تاریخ امروز۱۴۰۰-۰۶-۳۱

انرژی خورشیدی چیست؟ بخش اول

نویسنده: محسن فرزان، کارشناس ارشد انرژی‌های تجدیدپذیر       clock زمان مطالعه: ۵ دقیقه


آنچه که در این مقاله فرا خواهید گرفت:

مقدمه

انرژی‌های تجدیدپذیر نقش مهمی را در آینده انرژی جهان ایفا خواهند کرد. انرژی خورشیدی یکی از منابع تجدیدپذیر انرژی است که برروی سیاره زمین به‌وفور یافت می‌شود. هر ذره از نور خورشید حاوی بسته‌های انرژی است این بسته‌های انرژی فوتون نامیده می‌شوند که تامین‌کننده انرژی زمین هستند. فناوری‌های انرژی خورشیدی، از انرژی تولید شده توسط خورشید جهت تولید برق و گرما استفاده می‌کنند. انرژی که از خورشید به سطح زمین می‌رسد با توجه به روز و محل مورد نظر می‌تواند متفاوت باشد. خوشبختانه علی‌رغم اینکه حرکت نسبی خورشید و زمین پیچیده است، اما به دلیل سیستماتیک بودن آن قابل پیش‌بینی است. این امر کمک می‌کند تا برای هر ساعت از هر روز سال قادر به محاسبه محل خورشید باشیم. در این مقاله به بررسی عمومی انرژی خورشیدی پرداخته می‌شود.

انرژی خورشیدی چیست: مشخصات ستاره خورشید

خورشید ستاره‌ای کروی شکل از پلاسمای داغ است که در مرکز منظومه شمسی قرار دارد. حجم این ستاره حدود ۱۳۰۴ برابر زمین و ۳۳۳ برابر سنگین‌تر از آن است. در سطح خورشید دما به یک میلیون درجه سلسیوس هم می‌رسد. بیش از ۷۳ درصد خورشید را هیدروژن تشکیل داده و بیشتر مابقی آن (حدود ۲۵ درصد) از هلیم تشکیل شده است. انرژی خورشیدی، انرژی حرارتی است که به‌وسیله خورشید در طی فرآیندهای شکافت و همجوشی هسته‌ای اتم‌های هیدروژن در هسته آن تولید می‌شود.

خورشید از اجزای زیر تشکیل شده است:

هسته خورشید (Core): هسته خورشید ۲۰% از حجم خورشید را شامل می‌شود و با دمای تقریبی ۱۵ میلیون درجه سانتی‌گراد داغ‌ترین نقطه خورشید محسوب می‌شود.

لایه تابشی (Radiative zone): انرژی حرارتی تولید شده در هسته خورشید سپس از طریق لایه تابشی خورشید به آرامی حرکت می‌کند تا به ناحیه همرفتی برسد. از نکات قابل‌توجه این لایه چگالی بسیار زیاد آن است.

ناحیه همرفتی (Convective zone): لایه همرفتی خارجی‌ترین لایه درونی خورشید است که انرژی تولید شده در لایه‌های درونی‌تر را به سطح بیرونی خورشید از طریق جریان همرفتی بین گاز بسیار داغ و سردتر منتقل می‌کند.

اتمسفر: اتمسفر خورشید از فتوسفر (Photosphere)، کرومسفر (Chromosphere) و کرونا (Corona) تشکیل شده است. پایین‌ترین لایه، فتوسفر است که حدود ۵۰۰ کیلومتر ضخامت دارد، این لایه کدر و با چگالی کم است. در این لایه انرژی خورشید به صورت نور آزاد می‌شود. باتوجه‌به اینکه تابش حرارتی با سرعت نور در خلاء حرکت می‌کند، انرژی ساطع شده از خورشید در هشت دقیقه و بیست ثانیه به زمین می‌رسد.

لایه بعدی اتمسفر، کروموسفر است که نقش یک لایه برای انتقال گرما به صورت رسانشی از لایه داخلی خورشید به خارجی‌ترین لایه آن یعنی کرونا را دارد.

کرونا سومین لایه اتمسفر خورشید است که می‌توان آن را در زمان خورشید گرفتگی کامل، مشاهده کرد. دمای کروناهای خورشید به دو میلیون درجه سانتی‌گراد هم می‌رسد. علی‌رغم آنکه کرونا نسبت به هسته خورشید دورتر از فتوسفر است، اما دمای آن حدود ۳۰۰ برابر فتوسفر است که چگونگی این اتفاق سال‌هاست به یک راز برای دانشمندان تبدیل شده است.

