آشنایی با راهکار انرژی خورشیدی

آشنایی با راهکار انرژی خورشیدی


انرژی خورشیدی وسیعترین منبع انرژی در جهان است. انرژی که از جانب خورشید در هر ساعت به زمین می تابد، بیش از کل انرژی است که ساکنان زمین در طول یک سال مصرف می کنند. برای بهره گیری از این منبع باید راهی جست تا انرژی پراکنده آن با راندمان بالا و هزینه کم به انرژی قابل مصرف الکتریکی تبدیل شود.

با توجه به محدودیت منابع سوخت فسیلی و زیانبار بودن استفاده غیر اصولی اینگونه سوختها برای سلامت محیط زیست، تحقیقات و کاربردهای انرژیهای تجدیدپذیر در مجامع صنعتی و علمی از اهمیت ویژه ای برخوردار گشته است. دراین میان انرژی خورشید، با توجه به اینکه انرژی کاملا پاک و عاری از هرگونه آلودگی بوده و بعنوان منبع انرژی کاملا ارزان شناخته شده است، اهمیت بیشتری پیدا می کند.





کشور ایران در بین مدارهای 25 تا 40 درجه عرض شمالی قرار گرفته است و در منطقه‌ای واقع شده که به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در بین نقاط جهان در بالاترین رده‌ها قرار دارد. میزان تابش خورشیدی در ایران بین 1800 تا 2200 کیلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمین زده شده است که البته بالاتر از میزان متوسط جهانی است.
در ایران به طور متوسط سالیانه بیش از 280 روز آفتابی گزارش شده است که بسیار قابل توجه است.





بطورکلی از انرژی خورشید می توان جهت تامین انرژی حرارتی و انرژی الکتریکی استفاده نمود.


• استفاده از انرژی خورشید برای گرم کردن آب (آبگرمن خورشیدی)

از انرژی خورشید می توان برای گرم کردن یک سیال نظیر تامین آب استفاده نمود. بسیاری از نیازهای ما در بخش انرژی، از نوع آب گرم است که از آن جمله می توان به آبگرم مصرفی، آبگرم جهت گرمایش در فصل زمستان، آبگرم چیلرهای جذبی در فصل تابستان و مصارف آبگرم و بخار در بخش های مختلف صنعت اشاره نمود.

شاید بعنوان آسانترین و اقتصادی ترین روش استفاده از انرژی خورشیدی، گرم کردن آب با استفاده از آبگرمکنهای خورشیدی باشد. زیرا با داشتن دانش کافی در باره تابش خورشید، براحتی و بصورت بسیار موثرتر می توان انرژی خورشید را برای گرم کردن آب مصرفی منازل و حتی کاربرهای صنعتی بکار برد. پیشرفتهای علمی روی آبگرمکنهای خورشیدی در دهه های اخیر رشد چشمگیری داشته است. این نوع آبگرمکنها نه تنها برای کاربردهای خانگی بلکه برای هتلها، بیمارستانها، ساختمانهای اداری، صنایعی مانند نساجی، کاغذ سازی، صنایع غذایی و حتی گرم کردن آب استخرهای شنا در زمستان کاربرد فراوانی پیدا کرده اند.

یک آبگرمکن خورشیدی از اجزاء زیر تشکیل شده است:

1- لوله های تحت خلا 2- مخزن ذخیره 3- کنترل کننده های اتوماتیک 4- پمپ، لوله ها شیرآلات و اتصالات



انواع سیستمهای آبگرمکن خورشیدی:

- آبگرمکن خورشیدی کم فشار (سیستمهای چرخش طبیعی - ترموسیفون )

با آنکه چندین دهه از ساخت نخستین آبگرمکن خورشیدی ترموسیفون می گذرد، اما با اینحال یکی از تکنولوژیهای برتر برای بکارگیری انرژی خورشید استفاده از این نوع آبگرمکنها می باشد. کارایی بالا، سهولت ساخت، عدم حضور قطعات متحرک و عدم نیاز به نگهداری، باعث برتری آبگرمکنهای ترموسیفون نسبت به نوع دیگر، یعنی آبگرمکنهای جابجایی اجباری شده است. در آبگرمکنهای خورشیدی چرخش طبیعی، مخزن ذخیره در ارتفاع مشخصی ( 30 تا 60 سانتیمتر) نسبت به بالاترین قسمت لوله های تحت خلا قرار داده می شود تا از چرخش معکوس سیال در ساعاتی که تابش خورشید وجود ندارد، جلوگیری شود.

