انرژی از خورشید
خورشید برای بیلیونها سال انرژی را تولید کرده است . انرژی خورشیدی ، پرتوهای خورشید است که به زمین می رسد .
انرژی خورشید به طور مستقیم یا غیر مستقیم می تواندبه دیگر اشکال انرژی تبدیل شود ، همانند گرما و الکتریسیته . موانع اصلی ( مشکلات ، یا انتشار برای فائق آمدن) انرژی خورشیدی شامل :
(1) روشها متغیر و متناوب که آن به سطح می رسد
(2 ) ناحیه بزرگبرای جمع آوری و ذخیره آن در یک سرعت مفید مورد نیاز است .
انرژی خورشید برای حرارت آب ، برای استفاده دینامیکی ، حرارت قضایی ساختمانها ، خشک کرده تولیدات کشاورزی و تولید انرژی الکتریسیته مورد استفاده قرار می گیرد .
در سال 1830 شاره شنای انگلین به نام جون هر شل John Herschel یک جعبه جمع آوری خورشیدی را برای پختن غذا در طول یک سفر در افریقا استفاده کرد . هم اکنون مردم تلاش می کنند انرژی خورشیدی را برای چیزهای زیادی استفاده کنند .
کاربردهای الکتریکی فتوو لتایک ها را آزمایش می کنند یک فرایند که توسط آن انرژی نور خورشید به طور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می شود . الکتریسیته می تواند به طور مستقیم از انرژی خورشید تولید شود و ابزارهای فتوولتایک استفاده کند یا به طور غیر مستقیم از ژنراتورهای بخار ذخایر حرارتی خورشیدی را برای گرما بخشیدن به یک سیال کاربردی مورد استفاده قرار می دهند .
انرژی فتو ولتایک
انرژی فتو ولتایک . تبدیل نور خورشید به الکتریسیته از میان یک سلول فتو ولتاتیک (pvs) می باشد، کخ بطور معمول یک سلول خورشیدی نامیده می شود. سلول خورشیدی یک ابزار غیر مکانیکی است که معمولاً از آلیاز سیلیکون ساخته شده است.
نور خورشی متغیر انرژی را شامل می شود مشابه طول مولد های متفاوت اسپکتروم های نوری هستند .
وقتی فتو نهی به یک سلول فتو ولتاتیک بر خورد می کند، ممکن است منعکس شوند ،مستفیم از میان عبور کنند ،یا جذب شوند. فقط فتو نهی جذب شده انرژی را برای تولید الکتریسیته فراهم می کنند .وقتی که نور خورشید کافی یا انرژی توسط جسم نیمه رسانا جذب شود ،الکترون از اتم های جسم جابجا می شوند.
رفتار خاصی سطح جسم در طول ساختن باعث می شود سطح جتویی سلولکه برای الکترون های آزاد بیشتر پذیرش یابد .بنا براین الکترون ها بطور طبیعی به سطح مهاجرت می کنند
زمانی که الکترون ها موقعیت n را ترک می کنند و سوراخ هایی شکل می گیرد .تعداد الکترونها زیاد است ،هر کدام یک بار منفی را حمل می کنند و به طرف جلو سطح سلول می روند ،در نتیجه عدم توازون بار بین سلولهای جلویی وسطوح عقبی یک پتانسیل ولتاژ .شبیه قطب های مثبت ومنفی یک باطری ایجاد می شود.
وقتی که دو سطح از میان یک راه داخلی مرتبط می شود ،الکتریسیته جریان می یابد .
سلول فتو ولتاتیک قاعده بلوک ساختمان یک سیستم pv است.
سلولهای انفرادی می توانند در اندازه هایی از حدود cm 1 تا cm10 از این سو به آن سو متغیر می شود .
با این وجود ،توان 1یا 2 وات تولید می کند ،که انرژی کافی برای بیشتر کار بردها نیست.برای اینکه بازده انرژی را افزایش دهیم ،سلولها بطور الکتریکی به داخل هوای بسته یک مدول سخت مرتبط می شود .
مدولها می توانند بیشتر برای شکل گیری یک آرایش مرتبط شوند
اصطلاح آرایش به کل صفحه انرژی اشاره می کند ،اگر چه آن از یک یا چند هزار مدول ساخته شدهباشد ،آن تعداد مدولها ی مورد نیاز می توانند بهم مرتبط شوند برای اینکه اندازه آرایش مورد نیاز (تولید انرژی) را تشکیل دهند.
