اصول و کاربرد انرژی خورشیدی

خورشید عامل و منشأ انرژی های گوناگونی است که در طبیعت موجود است از جمله: سوخت های فسیلی که در اعماق زمین ذخیره شده اند، انرژی آبشارها و باد، رشد گیاهان که بیشتر حیوانات و انسان برای بقای خود از آنها استفاده می کنند، موادآلی که قابل تبدیل به انرژی حرارتی و مکانیکی هستند، امواج دریاها، قدرت جزر و مدکه براساس جاذبه و حرکت زمین به دور خورشید و ماه حاصل می شود، اینها همه نمادهایی از انرژی خورشید هستند.
وابستگی شدید جوامع صنعتی به منابع انرژی به خصوص سوخت های نفتی و بکارگیری و مصرف بی رویه آنها، منابع عظیمی را که در قرون متمادی درلایه های زیرین زمین تشکیل شده است تخلیه می کند. با توجه به این که منابع انرژی زیرزمینی با سرعت فوق العاده ای مصرف می شوند و درآینده ای نه چندان دور چیزی از آنها باقی نخواهد ماند، نسل فعلی وظیفه دارد به آن دسته از منابع انرژی که دارای عمر و توان زیادی هستند روی آورده و دانش خود را برای بهره برداری از آنها گسترش دهد.
خورشید یکی از دو منبع مهم انرژی است که باید به آن روی آورد زیرا به فناوری های پیشرفته و پرهزینه نیاز نداشته و می تواند به عنوان یک منبع مفید و تأمین کننده انرژی در اکثر نقاط جهان به کار گرفته شود. به علاوه استفاده از آن برخلاف انرژی هسته ای، خطر واثرات نامطلوبی ازخود باقی نمی گذارد و برای کشورهای که منابع انرژی زیر زمینی ندارند، مناسب ترین راه برای دستیابی به نیرو و رشد و توسعه اقتصاد می باشد.
ایران با وجود این که یکی از کشورهای نفت خیز جهان به شمار می رود و دارای منابع عظیم گاز طبیعی نیز است، خوشبختانه به علت شدت تابش خورشید در بیشتر مناطق کشور، اجرای طرح های خورشیدی الزامی و امکان استفاده از انرژی خورشید درشهرها و شصت هزار روستای پراکنده درسطح کشور، می تواند صرفه جویی مهمی درمصرف نفت وگاز را به همراه داشته باشد.
فناوری ساده، آلوده نشدن هوا و محیط زیست و از همه مهم تر ذخیره شدن سوخت های فسیلی برای آیندگان، یا تبدیل آنها به مواد و مصنوعات پرارزش با استفاده از تکنیک پتروشیمی از عمده دلایلی هستند که لزوم استفاده از انرژی خورشید را برای کشور آشکار می سازد.
درعصر حاضر، از انرژی خورشیدی توسط سیستم های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری می شود که اهم آنها عبارتند از:
۱- سیستم های فتوبیولوژیک: تغییراتی که درحیات و زیست گیاهان وجانداران به وسیله نور خورشید و فتوسنتز ایجاد می شود، فرآیند تجزیه کود حیوانات و استفاده از گاز آن.
۲- سیستم های فتوشیمیایی: تغییرات شیمیایی دراثر نورخورشید، الکترولیزهای نوری، سلول های فتوولتائیک الکتروشیمی، تأسیسات تهیه هیدروژن.
۳- سیستم های فتولتائیک: تبدیل انرژی خورشید به انرژی الکتریکی، سلول های خورشیدی.
۴- سیستم های حرارتی و برودتی: شامل سیستم های تهیه آبگرم، گرمایش و سرمایش ساخت ها، تهیه آب شیرین، سیستم های انتقال و پمپاژ، سیستم های تولید فضای سبز(گلخانه ها) و خشک کن ها و اجاق های خورشیدی، سیستم های سردسازی، برج های نیرو، خشک‌کن‌های خورشیدی، نیروگاه های خورشیدی.

