انرژي خورشيدي

خورشيد عامل و منشاء انرژي‌هاي گوناگوني است كه در طبيعت موجود است از جمله: سوخت‌هاي فسيلي كه در اعماق زمين ذخيره شده‌اند، انرژي آبشارها و باد، نمو گياهان كه حيوانات و انسان براي رشد خود از آلفا استفاده مي‌كنند، كليه مواد آلي كه قابل تبديل به انرژي حرارتي و مكانيكي هستند، امواج درياها، قدرت جزر و مد كه بر اساس جاذبه و حركت زمين به دور خورشيد و ماه حاصل مي‌شود، اينها همه نمادهائي از انژي خورشيدي هستند. وابستگي شديد جوامع صنعتي به منابع انرژي بخصوص سوختهاي نفتي و بكارگيري و مصرف بي‌رويه آنها منابع عظيمي را كه طي قرون متمادي در لايه‌هاي زمين تشكيل شده بود تخليه مي‌نمايد با توجه به اينكه منابع زيرزميني انرژي باد سرعت فوق‌العاده‌اي مصرف مي‌شوند و در آينده‌اي نه چندان دور چيزي از آنها باقي نخواهد ماند نسل فعلي وظيفه دارد به آن دسته از منابع انرژي كه داراي عمر و توان زياد است روي آورد و دانش خود را براي بهره‌برداري از آنها گسترش دهد.

خورشيد يكي از دو منبع مهم انرژي است كه بايد به آن روي آورد كه در ضمن به تكنولوژي پيشرفته و پرخرج نيز نياز نداشته و مي‌تواند به عنوان يك منبع مفيد و تامين كننده انرژي در اكثر نقاط جهان بكار گرفته شود به علاوه استفاده از آن انرژي هسته‌اي، خطر و اثرات نامطلوبي از خود باقي نمي‌گذارد و براي كشورهائي كه فاقد منابع زيرزميني هستند مناسبترين راه براي دسترسي به نيرو و رشد و توسعه اقتصاد مي‌باشد.

شناخت انرژي خورشيدي و استفاده از آن براي منظورهاي مختلف به زمان ما قبل تاريخ باز مي‌گردد. مهمترين روايتي كه در رابطه با استفاده از تابش خورشيد بيان شده داستان ارشميدس دانشمند و مخترع بزرگ يونان قديم مي‌باشند كه ناوگان روم را با استفاده از انرژي حرارتي خورشيد به آتش كشيد. گفته مي‌شود كه ارشميدس با نصب تعداد زيادي آئينه‌هاي كوچك مربعي شكل در كنار يكديگر كه روي پايه متحرك قرار داشت اشعه خورشيد را از راه دور روي كشتيهاي روميان متمركز ساخته و به اين ترتيب آنها را به آتش كشيده است. به همين علت از ارشميدس به عنوان بنيانگذار استفاده از تابش خورشيد نام مي‌برند در حاليكه منابع مصري قديميتر از آن است.

در عصر حاضر از انرژي خورشيدي توسط سيستم‌هاي مختلف و براي مقاصد متفاوت استفاده و بهره‌گيري مي‌شود كه عبارتند از:
۱) سيستم‌هاي فتوبيولوژيك: تغييراتي كه در حيات و زيست گياهان و جانداران به وسيله نور خورشيد و فتوسنتز ايجاد مي‌گردد فرآيند كود حيوانات و استفاده از گاز آن.
۲) سيستم‌هاي فتوشيميايي: تغييرات شيميايي در اثر نور خورشيد – الكتروليزرهاي نوري – سلولهاي فتوولتاژئيك الكتروشيمي – تاسيسات تهيه هيدروژن.
۳) فتو ولتائيك: تبديل انرژي خورشيدي به انرژي الكتريكي – سلولهاي خورشيدي

۴) حرارتي و برودتي: شامل سيستمهاي تهيه آب گرم – گرمايش و سرمايش ساختمانها – تهيه آب شيرين – سيستمهاي انتقال و پمپاژ – سيستمهاي توليد فضاي سبز (گلخانه‌ها) – خشك‌كنها و اجاقهاي خورشيدي – سيستمهاي سردسازي – برجهاي نيرو – خشك‌كن خورشيدي.
در مورد پيدايش خورشيد فرضيه‌اي كه بيشتر مورد قبول واقع شده، اين است كه منشاء

