پاورپوینت انرژی خورشیدی

بسم الله الرحمن و الرحیم
گردآوری: فیض اله رحیمی سرداری

فناوری انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی و ساختار آن
شناخت انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز می گردد. شاید به دوران سفالگری در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلائی صیقل داده شده و اشعه خورشید آتشدانهای محرابها را روشن می کردند. یکی از فراعنه مصر معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب بسته می شد.
ولی مهم ترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید. گفته می شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتی­های رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده است. در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و موثر از انرژی خورشید در زمان های قدیم بوده است.

با وجود آنکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستم­هایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستمها شده بود تا اینکه افزایش قیمت نفت در سال ۱۹۷۳ باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله تولید انرژی از راههای دیگر (غیر از استفاده سوختهای فسیلی) توجه جدی تری نمایند.
آرایه انرژی ستاره خورشید یکی از منابع عمده انرژی در منظومه شمسی میباشد. طبق آخرین برآوردهای رسمی اعلام شده عمر خورشد بیش از 14 میلیارد سال میباشد. در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را می توان به عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد. خورشید از گازهایی نظیر هیدروژن (۸/۸۶ درصد) هلیوم (۳ درصد) و ۶۳ عنصر دیگر که مهم ترین آنها اکسیژن، کربن، نئون و نیتروژن است تشکیل شده است. میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می شود.

زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می کشد تا نور خورشید به زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید میزان کمی از کل انرژی تابشی آن می باشد. سرمنشاء تمام اشکال مختلف انرژیهای شناخته شده (سوختهای فسیلی ذخیره شده درزمین، انرژیهای بادی، آبشارها، امواج دریاها و …) موجود در کره زمین از خورشید می باشد. انرژی خورشید همانند سایر انرژیها بطور مستقیم یا غیر مستقیم می تواند به دیگر اشکال انرژی تبدیل شود؛ همانند گرما و الکتریسیته و…. لیکن موانعی شامل ضعف علمی و تکنیکی در تبدیل بعلت کمبود دانش و تجربه میدانی – متغیر و متناوب بودن مقدار انرژی به دلیل تغییرات جوی و فصول سال و جهت تابش – محدوده توزیع بسیار وسیع موجب گردیده که نتوان استفاده مناسبی از این موهبت خدایی داشته باشیم. استفاده ازمنابع عظیم انرژی خورشید برای تولید انرژی الکتریسته، استفاده دینامیکی، ایجاد گرمایش محوطه ها و ساختمان­ها، خشک کردن تولیدات کشاورزی و تغییرات شیمیایی و … اخیرا شروع گردیده است.

در سال۱۸۳۰ ستاره شناس انگلیسی به نام جان هرشل یک جعبه جمع آوری خورشیدی را برای پختن غذا در طول یک سفر در افریقا استفاده کرد. هم اکنون در جهان کاربردهای الکتریکی فتوولتایک 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 به طور غیر مستقیم از ژنراتورهای بخار ذخایر حرارتی خورشیدی را برای گرما بخشیدن به یک سیال کاربردی مورد استفاده قرار می دهند.

تاریخچه انرژی خورشیدی
کاربرد انرژی خورشیدی به قرن هفتم قبل از میلاد مسیح باز می گردد. از انرژی خورشیدی برای گرمایش، پخت و پز، روشنائی و روشن نمودن آتش استفاده می کردند. یونانیان و رومیان باستان معماری هایی را برای استفاده از نور و گرمایش انرژی خورشیدی در داخل ساختمان خود داشته اند.

قرن هفتم قبل از میلاد مسیح: مردمان باستان از ذره بین برای تمرکز نور خورشید جهت روشن نمودن آتش استفاده می کردند.
قرن سوم قبل از میلاد مسیح: رومیان و یونانیان با استفاده از آینه مشعلهای خود را روشن می نمودند.
قرن دوم پیش از میلاد مسیح: ارشمیدس دانشمند یونانی با استفاده از بازتابش نور خورشید از سپری برنزی و متمرکز نمودن نور خورشید توانست کشتی های چوبی دشمنان را آتش بزند.
بیست سال بعد از میلاد مسیح: مردمان چین از آینه برای روشن نمودن مشعلهای خود استفاده کردند.
قرن یک تا چهارم میلادی: رومیان حمامهای خانه های خود را به گونه ای طراحی نمودند که از نور خورشید برای گرم شدن آب بهره ببرند.
قرن سیزدهم میلادی: اجداد پوئبلو در آمریکای شمالی خانه های صخره ای خود را رو به جنوب ساختند تا از گرمای خورشید در زمستان بیشتر بهره ببرند.
در سال ١٧٦٧ میلادی: دانشمندی سوئیسی اولین کلکتور خورشیدی را ساخت.
در سال ١٨١٦ میلادی: رابرت استرلینگ وزیر اسکاتلندی اختراع خود را برای پیش گرمکن موتور حرارتی به ثبت رساند. بعدها از این اختراع او در تولید الکتریسیته بوسیله حرارت انرژی خورشیدی بهره گرفتند.

