انرژی حرارتی خورشیدی
انرژی گرمایی خورشیدی که جزء انرژی‌های پاک که از آن به‌عنوان یکی از انرژی بدون کربن یاد می‌شود (به انگلیسی: Solar Thermal Energy) یکی از انرژی‌های تجدیدپذیر به‌شمار می‌رود که از تبدیل نور به گرما در شاره، و استفاده از تغییرات دما به حرکت، و تبدیل حرکت به[۱]انرژی الکتریکی به وجود می‌آید. این تبدیل اکثراً به‌دست صفحات خورشیدی یا پنل خورشیدی انجام می‌گیرد. سالانه مقدار زیادی از نیروی به وجود آمده از تابش نور خورشید تبدیل به گرمای زمین می‌شود. با بهره‌گیری از صفحه‌های خورشیدی، می‌توان بخشی از این هدر رفت را به نیروی الکتریکی تبدیل کرد.[۱][۲]
استفاده از انرژی گرمایی خورشیدی به سه بخش تقسیم می‌شود:
- گرمای پایین
- گرمای متوسط
- گرمای بالا
- در بخش گرمای پایین و در مناطق مسکونی به‌طور کلی از صفحه‌های هموار به‌کار برده می‌شود.
- در بخش گرمای متوسط نیز صفحه‌های هموار به‌شمار زیاد به کار می‌روند که معمولاً این صفحه‌ها، در ساختمان‌های بازرگانی و اداری برای گرم کردن آب یا هوا به‌کار برده می‌شوند.
- در بخش گرمای بالا، از جمع کردن پرتوهای نور خورشید در یک مرکز با استفاده از آینه و لنز (عدسی) برای تولید برق استفاده می‌شود.[۳][۴][۵]
در فرایند فتوولتائیک نیروی خورشیدی به‌طور مستقیم به نیروی الکتریسیته تبدیل می‌شود. در ماه اکتبر سال ۲۰۰۹ کارخانه‌ها، مولدهای برق و نیروگاه‌های سراسر جهان، تنها ۶۰۰ مگاوات از برق مورد نیاز خود را از طریق انرژی گرمایی خورشیدی تأمین کردند.[۶]
کاربرد انرژی گرمایی خورشیدی
[ویرایش]نیروی گرمایی خورشیدی از نظر کاربرد و شیوهٔ بهره‌برداری از آن به سه دسته بخش‌بندی می‌شود که عبارت است از:
- کاربردهای صنعتی
- کاربردهای نیمه‌صنعتی
- کاربردهای خانگی
کاربردهای صنعتی
[ویرایش]
تأسیساتی که با استفاده از آن‌ها نیروی جذب‌شده گرمایی خورشید به نیروی الکتریکی تبدیل می‌شود، نیروگاه گرمایی خورشیدی نامیده می‌شوند.
این تأسیسات بر پایه انواع متمرکزکننده‌های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند:
- نیروگاه‌هایی که گیرنده آن‌ها، آینه‌های سهمی ناودانی می‌باشند.
- نیروگاه‌هایی که گیرنده آن‌ها در یک برج قرار دارد و نور خورشید به وسیله آینه‌های بزرگی به نام خورپا (هلیوستات)، به آن بازتاب می‌شود. (دریافت‌کننده مرکزی)
- نیروگاه‌هایی که گیرندهٔ آن‌ها بشقابی سهمی یا دیش می‌باشند.
در هر نیروگاهی اعم از نیروگاه‌های آبی، نیروگاه‌های گرمایی و نیروگاه‌های گازی، برای تولید برق از مولدهای الکتریکی استفاده می‌شود که با چرخیدن آن، برق تولید می‌شود.
این مولدهای الکتریکی، انرژی گردشی خود را از دستگاهی به نام توربین دریافت می‌کنند. بدین ترتیب می‌توان گفت که مولدهای الکتریکی، انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نمایند.
