انرژی خورشیدی

با توجه به رشد تقاضای انرژی ازجمله انرژی خورشیدی و افزایش اهمیت محیط زیست، تحقیقات و تکنولوژی های جایگزینی منابع غیر تجدیدشدنی و سوخت های فسیلی آلاینده روز به روز گسترده‌تر می شود. یکی از مهمترین این منابع انرژی خورشیدی می‌باشد.

دراین مقاله می‌آموزیم :

انرژی خورشیدی چیست؟

تاریخچه انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی در ایران

سیستم های حرارتی خورشیدی

یک کلکتور تخت شامل چه اجزاء می‌باشد؟

گردآورنده‌های متمركز كننده

کاربردهای غیر نیروگاهی سیستم حرارتی خورشیدی

نوع دوم سيستم‌های حرارتی_برقی خورشيدی

نوع سوم نیروگاه‌های فتوولتائيک(PV )

انرژی خورشیدی چیست؟

انرژی خورشیدی عظیم ترین منبع انرژی در جهان است. این انرژی پاک، ارزان و بی‌پایان بوده و در بیشتر مناطق کره زمین قابل استحصال می‌باشد. محدودیت منابع فسیلی و پیامدهای حاصل از تغییرات زیست محیطی و آب و هوای جهانی، فرصت‌های مناسبی را برای رقابت انرژی خورشیدی با انرژی های فسیلی خصوصا کشورهایی با پتانسیل بالای تابش ایجاد نموده است. انرژی خورشیدی، به طور ساده، انرژی مستقیم تولید شده توسط خورشید و گسترده شده در هرجا و به طور معمول زمین می‌باشد. خورشید انرژی خود را از طریق فرایند گرمایی – هسته‌ای تولید می‌کند.

در هر ثانیه ۶۵۰ میلیون تن هیدروژن را به هلیم تبدیل می‌کند. این فرایند گرما و تابش الکترومغناطیس به وجود می‌آورد. گرما در خورشید برای ادامه فرایند باقی می‌ماند، اما تابش الکترومغناطیس (شامل نور مرئی، نور فروسرخ و فرا بنفش) در تمام جهات در فضا منتشر می‌شود. میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می‌شود.

جهت خرید شبیه سازی شبکه استاندارد 14 باسه IEEE  با حضور نیروگاه خورشیدی 4 مگاوات کلیک کنید

تاریخچه انرژی خورشیدی (الف)

بدو پيدايش اولين حيات در روی زمين انرژی خورشيدی در پديده فتوسنتز كاربرد داشته است. در پيدايش ساختمان برای گرمايش مسكن خود، انسان از نور خورشيد بهره می‌گرفت. بعدها انسان از اشعه آفتاب برای خشک‌كردن ميوه و سبزی در فضای آزاد و برای تبخير آب دريا در حوضچه‌های كم عمق و توليد نمک استفاده نموده است. اولين و شايد تنها استفاده نظامی انرژی خورشيدی توسط ارشميدس در شهر سيراكيوز در شرق جزيره سيسيل انجام شد. او موفق شد با متمركز كردن نور خورشيد به وسيله چند آئينه روی بادبان كشتی‌ها، آنها را به آتش بكشد. استفاده‌های صنعتی و مدرن انرژی خورشيدی از سال‌های ۱۷۷۰ ميلادی شروع شد. 

شايد جالب‌ترين استفاده از خورشيد در كشف گاز اكسيژن صورت گرفته باشد. پريستلی در سال ۱۷۷۴ توانست نور خورشيد را روی ظرف حاوی اكسيد جيوه متمركز نمايد و گازی توليد كند كه بعدها اكسيژن ناميده شد. آزمايش‌های متعددی با استفاده از عدسی‌ها و تمركز نور خورشيد توسط لاوازيه انجام شد. در سال ۱۸۷۲ اولين واحد خورشيدی برای نمك زدائی آب دريا در شمال شيلی ساخته شد. از اواخر سال‌های ۱۸۹۹و اوايل سال‌های۱۹۰۰ تعدادی متمركزكننده خورشيدی جهت دستيابی به دماهای بالا و توليد بخار در فرانسه و آمريكا و مصر ساخته شد. بخار حاصله برای راه‌اندازی ماشین های بخار و آبياری استفاده می‌شد. از سال‌های ۱۹۴۰به بعد استفاده از انرژی خورشيدی در توليد آب‌گرم مصرفی و گرمايش ساختمان‌ها در آمريكا، روسيه (تاشكند و عشق آباد)، استراليا و ساير كشورها رو به توسعه نهاد. در سال ۱۹۴۶در هندوستان كوره‌هايی كه با انرژی خورشيدی كار می‌كردند ساخته شد.

