نیروگاههای خورشیدی، کاربرد انرژی پاک در تولید برق

بهره‌گیری از انرژیهای تجدیدپذیر یکی از راههای موثر برای مقابله با آلودگی‌های زیست محیطی ناشی از فعالیت نیروگاهها با سوخت فسیلی است. از جمله این نیروگاهها، نیروگاههای خورشیدی هستند که در حال حاضر در صنعت برق کشور (در بخش انرژیهای نو) مورد توجه قرار گرفته‌اند. در مقاله زیر که به وسیله مهندس معصومه لاجوردی کارشناس شرکت مهندسین دانشمند برق اصفهان تدوین شده کاربردهای انرژی خورشیدی مزایای آنها و ... مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. شناخت و استفاده از انرژی خورشیدی به زمان ماقبل تاریخ بازمی‌گردد. شاید به دوران سفالگری، در آن هنگام که روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلائی صیقل داده شده و اشعه خورشید، آتشدانهای محرابها را روشن می‌کردند.درکشورمصر یکی از فراعنه معبدی ساخته بود که با طلوع وغروب خورشید در آن باز و بسته می‌شد. اما مهمترین روایتی که درباره استفاده از نورخورشید بیان شده است، داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان باستان است که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید. ارشمیدس با نصب تعداد زیادی از آینه‌های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داده شده بود، از راه دور اشعه خورشید را روی کشتی‌های رومیان متمرکز ساخته و بدین ترتیب آنها را به آتش کشیده‌است. در کشور ما نیزمعماری سنتی ایرانیان باستان، نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمانهای قدیم بوده ‌است. با وجود اینکه انرژی خورشید و مزایای آن در طی قرون گذشته بخوبی شناخته شده است، اما بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستمهایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستمها شده است.
● کاربردهای انرژی خورشیدی
امروزه از انرژی خورشیدی به وسیله سیستمهای مختلف و برای مقاصد گوناگون استفاده می‌شود که این موارد را به شرح زیر می‌توان خلاصه کرد: استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته توسط تجهیزاتی به نام فتوولتائیک که این بخش از کاربرد انرژی خورشیدی خود شامل دو قسمت نیروگاهی و غیر نیروگاهی است. درمورد تعریف نیروگاههای خورشیدی باید گفت تأسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می‌شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می‌شود.این تأسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده‌های موجود و بر اساس اشکال هندسی آنان به سه دسته تقسیم می شوند: ۱- نیروگاههایی که گیرنده آنها آینه‌های سهموی ناودانی هستند.(شلجمی باز) ۲- نیروگاههایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه‌های بزرگی به نام هلیوستات به آن منعکس می‌شود. (دریافت کننده مرکزی) ۳- نیروگاههایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (دیش) است. (شلجمی بشقابی) در هر نیروگاهی اعم از آبی، بخاری و گازی برای تولید برق از چرخاندن ژنراتورهای الکتریکی استفاده می‌شود. انرژی دورانی ژنراتورهای الکتریکی به وسیله دستگاهی به نام توربین تأمین می‌شود. بدین ترتیب ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. بنابراین توربینها، تأمین کننده انرژی جنبشی ژنراتورها هستند. در نیروگاههای بخاری توربینهایی وجود دارندکه بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آنها شده و موجب به گردش در آمدن پره‌های توربین می شود. در نیروگاههای آبی که روی سدها نصب می‌شود،انرژی پتانسیل موجود در آب موجب به گردش در آمدن پره‌های توربین شده و بدین ترتیب انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. در نیروگاههای حرارتی بر اثر سوختن سوختهای فسیلی مانند مازوت، آب موجود در سیستم بسته نیروگاه،داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل شده وبدین ترتیب انرژی حرارتی به انرژی جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. در نیروگاههای گازی توربینهایی وجود دارد که به طور مستقیم بر اثر سوختن گاز به حرکت درآمده و ژنراتور را می‌چرخاند و انرژی حرارتی به انرژی جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل شده اما در نیروگاههای حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخشهای خورشیدی،تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربینها است و یا به عبارت دیگر این نوع نیروگاهها شامل دو قسمت است. الف- سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشیدرا جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده، تولید بخار می‌کند. ۲- سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاههای حرارتی،بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می‌کند.
● نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سهموی خطی
در نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سهموی خطی نیروگاهها، از منعکس کننده‌هایی که به صورت سهموی خطی هستند برای تمرکز پرتوهای خورشیدی در خط کانونی بهره می‌گیرند و گیرنده به صورت لوله‌ای درخط کانونی منعکس کننده‌ قرار داده می شود.در داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشیدگرم و داغ می‌شود. این روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب به بخارتبدیل شده و به مدارات مرسوم در نیروگاههای حرارتی انتقال داده می‌شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد. برای بهره‌گیری بیشتر و افزایش بازدهی لوله دریافت کننده،سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد، پوشش داده و نیز محیط اطراف آن با لوله شیشه‌ای به صورت لفاف پوشیده می‌شود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری شده و از لوله دریافت کننده محافظت شود. ضمناً برای اینکه پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت کننده برسد،بین این دو لوله،خلاء بوجود می‌آورند. در این نیروگاهها یک سیستم ردیاب خورشیدی نیز وجود دارد که به وسیله آن آینه‌های شلجمی دائماً خورشید را دنبال کرده و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز می‌کند. تغییرات تابش خورشید در این نیروگاهها به وسیله منبع ذخیره و گرمکن سوخت فسیلی جبران می‌شود. در کشورهایی نظیر ایالات متحده آمریکا، اسپانیا ، مصر، مکزیک، هند و مراکش از نیروگاههای سهموی خطی استفاده شده ‌است.
● نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع دریافت کننده مرکزی
در نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع دریافت کننده مرکزی پرتوهای خورشیدی به وسیله مزرعه‌ای متشکل از تعداد زیادی آینه های منعکس کننده به نام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته ‌است، متمرکز می‌شود. در نتیجه در محل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست آمده که بوسیله سیال عامل که داخل دریافت کننده در حرکت است، جذب شده و به وسیله 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 می‌شود. سیال عامل در مبدلهای حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا می شود. البته در برخی از سیستم‌ها سیال عامل آب بوده و مستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می‌شود. برای استفاده دایمی از این نوع نیروگاهها‌ در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد،مانند ساعات ابری یا اوقات شب،از سیستمهای ذخیره کننده حرارت و یا احیاناً از تجهیزات پشتیبانی که امکان دارد از سوختهای فسیلی استفاده کنند، جهت ایجاد بخار برای تولید برق بهره گرفته می‌شود. در حال حاضرمطالعات و تحقیقات در زمینه فن آوری و سیستم‌های این نوع از نیروگاهها ادامه داشته و آزمایشگاهها و مؤسسات متعددی در سراسر دنیا در این زمینه به فعالیت مشغول هستند.
● نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی از نوع شلجمی بشقابی
نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع شلجمی بشقابی از منعکس کننده‌هایی است که به صورت شلجمی بشقابی است جهت تمرکز نقطه‌ای پرتوهای خورشیدی استفاده می‌شود و گیرنده‌هایی که در کانون شلجمی قرار می گیرند به کمک سیال جاری در آن،انرژی گرمایی خورشیدرا جذب کرده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور، آن را به انرژی مکانیکی و الکتریکی تبدیل می‌کند.