تأمین‌کننده انرژی جنبشی مولدها، توربین‌ها هستند که دارای انواع مختلفی می‌باشند. در نیروگاه‌های بخار، توربین‌هایی وجود دارند که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آن‌ها شده و سبب به چرخش درآمدن پره‌های توربین می‌شود.
در نیروگاه‌های آبی که روی سدها جاگذاری می‌شوند، نیروی پتانسیل موجود در آب موجب به چرخش درآمدن پره‌های توربین می‌شود؛ بدین ترتیب می‌توان گفت که در نیروگاه‌های آبی انرژی پتانسیل آب، به انرژی جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
در نیروگاه‌های گرمایی بر اثر سوختن سوخت‌های فسیلی مانند مازوت، آب موجود در سامانه بسته نیروگاه، در درون دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل می‌شود و بدین ترتیب، نیروی گرمایی به نیروی جنبشی و سپس به نیروی الکتریکی تبدیل می‌شود.
در نیروگاه‌های گازی، توربین‌هایی وجود دارد که به‌طور مستقیم در اثر سوختن گاز، به حرکت درآمده و ژنراتور را می‌گرداند. به این صورت که انرژی گرمایی به انرژی جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
اما در نیروگاه‌های گرمایی-خورشیدی، وظیفه اصلی بخش‌های خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغذیهٔ توربین‌ها است. به عبارت دیگر می‌توان گفت که این نوع نیروگاه‌ها شامل دو بخش هستند:
- سامانه خورشیدی که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از گرمای جذب‌شده، بخار تولید می‌کند.
- سامانه ای به نام سامانه سنتی که همانند دیگر نیروگاه‌های گرمایی، بخار تولید شده را به‌دست توربین و مولد به نیروی الکتریکی تبدیل می‌کند.
در این نیروگاه‌ها، از بازتاب‌دهنده‌هایی که به صورت سهمی خطی می‌باشند، برای تمرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آن‌ها استفاده می‌شود و گیرنده به صورت لوله‌ای در خط کانونی بازتاب‌کننده‌ها قرار دارد. در داخل این لوله، روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر گرمای پرتوهای خورشید، گرم و داغ می‌شود.
روغن داغ از مبدل گرمایی عبور کرده و آب را به بخار تبدیل نموده و به مدارهای طراحی شده در نیروگاه‌های گرمایی انتقال داده می‌شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به نیروی الکتریکی تبدیل شود.
برای بهره‌برداری بیشتر و افزایش بازدهی لوله دریافت‌کننده، سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب سپیدایی بالایی دارد پوشش می‌دهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشه‌ای به صورت شفاف پوشیده می‌شود تا از هدر رفت گرمایی و افت پرتویی جلوگیری شود و همچنین از لوله دریافت‌کننده محافظت به عمل آید. ضمناً بین این دو لوله، خلاء به وجود می‌آورند تا پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لولهٔ دریافت‌کننده برسد.
در این نیروگاه‌ها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که به وسیلهٔ آن آینه‌های شَلجمی دائماً خورشید را دنبال می‌کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت‌کننده متمرکز می‌نمایند. تغییرات تابش خورشید در این نیروگاه‌ها به‌دست منبع ذخیره و گرم‌کن سوخت فسیلی جبران می‌شوند.
نوع دریافت کننده مرکزی
[ویرایش]
در نیروگاه‌های خورشیدی از نوع دریافت‌کننده مرکزی، پرتوهای خورشید به‌دست مزرعه‌ای ساخته‌شده از شمار زیادی آینه بارتاب‌کننده به نام خورپا بر روی یک دریافت‌کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته است، متمرکز می‌شود.
در نتیجه، روی محل تمرکز پرتوها، انرژی گرمایی زیادی ایجاد می‌شود که این انرژی به وسیلهٔ سیال عامل که درون دریافت‌کننده در حرکت است، جذب می‌شود و به وسیلهٔ مبدل گرمایی به سامانهٔ آب و بخار طراحی شده در نیروگاه‌های سنتی، منتقل شده و بخار با دمای فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین مولد برق، تولید می‌شود.