تاریخچه انرژی خورشیدی (ب)

سلول خورشيدی(فتوولتائيك) برای اولين بار در نيمه اول دهه ۱۹۵۰ بدون سر و صدای زياد وارد بازار شد.با‌استقبال قابل ملاحظه‌ای مواجه گشت. در سال ۱۹۵۸ طراحان آمريكايی با ترديد در سفينه وانگارديک يک مبدل حاوی سلول‌های خورشيدی هر يک به قدرت ۲ ميلی وات به عنوان نيروی كمكی به كار بردند. ولی با كمال تعجب مشاهده كردند دستگاه راديويی سفينه كه با اين مبدل كار می‌كرد تا ۶ سال بطور مداوم پيام راديويي به زمين مخابره نمود.

در سال ۱۹۶۱ برای نخستين بار در ايتاليا از انرژی حرارتی خورشيدی برای توليد الكتريسيته توسط توربين‌های بخار كوچك استفاده گرديد. با بحران انرژی سال ۱۹۷۳، توجه به‌كاربرد انرژی خورشيدی بالا گرفت وسرمايه‌گذاری‌هايی زيادی در غالب كشورهایجهان (به‌خصوص كشورهای صنعتی ) برای پژوهش و دستيابی به طرح‌های بهينه كاربردهای مختلف انرژی خورشيدی انجام پذيرفت. در دهه ۱۹۸۰ با از بين رفتن بحران انرژی، توجه به انرژی خورشيدی تقليل يافت.درحال حاضر مهمترين موضوعی  دركشورهای صنعتی به آن توجه قابل ملاحظه‌ای می‌شود سلول‌های خورشيدی می‌باشد. علاوه بر اين، روش‌های گرمايش طبيعی خورشيدی در ی از كشورها جهان ( به خصوص آمريكا) در دهه گذشته مورد توجه قرار گرفته است.

جهت مطالعه بیشتر منابع و آثار هارمونیک در شبکه چیست؟

انرژی خورشیدی در ایران(الف)

مطالعات در زمينه انرژی خورشيدی در ايران از حدود ۳۵ سال قبل و به طور تقريبا همزمان در دانشگاه‌های شيراز و صنعتی شريف شروع شد. از جمله طرح‌های مهم مورد توجه در اين مراكز طرح نيروگاه خورشيدی ۱۰ مگا واتی در دانشگاه شيراز و طرح و توسعه و ساخت سلول‌های فتوالكتريك در مركز نام برده بوده است. موقعيت ايران از نظرميزان دريافت انرژی‌خورشيدی كشور ايران در بين مدارهای ۲۵ تا ۴۰ درجه عرض شمالی قرار گرفته است. در منطقه‌ای واقع شده كه به لحاظ دريافت انرژی خورشيدی در بين نقاط جهان در بالاترين رده‌ها قرار دارد. ميزان تابش خورشيدی در ايران بين ۱۸۰۰ تا ۲۲۰۰ كيلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمين زده شده است.البته بالاتر از ميزان متوسط جهانی است. در ايران به طور متوسط ساليانه بيش از ۲۸۰ روزآفتابی گزارش شده است كه بسيار قابل توجه است.

انرژی خورشیدی در ایران(ب)

عمدتاً در ايران از انرژی خورشيدی بصورت کمکی برای نيروگاه‌های با سوخت فسيلی استفاده ميشود. نمونه آن نيروگاه حرارتی شيراز معروف به نيروگاه خورشيدی است. استفاده از اين روش بدون برج نيرو بوده و در سطح کلان مقرون به صرفه است .

در نيروگاه شيراز ، انرژی خورشيدی توسط کلکتورهای متمرکز کننده شلجمی با کانون خطی استحصال می‌شود. گرمای آن در همان کانون خطی به نوعی روغن داده می‌شود . روغن در سيکل گردشی تانک کويل دار و لوله های کانونی تا دمای ۲۳۰ درجه سانتيگراد گرم می‌شود و از طريق کويل پايپ نصب شده در داخل تانک روغن برای پيشگرم کردن آب۴۵ درجه سانتيگراد برگشتی از کندانسور استفاده می‌گردد.

برای بقيه کار های حرارتی اين نيروگاه يعنی رسانيدن دمای آب سيکل تا ۴۰۰ درجه سانتيگراد ، تغييرفاز از حالت مايع به حالت بخار و سپس تهيه بخار خشک همه توسط سوختهای فسيلی مانند گاز ، استفاده می‌شود . در اين نيروگاه که منبع انرژی غالب سوخت فسيلی است. نبود تابش خورشيدی در کار کرد آن اثر متوقف کننده ندارد و وظيفه انرژی حرارتی خورشيدی را همان منبع اولی انجام می‌دهد .اما خوشبختانه در اقليم شيراز و بطور کلی مناطق جنوب البرز تا سواحل و جزاير خليج فارس و دريای عمان ، فقدان تابش خورشيدی نسبت به تعداد روزهای آقتابی زياد در طول سال ، در چنين نيروگاهی قابل اغماض است .