اجرای یک آرایش فتو ولتاتیک به انرژی خورشید وابسته است .
شرایط آب وهوایی (همانند ابر ومه )تاثیر مهمی روی انرزی خورشیدی دریافت شده توسط یک آرایش pv و در عوض ،اجرایی آن دارد .بیشتر تکنولوژی مدول های فتو ولتاتیک در حدود 10 درصد موثر هستند در تبدیل انرژیخورشید با تحقیق بیشتر مرتبط شوند برای اینکه این کار را به 20 درصدافزایش دهند.
سلولهای pv که در سال 1954 توسط تحقیقات تلفنی بل bell کشف شد حساسیت یک آب سیلیکونی حاضر به خورشید را به طور خاصی آزمایش کرد .ابتدا در گذشته در دهه 1950،pvs برای تامین انرژی قمر های فضا در یک مورد استفاده قرار گرفتند.
موفقیت pvs در فضا کار برد های تجاری برای تکنو لوژی pvs تولید کرد .ساده ترین سیستم های فتو ولتاتیک انرژی تعدادزیادی از ماشین حساب های کوچک وساعتهای مچی را هر روز استفاده کردند.
بیشتر سیستم های پیچیده الکتریسیته را برای پمپاژ آب ،انرژی ابزارهای ارتباطی ،وحتی فراهم کردن الکتریسیته برای خانه هایمان فراهم می کنند .
تبدیل فتو ولتاتیک به چندین دلیل مفید است .تبدیل نور خورشیدبه الکتریسیته مستقیم است ،بنابراین سیستم های تولید کننده مکانیکی به حجم زیادی لازم نیستند .خصوصیت مدولی انرژی فتو ولتاتیک اجازه می دهد به طور سریع آرایش ها در هر اندازه مورد نیاز یا اجازهداده شده نصب شوند .
همچنین ،تاثیر محیطی یک سیستم فتو ولتاتیک حد اقل است ،آب را برای سیستم نیاز ندارد پختن وتولید محصول فرعی نیست .سلولهای فتوولتاتیک ،همانند باتریها ،جریان مستقیم (dc)را تولید می کنند که به طور عمومی برای برای راههای کوچکی مورد استفاده است (ابزار الکترونیک).وقتی که جریان مستقیم از سلولهای فتوولتاتیک برای کاربردهای تجاری یا لحیم کردن کار برد های الکتریکی استفاده می شود .
شبکه های الکتریکی بایستی به جریان متناوب (AC)برای استفاده تبدیل کننده ها تبدیل شوند ،ابزارهای حالت جامد که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می کنند . به طور تاریخی PVSدر جاهای دور برای تولید الکتریسیته بکار گرفته شده است .با این وجود یک بازار برای تولید از PVS را توزیع کنند ممکن است با بی نظمیقیمتهای تبدیل و توزیع همزمان با بی نظمی الکتریکی توسعه داده شود .
جایگزین ژنراتو های کوچک مقیاس عددی در تغذیه کنندهای الکتریکی می توانند اقتصاد واعتبار سیستم توزیع را بهبود بخشد.
حرارت خورشیدی
کاربردهای اصلی انرژی گرمایی خورشید در حال حاضر گرم کردن آب استخر، گرم کردن آب برای کاربردهای محلی و گرم کردن فضای ساختمان ها. برای این مقاصد، اصلی ترین کار استفاده از جذب کننده های صفحه مانند انرژی خورشیدی با جهت و موقعیت های ثابت است
جایی که گرم کردن فضای ساختمان موردنظر است، یک تمرکز دهنده صفحه ای ثابت بیشترین تاثیر را دارد، اگر سطح آن تقریباً به سمت جنوب و زاویه شیب های آن نسبت به افق برابر با عرض جغرافیایی به علاوه حدود 15 درجه باشد. جاذب های خورشیدی به دو گروه عمده تقسیم می شوند: تمرکزی و غیرتمرکزی.
در انواع غیرتمرکزی، ناحیه تجمع دهنده (یعنی ناحیه ای که پرتو خورشیدی را قطع می کند) همان ناحیه جذب کننده (یعنی ناحیه جاذب پرتو خورشیدی) است.
در تجمع دهندهای تمرکزی، ناحیه قطع کننده پرتو خورشید بزرگتر و گاهی اوقات صدها بار بزرگتر از ناحیه جذب کننده است. در جاهایی که حرارت کمتر از حدود 200 درجه فارنهایت
کافی ست، مانند گرم کردن فضا، اصولاً تجمع دهنده های صفحه ای غیرتمرکزی بکار برده می شود.
