كاربردهاي انرژي خورشيد

[سمندون 19437]

مقدمه

انرژي خورشيد يكي از منابع تامين انرژي رايگان، پاك و عاري از اثرات مخرب زيست محيطي است كه از ديرباز به روش‌هاي گوناگون مورد استفاده بشر قرار گرفته است. به طور متوسط خورشيد در هر ثانيه 1.1*10²⁰ كيلووات ساعت انرژي ساطع مي كند. از كل انرژي منتشر شده توسط خورشيد، تنها در حدود 47% آن به سطح زمين مي‌رسد. اين بدان معني است كه زمين در هر ساعت، تابشي در حدود 60 ميليون Btu دريافت مي‌كند.

يعني انرژي ناشي از سه روز تابش خورشيد به زمين ‌برابر با تمام ‌انرژي ناشي از احتراق كل سوخت‌‌هاي ‌فسيلي در دل زمين است و بنابراين مي‌توان نتيجه گرفت كه در اثر تابش خورشيد به مدت چهل روز، مي‌توان انرژي مورد نياز يك قرن را ذخيره نمود. بنابراين با به كارگيري كلكتورهاي خورشيدي مي‌توان تا حدودي از اين منبع انرژي بي‌پايان، پاك و رايگان استفاده كرد و تا حد بسيار زيادي در مصرف سوخت‌هاي فسيلي صرفه جويي نمود.

موقعيت كشور ايران از نظر ميزان دريافت انرژي خورشيدي

كشور ايران در بين مدارهاي 25 تا 40 درجه عرض شمالي قرار گرفته است و در منطقه‌اي واقع شده كه به لحاظ دريافت انرژي خورشيدي در بين نقاط جهان در بالاترين رده‌ها قرار دارد. ميزان تابش خورشيدي در ايران بين 1800 تا 2200 كيلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمين زده شده است كه البته بالاتر از ميزان متوسط جهاني است. در ايران به طور متوسط ساليانه بيش از 280 روز آفتابي گزارش شده است كه بسيار قابل توجه است.

تاريخچه

شناخت انرژي خورشيدي و استفاده از آن براي منظورهاي مختلف به زمان ماقبل تاريخ باز مي‌گردد، شايد به دوران سفالگري. در آن هنگام روحانيون معابد به كمك جام هاي بزرگ طلايي صيقل داده شده و اشعه خورشيد، آتشدان‌هاي محراب ها را روشن مي‌كردند. يكي از فراعنه مصر نيز معبدي ساخته بود كه با طلوع خورشيد درب آن باز و با غروب خورشيد درب بسته مي‌شد.

ولي مهم‌ترين روايتي كه درباره استفاده از خورشيد بيان شده، داستان ارشميدس، دانشمند و مخترع بزرگ يونان قديم مي‌باشد كه ناوگان روم را با استفاده از انرژي حرارتي خورشيد به آتش كشيد. گفته مي‌شود كه ارشميدس با نصب تعداد زيادي آينه كوچك مربعي شكل در كنار يكديگر كه روي يك پايه متحرك قرار داشته ‌است، اشعه خورشيد را از راه دور روي كشتي‌هاي روميان متمركز ساخته و به اين ترتيب آنها را به آتش كشيده‌است. در ايران نيز معماري سنتي ايرانيان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحيح و مؤثر از انرژي خورشيد در زمان‌هاي قديم بوده‌است. براي نمونه ديوارهاي خانه‌هاي قديمي از جنس كاهگل بوده كه با توجه به كم بودن نرخ انتقال حرارت در اين نوع ديوارها، حرارت جذب شده در روز با چند ساعت تاخير يعني در شب وارد خانه مي‌شود.

 

كاربردهاي انرژي خورشيد

در عصر حاضر از انرژي خورشيدي توسط سيستم‌هاي مختلف استفاده مي‌شود كه عبارت‌اند از:

• استفاده از انرژي حرارتي خورشيد براي مصارف خانگي، صنعتي و نيروگاهي.

