انرژی خورشیدی

انرژي از خورشيد (Solar Energy From the sun )

خورشيد براي بيليونها سال انرژي را توليد كرده است . انرژي خورشيدي ، پرتوهاي خورشيد است كه به زمين مي رسد.

انرژي خورشيد به طور مستقيم يا غير مستقيم مي تواند ديگر اشكال انرژي تبديل شود ، همانند گرما و الكتريسيته . موانع اصلي ( مشكلات ، يا انتشار براي فائق آمدن ) انرژي خورشيدي شامل :

 (1) روشها متغير و متناوب كه آن به سطح مي رسد

(2 ) ناحيه بزرگبراي جمع آوري و ذخيره آن در يك سرعت مفيد مورد نياز است .

انرژي خورشيد براي حرارت آب ، براي استفاده ديناميكي ، حرارت قضايي ساختمانها ، خشك كرده توليدات كشاورزي و توليد انرژي الكتريسيته مورد استفاده قرار مي گيرد .در سال 1830 شاره شناي انگلين به نام جون هر شل John Herschel  يك جعبه جمع آوري خورشيدي را براي پختن غذا در طول يك سفر در افريقا استفاده كرد . هم اكنون مردم تلاش مي كنند انرژي خورشيدي را براي چيزهاي زيادي استفاده كنند . كاربردهاي الكتريكي فتوو لتايك ها را آزمايش مي كنند يك فرايند كه توسط آن انرژي نور خورشيد به طور مستقيم به الكتريسيته تبديل مي شود . الكتريسيته مي تواند به طور مستقيم از انرژي خورشيد توليد شود و ابزارهاي فتوولتايك استفاده كند يا به طور غير مستقيم از ژنراتورهاي بخار ذخاير حرارتي خورشيدي را براي گرما بخشيدن به يك سيال كاربردي مورد استفاده قرار مي دهند .

انرژي فتو ولتايك

انرژي فتو ولتايك تبديل نور خورشيد به الكتريسيته از ميان يك سلول فتو ولتاتيك (pvs) مي باشد، كخ بطور معمول يك سلول خورشيدي ناميده مي شود. سلول خورشيدي يك ابزار غير مكانيكي است كه معمولاً از آلياز سيليكون ساخته شده است.نور خورشيد از فتو نهي ،يا ذرات انرزي خورشيدي ساخته شده استاين فتو نهي مغادير متغير انرژي را شامل مي شود مشابه طول مولد هاي متفاوت اسپكتروم هاي نوري هستند .وقتي فتو نهي به يك سلول فتو ولتاتيك بر خورد مي كند، ممكن است منعكس شوند ،مستفيم از ميان عبور كنند ،يا جذب شوند. فقط فتو نهي جذب شده انرژي را براي توليد الكتريسيته فراهم مي كنند .وقتي كه نور خورشيد كافي يا انرژي توسط جسم نيمه رسانا جذب شود ،الكترون از اتم هاي جسم جابجا مي شوند.رفتار خاصي سطح جسم در طول ساختن باعث مي شود سطح جتويي سلولكه براي الكترون هاي آزاد بيشتر پذيرش يابد .بنا براين الكترون ها بطور طبيعي به سطح مهاجرت مي كنند .

 زماني كه الكترون ها موقعيت n را ترك مي كنند و سوراخ هايي شكل مي گيرد .تعداد الكترونها زياد است ،هر كدام يك بار منفي را حمل مي كنند و به طرف جلو سطح سلول مي روند ،در نتيجه عدم توازون بار بين سلولهاي جلويي وسطوح عقبي يك پتانسيل ولتاژ .شبيه قطب هاي مثبت ومنفي يك باطري ايجاد مي شود.وقتي كه دو سطح از ميان يك راه داخلي مرتبط مي شود ،الكتريسيته جريان مي يابد.سلول فتوولتاتيك قاعده بلوك ساختمان يك سيستم pv است.

سلولهاي انفرادي مي توانند در اندازه هايي از حدود cm 1 تا cm10    از اين سو به آن سو متغير مي شود. با اين وجود ،توان 1يا 2 وات توليد مي كند ،كه انرژي كافي براي بيشتر كار بردها نيست.براي اينكه بازده انرژي را افزايش دهيم ،سلولها بطور الكتريكي به داخل هواي بسته يك مدول سخت مرتبط مي شود .مدولها مي توانند بيشتر براي شكل گيري يك آرايش مرتبط شوند.اصطلاح آرايش به كل صفحه انرژي اشاره مي كند ،اگر چه آن از يك يا چند هزار مدول ساخته شدهباشد ،آن تعداد مدولها ي مورد نياز مي توانند بهم مرتبط شوند براي اينكه اندازه آرايش مورد نياز (توليد انرژي) را تشكيل دهند.اجراي يك آرايش فتو ولتاتيك به انرژي خورشيد وابسته است .شرايط آب وهوايي (همانند ابر ومه )تاثير مهمي روي انرزي خورشيدي دريافت شده توسط يك آرايش pv و در عوض ،اجرايي آن دارد .بيشتر تكنولوژي مدول هاي فتو  ولتاتيك در حدود 10 درصد موثر هستند  در تبديل انرژي خورشيد با تحقيق بيشتر مرتبط شوند براي اينكه اين كار را به 20 درصدافزايش دهند.

