انرژي خورشيدي از "سايه" سوخت فسيلي خارج مي‌شود؟

ايران اكونوميست :خورشید در مدت 40 روز، انرژی مورد نیاز یک قرن زمين را تامین مي‌كند اما كاستي‌هاي تكنيكي و عدم كفايت دانش بشر امكان استفاده قابل قبول از اين انرژي را نداده است.

کد خبر: ۸۱۳۱

تاریخ: ۱۲ شهريور ۱۳۹۱ - ۱۱:۳۱

گرچه در كشورهاي توسعه يافته روز به روز تبديل انرژي خورشيد به انرژي‌هاي مورد نياز بيشتر مي‌شود و كشورهاي در حال توسعه نيز تلاش براي دست‌يابي به دانش و تكنولوژي تبديل انرژي خورشيد را در دستور كار دارند اما هنوز ميزان دسترسي انسان به اين انرژي بسيار كمتر از پتانسيل كاربرد آن است.

معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه نياكان ما به استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید است. عليرغم شناسايي انرژی خورشید و مزایای آن در گذشته، چشمگير بودن هزينه اولیه به‌كارگيري آن و توزيع ارزان نفت و گاز باعث عدم توسعه استفاده از انرژي خورشيد شده بود اما صعود نرخ نفت در سال ۱۹۷۳ موجب شد که کشورهای پیشرفته صنعتی به تولید انرژی به روش‌هاي دیگر غیر از به‌كارگيري سوختهای فسیلی روي آورند.

به گزارش خبرنگار انرژي خبرگزاري دانشجويان ايران (ايسنا)، بیش از ۱۴ میلیارد سال است كه خورشيد مي درخشد و در هر ثانیه ۲.۴ میلیون تن از جرم آن به انرژی تبدیل می‌شود. خورشيد منبع كلان انرژي است و گفته مي‌شود تا پنج ميليارد سال ديگر اين جايگاه را حفظ خواهد كرد.

خورشید در هر ثانیه 1020*1.1 کیلو وات ساعت انرژی توليد می کند و 47 درصد از اين انرژي به سطح كره زمین می رسد. ميزان نوري كه در سه روز از خورشيد به زمین مي‌رسد به اندازه تمام انرژی ناشی از احتراق کل سوخت های فسیلی است. انرژی خورشید می‌تواند به صورت مستقیم یا غیر مستقیم به دیگر انرژی‌ها تبدیل شود اما كمبود دانش علمي در اين زمينه و نقص تكنيكي باعث شده كه بشر نتواند به صورت گسترده از آن استفاده كند. نوسان انرژي خورشيد به خاطر متغير بودن آب و هوا و عدم ثبات شرايط جوي نيز در اين راستا تاثيرگذار بوده‌است.

با توجه به اهميت انرژي خورشيدي و تجديدپذير بودن آن و اجبار بشر براي توجه به آن براي رفاه بيشتر، تلاش مي‌شود از اين انرژي در راستاي تامين گرمایش، خشک‌کردن تولیدات کشاورزی، تغییرات شیمیایی، تامین آب گرم مورد نیاز، تامین برق خورشیدی، سیستم سرمایش خورشیدی، خشک‌کن‌های خورشیدی و آب شیرین‌کن خورشیدی و ... استفاده شود.

اين درحالي است كه انرژي خورشيدي نیاز انرژی بشر را بدون هرگونه آسیبی به زمین تامین می‌کند و تامین برق خورشیدی با استفاده از پنل های خورشیدی ، یکی از مهمترین کاربردهای انرژی خورشیدی محسوب مي‌شود.

ایران در بین مدارهای 25 تا 40 درجه عرض شمالی قرار گرفته که این منطقه به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در بین نقاط زمین، در بالاترین رده ها قرار دارد؛ به‌نحوی که میزان تابش خورشید در ایران بین 1800 تا 2200 کیلووات ساعت بر متر مربع تخمین زده شده است که بسیار بالاتر از متوسط جهان است. همچنین به طور متوسط سالیانه بیش از 300 روز آفتابی در ایران گزارش شده است که بسیار قابل توجه است.

براي استفاده از انرژي خورشيد مي‌توان از روش مستقيم با استفاده از ابزار فتوولتایيك و يا روش غيرمستقيم با كاربرد ذخایر حرارتی خورشیدی براي تبديل انرژی نور خورشید استفاده كرد. متداولترين ابزار در تبديل انرژي خورشید به الکتریسیته، استفاده از پنل‌هاي فتوولتاييك است.