در سال ١٨٣٩ میلادی: ادموند بکرل دانشمند فرانسوی اثر فتوولتائیک را کشف نمود. او هنگام کار با پیل الکترولیز که با دو الکترود فلزی در محلول الکترولیت خود بود به این نتیجه رسید که وقتی در معرض نور خورشید قرار می گیرد میزان تولید برق افزایش می یابد.
در سال ١٨٦٠ میلادی: ریاضیدان فرانسوی August Mouchet کار بر روی موتور بخار خورشیدی را آغاز کرد. بعد از ٢٠ سال او و دستیارش Abel Pifre موتورهایی را ساختند که نمونه های مدرن آن در حال حاضر در کلکتورهای سهموی خطی استفاده می گردد.
سال ١٨٧٣ میلادی: Willoughby Smith قابلیت هدایت نور سلنیوم را کشف نمود.
سال ١٨٧٦ میلادی: William Grylls Adams و Richard Evans Day کشف کردند که وقتی سلنیوم در مقابل نور خورشید قرار می گیرد برق تولید می کند.
سال ١٨٨٠ میلادی: Samuel P. Langley بولومتر را اختراع نمود که نور ستاره های دور دست را به خوبی اشعه های حرارتی خورشید اندازه گیری می نمود.
سال ١٨٨٣ میلادی: Charles Fritts آمریکایی به ایده ساخت سلولهای خورشیدی از ویفر سلنیوم فکر کرد.
سال ١٨٨٧ میلادی: هاینریش هرتز کشف کرد که اشعه ماورا بنفش کمترین ولتاژ را برای جرقه زدن بین دو الکترود لازم دارد.
سال ١٨٩١ میلادی: اولین آب گرمکن خورشیدی توسط کلارنس آمریکایی ثبت اختراع گردید.
سال ١٩٠٤ میلادی: Wilhelm Hallwachs کشف کرد که مس و اکسید مس در کنار یکدیگر حساسیت نسبت به نور نشان می دهند.
سال ١٩٠٥ میلادی: آلبرت انیشتین همراه با تئوری نسبیت خود اثر فوتوالکتریک را مطرح نمود.
سال ١٩٠٨ میلادی: ویلیام جی بیلی یک کلکتور با سیم پیچ مسی و یک جعبه عایق ساخت. این طرح تقریبا شبیه همان طرحی است که امروزه برای کلکتورهای خورشیدی استفاده می شود.
سال ١٩١٤ میلادی: دانشمندان متوجه یک بند الکترونی در دستگاههای فتوولتائیک شدند.
سال ١٩١٦ میلادی: دانشمندان اثر فوتوالکتریک را به صورت تجربی اثبات کردند.
سال ١٩١٨ میلادی: دانشمند لهستانی Jan Czochralski کشف نمود که چگونه یک تک کریستال سیلیکون را رشد دهد.
سال ١٩٢١ میلادی: آلبرت انیشتین به خاطر نظریه اثر فوتوالکتریک جایزه نوبل را دریافت کرد.
سال ١٩٣٢ میلادی: اثر فتوولتائیک در سولفید کادمیوم کشف شد.
سال ١٩٤٧ میلادی: ساختمانهای خورشیدی در طول جنگ جهانی دوم بسیار نادر شدند.
سال ١٩٥٤ میلادی: سه دانشمند آمریکایی اولین سلول فتوولتائیک سیلیکونی را توسعه دادند، اولین سلول خورشیدی توانائی این را داشت که برق کافی را از طریق خورشید برای تجهزات الکترونیکی فراهم نماید.
اواسط دهه ١٩٥٠ میلادی: اولین ساختمان اداری تجاری در جهان که با آبگرمکن خورشیدی کار می کرد طراحی شد.

سال ١٩٥٨ میلادی: سلولهای فتوولتائیک جدید در مقابل اشعه خورشید مقاوم تر شدند و این ویژگی برای استفاده سلولهای فتوولتائیک در فضا بسیار حائز اهمیت بود.
سال ١٩٦٣ میلادی: ژاپن یک پنل ٢٤ واتی را بر روی یک فانوس دریایی نصب نمود.
سال ١٩٦٤ میلادی: ناسا اولین ماهواره ای که با سلولهای فتوولتائیک به ظرفیت ٤٧٠ وات تغذیه می گردید توسط سفینه فضایی به فضا پرتاب نمود.
سال ١٩٦٩ میلادی: کوره خورشیدی با استفاده از ٨ آینه سهموی در Odeillo فرانسه ساخته شد.
دهه ١٩٧٠ میلادی: دکتر الیوت برمن و اکسون کرپ سلول خورشیدی ارزان تری را طراحی نمودند و این عامل باعث استفاده گسترده تر از سلولهای فتوولتائیک گردید.
سال ١٩٧٢ میلادی: دانشگاه دلاور موسسه تبدیل انرژی را تاسیس نمود و اولین آزمایشگاه جهان را برای تحقیق و توسعه سلولهای فتوولتائیک اختصاص داد. در سال بعد این موسسه یک سیستم هیبرید حرارتی فتوولتائیک با نام Solar One را ساخت.
سال ١٩٧٦ میلادی: مرکز تحقیقات لوئیس ناسا برای اولین بار شروع به نصب ٨٣ سیستم فتوولتائیک در سرتاسر جهان نمود که برای روشنائی درمانگاهها، پمپاژ آب و تلویزیون کلاس ها و موارد دیگر به کار می رفت.
سال ١٩٧٧ میلادی: دولت آمریکا موسسه تحقیقات انرژی خورشیدی را راه اندازی کرد.
سال ١٩٨١ میلادی: اولین هواپیمای خورشیدی از فرانسه تا انگلستان به پرواز درآمد.
سال ١٩٨٢ میلادی: یک استرالیایی اولین خودرو خورشیدی که فاصله بین سیدنی تا پرت که بالغ بر ٢٨٠٠ مایل است، پیمود.
سال ١٩٨٦ میلادی: بزرگترین نیروگاه حرارتی خورشیدی آن زمان در کالیفرنیا راه اندازی شد.
سال ١٩٩٤ میلادی: اولین بشقابک سهموی خورشیدی با استفاده از موتور استرلینگ با پیستون آزاد به شبکه متصل گردید.
سال ٢٠٠١ میلادی: تین فیلم فتوولتائیک ساخته شد.
سال ٢٠٠٢ میلادی: بزرگترین سیستم خورشیدی پشت بامی در کالیفرنیا نصب گردید.
سال ٢٠٠٨ میلادی: بزرگترین پارک خورشیدی در آلمان بوسیله سیستمهای تین فیلم راه اندازی گردید.

Solar Cells :

مقدمه:
خورشید یا خور یا هور یکی از ستارگان کهکشان ماست.و تنها ستاره سامانه خورشیدی می باشد.
منبع اصلی نور و گرما و در یک کلام زندگی بر روی زمین این ستاره است که با فاصله ایحدود 150 میلیون کیلومتری از زمین قرار گرفته
و قطری تقریبا معادل 1 میلیون 390 هزار کیلومتر و وزنی معادل 330 هزار بار
سنگین تر از زمین دارد…

خورشید یک راکتور هسته ای بسیار عظیم طبیعی است؛
ماده در آنجا بر اثر همجوشی هسته ای به انرژی تبدیل می شود؛
هر روز حدود 350 تن ازجرمش به تابش تبدیل می شود؛
دمای داخلی آن حدود 15 میلیون درجه سانتیگراداست.

خورشید چیست؟

با اندازه گیری شار خورشیدی تابشی در بالای جو زمین
می توان قدرت دریافتی کل انرژی خورشید را محاسبه کرد،که
حدود 1.8*10^11مگا وات است.
ماده در عالم اساسا از هیدروژن وهلیم
تشکیل شده است،که قسمت اعظم آن
بین ستاره ها و کهکشان ها توزیع شده است.
انرژی پتانسیل گرانشی سبب ازدیاد دمای داخل ستاره شده
وآن هم موجب افزایش چگالی ستاره شده است.

