چرا انرژی تجدید پذیر

مقدمه:
در حال حاضرتولید انرژی الکتریکی در دنیا به مقدار زیادی بر ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی تکیه دارد. سوخت های فسیلی تجدید ناپذیرند، آنها بر منابع محدودی که رفته رفته به پایان می رسند ، بنا شده اند.
در مقابل انرژیهای تجدید پذیر مانند باد و انرژی خورشیدی، پیوسته جایگزین می شود و هیچ گاه به پایان نمی رسند. اغلب انرژی های تجدید پذیر به دو صورت مستقیم یا غیر مستقیم از خورشید ناشی می شوند.
نور خورشید یا همان انرژی خورشیدی، می تواند برای گرم کردن و روشنایی خانه ها و سایر ساختمان ها، برای تولید الکتریسیته، برای آب گرم کردن، گرم کن های خورشیدی و انواع کاربردهای اقتصادی و صنعتی مستقیماً استفاده می شود.
همچنین گرمای خوشید موجب وزش باد می شود؛ همان انرژی ای که توسط توربین های بادی گرفته می شود؛ سپس بادها و گرمای خورشید باعث تبخیر آب می شوند. وقتی این بخار آب به باران یا برف تبدیل می شود و از سرازیرها به رودخانه ها و مسیرهای آب هدایت می شود، انرژی آن می تواند گرفته شده و از توان هیدرو الکتریکی آن استفاده شود.
همراه با باران و برف، نور خورشید باعث می شود گیاهان رشد کنند، ماده ای که آن گیاهان را می سازد، به عنوان توده زنده یا زیست توده می شناسیم.
بیومس می تواند به منظور تولید الکتریسیته، سوخت های حمل و نقل یا موارد شیمیایی استفاده شود. کاربرد بیومس برای هر یک از این اهداف، انرژی بیومس نامیده می شود.
هیدروژن نیز می تواند در بسیاری از ترکیبات اصلی، مثل آب، یافت شود. هیدروژن فراوان ترین عنصر روی زمین است، اما بصورت یک گاز طبیعی موجود نیست. هیدروژن همیشه با دیگر عناصر ترکیب شده است، مثل ترکیبش با اکسیژن برای ساخت آب. وقتی هیدروژن از عنصر ترکیبی اش جدا شود می تواند بعنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد.
تمام منابع انرژی تجدید پذیر از خورشید ناشی نمی شوند. انرژی زمین گرمایی دریچه گرمای درون زمین برای کاربردهای متنوع شامل: تولید توان الکتریکی و گرم و سرد کردن ساختمان هاست، و انرژی جزر و مد اقیانوس ها از نیروی کشش ماه و خورشید بر روی زمین ناشی می شود.
در حقیقت، انرژی اقیانوس از منابع متعددی ناشی می شود. علاوه بر انرژی جزر و مد، انرژی امواج اقیانوس بوسیله هر دو انرژی جزر و مد و باد، بوجود می آید. هم چنین خورشید بیش از آنکه عمق اقیانوس را گرم کند. سطح آنرا گرم می کند، ایجاد یک اختلاف دما می تواند بعنوان یک منبع انرژی بکار گرفته شود. تمامی اشکال انرژی اقیانوسی می تواند برای تولید الکتریسیته اعمال شود.

فصل اول
چرا انرژی تجدید پذیر مهم است؟

چرا انرژی تجدید پذیر مهم است؟
اهمیت انرژی تجدید پذیر به خاطر فواید آن است.
فایده های کلیدی آن عبارتند از:
فایده های محیطی: فن آوری های انرژی تجدید پذیر، منابعی پاک از انرژیهایی هستند که از صنایع انرژی های مرسوم، تماس و آلودگی محیطی بسیار کمتری دارند.
انرژی برای نسل های آینده ما: انرژی تجدید پذیر پایان نخواهد پذیرفت، هرگز. اما منابع دیگر انرژی محدودند و همین روزها ته می کشند.
مشاغل و اقتصاد: سرمایه گذاری ها بر روی انرژی تجدید پذیر اغلب صرف تهیه مواد خام (لوازم و کالا) و مصرفی و ساختاری برای ساخت و نگهداری وسایل می شود، تا سرمایه گذاری بر روی واردات پر خرج انرژی. این بدان معناست که پولی که شما بابت انرژی می پردازید، به جای اینکه وارد اقتصاد کشوری بیگانه شود، در کشور خودمان باقی مانده، اشتغال زایی کرده و موجب صرفه جویی اقتصادی در مصرف سوخت می شود.
1- فایده های محیطی:
فن آوری های انرژی قابل تجدید از صنایع انرژی مرسوم که بر سوخت فسیلی تکیه دارد، با محیط اطرافش بسیار دوستانه تر عمل می کند.
سوخت های فسیلی در بسیاری از مشکلات زیست محیطی که ما امروزه با آنها مواجه هستیم، سهم قابل توجهی دارند- گازهای گلخانه ای، آلودگی هوا و آلودگی آب و خاک- در صورتیکه متابع انرژی تجدید پذیر در این امر سهم بسیار اندکی داشته یا هیچ نقشی ندارند.
گازهای گلخانه ای، دی اکسید کربن، متان، اکسید نیتروژن، هیدروکربن ها و کلروفلوئورکربن ها، جو زمین را مثل یک پتوی گرم و شفاف احاطه کرده اند، به اشعه های گرم خورشید اجازه داخل شدن می دهند و گرما را در نزدیک سطح زمین به دام می اندازند (نگه می دارند).
اثرات این گلخانه طبیعی، دمای متوسط سطح زمین را حدود 60 درجه فارنهایت
(33 درجه سانتیگراد) نگه می دارد. اما افزایش مصرف سوخت های فسیلی، بطور قابل توجهی انتشار (تولید) گازهای گلخانه ای را زیاد کرده است، مخصوصاً دی اکسید کربن، به وجود آورنده افزایش اثر گازهای گلخانه ای که به عنوان گرمای محسوس و یکپارچه زمین شناخته می شود. مطابق نظر آژانس حفاظت محیط زیست ایالات متحده، سهم دی اکسید کربن عهده دار 2/1 تا 3/2 افزایش عمومی دماست.
با این وجود، فن آوری های انرژی قابل تجدیدپذیر، گرما و الکتریسیته را با انتشار (تولید) مقدار ناچیز یا صفر دی اکسید کربن، تولید می کند. هم چنین استفاده از انرژی سوخت های فسیلی، منبع مهمی برای آلودگی هوا، آب و خاک می باشد.
آلاینده ها نظیر منوکسید کربن، دی اکسید گوگرد، دی اکسید نیتروژن، ذرات معلق و سرب- باج غم انگیزی از محیط گرداگرد ما می گیرند!
به عبارت دیگر، اغلب فن آوری های انرژی قابل تجدید، آلودگی ناچیز یا صفر تولید می کنند.
آلودگی و گرمای زمین هر دو، احتمال حتمی خطر بزرگ سلامتی نسل بشر را مطرح می کنند.
مطابق با رای انجمن ریه (آمریکا) آلودگی هوا در امراض ریه، نظیر: تنگی نفس، سرطان ریه و عفونت های نواحی تنفسی، سهیم است و سالانه قریب به 335000 نفر در آمریکا به این علل فوت می کنند.
ضمناً ممکن است اثرات طولانی مدت مرتبط با گرمای زمین، مخرب تر نیز باشد. عوارض مرگ و میر با هوای بسیار گرم امکان دارد و هنگامی که دما بالا
می رود، امراض می توانند انرژی نهان قوی تری برای پیشرفت داشته باشند.
نهایتاً، فن آوری های انرژی قابل تجدید، می توانند به ما برای تغییر الگوهای مرسوم مصرف انرژی، برای ارتقاء کیفیت محیط پیرامون مان، کمک کنند.
2- انرژی برای نسل های آینده ما:
مصرف انرژی جهان، در آینده به کدام انرژی متمایل خواهد بود؟
بله، ما به خوبی می توانیم ثابت کنیم که مصرف الکتریسیته، رشدی جهانی خواهد داشت. آژانس بین المللی انرژی مطرح می کند که ظرفیت تولید الکتریسیته جهان تا سال 2020، تقریباً به 8/5 میلیون مگاوات، افزایش خواهد یافت. که حدود 3/3 میلیون مگاوات، بیش از سال 2000 است.
در این حال، ذخایر سوخت های فسیلی کره زمین منبع اصلی کنونی انرژی مان، طبق نظر بهترین تجزیه و تحلیل گران صنعت نفت، از سال ها 2020 الی 2060 شروع به اتمام رسیدن خواهند کرد.
ما چگونه احتیاجمان به آن مقدار انرژی را بر طرف خواهیم کرد؟
انرژی تجدید پذیر می تواند بهترین پاسخ ما باشد.
کمپانی بین المللی شل، پیش بینی می کند که در سال 2060، انرژی تجدید پذیر، 60% انرژی جهان را تامین خواهد کرد.
بانک جهانی تضمین میکند که نرخ داد و ستد برای انرژی خورشیدی (الکتریسیته) طی 30 سال، به طور مقطوع به چهار تریلیون دلار خواهد رسید.
همچنین سوخت های بیومس (زیست توده ای) می توانند جانشین گازوئیل شوند. و بر عکس سوخت های فسیلی، منابع انرژی تجدید پذیر، قابل نگهداری می باشند و هیچ وقت تمام نمی شوند عملکرد امروز ما برای مرسوم نمودن فن آوری های انرژی قابل تجدید، نه تنها به نفع حال ماست، بلکه موجب تولید منافع زیادی نیز خواهد شد.
3- شغل ها و اقتصاد:
قشر گسترده ای از ایالات متحده مجبور به واردات سوخت های فسیلی مانند نفت و گاز طبیعی، برای تولید برق، گرما و سوخت، هستند. هزینه این سوخت های فسیلی می تواند بالغ بر میلیون ها دلار شود و هر دلاری که صرف واردات انرژی شود، یک دلار از اقتصاد محلی کسر می شود.
در این حال، منابع انرژی تجدید پذیر، بطور موضعی (محلی) گسترش یافته، هزینه صرف شده برای انرژی از کشور خارج نمی شود، اشتغال زایی نموده و موجب تقویت اقتصاد می شود. کسر فن آوری های انرژی قابل تجدید، زحمتی سخت می طلبد.
شغل ها به زودی از ساخت و ساز، طراحی، نصب، سرویس و فروش محصولات انرژی تجدید پذیر، به پایان می رسند.
اشتغال هم چنین بطور غیر مستقیم از شغل هایی که کمپانی های انرژی تجدید پذیر را با مواد خام، حمل و نقل، اسباب و لوازم و خدمات تخصصی نظیر محاسبات و خدمات اداری تغذیه می کنند، فراهم خواهد شد.
در نتیجه، دستمزد و حقوق حاصل از شغل هابر درآمد افزوده در اقتصاد محل را موجب می شود. از این گذشته درآمد حاصل از انرژی تجدید پذیر، چیزی بیشتر ازاین اقتصاد محلی را رشد می دهد، یعنی مزایایی برای کل کشور.
بطور مثال در سال 2001، ایالات متحده حدود 103 بیلیون دلار صرف واردات نفت از خارج کرده است. اما به عنوان یکی از سازندگان بزرگ سیستم های انرژی قابل تجدید جهان، می تواند با افزایش مصرف انرژی تجدید پذیر در سراسر دنیا، سرمایه بیشتری را به کشورش وارد کند. در حال حاضر سازندگان سیستم های فتوولتایی ایالات متحده حدود 3/2 کل سازندگان جهان هستند. و حدود 10% صادرات این سیستم های PV بیشتر صرف توسعه شده که منجر به فروش سالیانه بیش از 300 میلیون دلار می شود.
چرا بهینه سازی انرژی اهمیت دارد؟
بهینه سازی یعنی انرژی کمتری برای انجام یک عمل واحد، صرف کنیم. بهینه سازی مصرف انرژی در کشور، در صرف پول کمتر برای انرژی توسط صاحبان مسکن، مدارس، ادارات دولتی، کارخانه ها و صنایع است. پولی که باید صرف انرژی شود، در عوض می تواند صرف مایحتاج مصرف کنندگان، تحصیلات، خدمات و تولیدات شود. یک اقتصاد بهینه انرژی، می تواند بدون مصرف انرژی اضافی، رشد کند. اقتصادی که کمتر انرژی مصرف کند، کمتر هم آلودگی تولید
کند، چون این دو (مصرف انرژی و آلودگی) بدقت به هم گره خورده اند.
– برای منازل: برای خانه یا مشاغل کوچک و برای سایر ساختارها(کارآیی)یا بهینه سازی انرژی، مصرف کمتر انرژی برای گرم کردن، سرد کردن و روشنایی ساختمان معنا میدهد. و هم چنین خرید وسایل کم مصرف از قبیل کامپیوترها و سایر لوازم منزل می باشد. برای مالکان خانه و صاحبان مشاغل، مصرف کمتر انرژی، ذخیره مالی محسوب می شود.
– برای ماشین ها: برای ماشین شما و دیگر وسایل نقلیه، بهینه سازی انرژی به معنای ساخت ترن های جدید و دیگر تکنولوژی های وسایل نقلیه است.
ماشین های مجهز به موتورهای دو گانه (دو سوختی) بنزین – الکتریکی یا مجهز به سلول های سوختی، دو مثال از بهینه نمودن انرژی در وسایل نقلیه است.
– برای شرکت های برق: برای شرکت برق و سایر تهیه کنندگان الکتریسیته (برق) بهینه سازی انرژی، اغلب بدن معناست که به مشتریان شان کمک کنند تا انرژی را در خانه ها و مغازه هایشان ذخیره کنند. البته هم چنین به معنای رساندن و ذخیره موثرتر و بهتر برق نیز هست.
– برای صنایع محلی: برای صنایع محلی (صنایع محدود و کوچک)، بهینه سازی انرژی به معنای یافتن راه کارهائی است که کار یکسانی را با انرژی کمتر، انجام دهند. مثلاً ریخته گری پیوسته، در صنایع فولاد، پیشرفتی در راه کارآیی (بهینه نمودن) انرژی است. بهینه سازی انرژی هم چنین به معنای استفاده بهتر از موتورها، سیستم های بخار، سیستم های فشرده سازی هوا و سایر ابزار و وسایل صنعتی می باشد.

