انرژی خورشیدی

مقدمه
پیشرفت علم و فن آوری علاوه بر دستاوردهای فراوان برای آسایش و رفاه بشر، همواره مشکلات تازه ای را بهمراه داشته است که بعنوان مثال آلودگی های زیست محیطی ناشی از سوخت های فسیلی از آن جمله است.
به عبارت دیگر از یک طرف در نتیجه سوختن مواد فسیلی گازهای سمی وارد هوا میشود و تنفس انسان را مشکل می کند و محیط زیست را آلوده می سازد و از طرفی دیگر تراکم این گازها در جو زمین مانع خروج گرما، از اطراف زمین می شود و باعث افزایش دمای هوا و تغییرات گسترده آب و

هوایی در زمین می گردد که اثر گلخانه ای نامیده می شود. چنانچه افزایش دمای هوا مطابق روند فعلی ادامه یابد، بازگرداندن آن به وضعیت سابق تقریبا غیر ممکن خواهد بود. بهترین راه حلی که اکثر دانشمندان پیشنهاد کرده اند، متوقف کردن روند رو به رشد این گازهای مضر است.
متخصصان بر این باورند که با استفاده از انرژیهای پاک نظیر انرژی خورشیدی، بادی، زمین گرمایی، امواج و … بجای انرژی های حاصل از سوختهای فسیلی از آلودگیهای زیست محیطی و خطرات مترتب بر آن جلوگیر ی خواهد شد.

با توجه به موارد یاد شده وزارت نیرو فعالیت های گسترده ای را برای استفاده از انرژی های نو از سال ۱۳۷۴ آغاز نموده و این فعالیت ها در سازمان انرژی های نو ایران ( سانا ) متمرکز گردیده است. این سازمان تا کنون به دست آوردهای مهمی نایل شده است ولی هنوز ابتدای راه است و امید داریم بتوانیم با حمایت مسئولین و مقامات شایسته دست یابیم.
جزوه حاضر در زمینه انرژی خورشیدی برای آگاهی دانش آموزان عزیز تهیه شده است. در مورد سایر انرژیهای نو از قبیل انرژی باد، زمین گرمایی، زیست توده و هیدروژن نیز جزوه هایی برای دانش آموزان در دست تهیه است که بزودی تکثیر و منتشر خواهد گردید.

خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلکه سرآغاز حیات و منشا تمام انرژی های دیگر است. طبق برآوردهای علمی در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می گذرد و در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را می توان بعنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد.

قطر خورشید کیلومتر است و از گازهایی نظیر هیدروژن ( ۸/ ۸۶ درصد )، هلیوم ( ۳ درصد ) و ۶۳ عنصر دیگر که مهمترین آنها اکسیژن- کربن- نئون و نیتروژن است تشکیل شده است.
میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می شود.

زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می کشد تا نور خورشید به زمین برسد بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید حدود از کل انرژی تابشی آن می باشد.
جالب است بدانید که سوختهای فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرژیهای باد و آبشار و امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید می باشد.
تاریخچه :

اطلاعات درباره تاریخچه خورشید
شناخت انرژی خورشید و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ما قبل تاریخ باز می گردد. شاید به دوران سفالگری، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلایی صیقل داده شده و اشعه خورشید، آتشدانهای محرابها را روشن می کردند. یکی از فراعنه مصر معبدی

ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب بسته می شد. ولی مهمترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید گفته می شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و

به این ترتیب آنها را به آتش کشیده بود. در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و موثر از انرژی خورشید در زمان های قدیم بوده است.
با وجود آنکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستمهایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستمها شده بود. تا اینکه افزایش قیمت نفت در سال ۱۹۷۳ باعث شد که در کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله تولید انرژی از راه های دیگر ( غیر از استفاده از سوختهای فسیلی ) توجه جدی تری نمایند.

