|
1 – مقدمه : شناخت و استفاده از انرژی خورشیدی به زمان ماقبل تاریخ باز میگردد.شاید به دوران سفالگری،در آن هنگام که روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلائی صیقل داده شده و اشعه خورشید،آتشدانهای محرابها را روشن میکردند.در کشور مصر یکی از فراعنه معبدی ساخته بود که با طلوع وغروب خورشید درب آن باز و بسته میشد.ولی مهمترین روایتی که درباره استفاده از نورخورشید بیان شده است،داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان باستان میباشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید.ارشمیدس با نصب تعداد زیادی از آینههای کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داده شده بود،از راه دور اشعه خورشید را روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و بدین ترتیب آنها را به آتش کشیدهاست.در کشور ما نیزمعماری سنتی ایرانیان باستان،نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمانهای قدیم بودهاست.با وجود اینکه انرژی خورشید و مزایای آن درطی قرون گذشته بخوبی شناخته شده است،ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستمهایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستمها گردیده است.از طرفی افزایش قیمت نفت در سال ۱۹۷۳میلادی باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شوندتا به مسئله تولد انرژی مناسب،از راههای دیگری به جزء بکارگیری سوختهای فسیلی توجه جدی نمایند. 2 - کاربردهای انرژی خورشیدی: امروزه از انرژی خورشیدی توسط سیستمهای مختلف و برای مقاصد گوناگون استفاده میشودکه عبارتند از: استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی،صنعتی و نیروگاهی تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته توسط تجهیزاتی به نام فتوولتائیک که این بخش از کاربرد انرژی خورشیدی خود شامل دو قسمت نیروگاهی و غیر نیروگاهی می باشد. 3 - کاربردهای نیروگاهی: تأسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل میشود،نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده میشود.این تأسیسات بر اساس انواع متمرکز کنندههای موجود و بر اساس اشکال هندسی آنان به سه دسته تقسیم می گردد: نیروگاههایی که گیرنده آنها آینههای سهموی ناودانی هستند.(شلجمی باز) نیروگاههایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینههای بزرگی به نام هلیوستات به آن منعکس میشود.(دریافت کننده مرکزی) نیروگاههایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (دیش) میباشد.(شلجمی بشقابی) در هر نیروگاهی اعم از آبی،بخاری وگازی برای تولید برق از چرخاندن ژنراتورهای الکتریکی استفاده میشود.انرژی دورانی ژنراتورهای الکتریکی توسط دستگاهی به نام توربین تأمین میگردد.بدین ترتیب ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند.بنابراین توربینها،تأمین کننده انرژی جنبشی ژنراتورها می باشند.در نیروگاههای بخاری توربینهایی وجود دارندکه بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آنها شده و موجب به گردش در آمدن پرههای توربین می گردد.در نیروگاههای آبی که روی سدها نصب میشود،انرژی پتانسیل موجود در آب موجب به گردش در آمدن پرههای توربین شده و بدین ترتیب انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل میگردد.در نیروگاههای حرارتی بر اثر سوختن سوختهای فسیلی مانند مازوت،آب موجود در سیستم بسته نیروگاه،داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل شده و بدین ترتیب انرژی حرارتی به انرژی جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل میگردد.در نیروگاههای گازی توربینهایی وجود دارد که به طور مستقیم بر اثر سوختن گاز بحرکت درآمده و ژنراتور را میگرداند و انرژی حرارتی به انرژی جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد.اما در نیروگاههای حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخشهای خورشیدی،تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربینها است و یا به عبارت دیگر این نوع نیروگاهها شامل دو قسمت می باشد: سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشیدرا جذب نموده و با استفاده از حرارت جذب شده،تولید بخار مینماید. سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاههای حرارتی،بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل میکند. 4- نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سهموی خطی: در این نیروگاهها،از منعکس کنندههایی که به صورت سهموی خطی میباشند،جهت تمرکز پرتوهای خورشیدی در خط کانونی استفاده میشود و گیرنده به صورت لولهای درخط کانونی منعکس کننده قرار داده می شود.در داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشیدگرم و داغ میگردد. این روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب به بخارتبدیل شده و به مدارات مرسوم در نیروگاههای حرارتی انتقال داده میشود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد. برای بهرهگیری بیشتر و افزایش بازدهی لوله دریافت کننده،سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد،پوشش داده ونیزمحیط اطراف آن با لوله شیشهای به صورت لفاف پوشیده میشود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری گردد و از لوله دریافت کننده محافظت شود.ضمناً برای اینکه پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت کننده برسد،بین این دو لوله،خلاء بوجود میآورند. در این نیروگاهها یک سیستم ردیاب خورشیدی نیز وجود دارد که توسط آن آینههای شلجمی دائماً خورشید را دنبال نموده و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز مینماید. تغییرات تابش خورشید در این نیروگاهها توسط منبع ذخیره و گرمکن سوخت فسیلی جبران میشود.در کشورهایی نظیر:ایالات متحده آمریکا،اسپانیا ،مصر،مکزیک،هند و مراکش از نیروگاههای سهموی خطی استفاده شدهاست. 5- نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع دریافت کننده مرکزی: در این نیروگاهها پرتوهای خورشیدی توسط مزرعهای متشکل از تعداد زیادی آینه های منعکس کننده به نام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافتهاست، متمرکز میگردد.در نتیجه درمحل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست آمده که بوسیله سیال عامل که داخل دریافت کننده در حرکت است،جذب شده و توسط مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاههای سنتی منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید میگردد.سیال عامل در مبدلهای حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا می گردد.البته در برخی از سیستمها سیال عامل آب بوده و مستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل میشود. برای استفاده دایمی از این نوع نیروگاهها در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد،مانند ساعات ابری یا اوقات شب،از سیستمهای ذخیره کننده حرارت و یا احیاناً از تجهیزات پشتیبانی که امکان دارد از سوختهای فسیلی استفاده کنند،جهت ایجاد بخار برای تولید برق بهره گرفته میشود. در حال حاضرمطالعات و تحقیقات در زمینه فن آوری و سیستمهای این نوع از نیروگاهها ادامه داشته و آزمایشگاهها و مؤسسات متعددی در سراسر دنیا در این زمینه به فعالیت مشغول می باشند. 6- نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع شلجمی بشقابی: در این نیروگاهها از منعکس کنندههایی که به صورت شلجمی بشقابی میباشد جهت تمرکز نقطهای پرتوهای خورشیدی استفاده میگردد و گیرندههایی که در کانون شلجمی قرار می گیرند به کمک سیال جاری در آن،انرژی گرمایی خورشیدرا جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور، آن را به انرژی مکانیکی و الکتریکی تبدیل مینماید. 7 - دودکشهای خورشیدی: استفاده از برج نیرو یا دودکشهای خورشیدی،روش دیگری برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشیدی می باشد.