منبع انرژی خورشیدی:

تاریخچه:
شناخت انرژی خورشید و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ما قبل تاریخ باز می گردد.
شاید به دوران سفالگری،در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلایی صیقل داده شده و اشعه خورشید،آتشدانهای محرابها را روشن می کردند.
یکی از فراعنه مصر معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب آن بسته می شود.

ولی مهمترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده است داستان
دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می باشد که ناوگان روم را با استفاده
از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید گفته می شود که ارشمیدس با
با نصب تعداد زیادی آئینه های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته است
اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده است.

در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و موثر از انرژی خورشید در زمانهای قدیم بوده است.

سلولهای خورشیدی:
کارکرد سلول خورشیدی بر اساس ((اثر فتوولتائیک)) می باشد.
این اثر اولین بار در سال 1839 میلادی توسط بکرل گزارش شده است.وی مشاهده نمود
که یک ولتاژ وابسته به نور بین الکترودهای فرو برده شده در الکترولیت وجود دارد.
این خاصیت در سیستم کلا به صورت حالت جامد در مورد سلنیوم در سال 1876 میلادی
مشاهده گردیده و به دنبال آن توسعه فتوسلها بر اساس ماده مذکور و اکسیدهای مس به عمل آمده است.
این سلولها در اوایل سال 1958 میلادی کاربرد هایی در تامین نیروی الکتریکی سفینه های فضایی پیدا نمود.

سیستمهای فتوولتائیک:
به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم های محرک،الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک
و به هر سیستمی که از این پدیده ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند.
با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم ها هر روزه بر تعداد متقاضیان
آنها افزوده می شود.از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی می توان به جریان و
ولتاژ قابل قبولی دست یافت.

در نتیجه به یک مجموعه از سلول های سری و موازی شده پنل(panel) فتوولتاییک می گویند.
امروزه اینگونه سلولها عموما از ماده سیلسیم تهیه می شود و سیلیسم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می شود
سیستم های فتوولتائیک یکی از پر مصرف ترین کاربردهای انرژی های نور می باشند و تا کنون سیستم های گوناگونی با ظرفیت های
مختلف (5/. وات تا چند مگاوات)در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده است

این سیستم ها به طور کلی به سه قسمت تقسیم می شود:
1. پنلهای خورشیدی
2. تولید توان مطلوب یا بخش کنترل
3. مصرف کننده یا بار الکتریکی

نور خورشید از فوتونها،یا ذرات انرژی خورشیدی ساخته شده است که این فوتونها مقادیر متغیر انرژی را شامل می شود مشابه طول مولدهای متفاوت اسپکترومهای نوری هستند.

وقتی فوتون به یک سلول فتو ولتائیک برخورد می کند،ممکن است منعکس شود،مستقیم از میان عبور کند،یا جذب شود.فقط فتون جذب
شده انرژی را برای تولید الکتریسیته فراهم می کند.وقتی که نور خورشید کافی یا انرژی توسط جسم نیمه رسانا جذب شود،الکترون از اتمها جسم جا به جا می شوند.

رفتار خاص سطح جسم در طول ساختن باعث می شود سطح جلویی سلول برای پذیرش الکترونهای آزاد بیشتر شود بنابراین الکترونها بطور طبیعی به سطح مهاجرت می کنند.

زمانی که الکترونها موقیعت n را ترک می کنند و سوراخهایی شکل می گیرید.تعداد الکترونها زیاد است، هر کدام یک بار منفی را حمل می کنند وبه طرف جلو سطح سلول میروند ،در نتیجه عدم توازن بین سلولهای جلویی و سطوح عقبی یک پتانسیل،ولتاژ شبیه قطبهای مثبت و منفی یک باطری ایجاد می شود.وقتی که دو سطح از میان یک راه داخلی مرتبط می شود،الکتریسیته جریان می یابد.

سلول فتوولتائیک قاعده بلوک ساختمان یک سیستم pv است. سلولهای انفرادی می توانند در انرازه هایی از حدودcm 1 تا cm 10 از این سو به آن سومتغیر می شود.
با این وجود، توان 1 یا 2 وات تولید میکند،که انرژی کافی برای بیشتر کاربردها 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 شده باشد،آن تعداد مدولهای مورد نیاز می توانند بهم مرتبط شوند برای اینکه اندازه آرایش مورد نیاز ( تولید انرژی ) را تشکیل دهند.

سلول متمرکز کننده نوعی برای یک سلول:

کاربردهای انرژی خورشید:
در عصر حاضر از انرژی خورشید توسط سیستمهای مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری می شود که عبارتند از:
1. استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی،صنعتی و نیروگاهی؛
2. تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فوتوولتائیک.

مصارف و کابردهای فتوولتائیک:
1. مصارف فضانوردی
2. روشنایی خورشیدی
3. سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی
4. سیستمهای پمپاژ خورشیدی
5. سیستم تغذیه کننده ایستگاه های مخابراتی و زلزله نگاری
6. ماشین حساب،ساعت،رادیو….
7. نیروگاه های فتوولتائیک
8.یخچالهای خورشیدی
9. سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل

در آشپزخانه خود سلول خورشیدی بسازید

اولین قدم در ساخت سلول خورشیدی،بریدن ورقه های مسی است.

دست های خود را شسته،به طوری که
چربی روی آنها باقی نماند.

قدم بدی،گذاشتن ورقه مسی بر روی
گاز میباشد.

وقتی که ورقه ها شروع به گرم شدن
نقش های زیبایی از اکسید مس دیده می
شود.

با گذشت زمان،رنگ برگه های مسی تیره می شود.

Cupric oxideلایه مشکی رنگ،نام دارد.

به مدت نیم ساعت برگه ها را به
همان حال باقی می گذاریم .

سپس برگه ها را به ارامی سرد
می کنیم.

وقتی که برگه ها سرد می شوند
چروکیده می شوند،
اکسیده تشکیل شده نیز چروکیده
می شود،که دلیل جدا شدن آن از
مس است.

وقتی که مس در دمای اتاق سرد
شد،حدود 20 دقیقه،بیشتر اکسید
از روی ان رفته است.

برگه مسی دیگری،به اندازه اولی می بریم.هر دو را خم می
کنیم و در یک بطری پلا ستیکی،به نحوی که با هم در تماس
نباشند قرار می دهیم.
هر دو را به وسیله دو انبرک به آمپر متر وصل می کنیم برگه
مسی را سمت مثبت و اکسید را سمت منفی وصل می کنیم.

مقداری نمک و آب را مخلوط کرده داخل بطری میریزیم،به
طوری که برگه ها تا نیمه در داخل آب باشند.

در شکل بالا سلول خورشیدی در سایه قرار دارد،امپرمتر در حدود 6
میکرو امپر را نمایش می دهد.