کاربردهای انرژی خورشید
در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستمهای مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری می شود که عبارتند از :
۱٫ استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی
۲٫ تبدیل مستقیم پرتو های خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتو ولتائیک.
استفاده از انرژی حرارتی خورشید
این بخش از کاربردهای انرژی خورشیدی شامل دو گروه نیروگاهی و غیر نیروگاهی می باشد.
کاربردهای نیروگاهی
تاسیساتی که با استفاده از آن

ها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می شود. این تاسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند.
الف- نیروگاههایی که گیرنده آنها آینه های سهموی ناودانی هستند ( شلجمی باز )
ب- نیروگاههایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه های بزرگی بنام هلیوستات به آن منعکس می شود. ( دریافت کننده مرکزی )

پ- نیروگاههایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (دیش ) می باشد ( شلمجی بشقابی )
قبل از توضیح در خصوص نیروگاه خورشیدی بهتر است شرح مختصری از نحوه کارکرد نیروگاههای تولید الکتریسیته داده شود.
بهتر است بدانیم در هر نیروگاهی اعم از نیروگاههای آبی ، نیروگاههای بخاری ونیروگاههای گازی برای تولید برق از ژنراتورهای الکتریکی استفاده می شود که با چرخیدن این ژنراتورها برق تولید می شود. این ژنراتورهای الکتریکی انرژی دورانی خود را از دستگاهی بنام توربین تامین می کنند. بدین

ترتیب می توان گفت که ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. تامین کننده انرژی جنبشی ژنراتورها ، توربینها هستند. توربینهایی وجود دارند که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آنها شده و موجب به گردش در آمدن پره های توربین میگردد. درنیروگاههای آبی که روی سدها نصب می شوند انرژی پتانسیل موجود در آب موجب به گردش در آمدن پره های توربین می

شود بدین ترتیب می توان گفت در نیروگاههای آبی انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود، در نیروگاههای حرارتی بر اثر سوختن سوختهای فسیلی مانند مازوت ، آب موجود در سیستم بسته نیروگاه داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل می شود و بدین ترتیب انرژی حراراتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود در نیروگاههای گازی توربینهایی

 

وجود دارند که بطور مستقیم بر اثر سوختن گاز به حرکت در آمده و ژنراتور را می گرداند و انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود. و اما در نیروگاههای حرارتی خورشیدی وظیفهاصلی بخشهای خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغدیه توربینها است یا به عبارت دیگر می توان گفت که این نوع نیروگاهها شامل دو قسمت هستند:
الف) سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می نماید.
ب) سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاههای حرارتی بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می کند.
نیروگاههای حرارتی خورشید از نوع سهموی خطی
در این نیروگاهها ، از منعکس کننده هایی که به صورت سهموی خطی می باشند جهت تمرکز پرتوهای خورشیددرخط کانونی آنها استفاده می شود و گیرنده به صورت لوله ای در خط کانونی منعکس کننده ها قرار دارد
در داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم و داغ می گردد.
این روغن از مبدل حرارتی عبور کرده و اب را به بخار تبدیل می کند این سیستم آب و بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاههای حرارتی انتقال داده می شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد.
برای بهره گیری بیشتر و افزایش بازدهی لوله دریافت کننده سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی پوشش می دهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشه ای به صورت لفاف پوشیده می شود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری گردد و نیز از لوله درافت کننده محافظت بعمل آید.

ضمناً بین دو لوله خلاً بوجود می آورند برای آنکه پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت کنند برسد.
در این نیروگاهها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که بوسیله آن آینه های شلجمی دائماً خورشید را دنبال می کنند وپرتوهای آن در روی لوله دریافت کننده متمرکز می نمایند.
تغییرات تابش خورشید در این نیروگاهها توسط منبع ذخیره وگرم کن سوخت فسیلی جبران می شوند. درچند کشور نظیر ایالات متحده امریکا-اسپانیا-مصر-مکزیک-هند و مراکش ازنیروهای سهموی

خطی استفاده شده است که این نیروگاهها یا در مرحله ساخت ویا در مرحله بهره برداری قرار دارند. در ایران نیز تحقیقات ومطالعاتی در زمینه این نیروگاهها انجام شده وپروژه یک نیروگاه تحقیقاتی با ظرفیت ۲۵۰ کیلو وات توسط سازمان انرژیهای نو ای

