کاربردها و مزایای انرژی خورشيدی

مقدمه ای بر کاربردها و مزایای انرژی خورشیدی

مهندس پرویز آریان فر

مقدمه:

خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرژی است بلکه سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژی های دیگر است طبق برآوردهای علمی در حدود 6000 میلیون سال از تولد این گوی آتشین میگذرد و در هر ثانیه 2.4 میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می‌شود با توجه به وزن خورشید که حدود 333 هزار برابر وزن زمین است این کره نورانی را میتوان به عنوان منبع عظیم انرژی تا 5 میلیارد سال آینده به حساب آورد.

• زمین در فاصله 150 میلیون کیلومتری خورشید واقع است و 8 دقیقه و 18 ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد بنابرای سهم زمین از دریافت انرژی خورشید حدود از کل انرژی تابشی آن است.

[divide style=”dashs” icon=”circle” color=”#7100e2″]

تاریخچه

شناخت انرژی خورشید و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ما قبل تاریخ باز می‌گردد. شاید به دوران سفالگری که در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جام‌های بزرگ طلایی صیقل داده شده با اشعه خورشید آتشدانهای محرابها را روشن می‌کردند.
مهمترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشیمدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم میباشد. که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید گفته می‌‌شود که ارشمیدس با نصب تعدادی آینه‌های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آن ها را به آتش کشیده بود.

کاربردهای انرژی خورشیدی

در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره‌گیری می‌شود که عبارتند از :
1) استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی
2) تبدیل مستقیم پرتوهای خورشیدی به الکتریسته بوسیله تجهیزاتی بنام فتوولتائیک

1) استفاده از انرژی حرارتی خورشید
این بخش از کاربردهای انرژی خورشیدی شامل دو گروه نیروگاهی و غیرنیروگاهی می‌باشد.

1 -1 کاربردهای نیروگاهی
تأسیساتی که با استفاده از آن ها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسته تبدیل می‌شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می‌شود، این تأسیسات براساس انواع متمرکز کننده‌های موجود و برحسب اشکال هندسی متمرکز کننده‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند.

الف) نیروگاه‌هایی که گیرنده های آن ها آینه‌های سهمی ناودانی شکل هستند. در این نیروگاه‌ها یک سیستم ردیاب خورشید وجود دارد که بوسیله آن آینه‌های ناودانی دائماً خورشید را دنبال می‌کنند و پرتوهای آن را روی لوله‌ها دریافت کننده متمرکز می‌نمایند، تغییرات تابش خورشید در این نیروگاه‌ها توسط منبع ذخیره و گرم کن سوخت فسیلی جبران می‌شود.

ب) نیروگاه‌‌هایی که گیرنده های آن ها در یک برج قراردارد و نورخورشید توسط آینه های بزرگی بنام هلیوستات به آن منعکس می‌شود (دریافت کننده مرکزی).
در این نیروگاه پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه‌ای متشکل از تعداد زیادی آینه‌‌های منعکس کننده بنام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای یک برج نسبتاً بلندی استقرار یافته است متمرکز می‌گردد، که روی محل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست می‌آید.

ج) نیروگاه ها‌یی که گیرنده های آن ها سهمی بشقابی شکل (دیش) می‌باشد.
در این نیروگاه‌ها از منعکس کننده‌هایی که بصورت سهمی بشقابی می باشند جهت تمرکز نقطه‌ای پرتوهای خورشیدی استفاده می‌شود و گیرنده‌هایی که درکانون قرار می‌گیرند به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور به توان مکانیکی و الکتریکی تبدیل می‌کند.

مزایای نیروگاه‌های خورشیدی

امید می‌رود نیروگاه‌های خورشیدی که انرژی گرمایی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند در آینده با مزایای قاطعی که در برابر نیروگاه‌‌های فسیلی و اتمی دارند بخصوص اینکه با محیط زیست سازگار می‌باشند مشکل برق را در دوران اتمام ذخایر نفت و گاز حل نمایند و بکارگیری نیروگاه‌های خورشیدی آینده‌ای پرثمر و زمینه‌ای گسترده را برای کمک به خودکفایی و قطع وابستگی کشور به صادرات نفت فراهم خواهد کرد.

