انرژی خورشیدی

خورشید عامل و منشاء انرژی های گوناگونی است که در طبیعت موجود است از جمله سوخت های فسیلی که در اعماق زمین ذخیره شده اند, انرژی آبشارها و باد, نمو گیاهان که حیوانات و انسان برای رشد خود از آلفا استفاده می کنند, کلیه مواد آلی که قابل تبدیل به انرژی حرارتی و مکانیکی هستند, امواج دریاها, قدرت جزر و مد که بر اساس جاذبه و حرکت زمین به دور خورشید و ماه حاصل می شود, اینها همه نمادهائی از انژی خورشیدی هستند

خورشید عامل و منشاء انرژی‌های گوناگونی است که در طبیعت موجود است از جمله: سوخت‌های فسیلی که در اعماق زمین ذخیره شده‌اند، انرژی آبشارها و باد، نمو گیاهان که حیوانات و انسان برای رشد خود از آلفا استفاده می‌کنند، کلیه مواد آلی که قابل تبدیل به انرژی حرارتی و مکانیکی هستند، امواج دریاها، قدرت جزر و مد که بر اساس جاذبه و حرکت زمین به دور خورشید و ماه حاصل می‌شود، اینها همه نمادهائی از انژی خورشیدی هستند. وابستگی شدید جوامع صنعتی به منابع انرژی بخصوص سوختهای نفتی و بکارگیری و مصرف بی‌رویه آنها منابع عظیمی را که طی قرون متمادی در لایه‌های زمین تشکیل شده بود تخلیه می‌نماید با توجه به اینکه منابع زیرزمینی انرژی باد سرعت فوق‌العاده‌ای مصرف می‌شوند و در آینده‌ای نه چندان دور چیزی از آنها باقی نخواهد ماند نسل فعلی وظیفه دارد به آن دسته از منابع انرژی که دارای عمر و توان زیاد است روی آورد و دانش خود را برای بهره‌برداری از آنها گسترش دهد.

خورشید یکی از دو منبع مهم انرژی است که باید به آن روی آورد که در ضمن به تکنولوژی پیشرفته و پرخرج نیز نیاز نداشته و می‌تواند به عنوان یک منبع مفید و تامین کننده انرژی در اکثر نقاط جهان بکار گرفته شود به علاوه استفاده از آن انرژی هسته‌ای، خطر و اثرات نامطلوبی از خود باقی نمی‌گذارد و برای کشورهائی که فاقد منابع زیرزمینی هستند مناسبترین راه برای دسترسی به نیرو و رشد و توسعه اقتصاد می‌باشد.

شناخت انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ما قبل تاریخ باز می‌گردد. مهمترین روایتی که در رابطه با استفاده از تابش خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می‌باشند که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید. گفته می‌شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه‌های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی پایه متحرک قرار داشت اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده است. به همین علت از ارشمیدس به عنوان بنیانگذار استفاده از تابش خورشید نام می‌برند در حالیکه منابع مصری قدیمیتر از آن است.

در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم‌های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره‌گیری می‌شود که عبارتند از:

۱) سیستم‌های فتوبیولوژیک: تغییراتی که در حیات و زیست گیاهان و جانداران به وسیله نور خورشید و فتوسنتز ایجاد می‌گردد فرآیند کود حیوانات و استفاده از گاز آن.

۲) سیستم‌های فتوشیمیایی: تغییرات شیمیایی در اثر نور خورشید – الکترولیزرهای نوری – سلولهای فتوولتاژئیک الکتروشیمی – تاسیسات تهیه هیدروژن.

۳) سیستم‌های فتو ولتائیک: تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی – سلولهای خورشیدی

۴) سیستمهای حرارتی و برودتی: شامل سیستمهای تهیه آب گرم - گرمایش و سرمایش ساختمانها – تهیه آب شیرین – سیستمهای انتقال و پمپاژ – سیستمهای تولید فضای سبز (گلخانه‌ها) – خشک‌کنها و اجاقهای خورشیدی – سیستمهای سردسازی – برجهای نیرو – خشک‌کن خورشیدی.

در مورد پیدایش خورشید فرضیه‌ای که بیشتر مورد قبول واقع شده، این است که منشاء ایجاد خورشید توده‌ای ابری شکل گازهائی هستند که تشکیل دهنده عمده آنها هیدروژن بوده است. در مرحله اول و در نتیجه نیروی جاذبه مرکزی، ذرات هیدروژن روی هم متراکم شده و در اثر تراکم، تصادم شدیدی بین ذرات هیدروژن بوجود آمده و در نتیجه افزایش بیش از حد فشار و دما، تحولات هسته‌ای پدید آمده و حاصل آن آزاد شدن منابع عظیم انرژی بوده است از مجموع انرژی تابشی خورشید که بوسیله زمین و جو آن دریافت می‌شود در حدود ۳۵ درصد آن مجدداً به فضای خارج از جو بازتاب می‌گردد. قسمت اعظم این بازتابی در جو زمین در برخورد اشعه با ابرها و غبارهای جوی انجام می‌گیرد و بخش کمتری از آن، در سطح زمین در نتیجه انعکاس اشعه بوسیله آبها – برفها و سنگریزه‌ها حادث می‌شود.