انرژی نو:
در این جا انرژی های تجدید پذیر را به منظور بررسی، به عنوان های زیر دسته بندی نموده در زیر، به شرح یکی ازآنها می پردازیم:
( انرژی زنده یا انرژی زیست توده
( سوخت زنده
( انرژی باد
( انرژی خورشید
( انرژی زمین گرمایی
( انرژی هیدروالکتریک
( انرژی هیدروژن
( انرژی اقیانوسی
جایگاه انرژی خورشیدی در تامین الکتریسیته
از جمله سوال های که در رابطه با انرژی با آن موجه هستیم این است که وضعیت انرژی در چند دهه آینده چگونه خواهد شد اقتصادی ترین منبع انرژی کدام است و آیا خورشید می توان به عنوان منبع انرژی با حرفه اقتصادی مطرح شود. نیاز به انرژی به وضوح بر همگان آشکار است و این نیاز به مرور با افزایش پیشرفت های تکنولوژیکی و جمعیت جهان بیشتر مشهود است آمارهای موجود نشان دهنده این ایست که مصرف انرژی در دنیا به نحوی است که به ازای هر 14 سال میزان تقاضا دو برابر می گردد و تا کنون فقط برای انرژی الکتریکی در هر 10 سال تقریباً تقاضا دو برابر شده و این رشد میزان تقاضا در کشورهای در حال توسعه با شتاب بیشتری همراه بوده و تقریباً به ازای هر 7 سال دو برابر شده است. به طور مثال در اواخر دهه 1980 واردات نفت کشور آمریکا به حدود 7 میلیون بشکه در روز رسید که تقریباً دو برابر (3/1 میلیون بشکه در روز) واردات آنها در سال 1980 بود این در حالی است که مقدار نفت مصرفی برای تولید الکتریسیته در آمریکا حدود 4% اکثریت مصرفی در آمریکا را در بر می گیرد و 52% انرژی الکتریکی در آمریکا از ذغال سنگ تولید می شود. با اینکه اکثریت منابع تامین الکتریسیته در آمریکا از ذغال سنگ استفاده می گردد اما قوانین مصوب در رابطه با محیط زیست به جهت ریزش باران های اسیدی ناشی از آلودگی سوزاندن ذغال سنگ و گرم شدن سطح زمین، آلودگی آب های سطح زمین
و … مشکلاتی را در صنعت ذغال سنگ آمریکا به وجود آورده است و به همین سبب انتظار می رود که مصرف نفت و گاز طبیعی که نسبت به ذغال سنگ نسبتاً تمیزتر می باشد افزایش یابد ولی سوزاندن این مواد نیز سبب ایجاد آلودگی های کربنی
سولفوری می گردد افزایش روزافزون جمعیت و پیشرفت های تکنولوژی که سبب ارتقاء سطح زندگی گردیده است عاملی است که سبب افزایش تقاضا برای الکتریسیته خواهد شد. اگر نگاهی به میزان تقاضای تامین الکتریسیته از منابع موجود در دنیا از سال 1960تا 1990 مورد بهره برداری قرار گرفته است بیاندازیم مشاهده می کنیم که موارد بهره برداری از منابع مختلف در تامین انرژی الکتریکی در جهتی است که بیشتر از منافع فسیلی استفاده شده است.
جدول زیر نشان دهنده بعد این مطلب است که نفت و گاز سهم بسزایی در تامین الکتریسیته دارند و آمارهای موجود از سال 1974 مقدار انرژی حاصل از منابع فسیلی کشف شده و به ثبت رسیده اعم از زغال سنگ، نفت و گاز را 15 10×1/7 کیلو وات ساعت برآورده نموده است.
جدول 1-1- بهره برداری از منابع انرژی مختلف برای تامین انرژی الکتریکی در سال های مختلف (واحد 1. B. BTV)

اگر نرخ اثر تقاضای الکتریسیته را با توجه به جدول فوق 5 درصد در نظر بگیریم مقدار نیاز به انرژی که در سال 1987 تقریباً 14 10×2/1 کیلو وات ساعت بود در سال 2001 میلادی به دو برابر یعنی 14 10×4/2 رسیده است.
بدیهی است که با توجه به این کارها به این منابع چندان هم نمی توان متکی بود و از طرف دیگر از نظر اقتصادی هم استفاده از آنها به صرفه نخواهد بود در حالیکه در همین آمار گیری مقدار انرژی تشعشعی قابل جذب خورشید را تقریباً 100 برابر انرژی حاصل از منافع فسیلی موجود برآورد نموده است. بنابراین باید توجه بیشتری به انرژی خورشیدی در تامین الکتریسیته شود حال با توجه به این نیازها منابع انرژی و مشکلات محیطی ناشی از سوخت های فسیلی جدیت بیشتری برای یافتن منابع انرژی کم خطرتر را می طلبند هم اکنون در دنیا مراکز تحقیقاتی بزرگی جهت دسترسی به انرژی های مطلوب تر در حال تحقیق و بررسی می باشد مطالعات و بررسی های انجام شده منجر به استراتژی های کوتاه مدت و بلند مدت برای تامین الکتریسیته شده است که در این استراتژی ها انرژی خورشیدی نقش بسیار مهمی را ایفا می کند زیرا انرژی خورشیدی عملاً بدون محدودیت و آلودگی قابل دسترسی است و سطح زمین به مقدار 27 10×7 کیلو وات ساعت از انرژی خورشیدی را در سال دریافت می کنداین مطلب که مصرف سوخت های فسیلی جهت تامین انرژی الکتریکی کاهش و منابع تامین انرژی الکتریکی با استفاده از انرژی خورشیدی افزایش می یابد که این منابع عبارتند از:
انرژی حرارتی خورشید، فتوولتائیک (نورولتی)، ژئوترمال (زمین گرمایی) انرژی
بیوگاز و … .
در این سیستم ها نورولتی یکی از بهترین روش های انرژی تجدید شونده است که هم در نقاط با شرایط آب و هوایی مختلف قابل استفاده هستند. این سیستم ها قابل استفاده در بیابان جنگل های بارانی و در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه می باشد سیستم های نورولتی به سیستم هایی اطلاق می شود که نور را
مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کنند. این سیستم ها هم اکنون اکثراً به صورت مستقل از شبکه برق سراسری مورد استفاده قرار می گیرند ولی برای کاربردهایی که دور از منابع برق می باشند و به سبب نیاز و حداقل نگهداری توانایی بالا، عدم نیاز به سوخت و عدم ایجاد آلودگی قابل گسترش و نصب در هر نقطه کارآیی بسیار بالایی دارند و تقریباً 97% از سیستم های نورولتی که در سال 1990 به فروش رفته است برای کاربردهای خارج از شبکه تهیه شده اند. یک سیستم نورلتی عبارتند از:
1- ماژول های خورشیدی
2- باطری
3- شارژ الکترولر
4- مصرف کننده ها
ماژول های خورشیدی
ماژول ها یا صفحات خورشیدی که اصلی ترین قدرت یک سیستم نورلتی را تشکیل می دهند وظیفه تبدیل نور به الکتریسیته را دارند صفحات خورشیدی از اتصال یک سری سلول خورشیدی که به صورت موازی و سری به هم متصل می شوند شکل
می گیرد. سلول های خورشیدی که وظیفه تبدیل نور به الکتریسیته را به عهده دارند.
که از مواد نیمه هادی ساخته می شوند و انواع مختلف آن عبارتند از:
1- سلول خورشیدی از مواد سیلیکونی تک کریستال
2- سلول خورشیدی از مواد سیلیکونی چند کریستال
3- سلول خورشیدی از مواد سیلیکونی بی شکل
4- سلول خورشیدی از مواد سیلیکونی
در اینجا سلول خورشیدی از مواد سیلیکونی چند کریستال مورد نظر می باشد.
یک صفحه خورشیدی از نوع MA 36/45 که در آن 36 سلول خورشیدی با هم سری شده اند و دارای مشخصات زیر می باشند نشان داده شده است.
راندمان 5/11 درصد
جریان 7/2 آمپر
ابعاد 5/0 × 1 متر مربع
ولتاژ 16 ولت
توان 5/4 وات پیک در شرایط تست استاندارد
وزن 5/5 کیلو گرم
برای مصارف با ولتاژهای مختلف ماژول ها را می توان به صورت سری و موازی به هم متصل نمود.
باطری
سیستم های نورولتی فقط در صورتی که در معرض نور قرار گیرند انرژی الکتریکی تولید می کنند و به همین سبب در هنگام شب و روزهای ابری که شدت تابش نور خورشید ناچیز است از باطری استفاده می شود و باطری ها در زمانی که شدت تابش مناسب است توسط صفحات خورشیدی شارژ می گردند.
شارژ کنترولر
جهت حفاظت باطری ها باید ولتاژ و مقدار شارژ باطری کنترل شود که این عمل توسط دستگاه الکترونیکی شارژ کنترولر انجام می گردد.
مبدل DC به AC
ولتاژ تولید شده توسط صفحات خورشیدی از نوع جریان مستقیم است و در صورتی که مصرف کننده به جریان متناوب نیاز داشته باشد باید از مبدل جریان مستقیم استفاده نمود. همانطوری که قبلا هم اشاره شد مزایای بالای این گونه سیستم ها و کارآیی فراوان آن سبب شده است که مصرف این گونه سیستم ها مورد توجه قرار گیرد.
جدول2-1-رشد فروش سیستم های برق خورشیدی از سال 1985تا1990 نشان داده شده است.
جدول 2-1

برآورد هزینه تامین الکتریسیته خورشیدی (فتوولتائیک)
هزینه مورد نیاز برای تامین الکتریسیته خورشیدی (فتوولتائیک) به میزان وات تولیدی وابسته است برای روشن شدن مطلب هزینه مورد نیاز برای سه وات تولیدی مختلف 225 وات و 450 وات و 900 وات به صورت جداولی آورده شده است.

الف) 225 وات
جدول 3-1- لیست تجهیزات مورد نیاز همراه با قیمت آنها در جدول زیر آمده است:
جدول 3-1

ب) 450 وات
جدول 4-1- لیست تجهیزات مورد نیاز همراه با قیمت آنها در جدول زیر آمده است:
جدول 4-1

ج) 900 وات
جدول 5-1- لیست تجهیزات مورد نیاز همراه با قیمت آنها در جدول زیر آمده است:
جدول 5-1

تذکر:
1- فاصله بین تولید کننده الکتریسیته خورشیدی تا مصرف کننده کمتر از 20 متر در نظر گرفته شده است.
2- برق تولید شده DC می باشد بدیهی است برای مصارف AC نیاز به مبدل DC به AC می باشد که در آن صورت هزینه مربوط به مبدل یا مبدل های ذکر شده در جدول های شماره 3 و 4 و 5 اضافه خواهد شد.
3- تجهیزات آمده ساخت داخل است.

