دانلود مقاله انرژی خورشیدی

خورشید زمین را گرم و روشن می‌کند.

گیاهان و جانوران نیز انرژی خورشیدی را لازم دارند تا زنده بمانند.

اگر خورشید نبود یا از زمین خیلی دورتر بود و گرمای کمتر به ما می‌رسید، سطح زمین خیلی سرد و تاریک می‌شد و هیچ موجودی نمی‌توانست روی آن زندگی کند.

همه ما به انرژی نیاز داریم، انرژی مانند نیرویی نامرئی در بدن ما وجود دارد و آن را بکار می‌اندازد.

اگر انرژی به بدن نرسد، توانایی انجام کار را از دست می‌دهیم و پس از مدتی می‌میریم.

ما انرژی را از غذایی که می‌خوریم یدست می‌آوریم.

با هر حرکت و کاری که انجام می‌دهیم، بخشی از انرژی موجود در بدن صرف می‌شود.

حتی برای خواندن این مطلب هم مقداری انرژی لازم است.

برای همین باید هر روز غذاهای کافی و مناسبی را بخوریم.

گیاهان و جانوران نیز برای زنده ماندن و رشد و حرکت ، به انرژی نیاز دارند، که منشأ همه اینها از خورشید می‌باشد.

تمام دستگاهها و ماشینهای ساخته شده بدست انسان نیز با استفاده از انرژی کار می‌کنند.

بسیاری از این ماشینها برقی هستند.

حتما شما هم از دستگاههایی مثل رادیو ، تلویزیون ، اطو ، یخچال و ...

استفاده می‌کنید.

اگر به هر دلیلی برق خانه قطع شود، تمام این دستگاهها از کار می‌افتند و بدون استفاده می‌شوند.

اما آیا می‌دانید برق چطور تولید می‌شود؟

برای تولید برق ، سوختهایی مثل زغال سنگ ، نفت و گاز را می‌سوزانیم.

این نوع سوختها را سوخت فسیلی می‌نامند.

سوختهای فسیلی از باقی مانده گیاهان و جانورانی بوجود آمده‌اند که میلیونها میلیون سال قبل روی زمین زندگی می‌کردند.

وقتی این جانوران و گیاهان مردند و از بین رفتند، سالهای زیادی زیر فشار لایه‌های زمین ماندند تا به زغال سنگ و نفت و گاز تبدیل شدند و می‌بینیم که همه انواع مختلف انرژی که قبل تبدیل به یکدیگر نیز هستند از یک منبع به نام خورشید ناشی شده و یا به آن مربوط می‌شود.

تابش خورشید منشأ اغلب انرژیهایی است که در سطح زمین در اختیار ما قرار دارد.

• باد : ناشی از اختلاف دمای هوا و حرکت نسبی اتمسفر زمین است.

• آبشار : ناشی از تبخیر و بارانی که از آن نتیجه می‌شود.

• چوب ، زغال سنگ ، نفت و ...

که منشا گیاهی دارند به کمک کلروفیل و خورشید ساخته شده‌اند.

خورشید چیست؟

خورشید یک راکتور هسته‌ای طبیعی بسیار عظیم است.

که ماده در آن جا بر اثر همجوشی هسته‌ای به انرژی تبدیل می‌شود و هر روز حدود 350 میلیارد تن از جرمش به تابش تبدیل می‌شود، دمای داخلی آن حدود 15 میلیون درجه سانتیگراد است.

انرژیی که بدین ترتیب به شکل نور مرئی ، فرو سرخ و فرابنفش به ما می‌رسد 1 کیلو وات بر متر مربع است.

خورشید به توپ بزرگ آتشین شباهت دارد که صد بار بزرگتر از زمین است.

این ستاره‌ها از گازهای هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است.

گازها انفجارهای بزرگی را بوجود می‌آورند و پرتوهای قوی گرما و نور را تولید می‌کنند.