قسمتی از باقیمانده انرژی، در حین عبور از جو زمین، در اثر برخورد با ذرات هوا و غبار و بخار آب موجود در جو، به دفعات زیاد تغییر مسیر داده و پس از این برخوردها، به صورت تشعشعات پراکنده به سطح زمین و یا فضای خارج تابیده می‌شود. همچنین در حدود ۱۰ الی ۱۵ درصد انرژی تشعشعی دریافت شده از خورشید، به وسیله ذرات بخار آّب – کربن دی‌اکسید و ازون موجود در جو زمین جذب می‌شود.

قابل توجه است که در طبقات فوقانی جو زمین، گاز ازون تقریباً تمام اشعه ماوراء‌بنفش را جذب می‌کند و این تصفیه اشعه از نظر سلامت زندگی انسانها حائز اهمیت فوق‌العاده ایست زیرا که اشعه ماوراء بنفش در پوست و چشم انسان تأثیرات بسیار نامطلوب دارد. بخار آب و کربن دی‌اکسید در طبقات تحتانی جو زمین، اشعه مادون قرمز را جذب می‌کند.

۱) سیستم‌های فتوبیولوژی:

عملکرد فتوسنتز در گیاهان قدیمی‌ترین روشها استفاده از انرژی خورشیدی است گیاهان انرژی خورشید را جذب کرده و با کمک آن گاز کربنیک و آب را به مواد قندی تبدیل می‌کنند. همچنین در این فعل و انفعالات گیاهان اکسیژن را آزاد و نیتروژن و مواد فسفری را که برای ادامه حیات و رشد خود لازم دارند جذب می‌کنند. نتیجه این فرآیند، ذخیره‌سازی بیولوژیکی انرژی خورشیدی می‌باشد انرژی ذخیره شده در گیاهان از طریق سوزاندن چوب و یا تهیه سوختهائی از قبیل الکل و متان بازیابی می‌شود.

۲) سیستم‌های شیمی خورشیدی:

ـ این سیستم‌ها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند.

الف) سیستم‌های فتوشیمیائی که در آنها از نور خورشید در عملیات شیمیایی استفاده می‌شود.

ب) سیستم‌های هلیوترمیک در آنها از حرارت خورشید به عنوان یک منبع حرارتی بهره‌گیری شده و عملیات شیمیایی انجام می‌گیرد. برای تهیه سوختی مثل هیدروژن از روش فتوشیمیایی و یا از روش حرارتی در الکترولیز استفاده می‌شود و هیدروژن ذخیره شده را برای تولید انرژی مکانیکی – حرارتی و الکتریکی و غیره بکار برد.

عملیات فتوسنتز در گیاهان و تشکیل سوختهای فسیلی در زیرزمین، و ذخیره‌سازی بیولوژیکی انرژی خورشید در موارد و بالاخره تهیه سوختهائی از قبیل الکل و متان و هیدروژن، همگی تابع یک سری فعل و انفعالات شیمیایی بوده و می‌توان آنها را بخشی از سیستم‌های شیمی خورشیدی به حساب آورد.

در سالهای ۱۹۶۹ دو پژوهشگر ژاپنی نتیجه تحقیقات خود را به عنوان رشته جدیدی از سلول‌های الکترولیز اعلام کردند این دو پژوهشگر یک صفحه تیتانیوم دی‌اکسید ( Tio ) جریان الکتریکی بین دو قطب کاتدوآند برقرار شده و آب نیز به دو عنصر تشکیل دهنده خود یعنی اکسیژن و هیدروژن استفاده کرد. تهیه الکتریسته با استفاده از سلولهای خورشیدی در رشته شیمی نیز استفاده از الکترولیز امکان‌پذیر بوده به علاوه از سلولهای فتوالکترولیت، برای تجزیه شیمیایی و تهیه و ذخیره هیدروژن با روشهای گوناگون استفاده می‌شود.

۳) سیستم‌های فتو ولتائیک: سیستمی که در آن انرژی خورشیدی بدون بهره‌گیری از مکانیزم‌های متحرک و شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل شود، اثر آن را فتو ولتائیک می‌نامند. عاملی که در این فرآیند بکار می‌رود سلول خورشیدی نامیده می‌شود. حدود ۳۵ سال پیش برای اولین بار و به عنوان مولد الکتریکی در سفینه‌های فضائی از این سلول‌ها استفاده گردید و مدتی است که بهره‌گیری از آنها در زمین نیز تداول شده است سلول‌های خورشیدی قادرند انرژی خورشیدی را بازدهی معادل ۵ تا ۲۰ درصد مستقیماً به الکتریسته تبدیل کنند. اگر چه انرژی الکتریکی نوری هنوز به میزان کافی از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نمی‌باشد ولی در سالهای اخیر کاهش چشمگیری در هزینه‌های مربوط به بهره‌برداری از این سیستم‌ها مشاهده گردیده و انتظار می‌رود در آینده نیز با تحقیقات لازم در نوع سلولهای نوری، کاهش قیمت ادامه یابد ولی نباید فراموش کرد در مناطق دور و در جاهائی که دسترسی به سوخت و الکتریسته ارزان مقدور نباشد از سیستم‌های فتو ولتائیک استفاده می‌شود. با استفاده از انرژی خورشید و سلول‌های خورشیدی و با ایجاد اختلاف پتانسیل فشار الکتریکی در نیمه‌ هادئی که بطور مناسب ساخته شده‌اند الکتریسته تولید می‌شود. امروزه مؤثرترین و ارزانترین سلولهای خورشیدی ماده‌ای به نام سیلیسیم می‌باشد. ماسه یکی از منابع مهم سیلیسیم بوده که پس از پالایش آن کریستالهای سیلیسیم بدست می‌آید و پس از بریده شدن بصورت صفحه آماده می‌شود.