• تبديل مستقيم پرتوهاي خورشيد به الكتريسيته بوسيله تجهيزاتي به نام فتوولتاييك.

استفاده از انرژي حرارتي خورشيد

اين بخش از كاربردهاي انرژي خورشيد شامل دو گروه نيروگاهي و غير نيروگاهي است.

1) كاربردهاي نيروگاهي

تأسيساتي كه با استفاده از آنها انرژي حرارتي جذب شده خورشيد به الكتريسيته تبديل مي‌شود نيروگاه حرارتي خورشيدي ناميده مي‌شوند. در حقيقت انرژي حرارتي جذب شده از خورشيد نقش انرژي حرارتي تامين شده توسط بويلر در نيروگاه‌هاي با سوخت فسيلي را دارد. اين تأسيسات بر اساس انواع متمركز كننده‌هاي موجود و بر حسب اشكال هندسي متمركز كننده‌ها به سه دسته تقسيم مي‌شوند:

• نيروگاه‌هايي كه گيرنده آنها آينه‌هاي سهموي خطي هستند.

• نيروگاه‌هايي كه گيرنده آنها در يك برج قرار دارد و نور خورشيد توسط آينه‌هاي بزرگي به نام هليوستات به آن منعكس مي‌شود. (دريافت كننده مركزي)

• نيروگاه‌هايي كه گيرنده آنها بشقابي سهموي (ديش) است.

نيروگاه‌هاي حرارتي خورشيد از نوع سهموي خطي

در اين نيروگاه‌ها، از منعكس كننده‌هايي كه به صورت سهموي خطي هستند، جهت تمركز پرتوهاي خورشيد در خط كانوني آن‌ها استفاده مي‌شود و گيرنده به صورت لوله‌اي در خط كانوني منعكس كننده‌ها قرار دارد. در داخل اين لوله روغن مخصوصي در جريان است كه بر اثر حرارت پرتوهاي خورشيد گرم و داغ مي‌گردد.

روغن داغ از مبدل حرارتي عبور كرده و آب را به بخار تبديل و به مدارهاي مرسوم در نيروگاه هاي حرارتي انتقال مي دهد تا به كمك توربين بخار و ژنراتور به توان الكتريكي تبديل گردد.

در اين نيروگاه‌ها يك سيستم ردياب خورشيد نيز وجود دارد كه توسط آن آينه‌هاي شلجمي دائماً خورشيد را دنبال نموده و پرتوهاي آن را روي لوله دريافت كننده متمركز مي‌نمايد. تغييرات تابش خورشيد در اين نيروگاه ها توسط منبع ذخيره و گرمكن سوخت فسيلي جبران مي‌شود.

نيروگاه‌هاي حرارتي از نوع دريافت كننده مركزي

در اين نيروگاه‌ها پرتوهاي خورشيدي توسط مزرعه‌اي متشكل از تعداد زيادي آينه منعكس كننده به نام هليوستات بر روي يك دريافت كننده كه در بالاي برج نسبتاً بلندي استقرار يافته‌است متمركز مي‌گردد. در نتيجه روي محل تمركز پرتوها انرژي گرمايي زيادي بدست مي‌آيد كه اين انرژي بوسيله سيال عامل كه داخل دريافت كننده در حركت است، جذب مي‌شود و بوسيله مبدل حرارتي به سيستم آب و بخار مرسوم در نيروگاه‌هاي سنتي منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دماي طراحي شده براي استفاده در توربين ژنراتور توليد مي گردد. در برخي از سيستم‌ها نيز، سيال عامل آب است و مستقيماً در داخل دريافت كننده به بخار تبديل مي‌شود.