این تصویر سلول خورشیدی را در زیر نور نشان می دهد.
آمپرمتر در حدود 33 میکرو را نشان می دهد.

کاربردهای انرژی خورشید
در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم های مختلف استفاده می شود که عبارت اند از: استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی و تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک.

استفاده از انرژی حرارتی خورشید
این بخش از کاربردهای انرژی خورشید شامل دو گروه نیروگاهی و غیر نیروگاهی می باشد.
کاربردهای نیروگاهی
تاسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می شود این تاسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند:
نیروگاههایی که گیرنده آنها آینه های سهموی ناودانی هستند.
نیروگاه هایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه های بزرگی به نام هلیوستات به آن منعکس می شود (دریافت کننده مرکزی).
نیروگاه هایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (دیش) می باشد.
قبل از توضیح در خصوص نیروگاه خورشیدی بهتر است شرح مختصری از نحوه کارکرد نیروگاه های تولید الکتریسیته داده شود. بهتر است بدانیم در هر نیروگاهی اعم از نیروگاههای آبی، نیروگاههای بخاری و نیروگاههای گازی برای تولید برق از ژنراتورهای الکتریکی استفاده می شود که با چرخیدن این ژنراتورها برق تولید می شود. این ژنراتورهای الکتریکی انرژی دورانی خود را از دستگا­هی بنام توربین تامین می کنند. بدین ترتیب می توان گفت که ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. تامین کننده انرژی جنبشی ژنراتورها توربین ها هستند توربین­ها انواع مختلف دارند در نیروگاههای بخاری توربین­هایی وجود دارند که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آنها شده و موجب به گردش در آمدن پره های توربین می گردد. در نیروگاه های آبی که روی سدها نصب می شوند انرژی پتانسیل موجود در آب موجب به گردش در آمدن پره های توربین می شود.

بدین ترتیب می توان گفت در نیروگاه­های آبی انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود، در نیروگاههای حرارتی بر اثر سوختن سوختهای فسیلی مانند مازوت، آب موجود در سیستم بسته نیروگاه داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل می شود و بدین ترتیب انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود در نیروگاههای گازی توربین­هایی وجود دارد که بطور مستقیم بر اثر سوختن گاز به حرکت درآمده و ژنراتور را می گرداند و انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود و اما در نیروگاههای حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخش های خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربین­ها است؛ یا به عبارت دیگر می توان گفت که این نوع نیروگاه­ها شامل دو قسمت هستند:
سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می نماید.
سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاههای حرارتی بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می کند.

نیروگاههای حرارتی خورشید از نوع سهموی خطی
در این نیروگاهها از منعکس کننده هایی که به صورت سهموی خطی می باشند جهت تمرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آنها استفاده می شود و گیرنده به صورت لوله ای در خط کانونی منعکس کننده ها قرار دارد. در داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم و داغ می گردد. روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار تبدیل میکند و به مدارهای مرسوم در نیروگاههای حرارتی ا­نتقال می دهد تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد.
برای بهره گیری بیشتر و افزایش بازدهی لوله دریافت کننده سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد پوشش می دهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشه ای به صورت لفاف پوشیده می شود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری گردد و نیز از لوله دریافت کننده محافظت بعمل آید. ضمناً بین این دو لوله خلاء بوجود می آوردند. برای آنکه پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت کننده برسد. در این نیروگاهها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که بوسیله آن آینه های شلجمی دائماً خورشید را دنبال می کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز می نمایند.

نیروگاههای حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزی
در این نیروگاه ها پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس کننده بنام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته است متمرکز می گردد. در نتیجه روی محل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست می آید که این انرژی بوسیله سیال عامل که داخل دریافت کننده در حرکت است، جذب می شود و بوسیله مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاه های سنتی منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید می گردد. این سیال عامل در مبدل­های حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا می گردد. در برخی از سیستم ها سیال عامل آب است و مستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می شود.

نیروگاه های حرارتی از نوع بشقابی
در این نیروگاهها از منعکس کننده هایی که به صورت شلجمی بشقابی می باشد جهت تمرکز نقطه ای پرتوهای خورشیدی استفاده می گردد و گیرنده هایی که در کانون شلجمی قرار می گیرند به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور آن را به نوع مکانیکی و الکتریکی تبدیل می نماید.

دودکش های خورشیدی
روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از برج نیرو یا دودکش های خورشیدی می باشد در این سیستم از خاصیت دودکش ها استفاده می شود به این صورت که با استفاده از یک برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانه های خورشیدی که در اطراف آن است هوای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدی در یک گرمخانه تولید می شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه ها قرار دارد هدایت می شود. این هوای گرم بعلت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و با­عث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده است می گردد و بوسیله این ژنراتور برق تولید می شود هم اکنون یک نمونه از این سیستم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر می رسد.

مزایای نیروگاههای خورشیدی
نیروگاه های خورشیدی که انرژی خورشید را به برق تبدیل می کنند امید است در آینده با مزایای قاطعی که در برابر نیروگاه های فسیلی و اتمی دارند به خصوص اینکه سازگار با محیط زیست می باشند، مشکل برق بخصوص در دوران اتمام ذخائر نفت و گاز را حل نمایند. تاسیس و بکارگیری نیروگاه های خورشیدی آینده ای پر ثمر و زمینه ای گسترده را برای کمک به خودکفایی و قطع وابستگی کشور به صادرات نفت فراهم خواهد کرد. اکنون شایسته است که به ذکر چند مورد از مزایای این نیروگاه ها بپردازیم.

الف) تولید برق بدون مصرف سوخت
نیروگاه های خورشیدی نیاز به سوخت ندارند و برخلاف نیروگاه های فسیلی که قیمت برق تولیدی آنها تابع قیمت نفت بوده و همیشه در حال تغییر می باشد. در نیروگاه های خورشیدی این نوسان وجود نداشته و می توان بهای برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگهداشت.
ب) عدم احتیاج به آب زیاد
نیروگاه های خورشیدی بخصوص دودکشهای خورشیدی با هوای گرم احتیاج به آب ندارند لذا برای مناطق خشک مثل ایران بسیار حائز اهمیت می باشند (نیروگاه های حرارتی سنتی هنگام فعالیت نیاز به آب مصرفی زیادی دارند).
ت) امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای
نیروگاه های خورشیدی می توانند با تولید برق به شبکه سراسری برق نیرو برسانند و در عین امکان تامین شبکه های کوچک ناحیه ای، احتیاج به تاسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال برق ندارند و نیاز به هزینه زیاد احداث شبکه های انتقال نمی باشد.
ث) استهلاک کم و عمر زیاد
نیروگاه های خورشیدی بدلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر طولانی می باشند در حالی که عمر نیروگاه های فسیلی بین ۱۵ تا ۳۰ سال محاسبه شده است.