سلولهاي pv كه در سال 1954 توسط تحقيقات تلفني بل bell كشف شد حساسيت يك آب سيليكوني حاضر به خورشيد را به طور خاصي آزمايش كرد .ابتدا در گذشته در دهه 1950،pvs براي تامين انرژي قمر هاي فضا در يك مورد استفاده قرار گرفتند.موفقيت pvs در فضا كار برد هاي تجاري براي تكنو لوژي pvs   توليد كرد .ساده ترين سيستم هاي فتو ولتاتيك انرژي تعدادزيادي از ماشين حساب هاي كوچك وساعتهاي مچي را هر روز استفاده كردند.بيشتر سيستم هاي پيچيده الكتريسيته را براي پمپاژ آب ،انرژي ابزارهاي ارتباطي ،وحتي فراهم كردن الكتريسيته براي خانه هايمان  فراهم  مي كنند .تبديل فتو ولتاتيك به چندين دليل مفيد است .تبديل نور خورشيدبه الكتريسيته مستقيم است ،بنابراين سيستم هاي توليد كننده مكانيكي به حجم زيادي لازم نيستند .خصوصيت مدولي انرژي فتو ولتاتيك  اجازه مي دهد به طور سريع آرايش ها در هر اندازه مورد نياز يا اجازه داده شده نصب شوند .همچنين ،تاثير محيطي يك سيستم فتو ولتاتيك حد اقل است ،آب را براي سيستم نياز ندارد پختن وتوليد محصول فرعي نيست .سلولهاي فتوولتاتيك ،همانند باتريها ،جريان مستقيم (dc)را توليد مي كنند كه به طور عمومي براي براي راههاي كوچكي مورد استفاده است (ابزار الكترونيك).وقتي كه جريان مستقيم از سلولهاي فتوولتاتيك براي كاربردهاي تجاري يا لحيم كردن كار برد هاي الكتريكي استفاده مي شود.شبكه هاي الكتريكي بايستي به جريان متناوب (AC)براي استفاده تبديل  كننده ها  تبديل  شوند  ،ابزارهاي حالت جامد كه جريان مستقيم را به جريان متناوب تبديل مي كنند . به طور تاريخي PVSدر جاهاي دور براي توليد الكتريسيته بكار گرفته شده است .با اين وجود يك بازار براي توليد از PVS را توزيع كنند ممكن  است با بي نظميقيمتهاي تبديل و توزيع همزمان با بي نظمي  الكتريكي توسعه داده شود .جايگزين ژنراتو هاي كوچك مقياس عددي در تغذيه  كنندهاي الكتريكي مي توانند اقتصاد واعتبار سيستم توزيع را بهبود بخشد.

حرارت خورشيدي

كاربردهاي اصلي انرژي گرمايي خورشيد در حال حاضر گرم كردن آب استخر، گرم كردن آب براي كاربردهاي محلي و گرم كردن فضاي ساختمان‌ها. براي اين مقاصد، اصلي ترين كار استفاده از جذب كننده‌هاي صفحه مانند انرژي خورشيدي با جهت و موقعيت‌هاي ثابت است.جايي كه گرم كردن فضاي ساختمان موردنظر است، يك تمركز دهندة صفحه‌اي ثابت بيشترين تأثير را دارد، اگر سطح آن تقريباً به سمت جنوب و زاوية شيب‌هاي آن نسبت به افق برابر با عرض جغرافيايي به علاوة حدود 15 درجه باشد. جاذب‌هاي خورشيدي به دو گروه عمده تقسيم مي‌شوند: تمركزي و غيرتمركزي.در انواع غيرتمركزي، ناحية تجمع دهندة (يعني ناحيه‌اي كه پرتو خورشيدي را قطع مي‌كند) همان ناحية جذب كننده (يعني ناحية جاذب پرتو خورشيدي) است.در تجمع دهندهاي تمركزي، ناحية قطع كنندة پرتو خورشيد بزرگتر و گاهي اوقات صدها بار بزرگتر از ناحية‌ جذب كننده است. در جاهايي كه حرارت كمتر از حدود 200 درجة فارنهايت كافي‌ست، مانند گرم كردن فضا، اصولاً تجمع دهنده‌هاي صفحه اي غيرتمركزي بكار برده مي‌شود.طرحهاي تجمع دهنده صفحه‌اي زيادي وجود ندارد، اما عمدتاً شامل :

 1- جاذب صفحه‌اي كه انرژي خورشيد را جدا و جذب مي‌كند.