ايجاد خورشيد توده‌اي ابري شكل گازهائي هستند كه تشكيل دهنده عمده آنها هيدروژن بوده است. در مرحله اول و در نتيجه نيروي جاذبه مركزي، ذرات هيدروژن روي هم متراكم شده و در اثر تراكم، تصادم شديدي بين ذرات هيدروژن بوجود آمده و در نتيجه افزايش بيش از حد فشار و دما، تحولات هسته‌اي پديد آمده و حاصل آن آزاد شدن منابع عظيم انرژي بوده است از مجموع انرژي تابشي خورشيد كه بوسيله زمين و جو آن دريافت مي‌شود در حدود ۳۵ درصد آن مجدداً به فضاي خارج از جو بازتاب مي‌گردد. قسمت اعظم اين بازتابي در جو زمين در برخورد اشعه با ابرها و غبارهاي جوي انجام مي‌گيرد و بخش كمتري از آن، در سطح زمين در نتيجه انعكاس اشعه بوسيله آبها – برفها و سنگريزه‌ها حادث مي‌شود.

قسمتي از باقيمانده انرژي، در حين عبور از جو زمين، در اثر برخورد با ذرات هوا و غبار و بخار آب موجود در جو، به دفعات زياد تغيير مسير داده و پس از اين برخوردها، به صورت تشعشعات پراكنده به سطح زمين و يا فضاي خارج تابيده مي‌شود. همچنين در حدود ۱۰ الي ۱۵ درصد انرژي تشعشعي دريافت شده از خورشيد، به وسيله ذرات بخار آب- كربن دي‌اكسيد و ازون موجود در جو زمين جذب مي‌شود.

قابل توجه است كه در طبقات فوقاني جو زمين، گاز ازون تقريباً تمام اشعه ماوراء‌بنفش را جذب مي‌كند و اين تصفيه اشعه از نظر سلامت زندگي انسانها حائز اهميت فوق‌العاده ايست زيرا كه اشعه ماوراء بنفش در پوست و چشم انسان تأثيرات بسيار نامطلوب دارد. بخار آب و كربن دي‌اكسيد در طبقات تحتاني جو زمين، اشعه مادون قرمز را جذب مي‌كند.

۱) سيستم‌هاي فتوبيولوژي:
عملكرد فتوسنتز در گياهان قديمي‌ترين روشها استفاده از انرژي خورشيدي است گياهان انرژي خورشيد را جذب كرده و با كمك آن گاز كربنيك و آب را به مواد قندي تبديل مي‌كنند. همچنين در اين فعل و انفعالات گياهان اكسيژن را آزاد و نيتروژن و مواد فسفري را كه براي ادامه حيات و رشد خود لازم دارند جذب مي‌كنند. نتيجه اين فرآيند، ذخيره‌سازي بيولوژيكي انرژي خورشيدي مي‌باشد انرژي ذخيره شده در گياهان از طريق سوزاندن چوب و يا تهيه سوختهائي از قبيل الكل و متان بازيابي مي‌شود.

۲) سيستم‌هاي شيمي خورشيدي:
اين سيستم‌ها به دو دسته كلي تقسيم مي‌شوند.
الف) سيستم‌هاي فتوشيميائي كه در آنها از نور خورشيد در عمليات شيميايي استفاده مي‌شود.
ب) سيستم‌هاي هليوترميك در آنها از حرارت خورشيد به عنوان يك منبع حرارتي بهره‌گيري شده و عمليات شيميايي انجام مي‌گيرد. براي تهيه سوختي مثل هيدروژن از روش فتوشيميايي و يا از روش حرارتي در الكتروليز استفاده مي‌شود و هيدروژن ذخيره شده را براي توليد انرژي مكانيكي – حرارتي و الكتريكي و غيره بكار برد.
عمليات فتوسنتز در گياهان و تشكيل سوختهاي فسيلي در زيرزمين، و ذخيره‌سازي بيولوژيكي انرژي خورشيد در موارد و بالاخره تهيه سوختهائي از قبيل الكل و متان و هيدروژن، همگي تابع يك سري فعل و انفعالات شيميايي بوده و مي‌توان آنها را بخشي از سيستم‌هاي
شيمي خورشيدي به حساب آورد.

در سالهاي ۱۹۶۹ دو پژوهشگر ژاپني نتيجه تحقيقات خود را به عنوان رشته جديدي از سلول‌هاي الكتروليز اعلام كردند اين دو پژوهشگر يك صفحه تيتانيوم دي‌اكسيد ( Tio ) جريان الكتريكي بين دو قطب كاتدوآند برقرار شده و آب نيز به دو عنصر تشكيل دهنده خود يعني اكسيژن و هيدروژن استفاده كرد. تهيه الكتريسته با استفاده از سلولهاي خورشيدي در رشته شيمي نيز استفاده از الكتروليز امكان‌پذير بوده به علاوه از سلولهاي فتوالكتروليت، براي تجزيه شيميايي و تهيه و ذخيره هيدروژن با روشهاي گوناگون استفاده مي‌شود.