ج) عدم احتیاج به متخصص
نیروگاه های خورشیدی احتیاج به متخصص عالی ندارند و می توان آنها را بطور اتوماتیک بکار انداخت، در صورتی که در نیروگاه های اتمی وجود متخصصین در سطح عالی ضروری بوده و این دستگاهها احتیاج به مراقبتهای دائمی و ویژه دارند.

کاربردهای غیر نیروگاهی
کاربردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می باشد که اهم آنها عبارت اند از: آبگرمکن و حمام خورشیدی، سرمایش و گرمایش خورشیدی، آب شیرین کن خورشیدی، خشک کن خورشیدی، اجاق خورشیدی، کوره های خورشیدی و خانه های خورشیدی.
الف – آبگرمکن های خورشیدی و حمام خورشیدی
تولید آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکان­هایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد. چنانچه ظرفیت این سیستمها افزایش یابد می توان از آنها در حما­م­های خورشیدی نیز استفاده نمود
ب – گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی
اولین خانه خورشیدی در سال ۱۹۳۹ساخته شد که در آن از مخزن گرمای فصلی برای بکارگیری گرمای آن در طول سال استفاده شده است. گرمایش و سرمایش ساختمانها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه ای بود که در سالهای ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی رسید. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم های خورشیدی می توان علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم ها در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.

– آب شیرین کن خورشیدی
هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح با­قی می ماند. سپس با استفاده از روشهای مختلف می توان آب تبخیر شده را تنظیم کرده و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این ر­وش می توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند مانند جزایر را تامین کرد. آب شیرین کن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.
ت – خشک کن خورشیدی
خشک کردن مواد غذایی برای نگهداری آنها از زمانهای بسیار قدیم مرسوم بوده و انسان های نخستین خشک کردن را یک هنر می دانستند. خشک کردن عبارت است از گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتریها می باشد. در خشک کن های خورشیدی بطور مستقیم و یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می گردد. خشک کن های خورشیدی در اندازه ها و طرحهای مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون طراحی و ساخته می شوند.

اجاقهای خورشیدی
دستگاههای خوراک پز خورشیدی اولین بار بوسیله شخصی بنام نیکلاس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق بندی شده با صفحه سیاهرنگی بود که قطعات شیشه ای درپوش آنرا تشکیل می داد؛ اشعه خورشید با عبور از میان این شیشه ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می شد سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸ درجه افزایش می داد. اصول کار اجاق خورشیدی جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می باشد. امروزه طرحهای متنوعی از این سیستم ها وجود دارد که این طرحها در مکانهای مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده اند.
ج – کوره خورشیدی
در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد. بسمر پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تامین می کرد. متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه یکی تخت و دیگری کروی می باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می شود. طبق قوانین اپتیک هر گاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید در محل کانون متمرکز می شوند به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می شود که این نقطه به دماهای بالایی می رسد. امروزه پروژه های متعددی در زمینه کوره های خورشید در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می باشد.

چ – خانه های خورشیدی
ایرانیان باستان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه های خود در زمستان استفاده می کردند. آنان ساختمانها را به ترتیبی بنا می کردند که در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشیمن می تابید ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت. در اغلب فرهنگ های دیگر دنیا نیز می توان نمونه هایی از این قبیل طرحها را مشاهده نمود. در سالهای بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرحهای فراوانی در زمینه خانه های خورشیدی مطرح و آزمایش شد. از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت. حدود چند سالی است که معماران بطور جدی ساخت خانه های خورشیدی را آغاز کرده اند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی نیز دست یافته اند مثلاً در ایالات متحده در سال ۱۸۹۰ به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شده است. در این گونه خانه ها سعی می شود از انرژی خورشید برای روشنایی، تهیه آب گرم بهداشتی، سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با بکار بردن مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود.

انرژی فتوولتائیک و ساختار آن
به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاده از مکانیزم های محرک، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. سیستم های فتوولتائیک یکی از پر مصرف ترین کاربرد انرژی های نو می باشند و تاکنون سیستم های گوناگونی با ظرفیت های مختلف (5/0 وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم ها هر روزه بر تعداد متقاضیان آنها افزوده می شود. از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی می توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلولهای سری و موازی شده پنل (Panel) فتوولتائیک می گویند. امروزه اینگونه سلولها عموماً از ماده سیلیسیم تهیه می شود و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می شود.