انواع تكنولوژی‌های استفاده از انرژی خورشيد:
نوع اول – سيستم‌های حرارتی خورشيدی
نوع دوم – سيستم‌های حرارتی – برقی خورشيدی
نوع سوم – سيستم‌های فتوولتائيک

جهت مطالعه بیشتر : آثار، اهداف و انواع اتصال کوتاه در شبکه چیست ؟

سیستم های حرارتی خورشیدی

اين گروه شامل سيستم‌هائی است بر پايه گردآورنده‌های حرارتی با دمای پايين عمل می‌نمايد. اين سيستم‌ها از منبع خورشيدی برای مصرف نهائی حرارتی استفاده می‌كنند. اين سيستم‌ها خود شامل ۲ گروه گردآورنده‌های تخت (کلکتورهای تخت) و گردآورنده‌های با تمركز كم (کلکتورهای متمرکز کننده) می‌شوند. سيستم‌های‌ حرارتی دارای يك بخش ذخيره هستند تا حرارت خورشيد را برای استفاده در شب ممكن نمايند. قبل‌ازپرداختن به جزئيات سيستم‌های حرارتی خورشيدی ،بهتر است برخی مفاهيم اوليه شرح داده شوند:

سیال عامل

در اغلب سیستم‌ها، حرارت جذب شده توسط کلکتور برای اینکه به نقاط دیگر منتقل شده و مورد استفاده مناسب قرار گیرد. به یک سیال انتقال حرارت که ممکن است روغن، آب ، هوا و … باشد منتقل می‌شود این سیال را سیال عامل می‌نامند.

سطوح جاذب

سطوح تیره دارای قابلیت جذب بهتر اشعه‌های تابیده شده خورشید هستند. در سیستم‌های خورشیدی، جایی که نور خورشید تابیده شده یا متمرکز می‌شود، سطوح جاذب در معرض آن قرار می‌گیرند. این سطوح با روش‌های مختلف صنعتی ساخته می شوند. بتوانند حداکثر جذب انرژی حرارتی را داشته باشند.

سیستم ذخیره حرارتی

برای اینکه در طول شب یا در ساعات ابری بتوان از انرژی خورشید استفاده نمود. لازم است مقداری از انرژی حرارتی خورشید در منابعی ذخیره شود. در آبگرمکن‌های خورشیدی از مخازن ذخیره آب‌گرم استفاده می‌شود. درسیستم‌های نیروگاهی، انرژی حرارتی در مخازنی که حاوی روغن و شن هستند ذخیره می‌شود. تا در هنگام عدم تابش خورشید، مورد استفاده قرار گیرد.

گرد آورنده‌ها

بصورت تخت یا دارای انحنا می‌باشند. ممکن است بصورت تکی یا تعدادی از آنها در سیستم‌ها وجود داشته باشند. اغلب سیستم‌های نیروگاهی از گردآورنده‌ها در سطح وسیعی بهره می‌برند. گردآورنده‌های تخت از جذب حرارت خورشید توسط يك ورقه فلزی تيره كه حرارت را توسط يك سيال جاذب حرارت (مثل آب يا هوا)منتقل می‌كند استفاده می‌كنند

یک کلکتور تخت شامل چه اجزاء می‌باشد؟

۱.صفحه شفاف که ممکن است یک یا چند الیه شیشه و یا پلاستیک شفاف باشد.
۲ .لوله‌ها و یا گذرگاه‌هایی برای عبور سیال انتقال‌حرارت
۳.صفحه جاذب که می‌تواند صاف، موجدار، شیاردار باشد. معمولا به رنگ تیره بوده و لوله ها و گذرگاه‌ها به آن متصل می‌شوند.
۴ .منیفولد یا هدرهایی برای عبور و تخلیه سیال ناقل حرارت که معمولا در قسمت بالا و پایین کلکتور نصب شده‌اند.
۵ .عایق بندی دستگاه برای کاهش اختلاف حرارتی که معمولا اطراف و پشت کلکتور و لوله‌ها را شامل می‌شود.
۶ .قاب مخصوص که اجزاء کلکتور را در خود جای داده است. آنها را از غبار و رطوبت و دیگر عوامل خارجی مصون می دارد.

کلکتور های تخت از نظر نوع سیال عامل، ساختمان عملکرد به ۳ دسته تقسیم می شوند که عبارتند از:
الف . کلکتور با آب چکه
ب . کلکتور با هوا
ج . کلکتور با مایع

گردآورنده‌های متمركز كننده چیست؟

گردآورنده‌های متمرکز کننده تابش مستقيم خورشید و بخشی از تابش پراكنده را با كمك طراحی‌های هندسی پيشرفته (سهموی و غیره) متمركز می‌نمايند. در این نوع کلکتورها از سطوح منعکس کننده جهت افزایش پرتوهای خورشیدی استفاده می‌شود. متمرکز کردن پرتوهای خورشیدی در کانون، بمنظور دست یابی به درجه حرارت بالا می‌باشد. کلکتورهای متمرکز کننده جهت دستیابی به حرارت بالا در کانون می‌بایستی قادر به ردیابی خورشید در مدت تابش روزانه باشند.