این سیال عامل در مبدل‌های گرمایی کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و گرمای بالا می‌شود؛ در برخی از این سامانه‌ها سیال عامل آب است و مستقیماً درون دریافت‌کننده به بخار تبدیل می‌شود.
برای استفاده همیشگی از این نوع نیروگاه در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد؛ برای نمونه در ساعات ابری یا شب‌ها، از سامانه‌های ذخیره‌کننده گرما یا احیاناً از تجهیزات پشتیبانی که ممکن است از سوخت فسیلی نیز استفاده کنند برای ایجاد بخار برای تولید برق، کمک گرفته می‌شود.
بررسی‌ها و پژوهش‌ها در زمینه فناوری و سامانه‌های این نیروگاه‌ها ادامه دارد و آزمایشگاه‌ها و مؤسسه‌های بی شماری در سراسر دنیا در این زمینه فعالیت می‌کنند.
نوع بشقابی
[ویرایش]در این نیروگاه‌ها از بازتاب‌کننده‌هایی که به صورت شلجمی بشقابی است، جهت تمرکز نقطه‌ای پرتوهای خورشیدی استفاده می‌شود و گیرنده‌هایی که در کانون شلجمی قرار می‌گیرند به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب کرده و به کمک یک ماشین گرمایی و مولد، آن را به نوع مکانیکی و الکتریکی تبدیل می‌کنند.
دودکش‌های خورشیدی
[ویرایش]
روش دیگر برای تولید انرژی الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از برج نیرو یا دودکش‌های خورشیدی می‌باشد. در این سامانه، از خاصیت دودکش‌ها استفاده می‌شود، به این صورت که با استفاده از یک برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و شمار زیادی گرم‌خانه‌های خورشیدی که در اطراف آن است هوای گرمی که به وسیلهٔ انرژی خورشیدی در یک گرم‌خانه تولید می‌شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه‌ها قرار دارد، هدایت می‌شود.[۷]
این هوای گرم چون سبک است به سمت بالای برج حرکت می‌کند و باعث ایجاد مکش به سمت بالا می‌شود که انرژی حاصل از این مکش سبب چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده است، می‌گردد و بدین وسیله انرژی الکتریکی تولید می‌شود. هم‌اکنون یک نمونه از این سامانه در ۱۶۰ (km) کیلومتری جنوب مادرید احداث شده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر می‌رسد.
نوع عدسی‌های فرنل
[ویرایش]نسل نوی تأمین‌کننده‌های نیروی گرمایی خورشید، از عدسی فرنل برای متمرکز کردن نیروی خورشیدی به منظور تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند.[۸] یکی از مهم‌ترین دلایل استفاده از این نوع عدسی‌ها ارزان بودن قیمت لنز آن است.
کاربردهای نیمه‌صنعتی
[ویرایش]کوره خورشیدی
[ویرایش]در سدهٔ هجدهم میلادی، نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و به وسیلهٔ آن یک پل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد.
هنری بسمر که به پدر فولاد جهان مشهور است، گرمای مورد نیاز کوره ذوب فولاد خود را از انرژی خورشیدی تأمین می‌کرد. متداول‌ترین سامانهٔ یک کوره خورشیدی ساخته‌شده از دو آینه یکی تخت و دیگری کروی می‌باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و به‌دست این آینه به آینه کروی بازتابیده می‌شود. برپایهٔ قوانین اُپتیک (نورشناسی) هرگاه دسته پرتوی همراستا با محور آینه با آن برخورد نماید، در محل کانون متمرکز می‌شوند، به این ترتیب انرژی گرمایی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می‌شود که این نقطه به دماهای بالایی می‌رسد. امروزه پروژه‌های فراوانی در زمینه کوره‌های خورشیدی در سراسر جهان در حال طراحی و اجرا می‌باشد.