ساختار ستاره خورشید- انرژی خورشیدی   لایه‌های مختلف ستاره خورشید (منبع: lumenlearning)

انرژی خورشیدی چیست: اهمیت انرژی خورشیدی

رشد و نمو گیاهان و درختان، حیوانات و انسان‌ها و در یک کلمه حیات کره زمین به خورشید بستگی دارد. انرژی که از سطح خورشید به زمین تابیده می‌شود، توسط ذرات داخل جو و یا سطح زمین و اقیانوس‌ها بازتابیده، پخش و یا جذب می‌شود. این چرخه باعث ایجاد بادها، جریان‌های اقیانوسی، تبخیر، بارش باران و تنظیم دمای سطح کره زمین می‌شود.

مصرف انرژی کل جهان در طی یکسال را به‌طور سرانگشتی می‌توان با انرژی دریافتی کره زمین از خورشید در طی یک ساعت برابر دانست. پس می‌توان نتیجه گرفت که انرژی که خورشید به سمت زمین رهسپار می‌کند، از نیاز آن بسیار بیشتر است. البته چالش موجود در تبدیل این انرژی به شکلی است که بتوان از آن در مصارف روزانه و در هر زمان و مکان، استفاده کرد؛ مانند انرژی الکتریکی.

انرژی خورشیدی چیست: انرژی خورشیدی در کجای کره زمین بیشتر است؟

مناطقی از کره زمین همچون شمال آفریقا، خاورمیانه، استرالیا، انرژی خورشیدی بیشتری دریافت می‌کنند، حال آنکه برخی مناطق مانند کانادا یا شمال اروپا از نعمت انرژی خورشیدی کمتری برخوردار هستند. نکته قابل توجه آن است که اغلب ساکنین کره زمین در مناطق پرتابش خورشید زندگی می‌کنند و می‌توانند از مزایای آن بهره‌مند شوند.

نقشه-انرژی-خورشیدی-جهانپتانسیل انرژی خورشیدی در جهان (منبع: solargis)

انرژی خورشیدی چیست: انرژی خورشیدی در کجای ایران بیشتر است؟

برای ارزیابی مناطق مستعد انرژی خورشیدی دو پارامتر شدت تابش خورشید در آن منطقه و مدت زمان آن اهمیت بالایی دارد. کشور ایران با قرارگیری بین عرض‌های جغرافیایی ۲۵ تا ۴۰ درجه شمالی در یکی از مناطق کره زمین با تابش خوب خورشید قرار گرفته است.

میزان شدت تابش خورشید در ایران به‌طور متوسط از میانگین جهانی بالاتر است و بیش از ۲۸۰ روز آفتابی در بیش ۹۰% کشور ایران ثبت شده است. استان‌های فارس، کرمان، اصفهان، خراسان جنوبی و رضوی، سیستان و بلوچستان، سمنان، همدان و تهران از جمله استان‌های پر تابش کشور ایران هستند.

پتانسیل انرژی خورشیدی در کشور ایران (منبع: solargis)

انرژی خورشیدی چیست: چگونه انرژی خورشیدی را برای مصارف روزانه بکارگیریم؟

انرژی خورشیدی می‌تواند به دو دسته مستقیم و غیر مستقیم (باد، بایو انرژی، هیدرو انرژی) تبدیل شود. دسته اول که انرژی خورشیدی مستقیم است عموما از تکنولوژی‌های زیر جهت تبدیل آن به انرژی قابل استفاده در امور روزانه استفاده می‌شود:

سیستم‌های فتوولتاییک: در این سیستم‌ها نور خورشید به‌طور مستقیم با استفاده از پنل‌های خورشیدی به الکتریسیته تبدیل می‌شود. این‌ پنل‌ها از نیمه‌هادی‌های که اغلب از جنس سیلیکون هستند ساخته می‌شوند و دارای تکنولوژی‌های مختلفی همچون پنل خورشیدی مونوکریستال و پنل خورشیدی پلی کریستال هستند.  برق خورشیدی تولیدی از این طریق از نوع مستقیم یا DC است که می‌توان برای مصارف روزانه به برق متناوب یا AC تبدیل شود. همچنین برق خورشیدی را می‌توان برای کاربرد در شب در باتری ذخیره‌سازی کرد. این سیستم‌ها مقیاس‌پذیر هستند و می‌توانند براساس نیاز و یا سرمایه کاربر، ظرفیت‌های مختلفی داشته باشند.

در بسیاری از کشورهای دنیا، به‌خصوص در اروپا، نصب و راه‌اندازی نیروگاه‌های خورشیدی فتوولتاییک جهت کاهش قبض برق مصرفی صورت می‌گیرد. در کشور ایران اما می‌توان برق تولیدی از نیروگاه‌های خورشیدی فتوولتاییک را به‌طور تضمینی به مدت ۲۰ سال به وزارت نیرو فروخت و کسب درآمد کرد. از طرف دیگر، به دلیل مزیت مقیاس‌پذیری سیستم‌های خورشیدی فتوولتاییک، می‌توان از این سیستم‌ها برای ساخت پکیج‌های فایل حمل خورشیدی جهت تامین توان مورد نیاز روشنایی، شارژ موبایل و لپ‌تاپ و غیره استفاده کرد.  همچنین در مناطق روستایی می‌توان از آن جهت راه‌اندازی پمپ آبیاری مزارع استفاده کرد.

