انرژی خورشیدی

مقدمه

توسعه شگرف علم و فن آوری در جهان امروز ظاهرا آسایش و رفاه زندگی بشر را موجب شده است، لیکن این توسعه یافتگی، مایه بروز مشکلات تازه ای نیز برای انسان ها شده است که از آن جمله می توان به آلودگی محیط زیست، تغییرات گسترده آب و هوایی در زمین و غیره اشاره نمود. به ویژه می دانیم که نفت و مشتقات آن از سرمایه های ارزشمند ملی و حیاتی می باشند که مصرف غیر بهینه از آن ها گاهی زیان های جبران ناپذیری را ایجاد می کند، از این رو صاحبنظران و کارشناسان به دنبال منابعی هستند که به تدریج جایگزین سوخت های فسیلی شوند.

سوخت های فسیلی آلودگی زیست محیطی بی شماری را اعمال می نمایند، به عبارت دیگر از یک طرف در نتیجه سوختن مواد فسیلی گازهای سمی وارد محیط می شوند و تنفس انسان را دچار مشکل می نمایند و محیط زیست را آلوده می نماید و از طرفی دیگر تراکم این گازها در جو زمین مانع خروج گرما از اطراف زمین می شود و باعث افزایش دما 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 (گازهای گلخانه ای) است. 

متخصصان بر این باورند که با استفاده از انرژی های پاک (انرژی تجدید پذیر) نظیر انرژی خورشیدی، بادی، زمین گرمایی، هیدروژن و ... به جای انرژی های حاصل از سوخت های فسیلی (انرژی تجدید ناپذیر) از آلودگی های زیست محیطی و خطرات مرتبط با آن جلوگیری خواهد شد، از سوی دیگر انرژی های فسیلی (انرژی تجدید ناپذیر) مانند نفت، گاز و زغال سنگ سرانجام روزی با پایان گرفتن آن ها تمدن بشری که بستگی مستقیم به انرژی دارد دچار یک چالش جدید و بزرگ خواهد شد . این امر سبب شده است که کشورهای توسعه یافته صنعتی با جدیت هرچه تمام تر استفاده از سایر انرژی های تجدید پذیر را مورد توجه قرار دهند. استفاده از انرژی خورشیدی، باد و امواج، زمین گرمایی، هیدروژن، زیست توده و ... که به انرژی های تجدید پذیر مرسومند مستلزم مطالعات و تحقیقات فراوانی می باشد که قبل از استفاده باید انجام گیرند، مجموعه انرژی های تجدید پذیر روز به روز سهم بیشتری را در سیستم تامین انرژی جهان به عهده می گیرند. در این مقاله آموزشی قصد داریم بطور مفصل به انرژی خورشیدی به عنوان یک انرژی تجدید پذیر بپردازیم. بنابراین اگر به دنبال پاسخ سوالاتی از قبیل انرژی خورشیدی چیست؟ سلول خورشیدی چیست؟ و مزایای انرژی خورشیدی، هستید با ما همراه باشید.

انرژی خورشیدی چیست

انرژی خورشیدی منحصر به ‌فردترین منبع انرژی تجدید پذیر در جهان است و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین است. انرژی خورشید همانند سایر انرژی‌ها به‌طور مستقیم یا غیر مستقیم می‌تواند به دیگر اشکال انرژی همانند گرما و الکتریسیته تبدیل شود. اما موانعی شامل ضعف علمی و تکنیکی در تبدیل به علت کمبود دانش و تجربه میدانی، متغیر و متناوب بودن مقدار انرژی به دلیل تغییرات جوی و فصول سال و جهت تابش و محدوده توزیع بسیار وسیع موجب شده تا استفاده کمی از این انرژی تجدید پذیر (انرژی خورشیدی) صورت گیرد.
استفاده از منبع عظیم انرژی خورشیدی برای تولید انرژی الکتریسته، استفادهٔ دینامیکی، ایجاد گرمایش محوطه‌ها و ساختمان‌ها، خشک کردن تولیدات کشاورزی و تغییرات شیمیایی در سال‌های اخیر افزایش یافته‌است.

کاربرد انرژی خورشیدی 

در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری می شود که عبارتند از :
1-    استفاده از انرژی حرارتی خورشیدی برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی 
2-    تبدیل مستقیم نور حاصل از پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک

استفاده از انرژی حرارتی خورشیدی

این بخش از کاربرد انرژی خورشیدی شامل دو گروه کاربردهای نیروگاهی و غیر نیروگاهی می باشد. 