 2- پوشش شكاف كه اجازة عبور انرژي خورشيدي را مي‌دهد اما ضايعات گرما از جاذب نور را كاهش مي‌دهد.

 3- يك سيال انتقال دهندة گرما (هوا يا آب) كه درون لوله‌ها جريان يافته يا حرارت را از جاذب نور انتقال دهند.

 4- يك عايق حرارتي.

سيستم‌هاي حرارتي فضا مي‌توانند به انواع فعال و غيرفعال تقسيم شوند. در سيستم‌هاي گرمايي غيرفعال هوا در كنار سطوح حرارت خورشيدي چرخنده و بدون استفاده از دستگاههاي مكانيكي بصورت همرفت درون ساختمان جريان مي‌يابند (يعني هواي كم چگالي‌تر تمايل به حركت به بالا دارد درحاليكه هواي پرچگالتر و سرد به سمت پايين مي‌رود) در سيستم‌هاي حرارتي فعال، پنكه‌ها و پمپ‌ها براي چرخش هوا يا سيال جاذب گرما استفاده مي‌شود.

دستگاههاي نيروي گرماي خورشيدي

دستگاههاي نيروي گرماي خورشيدي از پرتوهاي خورشيدي براي گرم كردن يك سيال استفاده مي‌كنند، بطوريكه سيستم‌هاي انتقال گرما ممكن است براي توليد بخار استفاده شوند. در عوض بخار در يك توربين به انرژي مكانيكي و با يك مولد تبديلي همراه با توربين به انرژي الكتريكي تبديل مي‌شود. توليد نيروي گرماي خورشيدي دقيقاً مانند فنون تبديلي است. بجز اينكه در متون تبديل، منبع انرژي از انرژي ذخيره شده در سوخت‌هاي فسيلي در اثر احتراق آزاد مي‌شود. فنون گرماي خورشيد از سيستم‌هاي تمركز دهنده به منظور كسب حرارت‌هاي بالا مورد نياز استفاده مي‌كند. سه نوع سيستم نيروي گرماي خورشيدي در حال استفاده و يا در مرحلة توسعه هستند.

1  - گودي سهمي شكل (Parabolic Trough)              2 -  صفحه خورشيدي (Solar Dish)

• برج نيروي خورشيدي (Solar Power Tower)

گودي سهمي شكل پيشرفته ترين سيستم‌هاي تمركز دهنده است: اين تكنولوژي براي در دستگاههاي نيروي حرارت خورشيد بزرگ شبكه دنيا بكار برده مي‌شود. شركت‌هاي كرامر جانكشن (Kramer Junction co.) پنج سيستم توليد الكتريسيتة خورشيدي 30 مگا واتي (SEGS) را راه‌اندازي و نگهداري  می کنند.اين دستگاه SEGS 150 تا 354 مگاوات برق است كه در فضاي توليد كنده برق گرماي خورشيد داراي گودي سهمي واقع در بيابان موجاو (Mojave) كاليفرنيا قرار گرفته است. تجهيزات تركيب شدة كاليفرنيا بيش از 99 درصد برق خورشيدي تجاري قابل دسترس ايالات متحده را توليد مي‌كند.تجمع دهنده گودي سهمي داراي انعكاس دهندة سهمي شكلي است كه پرتو خورشيد را روي يك دريافت كننده خطي واقع در كانون سهمي متمركز مي‌كند. تجمع دهنده خورشيد را در امتداد يك محور در طول روز از شرق به غرب دنبال مي‌كند تا تمركز پيوستة پرتو خورشيد روي دريافت كننده را تضمين كند. به خاطر شكل سهمي آن، يك گودي مي‌تواند خورشيد را 30 تا 100 برابر بيشتر از ميزان معمول (ضريب تمركز) روي لولة دريافت كننده واقع در خط كانوني گوري تمركز دهد كه اين امر باعث احصال دماهاي تا بيش 400 درجة سانتي گراد مي‌شود.يك ناحية جاذب شامل ناحيه‌اي بزرگ از تجمع دهندة گودي سهمي رديار تك محوره است. ناحية خورشيدي در طبيعت ساختگي است و از رديف‌هاي موازي زيادي از تجمع دهنده‌هاي خورشيدي كه در محور افقي شمالي ـ جنوبي چيده شده‌اند، تشكيل شده است. سيال عامل (انتقال دهندة گرما) گرم شده بطوريكه درون دريافت كننده‌ها چرخيده و به سري‌هايي از مبادله كننده‌هاي گرما در محل مركزي، جاييكه سيال بخار بسيار داغ پر فشار توليد مي‌كند بر مي‌گردد. سپس اين بخار وارد يك توربين يا مولد تبديل بخار شده و برق توليد مي‌شود. بعد از عبور سيال از مبدل گرما سيال خنك شده در ناحية خورشيدي چرخش مي‌كند. دستگاه معمولاً تنها با استفاده از انرژي خورشيدي براي توليد نيروي برق كامل راه‌اندازي مي‌شود و انرژي خورشيدي كافي توليد مي‌كند. تنها با استفاده از انرژي خورشيدي هرچند، تمام دستگاهها، دستگاههاي با سوخت دوگانة فسيلي ـ خورشيدي هستند، كه قابليت به كارگيري سوخت فسيلي براي پشتيباني از دوره‌هاي خروج خورشيدي يا كاهش انرژي خورشيدي بكار برده مي‌شود. دستگاه لوز (Luz) دستگاه دوگانه گاز طبيعي است.