این نوع کلکتورها در یک روز صاف ۳۶۲۲۵ کیلوژول بر مترمربع از انرژی خورشید را جمع آوری می‌کنند. تمرکز در ناحیه کانونی باعث افزایش انرژی دریافت شده در واحد سطح می‌گردد. در متمرکز کننده ها بعلت کاهش سطح جذب کننده‌ها، اتلاف حرارتی کاهش یافته و دمای بالاتر و حرارت بیشتری تولید می‌شود. برای مناطق ابری مناسب نیستند و نیازی به پوشش شیشه‌ای ندارند. نسبت به کلکتور های تخت هزینه بیشتری لازم دارند.

از نظر راندمان در دماهای پائین از کلکتور های تخت کمتر بوده ولی در دماهای بالا، دارای راندمان خوبی هستند. میزان دریافت شدت تابش خورشیدی در متمرکز کننده‌ها می‌تواند در حدود ۷۰-۸۰ برابر نسبت به کلکتورهای تخت باشد. نیازی به عایق بندی ندارند در صورتی که در کلکتور‌های تخت، عایق بندی نکته حائز اهمیتی است.

جهت مطالعه بیشتر : چگونه از انرژی دریایی به تولید برق می‌رسیم؟

کاربردهای غیر نیروگاهی سیستم حرارتی خورشیدی

۱- آب گرمكن خورشيدی (heater water Solar): آبگرمکن‌ها اصلی‌ترین سیستم مورد استفاده در کاربردهای غیرنیروگاهی خورشیدی می‌باشند. در دهه‌ی ۱۸۹۰ در سرتاسر امريكا از آب‌گرم‌كن‌های خورشيدی برای گرم كردن آب استفاده می‌شد. آنها مزيت بيشتری نسبت به كوره‌های زغال سوز و چوب سوز داشتند. در آن زمان از گاز مصنوعی حاصل از ذغال نيز برای گرم نمودن آب استفاده می‌گرديد. اما قيمت آن ۱۰ برابر قيمت گازطبيعی امروز بود. قيمت برق حتی اگر در شهر شما وجود داشت بسيار گران بود. تولید آب گرم مصرفی ساختمان‌ها اقتصادی ‌ترین روش‌های استفاده از انرژی خورشیدی است. می‌توان از انرژی حرارتی خورشید جهت تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکان‌هایی که مشکل سوخت‌رسانی وجود دارد استفاده کرد.

چنانچه ظرفیت این سیستم‌ها افزایش یابد می‌توان از آن‌ها در حمام‌های خورشیدی نیز استفاده نمود.
همانطور که از نام آن پیداست برای گرم کردن آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. آب گرم تولید شده می‌تواند برای

الف – آب گرم بهداشتی
ب – گرم‌کردن فضای ساختمانی یا تأمین آب پیش گرم برای سیستم‌های گرمایشی
ج – تأمین گرمای مورد نیاز برای راه‌اندازی سیستم‌های جذبی، جهت تهویه مطبوع و سیستم‌های سرمایشی استفاده در خشک‌کن‌ها و آب شیرین کن‌ها و غیره مورد استفاده قرار گیرد.

د – حمام خورشيدی : حمام خورشيدی روستايی برای استفاده همزمان صد نفر راه اندازی كرد. تا کنون با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران چندین دستگاه حمام خورشیدی در نقاط مختلف کشور از جمله استان خراسان سیستان و بلوچستان و یزد نصب و راه اندازی شده است.

۲- گرمايش و سرمايش ساختمان(cooling & heating Solar) :

ايرانيان باستان از انرژی خورشيدی برای كاهش مصرف چوب در گرم كردن خانه‌های خود در زمستان استفاده می‌كردند. آنان ساختمان‌های خود را بگونه‌ای بنا می‌كردند كه در زمستان نور خورشيد بداخل اتاق‌های نشيمن بتابد. ولی در روزهای گرم سال، فضای اتاق در سايه قرار داشت. در ايران پروژه ساخت اولين ساختمان خورشيدی در ضلع شمالی دانشگاه علم و صنعت و به منظور مطالعه و پژوهش در خصوص بهينه سازی مصرف انرژی و امكان بررسی روش‌های استفاده از انواع انرژيهاي تجديدپذير، به‌ويژه انرژی خورشيدی اجرا گرديده است.