طرحهای تجمع دهنده صفحه ای زیادی وجود ندارد، اما عمدتاً شامل
1- جاذب صفحه ای که انرژی خورشید را جدا و جذب می کند.
2- پوشش شکاف که اجازه عبور انرژی خورشیدی را می دهد اما ضایعات گرما از جاذب نور را کاهش می دهد.
3- یک سیال انتق ت را از جاذب نور انتقال دهند. ال دهنده گرما (هوا یا آب) که درون لوله ها جریان یافته یا حرار
4- یک عایق حرارتی.
سیستم های حرارتی فضا می توانند به انواع فعال و غیرفعال تقسیم شوند. در سیستم های گرمایی غیرفعال هوا در کنار سطوح حرارت خورشیدی چرخنده و بدون استفاده از دستگاههای مکانیکی بصورت همرفت درون ساختمان جریان می یابند (یعنی هوای کم چگالی تر تمایل به حرکت به بالا دارد درحالیکه هوای پرچگالتر و سرد به سمت پایین می رود) در سیستم های حرارتی فعال، پنکه ها و پمپ ها برای چرخش هوا یا سیال جاذب گرما استفاده می شود
دستگاههای نیروی گرمای خورشیدی
دستگاههای نیروی گرمای خورشیدی از پرتوهای خورشیدی برای گرم کردن یک سیال استفاده می کنند، بطوریکه سیستم های انتقال گرما ممکن است برای تولید بخار استفاده شوند. در عوض بخار در یک توربین به انرژی مکانیکی و با یک مولد تبدیلی همراه با توربین به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. تولید نیروی گرمای خورشیدی دقیقاً مانند فنون تبدیلی است. بجز اینکه در متون تبدیل، منبع انرژی از انرژی ذخیره شده در سوخت های فسیلی در اثر احتراق آزاد می شود. فنون گرمای خورشید از سیستم های تمرکز دهنده به منظور کسب حرارت های بالا مورد نیاز استفاده می کند. سه نوع سیستم نیروی گرمای خورشیدی در حال استفاده و یا در مرحله توسعه هستند
* گودی سهمی شکل
* صفحه خورشیدی
* برج نیروی خورشیدی
گودی سهمی شکل
گودی سهمی شکل پیشرفته ترین سیستم های تمرکز دهنده است: این تکنولوژی برای در دستگاههای نیروی حرارت خورشید بزرگ شبکه دنیا بکار برده می شود. شرکت های کرامر جانکشن (Kramer Junction co.) پنج سیستم تولید الکتریسیته خورشیدی 30 مگا واتی (SEGS) را راه اندازی و نگهداری می کنند.
این دستگاه SEGS 150 تا 354 مگاوات برق است که در فضای تولید کنده برق گرمای خورشید دارای گودی سهمی واقع در بیابان موجاو (Mojave) کالیفرنیا قرار گرفته است. تجهیزات ترکیب شده کالیفرنیا بیش از 99 درصد برق خورشیدی تجاری قابل دسترس ایالات متحده را تولید می کند.
تجمع دهنده گودی سهمی دارای انعکاس دهنده سهمی شکلی است که پرتو خورشید را روی یک دریافت کننده خطی واقع در کانون سهمی متمرکز می کند. تجمع دهنده خورشید را در امتداد یک محور در طول روز از شرق به غرب دنبال می کند تا تمرکز پیوسته پرتو خورشید روی دریافت کننده را تضمین کند. به خاطر شکل سهمی آن، یک گودی می تواند خورشید را 30 تا 100 برابر بیشتر از میزان معمول (ضریب تمرکز) روی لوله دریافت کننده واقع در خط کانونی گوری تمرکز دهد که این امر باعث احصال دماهای تا بیش 400 درجه سانتی گراد می شود
یک ناحیه جاذب شامل ناحیه ای بزرگ از تجمع دهنده گودی سهمی ردیار تک محوره است. ناحیه خورشیدی در طبیعت ساختگی است و از ردیف های موازی زیادی از تجمع دهنده های خورشیدی که در محور افقی شمالی ـ جنوبی چیده شده اند، تشکیل شده است. سیال عامل (انتقال دهنده گرما) گرم شده بطوریکه درون دریافت کننده ها چرخیده و به سری هایی از مبادله کننده های گرما در محل مرکزی، جاییکه سیال بخار بسیار داغ پر فشار تولید می کند بر می گردد. سپس این بخار وارد یک توربین یا مولد تبدیل بخار شده و برق تولید می شود. بعد از عبور سیال از مبدل گرما سیال خنک شده در ناحیه خورشیدی چرخش می کند. دستگاه معمولاً تنها با استفاده از انرژی خورشیدی برای تولید نیروی برق کامل راه اندازی می شود و انرژی خورشیدی کافی تولید می کند. تنها با استفاده از انرژی خورشیدی هرچند، تمام دستگاهها، دستگاههای با سوخت دوگانه فسیلی ـ خورشیدی هستند، که قابلیت به کارگیری سوخت فسیلی برای پشتیبانی از دوره های خروج خورشیدی یا کاهش انرژی خورشیدی بکار برده می شود. دستگاه لوز (Luz) دستگاه دوگانه گاز طبیعی است.
