کاربردهای انرژی خورشیدی

 

کاربردهای انرژی خورشیدی

 

 

  • انرژی خورشیدی

خورشید یک راکتور هسته ای طبیعی بسیار عظیم است که در آن مواد بر اثر هم جوشی هسته ای به انرژی هسته ای تبدیل می شوند و در هر ثانیه ۴/۲ میلیون تن از جرمش به انرژی تبدیل می شود. میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجۀ سانتیگراد می باشد. از سطح آن حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه به صورت امواج الکترومغناطیس در فضا منتشر می شود، انرژیی که به این ترتیب به شکل نور مرئی، فروسرخ و فرابنفش به ما می رسد یک کیلو وات بر متر مربع است.

در واقع خورشید به توپ بزرگی آتشینی شباهت دارد که صد بار از زمین بزرگ تر است. این ستاره از گازهایی نظیر هیدروژن (۸۶/۸ ٪)، هلیوم (۳٪) و ۶۳ عنصر دیگر که مهم ترین آن ها اکسیژن، کربن، نئون و نیتروژن است، تشکیل شده است. که انفجارهای بزرگی را به وجود می آورند و پرتوهای قوی گرما و نور را تولید می کنند. ۱/۳ پرتوها در راه رسیدن به زمین در فضا پخش می شوند و بقیه به زمین می رسند. از آنجائی که زمین در فاصلۀ ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است، ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می کشد تا نور خورشید به زمین برسد.

با توجه به قطر و وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است می توان آن را به منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد. قابل توجه است اگر بدانیم در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می گذرد و سوخت های فسیلی ذخیره  شده در اعماق زمین، انرژی های باد و آب های جاری و امواج دریاها و سایر انرژی ها از جمله نتایج همین مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید است.

 

 

  • تاریخچۀ انرژی خورشیدی

شناخت انرژی خورشید و استفاده از آن به زمان ماقبل تاریخ برمی گردد. شاید به دوران سفالگری، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جام های بزرگ طلایی صیقل داده شده و اشعه ی خورشید، آتشدان ها را روشن می کردند. یکی از فراعنۀ مصری هم معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید بسته می شد. همچنین ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان، ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید. گفتنی است معماری سنتی ایرانیان هم نشان دهندۀ توجه خاص آنان در استفادۀ صحیح و مؤثر از انرژی خورشید بوده است.

 

 

  • کاربردهای انرژی خورشیدی

 امروزه از انرژی خورشیدی برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری می شود که عبارتند از:

 ۱) استفاده از انرژی حرارتی خورشید.

۲) تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته (فتوولتائیک).

 

 

  • استفاده از انرژی حرارتی خورشید

 این بخش از کاربردهای انرژی خورشیدی شامل دو گروه نیروگاهی و غیر نیروگاهی می باشد که بحث ما بیشتر روی گروه نیروگاهی می باشد.

 

 

  • کاربردهای نیروگاهی انرژی خورشیدی

تأسیساتی که با استفاده از آن ها انرژی حرارتی جذب شده ی خورشید به الکتریسیته تبدیل می شود نیروگاه حرارتی خورشیدی می نامند. در نیروگاه های حرارتی خورشیدی وظیفه ی اصلی بخش های خورشیدی، تولید بخار برای تغذیه ی توربین ها می باشد و انرژی این توربین ها هم به ژنراتورهای الکتریکی منتقل می شود و ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. به عبارتی می توان گفت این نوع نیروگاه ها شامل دو قسمت هستند

 الف) سیستم خورشیدی که پرتوها را جذب و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می نماید.

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. این تأسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده های موجود بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده ها به چهار دسته تقسیم می شوند

 الف) نیروگاه هایی که گیرندۀ آن ها آیینه های سهموی ناودانی (شلجمی باز) هستند.

 ب) نیروگاه هایی که گیرنده آن ها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آیینه های بزرگی به نام هلیوستات به آن منعکس می شود. (دریافت مرکزی)

 پ) نیروگاه هایی که گیرندۀ آن ها بشقابی سهموی (دیش) می باشد (شلجمی بشقابی).

ت) دودکش های خورشیدی.