اولین خانه خورشیدی در سال ۱۹۳۹ساخته شد که در آن از مخزن گرمای فصلی برای بکارگیری گرمای آن در طول سال استفاده شده‌است. گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه‌ای بود.در سال‌های ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفت‌های قابل توجه‌ای رسید. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم‌های خورشیدی می‌توان علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم‌ها در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.۳- آب شيرين كن خورشيدی(desalinization Solar)

اهميت آب نه تنها در زندگی بشر و تمام موجودات زنده محسوس است. بلكه در زندگی روزمره، كشاورزی و صنايع نيز نمی‌توان از آن چشم پوشی كرد. اصول عملكرد سيستم‌های آب شيرين‌كن خورشيدی بر پايه دستگاه تصفيه آب خورشيدی (still solar) است. اصول كار دستگاه تصفيه آب خورشیدی ساده بوده و سرپوش پلاستيكی یا شيشه‌ای در سطح فوقانی دستگاه نقش عمده و كليدی را در عملكرد سيستم ايفا می‌كند. با عبور اشعه خورشيد، کف حوضچه آب شور که معمولا برای جذب بالاتر گرما سیاه رنگ می باشد. آب دريا يا آب شور داخل خود را گرم و درجه حرارت بالا می‌ رود. سپس بخار آب ايجاد شده و پس از برخورد به سطح داخلی سرپوش شیشه‌ای كه دمای آن پائین تر از دمای داخل آب‌ شیرین کن است، شروع به تقطير مي كند.

جهت مطاللعه بیشتر : محیط نرم افزار MATLAB چگونه است ؟

۴-خشك كن خورشيدی (dryer Solar):

خشك كردن مواد غذايی برای‌نگهداری آنها، از زمان‌های بسيار قديم مرسوم بوده است. مكانيزه شدن عمل خشك كردن محصولات غذايی سابقه ۲۰۰ ساله دارد. در فرآيند خشك كردن معمولا عمليات گرم كردن برای تبخير آب موجود و جريان دادن هوا جهت خارج كردن بخار آب ايجاد شده، انجام می‌گيرد. روش‌های خشك كردن مواد غذايي بصورت‌های زير تقسيم‌بندی شده است:

الف- خشك كردن با جريان هوای گرم
ب- خشك كردن با استفاده از سطح گرم
ج – خشك كردن با استفاده از يك منبع تابشی مثل اجاق مايكروويو
د – خشك كردن با روش انجماد

خشك‌كن های خورشيدی بيشتر شامل روش اول بوده، بدين ترتيب كه مواد خشك شدنی بطور مستقيم و يا غير مستقيم از انرژی حرارتی خورشيد استفاده كرده. هوا نيز بطور طبيعی و يا اجباری جريان يافته و باعث خشك شدن محصول می‌گردد.

۵ -اجاق خورشيدی (cooker Solar):

دستگاه‌های خوراک‌پز خورشیدی اولین بار بوسیله شخصی بنام نیکلاس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق بندی شده با صفحه سیاه‌رنگی بود که قطعات شیشه‌ای درپوش آنرا تشکیل می‌داد. اشعه خورشید با عبور از میان این شیشه‌ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می‌شد. 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. امروزه طرح‌های متنوعی از این سیستم‌ها وجود دارد. این طرح‌ها در مکان‌های مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده‌اند. استفاده از این اجاق‌ها به ویژه در مناطق شرقی کشور ایران که با مشکل کمبود سوخت مواجه می‌باشند بسیار مفید خواهد بود.در كشورهای در حال توسعه كه از شبكه برق پيشرفت‌ های برخوردار نيستند. برای پختن غذا از گرمايش خورشيدی پسيو استفاده می‌شود.

انواع اجاق‌های خورشيدی‌

اجاق ‌های خورشیدی در سه نوع رايج شلجمی، لوله های حرارتی و جعبه‌ای  ساخته شده است. نوع شلجمی آن به صورت يك بشقاب سهموی می باشد. برای پختن غذا بوسيله آن بايد ماده غذايی مورد نظر را در كانون اين بشقاب قرار داده و با تنظیم و متوجه نگاه داشتن (focusing ) سهموی می توان غذا را پخت.در پخت غذا در لوله های حرارتی می‌توان در گیرنده‌های مسطح مخصوص تولید بخار نموده. این بخار را با استفاده از مکانیسم لوله‌های حرارتی با برگشت طبیعی به داخل آشپزخانه (که بالاتر از گیرنده قرار دارد) منتقل نمود.

بخار به محفظه‌ای که در آن ظرف حاوی غذا قرار دارد وارد شده و دور ظرف غذا تقطیر شده و حرارت تبخیر خود را به مواد غذایی جهت پخت غذا می‌دهد. در اجاق خورشیدی از نوع جعبه ای (آرام پز خورشیدی) که اولین بار توسط شخصی به نام نیکالس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق بندی شده با صفحه‌ای سیاه رنگ و در پوش شیشه‌ای بود. اشعه خورشید با عبور از میان در پوش شیشه‌ای وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می‌شد. سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸ درجه افزایش می داد. اصول کار اجاق خورشیدی جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می‌باشد.

۶-کوره خورشیدی(Furnace Solar):

در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت. بوسیله آن یک تل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد. کوره خورشیدی وسیله‌ای است برای تولید گرما بوسیله تجمع و تمرکز نور خورشید در یک نقطه خاص و استفاده از حرارت آن نقطه برای تولید آب گرم و بخار آب گرم کوره آفتابی به شکل بشقاب کاو (مقعر) و آینه‌ای و صیقلی (که نورهای تابیده شده به طرف خود را بازتاب می‌کند) است. نورهای تابیده شده از بی نهایت دور موازی هستند. بنابراین همه آنها بعد از بازتابش نقطه خاصی به نام کانون می‌گذرند.