صفحة خورشيدي (Solar Dish)

سيستم صفحه ـ موتور از جاذب‌هاي خورشيدي غير تمركزي كه خورشيد را در دو محور رديابي مي‌كنند استفاده مي‌كند بطوريكه چون به سمت خورشيد نشانه رفته‌اند، انرژي را در نقطة كانون صفحه متمركز مي‌كند. ضريب تمركز صفحة خورشيدي بسيار بيشتر از گودي خورشيد و بطور شاخص بيش از 2000 و با حرارت سيال بيش از 750 درجه سانتي گراد است. تجهيزات مولد نيروي بكار برده همراه با صفحة خورشيدي مي‌تواند روي نقطة كانوني صفحه سوار شود و كار را براي اجراي اعمال از راه دور مناسب كند و يا با استفاده از يك گودي خورشيدي، انرژي مي‌تواند از تعدادي دستگاه، جمع‌آوري شده و در نقطة مركزي به برق تبديل شود. موتور در يك سيستم صفحه ـ موتور باعث فشار قرار دادن سيلال در زماني كه سرد است و گرم كردن آن و قرار دادن آن در يك توربين يا پيستون، گرما را به نيروي مكانيكي تبديل كند و كار توليدموتور با يك مولد برق براي تبديل نيروي مكانيكي به نيروي الكتريسيته همراه است.

برج نيروي خورشيدي

برج نيروي خورشيدي يا دريافت كنندة مركزي با انرژي خورشيدي تمركز يافته روي يك برج مبدل يا دريافت كنندة گرما از نور خورشيد نيروي برق توليد مي‌كند. اين سيستم داراي صدها تا هزاران آينة سطح ردياب خورشيد دارد كه هليواستيت (heliostate) نام دارند. اين هليو استيت‌ها انرژي خورشيدي را روي برج دريافت كنندة مركزي بازتابانده و متمركز مي‌كنند. در اين سيستم انرژي به اندازة 1500 مرتبه بيشتر از انرژي مستقيم خورشيد تمركز مي‌يابد. ضايعات انرژي حاصل از انتقال حرارت ـ انرژي در اين سيستم به حداقل مي‌رسد به طوري كه انرژي در اثر انعكاس از هليواستيت به يك دريافت كنندة منفرد، بطور مستقيم انتقال مي‌يابد، تا اينكه مانند سيستم گودي سهمي شكل در يك واسطة انتقالي به يك محل مركزي انتقال يابد. اين سيستم يك تكنولوژي مطمئن براي دستگاههاي نيروي بزرگ مقياس شبكه‌اي است. اگرچه برج‌هاي قدرت در مقايسه تكنولوژي گودي سهمي شكل در مراحل اولية توسعه هستند. اما چندين نمونة آزمايشي آن در جاهاي مختلف دنيا بكار افتاده است.

سولار وان (Solar One) در حوالي بارستوي كاليفرنيا (Barstow) كه از سال 1982 تا 1988 با ظرفيت حدود 10 مگاوات، بزرگترين دستگاه برج نيروي دنيا بود. در سولار وان، آب در دريافت كننده‌ها به بخار تبديل مي‌‌شد و مستقيماً براي يك توربين بخار به كار گرفته مي‌شد.

منطقه هليواستيت متشكل از حدود 1800 هليواستيت بود. سيستم ذخيره، از بخار حاصل از انرژي خورشيد كه در يك ظرف پر از سنگ وجود داشت و ماسه و از نفت به عنوان سيال انتقال دهندة گرما استفاده مي‌شد. كنسرسيومي متشكل از بخش انرژي ايالات متحده و چند سازمان الكتريكي سولار وان را به تكنولوژي پيشرفتة نك مذاب مجهز كردند كه از سال 1996 به عنوان سولار تو (Solar two) شروع به كار كرد.