1. 1-    کاربرد نیروگاهی انرژی خورشیدی

2. 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. 
   1. 
      الف- نیروگاه هایی که گیرنده آن ها آینه های سهموی ناودانی هستند (شلجمی باز) 
   2.  
   3. 
   4.  
   5. 
      ب- نیروگاه هایی که گیرنده آن ها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه های بزرگی به نام هلیوستات به آن منعکس می شود (دریافت کننده مرکزی) 
   6.  
   7. 
   8.  
   9. 
      پ- نیروگاه هایی که گیرنده آن ها بشقاب سهموی (دیش) می باشد (شلمجی بشقابی) 
   10.  
   11. 
   12.  
3. 
   قبل از توضیح در خصوص نیروگاه خورشیدی بهتر است شرح مختصری از نحوه کارکرد نیروگاه های تولید الکتریسیته داده شود. 
4. 
   بهتر است بدانیم در هر نیروگاهی اعم از نیرو گاه های آبی، نیروگاه های بخاری و نیروگاه های گازی برای تولید برق از ژنراتور های الکتریکی استفاده می شود که با چرخیدن این ژنراتورها برق تولید می شود. این ژنراتورهای الکتریکی انرژی دورانی خود را از دستگاهی به نام توربین تامین می کنند. بدین ترتیب می توان گفت که ژنراتور ها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. تامین کننده انرژی جنبشی ژنراتورها، توربین ها هستند توربین ها انواع مختلف دارند در نیروگاه های بخاری توربین هایی وجود دارند که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آن ها شده و موجب به گردش در آمدن پره های توربین می گردد. در نیروگاه های 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 نیروگاه های آبی انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود، در نیروگاه های حرارتی بر اثر سوختن سوخت های فسیلی مانند مازوت، آب موجود در سیستم بسته نیروگاه داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل می شود و بدین ترتیب انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود در نیروگاه های گازی توربین هایی وجود دارد که به طور 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 نیروگاه های حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخش های خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربین ها است. یا به عبارت دیگر میتوان گفت که این نوع نیروگاه ها شامل دو قسمت هستند: 
5.  
6. الف) سیستم خورشید که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می نماید.
7. 
   ب) سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاه های حرارتی، بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می کند.
8.  
9.  

   1. نیروگاه های حرارتی خورشیدی از نوع سهموی خطی

   2. در این نیروگاه، از منعکس کننده هایی که به صورت سهموی خطی می باشند جهت تمرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آن ها استفاده می شود و گیرنده به صورت لوله ای در خط کانونی منعکس کننده ها قرار می گیرد. در داخل این لوله روغن مخصوص در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم و داغ می گردد. این روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار تبدیل می کند این سیستم آب و بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاه های حرارتی انتقال داده می شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد.​​
   3.  
   4. 
10. 1. 
       در این نیروگاه ها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که بوسیله آن آینه های شلجمی دائما خورشید را دنبال می کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز می نمایند.
    2. تغییرات تابش خورشید در این نیروگاه ها توسط منبع ذخیره و گرم کن سوخت فسیلی جبران می شوند. 
11.  

12. 1.  

    2. نیروگاه حرارتی خورشیدی از نوع دریافت کننده مرکزی

    3. در این نیروگاه های پرتو های خورشیدی توسط مزرعه ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس کننده بنام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتا بلندی استقراریافته است متمرکز می گردد. در نتیجه روی محل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست می آید که این انرژی بوسیله مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاه های 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 مبدل های حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا می گردد. در برخی از سیستم ها سیال عامل آب است و مستقیما در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می شود. برای استفاده دائمی از این نوع نیروگاه، در زمانی که تابش خورشید (انرژی خورشیدی) وجود ندارد مثلا ساعات ابری و شب ها از سیستم های ذخیره کننده حرارت و یا احیانا از تجهیزات پشتیبانی که ممکن است از سوخت فسیلی استفاده کنند جهت ایجاد بخار برای تولید برق کمک گرفته می شود.
    4.  
    5. 

13. 1.  