چند مورد از مزایای اینگونه نیروگاه‌ها عبارتند از:
1 – عدم احتیاج به آب زیاد
2 – عدم آلودگی محیط زیست
3 – امکان تامین شبکه‌های کوچک و ناحیه‌ای
4 – استهلاک کم و عمر زیاد
5 – عدم احتیاج به متخصصین عالی

1 -2 کاربردهای غیر نیروگاهی

کاربردهای غیرنیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متنوع و متعدد می‌باشد که اهم آن ها عبارتند از:
الف) آبگرمکن خورشیدی و حمام خورشیدی – تولید آب گرم مصرفی ساختمانها، اقتصادی ترین روش استفاده از انرژی حرارتی خورشید است.با توجه به موقعیت جغرافیایی کشورمان تعدد زیادی آبگرمکن خورشیدی و چند حمام خورشیدی در استانهای خراسان – سیستان و بلوچستان و یزد نصب و راه اندازی شده است.

ب) گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی – با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم‌های خورشیدی می توان علاوه بر تهیه آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم ها در فصول گرم برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.

ج) آب شیرین کن خورشیدی – هنگامی که انرژی حرارتی دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور بتابد تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می ماند و با استفاده از روشهای مختلفی می توان آب تبخیر شده را تقطیر کرده و بدین ترتیب آب شیرین تهیه گردد.

د) خشک کن خورشیدی – خشک کردن عبارت است از گرفتن قسمتی از آب موجود درمواد غذایی و بسیاری از محصولات که باعث افزایش عمر انبارداری محصول و جلوگیری از رشد باکتریها می شود.

ﻫ) اجاقهای خورشیدی – اصول کار اجاق خورشید جمع‌آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می باشد. امروزه طرحهای متنوعی از این سیستم وجود دارد که در مکانهای مختلفی از جمله آفریقای جنوبی استفاده شده و به نتایج خوبی رسیدند.

و) کوره خورشیدی – بسمر (Bessemer) پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تامین می کرد. متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه که یکی تخت و دیگری کروی تشکیل شده که نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به اینکه کروی باز تابیده می‌شود، طبق قوانین اپتیک هر گاه دسته پرتوهای موازی محور آینه با آن برخورد نمایند در محل کانون متمرکز می شوند و بدین ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می‌شود که این نقطه به دمای بالایی می رسد.

ز) خانه‌های خورشیدی – در سالهای بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده آمریکا طرحهای فراوانی در زمینه خانه‌های خورشیدی مطرح و آزمایش شد از آن به بعد تحول خاصی صورت نگرفت، حدود چند سالی است که معماران بطور جدی ساخت خانه‌های خورشیدی را آغاز کرده اند و بدنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی دست یافتند مثلاً در آمریکا تا سال 1890 حدود 10 تا 20 هزار خانه خورشیدی ساخته شد در این گونه خانه‌ها سعی شده است از انرژی خورشید برای روشنایی – تهیه آب گرم بهداشتی – سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود.

2) سیستم‌های فتوولتائیک

به پدپده‌ای که در اثر تابش نور خورشید بدون استفاده از مکانیزم‌های محرک الکتریسته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند که این سیستم یکی از پرمصرف‌ترین کاربردهای انرژی نو می‌باشد که تاکنون سیستم های گوناگونی با ظرفیت‌های مختلف از (0.5 وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده است، از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی میتوان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت در نتیجه به یک مجموعه از سلولهای سری و موازی شده پنل (Panel) فتوولتائیک می گویند.

سیستم های فتوولتائیک را میتوان بطور کلی به سه بخش تقسیم کرد که عبارتند از:
الف) پنلهای خورشیدی
این بخش در واقع مبدل انرژی تابشی خورشیدی به انرژی الکتریکی است بدون واسطه مکانیکی که جریان و ولتاژ خروجی این پنلها DC میباشد.

ب) تولید توان مطلوب یا پخش کنترلی
این بخش در واقع کلیه مشخصات سیستم را کنترل کرده و توان ورودی پنلها را طبق طراحی انجام شده و نیاز مصرف کننده به هر بار کنترل می‌کند.