 

 

[سمندون 19437]

نيروگاه‌هاي حرارتي از نوع بشقابي

 

در اين نيروگاه‌ها از منعكس كننده‌هايي كه به صورت شلجمي بشقابي هستند، جهت تمركز نقطه‌اي پرتوهاي خورشيدي استفاده مي كنند و گيرنده‌هايي كه در كانون شلجمي قرار مي‌گيرند، به كمك سيال جاري در آن انرژي گرمايي را جذب نموده و به كمك يك ماشين حرارتي و ژنراتور آن را به نوع مكانيكي و الكتريكي تبديل مي‌كند.

 

دودكش‌هاي خورشيدي

 

روش ديگر براي توليد الكتريسيته از انرژي خورشيد استفاده از برج نيرو يا دودكش‌ خورشيدي است. در اين سيستم از خاصيت دودكش‌ها استفاده مي‌شود به اين صورت كه با استفاده از يك برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زيادي گرمخانه‌ خورشيدي كه در اطراف آن است، هواي گرمي بوسيله انرژي خورشيدي در يك گرمخانه توليد و به طرف دودكش يا برج كه در مركز گرمخانه‌ قرار دارد، هدايت مي‌شود.

اين هواي گرم بعلت ارتفاع زياد برج با سرعت زياد صعود كرده و باعث چرخيدن پروانه و ژنراتوري كه در پايين برج نصب شده‌است مي‌گردد و سبب توليد برق در ژنراتور مي‌شود.

مزاياي نيروگاه هاي خورشيدي

الف) توليد برق بدون مصرف سوخت ب) عدم آلودگي محيط زيست پ) امكان تأمين شبكه‌هاي كوچك و ناحيه‌اي ت) استهلاك كم و عمر زياد ث) عدم احتياج به متخصص

2) كاربردهاي غير نيروگاهي

الف – آبگرمكن‌ خورشيدي و حمام خورشيدي

ساده‌ترين آبگرمكن خورشيدي از يك گردآور تخت (كلكتور) و يك مخزن ذخيره آب تشكيل شده است. شرايط لازم نصب اين آبگرمكن آن است كه قسمت فوقاني گردآور پايين‌تر از قسمت تحتاني مخزن ذخيره قرار گيرد و حداقل انحراف گردآور نسبت به سطح افق كه براي تحقيقي جريان ترمو سيفوني، در حدود 20 درجه رو به جنوب انتخاب شود.

طرز كار

 

ابتدا مخزن آب گرم، با آب سرد پر مي‌شود و آب داخل لوله‌هاي گردآور، هنگامي كه خورشيد روي سطح گردآور مي‌تابد به تدريج گرم شده و به كندي به طرف مخزن رفته و از طرف بالا ذخيره مي‌شود، آب سرد مخزن نيز از طريق لوله ديگر به طرف قسمت پايين گردآور جريان يافته و تا زماني كه تابش خورشيدي براي گرم كردن آب كفايت كند، اين عمل ادامه مي‌يابد.

 

 

 

 

 

 

 

[سمندون 19437]

ب – گرمايش و سرمايش ساختمان و تهويه مطبوع خورشيدي

تشريح عملكرد سيستم :

تابستاني: چيلرهاي گازسوز با صرفه جويي در هزينه هاي مصرف برق تا 80%، در مقايسه با سيستم‌هاي تراكمي در فصل تابستان وظيفه تأمين سرمايش را بر عهده دارند. چيلرهاي جذبي خورشيدي كه از يك طرف محلول داغ آب و آمونياك دستگاه چيلر (كه درحالت عادي اين حرارت توسط فن كندانسور و ابزوربر به محيط دفع مي گردد) و از طرف ديگر آب گرم شونده در چرخش با منبع كويلي جهت آب گرم مصرفي قرار داده تا زماني كه چيلر در حال كار و تأمين برودت براي ساختمان است، حرارت دفع شده در كندانسور دستگاه براي تأمين آب گرم مصرفي صرف مي گردد و لذا راندمان عملكرد اين سيستم تا 170% افزايش مي يابد. در هر دستگاه چيلر در حدود 21 kw حرارت بازيافت مي شود كه اين حرارت صرف تأمين آب گرم مصرفي خواهدشد. با توجه به اينكه در هتل ها در فصل تابستان، همزماني نياز سرمايش و آب گرم مصرفي بسيار زياد است، استفاده از اين سيستم در هتل‌ها به شدت بر كاهش هزينه‌هاي انرژي مؤثر است. در زماني كه به هر دليل چيلر خاموش است، سيستم پشتيبان يعني آب گرم توليد شده از كلكتورهاي خورشيدي و يا بويلر (AYيا بويلر ديگر) براي تأمين آب گرم مصرفي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. زمستاني: در فصل زمستان با خاموش شدن چيلر، بويلرهاي AY وظيفه تأمين آب گرم ساختمان، و سيستم كلكتور خورشيدي با پشتيباني آب گرم توليد شده توسط بويلرهاي AY نقش تأمين آب گرم مصرفي را برعهده دارند.