این پرتوها از خورشید بسوی زمین می‌آیند در طول راه ، یک سوم آنها در فضا پخش می‌شوند و بقیه بصورت انرژی گرما و نور به زمین می‌رسند.

می‌دانیم که سرعت نور 300000 کیلومتر در ثانیه است.

از سوی دیگر ، 8 دقیقه طول می‌کشد که نور خورشید به زمین برسد.

بنابراین می‌توان فاصله خورشید تا زمین را حساب کرد.

در این مسیر طولانی ، مقدار زیادی از نور و گرمای خورشید از دست می‌رود، اما همان اندازه‌ای که به زمین می‌رسد، کافی است تا شرایط مناسبی برای زندگی ما و جانوران و گیاهان بوجود آید.

منبع انرژی خورشیدی
• با اندازه گیری شار خورشیدی تابشی در بالای جو زمین می‌توان قدرت دریافتی کل انرژی از خورشید را محاسبه کرد.

که حدود 1.8x1011 مگا وات است.

البته تمام این انرژی به سطح زمین نمی‌رسد مقداری از آن جذب لایه‌های اتمسفر می‌شود.

• ماده در عالم اساساً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده که قسمت اعظم آن بین ستارهها و کهکشانها توزیع شده است.

نیروی جاذبه متقابل بین ذرات سبب تراکم گاز و گرد غبار شده و این تراکم احتراما ابر ستاره‌ای را بوجود می آورند.

• انرژی پتاسیل گرانشی سبب ازدیاد دمای داخل ستاره شده و آن هم باعث افزایش چگالی ستاره شده در نتیجه دمای داخل آن افزایش می‌یابد تا یک حالت پلاسمای خورشیدی بخود بگیرد.

• در یک چنین محیطی شرایط برای همجوشی هسته‌ای مهیا می‌شود.

با ترکیب دوترویم و تریتیوم مقداری انرژی آزاد می‌شود (17.6 Mev).

بنابراین همانطوری که گفته شد، مقدار انرژیی که از خورشید به زمین می‌رسد، بوسیله جمع کننده‌های خورشیدی کنترل کرده و برای مصارف خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

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: 1) 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.

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

3) سیستم‌های فتو ولتائیک: تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی – سلولهای خورشیدی 4) 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 35 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 10 الی 15 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.

1) 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.

2) سیستم‌های شیمی خورشیدی: 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 1969 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.

3) 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 35 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 5 تا 20 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 4 الکترون در مدار خارجی خود می‌باشد.

هنگامی که تعدادی اتم فسفر به داخل کریستال سیلیسیم وارد شود با توجه به اینکه فسفر دارای 5 الکترون در مدار خارجی خود دارد 4 الکترون مدار خارجی فسفر با 4 الکترون مدار خارجی فسفر با 4 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.

4) 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: 1) سیستم‌های آب گرم خورشیدی 2) سیستم‌های گرمایش و سرمایش ساختمانها 3) سیستم‌های تهیه آب شیرین و آب مقطرگیری 4) سیستم‌های انتقال پمپاژ 5) سیستم‌های تولید فضای سبز 6) سیستم‌های خشک‌کنن و خوراک پز خورشیدی 7) سیستم‌های سرد کننده خورشیدی 8) برجهای نیرو نیروگاههای خورشیدی منابع: 1) کتاب راهنمای طرحهای انرژی خورشیدی در ایران، اصغر حاجی سقطی، استادیار دانشگاه علم و صنعت ایران، چاپ اول مهر 1370، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران 2) نگرشی بر سیستم‌های استفاده از انرژی خورشیدی نویسنده دکتر مجید رئوفی راد 3) اصول کاربردی حرارتی انرژی خورشیدی ترجمه و تألیف دکتر محمد علی عبدنی 4) مهندسی گرما و خورشیدی، تألیف پیتر.جی.لاند ترجمه دکتر حسین پناهنده