ج) مصرف کننده یا بار الکتریکی

با توجه به خروجی برق DC پنلهای فتوولتائیک می توان با آرایش ها و چیدمان‌های مختلف پنلهای فتوولتائیک، نیاز مصرف کنندگان مختلف را با توجه به توان‌های متفاوت و مورد نیاز تامین نمود.
با توجه به کاهش روز افزون ذخایر سوخت فسیلی و خطرات ناشی از بکارگیری نیروگاه‌های اتمی گمان قوی وجود دارد که در آینده‌ای نه چندان دور سلولهای خورشیدی با تبدیل مستقیم انرژی تابشی خورشید به انرژی برق به عنوان جایگزین مناسب و بی خطر برای سوخت‌های فسیلی و نیروگاه‌های اتمی توسط بشر بکار گرفته شود.

مصارف و کاربردهای فتوولتائیک (پنل های خورشیدی)
الف) مصارف فضانوردی و تامین انرژی مورد نیاز ماهواره‌ای جهت ارسال پیام
ب) روشنایی خورشیدی – در حال حاضر روشنایی خورشیدی بالاترین میزان کاربرد را در سراسر جهان دارد سالانه دهها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می‌شوند. (مانند تأمین برق خیابانها – پارکها – جاده‌ها – تونلها و تامین برق پاسگاه‌های مرزی که دور از شبکه برق هستند).
ج) سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی – انرژی مورد نیاز کلیه لوزام برقی منازل شهری و روستایی را میتوان با استفاده از پنلهای فتوولتائیک و سیستم‌های ذخیره کننده تأمین نمود.
د) چراغهای ترافیکی و دوربین های تردد شمار
ﻫ) سیستم چراغ چشمک زن – بر روی دکل های آنتن سازمان منابع طبیعی استان سمنان و پشتیبانی وزارت صنایع دفاع و در پناه گاه های فدراسیون کوهنوردی از آن استفاده شده است.
و) حفاظت کاتودیک خطوط لوله نفت و گاز – هم اکنون شرکت ملی گاز ایران از این سیستم در بعضی نقاط استفاده می نماید، و هم اکنون قرار است در طراحی یکی از پروژه های حفاظت کاتدی طرحهای نفت و گاز استفاده از پنلهای خورشیدی در نظر گرفته شود.
ز) سیستم پمپاژ خورشیدی – قابلیت استحصال آب از چاهها – قنوات – چشمه‌ها – رودخانه‌ها و سایر مصارف عمومی را دارا می باشد.
ک) سیستم های پشتیبانی امداد جاده‌ای
ل)  تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی – زلزله نگاری -رادار و دستگاه های بی سیم نیروی هوایی ارتش – سپاه پاسداران و نیروهای انتظامی
م) ماشین حساب – ساعت – رادیو – ضبط صوت و وسایل بازی کودکان
ن) یخچالهای خورشیدی – جهت سرویس دهی و ارائه خدمات بهداشتی در مناطق دورافتاده استفاده می شود.
ح) سیستم تغدیه کننده پرتال یا قابل حمل – بازده توان این سیستم از 100 وات تا 1 کیلووات می‌باشد.
ت) نیروگاههای فتوولئاتیک – هم اکنون در بسیاری از کشورهای جهان نیروگاه های فتوولتائیک در واحدهای کوچک و بزرگ به صورت اتصال به شبکه و یا مستقل نصب و راه اندازی شده است.

سیستم فتوولتائیک (پنلهای خورشیدی) دارای مزیت‌های بسیار بوده که برخی از آن ها عبارتند از:
1 – قابل نصب در نزدیکترین محل به مصرف کننده
2 – سهولت نصب، جابجای و راه اندازی
3 – قابل استفاده در سیستم های متحرک
4 – عدم نیاز به برق شهری
5 – عدم ایجاد آلودگی زیست محیطی
6 – توانایی ارائه ولتاژهای مختلف با جریان‌های مناسب برای مصارف گوناگون
7 – عدم نیاز به تعمیر، سرویس و نگهداری
8 – قیمت مناسب با توجه به طول مدت ا ستفاده
9 – تامین انرژی لکتریکی پس از نصب و حذف هزینه‌های جاری آن
10 – مناسب باشرایط مختلف آب و هوایی و قابل کار در محدوده وسیعی از رطوبت و درجه حرارت

تهیه و تنظیم: پرویز آریان فر

سرپرست طراحی برق

اداره مهندسی برق – طرحهای نفت و گاز

منبع: سایت niocts.ir