۳) سيستم‌هاي فتو ولتائيك :
سيستمي كه در آن انرژي خورشيدي بدون بهره‌گيري از مكانيزم‌هاي متحرك و شيميايي به انرژي الكتريكي تبديل شود، اثر آن را فتو ولتائيك مي‌نامند. عاملي كه در اين فرآيند بكار مي‌رود سلول خورشيدي ناميده مي‌شود. حدود ۳۵ سال پيش براي اولين بار و به عنوان مولد الكتريكي در سفينه‌هاي فضائي از اين سلول‌ها استفاده گرديد و مدتي است كه بهره‌گيري از آنها در زمين نيز تداول شده است سلول‌هاي خورشيدي قادرند انرژي خورشيدي را بازدهي معادل ۵ تا ۲۰ درصد مستقيماً به الكتريسته تبديل كنند.

اگر چه انرژي الكتريكي نوري هنوز به ميزان كافي از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نمي‌باشد ولي در سالهاي اخير كاهش چشمگيري در هزينه‌هاي مربوط به بهره‌برداري از اين سيستم‌ها مشاهده گرديده و انتظار مي‌رود در آينده نيز با تحقيقات لازم در نوع سلولهاي نوري، كاهش قيمت ادامه يابد ولي نبايد فراموش كرد در مناطق دور و در جاهائي كه دسترسي به سوخت و الكتريسته ارزان مقدور نباشد از سيستم‌هاي فتو ولتائيك استفاده مي‌شود. با استفاده از انرژي خورشيد و سلول‌هاي خورشيدي و با ايجاد اختلاف پتانسيل فشار الكتريكي در نيمه‌ هادئي كه بطور مناسب ساخته شده‌اند الكتريسته توليد مي‌شود. امروزه مؤثرترين و ارزانترين سلولهاي خورشيدي ماده‌اي به نام سيليسيم مي‌باشد. ماسه يكي از منابع مهم سيليسيم بوده كه پس از پالايش آن كريستالهاي سيليسيم بدست مي‌آيد و پس از بريده شدن بصورت صفحه آماده مي‌شود.

سيسليسيم يك نيمه هادي است كه به طور خالص از نظر هدايت الكتريكي هادي ضعيفي است ولي اگر در موقع پالايش به آن فسفر اضافه شود بار منفي (الكترون) پيدا كرده و در صورتيكه بود اضافه شود بار مثبت (حفره) پيدا مي‌كند. نوع اول را سيليسيم «نوع N » و نوع دوم را سيليسيم «نوع P » مي‌نامند مي‌دانيم كه سيليسيم داراي ۴ الكترون در مدار خارجي خود مي‌باشد. هنگامي كه تعدادي اتم فسفر به داخل كريستال سيليسيم وارد شود با توجه به اينكه فسفر داراي ۵ الكترون در مدار خارجي خود دارد ۴ الكترون مدار خارجي فسفر با ۴ الكترون مدار خارجي فسفر با ۴ الكترون مدار خارجي سيليسيم يك مدار بوجود آورده و به اين ترتيب يك الكترون به صورت آزاد باقي مانده يعني سيليسيم با بار منفي باردار شده و نيمه‌هادي نوع N بوجود مي‌آيد.

از طرفي اگر بجاي فسفر از اتم بور كه سه الكترون در مدار خارجي دارد استفاده شود حفره‌هائي كه مثل الكترون قابليت حركت دارند ايجاد شده و سيليسيم بطور مثبت باردار مي‌شود يعني نيمه‌هادي نوع P بوجود مي‌آيد. حال اگر يك طرف يك سيليسيم نوع P را از نوع N الكترونهاي آزاد و اتم‌هاي فسفر با بار مثبت وجود دارند. حال اگر يك فوتون (ذره‌اي از نور) به اتصال P-N برخورد كند. الكترون از اتم سيليسيم جدا كرده و در نتيجه حفره بوجود آورد. حفره‌هاي مزبور تحت تأثير ميدان موجود به سمت ناحيه P و الكترون به سوي ناحيه N حركت كرده و اين دو حركت مخالف با بارهاي مختلف، يك جريان الكتريكي بوجود مي‌آورند. با اتصال كنتاكتهائي به رويه‌هائي قطعات نيمه هادي، مداري تشكيل مي‌شود كه اجازه برگشت الكترون‌ها را به اتصال نوع ‌ P از ميان يك بار خارجي مي‌دهد.