ران در شیراز در حال انجام می باشد وانتظار می رود تا پایان سال ۸۳ به بهره لرداری برسد.
کلیه مطالعاتی ، طراحی وساخت این نیروگاه به طور کامل توسط متخصصین و مهندسان ایرانی انجام می پذیرد.
بدیهی است که با افزایش ظرفیت فنی و علمی که دراثر اجرای پروژه نیروگاه خورشیدی شیراز عاید محققین مجرب ایرانی می شود ایران در زمره محدود کشورهای سازنده نیروگاههای خورشیدی از نوع متمرکز کنندهای سهموی خطی قرار خواهد گرفت

نیروگاههای حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزی
در این نیروگاهها پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس کننده به نام هلیوستات بر رو یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته است متمرکز می گردد.
درنتیجه روی محل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست می آید که این انرژی بوسیله سیال عامل که در داخل دریافت کننده در حرکت است، جذب می شود و بوسیله مبدل حراراتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیوگاههای سنتی منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید می گردد.

این سیال عامل در مبدلهای حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا میگردد. در برخی از سیستم ها سیال عامل آب است و مستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می شود.
برای استفاده دائمی از این نوع نیروگاه ،در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد مثلا ساعات ابری شبها از سیستم های ذخیره کننده حرارت و یا احیاناً از تجهیزات پشتیبانی که ممکن است از سوخت فسیلی استفاده کنند. جهت ایجاد بخار برای تولید برق کمک گرفته می شود.
مطالعات و تحقیقات در زمینه فناوری و سیستم های این نیروگاهها ادامه دارد و آزمایشها و

موسسات متعددی درسراسر دنیا در این زمینه فعالیت می کنند.
مطالعات ساخت اولین نیروگاه خورشییدی ایران از نوع دریافت کننده مرکزی توسط سازمان انرژیهای نو ایران و با کمک شرکتهای مشاور وسازنده داخلی با ظرفیت یک مگا وات وسیال عامل آب و بخار در طالقان جریان دارد. کلیه مطالعات اولیه وپتانسیل سنجی و طراحی نیروگاه به انجام رسیده ویک نمونه هلیوستات نیز ساخته شده است.

نیروگاههای حرارتی از نوع شلجمی بشقابی
در این نیروگاهها از منعکس کننده هایی که به صورت شلجمی بشقابی می باشد جهت تمرکز نقطه ای پرتوهای خورشید استفاده می گردد و گیرنده هایی که درکانون استفاده می گیرتد به کمک سیال جاری درآن انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حررتی و ژنراتور آن را به توان مکانیکی و الکتریکی تبدیل می نماید.

دودکش های خورشیدی
روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از برج نیرو یا دود کش های خورشیدی می باشد در این سیستم از خاصیت دودکش ها استفاده می شود به این صورت که با استفاده از یک برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر وتعداد زیادی گرم خانه های خورشیدی که در اطراف آن است هئای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدی در یک گرمخانه تولید می شود وبه طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه قرار دارد ، هدایت می شود.
این هوای گرم به علت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و باعث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده است نصب می گردد و بوسیله این ژنراتور برق تولید می شود هم اکنون یک نمونه از این سیسشتم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر میرسد.

مزایای نیروگاههای خورشیدی
نیروگاههای خورشیدی که انرژی خورشید را به برق تبدیل می کنند امید است در آینده با مزایای قاطعی که در برابر نیروگاههای فسیلی و اتمی دارند به خصوص اینکه سازگار با محیط زیست می باشند، مشکل برق بخصوص دردوران اتمام ذخایر نفت و گاز را حل نمایند. تاسیس و بکار گیری نیروگاههای خورشیدی آینده ای پر ثمر و زمینه ای گسترده را برای کمک به خودکفایی و قطع وابستگی کشور به صادرات نفت فراهم خواهد کرد. اکنون شایسته است که به ذکر چند مورد از مزایای این نیروگاهها بپردازیم.
الف) تولید برق بدون مصرف سوخت