سیسلیسیم یک نیمه هادی است که به طور خالص از نظر هدایت الکتریکی هادی ضعیفی است ولی اگر در موقع پالایش به آن فسفر اضافه شود بار منفی (الکترون) پیدا کرده و در صورتیکه بود اضافه شود بار مثبت (حفره) پیدا می‌کند. نوع اول را سیلیسیم «نوع N » و نوع دوم را سیلیسیم «نوع P » می‌نامند می‌دانیم که سیلیسیم دارای ۴ الکترون در مدار خارجی خود می‌باشد. هنگامی که تعدادی اتم فسفر به داخل کریستال سیلیسیم وارد شود با توجه به اینکه فسفر دارای ۵ الکترون در مدار خارجی خود دارد ۴ الکترون مدار خارجی فسفر با ۴ الکترون مدار خارجی فسفر با ۴ الکترون مدار خارجی سیلیسیم یک مدار بوجود آورده و به این ترتیب یک الکترون به صورت آزاد باقی مانده یعنی سیلیسیم با بار منفی باردار شده و نیمه‌هادی نوع N بوجود می‌آید. از طرفی اگر بجای فسفر از اتم بور که سه الکترون در مدار خارجی دارد استفاده شود حفره‌هائی که مثل الکترون قابلیت حرکت دارند ایجاد شده و سیلیسیم بطور مثبت باردار می‌شود یعنی نیمه‌هادی نوع P بوجود می‌آید. حال اگر یک طرف یک سیلیسیم نوع P را از نوع N الکترونهای آزاد و اتم‌های فسفر با بار مثبت وجود دارند. حال اگر یک فوتون (ذره‌ای از نور) به اتصال P-N برخورد کند. الکترون از اتم سیلیسیم جدا کرده و در نتیجه حفره بوجود آورد. حفره‌های مزبور تحت تأثیر میدان موجود به سمت ناحیه P و الکترون به سوی ناحیه N حرکت کرده و این دو حرکت مخالف با بارهای مختلف، یک جریان الکتریکی بوجود می‌آورند. با اتصال کنتاکتهائی به رویه‌هائی قطعات نیمه هادی، مداری تشکیل می‌شود که اجازه برگشت الکترون‌ها را به اتصال نوع ‌ P از میان یک بار خارجی می‌دهد.

۴) سیستم‌های حرارتی خورشیدی ( THERMAL SOLAR ENERGY )

روش‌های گرما خورشیدی، با استفاده از انواع کلکتورها و روش‌های غیرفعال، جهت جذب کردن و جمع‌آوری انرژی حرارتی خورشید طراحی شده، و برای منظورهائی از قبیل گرم کردن آب و هوا و تولید بخار و سرد کردن و... بکار برده شده‌اند.

● سیستم‌های گرما خورشیدی را می‌توان به ترتیب زیر طبقه‌بندی کرد:

۱) سیستم‌های آب گرم خورشیدی

۲) سیستم‌های گرمایش و سرمایش ساختمانها

۳) سیستم‌های تهیه آب شیرین و آب مقطرگیری

۴) سیستم‌های انتقال پمپاژ

۵) سیستم‌های تولید فضای سبز

۶) سیستم‌های خشک‌کنن و خوراک پز خورشیدی

۷) سیستم‌های سرد کننده خورشیدی

۸) برجهای نیرو نیروگاههای خورشیدی

تهیه و تنظیم : ویدا خدادوستان

منبع : نشریه علمی آموزشی فرآیند

منابع:

۱)کتاب راهنمای طرحهای انرژی خورشیدی در ایران، اصغر حاجی سقطی، استادیار دانشگاه علم و صنعت ایران، چاپ اول مهر ۱۳۷۰، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران

۲)نگرشی بر سیستم‌های استفاده از انرژی خورشیدی نویسنده دکتر مجید رئوفی راد

۳)اصول کاربردی حرارتی انرژی خورشیدی ترجمه و تألیف دکتر محمد علی عبدنی

۴)مهندسی گرما و خورشیدی، تألیف پیتر.جی.لاند ترجمه دکتر حسین پناهنده