۴) سيستم‌هاي حرارتي خورشيدي ( THERMAL SOLAR ENERGY )
روش‌هاي گرما خورشيدي، با استفاده از انواع كلكتورها و روش‌هاي غيرفعال، جهت جذب كردن و جمع‌آوري انرژي حرارتي خورشيد طراحي شده، و براي منظورهائي از قبيل گرم كردن آب و هوا و توليد بخار و سرد كردن و… بكار برده شده‌اند.
سيستم‌هاي گرما خورشيدي را مي‌توان به ترتيب زير طبقه‌بندي كرد:
۱) سيستم‌هاي آب گرم خورشيدي
۲) سيستم‌هاي گرمايش و سرمايش ساختمانها
۳) سيستم‌هاي تهيه آب شيرين و آب مقطرگيري
۴) سيستم‌هاي انتقال پمپاژ
۵) سيستم‌هاي توليد فضاي سبز
۶) سيستم‌هاي خشك‌كنن و خوراك پز خورشيدي
۷) سيستم‌هاي سرد كننده خورشيدي
۸) برجهاي نيرو نيروگاههاي خورشيدي

انرژي خورشيد درخدمت آب شيرين
محدوديت منابع انرژي هاي فسيلي ، در کنار اثرات انکار ناپذير آنها در آلودگي محيط زيست ، از دغدغه هايي است که دانشمندان و محققان را برآن داشته است تا به توليد و استفاده از انرژي هاي تازه و پاک بينديشند. در اين راستا، خورشيد به عنوان دوست طبيعت و منبع انرژي رايگان ، بيش از پيش مورد توجه قرار گرفته است.
حسن عباس زادگان ، از پژوهشگران جواني است که با هدف رفع کمبود آب شيرين در مناطق ساحلي و گرمسيري با استفاده از انرژي ارزان و فاقد خاصيت آلوده کنندگي ، نخستين دستگاه تقطير خورشيدي به روش متمرکز سازي نور خورشيد را براي به دست آوردن آب شيرين از آب شور طراحي کرده است.

ويژگي هاي دستگاهي که اختراع کرده ايد چيست؟
دستگاه تقطير خورشيدي به روش متمرکز سازي نور خورشيد براي به دست آوردن آب شيرين از آب شور استفاده مي شود. يکي از عمده ترين مشکلات کشور ما، مصارف آب شرب و کشاورزي است.

از آنجايي که ايران حدود ۲۷۰ روز آفتابي دارد ، يکي از مناطق مساعد براي بهره گيري از انرژي هاي خورشيدي است و بويژه در مناطق جنوبي و بخصوص نواحي ساحلي ايران و نواحي کويري – که ما داراي چاه هاي آب شور و دريا هستيم – مي توان از اين سيستم ها براي جمع آوري نور خورشيد و بهره گيري از آن براي تبديل آب شور به آب شيرين استفاده کرد. درباره هدفهاي اين طرح ، مي توان به حل مشکل کمبود آب شيرين ، بهره گيري کامل از انرژي رايگان خورشيد، هزينه کمتر ، نصب و راه اندازي ساده ، تعمير و نگهداري ساده – به اين دليل که تمام چرخه اين دستگاه کاملا خودکار و اتوماتيک است و بهره گيري از انرژي هاي غيرفسيلي اشاره کرد. نه تنها در ايران ، بلکه در هرجاي ديگري از دنيا که انرژي خورشيدي به اندازه کافي وجود داشته باشد ، مي توان از اين وسيله استفاده کرد.

ساير نمونه هاي اين دستگاه ، از چه نوع انرژي اي استفاده مي کنند؟
افراد زيادي روي دستگاه هاي آب شيرين کن کار کرده اند ، اما هيچکدام به اين وسعت و با اين کيفيت نبوده اند. آنهايي هم که از خارج از کشور وارد مي شوند ، داراي سيستم هايي هستند که از يک کوره گازي تشکيل شده اند که آب در آنها مانند کتري به جوش مي آيد و بخار مي شود. اين دستگاه ها با گاز کار مي کنند. رساندن گاز به مناطق کويري و به اين دستگاه‌ها هزينه هاي زيادي را در بر دارد.