● دودکش‌های خورشیدی
استفاده از برج نیرو یا دودکش‌های خورشیدی،روش دیگری برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشیدی است. در این سیستم از خاصیت دودکش‌ها استفاده می‌شود.بدین صورت که با استفاده از یک برج بلندبه ارتفاع حدود??? متر و تعداد زیادی گرم خانه‌های خورشیدی که در اطراف آن است،هوای گرمی که به وسیله انرژی خورشیدی در یک گرم خانه تولید شده،به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه‌ها قرار دارد،هدایت می‌شود.هوای گرم به علت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و باعث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده و بدین وسیله برق تولید می‌شود.یک نمونه از این سیستم در??? کیلومتری جنوب مادرید احداث شده است که ارتفاع برج آن به??? متر می‌رسد.
● مزایای نیروگاههای خورشیدی
نیروگاههای خورشیدی،با مزایای بسیاری که در مقایسه با نیروگاههای فسیلی و اتمی دارند،در آینده می توانند به ویژه درسازگاری با محیط زیست،مشکل برق را به ویژه درهنگام به اتمام رسیدن ذخائر نفت وگاز حل کنند. یکی از مزایای این نیروگاهها این است که برخلاف نیروگاههای فسیلی که قیمت برق تولیدی آنها تابع قیمت نفت بوده و همیشه درحال تغییر و نوسان است، نیروگاههای خورشیدی نیاز به سوخت ندارند و این نوسان در آنها وجود نداشته و می‌توان بهای برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگاه داشت. سایر مزایای این نیروگاهها به شرح زیر است:
▪ عدم احتیاج به آب زیاد: نیروگاههای خورشیدی به ویژه دودکش های خورشیدی با هوای گرم به آب نیاز ندارند.لذا برای مناطق خشکی مانند کویر ایران بسیار حائز اهمیت هستند. در صورتی که نیروگاههای حرارتی سنتی هنگام فعالیت نیاز به آب مصرفی زیادی دارند.
▪ عدم آلودگی محیط زیست: نیروگاههای خورشیدی ضمن تولید برق هیچگونه آلودگی در هوا نداشته و مواد سمی و مضر تولید نمی‌کنند، در صورتی که نیروگاههای فسیلی با مصرف نفت، گاز و یا ذغال سنگ،هوا و محیط اطراف خودرا آلوده کرده و نیز نیروگاههای اتمی باتولیدزباله‌های هسته‌ای بسیار خطرناک و رادیواکتیو، محیط زیست را آلوده کرده و مشکلات عظیمی را برای ساکنان کره زمین ایجاد می‌کنند. امکان تأمین ▪ شبکه‌های کوچک و ناحیه‌ای: نیروگاههای خورشیدی می‌توانند با تولید برق شبکه سراسری برق را در تأمین انرژی الکتریکی یاری کنند ودرضمن امکان تأمین شبکه‌های کوچک ناحیه‌ای،نیاز به تأسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال برق نداشته ونیازی به صرف هزینه زیادجهت احداث شبکه‌های انتقال نیست.
▪ استهلاک کم و عمر زیاد: نیروگاههای خورشیدی به دلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر طولانی هستند
▪ عدم نیاز به حضورافراد متخصص: نیروگاههای خورشیدی نیاز به متخصصان در سطح عالی ندارد و می توان آنها را به طور اتوماتیک به کار انداخت، در صورتی که در نیروگاههای اتمی وجود متخصصان در سطح عالی ضروری بوده و این دستگاهها نیاز به مراقبتهای دائمی و ویژه ای دارند.
▪ کاربردهای غیر نیروگاهی: کاربردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی است که اهم آنها عبارتند از: آبگرمکن و حمام خورشیدی، سرمایش وگرمایش خورشیدی،آب شیرین کن خورشیدی، خشک کن خورشیدی، اجاق خورشیدی، کوره‌های خورشیدی وخانه‌های خورشیدی
▪ آبگرمکن‌های خورشیدی و حمام خورشیدی: تولید آب گرم مصرفی ساختمانها از اقتصادی‌ترین روشهای بکارگیری انرژی خورشیدی است.بدین ترتیب می‌توان از انرژی حرارتی خورشید برای تهیه آب گرم بهداشتی درمنازل و اماکن عمومی به ویژه درمکانهایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد،استفاده کرد،همچنین در صورت افزایش ظرفیت این سیستمها،می‌توان از آنها در حمامهای خورشیدی نیز استفاده کرد.