فصل دوم
موقعیت فعلی و آینده انرژی طبیعی

طبقه بندی سیستم های خورشیدی
سیستم های خورشیدی، سیستم هایی هستند که به وسیله آنها انرژی خورشیدی در جهت برآوردن نیازهای جوامع بشری به انرژی استفاده می شود.
1-1- سیستم های فتوبیولوژیکی
2-1- سیستم های شیمیایی
3-1- سیستم های فتوولتائیک
4-1- سیستم های حرارتی
سیستم های فتوبیولوژی
فرآیند فتوسنتز قدیمی ترین و گسترده ترین روش استفاده از انرژی خورشیدی است. گیاهان تشعشع خورشیدی را جذب کرده و به کمک آن گاز کربنیک و آب را به مواد قندی تبدیل می کنند. در روند این فعل و انفعالات گیاهان اکسیژن را آزاد و نیتروژن و مواد فسفری را که برای ادامه حیات آنها ضروری است جذب می کنند. نتیجه این فرآیند ذخیره سازی بیولوژیکی انرژی خورشیدی است. انرژی خورشیدی (ذخیره شده در گیاهان) از طریق سوزاندن چوب یا تهیه سوخت هایی از قبیل الکل و متان بازیابی می شود. امروزه تهیه سوخت از مواد گیاهی به علت بازدهی پایین آن به ندرت
استفاده می شود راندمان این فرآیند بین 25/0 تا 5/. درصد بوده که به طور قابل ملاحظه ای از بازدهی اشکال دیگر استفاده از خورشید کمتر است حتی با وجود این بازدهی کم هزینه تولید انرژی از بعضی از گیاهان با هزینه تولید سوخت های فسیلی قابل مقایسه می باشند از سوی دیگر می توان از سلولز که نتیجه مستقیم فرایند فتوسنتز بوده و به مقدار زیادی در مواد مازاد کشاورزی و گیاهی موجود است به عنوان یک منبع انرژی زا برای تهیه مواد غذایی یا مواد شیمیایی مورد نیاز صنایع بهره گرفت.
سیستم های شیمیایی خورشیدی
سیستم های شیمیایی خورشیدی به دو دسته کلی تقسیم می شوند:
الف) سیستم های فتو شیمیایی که در آن از تشعشع خورشید در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود.
ب) سیستم های هلیوترمیک که در آن از خورشید به عنوان منبع حرارت بهره
می گیرند. هر دو سیستم در سنتز که به دوانرژی حرارتی و نورانی نیاز دارند به کار رفته و در نتیجه این فرآیند سوخت تولید می شود.
سیستم های فتوولتائیک
روندی که انرژی خورشیدی را بدون بهره گیری از مکانیزم های متحرک به انرژی الکتریکی تبدیل کند پدیده فتوولتائیک نامیده می شود. عاملی که در آن فرآیند بکار
می رود سلول های خورشیدی نام دارد استفاده از این سلول ها حدود 43 سال پیش (از سال 1960) با به کار بردن آنها به عنوان مولد الکتریکی در زمینه های فضایی خورشیدی می تواند انرژی خورشیدی را با بازدهی معادل 5 تا 20 درصد مستقیماً به الکتریسیته تبدیل کند اما استفاده از آنها به علت بهای بسیار زیادشان جز در نقاط صعب العبور هنوز با صرفه نبوده اند.
عملکرد سلولهای خورشیدی
الکتریسیته یا ایجاد اختلاف فشار الکتریکی در نیمه هادی هایی که به طور مناسب ساخته شده اند تولید می شود. امروزه موثر ترین و ارزان ترین سلول های خورشیدی سلول خورشیدی سیلیسیم می باشد. ماسه یکی از منابع مهم سیلسیم بوده و بعد از پالایش آن کریستال های سیلسیم بدست می آید. که پس از بریده شدن به صورت لایه در می آید. سیلسیم به طور خالص از نظر هدایت الکتریکی، هادی ضعیفی (نیمه هادی) است اما اگر هنگام پالایش فسفر به آن اضافه شود بار منفی (الکترون) و در صورتی که بور (Borne) به آن اضافه گردد بار مثبت (حفره) پیدا می کند. نوع اول را سیلسیم نوع N و شکل دوم را سیلسیم نوع P می نامند می دانیم که سیلسیم دارای چهار الکترون در مدار خارجی است هنگامی که تعداد اتم فسفر به داخل کریستال سیستم وارد کنیم با توجه به اینکه فسفر پنج الکترون در مدار خارجی خود دارد. چهار الکترون مدار خارجی فسفر با چهار الکترون مدار خارجی سیستم یک مدار بوجود می آورند و بدین ترتیب یک الکترون به صورت آزاد باقی مانده و سیلسیم با بار منفی باردار شده و سیلسیم نوع N بوجود می آید. از سوی دیگر اگر بجای استفاده ازآن اتم بور که دارای سه الکترون در مدار خارجی است استفاده شودحوزه هایی که مثل الکترون قابلیت حرکت دارند ایجاد شده و سیلسیم به طور مثبت باردار می شود. اگر یک طرف یک کریستال نوع P را از نوع N باردار کنیم اتصال P- N بوجود می آید. در طرف نوع P حفره های آزاد و اتم های بور با بار منفی و ساکن و در طرف نوع N الکترون ها آزاد و اتم های فسفر با بار مثبت (به علت از دست دادن یک الکترون) وجود دارد میدان ایجاد شده توسط اتم های باردار ساکن نمی شود زیرا حفره های طرف P نمی توانند جای خود را به حفره های طرف N بدهند چون درست N حفره وجود ندارد. به همین ترتیب حرکت الکترون های طرف N نمی باشد. حال اگر یک فوتون (ذره ای از نور) به سطح گذر برخورد کند می تواند الکترون را از اتم سیلسیم جدا کرده و در نتیجه حفره به وجود می آورد.
حفره مزبور تحت تاثیر میدان به سمت ناحیه P و الکترون به سوی ناحیه N حرکت کرده و این دو حرکت متضاد و مخالف با بارهای گوناگون یک جریان الکتریکی بوجود می آورند انرژی الکتریکی ایجاد شده با سطح برخورد اشعه بر سطح گذر و قدرت تشعشع متناسب بوده و بازده ان حداکثر 20% می باشد. یک سلول فتوولتائیک معمولا به ضخامت 300 میکرون و از ضخامت دایره ای سیلسیم با قطر 3 تا 9 سانتی متر ساخته شده است. اتصالات در سطح بیرونی سلول که از یک شبکه فلزی پوشیده شده قرار دارد. پشت سلول با یک ورقه فلزی پوشیده شده است.
نوع دیگری از سلول های فتوولتائیک نیز وجود دارد که در آن به جای سیلسیم به عنوان عنصر پایه از کادمیم استفاده می شود. مساحت سطوح سلول جریان تاثیری بر ولتاژ آن نداشته و معمولاً حدود 5/0 ولت می باشد اما شدت جریان تابع مساحت سطح سلول و شدت تشعشع خورشید بوده و در شرایط ایده آل معادل 250 آمپر در هر متر مربع سطح سلول می باشد برای ایجاد یک ژنراتور، سلول ها به طور سری و یا موازی به یکدیگر متصل می شوند مثلا در صورت اتصال 24 عدد سلول خورشیدی به طور سری، ولتاژی معادل 12 ولت در درجه حرارت 25 درجه سانتی گراد ایجاد می شود. با ازدیاد درجه حرارت قدرت تولیدی سلول خورشیدی کاهش می یابد.
موارد استفاده:
از سلول فتوولتائیک به دلیل خواص آن در طرح های دراز مدت استفاده می شود.
سلول های فتوولتائیک پس از نصب به مراقبت و نگهداری نیاز ندارند. به همین علت در نقاطی مانند ایستگاه های رله امواج رادیو و تلویزیون و چراغ های راهنمایی دریایی و چراغهای راهنمایی هوایی که بازدید و مراقبت از سیستم مشکل است بکار می رود. به طور کلی در نقاطی که دور از شبکه انرژی بوده و به مقدار انرژی کم اما مستمر نیاز است بکارگیری سیستم های فتوولتائیک از نظر اقتصادی و فنی بسیار مناسب می باشد.
سیستم های حرارتی
در حال حاضر اقتصادی ترین سیستم انرژی خورشیدی بشمار می آید این گروه سیستم ها را می توان به ترتیب زیر طبقه بندی کرد:
الف) سیستم های آبگرم
ب) سیستم های گرمایش و سرمایش
ج) سیستم های خشک کردن و پختن
د) سیستم های آب شیرین کن
ن) سیستم های پمپاژ
و) سیستم های تولید الکتریسیته
گردآورنده های خورشیدی تخت
عنصر اصلی گردآورنده های تخت خورشیدی یک ورق است که بوسیله تابش کلی خورشید حرارت می یابد و حرارت خود را به یک سیال جذب کننده حرارت که در حال جریان است منتقل می کند. این سیال معمولاً آب یا هوا است. رنگ ورق همیشه تیره است و ممکن است که دارای پوشش خاصی نیز باشد که ضریب جذب انرژی خورشیدی را به حداکثر برساند از ورق های لاستیکی، پلاستیکی و فلزی برای خروجی های با دمای بالا استفاده می شود. سیستم معمولاً دارای یک بخش ذخیره است تا حرارت خورشید را برای استفاده در شب ممکن نماید. اگر سیال سیستم یک مایع باشد بخش ذخیره یک عایق دار است و اگر سیال سیستم هوا باشد از مقداری سنگ یا بتن استفاده می شود این راه حل جاگیر است ولی در مواردی که تغییر فاز می دهند راه حل بهتری است. اما حتی با این مواد پیشرفته هنوز ذخیره
کردن حرارت برای مدت های طولانی عملی نیست و در نتیجه بیشتر سیستم های حرارتی خورشیدی از سیستم های ثانویه ای که با انرژی فسیلی کار می کنند به عنوان مکمل سیستم استفاده می شود. شکل (1) شیماتیک یک سیستم استاندارد گرمایشی که سیال انتقال گرمای آن مایع می باشد را نشان می دهد در مدار گردآورنده این سیستم معمولاً از محلول آب و گلکول استفاده می گردد. برای انتقال گرما از تانک ذخیره به ساختمان از یک مبدل گرمایی آب- به- آب استفاده به عمل آمده است. یک گرمکن کمکی برای تهیه انرژی جهت تامین بار گرمایی فضا هنگامی که نتواندآن را تانک تامین کند پیش بینی شده است.

شکل 1- طرح شماتیک یک سیستم استاندارد گرمایش خورشیدی با سیال مایع

بررسی اقتصادی سیستم های گرمایش خورشیدی
با توجه به تغییرات شرائط آب و هوایی در طول سال به کارگیری سیستم هایی که از گرمای خورشید بهره می گیرند اقتصادی نخواهد بود و بهتر است که از یک انرژی کمکی مانند سوخت های فسیلی نیز در کنار این سیستم استفاده به عمل آید، یه این ترتیب سیستم قادر خواهد بود که در شرایط نا مساعد هوا و همچنین در مواقع غیر آفتابی به کار خود ادامه دهد. به عبارت دیگر سیستم خورشیدی در طول روز (ساعات آفتابی) عمل نموده و در مواقع غیر آفتابی انرژی فسیلی مورد استفاده قرار خواهد گرفت. در چنین سیستمی هزینه تولید انرژی و یا نسبت انرژی و هزینه مصرفی را به انرژی تولید شده کمتر از سیستمی است که کل انرژی آن توسط خورشید تامین گردد. هزینه هایی که برای ساخت و نگهداری یک سیستم گرمایی خورشیدی مورد نیاز می باشد را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:
1- هزینه ساخت و نصب تجهیزات
2- سوخت
3- تعمیرات و نگهداری
4- طراحی سیستم
تجهیزات سیستم خود شامل قسمت های مختلفی است مانند:
1- کلکتورها، سازه نگهدارنده
2- سیستم انتقال انرژی شامل پمپ ها، لوله ها و یا کانال ها
3- سیستم ذخیره انرژی
سرمایه گذاری:
تصمیم گیری بر روی سرمایه گذاری ها معمولاً بر پایه آینده نگری و میزان برگشتی است که آن سرمایه گذاری در آینده به بار خواهد آورد. آنالیز اقتصادی معمولاً بایستی بر اساس مقایسه اقتصادی آلترناتیوهای مختلفی باشد که در این میان جرایان های نقدی هر آلترناتیو می تواند به عنوان ضابطه ای به کار برد. اگر چه اقتصادی مهندسی سعی بر دلالت دادن پارامترهای کمی در مسئله دارد ولی این نکته را نبایستی از نظر دور داشت که ظوابط کیفی در بسیاری از حالات اهمیت کمی را تحت الشعاع قرار می دهد. مسائل اجتماعی، فرهنگی، محیط زیست که به عنوان پارامترهای پروژه تعریف می شوند. شاید اهمیت کمتری از میزان سرمایه گذاری و بازدهی کمی پروژه ها نداشته باشد. نوع معمولی و رایج سرمایه گذاری در واحدهای صنعتی الگویی از سرمایه گذاری در حال حاضر و هزینه یا درآمدهایی است که از نتیجه این سرمایه گذاری حاصل می گردد، می باشد. معمولاً هر سرمایه گذاری بعد از زمانی که به آن عمر اقتصادی می گویند مستهلک شده و به ارزشی می رسد که به آن ارزش اسقاطی گویند در بعضی از مواقع این ارزش صفر منظور می گردد. یعنی دستگاه و یا تجهیزات پس از طی عمر اقتصادی ارزشی ندارد.
هزینه اولیه:
این مقدار برابر با هزینه های اولیه ای مثل هزینه کلکتورها، مخزن، لوله، هزینه نصب و سایر هزینه هایی که در ابتدا اتفاق می افتد می باشد.
الف) هزینه کلکتور:
کلکتورها یه دو دسته تقسیم می شوند. کلکتورهای آبی به علت وجود لوله های مسی جهت انتقال سیال هزینه بالاتری نسبت به کلکتورهای هوائی دارد. هزینه کلکتورهای آبی 000/400 ریال برای هر متر مکعب خواهد بود که در مورد کلکتورهای هوائی به دلیل نداشتن لوله های مسی و هزینه پرسنلی کمتر حدود 000/200 ریال می باشد.
ب) هزینه منبع ذخیره:
منبع ذخیره در اکثر کارخانجات ایران در ظرفیت های متفاوت ساخته می شود که هزینه آن برای هر لیتر حجم منبع حدود 600 ریال برآورد گردیده با توجه به اینکه هر متر مکعب کلکتور 75 لیتر ذخیره انرژی منظور گردیده لذا هزینه مخزن حدود 45000 ریال برای هر متر کلکتور خواهد بود.
ج) هزینه نصب و سازختن کلکتورها:
این هزینه نیز بر حسب متر مربع کلکتور محاسبه شده است که برای نصب 20000 ریال برای سازه 5000 ریال برای هر متر مربع کلکتور در نظر گرفته شده است. جدول (2) لیست تجهیزات را بر حسب متر مربع کلکتور نشان می دهد.
جدول (2): هزینه تجهیزات سیستم گرمایش و آبگرم خورشیدی بر حسب متر مربع کلکتور

در این بررسی، مقایسه اقتصادی سیستم های گرمایش و آبگرم خورشیدی از نظر مصرف کننده و دیدگاه ملی مورد ارزیابی قرار گرفته است.
الف) از نظر مصرف کننده:
در ابتدا استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوخت مصرفی خانوار در کنار سیستم خورشیدی بررسی می گردد. قیمت هر متر مکعب از گاز طبیعی 18 ریال است. متوسط انرژی مورد نیاز برای تامین گرمایش و آبگرم مصرفی منازل (خانواده 5 نفر) در ایران 3 10×121 مگاژول در سال می باشد. ارزش حرارتی متوسط
گاز طبیعی 3 mj/m 3/37 بوده و راندمان سوخت های گازی
60 درصد در نظر گرفته شده است که به این ترتیب مصرف سالیانه متوسط هر خانواده 5500 متر مکعب حاصل خواهد شد.
در صورتی که درصدی از انرژی مورد نیاز هر خانواده توسط انرژی خورشید تامین می گردد. با توجه به راندمان سیستم های خورشیدی مساحت مورد نیاز بصورت فوق حاصل می شود.

که در رابطه فوق Q مقدار انرژی دریافتی، راندمان وI متوسط سالانه انرژی خورشیدی بر روی صفحه شیبدار در کشور می باشد و برای 34 نقطه از کشور مقدار متوسطش .yr 2 Mj/m 6700 بدست آمده است. هزینه اولیه سیستم های خورشیدی همانطور که ذکر شد شامل: هزینه کلکتور، منبع ذخیره، نصب، سازه و سایر هزینه هاست که هزینه تولید انبوه آن برای هز متر مربع کلکتور 300000 ریال پیش بینی می گردد. برای مقایسه اقتصادی دو سیستم سوخت فسیلی گازی و هیبرید (مشترک گازی و خورشیدی) از روش محاسبه ارزش فعلی هزینه ها استفاده شده است و حداقل نرخ جذب 15 و 20 درصد با عمر مفید 25 سال برای سیستم ها در نظر گرفته شده است. برای مقایسه اقتصادی سیستم های گرمایش و آبگرم از دید خانوار و در شرایط کلی می توان رابطه ای را بر اساس ارزش فعلی هزینه های سیستم خورشیدی و فسیلی ارائه نمود.