کوره خورشیدی با استفاده از انرژی خورشید گرم می شود. (در کوره های دیگر ، نوعی سوخت را می سوزانند تا گرمایش به کوره منتقل شود). معمولا با استفاده از تعداد زیادی آینه ، پرتوهای نور خورشید را جمع آوری و پرقدرت می‌کنند و مجموعه آنها را بر روی کوره می‌تابانند تا دمایش خیلی بالا رود. ذره بین وسیله‌ای است که همین کار را انجام می دهد. شاید دیده باشید که وقتی ذره بین را مقابل خورشید می گیریم و مجموعه پرتوهای آنرا به صورت یک نقطه مثال روی پوست یا کاغذ می‌تابانیم. آن قدر حرارت ایجاد می شود که پوست می‌سوزد و یا کاغذ آتش می‌گیرد.

 انواع کوره خورشیدی

متداول ترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از ۲ آئینه یکی تخت و دیگری کروی می‌باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آئینه به آئینه کروی بازتابیده می‌شود. طبق قوانین اپتیک هرگاه دسته پرتوی موازی با محور آئینه برخورد نماید. در محل کانون متمرکز می شود، به این ترتیب انرژی حرارتی خورشید در این نقطه جمع شده و این نقطه به دمای بالائی میرسد.

جهت مطالعه بیشتر : اشنایی با نرم افزار DIgSILENT

۷-استخر خورشيدی (Pond Solar):

بدليل عدم نياز به ايجاد دماهای بالا, گرمايش خورشیدی آب استخر‌ها، ويژگی‌های زیر را دارد:

الف- ميتوان از کلکتورهاي بدون پوشش استفاده کرد
ب- راندمان سيستم بسيار بالاست
عملكرد اين سيستم به اين گونه است كه آب سرد استخر پمپاژ شده و در سرتاسر كلكتور به گردش درآمده و گرم می‌شود، آب پس از گرم شدن به استخر باز می‌گردد.

۸-پمپ حرارتی خورشيدی (Pump Heat Solar):

در کشور‌هائی که برق مصرفی ارزان وجود دارد. برای گرمایش و سرمایش ساختمان ها از پمپ حرارتی استفاده می‌شود. پمپ حرارتی عبارتست از همان دستگاه تبرید، با این تفاوت که در این حالت حرارت دهی آن مورد توجه می‌باشد. یعنی قادر است از محیط سرد خارج، حرارت را اخذ کرده و به داخل ساختمان پمپ کند. پمپ‌های حرارتی قادرند گرمایی معادل ۲ تا ۳ برابر مقدار الکتریسیته مصرفی را تولید کنند.

یعنی مقدار انرژی الکتریکی که برای گرمایش ساختمانی لازم است با بکار بردن پمپ حرارتی به حدود ۱/۲ تا ۱/۳ کاهش می‌یابد. ولی در عوض مخارج اولیه و هزینه پمپ‌های حرارتی را نباید از نظر دور داشت. پمپ‌های حرارتی معمولا به سه نوع تقسيم می‌‌شوند:
الف- هوا به هوا
ب- آب به هوا
ج- آب به آب
پمپ‌های حرارتی متداول امروزی بيشتر از نوع هوا به هوا هستند.

۹ – سوخت‌گیری خودرو در ایستگاه خورشیدی:

در آینده نزدیک سوخت بسیاری از خودروها از طریق نیروی برق تامین خواهد شد. برق، ارزانترین و فراوانترین سوخت می‌باشد، البته بشرطی که منبع تامین آن، انرژی‌های نو باشد. شرکت های بسیاری برای رسیدن به الگوی مناسب در این زمینه تلاش کردند، و اینکار با سه هدف پیگیری شد. یکی اینکه از انرژی الکتریکی استفاده شود، همچنین ارزان باشد و در عین حال آسیبی به محیط زیست وارد نکند.

در این بین، تام میلر به ایده بسیار جالبی دست پیدا کرد و آن (تعبیه ایستگاه خورشیدی) بود. این ایستگاه در شهر فرانکفورت آلمان نصب شد.در وسایل نقلیه‌ای که برای این پروژه طراحی شدند، باطری کوچکی قرار داده شده است و هنگامی‌که وسیله نقلیه در ایستگاه در زیر پنل‌های خورشیدی توقف می کند، این باتری شارژ می‌شود. وسایل نقلیه‌ای که بدین منظور طراحی شدند شامل اتومبیل، دوچرخه برقی و اسکوتر بودند.