 

 

  • نیروگاه حرارتی خورشیدی سهموی خطی

 در این نیروگاه ها، منعکس کننده ها به صورت سهموی خطی می باشند که جهت تمرکز پرتوهای خورشید در یک خط کانونی به کار می روند و گیرنده به صورت لوله ای در خط کانونی منعکس کننده قرار دارد. داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم می گردد. روغن داغ از تبدیل کننده ی حرارتی عبور کرده و آب را به بخار تبدیل می کند، در این سیستم آب و بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاه های حرارتی انتقال داده می شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل گردد. 

برای افزایش بازدهی لوله دریافت کننده، سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد پوشش می دهند و اطراف آن را با لوله ی شیشه ای می پوشانند تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری کند و از لوله ی دریافت کننده هم محافظت شود. در نتیجه ی این عمل بین دو لوله خلا به وجود می آورند تا پرتوهای تابیده شده در طول روز به صورت مستقیم به لوله برسد.

در این نیروگاه ها سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که به وسیلۀ آن آئینه ها دائماً خورشید را دنبال می کنند و پرتوهای آن را روی لولۀ دریافت کننده متمرکز می نمایند. تغییرات تابش خورشید در این نیروگاه ها توسط منبع ذخیره و گرمکن سوخت فسیلی جبران می شوند. در چند کشور نظیر ایالات متحدۀ آمریکا، اسپانیا، مصر، مکزیک، هند و مراکش از نیروگاه های سهموی خطی استفاده شده است.

در ایران هم تحقیقات و مطالعاتی در زمینه ی این نیروگاه ها انجام شده و پروژۀ یک نیروگاه تحقیقاتی با ظرفیت ۲۵۰ کیلووات توسط سازمان انرژی های نو ایران در شیراز نیروگاه حرارتی خورشیدی دریافت کنندۀ مرکزی در این نیروگاه ها پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه ای متشکل از تعداد زیادی آینه ی منعکس کننده به نام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی قرار دارد متمرکز می گردد.

در نتیجه روی محل تمرکز پرتوها، انرژی گرمایی زیادی به دست می آید. این انرژی به وسیلۀ سیال عامل که داخل دریافت کننده در حرکت است، جذب و به وسیلۀ مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار منتقل می شود. بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید می گردد.

 سیال عامل در مبدل های حرارتی در کنار آب قرار می گیرد و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا می گردد. در برخی از سیستم ها سیال عامل آب است و مستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می شود.

برای استفادۀ دائمی از این نوع نیروگاه، در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد از سیستم های ذخیره کنندۀ حرارت و یا تجهیزات پشتیبانی که ممکن است سوخت فسیلی باشد، استفاده می کنند. (مطالعات ساخت اولین نیروگاه خورشیدی دریافت کننده مرکزی ایران توسط سازمان انرژی های نو ایران با ظرفیت یک مگاوات و سیال عامل آب در طالقان جریان دارد.)

 

  • نیروگاه حرارتی خورشیدی از نوع شلجمی بشقابی

در این نیروگاه ها از منعکس کننده هایی که به صورت شلجمی بشقابی می باشند جهت تمرکز نقطه ای پرتوهای خورشید استفاده می گردد و گیرنده هایی که در کانون شلجمی قرار دارند به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور آن را به توان مکانیکی و سپس الکتریکی تبدیل می نماید.

 

 

  • نیروگاه های حرارتی خورشیدی از نوع دودکش خورشیدی

روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از برج نیرو با 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 ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانه های خورشیدی در اطراف برج، هوای گرمی که به وسیلۀ انرژی خورشیدی در گرم خانه تولید می شود به 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 می گردد و به وسیله ی این ژنراتور برق تولید می شود. 

 

 

  • کاربردهای غیر نیروگاهی انرژی حرارتی خورشیدی

کاربردهای غیر نیروگاهی شامل موارد متعددی می باشد که عبارتند از:

 الف) آبگرمکن های خورشیدی و حمام خورشیدی.

ب) گرمایش، سرمایش و تهویه ی مطبوع خورشیدی ساختمان ها.

پ) آب شیرین کن خورشیدی.

ت) خشک کن خورشیدی.

 ث) اجاق های خورشیدی.

 ج) کوره ی خورشیدی.

چ) خانه های خورشیدی.

 

 

  • سیستم های فتوولتائیک

به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم های محرک، الکتریسیته تولید می شود پدیده ی فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. امروزه سیستم های فتوولتائیک گوناگونی با ظرفیت های مختلف از ۰/۵ وات تا چند مگاوات در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده است.)