ضرورت صرفه جویی در مصرف نفت
در زمانی که دنیای غرب با اعمال بهینه سازی مصرف انرژی، مصرف خود را پایین آورده است، ایران درکمتراز دو دهه مصرف فرآورده های نفتی خود را درست است سه برابر کرده است. درست است که مصرف انرژی سبب بالا رفتن رفاه و استاندارد زندگی می شود. اما باید دقت شود که آیا می توان همواره این رشد مصرف را حفظ کرد؟ با عنایت به رشد مصرف انرژی و دو برابر شدن آن. با توجه به افت فشار چاه های نفت و مشکلات حفاری و استخراج و سرمایه گذاری، آیا می توان امیدوار بودکه بعد ازدو دهه می توانیم نیازهای خود را مرتفع کنیم و آیا تولید ما پاسخ گوی نیازهایمان خواهد بود؟ واگر هم باشد مازادی برای صدور نفت و به دست آوردن ارز خواهیم داشت؟
با استفاده از سیاست های بهینه سازی مصرف انرژی و بدون لطمه زدن به تولید و رفاه عمومی، حدود ۲۰ درصد کاهش درمصرف به دست آید، منافع زیر عاید کشورمان خواهد شد:
۱- درآمد ارزی ناشی از فروش نفت خام
۲- کاهش آلودگی هوا که در شهرهای بزرگ مثل تهران به مرز خطرناکی رسیده است.
۳- صرفه جویی در سرمایه گذاری درساخت نیروگاه ها، پالایشگاه ها و شبکه گازرسانی به میزان میلیارد ها دلار درسال.
۴- طولانی شدن عمر ذخایر نفتی
۵- ایجاد اشتغال در کشور.

انرژی خورشیدی در ایران
ایران در مجموع کشوری است بسیار آفتابی و از نظر مقدار و دریافت انرژی خورشیدی در شمار بهترین کشورها محسوب می شود و به صراحت می توان گفت که سطح کنونی علمی وصنعتی کشور برای ایجاد و گسترش تکنیک خورشیدی به حدکافی آمادگی دارد. بنابراین اگر طرح های خورشیدی معرفی شوند و علوم و فنون مربوط ترویج یابند، صنایع خورشیدی کشور، می تواند به عنوان یک صنعت خودکفا وارد عمل شود.
منابع عمده انرژی که درحال حاضر در ایران مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از: نفت خام، گازطبیعی، زغال سنگ، پتانسیل آبی و انرژی های غیرتجاری.
لازم است مصرف انرژی بخش های مختلف در شهرها و روستاهای کشور از قبیل مصارف خانگی، تجاری وصنعت حمل ونقل موردتجزیه وتحلیل قرارگیرد و آمارهای دقیقی براساس بافت اجتماعی واقتصادی وسیاسی و هدف های جامعه و توسعه آینده کشور تهیه شود. امید است در برنامه ریزی های آتی کشور برای تأمین انرژی های لازم، سهم انرژی خورشیدی نیز تعیین و براساس آن اعتبار لازم برای اجرای طرح های مفید خورشیدی تأمین شود.

کمیت و کیفیت انرژی خورشیدی
مهم ترین تغییرات درشدت تابش خورشید و دمای هوای محیط ناشی از حرکت طبیعی زمین به دور خورشید و مورب بودن محور چرخش کره زمین است که حول این محور دارای حرکت وضعی است. تغییرات فصول و همچنین تغییرات تابش خورشید برروی سطح زمین و تغییرات در ساعات روشنایی و تاریکی همه ناشی از تغییرات روزانه زاویه میل هستند.
انرژی خورشیدی در مسیر خود به زمین به علت جذب های متعدد کاهش می یابد و علل کاهش را می توان به شرح زیر بیان داشت: اولین مرحله کاهش در اثر وجود اوزن درخارج جو زمین است که سبب جذب امواج تشعشعی ماوراء بنفش تا طول موج mµ29/0 می باشد.
برای جذب امواج تشعشی با طول موج های بلندتر، مواد جاذب دیگری مانند بخارآب و دی اکسیدکربن وجود دارد. بالاخره مجموع امواج تشعشعی جذب شده در هر مکان را، می توان به وسیله ضخامت اتمسفر هوا درمسیر اشعه و نیز ترکیبات اتمسفر محاسبه کرد.