Pw = ارزش فعلی هزینه های سیستم
f = کسری از انرژی حرارتی مورد نیاز که توسط خورشید تامین می گردد.
Q = کل انرژی حرارتی مفید در سال
I = شدت انرژی به واحد سطح در سال
= راندمان کلکتور
C = هزینه سرمایه گذاری اولیه (یا قیمت سیستم خورشیدی به ازای هر متر مکعب کلکتور)
Hf = ارزش حرارتی سوخت مصرفی
= راندمان حرارتی کوره سوخت فسیلی
Rf = قیمت داخلی هر واحد سوخت فسیلی
i = حداقل نرخ جذب سرمایه
= طول دوره یا عمر سیستم
G = درصد افزایش قیمت سوخت در سال اول
بنابراین با در نظر گرفتن 20 درصد افزایش قیمت پایه سوخت در هر سال ارزش فعلی هزینه ها برای سیستم سوخت فسیلی بدست خواهد آمد.
ریال 1400000 =(فسیلی) Pw
برای تامین 50 درصد از انرژی مورد نیاز توسط خورشید و با راندمان 30 درصد برای سیستم خورشیدی مساحت کلکتور مورد نیاز بدست خواهد آمد:
ریال 9700000 = Pw

مقایسه اقتصادی دو سیستم با توجه به ارزش فعلی هزینه ها نشان می دهد که سیستم سوخت فسیلی دارای ارزش فعلی هزینه های کمتری دارد و اقتصادی می باشد.
همچنین برای حداقل نرخ جذب 20 درصد نتایج ذیل حاصل خواهد شد:
ریال 950000 = (سیستم هیبرید) Pw
ریال 954000 = (فسیلی) Pw
که مجدداً مقایسه اقتصادی نشان می دهد که سیستم هیبرید خورشیدی اقتصادی نمی باشد. جدول 3 مقادیر ارزش فعلی هزینه ها را برای یک سیستم هیبرید که 50 درصد توسط انرژی خورشید تامین می گردد را برای مقادیر مختلف راندمان سیستم خورشیدی ارائه می دهد.

جدول 3 : ارزش فعلی هزینه ها برای مقادیر مختلف راندمان سیستم خورشیدی با سهم 50%

مقادیر جدول 3 برای حداقل نرخ جذب 15 درصد (%15 = i) بدست آمده است. همچنین به عنوان مقایسه کاهش سهم انرژی خورشیدی برای یک سیستم هیبرید که %30 توسط انرژی خورشید تامین می گردد مقادیر حاصل در جدول 4 ارائه شده است.
جدول 4: ارزش فعلی هزینه ها برای مقادیر مختلف راندمان سیستم خورشیدی باسهم 30%

جدول 3 نشان می دهد که با افزایش راندمان سیستم خورشیدی سطح کلکتور مورد نیاز کمتر خواهد بود و ارزش فعلی هزینه ها کاهش می یابد و در مقایسه با سیستم فسیلی تقاوت ارزش فعلی هزینه ها کمتر می گردد و به شرائط اقتصادی
نزدیک تر می گردد، لذا برای افزایش راندمان کلکتورهای خورشیدی باید به تکنولوژی های راندمان بالاتر با تغییراتی در سیستم خورشیدی دست یافت. همچنین جدول 4 کاهش سهم استفاده از انرژی خورشیدی را نشان می دهد که در این حالت سطح کلکتورهای مورد نیاز کاهش می یابد و ارزش فعلی هزینه ها نیز کمتر خواهد شد. بنابراین برای کاهش تفاوت ارزش فعلی هزینه های سیستم فسیلی و خورشیدی می توان سهم استفاده از انرژی خورشیدی را نیز کمتر کرد. این حالت را در ابتدای سیاست گسترش استفاده از سیستم های گرمایش و آبگرم خورشیدی می توان توصیه کرد و بتدریج همزمان با اعمال سایر سیاست ها سهم انرژی خورشیدی را نیز افزایش داد. اما این افزایش دارای محدودیت نیز می باشد زیرا مشکلات محل نصب بدلیل اینکه آپارتمان نشینی در ایران رو به گسترش است وجود خواهد داشت. در بررسی دیگر از گازوئیل به عنوان سوخت مصرفی خانوار استفاده می شود. قیمت هر لیتر گازوئیل با احتساب هزینه حمل و نقل و تحویل در منازل 500 ریال می باشد که متوسط مصرف سالیانه هر خانواده با توجه به ارزش حرارتی متوسط گازوئیل که برابر Mj/liter38 بوده و راندمان کوره های حرارتی با سوخت گازوئیل 55 درصد در نظر گرفته شده برابر 6000 لیتر حاصل خواهد شد. بطور مشابه با سوخت های گازی ارزش فعلی هزینه ها محاسبه خواهد شد.
ریال 3000000 = (سوخت گازوئیلی) Pw
و برای سیستم هیبرید با سهم 50 درصد از انرژی خورشیدی خواهیم داشت:
ریال 1500000 = (سیستم هیبرید) Pw
مقایسه اقتصادی دو سیستم با توجه به ارزش فعلی هزینه ها نشان می دهد که سیستم سوخت گازوئیلی دارای ارزش فعلی هزینه های کمتری است و اقتصادی می باشد. همچنین برای حداقل نرخ جذب 20 درصد نتایج زیر حاصل خواهد شد:
ریال 10040000 = (سیستم هیبرید) ریال
2080000 = (سوخت گازوئیلی) Pw
که مجدداً مقایسه اقتصادی نشان می دهد که سیستم هیبرید با سوخت گازوئیلی از دید خانوار اقتصادی نمی باشد. در اشکال 2 تا 5 نمودار نمودارهای ارزش فعلی هزینه های سیستم خورشیدی بر حسب راندمان کلکتور رسم شده است. در این اشکال، خط چین رسم شده ارزش فعلی هزینه ها را برای سیستم 100 درصد سوخت فسیلی نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود با افزایش راندمان سیستم خورشیدی ارزش فعلی هزینه ها کاهش می یابد ولی در تمامی حالات ارزش فعلی هزینه های سیستم های هیبرید بالا بوده و لذا سیستم هابرگشت سرمایه ای نداشته و اقتصادی نمی باشند. بنابراین در این شرایط و با نرخ هایی که خانوار برای سوخت های فسیلی پرداخت می کند این سیستم ها در حد تحقیق، نمایش کارکرد سیستم ها، بهبود سیستم ها و دستیابی به راندمان های بالا و سرمایه گذاری اولیه کمتر، مسیر توسعه خواهند داشت.
ب- بررسی اقتصادی از دیدگاه ملی:
از نظر ملی برای بررسی اقتصادی از نرخ های بین المللی سوخت های فسیلی استفاده می شود. برای گاز طبیعی نرخ تعیین شده برای صادرات ایران 9 سنت و برای گازوئیل قیمت واردات 14 سنت است که برای ارزش دلار 9000 ریال بررسی صورت گرفته است.
بر اساس بررسی هایی که توسط شورای جهانی انرژی صورت گرفته برای قیمت های جهانی سوخت ها افزایشی در حدود 3 درصد در هر سال پیش بینی شده است که این مقدار برای مقایسه اقتصادی استفاده شده است.
در اینجا نیز برای مقایسه اقتصادی سیستم های هیبرید خورشیدی با فسیلی و از دیدگاه ملی در شرائط کلی می توان رابطه ای را بر اساس ارزش فعلی هزینه های دو سیستم ارائه نمود.
Pw = ارزش فعلی هزینه های سیستم
f = کسری از انرژی حرارتی مورد نیاز که توسط خورشید تامین می گردد.
Q = کل انرژی حرارتی مفید در سال
I = شدت انرژی به واحد سطح در سال
= راندمان کلکتور
C = هزینه سرمایه گذاری اولیه (یا قیمت سیستم خورشیدی به ازای هر متر مکعب کلکتور)
Hf = ارزش حرارتی سوخت مصرفی
Rf = قیمت داخلی هر واحد سوخت فسیلی
E = نرخ افزایش سوخت در هر سال
در این قسمت نیز نمودارهای ارزش فعلی هزینه های سیستم خورشیدی بر حسب راندمان رسم شده است. همانطور که مشاهده می شود با افزایش راندمان سیستم خورشیدی، ارزش فعلی هزینه ها کاهش می یابد و در اکثر حالات فعلی هزینه های سیستم هیبرید از سیستم های صد درصد سوخت فسیلی کمتر می باشد و لذا در این حالات سیستم های هیبرید برگشت سرمایه حاصل از صرفه جویی در سوخت داشته و اقتصادی می باشند از این نمودارها برای ارزیابی اقتصادی سیستم های خورشیدی در هر حالتی می توان استفاده کرد.

سیاست توسعه سیستم های گرما خورشیدی
برای اینکه بتوانیم سهم موثر توسعه سیستم های گرمایشی و آبگرم خورشیدی را در آینده دریابیم، نیاز داریم که امکان توسعه این سیستم ها و هزینه چنین توسعه ای را تخمین بزنیم وضعیت فعلی این سیستم ها، نقطه آغاز خوبی است و بایستی با نگرش به پارامترهای حیاتی مانند اهداف جاری تحقیقاتی، راندمان تخمینی، بهبود بخشی مواد و اثرات هزینه ای تولید انبوه بررسی نمود، البته این بررسی ها همه تضمینی نخواهد بود زیرا که امکان پیش بینی جهش های تکنولوژیکی و ساختار بازار وضعیت اقتصادی در آینده نا مطمئن خواهد بود. برای آنکه به توسعه نمایش کارکرد و بکارگیری سیستمهای گرما خورشیدی شتاب داده شود، دولت می تواند انواع مختلف برنامه های تشویقی را اجرا نماید. این برنامه ها می توانند شامل موارد زیر بشوند:
کمک های اقتصادی:
این برنامه قسمتی و یا تمام ریسک های مربوط به سرمایه گذاری اولیه مورد نیاز برای سیستم های گرمایش و آبگرم خورشیدی را در مقایسه با سیستم سوخت های فسیلی حذف می کند. این کمک ها می تواند به صورت معافیت های مالیات بر سرمایه گذاری، برنامه های کاهش سریع ارزش سیستم ها، وام های با بهره کم، امتیازات خاص برای ساخت سیستم ها، پرداخت یارانه مشارکت در هزینه های سرمایه گذاری برای دستگاه ها یا تامین بخشی از نیازهای مالی برای ایجاد تاسیسات ساخت و تولید در حد انبوه بوسیله دولت باشد.
تحقیق، توسعه و نمایش کارکرد سیستم ها:
در این برنامه ها با سرمایه گذاری دولت برای مشارکت در هزینه های نمایش کارکرد سیستمها پیش از آنکه تقاضایی در بازار بوجود آمده باشد می توان استفاده نمود و در این صورت است که سازندگان، حداقل ریسک مالی تاخیر برنامه ای و هزینه های توسعه در یک بازار به سرعت در حال گسترش،حاضر به مشارکت خواهند شد.
استفاده اجباری از سیستم های گرمایش خورشیدی و کنترل تقاضا برای سوخت های فسیلی:

تعیین آیین نامه اجباری برای ساختمان های جدید تجاری و مسکونی یا تاسیسات دولتی دال بر استفاده از سیستم های گرمایش و آب گرم خورشیدی، تقاضا برای استفاده از سیستم های گرمایش خورشیدی را می توان از طریق بازداشتن مردم از استفاده سوخت های فسیلی از طریق مالیات یا تعیین سهمیه افزایش داد. برنامه های تشویقی دیگر عبارتند از: پرداخت وام های ویژه دراز مدت با بهره کم و بدون مالیات توسط بانک ها برای سرمایه گذاری در سیستم های آبگرم خورشیدی. در اقتصادی که مبتنی بر مالیات بر درآمد است تخفیف مالیات بر سرمایه گذاری و کمکهای مبتنی بر کاهش سریع ارزش ابزار موثری برای شتاب دهی استفاده از سیستم های گرمایش خورشیدی هستند زیرا که:
الف) هزینه موثر سرمایه گذاری را به مقادیری که قابل مقایسه با سوختهای فسیلی هستند کاهش می دهد.
ب) شرکت های خصوصی سرمایه ها را برای تامین مالی پروژه های نمایش عملکرد و ایجاد توانائی های ساخت تجاری جلب می نمایند.
استفاده از تجربیات کشورهای دیگر در زمینه استفاده از سیستم های خورشیدی بسیار موثر خواهد بود. این تجربیات و اطلاعات در دسترس هستند ولی بایستی بطور وسیعی اشاعه یابند و تجربیات آتی به خلاصه سازی خوب مدارک و اطلاعات و فعالیت های مستقل جداگانه نیاز دارد. برنامه های تشویقی را می توان و می بایست توسعه داد تا به کاربردهای نهایی بسیار خوب و وسیعی دست یافت و باید تلاش کرد تا بر بعضی از عوامل مهمی که گرایش به محدود کردن استفاده از سیستم های گرمایش خورشیدی دارند فائق آمد.
تعدادی از این محدودیت ها عبارتند از:
– رقابت اقتصادی با سوخت های فسیلی
– هزینه سرمایه گذاری اولیه و هزینه عملیاتی آینده
– کل سرمایه مورد نیاز برای سرمایه گذاری
– رشد منطقی در تولید انبوه
– تغییرات مورد نیاز در نحوه زندگی و آموزش
برای از بین بردن اثر این عوامل محدود کننده باید برخی از برنامه هایی را که دارای مشخصات ذیل باشند توسط دولت در هر جا که اقتضی می کند به کار بسته می شود:
فنی:
– توسعه پایگاه های اطلاعات محلی و منطقه ای برای کمک به برنامه ریزی
– سرمایه گذاری در تحقیق و توسعه برای دستیابی به استعداد تکنولوژی و درگیر نمودن موثر و بسط RSD به درون بخش خصوصی
– بکار بستن نتایج برنامه های تحقیق و توسعه در شهرهای مختلف
– تاکید روی طراحی و ساخت سیستم های با کیفیت مناسب
اقتصادی:
– سوق دادن امکانات مالی به طرف بخش خصوصی برای ساخت این سیستم ها
– بررسی هزینه های خارجی سوخت های فسیلی هنگام تنظیم و تعیین یارانه
– در صورت امکان تشویق برای انرژی تحویل شده توسط این سیستم ها علاوه بر هزینه های سرمایه گذاری.

