انرژی آفتاب

از انرژی حرارتی خورشید علاوه بر استفاده نیروگاهی، می توان در زمینه های زیر بصورت صنعتی، تجاری و خانگی استفاده کرد:

 

گرمایش آب مصرفی( آب گرمکنهای خورشیدی برای منارل، ساختمانها، کارخانجات و استخرها)

 

آبگرمکن های خورشیدی به طوریکه از نام آنها پیداست از طریق جذب انرژی تابش خورشید توسط صفحات جاذب ( کلکتور ) عمل می نمایند و راندمان گرمایشی آنها در فصول مختلف سال و بر حسب موقعیتهای جغرافیایی متفاوت می باشد . مخزن آبگرم به گونه ای طراحی شده که آبگرم را بطور ذخیره درشبانه روز مهیا نماید و تلفات حرارتی آن تا صبح روز بعد و طلوع مجدد بسیار ناچیز باشد .
با استفاده از این سیستم می توان هزینه های مصرف گاز – گازوئیل و برق را بطور چشمگیری کاهش داد که این امر در پروژه های بزرگ ملموس تر خواهد بود، بطوریکه بعد از گذشت حدود 4 الی 5 سال می توان با صرفه جویی در مصرف سوخت های فسیلی سرمایه گذاری اولیه را مستهلک نمود . هزینه های نگهداری و تعمیرات این سیستمها بسیار پائین است. طول عمر کارکرد سیستمهای استانداد و با کیفیت فنی بالا تا 15 سال می رسد .

 

گرمایش فضای داخلی ساختمانها

 

  گرمایش ساختمان توسط خورشید، اولین و اصلی ترین کاربرد انرژی خورشیدی در بخش ساختمان می باشد. سیستمهای گرمایش خورشیدی برمبنای نوع سیال هوا یا مایع، که در کلکتورهای خورشیدی گرم می شود، به دو نوع عمده تقسیم بندی می شوند. هر دو نوع از این سیستم ها تابش خورشید را جمع آوری و جذب کرده و حرارت بدست آمده از خورشید را جهت تامین بار گرمایش مستقیما" به فضاهای داخلی ساختمان ها انتقال می دهند. استفاده این سیستم ها از منبع انرژی  بی پایان و ارزان خورشیدی یکی از مزایای سیستم های خورشیدی می باشد و از همه مهمتر این سیستم ها برخلاف سوخت های فسیلی تهدیدی برای محیط زیست به شمار نمی روند.