انرژی فتوولتایک تبدیل نور خورشید به الکتریسیته از طریق یک سلول فتوولتاتیک (pvs) می باشد، که بطور معمول یک سلول خورشیدی نامیده می شود. سلول خورشیدی یک ابزار غیر مکانیکی است که معمولاً از آلیاژ سیلیکون ساخته می‏شود. نور خورشید از فوتونها یا ذرات انرژی خورشیدی ساخته شده است. این فوتونها که مقادیر متغیر انرژی را شامل می شوند، درست مشابه با طول موجهای متفاوت طیف­های نوری هستند. وقتی فوتونها به یک سلول فتو ولتاتیک بر خورد می کنند، ممکن است منعکس شوند، مستقیم از میان آن عبور کنند و یا جذب شوند. فقط فوتونهای جذب شده انرژی را برای تولید الکتریسیته فراهم می کنند. وقتی که نور خورشید کافی یا انرژی توسط جسم نیمه رسانا جذب شود، الکترونها از اتم های جسم جدا می شوند. (به دلیل اینکه آخرین الکترون یک اتم با گرفتن انرژی فوتون به لایه بالاتر رفته و میتوا­ند از میدان پروتون خلاص شده و آزادانه در نیمه رسانا حرکت کند). رفتار خاص سطح جسم در طول ساختن باعث می شود سطح جلویی سلول که 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 سوراخ هایی شکل می گیرد. تعداد الکترونها زیاد بوده و هر کدام یک بار منفی را حمل می کنند و به طرف جلو سطح سلول پیش می روند، در نتیجه عدم توازون بار بین سلولهای جلویی وسطوح عقبی یک پتانسیل ولتاژ شبیه قطب های مثبت و منفی یک باطری ایجاد می شود. وقتی که دو سطح از میان یک راه داخلی مرتبط می شود، الکتریسیته جریان می یابد. سلول فتوولتاتیک قاعده بلوک ساختمان یک سیستم PV است. سلولهای انفرادی می توانند در اندازه هایی از حدود cm ۱ تا cm۱۰ از این سو به آن سو متغیر باشند. با این وجود، توان ۱یا ۲ وات تولید می کند، که برای بیشتر کار­بردها این مقدار از انرژی کافی 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 شده باشد، آن تعداد مدولهای مورد نیاز می توانند بهم مرتبط شوند برای اینکه اندازه آرایش مورد نیاز (تولید انرژی) را تشکیل دهند. اجرای یک آرایش فتوولتائیک به انرژی خورشید وابسته است.
شرایط آب وهوایی (همانند ابر و مه) تاثیر مهمی روی انرژی خورشیدی دریافت شده توسط یک آرایش pv و در عوض، اجرایی آن دارد. بیشتر تکنولوژی مدول های فتو ولتاتیک در حدود ۱۰ درصد موثر هستند در تبدیل انرژی خورشید با تحقیق بیشتر مرتبط شوند برای اینکه این کار را به ۲۰ درصد افزایش دهند. سلولهای pv که در سال ۱۹۵۴ 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 ۱۹۵۰، pvs ها برای تامین انرژی قمرهای فضا مورد استفاده قرار گرفتند. موفقیت pvs در فضا کاربردهای تجاری برای تکنولوژی pvs تولید کرد. ساده ترین سیستم های فتو ولتاتیک انرژی تعداد زیادی از ماشین حساب های کوچک و ساعتهای مچی که روزانه مورد استفاده قرار می گیرد را تامین می کند. بیشتر سیستم های پیچیده الکتریسیته را برای پمپاژ آب، انرژی ابزارهای ارتباطی و حتی فراهم کردن الکتریسیته برای خانه هایمان فراهم می کنند. تبدیل فتو ولتاتیک به چندین دلیل مفید است. تبدیل نور خورشید به 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 اجازه داده شده نصب شوند. همچنین، تاثیر محیطی یک سیستم فتوولتاتیک حد­اقل است، آب را برای سیستم نیاز ندارد پختن و تولید 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) مثلا وقتی که جریان مستقیم از سلولهای فتو ولتاتیک برای کاربردهای تجاری یا لحیم کردن کار­بردهای الکتریکی استفاده می شود. راندمان سلولهای فتو ولتایک در سال 2010 حدود 17% بود که توان آن در تابش مستقیم آفتاب (1000 وات بر متر مربع) به ازای هر متر مربع حدود 170 وات است. جایگزین ژنراتوهای کوچک مقیاس عددی در تغذیه کنندهای الکتریکی می توانند اقتصاد واعتبار سیستم توزیع را بهبود بخشد.

سیستمهای فتوولتائیک را می توان بطور کلی به دو بخش اصلی تقسیم نمود که بطور خلاصه به توضیح آنها می پردازیم.
الف-پنل­های خورشیدی
این بخش در واقع مبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی بدون واسطه مکانیکی می باشد. این بخش در واقع کلیه مشخصات سیستم را کنترل کرده و توان ورودی پنلها را طبق طراحی انجام شده و نیاز مصرف کننده به بار یا باتری تزریق و کنترل می کند.
ب-مصرف کننده با بار الکتریکی
با توجه به خروجی DC پنلهای فتوولتائیک، مصرف کننده می تواند دو نوع DC یا AC باشد، همچنین با آرایشهای مختلف پنلهای فتوولتائیک می توان نیاز مصرف کنندگان مختلف را با توانهای متفاوت تامین نمود.
مصارف و کاربردهای انرژی فتوولتائیک به طور مختصر از این قرارند:
مصارف فضانوردی و تامین انرژی مورد نیاز ماهواره ها جهت ارسال پیام
روشنایی خورشیدی
سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی
سیستم پمپاژ خورشیدی
سیستم تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری
ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و وسایل بازی کودکانه یا هر نوع وسیله ای که تاکنون با باطری خشک کار می کرده است
نیروگاههای فتوولتائیک
یخچالهای خورشیدی
سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل

دودکش خورشیدی- راهکاری جدید برای تولید برق از انرژی خورشیدی
اساساً اگر بخواهید انرژیهای تجدید پذیر از کاربرد وسیعی برخوردار شوند باید که تکنولوژی های ارایه شده ساده و قابل اعتماد بوده و برای کشورهای کمتر توسعه یافته نیز مشکلات فنی به همراه نداشته باشد و بتوان از منابع محدود مواد خام آنها نیز استفاده کرد. در مرحله بعدی نیز باید به آب زیاد نیاز نداشته باشد. در همینجا باید گفت که تکنولوژی دودکش دارای این شرایط است. بررسیهای اقتصادی نشان داده است که اگر این نیروگاهها در مقیاس بزرگ (بزرگتر یا مساوی 100 مگاوات) ساخته شوند، قیمت برق تولیدی آنها قابل مقایسه با برق نیروگاههای متداول است.
این موضوع کافی است که بتوان انرژی خورشیدی را در مقیاسهای بزرگ نیز به خدمت گرفت. بر این اساس می توان انتظار داشت که دودکشهای خورشیدی بتوانند در زمینه تولید برق برای مناطق پرآفتاب نقش مهمی را ایفا کنند.
باید توجه داشت که تکنولوژی دودکش خورشیدی در واقع از سه عنصر اصلی تشکیل شده است که اولی جمع کننده هوا و عنصر بعدی برج یا همان دودکش و قسمت آخر نیز توربینهای باد آن است و همه عناصر آن برای قرنها است که بصورت شناخته شده درآمده اند و ترکیب آنها نیز برای تولید برق در سال 1931 توسط گونتر مورد بحث قرار گرفته است. در سال 84-1983 نیز نتایج آزمایشات و بحثهای نمونه ای از دودکش خورشیدی که در منطقه مانزانارس در کشور اسپانیا ساخته شده بود، ارایه شد.
در سال 1990 شلایش و همکاران در مورد قابل تعمیم بودن نتایج بدست آمده از این نمونه دودکش بحثی را ارایه کردند. در سال 1995 شلایش مجدداً این بحث را مورد بازبینی قرار داد. در ادامه در سال 1997 کریتز طرحی را برای قرار دادن کیسه های پر از آب در زیر سقف جمع آوری کننده حرارت ارایه کرد تا از این طریق انرژی حرارتی ذخیره سازی شود. گانون و همکاران در سال 2000 یک تجزیه و تحلیل برای سیکل ترمودینامیکی ارایه کردند و بعلاوه در سال 2003 نیز مشخصات توربین را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. در همین سال روپریت و همکاران نتایج حاصل از محاسبات دینامیک سیالاتی و نیز طراحی توربین برای یک دوربین خورشیدی 200 مگاواتی را منتشر ساختند. در سال 2003 دوز سانتوز و همکاران تحلیلهای حرارتی و فنی حاصل از محاسبات حل شده به کمک کامپیوتر را ارایه کردند. در حال حاضر در استرالیا طرح نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت 200 مگاوات در مرحله طراحی و اجرا است http://www.enviromission. Com.au. باید گفت که استرالیا مکان مناسبی برای این فناوری است چون شدت تابش خورشید در این کشور زیاد است. در ثانی زمینهای صاف و بدون پستی و بلندی در آن زیاد است و دیگر اینکه تقاضا برای برق از رشد بالایی برخوردار است ونهایتاً اینکه دولت این کشور خود را به افزایش استفاده از انرژیهای تجدید پذیر ملزم کرده است و از این رو به 9500 گیگاوات ساعت برق در سال از منابع تجدید پذیر جدید نیاز دارد.