در اين روش با استفاده از يك سلول فتوولتاييك (PVC) يا همان سلول خورشيدي (ابزاري غير مكانيكي) مي‌توان نور خورشيد را به انرژي الكتريسيته تبديل كرد. بخشي از فوتون‌ها (ذرات انرژي خورشيدي) جذب سلول خورشيدي مي‌شود، اين انرژي جذب شده، توليد الكتريسيته مي كند البته با درنظر گرفتن روند كاربرد انرژي خورشيدي، شرايط آب و هوايي روي توليد الكتريسيته تاثيرگذار است.

با توجه به اين‌كه نور خورشيد به الکتريسیته مستقیم تبديل مي‌شود نياز به حجم زيادي از سیستم‌های تولید کننده مکانیکی نیست. شبکه‌های الکتریکی برای استفاده تبدیل کننده‌ها توسط اينورترها به جریان متناوب (AC) تبدیل مي‌شوند. همچنين جایگزیني ژنراتوهای کوچک مقیاس عددی در تغذیه کنندهای الکتریکی می‌تواند اقتصاد واعتبار سیستم توزیع را بهبود بخشد.

استفاده از تبديل فتوولتاييك براي تامين الكتريسيته و يا همان برق خانه‌ها به دلايل گوناگون مفيد است. از جمله دلايل چشمگير منفعت كاربرد انرژي خورشيدي، سالم بودن اين انرژي و عدم آسيب‌رساني به محيط زيست است؛ از سوي ديگر با توجه به شرايط اقتصادي، هدفمندشدن يارانه‌ها، عدم پرداخت پول برق، اعمال سياست مصرف درست انرژي و زندگي سالم از ديگر دلايل توجيه لزوم كاربرد انرژي خورشيدي محسوب مي‌شوند. ظرفيت انرژي خورشيد رامي‌توان متناسب با نياز طراحي كرد، اين انرژي پايان نمي‌پذيرد و به دليل نبود قسمت‌هاي متحرك، نگهداري و اتوماسيون آن آسان است.

كاربرد انرژی حرارتی خورشید

انرژی حرارتي خورشید در دو گروه نیروگاهی و غیر نیروگاهی كاربرد دارد. از جمله كاربردهاي نيروگاهي اين انرژي مي‌توان به نیروگاه‌های حرارتی خورشیدي از نوع سهموی خطی، نیروگاههای حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزی، نیروگاه‌های حرارتی از نوع بشقابی و دودکش‌های خورشیدی اشاره كرد.

نیروگاههای خورشیدی كه با سازگاري با محيط زيست انرژی خورشید را به برق تبدیل می‌کنند مزایای قاطعی در برابر نیروگاه‌های فسیلی و اتمی دارند و مي‌توان با آن مشکل برق را به ويژه در دوران اتمام ذخائر نفت و گاز حل كرد. بکارگیری نیروگاه‌های خورشیدی مي‌تواند در آينده باعث رهايي از اتكا به درآمد نفتي شود.

از سوي ديگر، نیروگاه‌های خورشیدی نیاز به سوخت ندارند، بنابراين نرخ برق تولیدی آن‌ها تابع قیمت نفت نيست لذا می‌توان ارزش برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگاه‌داشت. همچنين نیروگاه‌های خورشیدی و به طور خاص دودکش‌های خورشیدی برعكس نیروگاه‌های حرارتی سنتی كه نياز به آب مصرفي زيادي دارد، احتیاج به آب ندارند.

از مزيت‌هاي ديگر اين روش اين است كه نیروگاه‌های خورشیدی با تولید برق مي‌توانند به شبکه سراسری برق نیرو برسانند درحالي كه نياز به تأسیس خطوط فشار قوی طولانی در راستاي انتقال برق ندارند بنابراين براي احداث شبکه‌های انتقال نياز به صرف هزينه زياد نيست. همچنين استهلاك كم و شرايط فني نیروگاه‌های خورشیدی باعث شده كه عمر اين نيروگاه‌ها طولاني باشد اما عمر نيروگاه‌هاي فسيلي كوتاه‌مدت و به ميزان 15 تا ۳۰ سال است. در عين حال نيروگاه‌هاي خورشيدي را به دليل عدم احتياج به متخصص عالي در محل، مي‌توان به طور اتوماتيك راه‌اندازي كرد اما متخصصين عالي بايد به طور دائمي و ويژه در نيروگاه‌هاي اتمي حضور داشته باشند.

از سوي ديگر قابل توجه است كه كاربردهاي غيرنيروگاهي از خورشيد متنوع است؛ آب‌گرم‌كن‌ها و حمام‌هاي خورشيدي، كوره‌ها و خانه‌هاي خورشيدي، خشك‌كن خورشيدي، آب‌شيرين‌كن خورشيدي، اجاق خورشيدي و سرمايش و گرمايش خورشيدي از مهمترين حوزه‌هاي غيرنيروگاهي از خورشيد محسوب مي‌شوند.