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی عظیم ترین منبع انرژی در جهان است. این انرژی پاک، ارزان و بی پایان بوده و در بیشتر مناطق کره زمین قابل استحصال می باشد. محدودیت منابع فسیلی و پیامدهای حاصل از تغییرات زیست محیطی و آب و هوای جهانی، فرصتهای مناسبی را برای رقابت انرژی خورشیدی با انرژیهای فسیلی خصوصا در کشورهایی با پتانسیل بالای تابش ایجاد نموده است. سیستمهای انرژی خورشیدی، فنآوریهای جدیدی هستند که برای تامین گرما، آب گرم، الکتریسیته و حتی سرمایش منازل مسکونی، مراکز تجاری و صنعتی بکار می روند. فنآوریهای حرارتی خورشیدی به دو بخش نیروگاههای حرارتی خورشیدی و کاربردهای غیر نیروگاهی سیستمهای خورشیدی تقسیم بندی می شوند. نیروگاههای حرارتی خورشیدی از تابش مستقیم خورشید (DNI) استفاده می کنند. این بخش از تابش خورشید توسط ابرها، دود یا گرد و غبار منحرف نمی شود. بنابراین، نیروگاههای حرارتی- خورشیدی باید در مناطقی که از تابش مناسب خورشید برخوردار هستند ساخته شوند. سایتهای مناسب برای ساخت نیروگاههای خورشیدی از تابش خورشید 2000 کیلوات ساعت بر هر متر مربع (kWh/m2y) سالانه برخوردار هستند، مناطق مناسب تر جهت احداث این نوع نیروگاهها از تابشی بیش از 2800 کیلوات ساعت بر هر متر مربع (kWh/m2y) سالانه برخوردار هستند. به طور معمول نقاطی برای این سایتها مناسب هستند که آب و هوا و گیاهان منطقه رطوبت و گرد وغبار زیادی را در اتمسفر ایجاد نمی کنند مانند استپها، بوته زار، صحراهای نیمه خشک و صحراها که به طور معمول در عرض جغرافیایی شمال یا جنوب کمتر از 40 درجه قرار دارند. از مناطق مستعد می توان به جنوب غربی ایالات متحده آمریکا، کشورهای مدیترانه ای اروپا، خاور میانه و خاور نزدیک، ایران و صحراهای هند، پاکستان، چین و استرالیا اشاره نمود.   در بسیاری از مناطق جهان می توان با استفاده از تکنولوژیهای حرارتی-خورشیدی در مساحت یک کیلو متر مربع از زمین، 100 الی 300 گیگاوات ساعت الکتریسیته خورشیدی تولید نمود. این مقدار معادل تولید سالانه نیروگاههای متداول فسیلی، زغال سنگ یا گازی با ظرفیت 50 مگاوات در بار متوسط است.    یک نیروگاه خورشیدی شامل تاسیساتی است که انرژی تابشی خورشید را جمع کرده و با متمرکز کردن آن، درجه حرارتهای بالا ایجاد می کند. انرژی جمع آوری شده از طریق مبدلهای حرارتی، توربین ژنراتورها و یا موتورهای بخار به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد. نیروگاه های خورشیدی بر اساس نوع متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند:   نیروگاه سهموی خطی (Parabolic Trough Concentrator)   نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سیستم کلکتور سهموی خطی شامل ردیفهای موازی و طولانی از متمرکز کننده ها میباشد. بخش متمرکز کننده شامل سطوح انعکاسی سهموی است که از جنس آینه های شیشه ای میباشند و روی یک سازه نگهدارنده قرار میگیرند. دریافت کننده انرژی شامل لوله های جاذب استوانه ای شکل با پوشش انتخابی هستند که بوسیله شیشه پیرکس پوشانده میشوند و در طول خط کانونی قرار میگیرند.بخش دریافت کننده در قسمتهای انتهایی روی دو تکیه گاه قرار گرفته اند که این مجموعه روی تیرکهای اصلی سازه سوار است. سیستم ردیابی در این دستگاهها تک محوره بوده و ردیابی خورشید از شرق به غرب بر روی تک محور دورانی انجام میگیرد بگونه ای که پرتوهای خورشیدی در تمام مدت ردیابی بر روی لوله های جذب کننده کانونی میشوند. یک سیال انتقال حرارت، بطور مشخص روغن، در دمای بیش از 400 درجه سانتیگراد از میان لوله های جاذب در جریان میباشد و روغن داغ در مبدلهای حرارتی، آب را به بخار تبدیل میکند و بخار فوق داغ طی سیکل رانکین از توربین و ژنراتور انرژی الکتریکی تولید می کند.   نیروگاه دریافت کننده مرکزی(Power Tower)   نیروگاه حرارتی خورشیدی از نوع برج دریافت کننده مرکزی با متمرکز نمودن پرتوهای تابش خورشید روی برج دریافت کننده انرژی الکتریکی تولید میکنند. این سیستم از مجموعه ای از آینه ها که هر یک بطور جداگانه خورشید را ردیابی میکنند تشکیل شده تعداد این آینه ها در یک نیروگاه به صدها و هزاران عدد میرسد که هلیوستات نامیده میشوند. سطوح متمرکز کننده طوری تنظیم میشود که همواره پرتوها را روی دریافت کننده ثابتی که همان برج مرکزی است منعکس کنند.   نیروگاه دیش استرلینگ(Dish Stirling)    موتور استرلینگ موتورهای گرما- کاری هستند که حرارت را تبدیل به جنبش می کنند ونسبت به موتور بنزینی و دیزلی کارآیی بیشتری دارند. امروزه چنین موتورهایی برایموردهای خاص استفاده می شوند. موتورهای استرلینگ از چرخه استرلینگ استفاده می کنند که با چرخه های استفاده شده درموتورهای احتراق داخلی متفاوت است. چرخه استرلینگ از یک منبع حرارتی خارجی که مانند بنزین، انرژیخورشیدی یا گازهای بیومس استفاده می کند و هیچ احتراقی داخلسیلندرهای موتور رخ نمی دهد . برای تامین انرژی مورد نیاز این موتور از یک دیش منعکس کننده استفاده می شود. این دیش انرژی حرارتی خورشید را مستقیما به روی موتور منعکس می کند و موتور شروع به تولید برق می کند.

---

انرژی خورشیدی

 روی این سیاره است. بیش ار 5000 سال قبل، مردم خورشید را پرستش می‌کردند. اولین پادشاه مصر، خدای خورشیدی، به نام را  (Ra) بود. در بین النهرین، خدای خورشیدی به نام شاماش (Shamash)،‌ خدای اعظم و برابر با عدالت بود. در یونان دو خدای خورشید به نامهای آپولو و هلیوس وجود داشت. تأثیر خورشید در سایر ادیان نیز نمایان است. زرتشتی، مذهب رومی، هندو، بودائی،‌ کاهن (انگلیس)، آزتگ (مکزیک) و خیلی از قبایل بومی امریکا خورشید را پرستش می‌کردند.