    2. نیروگاه های حرارتی خورشیدی از نوع شلجمی بشقابی 

    3. در این نیروگاه ها از منعکس کننده هایی که به صورت شلجمی بشقابی می باشد جهت تمرکز نقطه ای پرتو های خورشید استفاده می گردد و گیرنده ای که در کانون قرار می گیرد به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور آن را به توان الکتریکی تبدیل می نماید.
    4.  
    5. 

    6.  

    7.  

    8. دودکش های خورشیدی

    9. روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از دودکش 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 200 متر و تعداد زیادی گرم خانه های خورشیدی که در اطراف آن است هوای گرمی که به وسیله انرژی خورشیدی در یک گرم خانه تولید می شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه قرار دارد، هدایت می شود.
    10.  
    11. 
    12.  
    13. 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 می گردد و به وسیله این ژنراتور برق تولید می شود.
    14.  
    15. 

مزایای نیروگاه خورشیدی 

نیروگاه خورشیدی که انرژی خورشید را به برق تبدیل می کند امید است در آینده با مزایای قاطعی که در برابر نیروگاه های فسیلی و اتمی دارد به خصوص اینکه سازگار با محیط زیست می باشد، مشکل برق به خصوص در دوران اتمام ذخایر نفت و گاز را حل نماید. اکنون شایسته است که به ذکر چند مورد از مزایای نیروگاه خورشیدی بپردازیم.

1. الف ) تولید برق بدون مصرف سوخت

2. نیروگاه خورشیدی نیاز به سوخت ندارد و برخلاف نیروگاه های فسیلی که قیمت برق تولیدی آن ها تابع قیمت نفت بوده و همیشه در حال تغییر می باشد، در نیروگاه خورشیدی این نوسان وجود نداشته و می توان بهای برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگه داشت.
3.  

4. ب) عدم احتیاج به آب زیاد 

5. نیروگاه خورشیدی بخصوصی دودکش های خورشیدی با هوای گرم احتیاج به آب ندارند. لذا برای مناطق خشک مثل ایران بسیار حائز اهمیت می باشد (نیروگاه های حرارتی سنتی هنگام فعالیت نیاز به آب مصرفی زیادی دارند)
6.  

7. ج) عدم آلودگی محیط زیست 

8. نیروگاه خورشیدی ضمن تولید برق هیچ گونه آلودگی در هوا نداشته و مواد سمی و مضر تولید نمی کند. در صورتی که نیروگاه های فسیلی هوا و محیط اطراف خود را با مصرف نفت-گاز و یا زغال سنگ آلوده کرده و نیروگاه های 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 به وجود می آورند.
9.  
10. 

1. د) امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای

2. نیروگاه خورشیدی می تواند با تولید برق به شبکه سراسری برق تزریق نماید و در عین حال امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای را نیز به ما می دهد. در حالی که، احتیاج به تاسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال نمی باشد.

1. ه) استهلاک کم و عمر زیاد
2. نیروگاه خورشیدی به دلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر طولانی می باشد در حالی که عمر نیروگاه های فسیلی بین 15 تا 30 سال محاسبه شده است.

1. و) عدم احتیاج به متخصص

2. نیروگاه خورشیدی احتیاج به متخصص عالی ندارد و می توان آن ها را به طور اتوماتیک به کار انداخت، در صورتی که در نیروگاه های اتمی وجود متخصصین در سطح عالی ضروری بوده و این دستگاه ها احتیاج به مراقبت های دائمی و ویژه دارند.

2-    کاربرد غیر نیروگاهی انرژی خورشیدی

کاربردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می باشد که اهم آن ها عبارتند از: آبگرمکن و حمام خورشیدی- سرمایش و گرمایش خورشیدی-آب شیرین کن خورشیدی- خشک کن خورشیدی – اجاق خورشیدی- کوره های خورشیدی و خانه های خورشیدی

1. الف) آبگرمکن خورشیدی و حمام خورشیدی

2. تولید آب مصرفی ساختمان ها از اقتصادی ترین روش های استفاده از انرژی خورشیدی است. می توان از انرژی حرارتی خورشیدی جهت تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکان هایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد و چنانچه ظرفیت این سیستم ها افزایش یابد می توان از آن ها در حمام های خورشیدی نیز استفاده نمود.

1. ب) گرمایش و سرمایش ساختمان با انرژی خورشیدی 
2. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم های خورشیدی می توان علاوه بر تهیه آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم در فصول گرم برای سرمایش ساختمان ها نیز استفاده کرد.