 

پ – آب شيرين‌كن خورشيدي

ت – خشك كن خورشيدي

ث – اجاق هاي خورشيدي

 

ج – كوره خورشيدي

نوتورا در اوايل قرن 18، اولين كوره خورشيدي را در فرانسه ساخت و بوسيله آن يك تل چوب را در فاصله 60 متري آتش زد. بسمر، پدر فولاد جهان نيز حرارت مورد نياز در كوره خود را از انرژي خورشيدي تأمين مي كرد. متداول‌ترين سيستم يك كوره خورشيدي، متشكل از دو آينه، يكي تخت و ديگري كروي است. نور خورشيد به آينه تخت رسيده و توسط اين آينه به آينه كروي بازتابيده مي‌شود. طبق قوانين اپتيك، هرگاه دسته پرتوي موازي محور آينه با آن برخورد نمايد، در محل كانون، متمركز مي‌شوند و به اين ترتيب انرژي حرارتي گسترده خورشيد در يك نقطه جمع مي‌شود، كه اين نقطه به دماهاي بالايي مي‌رسد. در كانون، يك منبع آب قرار مي‌دهند و با لوله كشي‌هايي به توربين توليد برق وصل مي‌كنند، با توجه به ابعاد ساختمان انرژي گرمايي دريافتي فوق العاده بالاست و بخار آب توليد شده با جريان شديد در لوله‌ها به توربين رسيده و باعث چرخش آن و توليد برق ارزان قيمت در چنين مجموعه نيروگاهي برق - آبي مي‌گردد.

چ – خانه‌هاي خورشيدي

سيستم هاي فتوولتاييك

به پديده‌اي كه در اثر تابش نور بدون استفاه از مكانيزم‌هاي محرك، الكتريسيته توليد كند پديده فتوولتاييك و به هر سيستمي كه از اين پديده‌ها استفاده كند، سيستم فتوولتاييك گويند. انرژي فتوولتاييك تبديل نور خورشيد به الكتريسيته از طريق يك سلول فتو ولتاييك (pvs) است، كه بطور معمول يك سلول خورشيدي ناميده مي‌شود. سلول خورشيدي يك ابزار غير مكانيكي است كه معمولاً از آلياژ سيليكون ساخته شده‌است. وقتي فوتون‌ها به يك سلول فتوولتاييك برخورد مي‌كنند، فوتون هاي جذب شده انرژي را براي توليد الكتريسيته فراهم مي كنند. وقتي كه نور خورشيد (انرژي) توسط جسم نيمه رسانا جذب شود، الكترون اتم‌هاي جسم جابه جا مي‌شوند. نحوه خاص ساخت سطح جسم باعث مي‌شود، سطح جلويي سلول براي الكترون‌هاي آزاد بيشتر پذيرش يابد. بنابراين الكترون‌ها به طور طبيعي به سطح مهاجرت مي‌كنند. زماني كه الكترون‌ها موقعيت خود را ترك مي‌كنند، سوراخ‌هايي شكل مي‌گيرد. از آنجايي كه تعداد الكترون ها زياد است و هر كدام يك بار منفي را حمل مي‌كنند و به سطح جلويي سلول مي‌رود، توازن بار بين سطوح جلويي و عقبي به هم خورده و يك اختلاف پتانسيل الكتريكي، شبيه قطب‌هاي مثبت و منفي يك باتري ايجاد مي‌شود. وقتي كه دو سطح از ميان يك راه داخلي مرتبط مي‌شوند، الكتريسيته جريان مي‌يابد.