آموزش/ اجتماعی – فرهنگی:
– مرتبط ساختن برنامه ها با ابتکارهای صرفه جویی
– آموزش و اطلاعات برای مصرف کننده/ عموم
– پیشنهاد، خدمات ارزیابی رایگان به مصرف کنندگان توسط متخصصین دوره دیده.
چنداستفاده ازانرژی خورشیدی:
همچنانکه گفته شد انرژی خورشیدی کل انرژی موجود برروی کره زمین را تشکیل می دهد برای شناخت موضوع و انرژی خورشید را از جهات علوم نجومی، بررسی قرار داده و نحوه بهره گیری از هر یک از آنها در زیر آمده است.
1- علوم نجومی:
انرژی خورشیدی از نقطه نظر علوم نجومی به دو صورت انرژی تابشی و انرژی حرارتی تقسیم می گردد.
الف) استفاده از انرژی تابشی:
بیشتر در جهت تولید برق و روشن سازی بکار گرفته می شود. مقدار انرژی تابشی خورشید در روی کره زمین 10000 برابر مصرف مقدار سالیانه انرژی کل دنیا می باشد. برای تبدیل انرژی تابشی به الکتریکی می توان از فتوولتائیک
بهره گرفت و مستقیماً آن را به انرژی الکتریکی تبدیل نمود. از این روش می توان تا مقیاس یک روستا را برق رسانی نمود. تکنولوژی آن ساده و تعمیر و نگهداری نیز ضرورتی ندارد. بطور مثال فتوولتائیک با 15% راندمان مفید در شرایط هوای آفتابی 2 W/m100 تولید برق می نماید. روشن سازی محیط انرژی تابشی خورشید به طور طبیعی صورت می گیرد و پدیده روشنایی کره زمین در طی روز توسط انرژی تابشی می باشد.
ب) انرژی حرارتی:
انرژی حرارتی خورشید خود به طور مستقیم مورد استفاده های مختلفی دارد.برای مثال با کاربرد کلکتورهای خورشیدی می توان آبگرم، گرمایش داخل فضاها، سرمایش، آب شیرین، خشک کردن محصولات کشاورزی و تولید برق و حرارت نمود.
بطور مثال در مقایسه با سرمایش و گرمایش با سیستم های متعارف و متداول با استفاده از کلکتورهای خورشیدی و چیلر جذبی می توان در انرژی مورد نیاز برای گرمایش و سرمایش منازل به ترتیب %52 و %39 صرفه جویی انرژی نمود یا با افزایش سطح عدسی و جمع کردن اشعه بیشتر حرارت زیادتری تحصیل نمود. در فرانسه کوره خورشیدی نصب شده در روی Pyreness تقریبا دارای قدرت تحصیل 3300 درجه سانتی گراد بوده که می تواند فلز تنگستن را ذوب کند.

2- علوم محیطی:
انرژی خورشیدی از نقطه نظر علوم محیطی به دو نوع انرژی آب و انرژی باد تقسیم می شود.
الف) رودخانه ها که بوسیله گرمایش خورشید و ذوب شدن برف ها بوجود می آیند. به دو صورت می توانند در تولید برق موثر باشند. اولاً تولید برق توسط انرژی آب بوسیله افت آب از ارتفاع زیاد و به حرکت در آوردن توربین میسر می باشد. در این روش ساخت سدها نمونه بارز این مصداق است. ثانیاً حرکت آب رودخانه ها نیز امکان چرخش توربین را نیز میسر می کنند که نتیجتاً برق تولید می گردد.
ب) باد که از گرم شدن لایه های هوا و حرکت این هوا و جابجایی آن بوجود می آید. در حال حاضر در تولید نیروی برق و گرمایش بکار گرفته می شود و کشورهای آمریکا و اروپای غربی در اوایل دهه 1980 اقدام به آزمایش تولید چندین مگاوات برق مصرفی از نیروی باد گردیدند. البته تا به حال در تولید برق بوسیله نیروی باد، با نصب مجموعه ای از توربین بادی در یک نقطه موفق به کسب 50 تا 100 کیلووات برق شده اندو بخصوص در ایالات کالیفرنیا واقع در ساحل غربی با نصب 10000 دستگاه توربین بادی به ظرفیت کل 1000 کیلووات در حال حاضر برق تولید می گردد.

3-علوم شیمیایی:
از نقطه نظر علوم شیمیایی فعل و انفعالات شیمیایی بوسیله نور را می توان نام برد. در پدیده فتوسنتز در گیاهان تبدیل انرژی نور به شیمیایی صورت می گیرد، کلروفیل موجود در سلول های گیاهان نور خورشید را جذب و با ازدیاد انرژی در آنها موجب فعل و انفعالات شیمیایی شده و نهایتاً از گاز دی اکسید کربن (2co)وآب(o2H) اکسیژن (2o) احیا می شود. این انرژی نه فقط موجب رشد و نگهداری گیاهان شده بلکه رل اصلی زندگی انسان و حیوان روی زمین را ایفا می نماید. این فعل وانفعالات، گاز کربنیک (2co) رابه اکسیژن (2o) تبدیل کرده و ترکیبات اتمسفریک را نیز بطور یکسان و متعادل نگهداری می نماید. به عقیده برخی صاحب نظران، نفت، ذغال سنگ، گاز و به عبارت دیگر انرژی فسیلی در طول زمان بوسیله انرژی فتوسنتز ذخیره شده در گیاهان بوجود آمده است (این نظریه مورد قبول برخی دیگر از کارشناسان قرار نگرفته است).

فصل سوم:
ثابت خورشیدی

مدل خورشیدی:
خورشید مبدا نهایی بیشترین انرژیی است که اکنون برای زمین وجود دارد. این انرژی شامل انرژی برای گرمایش مستقیم، انرژی باد، نیروی هیدروالکتریک و انرژی حاصل از سوخت های فسیلی است. سوخت های فسیلی که در حال حاضر وجود دارند نتیجه فرایند فتوسنتز هستند. فرایندی که طی آن، گیاهان انرژی خورشیدی را به انرژی شیمیایی، تبدیل می کنند. درک کامل تکنولوژی انرژی خورشید تنها از طریق تجزیه و تحلیل کامل از تابش خورشید میسر است.
خورشید، نزدیکترین ستاره به ما، برای بقاء حیات بر روی کره زمین انرژی تولید می کند و برای اینکه سیاره ما، در مداری تقریبا مدور باقی بماند، کشش گرانش مورد نیاز را ایجاد می کند.خورشید دارای جرم kg 30 10×99/1 = M (تقریباً 5 10×3/3 برابر جرم زمین) و شعاع m 8 10×96/6 = R (تقریباً معادل 109 برابر شعاع زمین) است. فاصله بین زمین و خورشید از 0167/1 واحد نجومی (در نقطه بعید خورشیدی، تقریباً 13 تیر ماه) تا 983/0 واحد نجومی است (یک واحد نجومی تقریباً برابر
11 10× 5/1 متر است).
قسمت درونی خورشید در دسترس ما نیست تا آزمایشات مستقیم بر روی آن انجام دهیم، ولی بر اساس مشاهداتی که از سطح خورشید صورت گرفته و بررسی های نظری، ستاره شناسان معتقدند که دمای درونی آن حدود 15 میلیون درجه کلوین است، ترکیب شیمیایی خورشید به طور عمده هیدروژن و مقدار کمتری هیلیوم است. این دو عنصر شیمیایی که 96 تا 99 درصد جرم خورشید را تشکیل می دهند تحت فشار شدیدی قرار دارند و تنها کشش گرانش زیاد خورشید این توده را در کنار یکدیگر نگه می دارد انرژی در درون خورشید از طریق همجوشی هسته ای هیدروژن به هلیوم تولید می شود.
این انرژی راه خود را به سطح خورشید می گشاید و سرانجام عمدتا به شکل تابش الکترومغناطیسی در فضا منتشر می شود. سطح خورشید یا فوتوسفر در واقع ناحیه انتقالی است که در آن چگالی به سرعت تقلیل می یابد. با عبور دادن خورشید به قسمت خارجی فوتوسفر از یک محیط که از لحاظ نوری به محیط نسبتاً شفاف می رسیم. علاوه بر این، دما نیز به حدود 6000 درجه کلوین تنزل می یابد. در بالای فوتوسفر جو خورشید قرار دارد که کروموسفر نام دارد زیرا به انتخاب رنگ های بخصوصی از تابش رسیده ازفوتوسفررا جذب می کند چون این لایه نسبتاً شفاف است، اثر آن را بر روی تابش خورشیدی تابیده می شود و نادیده می گیریم.
بیشتر تابش که به ما می رسد از فوتوسفر گسیل می شود و از این رو طیف خورشیدی به وسیله- خواص نوری و حرارتی سطح خورشید مشخص می شود. در مدل ساده ای که در اینجا به کار رفته است فرض می شود که خورشید همچون جسمی سیاه رفتار می کند که سطح آن k ْ 6000 T ثابت نگه داشته شده است. این دمای سطحی توسط یک منبع انرژی که در داخل خورشید قرار دارد ثابت نگه داشته می شود به دلیل این دمای بالا، سطح خورشید نور افشانی می کند و تابش الکترومغناطیسی در تمام جهات فضا منتشر می کند (شکل 1-3).

شکل 1-3- مدل ساده خورشید
تابش جسم سیاه: تابش الکترو مغناطیسی از امواج میدان های الکتریکی و مغناطیسی نوسان کننده تشکیل می یابد. هر موج با طول موج و فرکانس v مشخص می شود. در خلا همه امواج با سرعت یکسانی برابر 8 10×9979/2 = C متر در ثانیه حرکت می کنند. فرکانس، طول موج وسرعت vهر موج طبق رابطه روبروبه یکدیگر مربوطند: v= C
هر چه فرکانس بیشتر باشد، طول موج کوتاه تر است و بالعکس. کل طیف الکترومغناطیسی در شکل 1-3- نشان داده شده است. تنها نوار بسیار باریکی از طول موج هایی که در گستره nm 900 < < nm 400 قرار دارد، به چشم انسان قابل رویت است. طول موج هایی که در قسمت مرزی طیف قابل رویت در انتهای ناحیه بنفش (nm 400 < ) قرار دارند طول موج های ماوراء بنفش نامیده می شوند و غیر قابل رویتند طول موج هایی که در قسمت مرزی ناحیه قرمز (nm700 > ) قرار دارند و آنها نیز غیر قابل رویتند. همانطور که بعداً خواهیم دید تقریباً نصف تابش خورشیدی در قسمت مادون قرمز واقع است و این در حالی است که اجزای ترکیبی طیف مرئی کمتر از 40 درصد انرژی خورشید را تشکیل می دهند. هنگامی که تابش الکترومغناطیسی بر سطح یک جسم بتابد، می تواند منتقل، بازتاب و یا جذب شود. اگرجسم کدر باشد، هیچ انتقالی ممکن نیست. انرژی تابشی در زمان واحد در طول موج واحد که بر روی سطح مذکور تابانده می شود شار طیفی تابیده شده نامیده می شود. مشابهاًشارهای طیفی جذب شده و منعکس شده به ترتیب با و نشان داده می شوند. اندیس دلالت دارد که ما با یک طول موج تک مولفه ای سروکار داریم. کل شار موجود در نمودار توزیع به قرار روبرو است:

قابلیت جذب طیفی، و قابلیت بازتابش طیفی ، سطح یک جسم را با رابطه های زیر تعریف می کنیم:
(3-1) و
هنگامی که جسم کدر باشد، آنچه از سطح آن باز تابیده نمی شود باید جذب شود و می توانیم بنویسیم:
(3-2)
در حقیقت و برای یک سطح واقعی به طول موج شار تابیده و به جهت تابش بستگی دارند. برای مثال بسیاری از سطوح در حالت تابش عمودی بخوبی نور تابیده شده را جذب می کنند، در حالی که هنگامی که نور در زوایای نزدیک به عمود تابیده شوند به طور موثر جذب نمی شوند. این وابستگی به جهت تابش را نادیده می گیریم و برای سهولت، فرض می کنیم که سطح مذکور یک جذب کنده همسان است. با وجود این، قابلیت بازتابش و جذب طیفی باطول موج شار تابشی قابل ملاحظه ای تغییر می کند. بسیاری از رنگ دانه ها که به سبب خوب باز تابیده شدن در طیف مرئی به چشم سفید می نمایند. بسیاری از جذب کننده ها برای تابش مادون قرمز قرار می گیرند. تعاریف زیر برپایه ایده آل سازی سطوح واقعی مفید است:

جسم سیاه: هر جسمی که سطح آن تمام اجزای ترکیبی تابشی الکترومغناطیسی تابیده شده را بدون در نظر گرفتن طول موج یا جهت تابش جذب کند جسم سیاه نامیده می شود. دراین گونه اجسام:برای تمام طول موج ها( 0= ) 1 =