نیروگاه خورشیدی کرمان

نمایی از نیروگاه خورشیدی فتوولتاییک مکران در کرمان؛ یکی از بزرگترین نیروگاه‌های خورشیدی ایران (منبع: سازمان انرژی‌های تجدیدپذیر و بهره‌وری انرژی ایران (ساتبا))

نیروگاه‌های خورشیدی حرارتی: در این نیروگاه‌ها از تجمیع حرارت خورشید به‌وسیله آینه‌ها (کلکتورها) برای تولید دمای بالا جهت بخار کردن آب بهره می‌برند. بخار آب تولید شده با عبور از توربین‌های بخار، الکتریسیته مورد نیاز را تولید می‌کنند. روش‌های مختلفی جهت تجمیع نور خورشید استفاده می‌شود. متمرکز‌کننده‌های سهموی، فرسنل، دیشی و هلیوستات از جمله این روش‌ها هستند. این نیروگاه‌ها معمولا در مقیاس‌های بزرگ چند صد مگاواتی احداث می‌شوند. همچنین می‌توان از سوخت‌های فسیلی به‌عنوان سوخت کمکی این نیروگاه‌ها برای روزهای ابری و شب‌ها استفاده کرد.

نمونه‌ای از کلکتور سهموی خطی در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی (منبع: fineartamerica)

تکنولوژی حرارتی خورشیدی: این سیستم از نور خورشید برای کاربردهایی همچون آب‌گرمکن‌های خورشیدی، شیرین‌سازی آب، گرمایش هوا، پخت و پز، خشک‌کردن میوه  و … استفاده می‌کند که می‌توان از آن در مصارف مسکونی، صنعتی و … استفاده کرد.

در ایران، آب‌گرمکن‌های خورشیدی رواج بیشتری داشته است. از انواع آب گرمکن‌های خورشیدی می‌توان به نوع آب‌گرمکن خورشیدی صفحه‌ای و آب گرم‌کن خورشیدی لوله خلاء اشاره کرد. هر کدام از این نوع آب‌گرمکن‌ها را می‌توان براساس شرایط آب و هوایی محل نصب و کاربری آن انتخاب کرد.

آب گرمکن خورشیدی

نمونه‌ای آب گرمکن‌های خورشیدی لوله خلاء نصب شده بر پشت‌بام یک خانه (منبع: sunfire)

سیستم‌های غیرفعال یا پسیو: از انرژی خورشیدی به صورت پسیو نیز استفاده می‌شود که سابقه استفاده از آن قدمتی به اندازه تاریخ دارد. برخلاف سیستم‌های خورشیدی فعال یا اکتیو، سیستم‌های خورشیدی پسیو ساده هستند و از تجهیزات کمکی مکانیکی و الکتریکی همچون پمپ‌ها، فن‌ها و کنترلرها جهت بکارگیری نور خورشید در این سیستم‌ها استفاده نمی‌شود.

برای نمونه در ایران، مناطقی از منزل را که در طول روز بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد در سمت جنوبی ساختمان در نظر می‌گیرند تا به‌ویژه در زمستان هم از نور و هم از گرمای خورشید استفاده شود و هزینه سیستم روشنایی و گرمایش کاهش یابد.

دیوار ترومبدیوار ترمب (Trombe wall) نمونه‌ای از کاربرد پسیو انرژی خورشیدی است. منبع (qpractice)

در این مقاله به مفاهیم پایه در انرژی خورشیدی پرداخته شد. در مقاله‌های آتی انرژی خورشیدی چیست مسائل تخصصی‌تر همچون انواع تابش‌های خورشیدی، زوایای خورشیدی مهم، تجهیزات اندازه‌گیری انرژی خورشیدی و غیره مطرح خواهد شد.

لطفا پیشنهادها و پرسش‌های خود را از طریق قسمت “پاسخی بگذارید”  در پایین این صفحه برای ما ارسال کنید و برای حمایت از این اثر این مطلب را با دوستان خود به اشتراک گذارید.

منابع:

Kalogirou, Soteris A.,  “Solar Energy Engineering: Processes and Systems”, 2nd Edition

https://www.space.com 

http://renac.de

نظر شما درباره این مطلب مهم است

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

هفت − 2 =

نشر و بازنشر تمامی مطالب در سایت و فضای مجازی تنها با درج آدرس www.iransolarmag.com مجاز است.