خشک‌کن خورشیدی
[ویرایش]نوشتار اصلی: خشک‌کن خورشیدی
خشک‌کردن مواد غذایی برای نگهداری آن‌ها از زمان‌های بسیار قدیم مرسوم بوده است و انسان‌های نخستین خشک‌کردن را یک هنر می‌دانستند.
خشک‌کردن عبارت است از گرفتن بخشی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که مایهٔ افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتری‌ها می‌گردد. در خشک‌کن‌های خورشیدی به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می‌شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک‌شدن محصول می‌گردد. خشک‌کن‌های خورشیدی در اندازه‌ها، طرح‌های مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون، طراحی و ساخته می‌شوند.
خانه‌های خورشیدی
[ویرایش]
 | در بیطرفی این بخش از مقاله اختلافنظر وجود دارد. |
گذشتگان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه‌های خود در زمستان استفاده می‌کردند. آن‌ها ساختمان‌ها را به ترتیبی بنا می‌کردند که در زمستان نور خورشید به درون اتاق‌های نشیمن می‌تابید ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت. در سال‌های بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرح‌های فراوانی در زمینه خانه‌های خورشیدی مطرح و آزمایش شد.
از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت. حدود چند سالی است که معمارها به‌طور جدی ساخت خانه‌های خورشیدی را آغاز کرده‌اند و به دنبال تحول و پیشرفت این فناوری به نتایج مفیدی نیز دست یافته‌اند. برای نمونه در ایالات متحده در سال ۱۸۹۰ به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شده است. در این گونه خانه‌ها می‌کوشند از انرژی خورشیدی برای روشنایی، فراهم کردن آب گرم بهداشتی، سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با به کار بردن مصالح ساختمانی مفید از هدر رفتن گرما و انرژی جلوگیری شود.
کاربردهای خانگی
[ویرایش]سامانه‌های گرمایی خورشیدی در ساختمان برای کاربردهای خانگی از انرژی گرمایی خورشید دارای موارد فراوانی می‌باشد که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از: آبگرمکن و حمام خورشیدی، سرمایش و گرمایش خورشیدی، آب شیرین‌کن خورشیدی و اجاق خورشیدی که به دو دستهٔ سامانه‌های فعال خورشیدی و سامانه‌های غیرفعال خورشیدی دسته‌بندی می‌شوند.
آبگرمکن‌های خورشیدی
[ویرایش]
تولید و فراهم آبگرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکان‌هایی که مشکل سوخت‌رسانی وجود دارد، استفاده می‌شود. چنانچه ظرفیت این سیستم‌ها افزایش یابد، می‌توان از آن‌ها در گرمابه‌های خورشیدی نیز استفاده کرد.
تهویه مطبوع خورشیدی
[ویرایش]گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها با استفاده از انرژی خورشید ایده تازه‌ای بود که در سال‌های ۱۹۳۰ مطرح شد و در کم‌تر از یک دهه به پیشرفت‌های قابل توجهی رسید. با افزودن سامانه‌ای معروف به سامانهٔ تبرید جذبی یا چیلر جذبی به سامانه‌های خورشیدی، می‌توان افزون بر آب گرم مصرفی و گرمایش از این سامانه‌ها در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد. در این سیستم به وسیله پنل‌های در معرض نور خورشید سیالی گرم می‌شود و این سیال به چیلر جذبی منتقل شده و انرژی آن تبدیل به نیروی نیاز برای فعالیت سامانه گرمایش یا سرمایش خانه یا تولید برق می‌شود.