۱۰- روشنایی خیابان ها با انرژی خورشید:

در حال حاضر بهترین نوع استفاده از انرژی خورشیدی. مصرف روشنائی خیابان، پارک، منازل، و وسایل سبک و کم مصرف است. روز به روز بر پیشرفت تکنولوژی سلول‌های خورشیدی افزوده می‌شود و امید است بزودی تمامی روشنایی معابر و خیابان ها با استفاده از انرژی خورشیدی صورت گیرد.
جهت مطالعه بیشتر : مقاله طراحی توربین بادی محور عمودی با مقیاس پیشنهاد می‌شود

نوع دوم سيستم‌های حرارتی_برقی خورشيدی

سيستم‌های حرارتی _ برقی خورشيدی به سيستم هایی اتلاق می‌شود كه از گردآورنده‌های خورشيدی برای توليد الكتريسیته از طريق يك چرخه ترمودینامیکی استفاده می‌كنند. اين عمل با استفاده از گردآورنده‌های خطی يا غير خطي در دما بالا صورت می‌گيرد. در صورتيكه سیكل ترموديناميكی به وسيله يك متمرکز کننده خورشيدی تغذيه شود به يك سيال عامل با نقطه جوش پايين نياز خواهد بود. اما بعلت راندمان پايين كه ناشی  از طبيعت سيكل‌های ترموديناميكی كم دما است ،بهره برداری تجاری از اين سيستم‌ها در سطح تكنولوژی جاری توجيه اقتصادی ندارد و به چند روش زیر تقسیم می‌شوند.

۱-نیروگاه‌های خورشیدی بااستفاده ازبشقابک سهموی
(dish parabolic) :

بشقابك سهموی از نظر طراحی مدوالريك سطح فضایی است كه از دوران يك سهمی بوجود می‌آيد و كانون آن يك نقطه است. پرتوهای خورشید تابیده شده بر روی سطح متمرکز کننده سهموی (آینه شیشه‌ای) در کانون آن جمع می‌شود. برای اينكه چنين سيستمی پربازده باشد لازم است كه اين گردآورنده همواره بطرف خورشيد ردیابی شود و در نتيجه به يك مكانيسم ردیابی دو محوره نياز دارد.

انرژی حرارتی را می‌توان با كمك يك سيال مناسب در ناحيه كانوني جمع‌‌آوری كرد و اين انرژی را يا به يك سیكل ترموديناميكی جدا از گردآورنده منتقل نمود و يا اينكه به يك موتور كوچك در حدود۲۵ كيلو واتی كه در پشت نقطه كانونی سوار می‌شود، انتقال داد. موتورهای استرلينگ نيز برای اين نوع كاربرد تحت توسعه قرار یافته اند و علاوه بر آن موتورهای رانكلين و برايتون هم برای اين كاربرد مورد ارزيابی قرار گرفته اند.

۲-نیروگاه های خورشیدی با استفاده از دريافت كننده مركزی (Tower Power) :

اين سيستم كه شامل مجموعه‌ای از آينه هايی است(هلیوستات) كه هر يك بطور جداگانه انرژی‌خورشيد را متمركز و به برج دریافت کننده مرکزی منتقل می‌كنند. انرژی توسط يك مبدل حرارتی كه در روی يك برج نصب شده است و گيرنده ناميده می‌شود جذب می‌شود. در آن جا آب به بخار سوپر هیت تبدیل شده و این بخار توربو ژنراتور را که در پائین برج نصب شده به حرکت در آورده و تولید برق می نماید. يك كامپيوتر هر يك ازهليوستات ها را طوری كنترل می‌نمايد كه زاويه بين خورشيد و گيرنده راهميشه نصف می‌كند. اندازه و درجه حرارت اين سيستم ها با بويلر‌های‌ بخار صنعتی و نيروگاهی قابل قياس هستند. در حال حاضر توان اين سیستم‌ها به حدود ۲۰۰ مگاوات با ضريب ظرفيت ساليانه ۵۰ درصد ارتقا يافته است.

۳- نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از دودكش خورشيدی (chimney solar ):

يك سيستم به‌مراتب ساده تر ولی با كارآيی به‌مراتب كمتر سيستم دودكش خورشيدی است در اين سيستم ها محوطه اي با پوشش شيشه‌ای و يك برج گيرنده مركزي مجهز به يك دود كش و توريبن بادي جايگزين هيلوستات ها می‌شود. طرز کار آن بسیار ساده است یعنی هوای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدی در یک گرمخانه شیشه‌ای تولید می‌شود بطرف برج بلندی که در مرکز گرمخانه قرار گرفته و مانند یک دودکش عمل می کند، هدایت می‌شود. این هوای گرم بعلت ارتفاع زیاد برج، با سرعت زیاد صعود کرده و باعث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پائین برج نصب شده است می‌گردد و بوسیله ژنراتور، برق تولید می‌شود.

ملاحظه می‌شود که تولید باد شدید در داخل برج، مطلقا ارتباطی به وجود و عدم وجود باد در سطح زمین و خارج برج ندارد. جالب توجه است که در ظهر روزهای آرام و گرم که اختلاف درجه حرارت در داخل گرم‌خانه و خارج آن به ۱۱ درجه سانتیگراد می‌رسد، همین اختلاف کم، باعث ایجاد بادی به سرعت ۴۰ کیلومتر در ساعت در داخل برج می‌گردد و این باد باعث چرخیدن ژنراتور شده و بمیزان ۷۰کیلووات برق تولید می‌کند.