 

سيستم‌هاي فتوولتاييك يكي از پرمصرف‌ترين كاربردهاي انرژي‌هاي نو هستند. از سري و موازي كردن سلول هاي آفتابي مي‌توان به جريان و ولتاژ قابل قبولي دست يافت. به يك مجموعه از سلول‌هاي سري و موازي شده پنل (Panel) فتوولتاييك مي‌گويند. سيستم‌هاي فتوولتاييك را مي‌توان بطور كلي به دو بخش اصلي تقسيم نمود: ۱ – پنل‌هاي خورشيدي: اين بخش در واقع مبدل انرژي تابشي خورشيد به انرژي الكتريكي بدون واسطه مكانيكي مي‌باشد. ۲ – مصرف كننده يا بار الكتريكي

سيستم هاي فتوولتاييك در جهان

سيستم‌هاي فتوولتاييك همچنان سريع‌ترين روند رشد را در ميان فناوري‌هاي توليد انرژي به خود اختصاص داده‌اند و ظرفيت آنها با 70 درصد رشد در سال 2008، به 13گيگاوات رسيده است. به علت رشد 6 برابري اين سيستم‌ها در مقايسه با ظرفيت جهاني در سال 2004، رشد ظرفيت سالانه سيستم‌هاي فتوولتاييك در شبكه‌هاي برق در سال 2008 ظرفيتي حدود 5.4 گيگاوات ارزيابي شده است. بازار اسپانيا با افزايش ظرفيت نصب شده خود به ميزان 2.6 گيگاوات، حدود نيمي از ظرفيت‌هاي افزوده شده در كل جهان را در سال 2008 به خود اختصاص داده است. پس از اسپانيا، كشور آلمان در جايگاه دوم قرار دارد كه در سال 2008، ظرفيت توليد انرژي از اين نوع منبع را در حدود 1.5 گيگاوات افزايش داده است. پس از اسپانيا و آلمان، ساير كشورهاي بزرگ صنعتي سعي بر اين داشته‌اند كه با سرمايه‌گذاري در اين بخش از قافله عقب نمانند كه از آن جمله مي‌توان به ايالات متحده آمريكا با 310 مگاوات، كره‌جنوبي با 200 تا 270 مگاوات، ژاپن با 240 مگاوات و ايتاليا با 200 تا 300 مگاوات افزايش ظرفيت اشاره كرد. بازارهاي استراليا، كانادا، چين، فرانسه و هندوستان نيز همچنان روند رو به رشد را طي كرده و بسياري از كشورها از جمله چين نيز به تازگي فعاليت خود را در اين بخش آغاز كرده‌اند تا مجموع ظرفيت جهاني سيستم فتوولتاييك را در سال 2008 به بيش از 16 گيگاوات افزايش دهند. در سال 2008، سه گرايش مشخص در بازارهاي فتوولتاييك وجود داشته است: گرايش اول: توجه به توسعه پنل‌هاي فتوولتاييك براي استفاده در ساختمان‌ها بود كه با وجود اختصاص سهم كمي از بازار، رشد سريعي را در جذب بازار از خود نشان داد به طوريكه بيش از 25 مگاوات از اين سيستم در اروپا نصب شد. گرايش دوم: فناوري‌هاي فتوولتاييك ورقه‌اي بود كه سهم بيشتري از سهم بازار را داشت. نيروگاه‌هاي مجهز به فتوولتاييك مقياس بزرگ با ظرفيتي بيش از 200 كيلووات بودند كه به طور انبوه در سال 2008 راه‌اندازي شدند. تا پايان سال 2008، در حدود 1800 مورد از چنين نيروگاه‌هايي در سرتاسر جهان وجود داشتند، در حاليكه اين تعداد در پايان سال 2007 در حدود يك هزار نيروگاه بوده است. به طوركلي، مجموع ظرفيت اين نيروگاه‌ها در حدود 3 گيگاوات است كه در مقايسه با سال 2007، تا سه برابر افزايش يافته است. اكثر نيروگاه‌هاي جديد در سال 2008 با مجموع ظرفيت بيش از 1.9 گيگاوات در كشور اسپانيا نصب شدند و ساير نيروگاه‌هاي فتوولتاييك در كشورهاي جمهوري چك، فرانسه، آلمان، ايتاليا، كره و پرتغال راه‌اندازي شدند. يكي از اين نيروگاه‌ها، نيروگاه 60 مگاواتي المديا در شهر آلاركون اسپانيا است كه با اتمام پروژه راه‌اندازي آن در سال 2008، در حال حاضر بزرگ‌ترين نيروگاه فتوولتاييك جهان لقب گرفته است. همچنين، نيروگاه‌هاي فتوولتاييك جديدي در ساير كشورهاي اروپايي و جهان از جمله چين، هند، ژاپن و ايالات متحده آمريكا طراحي شده يا در حال توسعه هستند.