آب‌شیرین‌کن خورشیدی
[ویرایش]هنگامی که گرمای دریافت شده از خورشید با دمای کم بر روی آب شور اثر کند، تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می‌ماند. سپس با استفاده از روش‌های مختلف می‌توان آب تبخیر شده را تنظیم کرده و به این ترتیب آب شیرین فراهم کرد. با این روش می‌توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین وجود ندارد مانند جزایر را تأمین کرد.[نیازمند منبع]
آب‌شیرین‌کن خورشیدی در ۲ اندازه خانگی و صنعتی ساخته می‌شوند. در نوع صنعتی آب‌شیرین‌کن با گنجایش بالا می‌توان برای استفاده در شهرها برای تولید آب شیرین از آن استفاده کرد.[نیازمند منبع]
اجاق‌های خورشیدی
[ویرایش]دستگاه‌های خوراک پز خورشیدی نخستین بار به وسیلهٔ شخصی به نام نیکلاس ساخته شد. اجاق ساخته شده به‌دست او دارای یک جعبه عایق‌بندی شده با صفحه سیاه‌رنگی بود که قطعات شیشه‌ای درپوش آن را تشکیل می‌داد. اشعه خورشید با عبور از میان این شیشه‌ها وارد جعبه شده و به وسیلهٔ سطح سیاه جذب می‌شد و سپس دمای درون جعبه را به ۸۸ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌داد.
اصول کار اجاق خورشیدی جمع‌آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می‌باشد. امروزه طرح‌های متنوعی از این سامانه‌ها وجود دارد که این طرح‌ها در مکان‌های مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده‌اند.
جستارهای وابسته
[ویرایش]- برج مکشی خورشیدی
- دودکش خورشیدی
- انرژی خورشیدی
- توان خورشیدی
- صفحه خورشیدی
- سلول خورشیدی
- سلول فوتوالکتروشیمیایی
- سلول خورشیدی رنگ-حساس
- اثر فوتوولتاییک
- اثر ترموالکتریک
- اثر فوتوالکتریک
- متمرکزکننده توان خورشید
- انرژی تجدیدپذیر
پانویس
[ویرایش]- ↑ ۱٫۰ ۱٫۱ Coren, Michael (February 13, 2024). "Meet the other solar panel". The Washington Post.
- ↑ Kingsley, Patrick; Elkayam, Amit (October 9, 2022). "'Eye of Sauron': The Dazzling Solar Tower in the Israeli Desert". The New York Times.
- ↑ «Solar Thermal vs. Photovoltaic (PV) – Which Should You Choose?». Greenrednecks.com. ۱۹۹۹-۰۲-۲۲. بایگانی‌شده از اصلی در ۸ ژوئیه ۲۰۱۳. دریافت‌شده در ۲۰۱۳-۰۸-۲۰.
- ↑ «Solar Thermal vs. Photovoltaic». Solar-thermal.com. بایگانی‌شده از اصلی در ۲۵ مه ۲۰۱۳. دریافت‌شده در ۲۰۱۳-۰۸-۲۰.
- ↑ «Solar Thermal and PV Efficiency Breakthrough – Stanford Solar Energy Researchers Make Big Claims». بایگانی‌شده از اصلی در ۱۴ مه ۲۰۱۲. دریافت‌شده در ۱۸ سپتامبر ۲۰۱۳.
- ↑ Manning، Paddy (۱۰ اکتبر ۲۰۰۹). «With green power comes great responsibility». Sydney Morning Herald. دریافت‌شده در ۲۰۰۹-۱۰-۱۲.
- ↑ Mercer, Daniel (2023-12-10). "In the UAE desert, a shining beacon looms large. Experts say it could help Australia go green". ABC News (به انگلیسی). Retrieved 2024-04-07.
- ↑ «Web site of the International Automated Systems showing concepts about Fresnel lens». Iaus.com. بایگانی‌شده از اصلی در ۲۰ سپتامبر ۲۰۱۳. دریافت‌شده در ۲۰۱۳-۰۸-۲۰.
منابع
[ویرایش]- مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Solar thermal energy». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۲۱ مارس ۲۰۱۳.
پیوند به بیرون
[ویرایش]