▪ گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی: گرمایش و سرمایش ساختمانها با استفاده از انرژی خورشیدی، ایده ای که مطرح گردید و در کمتر از یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی دست یافت.با افزودن سیستم معروف تبرید جذبی به سیستمهای خورشیدی می‌توان علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش،از این سیستمها درفصول گرم سال نیز برای سرمایش ساختمان استفاده کرد. آب شیرین کن خورشیدی: هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می‌ماند. سپس با استفاده از روشهای مختلف می‌توان آب تبخیر شده را تنظیم کرده و بدین ترتیب آب شیرین تهیه کرد.با این روش می‌توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند،را تأمین کرد. آب شیرین کن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می‌شود که در نوع صنعتی با حجم بالا می‌توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.
▪ خانه‌های خورشیدی: ایرانیان باستان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب درگرم کردن خانه‌های خود در زمستان استفاده می‌کردند.آنان ساختمانها را به ترتیبی بنا می‌کردندکه در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشیمن می‌تابید اما در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت.در اغلب فرهنگ‌های دیگر دنیا نیز می‌توان نمونه‌هایی از این قبیل طراحی ها را مشاهده کرد.در سالهای بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده آمریکا طرحهای فراوانی در زمینه خانه‌های خورشیدی مطرح و آزمایش شد.از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت.درچندین سال گذشته معماران به طور جدی ساخت خانه‌های خورشیدی را آغاز کرده‌اند و به دنبال تحول و پیشرفت این فن‌آوری،به نتایج مفیدی نیز دست یافته‌اند،به طوری که در ایالات متحده آمریکا در سال ۱۹۸۰ میلادی به تنهایی خانه خورشیدی ساخته شده‌است.در این گونه خانه‌ها سعی شده است تا از انرژی خورشید برای روشنایی، تهیه آب گرم بهداشتی، سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با به کار بردن مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود. جمع بندی راهکارهای زیادی برای استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد.انرژی خورشید پاکیزه است و می توان انرژی مورد نیاز بشر را از آن تأمین کرد. سوختهای ذغال سنگ،نفت و گاز محیط زیست را آلوده کرده و سرانجام روزی تمام می شوند.اما خورشید به درخشش خود ادامه داده و نیروی آن همیشگی و ماندنی است. یکی از مشکلات اساسی که در مورد سوختهای فسیلی، نظیر: نفت، گاز و زغال سنگ وجود دارد، این است که این منابع و ذخایر محدود انرژی روزی پایان خواهد یافت و ماده‌ای که جایگزین آن شود، وجود نخواهد داشت. بنابراین خورشید به عنوان یک منبع بی پایان انرژی می تواند حلال بسیاری از مشکلات موجود در مورد انرژی و محیط زیست باشد. انرژی خورشیدی که به زمین می تابد هزاران بار بیشتر از آن مقداری است که بشر نیاز دارد، حتی نور کمی که از پنجره ها به اتاقها می تابد، دارای انرژی بیشتری نسبت به سیم برقی است که به داخل اتاقها کشیده می شود.از انرژی خورشیدی می توان به عنوان یک انرژی تمیز و قابل دسترس، استفاده های مهم وکاملاً مفید کرد. اما از نور خورشید نمی‌توان به طورمستقیم به جای سوختهای فسیلی بهره برد،بلکه باید دستگاههایی ساخته شود که بتوانند انرژی تابشی خورشید را به انرژیهای قابل استفاده نظیر انرژی مکانیکی، حرارتی، الکتریسیته و مانند آن تبدیل کنند.

مهندس معصومه لاجوردی - شرکت مهندسین دانشمند برق اصفهان

منبع : ماهنامه صنعت برق