امروزه ما میدانیم که خورشید نزدیکترین ستاره به سیاره زمین است. بدون خورشید، امکان ادامه زندگی بر روی این سیاره وجود ندارد. هر روز ما از انرژی خورشید به طرق مختلف استفاده می‌کنیم. زمانیکه لباس‌های خیس را روی طناب آویزان می‌کنیم،‌ گرمای خورشید باعث خشک شدن آنها می‌شود.

گیاهان برای تولید غذا از نور خورشید استفاده می‌کنند. سپس حیوانات، گیاهان را به عنوان غذا می‌خورند. و همانطوریکه در فصل 5 گفتیم ، تجزیه گیاهان در صدها میلیون سال قبل باعث تولید ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی گردید که امروزه ما از آنها استفاده می‌کنیم . بنابراین، سوخت‌های فسیلی در واقع از میلیون‌ها سال قبل نور خورشید را در خود ذخیره نموده‌اند. خورشید و سایر ستارگان بطور غیر مستقیم نقش مهمی را در تولید کلیه انرژی‌ها، بازی می‌کنند. حتی منشاء تولید انرژی هسته‌ای مربوط به یک ستاره است. زیرا اتم‌های اورانیوم در اثر نووا (انفجار یک ستاره) بوجود آمدند.

  آب گرم خورشیدی

در دهه 1890 در سرتاسر امریکا از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی برای گرم کردن آب استفاده می‌شد. آنها مزیت بیشتری نسبت به کوره‌های زغال سوز و چوب سوز داشتند. در آن زمان از گاز مصنوعی حاصل از ذغال نیز برای گرم نمودن آب استفاده میگردید، اما قیمت آن 10 برابر قیمت گاز طبیعی امروز بود. قیمت برق حتی اگر در شهر شما وجود داشت بسیار گران بود.

در آن زمان بسیاری از خانه‌ها از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی استفاده می‌کردند. در سال 1897، حدود 30 درصد از خانه‌های شهر پاسادانا ، واقع در شرق لس‌آنجلس ، مجهز به آب گرم‌کن‌های خورشیدی بودند. با پیشرفت‌های مکانیکی صورت گرفته، سیستم‌های خورشیدی در آریزونا، فلوریدا و خیلی دیگر از مناطق آفتابی ایالت متحده نیز مورد استفاده قرار گرفت. در تصویر ، آب گرم‌کن خورشیدیی را می‌بینید که در سال 1911 در روی سقف خانه‌ای در دره پومونا (Pomona) ،‌ واقع در کالیفرنیا، نصب گردید

تا سال 1920، دهها هزار عدد از این آب گرم کن‌های خورشیدی به فروش رسیده بود. اما بعد از این سال، مخازن بزرگ نفت و گاز طبیعی در غرب ایالت متحده کشف شد. با دسترس قرار گرفتن سوخت‌های فسیلی ارزان ، آنها جایگزین سیستم‌های خورشیدی شدند.

امروزه، مردم مجدداً شروع به استفاده از آب گرم کن‌های خورشیدی کرده‌اند. در حال حاضر تنها در ایالت کالیفرنیا، ‌بیش از نیم میلیون آب گرم کن خورشیدی وجود دارد. این آب گرم‌کن‌ها در مراکز تجاری و منازل استفاده می‌شود.

همانطوریکه در تصویر می‌بینید ، از این آب‌گرم‌کن‌ها برای استخرهای شنا نیز استفاده میگردد. صفحاتی که بر روی سقف ساختمان نصب شده‌اند دارای یک سری لوله‌های آب هستند. زمانیکه اشعه خورشید به این صفحات و لوله‌ها برخورد می‌کند، آب داخل لوله ها گرم شده و از آن می‌توان برای پرکردن استخر استفاده نمود.

تولید برق از طریق گرمای خورشید

از انرژی خورشیدی نیز میتوان جهت تولید برق استفاده نمود. بعضی از نیروگاههای خورشیدی، مانند نیروگاههایی که در صحرای مووجاو (Mojava) ، در ایالت کالیفرنیا ، قرار دارد (رجوع به تصویر)، دارای آینه بسیار خمیده ای به نام طشتک سهمی شکل (Parabolic Trough) است که نور خورشید را بر روی لوله ای ، که به طرف نقطه مرکزی در بالای خمیدگی آینه ادامه می‌یابد، متمرکز می‌کند. آینه، نور خورشید را به روی لوله متمرکز کرده و آنرا آنقدر گرم می‌کند که می‌تواند باعث جوشش آب بصورت بخار گردد. سپس از این بخار میتوان برای چرخش توربین و در نتیجه تولید برق استفاده نمود. در نیروگاه خورشیدی صحرای مووجاو، در ایالت کالیفرنیا، از چند ردیف آینه خورشیدی استفاده شده است. این نوع نیروگاهها را نیروگاههای حرارت خورشیدی می نامند. نیروگاههای صحرای مووجاو برای تولید برق 350000 خانه طراحی شده‌اند.