فناروی استفاده از انرژی خورشیدی
انرژی خورشیدی را می توان با استفاده از یکی از روش های زیرین به دست آورد:
۱- شیمی خورشیدی
۲- برق خورشیدی
۳- گرما خورشیدی
۱- شیمی خورشیدی(Helio Chemical): در این روش با تابش خورشید بر سطح زمین و ایجاد عمل فتوسنتز درگیاهان وتبدیل CO2 بهO2 و تولید مواد غذایی در زمین، عامل بقا زندگی برای انسان و سایر جانداران می شود.
۲- برق خورشیدی(Helio Electrical): اگر با استفاده از مبدل هایی خورشید به الکتریسته تبدیل شود و قدرت مورنیاز سفینه های فضایی و قمرهای مخابراتی و سایر دستگاه های الکتریکی در زمین تأمین شود، این روش به مورد اجرا گذاشته می شود.
۳-گرما خورشیدی(Helio- Thermal): روش گرما خورشیدی با استفاده از انواع کلتکتورها و تولید انرژی حرارتی، برای تأمین آب گرم مصرفی- حرارتی مرکزی وتهویه مطبوع ساختمان ها ونیز برای تولید بخار و راه اندازی دستگاه های تولید قدرت و دیگر عملیات حرارتی، مورد استفاده قرار می گیرد. این روش نسبت به دو روش قبلی کاربرد وسیعی دارد.

سیستم های خورشیدی
سیستم های خورشیدی، سیستم هایی هستند که با استفاده از آنها تمام و یا قسمتی از انرژی لازم برای تأمین احتیاجات جوامع بشری انرژی خورشید تأمین می شود و اهم آنها عبارتند از:
سیستم های فتوبیولوژی
سیستم های شیمیایی
سیستم های فتوولتائیک
سیستم های حرارتی و برودتی

سیستم های فتوبیولوژی
عملکرد فتوسنتز درگیاهان و قدیمی ترین وگسترده ترین روش استفاده از انرژی خورشید است، گیاهان تشعشع خورشید را جذب کرده و باکمک آن گاز کربنیک و آب را به موادقندی تبدیل می کنند ونیز اکسیژن را آزاد و نیتروژن و مواد فسفری را برای ادامه حیات و رشد خود لازم دارند، جذب می کنند. نتیجه این فرآیند، ذخیره سازی بیولوژیکی انرژی خورشید است. انرژی ذخیره شده درگیاهان و درختان که به علت بازدهی پایین آنها کمتر انجام می شود راندمان این فرآیند بین ۲۵ درصد تا۵۰ درصد است که نسبت به بازدهی اشکال دیگر استفاده از انرژی خورشید، به طور قابل توجهی کمتر است ولی با وجود این بازدهی بسیار کم، هزینه تولید انرژی از بعضی ازگیاهان با هزینه تولید سوخت های فسیلی قابل مقایسه است.

سیستم های شیمی خورشیدی
سیستم های شیمی خورشیدی به دو دسته کلی تقسیم می شوند:
۱- سیستم های فتوشیمیایی که درآنها از تشعشع خورشید درعملیات شیمیایی استفاده می شود.
۲- سیستم های هلیوترمیک که درآنها از حرارت خورشید به عنوان یک منبع حرارتی بهره گیری شده و عملیات شیمیایی انجام می گیرد.
عملیات فتوسنتز درگیاهان و تشکیل سوخت های فسیلی در زیرزمین وذخیره سازی بیولوژیکی انرژی خورشیدی در مواد و بالاخره تهیه سوخت هایی از قبیل الکل و متان و هیدروژن، تابع یک سری فعل و انفعالات شیمیایی بوده و می توان آنها را بخشی از سیستم های شیمی خورشیدی به حساب آورد.