در این سیستم از خاصیت دودکشها استفاده میشود.بدین صورت که با استفاده از یک برج بلندبه ارتفاع حدود۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانههای خورشیدی که در اطراف آن است،هوای گرمی که توسط انرژی خورشیدی در یک گرم خانه تولید شده،به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانهها قرار دارد،هدایت میشود.هوای گرم بعلت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و باعث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شدهاست،میگردد وبدین وسیله برق تولید میشود.یک نمونه از این سیستم در۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده است که ارتفاع برج آن به۲۰۰ متر میرسد. 8 - مزایای نیروگاههای خورشیدی: نیروگاههای خورشیدی،با مزایای بسیاری که در مقایسه با نیروگاههای فسیلی و اتمی دارند،در آینده می توانند به ویژه درسازگاری با محیط زیست،مشکل برق را بخصوص درهنگام به اتمام رسیدن ذخائر نفت وگازحل نمایند،که در ادامه به چند مورد از مزایای این نیروگاهها اشاره می گردد: تولید برق بدون مصرف سوخت: برخلاف نیروگاههای فسیلی که قیمت برق تولیدی آنها تابع قیمت نفت بوده و همیشه درحال تغییر و نوسان میباشد،نیروگاههای خورشیدی نیاز به سوخت ندارند و این نوسان در آنها وجود نداشته و میتوان بهای برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگاه داشت. عدم احتیاج به آب زیاد: نیروگاههای خورشیدی بخصوص دودکش های خورشیدی با هوای گرم به آب نیاز ندارند.لذا برای مناطق خشکی مانند شور ایران بسیار حائز اهمیت میباشند. در صورتی که نیروگاههای حرارتی سنتی هنگام فعالیت نیاز به آب مصرفی زیادی دارند. عدم آلودگی محیط زیست: نیروگاههای خورشیدی ضمن تولید برق هیچگونه آلودگی در هوا نداشته و مواد سمی و مضر تولید نمیکنند،در صورتی که نیروگاههای فسیلی با مصرف نفت،گاز و یا ذغال سنگ،هوا و محیط اطراف خودرا آلوده نموده و نیز نیروگاههای اتمی باتولیدزبالههای هستهای بسیارخطرناک ورادیواکتیو، محیط زیست را آلوده کرده و مشکلات عظیمی را برای ساکنین کره زمین ایجاد می نمایند. امکان تأمین شبکههای کوچک و ناحیهای: نیروگاههای خورشیدی میتوانند با تولید برق،شبکه سراسری برق را در تأمین انرژی الکتریکی یاری نمایندو در ضمن امکان تأمین شبکههای کوچک ناحیهای،نیاز به تأسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال برق نداشته و احتیاجی به صرف هزینه زیاد جهت احداث شبکههای انتقال نمیباشد. استهلاک کم و عمر زیاد: نیروگاههای خورشیدی به دلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر طولانی میباشند،در حالی که عمر نیروگاههای فسیلی بین ۱۵ تا۳۰ سال محاسبه شدهاست. عدم نیاز به حضورافراد متخصص: نیروگاههای خورشیدی احتیاج به متخصصین در سطح عالی ندارد و می توان آنها را به طور اتوماتیک بکار انداخت،در صورتی که در نیروگاههای اتمی وجود متخصصین در سطح عالی ضروری بوده و این دستگاهها نیاز به مراقبتهای دائمی و ویژه ای دارند. 9 - کاربردهای غیر نیروگاهی: کاربردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی میباشد که اهم آنها عبارتند از:آبگرمکن و حمام خورشیدی،سرمایش وگرمایش خورشیدی،آب شیرین کن خورشیدی،خشک کن خورشیدی،اجاق خورشیدی،کورههای خورشیدی وخانههای خورشیدی،که در ادامه در مورد هر یک توضیح مختصری داده خواهد شد: آبگرمکنهای خورشیدی و حمام خورشیدی: تولید آب گرم مصرفی ساختمانها ازاقتصادیترین روشهای بکارگیری انرژی خورشیدی است.بدین ترتیب میتوان از انرژی حرارتی خورشید جهت تهیه آب گرم بهداشتی درمنازل و اماکن عمومی به خصوص درمکانهایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد،استفاده نمود،همچنین در صورت افزایش ظرفیت این سیستمها،میتوان از آنها در حمامهای خورشیدی نیز استفاده کرد. گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی: گرمایش و سرمایش ساختمانها با استفاده از انرژی خورشیدی،ایدهای بودکه در سالهای۱۹۳۰میلادی مطرح گردید و در کمتر از یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی دست یافت.