 

توليد خودروي خورشيدي توسط كمپاني نيسان

شركت خودروسازى نيسان (موتورز ژاپن) قصد دارد نوعى خودروى خورشيدى شهرى را روانه بازار كند كه سلول‌هاى خورشيدى جاذب نور روى سقف آن تعبيه مى‌شود. به اعتقاد نيسان خودروهايى ‌كه با استفاده از نور خورشيد انرژى خود را تامين مى‌كنند طى يك دهه آينده به مناسب‌ترين انتخاب براى سفرهاى شهرى تبديل مى‌شوند و به همين دليل اين شركت به دنبال توليد و عرضه اولين خودروى خورشيدى خود تا سال 2012 ميلادى است.

 

موبايل هاي خورشيدي

اين ايده معرف تلفن همراهي است كه با انرژي خورشيدي و يا نور شارژ مي‌شود، اين محصول Eclipse intuit نام دارد كه توسط Eddie Goh طراحي شده است و طرحي است از موبايل هاي آينده، اين گوشي به صورت كشويي است و در قسمت پشت و رو داراي سنسورهاي جذب نور است كه به محض دريافت كمترين نوري شروع به ذخيره انرژي مي كند.

 

صحراي بزرگ آفريقا برق اروپا را تأمين مي‌كند

يك شبكه جديد انتقال جريان برق امكان حمل الكتريسيته را به نيروگاهي دور ازاين صحرا بدون خطر افت انرژي فراهم خواهد كرد. اين نيروگاه جديد قرار است در ولز انگليس ساخته شود. اولين نتايج اجراي اين طرح در سال 2050 به بهره‌برداري مي‌رسد. دولت‌هاي اروپايي در پروژه مشتركي تا سال 2050 قصد دارند با نصب پنل‌هاي خورشيدي در صحراي بزرگ آفريقا از انرژي خورشيدي اين منطقه در تأمين برق اروپا استفاده كنند. محققان اروپايي در پروژه مشتركي كه دولت‌هاي اروپايي هزينه 50 ميليارد يورويي آن را تأمين كرده‌اند قصد دارند پنل‌هاي خورشيدي را در صحراي بزرگ آفريقا نصب كنند. گزارش موسسه انرژي در كميسيون اروپا كه در همايش يوروساينس در بارسلوناي اسپانيا ارائه شد، نشان مي‌دهد كه جمع‌آوري 3/0 درصد از انرژي خورشيدي كه صحراي بزرگ آفريقا را گرم مي‌كند، براي رفع نياز انرژي برق اروپا كافي خواهد بود.

 

 

 

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام