زيادی اشغال نمی کنند .قسمت متحرک ندارند .بازده آنها با تغييرات دمايی محيط تغييرات چندانی نمی کنند.نسبتا به سادگی نصب می شوند.به راحتی با سيستمهای به کار رفته در ساختمان جور می شوند.

همچنين از اشکالات سلولهای خوشيدی می توان به توليد وسايل فتوولتائيک که هزينه زيادی دارد و چگالی انرژی تابشی که بسيار کم است اشاره کرد که در فصول مختلف و ساعات متفاوت شبانه روز تغير می کند که بايد ذخيره شود و همين موضوع بسيار هزينه بر است.
کاربردهای سلولهای خوشيدی :
۱-تامين نيروی حرکتی ماهواره ها و سفينه های فضاي
۲-تامين انرژی لازم دستگاهايی که نياز به ولتاژهای کمتری دارند مثل ماشين حساب و ساعت
۳-تهيه برق شهر توسط نيروگاههای فتوولتائيک

۴-تامين نيروی لازم برای حرکت خودروها و قايقهای کوچک
مسائل انرژی برای محيط زيست زمين حياتی است….
مهم ترين فناوری های موجود در زمينه انرژی خورشيدی فناوری های خورشيدی حرارتی، تمرکز انرژی خورشيدی، و فتوولتائيک هستند.
تجهيزات خورشيدی حرارتی از گرمای مستقيم خورشيد استفاده کرده و از آن برای هر کاری، از گرم کردن استخرهای شنا گرفته تا توليد بخار در نيروگاه های برق استفاده می کنند.نيروگاه هايی که انرژی خورشيدی را متمرکز می کنند با تبديل آفتاب به حرارت های بالا توسط آينه های بزرگ و سپس انتقال انرژی اين حرارت به ژنراتورهای معمولی برق توليد می کنند. اين نيروگاه ها متشکل از دو بخش هستند – يکی که انرژی خورشيدی را جمع آوری و به حرارت تبديل می کند، و ديگری که انرژی حرارتی را به الکتريسيته تبديل می کند.

از دو شيوه حرارتی خورشيدی و تمرکز انرژی خورشيدی در سرتاسر جهان استفاده شده که اين امر به رشد فناوری های تجديد شونده خورشيدی کمک می کند. اما سريع ترين روند رشد در اين زمينه به فناوری فتوولتائيک مربوط می شود. اين کلمه متشکل است از فتو به معنی نور و ولتائيک به معنی توليد ولتاژ.
سلول های فتوولتائيک از آفتاب سوخت می گيرند، نه از حرارت. اين سلول ها که غالبا از سيليکن نيمه هادی ساخته شده اند، نور آفتاب را مستقيما به برق تبديل می کنند.
ساده ترين سلول های فتوولتائيک نيروی مورد نياز ساعت های مچی و ماشين حساب ها را تامين می کنند؛ سيستم های پيچيده تر با اتصال به شبکه برق، برق مورد نياز برای پمپاژ آب، راه انداختن تجهيزات ارتباطی، روشن کردن منازل و کار کارخانه ها را تامين می کنند.

در فرايند فتوولتائيک، ذرات نور که فوتون نام داشته به داخل سلول ها نفوذ کرده و با آزاد کردن الکترون از اتم های سيليکن جريان الکتريکی توليد می کنند. تا زمانی که تابش نور به داخل سلول در جريان باشد، الکتريسيته توليد می شود. يين سلول ها الکترون های خود را مانند باتری ها تمام نمی کنند – آنها مبدل هايی بوده که يک نوع انرژی (خورشيدی) را به نوعی ديگر (جريان الکترون ها) تبديل می کند.

سلول های فتوولتائيک معمولا در مدول هاي که هر يک از ۴۰ سلول تشکيل شده ترکيب می شوند. ده مدول اين چنينی در يک مجموعه فتوولتائيک نصب می شود. با استفاده از اين مجموعه ها می توان به اندازه يک ساختمان، يا در تعداد بيشتر به اندازه يک نيروگاه برق توليد کرد.راندمان تبديل انرژی خورشيدی به الکتريسيته چيزی در حدود ۱۰ درصد است. اگر فقط ۱۰ درصد از انرژی به برق تبديل می شود، پس يعنی ۹۰ درصد ديگر آن به صورت گرما تلف می شود. در صورتی که راندمان تبديل ۲۰ درصد بود، مساحت سلول های خورشيدی لازم برای توليد برق با ضريب دو کاهش می يافت.در بسياری از مناطق روستايی، از مجموعه های خورشيدی کوچک خوداتکا برای روشنايی، شارژ حصارهای برقی و پمپاژ آب برای دام ها استفاده می شود. بعضی از سيستم های مرکب انرژی خورشيدی را با انرژی باد يا ديزل ترکيب می کنند.

مزيت ديگر فناوری فتوولتائيک اين است که می تواند با مصالح ساختمانی ترکيب شده و در خود ساختمان و نه فقط روی سقف جاسازی شود.
در چنين ساختمان هايی، سيستم های فتوولتائيک تبديل به بخشی از عناصر تشکيل دهنده ساختمان می شوند.
صنعت فتوولتائيک در سرتاسر جهان صنعت چند ميليارد دلاری ای بوده که در حال کمک کردن به رشد و توسعه فناوری خورشيدی است.
استفاده از انرژي هاي خورشيدي

خورشيد نه تنها خود منبع عظيم انرژی است، بلکه سرآغاز حيات و منشاء تمام انرژيهای ديگر است. طبق برآوردهای علمی در حدود ۶۰۰۰ ميليون سال از تولد اين گوی آتشين می‌گذرد و در هر ثانيه ۲/۴ ميليون تن از جرم خورشيد به انرژی تبديل می‌شود. با توجه به وزن خورشيد که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمين است. اين کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظيم انرژی تا ۵ ميليارد سال آينده به حساب آورد.

قطر خورشيد ۶۱۰ × ۳۹/۱ کيلومتر است و از گازهايی نظير هيدروژن (۸/۸۶ درصد) هليوم (۳ درصد) و ۶۳ عنصر ديگر که مهم‌ترين آنها اکسيژن – کربن – نئون و نيتروژن است تشکيل شده‌است. ميزان دما در مرکز خورشيد حدود ۱۰ تا ۱۴ ميليون درجه سانتيگراد می‌باشد که از سطح آن با حرارتی نزديک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطيسی در فضا منتشر می‌شود. .

زمين در فاصله ۱۵۰ ميليون کيلومتری خورشيد واقع است و ۸ دقيقه و ۱۸ ثانيه طول می‌کشد تا نور خورشيد به زمين برسد. بنابراين سهم زمين در دريافت انرژی از خورشيد حدود از کل انرژی تابشی آن می‌باشد.
جالب است بدانيد که سوختهای فسيلی ذخيره شده در اعماق زمين، انرژيهای باد و آبشار و امواج درياها و بسياری موارد ديگر از جمله نتايج همين مقدار انرژی دريافتی زمين از خورشيد می‌باشد.
کاربردهای انرژی خورشيدی
در عصر حاضر از انرژی خورشيدی توسط سيستم‌های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره‌گيری می‌شود که عبارت‌اند از:
۱٫ استفاده از انرژی حرارتی خورشيد برای مصارف خانگی، صنعتی و نيروگاهی.
۲٫ تبديل مستقيم پرتوهای خورشيد به الکتريسيته بوسيليه تجهيزاتی به نام فتوولتائيک.

استفاده از انرژی حرارتی خورشيد
اين بخش از کاربردهای انرژی خورشيد شامل دو گروه نيروگاهی و غير نيروگاهی ميباشد.
کاربردهای نيروگاهی
تأسيساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشيد به الکتريسيته تبديل می‌شود نيروگاه حرارتی خورشيدی ناميده می‌شود اين تأسيسات بر اساس انواع متمرکز کننده‌های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده‌ها به سه دسته تقسيم می‌شوند:
• نيروگاههايی که گيرنده آنها آينه‌های سهموی ناودانی هستند (شلجمی باز)

• نيروگاه‌هايی که گيرنده آنها در يک برج قرار دارد و نور خورشيد توسط آينه‌های بزرگی به نام هليوستات به آن منعکس می‌شود. (دريافت کننده مرکزی)
• نيروگاه‌هايی که گيرنده آنها بشقابی سهموی (ديش) می‌باشد (شلجمی بشقابی)

قبل از توضيح در خصوص نيروگاه خورشيدی بهتر است شرح مختصری از نحوه کارکرد نيروگاه‌های توليد الکتريسيته داده شود. بهتر است بدانيم در هر نيروگاهی اعم از نيروگاههای آبی، نيروگاههای بخاری و نيروگاههای گازی برای توليد برق از ژنراتورهای الکتريکی استفاده می‌شود که با چرخيدن اين ژنراتورها برق توليد می‌شود. اين ژنراتورهای الکتريکی انرژی دورانی خود را از دستگاهی بنام توربين تأمين می‌کنند. بدين ترتيب می‌توان گفت که ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتريکی تبديل می‌کنند. تأمين کننده انرژی جنبشی ژنراتورها، توربين‌ها هستند توربينها انواع مختلف دارند در نيروگاههای بخاری توربينهایی وجود دارند که بخار با فشار و دمای بسيار بالا وارد آنها شده و موجب به گردش در آمدن پره‌های توربين ميگردد. در نيروگاه‌های آبی که روی سدها نصب می‌شوند انرژی پتانسيل موجود در آب موجب به گردش در آمدن پره‌های توربين می‌شود.

بدين ترتيب می‌توان گفت در نيروگاههای آبی انرژی پتانسيل آب به انرژی جنبشی و سپس به الکتريکی تبديل می‌شود، در نيروگاههای حرارتی بر اثر سوختن سوختهای فسيلی مانند مازوت، آب موجود در سيستم بسته نيروگاه داخل ديگ بخار (بويلر) به بخار تبديل می‌شود و بدين ترتيب انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتريکی تبديل می‌شود در نيروگاههای گازی توربينهايی وجود دارد که بطور مستقيم بر اثر سوختن گاز به حرکت درآمده و ژنراتور را می‌گرداند و انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتريکی تبديل می‌شود. و اما در نيروگاههای حرارتی خورشيدی وظيفه اصلی بخش‌های خورشيدی توليد بخار مورد نياز برای تغذيه توربينها است يا به عبارت ديگر می‌توان گفت که اين نوع نيروگاهها شامل دو قسمت هستند:
• سيستم خورشيدی که پرتوهای خورشيد را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده توليد بخار می‌نمايد.
• سيستمی موسوم به سيستم سنتی که همانند ديگر نيروگاههای حرارتی بخار توليد شده را توسط توربين و ژنراتور به الکتريسيته تبديل می‌کند.

انرژی خورشیدی

چنانکه می دانیم تقریباً تمام شکل های زمینی انرژی، از خورشید سرچشمه می گیرند.کلیه بحث های مربوط به بهره برداری از انرژی خورشیدی ، به مسائل فنی و هزینه آن ارتباط می یابد. خورشید با پرتوافشانی همیشگی خود ، زندگی را در کره زمین امکان پذیر ساخته است.

خورشید شیء هیدرودینامیکی شگفت انگیزی است به قطر ۱۳۹۰۰۰۰ کیلومتر که از یک توده گاز ، عمدتاً هیدروژن تشکیل شده است. هسته خورشید به شدت گرم است ، به طوری که همجوشی اتم های هیدروژن و تشکیل هلیوم را امکان پذیر می سازد. براثر این همجوشی، انرژی به صورت تشعشعات الکترومغناطیسی با فرکانس زیاد آزاد می شود. این انرژی به وسیله یک رشته فرآیندهای تشعشعی پی درپی به سطح خورشد منتقل می شود. پرتوهای خورشیدی در فضا پراکنده شده و بخشی از آن به زمین می رسد.ت شعشعات الکترو مغناطیسی که به صورت اشعه واگرا از خورشید ساطع می گردند ، با سرعت ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه در فضا منتشر می شوند. زمین که در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید قرار دارد ، تنها در حدود ۲ میلیاردیم انرژی منتشر شده از خورشید را می گیرد.

مقدار انرژی متوسط خورشیدی که به جو می رسد ، در حدود ۳۵۳/۱ کیلووات در هر متر مربع است. مقدار انرژی ای که به سطح زمین می رسد ، بسیار کمتر و مقداری که قابل بهره برداری است ، از آن هم کمتر است. چنانکه مجموع انرژی خورشیدی را در زمین هایی که نه در تصرف کسی و نه زیر کشت است حساب کنیم ، در آن صورت به بهترین وجه ظرفیت بالقوه بهره برداری از انرژی خورشیدی به دست می آید. طبق برآوردها این رقم به طور متوسط در سال TW 10000 ( تراوات) است که تقریباً ۱۰۰۰ برابر مصرف کنونی انرژی در جهان می باشد.

بالاترین رقم انرژی خورشیدی قابل دریافت تقریباً برابر KW 1 بر متر مربع و آن هم به مدت یکی دو ساعت در ظهر روزهای گرم تابستان است. در بیشتر نواحی کره زمین این رقم به طور متوسط در حدود W 200 بر هر متر مربع است.ظاهراً آسیا و آفریقا بهترین نقاط برای گردآوری انرژی خورشیدی هستند.
محاسبات نشان می دهند بر مبنای قیمت ها در سال ۱۹۷۹، برای آبیاری اراضی بایر با پمپ های ۳۰ کیلو واتی ، هزینه استفاده از پمپ های خورشیدی کمتر از هزینه پمپ های دیزلی است. از آن زمان تاکنون بهای مواد نفتی مرتباً اضافه شده ، حال آنکه بهای سلول های فتوولتاییک در حال کاهش است.
با در نظر گرفتن کلیه عوامل، از جمله قابلیت اطمینان و دوام تجهیزات ، وجود کارکنان متخصص ، نگاهداری تأسیسات ، امکان ساختن تمام یا بعضی قطعات در کشور مصرف کننده و۰۰۰ ، استفاده از انرژی خورشیدی بر سایر روش های تولید انرژی های نو برتری آشکار دارد.

کاربردهای انرژی خورشیدی
در این قسمت به تعدادی از کاربردهای انرژی خورشیدی اشاره می شود.
*سیستم های گرما خورشیدی
این گروه سیستم هایی را در بر می گیرد که با درجه حرارت پایین عمل می کنند. این سیستم ها از منبع خورشیدی برای تولید گرما استفاده می کنند. انرژی خورشیدی که پایان ناپذیر و رایگان است و محیط زیست را آلوده نمی کند.