درحال حاضر يك نمونه ۱۰۰ كيلوواتی دودكش خورشيدی در اسپانيا، ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر و قطر آن به ۱۰ متر و قطر فلکه گرمخانه که اطراف آن را فراگرفته حدود ۲۴۰ متر و سطح گرمخانه‌ای که مقابل خورشید قرار گرفته حدود ۵ هکتار زمین را اشغال کرده است.

جهت مطالعه بیشتر : انواع رله‌های حفاظتی در سیستم قدرت

۴-نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از کلکتورهای نوع فرنل:

در این گونه نیروگاه‌ها از کلکتور فرنل برای متمرکز کردن نور خورشید روی لوله گیرنده استفاده می‌شود. در این نیروگاه همانند نیروگاه‌های سهموی خطی، کلکتورها به صورت خطی و در جهت شمال جنوب نصب می‌شوند در این کلکتور‌ها تعداد زیادی آینه تخت با پهنای کم و طول زیاد کنار هم دیگر قرار می‌گیرند زاویه قرار گیری هر کدام از آینه‌ها بصورتی است که بازتاب نور خورشید را روی بخش دریافت کننده متمرکز می کنند. در بخش دریافت کننده یک بازتاب دهنده ثانویه از نوع جفت سهموی قرار دارد که بازتاب آینه ها را جمع آوری کرده و روی لوله گیرنده می‌تاباند با گرم شدن لوله گیرنده سیال داخل آن گرم می‌شود.

برای نیروگاه‌های خورشیدی از این دست، عملکرد ممکن است به دو صورت باشد در سیستم‌های متداول سیال عامل داخل لوله گیرنده روغن است که پس از داغ شدن به مبدل‌های حرارتی منتقل شده و سپس موجب تولید بخار می‌شود.

نوع سوم نیروگاه‌های فتوولتائيک(PV )

كه در اصل برای كاربردهای فضايی ابداع و تكميل شده بودند، انرژی نوری را مستقيما به انرژی الكتريكی تبديل می‌كنند. اصل مقدماتی در اين تكنولوژی پديده “ فتوالكتريك ” است. اولين بار بوسيله انيشتين مطرح‌شد. هميشه وقتى سخن از انيشتين به ميان مى آيد، ذهن‌ها متوجه نظريه نسبيت و پيامدهاى انقلابى آن در فيزيك مى‌شود. اما كمتر كسى اين نكته را به خاطر مى‌آورد كه انیشتين همانطور كه در اولين انقلاب علمى قرن بيستم يعنى نظريه نسبيت سهيم بود، در انقلاب ديگر يعنی فيزيك كوانتومى نيز نقش بسزايى داشت. حتى جايزه نوبل هم به خاطر مقاله »اثر فتوالكتريك« كه تاييدى بر كوانتومى بودن نور بود، به او اهدا شد.

بر اساس اين پديده وقتی كه يك كوانتوم انرژی نوری يعنی يك فوتون در يك ماده نفوذ می‌كند، اين احتمال وجود دارد كه بوسيله الكترون جذب شود. و الكترون انتقال پيدا می‌كند. سلول‌های فتوولتائی يا سلول‌های خورشيدی كريستال هايی هستند كه از لايه های نازك از جنس نيمه هادی (سيليكون و آرسينورگاليم) ساخته شده اند. سلول هايی كه ازسيليكون ساخته می‌شوند از لحاظ تئوری بازده ماكزيمم حدود ۲۲ درصد دارند. ولی بازده عملی آن حدود ۱۵ تا ۱۸ درصد است. در صورتی كه بازده سلول هايی كه از آرسينورگاليم ساخته می‌شود بازده عملی‌آنها بيشتر از ۲۰ درصد است.

اين كريستال‌ها خصايص الكترونيكی متفاوت دارند و اين امر موجب پيدايش ميدان‌های الكتريكی در درون آنها می‌شود. هنگامی كه نور وارد كريستال می‌شود، الكترون‌هائی كه بوسيله نور توليد می‌شوند بوسيله اين ميادين جدا می‌شوند واختلاف پتانسيلی بين وجوه بالایی و پایينی سلول بوجود می‌آيد. در صورتيكه مدار كامل شود آنگاه اين اختلاف پتانسيل جريان مستقيمی را بوجود می‌آورد.

تبلیغات : جهت خرید کتاب تئوری مسائل ریاضی مهندسی کلیک کنید

مزایای انرژی خورشیدی

الف- تولید برق بدون مصرف سوخت
ب- عدم احتیاج به آب
پ- عدم آلودگی محیط زیست
د- امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه‌ای
ذ- استهلاک کم و عمر زیاد
ر- عدم احتیاج به متخصص
ز-عدم نياز به توسعه شبکه توزيع نيرو و صرفه‌جويی در هزينه‌های سرمايه گذاری توزيع

سجاد