با افزودن سیستم معروف تبرید جذبی به سیستمهای خورشیدی میتوان علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش،از این سیستمها درفصول گرم سال نیز برای سرمایش ساختمان استفاده نمود. آب شیرین کن خورشیدی: هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند، تنها آب تبخیر شده و املاح باقی میماند.سپس با استفاده از روشهای مختلف میتوان آب تبخیر شده را تنظیم نموده و بدین ترتیب آب شیرین تهیه کرد.با این روش میتوان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند،را تأمین کرد.آب شیرین کن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته میشود،که در نوع صنعتی با حجم بالا میتوان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد. خشک کن خورشیدی: خشک کردن مواد غذایی برای نگهداری آنها از زمانهای بسیار قدیم مرسوم بوده است و انسانهای نخستین خشک کردن را یک هنر میدانستند.خشک کردن عبارت است از گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتریها میشود.در خشک کنهای خورشیدی به طور مستقیم و یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده میشود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول میگردد.خشک کنهای خورشیدی در اندازهها و طرحهای مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون طراحی و ساخته میشوند. اجاقهای خورشیدی: دستگاههای خوراک پز خورشیدی اولین بار توسط شخصی بنام نیکلاس ساخته شد.اجاق او شامل یک جعبه عایق بندی شده با صفحه سیاه رنگی بود که قطعات شیشهای درپوش آن را تشکیل میداد.اشعه خورشید با عبور از میان این شیشهها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب میشد و سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸ درجه افزایش میداد.اصول کار اجاق خورشیدی جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه میباشد. کوره های خورشیدی: در قرن هیجدهم میلادی نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد.بسمر پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تأمین میکرد.متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه،یکی تخت و دیگری کروی میباشد.نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده میشود.طبق قوانین اپتیک هر گاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید،در محل کانون متمرکز شده وبدین ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع شده که در نتیجه این نقطه به دماهای بالایی میرسد.امروزه پروژههای متعددی در زمینه کورههای خورشیدی در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء میباشد. خانههای خورشیدی: ایرانیان باستان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب درگرم کردن خانههای خود در زمستان استفاده میکردند.آنان ساختمانها را به ترتیبی بنا میکردندکه در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشیمن میتابیدولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت.در اغلب فرهنگهای دیگر دنیا نیز میتوان نمونههایی از این قبیل طراحی ها را مشاهده نمود.در سالهای بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده آمریکا طرحهای فراوانی در زمینه خانههای خورشیدی مطرح و آزمایش شد.از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت.درچندین سال گذشته معماران به طور جدی ساخت خانههای خورشیدی را آغاز کردهاند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی،به نتایج مفیدی نیز دست یافتهاند،به طوری که در ایالات متحده آمریکا در سال 1980 میلادی به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شدهاست.