شکل 3-2- طیف الکترومغناطیسی
جسم سفید: هر جسمی که سطح آن کلیه اجزای ترکیبی تابش الکترومغناطیسی تابیده را بدون توجه به طول موج و جهت تابش منعکس می کند جسم سفید (یا منعکس کننده کامل) نام دارد، در این اجسام:
برای تمام طول موج ها ( 1= ) 0 =
جسم خاکستری: هر جسمی که قابلیت جذب سطحی آن بین جذب سطحی یک جسم سیاه و جذب سطحی یک جسم سفید و نسبت به طول موج و جهت تابش مستقل باشد جسم خاکستری (همسان) نامیده می شود. در چنین اجسام: که (برای تمام طول موج ها)
در واقع هیچ سطحی کاملاً سفید یا سیاه نیست. جلای سیاه در مقابل تابش خورشیدی دارای قابلیت جذب متوسط 97/0 = a و نقره صیقلی که بسیار براق است دارای 07/0 = a است.
این یک واقعیت تجربی در طبیعت است که هر گاه جسمی کدر در دمای ثابت نگه داشته شود، سطح آن تابش الکترومغناطیسی ویژه ای از خود ساطح می کند که تابش حرارتی نام دارد. این تابش بطور کلی در همه جهات منتشر می شود و شامل کلیه طول موج های طیف الکترومغناطیسی است. شار حرارتی که از جسم خارج می شود به ویژگی های سطحی آن جسم و نیز به دمای آن (T بر حسب کلوین) بستگی دارد. برای سطوح جذب کننده همسان شار حرارتی ساطح شده همسان و توزیع طیفی آن به قرار زیر است:
(3-2- الف)
در این
فرمول یک مشخصه سطح است که قبلیت گسیل طیفی خوانده می شود و تابع پلانک نام دارد. این تابع عمومی و T از فرمول زیر بدست می آید:
(3-3- ب)
مقادیر ثابت در این تابع به قرار زیر است:
m-k 2- 10× 4388/1 =
2 w-m 16- 10× 7405/3 = 2 hc 2= a
که در آن:
(ژول بر ثانیه)j-s 34- 1× 6252/6=(ثابت پلانک) h
m/sec 8 10× 9979/2 = (سرعت نور) c
j/k 23- 10× 3806/1=(ثابت بولتزمن)k
(ژول برکلوین)
کل شار تابشی منتشر شده توسط سطح عبارتست از:
(4-3)
طبق قوانین تعادل ترمودینامیک می توان ثابت کرد که قابلیت گسیل حرارتی و قابلیت جذب نوری در واقع بهم مربوطند. این رابطه طبق قوانین کیرشهف برقرار می شود. قابلیت گسیل طیفی یک سطح همسان معادل قابلیت جذب طیفی آن است یا به عبارت دیگر:
(5-3)
از معادل (5-3) نتیجه می گیریم جسم سیاهی که در آن باشد با به ازای تمام موجها پربازده ترین تابشگر است. از این رو، برای یک جسم سیاه معادله 3-3 (الف) به شکل زیر در می آید: سیاه
به طوری که تابع توصیف کننده شار طیفی که در دمای T کلوین از یک سطح سیاه گسیل می شود همان تابع پلانک است. از معادله 5/3 همچنین در می یابیم که یک جسم سفید هیچ تابش حرارتی گسیل نمی کند و یک جسم خاکستری طبق معادله زیر تابش گسیل می کند:
(6-3) خاکستری
در شکل 3-3 طیف نشری یک جسم سیاه، خاکستری. یک جسم واقعی در دمای 6000 درجه کلوین ترسیم شده است. توجه کنید که تابع طیفی برای یک جسم سیاه معادل تابع پلانک است، در حالی که تابع طیفی برای جسم خاکستری همان شکل را دارد و فقط به انداره عامل کوچک می شود. بنابراین توجه به ویژگی های ریاضی حائز اهمیت است. شکل 4-3 تابع پلانک را به عنوان تابعی از طول موج به ازای دماهای مختلف بر حسب کلوین نشان می دهد. سطح زیر هر منحنی محدود است و هر کدام دارای یک طول موج، که در آن مقدار حداکثر است. بنابراین، در هر دمای محدود انرژی حمل شده توسط اجزایی که طول موج آنها خیلی کوتاه یا خیلی بلند است، آنقدر کم است که می توان از آن چشم پوشید، علاوه بر این، بیشترین مقدار انرژی توسط طول موج هایی در آن منطقه جابجا می شود که بزرگترین مقدار خود را داشته باشد.
می توان نشان داد که خاصیت های ریاضی زیر درمورد معتبر هستند:
(7-3- الف) (قانون جابجایی)
(7-3- ب) (قانون استفان – بونترمن)
که در آن a و ثابت های جهانی هستند.
طبق معادله (7-3 الف) مشخص است که طول موجی که در آن مقدار حداکثر خود را دارد بالعکس دمای کلوین تغییر می کند. طبق معادله (7-3 ب) می بینیم که کل مساحت زیر و در نتیجه کل شار حرارتی گسیل شده توسط یک جسم
سیاه با توان چهارم دمای کلوین متناسب است.

*

شکل 3-3 طیف گسیل حرارتی یک جسم سیاه یک جسم قهوه ای (5/0 = e) و یک جسم واقعی که همگی دمای دارند. جسم واقعی که در این شکل نشان داده شده، تابش کننده بهتری برای اشعه مادون قرمز است تا تابش مرئی.

شکل 4-3- طیف های گسیلی حرارتی اجسام سیاه در دماهای مختلف. خط چین های مقادیر نشان می دهد.

در مطالب زیر، تمام کمیت ها را در دستگاه MKS (متر- کیلوگرم- ثانیه) بیان
می کنیم. در این دستگاه انرژی بر حسب ژول (j)، توان (انرژی بر زمان) بر حسب وات (w) و مساحت بر حسب متر مربع بیان می شود. علاوه بر این واحدها شار کلی بر حسب وات بر متر مربع و طول موج براحتی بر حسب متر، میکرون یا نانومتر بیان می شود. ارقام ثابت در معادله 1-7 به قرار زیرند:
(ثابت استفان – بوتنرمن)

معمولا گفته می شود مقدار برای یک توزیع پلانکی معین، ویژگی "رنگ" را ارائه می کند گر چه لزوماً این رنگ نیست که توسط چشم انسان تشخیص داده می شود. اما این حقیقت که با افزایش T کاهش می یابد توضیح می دهد که چرا یک جسم سیاه در دمایی معین بحدی داغ می شود که سرخ رنگ به نظر می رسد و با افزایش بیشتر دما سفید رنگ می گردد. سفیدی رنگ چشم بر وجود اجزای آبی رنگ دلالت دارد. با استفاده از معادله (1-7- الف) در می یابیم که یک جسم سیاه در دمای 7000 درجه کلوین دارای طول موج با مشخصه (آبی) 414/0 = است.
در حالی که یک جسم سیاه دیگر در k ْ5800 = T دارای طول موج (سبز) 5/0 = است. اگر یک جسم سیاه در دمای اطاق (k ْ300=T) قرار داشته باشد، در این صورت (مادون قرمز) 966 = خواهد بود و جسم سیاه رنگ به چشم خواهد آمد. شار کلی گسیل شده از یک جسم سیاه طبق فرمول زیر از قانون استفان- بوتنرمن(معادله 7-3- ب بدست می آید: (3-7) 4 T(8- 10× 67/5) = 4 T = سیاهF
از اینرو، اجسام سیاهی که دمای سطحی آنها به ترتیب 7000، 5800، 300 درجه کلوین باشد، به ترتیب شارهای 8 10× 36/1، 7 10× 4/6، 2 10× 59/4 وات بر متر مربع گسیل می کنند. توجه کنید که با افزایش دمای کلوین، افزایش چشمگیری در گسیل جسم سیاه دیده می شود. چون گسیل جسم سیاه متناسب با 4 T تغییر می یابند، دو برابر شدن مقدار T باعث 16 برابر شدن مقدار سیاه F می شود. تعمیم معادله 1-8 درباره یک جسم قهوه ای عبارت است از:
(9-3) (خاکستری F
گسیل تابشی از خورشید:
در اینجا اگر مدل خورشیدی را یک جسم سیاه در دمای دائمی T فرض می کنیم. در این صورت شار تابشی گسیل شده از سطح خورشید می توان با یک توزیع پلانکی نشان داد. توزیع طیفی مشاهده خورشید اندکی با فرق دارد زیرا خورشید نه در حالت تعادل تابشی و نه حتی در حالت دائمی است. با وجود این، همانطور که در شکل 5-3 ملاحظه می شود منحنی یک جسم متناظر با دمای k ْ5800 = T تقریب من برای طیف خورشیدی است. از این به بعد ما این تقریب جسم سیاه را به کار خواهیم برد.

با استفاده از معادله (7-3- الف) می بینیم که طول موج مشخصه طیف خورشیدی عبارتست از:

که معادل نور سبز است. از معادله (1-7- ب) در می یابیم که کل شار خارج شونده از سطح خورشید عبارتست از:

این تابش بعد خروج از سطح خورشید پخش می شود (در تمام جهات پخش می شود). کل توان تابشی گسیل شده از خورشید، با ضرب کردن شار فوق در مساحت سطح خورشید به دست می آید، داریم:

چنانچه خورشید تابش خود را به صورت همسان گسیل کند، این قدرت عظیم که ستاره شناسان آن را تابندگی نامیده اند، به طور مساوی در تمام جهات درفضا گسیل می شود. با افزایش فاصله از خورشید این قدرت بر سطوح کروی که مساحت فزاینده ای دارند پخش می شود، در نتیجه شدت نور با مربع فاصله از مرکز خورشید تناسب عکس دارد. در فاصله r مساحت سطح است، بطوری که شار تابشی که به این چنین سطحی می رسد عبارتست از:

(9-3)
چون فاصله زمین از خورشید در طول سال تغییر می کند شار رسیده به زمین تغییر
می کند. در فاصله متوسط زمین تا خورشید یعنی 11 10× 5/1 = r متر. مقدار شار عبارت است از:
(11-3)
این مقدار شار که بنام ثابت خورشیدی موسوم است، و قبلاً توضیح داده شد در واقع مقداری ثابت نیست و با فصول و تا اندازه ای با فعالیت خورشیدی تغییر می کند. بعلاوه، توجه داشته باشید که مقدار عددی معادله 11-3 با این فرض به دست آمده که طیف خورشیدی، به صورت یک جسم سیاه در دمای تقریباً مساوی 5800 کلوین است. اگر می خواستیم این دما را به 5762 کلوین تغییر دهیم، محاسبه دقیق نشان
می دهد که ثابت خورشیدی به مقدار تقریبی 1352 وات بر متر مربع تنزل می کرد. مقدار ثابت خورشیدی توسط محققان مختلف اندازه گیری شده و بین 1350 تا 1382 وات بر مترمربع متغیر است، اختلاف نتایج حدود دو درصد است. با فرض اینکه دمای طیف تقریبا 5760 کلوین است، بطور اختیاری 1352 وات بر مترمربع را به عنوان مقدار ثابت خورشیدی انتخاب می کنیم.
معادله 10-3 نیز برای توزیع طیفی معتبر است و می توانیم بنویسیم:

(12-3)(برحسب m- w/m)(k 5760) 5- 10×156/2
با:
در نتیجه، توزیع طیفی شار وقتی به بالای جو زمین می رسد لزوماً مانند توزیع طیفی است که توسط خورشید گسیل شده است. اما، هر جزء طیفی به هنگام عبور به طور مساوی تضعیف می شود.هر چند، شار گسیل شده ای که سطح خورشید را ترک
می کند پراکنده است. اما در زمانی که به جو می رسد تقریبا تک جهتی یا پرتو مانند می رسد. با دور شدن از خورشید به نظر می رسد که قرص آن کوچکتر می شود و تمام انرژی آن از جهت کاملاً معینی می آید. چون خورشید دقیقاً یک نقطه نیست بلکه همچون قرص به نظر می رسد، تابش آن کاملاً پرتو گونه نیست و تا اندازه ای واگرا است. طبق شکل 1-6 می توانیم ببینیم که این واگرایی از روی نسبت قطر خورشید به فاصله زمین تا خورشید تعیین می شود.
بنابراین واگرایی زاویه ای عبارتست از:
ْ53/0= واریان
این مقدار، اندکی بیشتر از است بطوری که شار تشکیل دهنده ثابت خورشیدی را می توان همچون تابش تک جهتی دانست.

شکل 5-3- استفاده از هندسه برای تعیین زاویه واگرایی ثابت خورشیدی

ترکیب طیفی ثابت خورشیدی:
همان طور که ذکر شد، طیف ثابت خورشیدی توسط معادله 1-12 معلوم می شود که به شکل روبرو است: ثابت =
کسری از انرژی (F) که توسط طول موج های بین 0 تا منتقل می شود، با سطح زیر منحنی جسم سیاه متناسب است که بین این دو حد واقع است. این مقدار را می توان با حل انتگرال های زیر تعیین کرد:
(13-3)
از معادله 13-3 به نظر می رسد که انتگرال ها را بتوان حل کرد و به ازای هر دما بدون استثناء ارزیابی کرد. این آن موردی نیست که می توان با تغییر انتگرال با استفاده از جایگزینی مشاهده کرد. با استفاده از معادله (7-3- ب) می توان معادله
2-13 را به شکل زیر نوشت:
(14-3)
از این رو اگر انتگرال را بتوان حل کرد و (X)f را بصورت جدولی در آورد، در آن صورت می توان کسری از انرژی بین 0 تا را به ازای منحنی های جسم سیاه در هر دما تعیین کرد. حل عددی معادله 14-3 در جدول 1-1 داده شده است. می توانیم برای یافتن کسری از انرژی برای طول موج های بین صفر و برای طیف یک جسم سیاه با دمای k 5760 از جدول 1-1 استفاده می کنیم.
مقدار این کسر به ازای:
با توجه به درون یابی در جدول 1-1 برابر است با:

تذکر:
این کسر برای طول موج های یکسان در دمای کوچکتر 3000 درجه کلوین خواهد بود.
فقط
جدول 1-1 را می توان برای تعیین کسری از انرژی برای طول موج های بین و نیز به کار می رود تعریف می کنیم:

مثلاً برای یافتن کسر انرژی برای طول موج های بین و میکرومتر و به ازای k 5760 = T از عبارت زیر استفاده می کنیم:
37% = 367/0 = 121/. – 488/0 = (k- m 2304) f – (k- m 4032) f
کسر باقی مانده که توسط طول موج های بلندتر از m 7/0 = معلوم می شود با استفاده از رابطه زیر بدست می آید:
51% = 51/0 488/0 – 1= – 1
اگر طیف خورشیدی را با توزیع یک جسم سیاه در دمای 5760 کلوین تقریب بزنیم، در این صورت همانطور که قبلاً دیدیم تقریباً 12 درصد انرژی توسط طول موج های کوتاه تر از m 4/0 منتقل می شود. این عمل عمدتا به شکل تابش ماورای بنفش است. قسمت مرئی طیف خورشیدی شامل 37% انرژی است در حالی که طول موج های بلندتر از m 7/0 (عمدتا مادون قرمز) در برگیرنده 51 درصد هستند. بنابراین تقریباً دو سوم انرژی دریافتی از خورشید برای چشم انسان نامرئی است. بطور خلاصه، شار خورشیدی که به طبقات بالای جو زمین می رسد، اصولا دارای خصوصیت الکترومغناطیسی است. توزیع طیفی آن کاملاً شبیه طیفی است که توسط یک سطح سیاه در دمای 5760 کلوین گسیل می شود. تقریبا این انرژی به صورت پرتوهای مادون قرمز به زمین می رسد و آن در ناحیه مرئی طیف قرار دارد. این شار اصولا پرتومانند یا بصورت تابش تک جهتی است که زاویه واگرایی آن تقریباً درجه است. کل شاری (میانگین فصول سال) که به یک سطح رو به خورشید می تابد ثابت خورشیدی نامیده می شود و از لحاظ عددی تقریباً برابر است با:

که: kwhr 4- 10× 929/2 = cal 252= 1 واحد بریتانیایی گرما (Btu)
و: 2cm / cal1 = 1 لانگی (Ly)
برای انجام پیش بینی هایی درباره فراوانی و در دسترس بودن انرژی خورشید در زمین، لازم است حرکت ظاهری خورشید را در روی کره سماوی در نظر بگیریم. موضوع خورشید در طول روز، و نیز طول خود روز، هر دو تعیین کننده مقدار انرژی خورشیدی هستند که در اختیار جمع کننده های خورشیدی قرار می گیرد.