اصول کار:  هوا در زیر یک سقف شفاف که تشعشع خورشیدی را عبور می دهد، گرم می شود. باید توجه داشت که وجود این سقف و زمین زیر آن بعنوان یک کلکتور یا جمع کننده خورشیدی عمل می کند. در وسط این سقف شفاف یک دودکش یا برج عمودی وجود دارد که هوای زیادی از پایین آن وارد می شود. بایدمحل اتصال سقف شفاف و این برج بصورتی باشد که منفذی نداشته باشد و اصطلاحاً «هوا بند» شده باشد. بر همگان روشن است که هوای گرم چون سبکتر از هوای سرد است به سمت بالای برج حرکت می کند.
این حرکت باعث ایجاد مکش در پایین برج می شود تا هوای گرم بیشتری را به درون بکشد و هوای سرد پیرامونی به زیر سقف شفاف وارد شود. برای اینکه بتوان این فناوری را بصورت 24 ساعته مورد استفاده قرارداد می توان از لوله ها یا کیسه های پرشده از آب در زیر سقف استفاده کرد. این موضوع بسیار ساده انجام می شود یعنی در طول روز آب حرارت را جذب کرده وگرم می شود و در طول شب این حرارت را آزاد می کند. قابل ذکر است که باید این لوله ها را فقط برای یکبار با آب پر کرده و به آباضافی نیازی نیست.
بنابراین اساس کار بدین صورت است که تشعشع خورشیدی در این برج باعث ایجاد یک مکش به سمت بالا می شود که انرژی حاصل از این مکش توسط چند مرحله توربین تعبیه شده در برج به انرژی مکانیکی تبدیل شده و سپس به برق تبدیل می شود. توان خروجی: به زبان ساده می توان توان خروجی برجهای خورشیدی را بصورت حاصل ضرب انرژی خورشیدی ورودی (Qsolar) در راندمان مربوط به جمع کننده، برج و توربین بیان کرد: در ادامه سعی می شود پارامترهای قابل محاسبه مشخص شوند ودر این راستا باید گفت که Qsolarرا می توان بصورت حاصلضرب تشعشع افقی (Gh) درمساحت کلکتور (Acoll) نوشت.

بر اساس این نمایش ساده شده در بین پارامترهای دخیل در دودکش خورشیدی، مهمترین عامل در راندمان برج، ارتفاع آن است. مثلاً برای برجی به ارتفاع 1000 متر اختلاف بین محاسبات دقیق و محاسبه تقریبی ارایه شده، قابل صرفنظر کردن است.
 در یک دودکش خورشیدی چند مگاواتی، کلکتور باعث می شود که دمای هوا بین 35-30 درجه سانتیگراد افزایش یابد و این به معنی سرعتی معادل m/sec15 است که باعث حرکت شتابدار هوا نخواهد شد و بنابراین برای انجام عملیات تعمیر و نگهداری می توان براحتی وارد آن شد و ریسک سرعت بالای هوا وجود ندارد. توربین ها: با بکارگیری توربینها، انرژی موجود در جریان هوا به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل می شود. توربینهای موجود در دودکش خورشیدی شبیه توربینهای بادی نیستند و بیشتر شبیه توربینهای نیروگاههای برقابی هستند که با استفاده از توربینهای محفظه دار، فشار استاتیک را به انرژی دورانی تبدیل می کنند
سرعت هوا در قبل و بعد از توربین تقریباً یکسان است.. توان قابل حصول در این سیستم متناسب با حاصلضرب جریان حجم هوا در واحد زمان و اختلاف فشار در توربین است. از نقطه نظر بهره وری بیشتر از انرژی، هدف سیستم کنترل توربین بحداکثر رساندن این حاصلضرب در تمام شرایط عملیاتی است. مدل آزمایشی:  برای ساخت یک مدل ازمایشی، تحقیقات تئوریک مفصلی انجام شده که آزمایشات تونل باد وسیعی را بهمراه داشت و نهایتاً در سال 1981 منجر به ساخت واحدی با توان تولید 50 کیلووات برق درمنطقه مانزانارس (Manzanares) در 150 کیلومتری جنوب مادرید در کشور اسپانیا شد و این واحد از کمک مالی وزارت تحقیق و فناوری آلمان برخوردار بود.
 