سیستم های فتوولتائیک
سیستمی را درآن انرژی خورشید بدون بهره گیری از مکانیزم های متحرک و شیمیایی، به انرژی الکتریکی تبدیل شود، اثر آن را فتوولتائیک می نامند، عاملی که دراین فرآیند به کار می رود سلول خورشیدی می نامند.
سلول های خورشیدی قادرند انرژی تشعشعی خورشیدی را بازدهی معادل ۵ تا۲۰ درصد مستقیماً به الکتریسته تبدیل کنند که این سیستم ها را برق خورشیدی می گویند. امروزه مؤثرترین و ارزانترین سلول های خورشیدی ماده ای به نام سیلیسیم است. ماسه یکی از منابع مهم سیلیسیم است و نوع دیگری از سلول های فتوولتائیک وجود دارد درآن به جای سیلیسیم از کادمیم استفاده می شود.

سیستم های حرارتی خورشیدی(روش گرما خورشیدی)
روش های گرما خورشیدی، با استفاده از انواع کلکتورهای و روش های غیرفعال، برای جذب و جمع آوری انرژی حرارتی خورشیدی، طراحی شده و برای منظورهایی از قبیل گرما کردن آب، هوا، تولید بخار و سردکردن و… به کاربرده می شده اند. سیستم های گرما خورشیدی را می توان به ترتیب زیر طبقه بندی کرد:
۱- سیستم های آبگرم خورشیدی
۲- سیستم های گرمایش و سرمایش ساختمان
۳- سیستم های تهیه آب شیرین و آب مقطرگیری
۴- سیستم های انتقال و پمپاژ
۵- سیستم های تولید فضای سبز(گلخانه ها).
۶- سیستم های خشک کن و خوراک پز خورشیدی
۷- سیستم های سردکننده خورشیدی
۸- برج های نیرو و نیروگاه های خورشیدی
که وسیله جمع آوری حرارت خورشیدی، کلکتورها(گرم آورها) هستند.

سیستم های گرما خورشیدی THERMAL SOLARENROGY
تهیه آبگرم خورشیدی
تولید آبگرم مصرفی ساختمان ها، از اقتصادی ترین روش های استفاده از انرژی خورشیدی است. بدون شک گرم کننده های ترموسیفونی بیشترین استفاده را در تهیه و طرح آب گرم کن های خورشیدی عهده دار هستند. ساده ترین سیستم آبگرم کن خورشیدی از یک گردآور تخت و یک مخزن ذخیره تشکیل شده که آب یا سیال عامل، به سبب اختلاف درجه حرارت به طور طبیعی و با استفاده از عمل ترموسیفون در آن گردش می کند. شرایط لازم در نصب این آبگرم کن آن است که قسمت فوقانی گردآور پایین تر از قسمت تحتانی مخزن ذخیره قرار گیرد و حداقل درجه انحراف گردآورد نسبت به سطح افق تحقق جریان ترموسیفون، در حدو ۲۰ درجه رو به جنوب ضروری است. به منظور جلوگیری از تلفات حرارتی گردآورد لوله های هادی کاملاً عایق بندی می شوند. یک لوله عایق شده قسمت پایین مخزن را به هدر پایین گردآور متصل کرده و لوله دیگر نیز هدر بالایی را به قسمت فوقانی مخزن وصل می کند. آب سرد تغذیه کننده از قسمت پایین به مخزن ذخیره هدایت شده و آب گرم مصرفی نیز از بالاترین نقطه مخزن به طرف شیرهای مصرف لوله کشی می شود. به علت بسته بودن سیستم و جلوگیری از خطر انبساط حرارتی سیال، وجود یک مخزن انبساط و یا لوله انبساطی که به یک شیر اطمینان مجهز باشد در سیستم های آبگرم کن خورشیدی ضروری است.