 از سری و موازی کردن سلول های آفتابی می توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. به یک مجموعه از سلول های سری و موازی شده پنل فتوولتائیک می گویند. امروزه این گونه سلول ها از سیلیسیم ساخته می شوند، سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می شود. (که در مناطق کویری کشور ما به فراوانی یافت می شود)

 سیستم های فتوولتائیک را می توان به طور کلی به سه بخش اصلی تقسیم نمود:

 

١- پنل های خورشیدی: این بخش انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی (بدون واسطه مکانیکی) تبدیل می کند. لازم به ذکر است که جریان و ولتاژ خروجی از این پنل ها DC می باشد.

 ۲- بخش کنترل این بخش کلیه مشخصات سیستم را کنترل کرده و توان ورودی پنل ها را طبق طراحی انجام شده و نیاز مصرف کننده به بار یا باطری تزریق می کند. در این بخش مشخصات و

عناصر تشکیل دهنده با توجه به نیازهای بار الکتریکی و مصرف کننده و نیز شرایط آب و هوایی تغییر می کند.

 ٣- مصرف کننده یا بار الکتریکی: با توجه به خروجی DC پنل های فتوولتائیک، مصرف کننده می تواند DC یا AC باشد. همچنین با آرایش های مختلف پنل های فتوولتائیک می توان نیاز مصرف کنندگان مختلف را با توان های متفاوت تأمین نمود.

 

 

  • مصارف و کاربردهای فتوولتائیک

الف) مصارف فضانوردی و تأمین انرژی مورد نیاز ماهواره جهت ارسال پیام

ب) روشنایی خورشیدی

پ) سیستم تغذیه کنندۀ یک واحد مسکونی

 ت) سسیستم پمپاژ خورشیدی

ث) سیستم تغذیه کنندۀ ایستگاه های مخابراتی و زلزله نگاری

ج) ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و وسایل بازی کودکانه (هر وسیله ای که با باتری خشک کار می کرده است)

ج) یخچال های خورشیدی

ح) سیستم تغذیه کنندۀ پرتابل یا قابل حمل

 

 

  • مزایای نیروگاه های خورشیدی

 نیروگاه های خورشیدی با توجه به مزایایی که در برابر نیروگاه های فسیلی و اتمی دارند، می توانند مشکل برق را در آینده حل نمایند. برای نمونه داریم:

 ۱- تولید برق بدون مصرف سوخت:

برخلاف نیروگاه های فسیلی که قیمت برق تولیدی آن ها تابع قیمت نفت بوده و پیوسته در حال تغییر می باشد نیروگاه های خورشیدی نیازی به سوخت ندارند.

۲- عدم احتیاج به آب زیاد

 نیروگاه های خورشیدی به خصوص دودکش های خورشیدی با هوای گرم احتیاج به آب ندارند لذا برای مناطق خشک مثل ایران بسیار حائز اهمیت می باشند.

 ۳- عدم آلودگی محیط زیست

این نیروگاه ها هیچ گونه آلودگی برای محیط زیست ندارند و مواد سمی و مضر هم تولید نمی کنند در صورتی که نیروگاه های فسیلی و اتمی اثرات مخرب زیست محیطی دارند.

۴- امکان تأمین شبکه های کوچک و ناحیه ای

نیروگاه های خورشیدی می توانند با تولید برق به شبکۀ سراسری نیرو برسانند و در ضمن با تأمین نیروی شبکه های کوچک و ناحیه ای، احتیاج به تأسیس خطوط فشار قوی طولانی انتقال برق ندارند و نیازی به هزینۀ زیاد جهت احداث شبکه های انتقال نمی باشد.

۵- استهلاک کم و عمر زیاد

نیروگاه های خورشیدی به دلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد عمر طولانی دارند، در حالی که عمر نیروگاه های فسیلی بین ۱۵ تا ۳۰ سال محاسبه شده است.

 ۶- عدم احتیاج به نیروی متخصص

 نیروگاه های خورشیدی احتیاج به نیروی متخصص ماهر ندارند و می توان آنها را به طور اتوماتیک به کار انداخت در صورتی که در سایر نیروگاه ها به خصوص نیروگاه اتمی وجود متخصصین در سطح عالی ضروری بوده و احتیاج به مراقبت های دائمی ویژه دارند.

 

مقالات مرتبط