صفحه خورشیدی (Solar Dish)
سیستم صفحه ـ موتور از جاذب های خورشیدی غیر تمرکزی که خورشید را در دو محور ردیابی می کنند استفاده می کند بطوریکه چون به سمت خورشید نشانه رفته اند، انرژی را در نقطه کانون صفحه متمرکز می کند. ضریب تمرکز صفحه خورشیدی بسیار بیشتر از گودی خورشید و بطور شاخص بیش از 2000 و با حرارت سیال بیش از 750 درجه سانتی گراد است. تجهیزات مولد نیروی بکار برده همراه با صفحه خورشیدی می تواند روی نقطه کانونی صفحه سوار شود و کار را برای اجرای اعمال از راه دور مناسب کند و یا با استفاده از یک گودی خورشیدی، انرژی می تواند از تعدادی دستگاه، جمع آوری شده و در نقطه مرکزی به برق تبدیل شود. موتور در یک سیستم صفحه ـ موتور باعث فشار قرار دادن سیلال در زمانی که سرد است و گرم کردن آن و قرار دادن آن در یک توربین یا پیستون، گرما را به نیروی مکانیکی تبدیل کند و کار تولیدموتور با یک مولد برق برای تبدیل نیروی مکانیکی به نیروی الکتریسیته همراه است.
برج نیروی خورشیدی
برج نیروی خورشیدی یا دریافت کننده مرکزی با انرژی خورشیدی تمرکز یافته روی یک برج مبدل یا دریافت کننده گرما از نور خورشید نیروی برق تولید می کند. این سیستم دارای صدها تا هزاران آینه سطح ردیاب خورشید دارد که هلیواستیت (heliostate) نام دارند. این هلیو استیت ها انرژی خورشیدی را روی برج دریافت کننده مرکزی بازتابانده و متمرکز می کنند. در این سیستم انرژی به اندازه 1500 مرتبه بیشتر از انرژی مستقیم خورشید تمرکز می یابد. ضایعات انرژی حاصل از انتقال حرارت ـ انرژی در این سیستم به حداقل می رسد به طوری که انرژی در اثر انعکاس از هلیواستیت به یک دریافت کننده منفرد، بطور مستقیم انتقال می یابد، تا اینکه مانند سیستم گودی سهمی شکل در یک واسطه انتقالی به یک محل مرکزی انتقال یابد. این سیستم یک تکنولوژی مطمئن برای دستگاههای نیروی بزرگ مقیاس شبکه ای است. اگرچه برج های قدرت در مقایسه تکنولوژی گودی سهمی شکل در مراحل اولیه توسعه هستند. اما چندین نمونه آزمایشی آن در جاهای مختلف دنیا بکار افتاده است
سولار وان (Solar One) در حوالی بارستوی کالیفرنیا (Barstow) که از سال 1982 تا 1988 با ظرفیت حدود 10 مگاوات، بزرگترین دستگاه برج نیروی دنیا بود. در سولار وان، آب در دریافت کننده ها به بخار تبدیل می شد و مستقیماً برای یک توربین بخار به کار گرفته می شد
منطقه هلیواستیت متشکل از حدود 1800 هلیواستیت بود. سیستم ذخیره، از بخار حاصل از انرژی خورشید که در یک ظرف پر از سنگ وجود داشت و ماسه و از نفت به عنوان سیال انتقال دهنده گرما استفاده می شد. کنسرسیومی متشکل از بخش انرژی ایالات متحده و چند سازمان الکتریکی سولار وان را به تکنولوژی پیشرفته نک مذاب مجهز کردند که از سال 1996 به عنوان سولار تو (Solar two) شروع به کار کرد.
انرژی خورشیدی