در این گونه خانهها سعی شده است تا از انرژی خورشید برای روشنایی،تهیه آب گرم بهداشتی،سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با بکار بردن مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری گردد. نور خورشيد،این بزرگترين منبع پتانسيل انرژي انسانها در حال تلف شدن است و احتمالاً چندين سال طول خواهدكشید تا علم بتواند روشي را براي كنترل انرژي قدرتمند اشعه خورشيد پيدا كند. موتورها و دستگاههاي خورشيدي براي ما استفاده از حداقل و بخش كوچكي از نور خورشيد را امكانپذير كرده است تا بوسيله اين بخش كوچك بتوان چرخ كارخانههارا بحركت درآورد، روشنائي خيابانها را تأمين نمود،غذا را طبخ و خانههاي خود را گرم كرد. مقداري از انرژی تابشی خورشيد كه از فاصله 93 ميليون مايلی از فضا به کره زمین ميرسد،براي گرم كردن زمين و رشد گياهان لازم است،ولي مازاد بر اين نيازهاي اساسي،نور خورشيد ميتواند مقدار قابل توجهي انرژي توليد كند كه با ساير منابع انرژي قابل مقايسه است.كارشناسان انرژي تابشي خورشيدي برآورد ميكنند كه خورشيد 12500 اسب بخار انرژي براي هر فوت مربع از 585 ميليارد مايل مربع سطح كره زمين منتشر ميكند،که بخشی به مراتب بيشتر و غيرقابل تصوراز اين نيرو در مسير طولاني آن در فضا تلف ميشود،ولي انرژي تابشي كه به سطح خارجي آتمسفر زمين ميرسد،معادل 7300 اسب بخار در هر جريب (هر جريب 4047 مترمربع) است و هنگام ظهر در يك روز صاف آفتابي5000 اسب بخار در هر جريب از طريق آتمسفر به سطح زمين منتقل ميشود.ارزش تئوري نيروي برقي كه در اثر تابش نور خورشيد به سطح 133 مايل مربع كه به شهر فيلادلفيا ميتابد،معادل نيروي برق توليد شده توسط صد واحد از نيروگاههاي نصب شده در آبشار نياگارا است. 10- جمع بندی: راهکارهای زیادی برای استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد.انرژی خورشید پاکیزه است و می توان انرژی مورد نیاز بشر را از آن تأمین نمود.سوختهای ذغال سنگ،نفت و گاز محیط زیست را آلوده نموده و سرانجام روزی تمام می شوند.اما خورشید به درخشش خود ادامه داده و نیروی آن همیشگی و ماندنی است. امروزه بشر در جهان با دو بحران بزرگ روبرو است که با یکدیگر ارتباط دارند.از یک طرف جوامع صنعتی و همچنین شهرهای بزرگ با مشکل الودگی محیط زیست مواجهند و از طرف دیگر مشاهده می شود که مواد اولیه و سوخت مورد نیاز ماشینها با شتاب روز افزون درحال اتمام است. اثرات مصرف بالای انرژی در زمین،آب و هوا به طور آشکارمشهود است و تنها راه حل ممکن،کاهش میزان مصرف انرژی است.حال آنکه این امر نمی تواند به طور مؤثر ادامه داشته باشد. در طی سالهای گذشته توجه و توصل به انرژی اتمی به عنوان جانشینی برای سوختهای فسیلی در جوامع صنعتی،چندان موفقیت آمیز نبوده است.صرف هزینه های سنگین ونیز تشعشعات خطر ناکی که از نیروگاههای اتمی در فضا پخش می گردد،نتیجه مثبتی در بر نداشته و اگراحیاناً یکی از این نیروگاهها منفجر شود،زیانهای فراوان و جبران ناپذیری ببار خواهد آورد.بعلاوه باید به مشکل اساسی که در مورد سوختهای فسیلی، نظیر:نفت،گاز و زغال سنگ وجود دارد،اشاره نمود.بدین معنی که این منابع و ذخایر محدود انرژی روزی پایان خواهد یافت و ماده ای که جایگزین آن شود،وجود نخواهد داشت.بنابراین خورشید به عنوان یک منبع بی پایان انرژی می تواند حلال بسیاری از مشکلات موجود در مورد انرژی و محیط زیست باشد.یعنی انرژی بدون خطر. انرژی خورشیدی که به زمین می تابد هزاران بار بیشتر از آن مقداری است که بشر نیاز دارد،حتی نور کمی که از پنجره ها به اتاقها می تابد،دارای انرژی بیشتری نسبت به سیم برقی است که به داخل اتاقها کشیده می شود.از انرژی خورشیدی می توان به عنوان یک انرژی تمیز و قابل دسترس، استفاده های مهم وکاملاً مفید نمود.اما از نور خورشید نمی توان به طور مستقیم به جای سوختهای فسیلی بهره برد،بلکه باید دستگاههایی ساخته شود که بتوانند انرژی تابشی خورشید را به انرژیهای قابل استفاده نظیر:انرژی مکانیکی،حرارتی،الکتریسیته و مانند آن تبدیل کنند. گرد آوری:مهندس معصومه لاجوردی |