بسیاری از مردم توانايي استفاده از انرژی خورشیدی در زندگی روزمره ی خود را دارند، اجاق خورشيدي مي‌تواند گزينه خوبي براي شروع به كارگيري ابزار خورشيدي توسط عموم مردم باشد چراكه اجاق خورشيدي بسیار کارامد است و استفاده از آن مي‌تواند تجربه بسیار خوبی برای استفاده از ديگر ابزارهاي خورشيدي باشد.

اجاق خورشيدي از طريق جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه كار مي‌كند. اين وسيله در طرح‌هاي متنوع در بازار وجود دارد اما بايد توجه داشت كه در استفاده از انرژي خورشيد، مكان قرار گيري ابزار خورشيدي نيز مهم است. تجربه استفاده از اجاق خورشيدي در در افريقاي جنوبي نتايج خوبي را به دست آورده است. بنابراين به نظر مي‌رسد كاربرد اين ابزار در مناطق شرقي كشور با توجه به اين‌كه سوخت كافي در آن منطقه نيست، مي تواند به ميزان چشمگيري مفيد باشد.

از سوي ديگر خشک کن‌های خورشیدی نيز كاربرد زيادي دارند و برای محصولات و مصارف گوناگون در اندازه‌ها و طرح‌های گوناگون طراحی و ساخته می‌شوند. در اين خشک کن‌ها از انرژی خورشیدی بطور مستقیم و یا غیر مستقیم براي خشک كردن مواد استفاده می‌شود و جريان هوا نیز باعث خشک شدن سريع محصولات می‌شود. در گستردگي حجيم تر، كوره خورشيدي از ديگر ابزارهايي است كه كاربرد فراوان دارد و در سرتاسر جهان پروژه‌هاي فراواني براي به‌كارگيري آن تعريف شده است و طراحي و اجراي پروژه هاي متعدد در اين زمينه ادامه دارد. در كوره‌هاي خورشيدي انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می‌شود و به دماهای بالایی می‌رسد.

انرژي خورشيد در گستردگي عملكرد

در قرن هجدهم براي نخستين بار كوره خورشيدي ساخته شد و اين كوره آهن، مس و ساير فلزات را ذوب مي‌كرد. در آن هنگام براي ساخت كوره خورشيدي از آهن صيقل شده، لنزهاي شيشه اي وآئينه استفاده كردند. از سوي ديگر در قرن هجدهم، شخصي به نام نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بسمر، پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تأمین می‌کرد. لاوازيه، دانشمند مطرح جهان در قرن هجدهم موفق به ساخت كوره‌اي خورشيدي شد كه تا1750 درجه سانتي‌گراد حرارت توليد مي كرد و درجه حرارتي توليدي اين كوره تا صد سال پس از وي نيز بالاترين درجه حرارتي توليد شده، بود.

در سال ۱۸۳۰ ستاره شناس انگلیسی به نام جان هرشل در طول سفر خود به افریقا از یک جعبه جمع آوری انرژي خورشید برای پختن غذا استفاده کرد. همچنين در اوايل قرن نوزدهم ميلادي براي نخستين بار براي تامين انرژي سيستم گرمايش و سرمايش ساختمان‌ها از انرژي خورشيد استفاده شد؛ دراواخر قرن هجدهم و اوايل قرن نوزدهم، در ایالات متحده حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته و در آن خانه‌ها سعی می‌شد از انرژی خورشید برای روشنایی، تهیه آب گرم بهداشتی،‌ سرمایش و گرمایش استفاده شود. از سوي ديگر در طراحي اين خانه‌ها توجه شده بود كه با بکارگيري مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود.

در سالهای بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرحهای فراوانی در زمینه خانه‌های خورشیدی مطرح و آزمایش شد. همچنين در اوايل قرن نوزدهم ميلادي انواع گوناگوني از موتورهاي هواي گرم ساخته شد. در آن هنگام از موتور هواي دو پيستوني معروف استرلينگ براي استفاده از انرژي خورشيدي استفاده و با اصلاحاتي جزئي قابل بهره برداري با انرژي خورشيدي شد.

در اواخر قرن هجدهم و اوائل قرن نوزدهم از گردآور مسطح استفاده شد؛ استفاده از گردآور مسطح به جاي گردآور متمركز كننده نور بسيار داراي اهميت است چرا كه از يك سو ساخت اين گردآور ساده تر بود و براي استفاده از آن نياز به هواي غير ابري نبود و از سوي ديگر گردآور مسطح نور را در يك نقطه متمركز نمي‌كند بلكه نور را به صورت يكنواخت بر يك سطح مسطح مي تاباند.