نه تنها در ايران بلکه در هرجاي دنيا که انرژي خورشيدي به اندازه کافي وجود داشته باشد ، مي توان از اين آب شيرين کن استفاده کرد
در نمونه هاي ديگري از اين دستگاه هم از فيلترهاي ريزي استفاده مي شود که آب را با فشار به اين فيلترها وارد مي کنند. اين فيلترها قيمت بسيار بالايي دارند و هزينه بر هستند. در اين دستگاه ها ، آب بر اثر فشار سبک و سنگين و نمک آن ته نشين مي شود و آب شيرين بالا مي‌ماند ؛ اما ما در دستگاه خود از فيلتر استفاده نکرده ايم ، بلکه انرژي خورشيد را به وسيله سيستمي روي مخازن خود متمرکز کرده ايم. اين سيستم ها از کنترل اتوماتيک برخوردارند. آب وقتي به جوش آمد و بخار شد ، نمک آن ته نشين مي شود. سپس بخار آب به سيستم
خنک کننده هدايت مي شود.

درصد خلوص آب توليد شده چقدر است؟
با اين دستگاه آب را مقطر مي کنيد ؛ يعني آب کاملا به جوش مي آيد و بخار آن سرد مي‌شود. اين دستگاه ، تقطير خورشيدي نام دارد و تمام نمک آب ته نشين مي شود.

علاوه بر نمک ، دستگاههاي تقطير آب چه ضايعات ديگري توليد مي کنند؟
فيلترهايي که از خارج از کشور وارد مي شوند ، از آن جهت که بايد گاه به گاه تعويض شوند ، هزينه هاي زيادي را تحميل مي کنند. لذا با استفاده از دستگاه ها ي فيلتري شما ۲ نوع ضايعات داريد. هم نمک و هم فيلترهاي مستعمل که بايد دور انداخته شوند ، اما ضايعات دستگاه من فقط نمک و رسوب است. در دستگاه تقطير خورشيدي از يک طرف بخار آب داريد و از طرف ديگر ، نمک و مقداري رسوبات مختلفي که در آب وجود دارد. اين دستگاه به محيط زيست هيچ لطمه اي وارد نمي کند. انرژي مصرفي آن از نور خورشيد تهيه مي شود و ضايعات آن هم نمک است که در صنايع براي سخت سازي ، رنگ سازي ، ضدعفوني کردن و براي بعضي صافي ها مورد استفاده قرار مي گيرد.

حجم آبي که شيرين مي شودچه ميزان است؟
اين دستگاه مدل هاي مختلف دارد. ما بايد يک بردار ماهواره اي از منطقه و مکاني که قرار است دستگاه در آنجا نصب شود ، داشته باشيم تا مشخص شود نسبت به ميزان تابش آفتاب چه حجم آب را در دقيقه مي توان شيرين کرد. اين مقدار بسته به مکان استفاده متفاوت و متغير است ؛ مثلا حجم آبي که در مناطق ساحلي يا در کوير ايران شيرين مي شود، متفاوت است. عواملي مانند تابش ، زاويه ، دما، رطوبت و غيره بر حجم آب شيرين به دست آمده ، تاثير مي‌گذارد.

تفاوت اين دستگاه با نمونه هاي ديگرچيست؟
نمونه هاي ديگر دستگاه آب شيرين کن به روش خورشيدي که ساخته شده اند، شيشه هاي معمولي هستند که آب در زير آنها بخار مي شود و قطرات آب گوشه دستگاه جمع مي شود. اين دستگاه ها درصد آب شيرين کردن شان خيلي پايين است ، اما در دستگاه من ، چون از آينه ها و عدسي هاي مخصوص استفاده شده و سيستم کنترل اتوماتيک دارد؛ يعني حتي براي تامين باتري هاي انرژي خورشيدي که بايد پمپ هاي آب شور را راه انداخته و آب را مکش کرده و به مخازن برسانند، همه مجهز به سيستم ردياب نور خورشيد است ؛ يعني سعي کرده ايم در تمام قسمتها بهينه سازي کنيم. حتي نور خورشيد را رديابي مي کنيم و نمي گذاريم مقدار اندکي از آن هم به هدر رود. نمونه واقعي اين دستگاه ابعاد بزرگي به اندازه يک تصفيه خانه کوچک آب دارد.

دستگاه هاي موجود چه نقصي داشتند که شما را بر آن داشت به طراحي اين نوع دستگاه بپردازيد؟
دستگاه هاي آب شيرين کن موجود نواقص خاصي ندارند. حتي برخي از آنها کيفيت خيلي
بالايي هم دارند. اما هزينه ، قيمت و فناوري ساخت آنها در داخل کشور ، نياز به واردات و مصرف انرژي هايي که قابل برگشت نيست ، از مواردي است که بايد به آنها توجه کرد. دستگاه تقطير خورشيدي تنها با انرژي خورشيدي ، يعني انرژي اي که رايگان به سطح زمين مي تابد ، کار مي کند و لذا تنها در مناطق خاصي نصب مي شود.