در ضمن می توان اینگونه طرحها را با استفاده از اعتبارات تعیین شده در معاهده کیوتو که اصطلاحاًCDM  (Clean Development Mechanism) خوانده می شوند و حتی اعتبارات دیگر سازمانهای بین المللی پیگیری کرد چون بسیاری از سازمانها و کشورها حاضرند جهت استفاده از نتایج و نیز توسعه اینگونه فناوریها، کمکهایی را به کشورهای داوطلب اعطا کنند. یکی از بهترین روشها جهت حصول به این هدف، استفاده از انرژیهای تجدید پذیر است و در این راستا برای کشورهای در حال توسعه میتوان فناوری «دودکش خورشیدی» را معرفی کرد. این معرفی از آن جهت است که قسمت عمده کار با نیروی نسبتاً غیرماهر قابل انجام است و این سیستم قادر است بدون نیاز به تعمیر و نگهداری خاص برای مدت مدیدی برق تولید کند و مناسب برای کشورهایی است که میزان تابش خورشید در آنها زیاد است. بعلاوه نباید رشد بالای تقاضا برای برق در کشوری مانند ایران را نیز از یاد برد.نباید از نظر دور داشت که با افزایش قیمت سوختهای فسیلی معادلات به نفع فناوریهای مرتبط با انرژیهای تجدید پذیر تغییر خواهد کرد. در ثانی در کشورهایی که دستمزد نیروی کار پایین است، هزینه تولید برق با این روش کاهش خواهد یافت چون تقریباً نیمی از هزینه ساخت یک چنین نیروگاهی مربوط بههزینه ساخت کلکتور می شود که با کارگران ارزان و نسبتاً غیرماهر می توان براحتی آن را ساخت. نتیجه گیری:  با توجه به اجرایی شدن معاهده زیست محیطی کیوتو پس از پیوستن روسیه و عضویت ایران در این معاهده، بنظر می رسد که باید به دنبال راههایی جهت کاستن از میزان انتشار گازهای گلخانه ای بود.جهت اطلاع بیشتر در جدول 2 اندازه های مختلف فناوری دودکش خورشیدی برای ظرفیتهای مختلف تولید برق ذکر شده است.هر چند در ابتدا ساخت برجهای مرتفع کاری سخت بنظر می رسد ولی نباید از نظر دور ساخت که برج مرتفع شهر تورنتو کانادا در حال حاضر دارای 600 متر ارتفاع است و ژاپنیها در نظر دارند آسمانخراشهایی با ارتفاع 2000 متر در مناطقی بسازند که امکان زمین لرزه آنها نیز زیاد است و نهایتاً آنکه ساخت برج میلاد در کشورمان ایران نیز تاییدی بر این مدعاست که امروزه ساخت یک چنین سازه هایی دور از دسترسی نیست و ضمناً ما در ساخت سازه سدهای آبی نشان داده ایم که براحتی می توانیم سازه های عظیم بتنی را برپا سازیم.تمامی نتایج بدست آمده بیانگر آن بوده است که این فناوری از قابلیت کافی جهت استفاده در مقیاسهای بزرگتر را دارااست. بر پایه این نتایج یک سری تحقیقات توسط موسسات و دانشگاههای مختلف انجام شد تاوضعیت آن را شبیه سازی و مدلسازی کند تا بتوان نتایج این سیستم در مقیاس بزرگتر را پیشگویی کرده و قابل بررسی کرد.

برج:  برج به خودی خودنقش موتور حرارتی نیروگاه را بازی می کند و همانند یک لوله تحت فشار است که به دلیل دارا بودن نسبت مناسب سطح به حجم از اتلاف اصطکاکی کمی برخوردار است. در این برج سرعت مکش به سمت بالای هوا تقریباً متناسب با افزایش دمای هوا (ΔT) در کلکتور و ارتفاع برج است.مشخص شد که توان تولید برق یک دودکش خورشیدی متناسب با حجم حاصل از ارتفاع برج و سطح کلکتور است یعنی می توان با یک برج بلند و سطح کم و یا یک برج کوتاه با سطح وسیع به یک میزان برق تولید کرد. البته اگر اتلاف اصطکاکی وارد معادلات شود دیگر موضوع فوق صادق نیست. با این وجود تا زمانی که قطر کلکتور بیش از حد زیاد نشود می توان از قاعده سرانگشتی فوق استفاده کرد. کلکتور: هوای گرم مورد نیاز برای دودکش خورشیدی توسط پدیده گلخانه ای در یک محوطه ای که با پلاستیک یا شیشه پوشانده شده و حدوداً چند متری از زمین فاصله دارد، ایجاد می شود. البته با نزدیک شدن به پایه برج، ارتفاع ناحیه پوشانده شده نیز افزایش می یابد تا تغییر مسیر حرکت جریان هوا بصورت عمودی با کمترین اصطکاک انجام پذیرد. این پوشش باعث می شود که امواج تشعشع خورشید وارد شده و تشعشعهای با طول موج بالا مجدداً از زمین گرم بازتاب کند. زمین زیر این سقف شیشه ای یا پلاستیکی، گرم شده و حرارت خود را به هوایی که از بیرون وارد این ناحیه شده است و به سمت برج حرکت می کند، پس می دهد.

ذخیره سازی: اگر به یک ظرفیت اضافی برای ذخیره سازی حرارت نیاز باشد، می توان از لوله های سیاه رنگ که با آب پر شده اند و بر روی زمین در داخل کلکتور قرار داده شده اند، بهره جست. این لوله ها را باید فقط یکبار با آب پر کرده و دو طرف آنها را بست و بنابراین تبخیر نیز رخ نخواهد داد. حجم آب درون لوله ها بنحوی انتخاب می شود که بسته به توان خروجی نیروگاه لایه ای با ضخامت 20-5 سانتیمتری تشکیل شود.با دقت در معادلات (1)، (2) و (3) می توان دریافت که توان خروجی یک دودکش خورشیدی متناسب باسطح کلکتور و ارتفاع برج است.بر اساس تخمین Boussinesq حداکثر سرعت قابل دسترسی برای جریان جابجایی آزاد بصورت زیر است: که دراین فرمول ΔT همان افزایش دما بین محیط و خروجی کلکتور (ورودی دودکش) است. معادل زیر بیانگر راندمان برج و پارامترهای موثر در آن استدر عمل افت فشار استاتیک ودینامیک ناشی از توربین است. در حالتی که توربین وجود نداشته باشد می توان به حداکثر سرعت جریان دست یافت و تمام اختلاف فشار موجود به انرژی سینتیک تبدیل می شود:می توان بین توان موجود دراین جریان و اختلاف فشار کل و جریان حجمی هوا وقتی که ΔPs=0، رابطه ای نوشت:  راندمان برج را بصورت زیر بیان می کنند:بر این اساس با افزایش ارتفاع برج، ΔPtot افزایش خواهد یافت.  البته این اختلاف فشار را می توان (با فرض قابل صرفنظر کردن اتلافهای اصطکاکی) به اختلاف استاتیک و دینامیک تقسیم کرد: قابل ذکر است که اختلاف فشار استاتیک در توربین افت می کند و اختلاف فشار دینامیک بیانگر انرژی سینتیک جریان هوا است.در داخل برج جریان گرمایی ناشی از کلکتور به انرژی سینتیک (بصورت کنوکسیون) و انرژی پتانسیل (افت فشار در توربین) تبدیل می شود. بنابراین متوجه می شویم که اختلاف دانسیته هوا که ناشی از افزایش دما در کلکتور است، بعنوان یک نیروی محرکه عمل می کند. هوای سبکتر موجود در برج در قسمت تحتانی و در قسمت فوقانی برج به هوای اطراف متصل است و از این رو باعث ایجاد یک حرکت روبه بالا می شود. در یک چنین حالتی یک اختلاف فشار بین قسمت پایین برج (خروجی کلکتور) و محیط اطراف ایجاد می شود

منابع:
1.سلولهای خورشیدی: مارتین ا.گیرین
2.اینترنت…

با تشکر