انرژي خورشيدي

يك امريكائي به نام ا ـ جي ـ انيز A.G.Eneas در سال 1901ميلادي گردآوري متمركزكننده به قطر 33فوت(10متر) ساخت؛ در آن هنگام يك دستگاه پمپ آب بوسيله اين گردآور متمركز كننده كار مي‌كرد. در سال 1907ميلادي نيز يك مهندس خلاق به‌نام فرانك شومان گردآور مسطحي به مساحت1200فوت مربع موتوري به قدرت5.3 اسب اختراع كرد كه از آن براي گرم كردن آب استفاده مي‌شد. انتظار مي‌رفت كه اين موتور خورشيدي 100 اسب بخار قدرت داشته باشد اما اين هدف محقق نشد. گردآور مسطح ساخت شومان 100 اسب بخار قدرت نداشت اما فن اختراع آن از اهميت بسيار بالايي برخوردار بود.

همچنين براي نخستين بار شخصی بنام نیکلاس دستگاه خوراک‌پز خورشیدی را اختراع كرد، به گونه اي كه با استفاده از انرژي خورشيد، حرارت در دستگاه خوراک‌پز خورشیدی به 88 درجه رسيد.

انرژي خورشيدي در ايران

ایرانیان باستان با استفاده از انرژی خورشیدی، از چوب كمتري براي گرم کردن خانه‌های خود در فصل زمستان استفاده می‌کردند. نياكان ما ساختمان‌ها را به گونه‌اي بنا مي‌كردند كه در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشیمن بتابد و در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار گيرد.

اولین ساختمان خورشیدی در ضلع شمالی دانشگاه علم و صنعت قرار دارد و پروژه ساخت اين خانه براي مطالعه و پژوهش در راستاي بهینه سازی مصرف انرژی و امکان بررسی روشهای استفاده از انواع انرژیهای تجدیدپذیر اجرا شد.

در بعد صنعتي مي‌توان به نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی در یزد اشاره كرد. این نیروگاه نخستین نیروگاه سیکل ترکیبی با بکارگیری انرژی خورشیدی و گاز طبیعی در جهان است و در سال ۱۳۸۸ با هدف تولید برق به بهره‌برداری رسید. نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی یزد، مي‌تواند ۴۶۷ مگاوات ساعت انرژی توليد كند و در آن از انرژی خورشیدی( با استفاده از فناوری نیروی خورشیدی متمرکز برای تکمیل فرآیند تبخیر آب استفاده می‌شود. نیروگاه خورشیدی یزد، در سال ۲۰۱۰ هشتمین نیروگاه بزرگ خورشیدی در جهان بوده‌است.

در حال حاضر در كشور با توجه به شرايط جغرافيايي ايران تعداد زيادي آب‌گرم‌كن‌ و تعدادي حمام خورشيدي در استان‌هاي خراسان، سيستان و بلوچستان، يزد و كرمان تاسيس شده و به بهره‌برداري رسيده است.

ظهور سوخت‌هاي فسيلي باعث ركود دستگاه‌هاي خورشيدي شد

با پيدايش سوخت هاي فسيلي، در اوائل قرن بيستم مساله طراحي و ساخت دستگاه هاي خورشيدي اهميت خود را از دست داد و سوخت هاي فسيلي به علت ارزاني فوق العاده، نقش انرژي اصلي را در تمدن بشري به خود گرفت.

با پررنگ شدن نقش سوخت‌هاي فسيلي، تلاش براي بهره گيري از انرژي خورشيدي مدتي متوقف شد منتها پس از بحران انرژي به خصوص در سال هاي اخير، بار ديگر مسئله انرژي خورشيدي و پژوهش هاي علمي و فني برا ي بكار گيري و جايگزين كردن آن به جاي سوخت هاي فسيلي و ديگر انرژي هاي پايان پذير مطرح شد.

در شرايط اقتصادي كنوني ايران با توجه به اجرای طرح هدفمندی يارانه‌ها و افزايش تدريجي قيمت سوخت‌هاي فسيلي، استفاده از انرژي خورشيد به عنوان روشی نوین و توجیه پذیر تلقي مي‌شود. اين سوخت سالم است و ماندگار بودن آن دغدغه اتمام انرژي را از بين ميبرد.

گرچه موضوع استفاده از انرژي خورشيدي در جهان روز به روز چشمگيرتر مي‌شود اما كمبود بودجه در برخي موارد باعث عدم بهره‌برداري از پروژه‌ها شده است بنابراين صرفه اقتصادي كاربرد انرژي خورشيدي به اندازه لزوم كاربرد اين انرژي حائز اهميت است.