1. ج) آب شیرین کن خورشیدی

2. هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می ماند.
3. سپس با استفاده از روش های مختلف می توان آب تبخیر شده را تقطیر کرده و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این روش می توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارد مانند جزایر را تامین کرد.
4. 
5. آب شیرین کن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می شود. در نوع صنعتی با حجم بالا می توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.

1. د) خشک کن خورشیدی

2. در خشک کن های خورشیدی به طور مستقیم یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می گردد. خشک کن های خورشیدی در اندازه ها و طرح های مختلف و  برای محصولات و مصارف گوناگون طراحی و ساخته می شوند.

1. ه) اجاق خورشیدی

2. دستگاه های خوراک پز خورشیدی اولین بار به وسیله شخصی به نام نیکلاس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق بندی شده با صفحه سیاهرنگی بود که قطعات شیشه ای درپوش آن را تشکیل داد. اشعه خورشید با عبور از میان این شیشه ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می شد سپس درجه حرارت داخل جعبه را به 88 درجه افزایش می داد. اصول کار اجاق خورشیدی جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می باشد. 

1. 
   و) کوره خورشیدی 

2. در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تله چوبی را در فاصله 60 متری آتش زد.
3. توماس بسمر پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تامین می کرد. 
4. کوره‌ی خورشیدی وسیله ای است که از تعداد زیادی آینه تشکیل شده است که به طور هماهنگ نور خورشید را روی یک نقطه کانونی متمرکز می‌کنند تا دمای آن نقطه که همان کوره است افزایش پیدا کند. 
5. کوره خورشیدی به شکل بشقاب کاو (مقعر)، آینه‌ای و صیقلی که نورهای تابیده شده به طرف خود را بازتاب می‌کند می باشد. نورهای تابیده شده از بی‌نهایت دور موازی هستند طبق قوانین اپتیک هرگاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید در محل کانون متمرکز می شوند. به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می شود که این نقطه به دماهای بالایی می رسد.

سیستم های فتوولتائیک

به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم های محرک ، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. سیستم های فتوولتائیک یکی از پرمصرف ترین کاربرد انرژی های نو می باشند و تاکنون سیستم های گوناگونی با ظرفیت های مختلف ( 5/0 وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم ها هر روزه بر تعداد متقاضیان آن ها افزوده می شود. از سری و موازی کردن چند سلول خورشیدی می توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلول های سری و موازی شده پنل ( Panel ) فتوولتائیک می گویند. 

امروزه این گونه سلول ها عموما از ماده سیلسیم تهیه می شود و سیلسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می شود که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت می گردد و کمبودی وجود ندارد.

سیستم فتولتائیک را می توان به طور کلی به سه بخش اصلی تقسیم نمود که به طور خلاصه به توضیح آن ها می پردازیم:

1. الف) پنل خورشیدی

2. پنل خورشیدی در واقع مبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی بدون واسطه مکانیکی می باشد. لازم به ذکر است، جریان و ولتاژ خروجی از این پنل ها DC (مستقیم) می باشد.

1. ب) تولید توان مطلوب یا بخش کنترل

2. این بخش در واقع کلیه مشخصات سیستم را کنترل کرده و توان ورودی پنل ها را طبق طراحی انجام شده و نیاز مصرف کننده به بار یا باتری تزریق و کنترل می کند. لازم به ذکر است که در این بخش مشخصات و عناصر تشکیل دهنده با توجه به نیازهای بار الکتریکی و مصرف کننده و نیز شرایط آب و هوایی محلی تغییر می کند.
    
3.  

4. ج) مصرف کننده یا بار الکتریکی

5. با توجه به خروجی DC پنل های فتوولتائیک، مصرف کننده می تواند از دو نوع DC یا AC باشد، همچنین با آرایش های مختلف پنل های فتوولتائیک می توان نیاز مصرف کنندگان مختلف را با توان های متفاوت تامین نمود.
6. با توجه به کاهش روزافزون ذخایر سوخت فسیلی و خطرات ناشی از بکارگیری نیروگاه های اتمی، گمان قوی وجود دارد که در آینده ای نه چندان دور سلول های خورشیدی با تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی برق به عنوان جایگزین مناسب و بی خطر برای سوخت های فسیلی و نیروگاه های اتمی توسط بشر بکارگرفته شود.
    

1. منبع : کتاب انرژی خورشیدی سازمان انرژی های نو ایران