سیستم های تولید قدرت و نیروگاه های خورشیدی
دستگاه هایی که با استفاده از انرژی خورشیدی قادر به تولید انرژی مکانیکی باشند به نام موتور خورشیدی و یا پمپ خورشیدی نامیده می شوند. ساده ترین و مهم ترین عملکرد یک موتور حرارتی خورشیدی، پمپ کردن آب بدون استفاده از سایر منابع انرژی شناخته شده است. از موتورهای خورشیدی علاوه بر پمپاژ آب در روستاها، در رشته مخابرات، رادیو تلویزیون و جهت ایجاد نیروی الکتریکی نیز می توان استفاده کرد. در این موتورها، همانند سایر موتورهای حرارتی دیگر، سیال عامل در اثر جذب حرارت از خورشید منبسط و تبخیر شده و در اثر دفع حرارت منقبض و یا متراکم می شود. از انبساط سیال استفاده شده و یک توربین و یا پمپ پیستونی یا سانتریفوژی به حرکت در می آید.
در صورتی که از انرژی مکانیکی ایجاد شده به صورت مستقیم استفاده نشده معمولاً آن را با استفاده از یک دینام یا ژنراتور، به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. واضح است در این حالت، برای ذخیره انرژی الکتریکی به باتری ذخیره نیز نیاز خواهد بود که هزینه آن را باید به هزینه سیستم تولید الکتریسیته که شامل یک سری گردآور متمرکز کننده و یک موتور خورشیدی می باشد، اضافه کنیم.
جهت تولید درجات حرارت خیلی بالا در موتورهای خورشیدی، احتیاج به سیستم متمرکز کننده و تعقیب کننده خورشیدی خواهیم داشت که بازدهی این سیستم ها خیلی بالاست ولی در مقابل، پیچیدگی مکانیزم سیستم و مشکل استفاده از آن با هزینه بالای آنها، از مشکلات این سیستم ها محسوب می شوند.
در مقایسه گردآورهای استوانه ای متمرکز کننده که نیروی لازم جهت راه اندازی موتورهای خورشیدی را دارا هستند، با بازدهی بسیار خوبی می توانند در موتورها و پمپ های خورشیدی، کاربرد مناسب داشته باشند.
موتورهای خورشیدی را به لحاظ سیال عامل، می توان به دو نوع: موتورهای خورشیدی و موتورهای هوای گرم تقسیم بندی کرد که هر یک دارای مزایا و معایبی هستند.

نیروگاه های خورشیدی و برج های نیرو
تأسیساتی که با استفاده از آن، انرژی حرارتی و تابش خورشیدی به الکتریسیته تبدیل شود نیروگاه خورشیدی نامیده می شود. معمولاً این سیستم ها از یک سری آیینه های قابل تنظیم (هلیواستات) و یا متمرکز کننده هایی با درجات حرارت بالا و یک دریافت کننده مرکزی، منابع ذخیره و مبدل های حرارتی و توربوژنراتور تشکیل شده اند.

مزایای برج های نیرو و نیروگاه های خورشیدی
۱- تولید برق بدون مصرف سوخت
۲- عدم احتیاج به آب زیاد
۳-عدم آلودگی محیط زیست
۴- نیرو رساندن با تولید نیرو به شبکه برق سراسری- امکان تأمین شبکه های کوچک و ناحیه ای- منتفی کردن تأسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال برق
۵- استهلاک کم و عمر زیاد
۶- عدم احتیاج به متخصص
۷- احتیاج کم به لوازم یدکی
۸- هزینه تأمین نیروگاه های خورشیدی نسبت به نیروگاه های فسیلی و اتمی، در واحدهای بزرگ مثلا ۱۰۰۰ مگاوات تقریباً برابر بوده ولی در مورد برج های نیرو هزینه و زمان ساخت و بهره برداری در حدود برآورد شده است.

منبع: خبرگزاری شانا