مشکل اصلی در استفاده از این نوع نیروگاهها این است که آنها صرفاً در زمان تابش خورشید کار میکنند. بنابراین در روزهای ابری و شبها، این نیروگاهها نمی‌توانند انرژی تولید کنند. بعضی از نیروگاهها دارای فن آوری دوگانه هستند،‌ بدین ترتیب که در روز از انرژی خورشیدی و در شب و روزهای ابری از گاز طبیعی برای جوشاندن آب و در نتیجه تولید برق استفاده می کنند.

نوع دیگری از نیروگاههای خورشیدی برای تولید برق، نیروگاه برج مرکزی نام دارد (رجوع به تصویر). در بالای برج این نیروگاه، 1800 آینه چرخان نصب شده که نور خورشید را منعکس می‌کنند. این آینه‌ها را « heliostats » می‌نامند که در تمام روز در حال چرخش و حرکت بوده تا رو به خورشید قرار گیرند. نور انعکاس یافته باعث گرم شدن سیالی در مرکز آینه می‌شود. حال ، این سیال گرم می تواند باعث جوشش آب و تولید بخار شده ، و در نتیجه توربین ژنراتور را به گردش در آورد. این نیروگاه آزمایشی ، خورشیدی II نام دارد. شروع کار این نیروگاه به اوایل دهه 1980 بر میگردد، اما اکنون با استفاده از فن آوری جدید بازسازی گردیده است.

این نیروگاه برای تأمین برق 10000 خانه طراحی شده است. طبق گفته کارشناسان با احداث نیروگاههای برج مرکزی بزرگتر می‌توان برق  100000 تا 200000 خانه را تامین نمود.

سلولهای خورشیدی یا انرژی فتوولتایی

با استفاده از سلولهای خورشیدی ، مستقیماً می‌توان از نور خورشید برق تولید نمود. سلولهای خورشیدی را سلولهای فتوولتایی یا به اختصار PV نیز می‌نامند. از این نوع سلولها در ماشین حساب یا حتی فضا پیما استفاده می‌شود.

اولین بار آنها در دهة‌ 1950 در ماهواره های فضایی ایالت متحده مورد استفاده قرار گرفتند. این سلولها از سیلیکون (نوع خاصی از ماسه مذاب) ساخته شده‌اند.

زمانیکه نور خورشید به سلولها برخورد می کند، الکترونها آزاد شده و به سمت صفحه جلویی (رنگ آبی تیره)‌ حرکت می‌کنند (به تصویر توجه کنید) . بدین ترتیب یک الکترون اضافی بین جلو و عقب صفحه تولید میشود. زمانیکه دو صفحه توسط یک رابط مثل سیم بهم وصل می‌شوند ، جریان برق بین قطب مثبت و منفی برقرار می گردد.

مجموعه‌ای از سلولهای خورشیدی در یک واحد فتوولتایی چیده شده و مجموعه ای از واحدهای فتوولتایی نیز بصورت آرایه‌ای در کنار هم قرار می گیرند (به تصویر توجه کنید) .

بعضی از آرایه ها بر روی وسایل ردیابی نصب شده که بتوانند نور خورشید را در تمام طول روز دنبال کنند . انرژی الکتریکی بدست آمده از سلولهای خورشیدی را مستقیماً می‌توان استفاده نمود. از این انرژی می‌توان برای روشنایی منازل و وسایل برقی، و نیز مراکز تجاری استفاده نمود. انرژی خورشیدی را میتوان در باتریهایی ذخیره نمود و از آن برای روشنایی تابلو علائم کنار جاده ها در شب استفاده کرد. همچنین این انرژی را می‌توان در باتری ذخیره کرده و در تلفن های سلولی که در کنار جاده ها نصب می‌شود، استفاده نمود . بعضی از ماشین‌ها نیز بطور آزمایشی از سلولهای فتوولتایی استفاده می کنند. این نوع ماشین ها نور خورشید را مستقیماً به انرژی تبدیل کرده و موتور الکتریکی را به حرکت می اندازند.

اکثر ما زمانیکه در خصوص انرژی خورشیدی فکر می‌کنیم، تصویری از ماهواره های فضایی در ذهنمان نقش می بندد. در تصویر،‌ صفحات خورشیدیی که بیرون از ماهواره قرار گرفته اند را می بینید.