نیروگاههای خورشیدی نیاز به سوخت ندارد وبر خلاف نیروگاههای فسیلی که قیمت برق تولیدی آنها تابع قیمت نفت بوده و همیشه در حال تغییر می باشد، در نیروگاههای خورشیدی این نوسان وجودنداشته ومی توان بهای برقی مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگهداشت.
ب) عدم احتیاج به آب زیاد
نیروههای خورشیدی بخصوص دودکشهای خورشیدی با هوای گرم احتیاج به آب ندارد .لذا برای مناطق خشک مثل ایران بسیار حائز اهمیت می باشند (نیروگاههای حرارتی سنتی هنگام فعالیت نیاز به آب مصرفی زیادی دارند).
پ) عدم آلودگی محیط زیست
نیروگاههای خورشیدی ضمن تولید برق هیچگونه آلودگی درهوا نداشته و مواد سمی ومضر تولید نمی کنند در صورتیکه نیروگاههای فسیلی هوا ومحیط اطاف خود را با مصرف نفت-گاز و یا ذغال سنگ آلوده کرده ونیروگاههای اتمی با تولید زباله های هسته ای خود که بسیار خطرناک و رادیو اکتیو هستند محیط زندگی را آلوده و مشکلات عظیمی را برای ساکنان کره زمین بوجود می آورند.
ت) امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای
نیروگاههای خورشیدی می توانند با تولید برق به شبکه سراسری برق نیرو برسانند ودر عین امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای ، احتیاج به تاسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال برق ندارند ونیاز به هزینه زیاد احداث شبکه های انتقال نمی باشد.
ث)استهلاک کم و عمر زیاد

نیروگاههای خورشیدی به دلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر طولانی می باشند درحالی که عمر نیروگاههای فسیلی بین ۱۵ تا ۳۰ سال محاسبه شده است
ج) عدم احتیاج به متخصص نیروگاههای خورشیدی احتیاج به متخصص عالی ندارد ومی توان آنها را بطور اتوماتیک بکار انداخت، درصورتیکه در نیروگاههای اتمی وجود متخصصین در سطح عالی ضروری بوده و این دستگاهها احتیاج به مراقبتهای دائمی و ویژه دارند.

کاربردهای غیر نیروگاهی
کاربردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می باشد که اهم آنها عبارتند از: آبگرم کن وحمام خورشیدی- سرمایش و گرمایش خورشیدی۰آب شیرین کن خورشیدی-خشک کن خورشیدی- اجاق خورشیدی-کوره های خورشیدی و خانه های خورشیدی
الف)آبگرمکن خورشیدی – خشک کن خورشیدی- اجاق خورشیدی وخانه های خورشیدی

الف) آبگرمکن خورشیدی و حمام خورشیدی
تولید آب گرم مصرفی ساختمانها اقتصادی ترین روشهای استفاده از انرژی خورشیدی است. می توان از انرژی حرارتی خورشید جهت تهیه آب گرم بهداشتی درمنازل و امکان عمومی به خصوص در مکانهایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد چنانچه ظرفیت ایسن سیستم ها افزایش یابد می توان از آنها درحمامهای خورشیدی نیز استفاده نمود.
تاکنون با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران تعداد زیادی آبگرم کن خورشیدی و چندین دستگاه حمام خورشیدی درنقاط مختلف کشور از جمله خراسان،سیستان وبلوچستان ویزد نصب و راه اندازی شده است.

ب) گرمایش وسرمایش ساختمان وتهویه مطبوع خورشیدی
گرمایش وسرمایش ساختمانها با استفاده از انرژی خورشید ، ایده تازه ای بود که در سالهای ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی رسید. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستمهای خورشیدی می توان علاوه برتهیه آب گرم مصرفی وگرمایش از این سیستم ها در فصول گرم برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.
پ) آب شیرین کن خورشیدی
هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شوراثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می ماند