در اوایل صبح، تابش خورشید باعث گرم شدن آب در لوله های تحت خلا می شود. آب گرم شده آن با جابجایی طبیعی بالا رفته، به مخزن ذخیره می رسد و آب سرد مخزن از پایین آن به داخل لوله های تحت خلا جاری می گردد. به این ترتیب چرخش طبیعی براساس قانون چگالی آبگرم و سرد در جایی که تابش خورشید به اندازه کافی باشد، به خودی خود برقرار می شود. آبگرم به سمت بالا می رود و آب سرد بسمت پایین، بابراین آبگرم در مخزن بالای آبگرمکن ذخیره می شود و امکان برداشت آبگرم از آبگرمکن خورشیدی فراهم می شود. این سیستم بسیار ساده، کارا و قابل اطمینان بوده ولی در شرایط آب و هوایی سرد و دماهای زیر صفر درجه کارایی خوبی ندارد. با این وجود می بایست حتما در مرتفع ترین قسمت ساختمان قرار گیرد تا بتواند آبگرم ساختمان را تامین نماید. حداقل ارتفاع مورد نیاز چهت تامین فشار آب از موقعیت مخزن آب تا مصرف کننده آب در این سیستم باید 5 متر باشد.




- آبگرمکن خورشیدی تحت فشار (جابجایی اجباری)

تفاوت اصلی این نوع سیستم با آبگرمکن ترموسیفون در این است که آب داخل لوله های تحت خلا در این حالت تحت فشار به گردش در می آید. بدلیل اینکه لوله های تحت خلا از جنس شیشه هستند و تحمل فشار آب را ندارند، از لوله های هیت پایپ مسی بعنوان ناقل حرارت استفاده شده است. سر لوله های هیت پایپ در داخل مخزن آب قرار دارد، لوله های هیت پایپ که در داخل لول های تحت خلا قرار دارند، در اثر جذب انرژی خورشید گرم شده و گرمای خود را به آب درون مخزن آب منتقل می کنند.

مزیت اصلی این سیستم این است که نیازی به اینکه آبگرمکن بر روی پشت بام قرار گیرد، نیست. بعبارت دیگر برخلاف آبگرمکن های کم فشار که می بایست حتما بر روی ارتفاع قرار گیرند تا بتوانند فشار آبگرم لازم را در خانه تامین نمایند، وجود ندارد و می توان آبگرمکن را در موقعیت دلخواه و مناسب مثلا در فضای زیر شیروانی، داخل حمام و یا در اطراف سقف قرار گیرد. این نوع سیستمها نیز به دو دسته مخزن مجزا و یکپارچه تقسیم می شوند و می توان مخزن آبگرمکن را از کلکتورهای آبگرم جدا نمود.



مزایای استفاده از آبگرمکن های خورشیدی عبارتند از :
- عدم وجود ادوات متحرک در سیستم یعنی اینکه کاملا بدون صدا میباشد .
- بسیار قابل اطمینان بوده زیرا طول عمر پنل های آن پانزده الی بیست سال است .
- پس از طی چهار الی پنج سال سرمایۀ اولیۀ شما که جهت نصب و راه اندازی سیستم پرداخته اید به شما برگشت داده میشود و تاپایان عمر پنل ها از انرژی رایگان خورشید استفاده خواهید نمود .
- کاملا امن و بی خطربوده و همیشه در دسترس میباشد .
- پاک وبدون آلایندگی محیط زیست است .
- در نهایت صرفه جوئی بسیار قابل ملاحظه در هزینه های انرژی را به ارمغان خواهد داشت .

• استفاده از انرژی خورشید در تولید الکتریسیته
در این روش با استفاده از تکنولوژی های خاص، انرژی حاصل از نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. به پدیده‌ای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیزم‌های متحرک، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتاییک، و به هر سیستمی که از این پدیده‌ها استفاده کند، سیستم فتوولتاییک (خورشیدی) گویند. سلول خورشیدی یک ابزار غیر مکانیکی است که معمولاً از آلیاژ سیلیکون ساخته شده ‌است. وقتی فوتون‌ها به یک سلول فتوولتاییک برخورد می‌کنند، فوتون های جذب شده، انرژی را برای تولید الکتریسیته فراهم می کنند.

وقتی که نور خورشید توسط جسم نیمه رسانا جذب شود، الکترون اتم‌های جسم جابه جا می‌شوند. نحوه خاص ساخت سطح جسم باعث می‌شود، سطح جلویی سلول برای الکترون‌های آزاد بیشتر پذیرش یابد. بنابراین الکترون‌ها به طور طبیعی به سطح مهاجرت می‌کنند. زمانیکه الکترون‌ها موقعیت خود را ترک می‌کنند، سوراخ‌هایی شکل می‌گیرد. از آنجایی که تعداد الکترون ها زیاد است و هر کدام یک بار منفی را حمل می‌کنند و به سطح جلویی سلول می‌روند، توازن بار بین سطوح جلویی و عقبی به هم خورده و یک اختلاف پتانسیل الکتریکی، شبیه قطب‌های مثبت و منفی یک باتری ایجاد می‌شود. وقتی که دو سطح از میان یک راه میانی مرتبط می‌شوند، الکتریسیته جریان می‌یابد.

استفاده از پنل های فتوولتاییک در کشورهای پیشرفته به سرعت روبه گسترش است. پنل های فتوولتاییک در صورت ابری بودن هوا نیز می توانند برق تولید کنند، هر چند خروجی آنها کاهش می یابد. در یک روز بسیار ابری کم نور ، یک سیستم فتوولتاییک ممکن است ۵ تا ۱۰ درصد نور خورشید در روزهای عادی را دریافت دارد، به طبع خروجی آن نیز به همان میزان کم خواهد شد. پنل های خورشیدی در دمای پایینتر، برق بیشتری تولید می کنند. البته سیستمهای PV در روزهای زمستانی کمتر از روزهای تابستانی انرژی تولید می کنند که علت آن نه برودت هوا، بلکه کاهش ساعات روز و پایین بودن زاویه تابش خورشید است.




سیستم‌های فتوولتاییک یکی از پرمصرف‌ترین کاربردهای انرژی‌های نو هستند. از سری و موازی کردن سلول های آفتابی می‌توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. به یک مجموعه از سلول‌های سری و موازی شده پنل (Panel) فتوولتاییک می‌گویند. به طور کلی یک سیستم فتوولتائیک از ۴ جزء اصلی تشکیل شده است :

۱ – پانل های خورشیدی ۲ – باتری ۳ – تبدیل کننده برق (اینورتر) ۴ – شارژ کنترلر




مزایای استفاده از پانل های خورشیدی :
- عدم آلودگی محیط زیست
- سهولت در نصب
- عدم نیاز به سوخت های فسیلی یا موارد دیگر
- عدم نیاز به سرویس و تعمیرات خاص
- تامین رایگان انرژی الکتریکی پس از نصب و حذف هزینه های جاری
- مناسب با شرایط آب و هوایی ایران و قابلیت کار در محدوده وسیعی از رطوبت درجه حرارت
- استهلاک کم و طول عمر بالا

موارد کاربرد پانل های فتوولتائیک:
- برق رسانی به مناطق دور از شبکه برق سراسری
- قابل استفاده در سیستم های روشنایی معابر، پارکها ومنازل و شرکتها
- قابل استفاده در چادرهای عشایری
- پمپ کردن آب چاهها
- چراغهای ترافیکی
- سیستم چراغ چشمک زن
- سیستم های مخابراتی و دوربین های کنترل از راه دور



• کاربردهای نیروگاهی

تأسیساتی که با استفاده از آنها انرژی حرارتی جذب شده خورشید به الکتریسیته تبدیل می‌شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می‌شوند. در حقیقت انرژی حرارتی جذب شده از خورشید نقش انرژی حرارتی تامین شده توسط بویلر در نیروگاه‌های با سوخت فسیلی را دارد. این تأسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده‌های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند:

- نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی از نوع سهموی خطی

در این نیروگاه‌ها، از منعکس کننده‌هایی که به صورت سهموی خطی هستند، جهت تمرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آن‌ها استفاده می‌شود و گیرنده به صورت لوله‌ای در خط کانونی منعکس کننده‌ها قرار دارد. در داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم و داغ می‌گردد. روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار تبدیل و به مدارهای مرسوم در نیروگاه های حرارتی انتقال می دهد تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد. در این نیروگاه‌ها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که توسط آن آینه‌های شلجمی دائماً خورشید را دنبال نموده و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز می‌نماید. تغییرات تابش خورشید در این نیروگاه ها توسط منبع ذخیره و گرمکن سوخت فسیلی جبران می‌شود.




- نیروگاه‌های حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزی

در این نیروگاه‌ها پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه‌ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس کننده به نام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته‌است متمرکز می‌گردد.

در نتیجه روی محل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست می‌آید که این انرژی بوسیله سیال عامل که داخل دریافت کننده در حرکت است، جذب می‌شود و بوسیله مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاه‌های سنتی منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید می گردد. در برخی از سیستم‌ها نیز، سیال عامل آب است و مستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می‌شود.







- نیروگاه‌های حرارتی از نوع بشقابی

در این نیروگاه‌ها از منعکس کننده‌هایی که به صورت شلجمی بشقابی هستند، جهت تمرکز نقطه‌ای پرتوهای خورشیدی استفاده می کنند و گیرنده‌هایی که در کانون شلجمی قرار می‌گیرند، به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور آن را به نوع مکانیکی و الکتریکی تبدیل می‌کند.