فصل چهارم:
سیستم های حرارتی خورشید

در این فصل سیستم گرمایش خورشیدی را بطور کلی در نظر می گیریم.
بویژه به این مطلب خواهیم پرداخت که چگونه رشته ای از پانل های خورشیدی را در کنار یکدیگر قرار داده و با وسایل دیگر مرتبط کنیم تا یک سیستم گرم کننده کامل، موثر و مقرون به صرفه داشته باشیم.
سمت گیری رشته پانل ها:
پانل های تخت بر خلاف متمرکز کننده ها که معمولاً به سیستم ردیابی روزانه نیاز دارند، قادرند با سمت گیری ثابت کار کنند. هر چند عمل ردیابی سبب بهبود کارآیی یک صفحه تخت خواهد شد. اما معمولاً بهره حاصل نسبت به هزینه های بیشتر که در مراحل ساخت و نگهداری دستگاه ردیابی صرف می شود مطابقت می کند.
یک رشته ثابت از پانل ها تخت را باید در جهتی قرار داد که در مدت فصل کار آن شار دریافت شده روزانه حداکثر مقدار را دارا باشد. از آنجایی که تعیین بهترین زاویه کج شدگی نسبت به تابش پخشی خورشید (اگر غیر ممکن نباشد) مشکل است، بهترین مقدار آن نسبت به مولفه مستقیم را به دست خواهیم آورد. با استفاده از رابطه زیر شار مستقیم روزانه ای را بدست می آوریم که توسط رشته ای با مختصات کج شدگی و دریافت می شود:
(1-4) F
در این فرمول S برابر 2w/m 1352 (ثابت خورشیدی) است و ضخامت نوری جو زمین است.
Z زاویه سمت الراس خورشیدی است، زاویه تمایل پرتوهای خورشید نسبت به مجموعه است.
t1 و t2 زمان های خورشیدی است که بین آنها C مثبت است. یعنی هنگامی که پرتوهای خورشید بر روی سطح جلویی رشته می تابد.
و به ترتیب زاویه سمت و زاویه مایل به دو رشته هستند.
در جدول 2-1 شارهای روزانه بدست آمده از معادله 4-1 را ثابت کرده ایم. این مقادیر برای مجموعه ای در متمم عرض جغرافیایی ْ 49 = L و ضخامت نوری جو 3/0 = است، برای مجموعه های رو به جنوب، شار روزانه در خلال هر یک از فصول هنگامی که بیشترین مقدار خود را دارد که مایل بودن به قسمی انتخاب شده باشد که هنگام ظهر خورشیدی مجموعه مذکور تقریباً عمود پرتوهای خورشیدی قرار گیرد یعنی هنگامی که:
ظهر
هنگام انقلاب زمستانی یک رشته عمودی رو به جنوب موثرتر از رشته افقی است. هنگام انقلاب تابستانی عکس این مطالب صادق است. همان طور که از جدول 2-1 ملاحظه می شود یک رشته رو به شرق (یا غرب) هر قدر آن را افقی تر قرار دهیم شار دریافت شده بیشتر افزایش می یابد. اگر بخواهیم از یک رشته خورشیدی در متمم عرض جغرافیایی ْ 49= L' برای گرمایش هوا در خلال انقلاب زمستانی استفاده کنیم. زاویه مایل بودن مطلوب برای آن ْ 5/64 در جهت جنوب است. این زاویه مایل بودن در نقاط اعتدال نیز گرمایش کافی پدید می آورد. اما اگر از این مجموعه برای تهیه آب گرم در تابستان استفاده شود، زاویه مایل بودن تقریباًً ْ5/17 موثرتر است. نتایج ارائه شده در جدول2-1 بر اساس مدلی بدست آمده اند که زیاد از حد ساده شده و صرفاً برای مقایسه به کار می روند. به یک دلیل، تابش پخش باز تابیده از دشت اطراف به طرف رشته را در آنها درج نکرده ایم. بعلاوه، شار پیش بینی شده توسط معادله 2-1 بازگو کننده این مطلب است که الگوی آفتاب گیری در حوالی ظهر خورشیدی متقارن است. مقادیر آفتاب گیری هنگام صبح و بعد از ظهر معمولاً متفاوت است. در نتیجه پانل های رو به شرق و رو به غرب غالباً مقادیر یکسانی از نور خورشید دریافت نمی کنند. بررسی دقیقتر آن به اطلاعات تجربی نیاز دارد که در آن آفتاب گیری روزانه در سطح خمیده و شیب دار در نظر گرفته باشد.
اندازه رشته پانل ها:
اندازه یک رشته توسط عواملی از قبیل شرایط محیطی، نیاز به گرمایش، بازده رشته و میزان آفتاب گیری تعیین می شود. فرض کنید برای مثال، مقدار نیاز گرمایی روزانه یک خانه در فصل سرد kw- hr/day 100 (یا تقریباً Btu/day 5 10×4/3) و میزان آفتاب گیری در هر روز بر روی مجموعه day – 2kw – hr/m4 باشد همچنین فرض کنید مساحت هر پانل 5/1 متر مربع، بازه آنها 50 درصد است و یک سوم گرمایش با گرمکن های کمکی به دست می آید. بنابراین، مقدار گرمایش خورشیدی مورد نیاز kw-hr/day 7/66 است. چون بازده رشته 50 درصد است، مساحت مورد نیاز آن برابر است با:
متر مربع
و چون مساحت هر پانل 5/1 متر مربع است. تعداد پانل های مورد نیاز 22 عدد است.
رشته های سری و موازی:
همان طور که در شکل 1-4 نشان داده شده است، هر رشته خورشیدی شامل پانل های حرارتی است که به صورت سری، موازی یا ترکیبی از آن دو مرتب شده اند. دمای تولیدی یک رشته بزرگ نسبت به دمایی که یک جمع کننده منفرد قادر است تولید کند، بیشتر نیست با وجود این، رشته ای با تعداد n پانل، برای جمع آوری n برابر مقدار حرارتی که می توان از یک پانل منفرد کسب کرد دارای قدرت بالقوه است. برای جمع آوری این حرارت، باید میزان شار سیال اعمال شده به مجموعه n برابر شود. در یک رشته سری، خروجی یک پانل مستقیماً به ورودی پانل بعدی متصل شده است (شکل 4-1الف)
در نتیجه شار افزایش یافته باید از همه پانل های یک رشته عبور کند. با افزایش سرعت سیال، مقاومت آن در مقابل شار افزایش می یابد. علاوه بر این، هر چه طول کلی لوله که سیال از میان می گذرد بلندتر باشد، بیشتر می شود. بنابراین یک رشته سری و بلند مقاومت زیادی در مقابل جریان سیال انتقال دهنده از خود نشان می دهد. برای جاری نگهداری سیال، پمپ ها باید فشار زیادی تولید کنند تا فشار در محل ورودی خیلی بیشتر از فشار در محل خروجی سیال باشد. این مسئله در پمپ و پانل های یک رشته ایجاد کرنش می کند. بعلاوه همه پانل های یک رشته سری با بازده یکسانی کار نمی کنند. پانل هایی که به محل ورودی نزدیکترند در دمای کمتری کار می کنند و بنابراین کارآیی بیشتری دارند، عکس این حالت در پانل هایی که به محل خروجی سیال نزدیکترند صادق است.

شکل 1-4- رشته های متنوعی از چهارپانل. الف) رشته سری، ب) رشته موازی. ج) رشته ترکیبی
در یک رشته موازی (شکل 1-4- ب) ورودی های هر پانل به یک خط تغذیه مشترک متصل است، خروجی ها نیز به طور مشابه یک لوله تخلیه مشترک متصلند. گر چه ساخت یک رشته موازی مشکل تر از یک رشته سری است ولی مقاومت آن در مقابل شار سیال کمتر است. علاوه بر این، اگر دبی ورودی کل به مجموعه بطور مساوی بین تک تک پانل ها تقسیم شود، خصوصیات کارکرد رشته را می توان به سهولت از روی خصوصیات یک پانل منفرد به دست آورد. افزایش بازده و دمای یک رشته n پانلی موازی مشابه بازده و دمای یک پانل منفرد است ولی دبی و حرارت مفید جمع آوری شده n برابر خواهد بود. در عمل، برای سهولت کارآیی کل سیستم می توان به روشی مشابه با آنچه برای یک پانل منفرد به کار رفت تجزیه و تحلیل کرد. می توان منحنی های بازده یعنی منحنی های بر حسب را برای یک رشته ترسیم کرد. بعلاوه پس از آنکه دبی معلوم شد می توان دمای خروجی را تعیین کرد. اگر از یک کنترل کننده استفاده شود می توان دبی را طوری تنظیم کرد که دمای کار رشته، مساوی مقدار مورد نظر باشد.
تلفات لوله:
لوله های خروجی که سیالات انتقال دهنده گرم و از یک طرف به طرف دیگر رشته منتقل می کنند بخشی از انرژی حرارتی خود را تلف می کنند و آن را به محیط سردتر اطراف پس می دهند. چون هوای محیط همانند منبع ذخیره حرارت در دمای Ta عمل می کند، فرآیند انتقال حرارت را می توان با به کار بردن مبدل حرارتی تک جریان به طور تقریبی بدست آورد. اگر معادله مبدل حرارتی را برای یک لوله خروجی که سیال را در دمای زیادی (مانند TN) از یک رشته به یک مخزن ذخیره عمل می کند به کار بریم، در می یابیم که دمای سیال رسیده به مخزن برابر است با:
(2-4)
که ضریب کلی در واحد طول لوله به ازای انتقال حرارت از سیال به هوای محیط بوده و L طول لوله است، تلفات حرارتی لوله برابر است با:
(3-4)
حاصلضرب L H' = برای لوله های کوتاه و کاملاً عایق شده کم خواهد بود.دراین وضعیت در می یابیم که TH = ذخیرهT و تلف لوله Q است. تاثیر تلفات لوله بر روی مجموعه های کوچک و بزرگ حائز اهمیت است.
مبدل های حرارتی:
استفاده اساسی از گرمایش خورشیدی تهیه آب داغ است. آب شیری را با یک رشته از پانل های خورشید داغ می شود می توان به طور مستقیم مصرف کرد یا در صورتی که به دماهای بالا تری نیاز باشد، می توان آن را با یک گرم کن کمکی بیشتر گرم کرد(شکل 4-2- الف) با وجود این، در بسیاری از کاربردها لازم است حرارت را از یک سیال انتقال دهنده که توسط خورشید گرم می شود به یک منبع آب سرد منتقل کرد. برای مثال، سیال انتقال دهنده می تواند آب باشد که برای جلوگیری از یخ زدن و خورده شدن مجموعه به آن پودر یخ اضافه شده باشد. سیال انتقال دهنده در یک مدار (سیکل) بسته جریان دارد و حرارت از طریق یک مبدل حرارتی با جریان مخالف، به لوله متصل به شیر منتقل می شود (شکل 2-4- ب) همچنین می توان حرارت را از طریق یک مبدل تک جریانی به مخزن ذخیرع آب منتقل کرد. (شکل 2-4- ج)

شکل 2-4- سیستم های مختلف برای تولید آب داغ توسط نور خورشید
الف) یک سیستم مدار باز که در آن آب شیر نخست تا اندازه ای توسط انرژی خورشیدی گرم شده و سپس توسط یک گرم کن کمکی داغ می شود.
ب) یک سیستم مدار بسته که در آن حرارت از یک سیال انتقال دهنده که توسط نور خورشید داغ شده است به آبی با جریان های مخالف منتقل می شود.
ج) یک سیستم مدار بسته که در آن حرارت توسط مبدل تک جریانی به مخزن ذخیره آب منتقل می شود.
همان طور که می دانیم آهنگ انتقال حرارت از سیالی گرمتر به سیالی سردتر در یک مبدل حرارتی با جریان مخالف عباتست از:
(4-4)
که در آن ضریب انتقال حرارت و L طول مبدل است. لگاریتم اختلاف درجه حرارت متوسط بین سیگنال های داغ و سرد برابر است با:
(5-4)
که TH و TC دماهای داغ (ورودی) و سرد (خروجی) سیال اولیه (که با نور خورشید گرم شده) و T'H و T'C دماهای گرم (خروجی) و سرد (ورودی) سیال ثانویه (مثلاً آب) هستند. آهنگ انتقال حرارت با رابطه: یا بطور معادل با رابطه روبرو بیان می شود:

همچنین می توان حرارت خورشیدی به دست آمده از رشته را با استفاده از یک مبدل حرارتی تک جریانی در مخزن بزرگی ذخیره کرد. سیال انتقال دهنده از یک مبدل حرارتی می گذرد که خود در یک محیط ذخیره کننده با دمای TB غوطه ور است. اگر دمای سیال ورودی TH و دبی آن باشد با دمای:
(7-4)
خارج می شود و با آهنگ:
(8-4)
در محیط ذخیره می شود.
مبدل ها می توانند بین دو مایع یا بین یک مایع و هوا حرارت مبادله کنند. برای مثال در سیستم هائی که فضا را از طریق دمیدن هوا گرم می کنند حرارت را می توان از دو طریق به جریان هوای دمیده منتقل کرد، نخست از طریق مایع درون مخزن ذخیره حرارتی و دوم از طریق جریان مخالف یک مایع انتقال که توسط نور خورشید داغ شده است. هر چه مبدل موثرتر باشد، مقدار حرارت منتقل شده بیشتر خواهد شد. بعلاوه، هوا تا دمای بیشتری گرم و سیال انتقال دهنده به نحو موثرتری سرد می شود. (شکل 2-3)

شکل 3-4- یک سیستم هوای دمیده که به کمک گرمایش خورشید کار می کند. حرارت در یکمدار بسته از مایع به جریان هوا منتقل می شود. یک گرمکن کمکی دمای هوا را به مقدار مطلوب می رساند.
ذخیره سازی:
در یک سیستم گرمایش خورشیدی، معمولاً تدابیری برای ذخیره سازی حرارت اتخاذ می شود. انرژی اخذ شده در خلال زمان هایی که تابش نور خورشید شدید است را می توان ذخیره کرد و در زمان هایی که خورشید پنهان است به کار برد. هنگامی که حرارت در یک واسطه ذخیره شد، انرژی واسطه افزایش می یابد این افزایش می تواند به شکل پتانسیل نیز باشد ولی در این حالت ساختار مولکولی تغییر می کند، مثل یک تغییر شیمیایی، یک تغییر فاز (مثل ذوب یا تبخیر شدن).
هنگامی که حرارت افزوده شده فقط موجب افزایش دما در محیط می شود. می گوییم که انرژی حرارتی به صورت حرارت ملموس ذخیره می شود. تا زمانی که هیچ تغییر فازی وجود نداشته باشد، افزایش دما با حرارت ذخیره شده تقریباً متناسب و با جرم نسبت عکس دارد و تغییر دما را می توان بصورت زیر نوشت:
(9-4) (ذخیره حرارت ملموس)
که QS حرارت ذخیره شده، CS و mS به ترتیب گرمای ویژه و جرم واسطه ذخیره کننده هستند. هنگامی که حرارت ملموس از محیط اخذ شود، دما بر طبق معادله 2-9 تنزل می یابد. یک پارامتر مهم در سیستم ذخیره سازی حرارتی حرارت ذخیره شده در واحد حجم است. برای ذخیره سازی حرارت ملموس می توان معادله 9-4 را به شکل زیر نوشت:
(10-4)
در بعضی کاربردها مطلوب است که تغییر دمای محیط ذخیره کننده را حداقل نگه داریم بر طبق معادله 2-9 می توان این تغییر را افزایش جرم محیط ذخیره کننده کاهش داد. لیکن راه موثرتری برای ثابت کردن دما استفاده از گرمای نهان به جای ذخیره کردن حرارت ملموس است.هنگامی که به یک جامد حرارت دهیم، دمای آن شروع به افزایش می کند تا به دمای ذوب Tm برسد. وقتی به آن حرارت بیشتری بدهیم، دمای آن در Tm ثابت باقی می ماند ولی دستخوش تغییر فاز شده و به مایع تبدیل می شود و تا وقتی عمل ذوب کامل نشده باشد، دما افزایش نمی یابد. حرارتی که در واحد جرم توسط محیط جذب شده و در خلال تغییر فاز ذخیره می شود، گرمای نهان l نامیده می شود. گرمای نهان شده در واحد حجم عباتست از:
(گرمای نهان)
PS چگالی متوسط محیط است. برای مثال، گرمای نهان یخ J/kg 5 10×35/5 = l که برابر kw-hr/kg 093/0 است. اگر چگالی محیط آب- یخ را تقریباً معادل چگالی آب، یعنی 3 kg/m1000=PS فرض کنیم از معادله 11-4 نتیجه می گیریم که:
3kw-hr/m 93 = (093/0)(1000)
از مقایسه این مقدار با آب در معادله 10-5 در می یابیم که اگر بگذاریم دمای آب
C ْ80 تغییر کند با همان حرارت ملموس می توانیم به چگالی ذخیره سازی مشابهی دست یابیم، ذخیره سازی گرمای نهان با هیچ گونه تغییری در دمای ذخیره همراه نیست. مشکل ذخیره سازی گرمای نهان در آب یخ این است که دمای ذوب کمتر از آن است که بتواند مفید باشد. به این ترتیب هدف، یافتن جامدی است که دمای ذوب آن پائین تر از مقداری باشد که مجموعه خورشیدی می تواند تولید کند و در عین حال دمای آن بیشتر از سطح مورد نیاز برای مقصود گرمایش باشد.
نقطه ذوب بسیاری از موادی که در دمای اتاق جامدند بحدی زیاد است که در کاربردهای متداول ذخیره سازی خورشیدی مفید نیستند، البته دمای تغییر فاز بعضی نمک های هیدراته کم است و برای ذخیره سازی انرژی خورشید مناسب هستند(جدول 2-4 را ملاحظه نمائید). در واقع، مخلوط های معینی از نمک ها در دماهای کمتری نسبت به اجزای تشکیل دهنده شان ذوب می شوند. این قبیل مخلوط ها را مخلوط های اتکتیک می نامند. دمای ذوب چنین مخلوط هایی را می توان با انتخاب صحیح نسبت های مخلوط تا حدودی تقلیل داد.

جدول2-4- موادی برای ذخیره سازی گرمای نهان وخواص آنها

ذخیره کردن انرژی حرارتی بصورت گرمای نهان مزایای مشخصی نسبت به ذخیره سازی آنها در حرارت ملموس دارد.این ذخیره سازی در گستره باریکتری از دما صورت می گیرد و انرژی در واحد حجم آن به اندازه قابل ملاحظه ای زیادتر است. البته، چند مسئله فنی وجود دارد. فساد شیمیایی واسطه ذخیره کننده و سطحی که این ماده با آن در تماس است می توانند مشکل ایجاد کنند. علاوه بر این، انتقال حرارت به فاز جامد همیشه بازده خوبی ندارد مخصوصاً اگر واسطه یک هادی حرارتی ضعیف باشد. ذوب شدن واسطه ذخیره کننده نیز باید بتواند در دمایی قابل تطبیق با کارکرد ویژه گرمایش خورشیدی صورت گیرد. در هر سیستم ذخیره کننده، سیال انتقال دهنده اولیه باید با دمای بیشتری از دمای مخزن به آن وارد شود. در غیر این صورت. سیال به جای ذخیره کردن حرارت، انرژی از آن خارج خواهد ساخت. برای تنظیم جریان سیال انتقال دهنده می توان از یک کنترل کننده استفاده کرد. هنگامی که دمای سیال به دمای پائین تر از محیط ذخیره کننده تنزل یابد جریان را می توان منحرف کرد و یا کاملاً متوقف ساخت.
سیستم هایی که از نور خورشید کمک می گیرند:
همان طور که بحث شد با افزایش دمای کار یک پانل حرارتی خورشیدی بازده آن کاهش می یابد چون تلفات در اثر زیاد شدن اختلاف درجه حرارت صفحه جذب کننده و محیط زیاد می شود. اگر دمای متوسط کارپانل را فرض کنیم لازم است تا حد امکان کوچک باشد تا بازده حداکثر شود. برای اینکه کم باشد لازم است دمای سیال به هنگام ورود و خروج تا حد امکان پائین باشد. لحظه ای را در نظر بگیرید که دمای ورودی Tf.i ثابت باشد (مثلاً در یک سیستم تهیه آب گرم Tf.i توسط دمای منبع آب سرد تثبیت می شود،در حالیکه در یک سیستم گرمایش فضا (هوا) مقدار Tf.i توسط دمای هوای درون اتاق ثابت می شود.) از اینرو، به منظور کاهش و افزایش بازده، نیاز داریم دمای خروجی Tf.i را از طریق زیاد کردن دبی سیال انتقال دهنده کاهش دهیم. اگر ببینیم که این دما کمتر از آن است که بتواند مفید باشد، می توان آن را بوسیله گرمکن کمکی افزایش داد و به سطحی قابل قبول رساند. بازده افزایش یافته کار مجموعه به این معناست که به پانل های کمتری نیاز است. در واقع، در شرایط سخت محیطی دمای غیر فعال خود ممکن است پایین تر سطحی باشد که برای تولید حرارت مفید لازم است. در این موقعیت، مجموعه اصلا بدون یک سیستم کمکی قادر به کار نخواهد بود.
مثال: یک مجموعه جمع کننده هنگامی که دمای آب سرد شیر را از 10 درجه سانتیگراد (F ْ50) به 45 درجه سانتیگراد (F ْ110) می رساند دارای 60 درصد بازده است.وقتی که دمای همان آب را به 60 درجه سانتی گراد ( Fْ140 ) برساند بازده رشته به 40 درصد تنزل می یابد. سیستم به منظور تهیه آب داغ با دمای c ْ60 طراحی شده است. اندازه رشته را برای سیستمی بدون گرمکن کمکی با سیستمی مقایسه کنید که در آن برای بالا بردن دمای آب از 45 درجه به 60 درجه سانتی گراد از یک گرمکن کمکی استفاده شده است. فرض کنید هر دو سیستم آب را به میزان یکسانی داغ
می کنند (شکل 44).
فرض کنید لازم است 100 واحد نیروی گرمایش توسط هر سیستم تهیه شود. در بازده 40 درصد سیستم بدون گرمکن کمکی باید 250 واحد نیروی تابشی دریافت کند. سیستم دارای گرمکن کمکی، دما را به 35 درجه سانتیگراد می رساند و گرمکن کمکی آن 15 درجه سانتیگراد گرمتر می کند. چون مجموعه همراه با گرم کن کمکی بازده %60 دارد. نیروی تابشی دریافتی باید 4/116 واحد باشد. در نتیجه، رشته بدون گرمکن کمکی به بیش از دو برابر تعداد پانل های یک رشته با گرمکن کمکی آن 15 درجه سانتیگراد گرمتر می کند. چون مجموعه، همراه با گرمکن کمکی بازده %60 دارد. نیروی تابشی دریافتی باید 4/116 واحد باشد. در نتیجه، رشته بدون گرمکن کمکی به بیش از دو برابر تعداد پانل های یک رشته با گرمکن کمکی احتیاج دارد. در سیستم با گرمکن کمکی تامین می شود.

شل 4-4- نشان می دهد چگونه گرمکن بازده مجموعه را افزایش داده و از اندازه رشته
می کاهد. الف) رشته، 60 درجه سانتیگراد انرژی حرارتی تولید و با بازده درصد کار می کند. ب) رشته، 45 درجه سانتیگراد انرژی انرژی حرارتی تولید و با بازده 60 درصد کار می کند.

پمپ حرارتی که از خورشید کمک می گیرد:
در کاربردهای گرمایش فضا (هوا) که بدون کمک خورشید کار می کنند، دمای کار جمع کننده با این واقعیت محدود می شود که Tf.i نمی تواند از دمای فضایی که قرار است داغ شود کمتر باشد، برای مثال، اگر یک سیال انتقال دهنده مثل هوا که با تابش خورشید گرم می شود، گرمای خود را به یک اتاق منتقل کند، دمای آن به هنگام برگشت به جمع کننده نمی تواند از دمای اتاق سردتر باشد. در واقع، این دما (Tf.i) احتمالاً به میزان قابل ملاحظه ای بیشتر از دمای محیطی است که قرار است گرم شود. این امر بازده کار رشته را محدود می کند. با استفاده از دستگاهی بنام پمپ حرارتی می توان انرژی حرارتی را از سیال انتقال دهنده گرفته وسایل را در دمایی کمتر از دمای فضای مورد نظر بازگرداند. این کار بازده رشته را بحد قابل توجهی افزایش خواهد داد.
اگر رشته به یک پمپ حرارتی مجهز شود واقعاً می تواند در دمایی کار کند که از دمای فضایی که قرار است گرم شود کمتر باشد. حرارت می تواند از یک ناحیه سردتر (یعنی از رشته) به ناحیه ای گرمتر (فضای گرم شده) منتقل شود. برای درک چگونگی جاری شدن حرارت از محیط سرد به محیط گرم، لازم است قانون دوم ترمودینامیک را در نظر آوریم. این قانون می گوید که:
غیر ممکن است بتوان دستگاهی ساخت که در چرخه کار خود هیچ اثری از انتقال حرارت از یک منبع ذخیره سرد به منبع داغ تولید نکند. حال آنچه را که در مورد پمپ حرارتی اهمیت دارد عنوان می کنیم. قانون دوم از جاری شدن حرارت از یک ناحیه سرد به ناحیه داغ ممانعت می کند مگر اینکه اثر دیگری مثلاً استفاده از کار صورت گیرد. از اینرو، می توان دستگاهی ساخت که وقتی کار به آن داده شود، حرارت را از یک ناحیه سردتر به ناحیه گرمتر منتقل می کند. نمونه آن دستگاه تهویه مطبوع است. در یک روز گرم تابستان دمای داخل یک اتاق ممکن است C ْ20 و هوای خارج C ْ30 باشد.
اگر دستگاه تهویه مطبوع کار نکند، حرارت از خارج اتاق به درون آن جریان می یابد و دمای اتاق بتدریج بالا می رود. هنگامی که دستگاه تهویه مطبوع روشن شده و به آن کار الکتریکی داده می شود، حرارت را از اتاق سردتر می گیرد و آن را به هوای گرمتر خارج پس می دهد و این کار باعث نگه داشتن دمای اتاق می شود.
حال روز سردی را در نظر بگیرید که هوای خارج c ْ10 و دمای هوای اتاق c ْ20 باشد. اگر هوای اتاق را گرم نکنیم تدریجا سرد می شود و سرانجام به c ْ10 خواهد رسید. فرض کنید یک دستگاه تهویه مطبوع را در کنار یک پنجره نصب کرده ایم ولی روی دستگاه به طرف بیرون اتاق است، در این وضعیت دستگاه حرارت را از محیط سردتر خارج می گیرد و آن را به داخل اتاق گرمتر منتقل می کند و لذا دمای اتاق در c ْ20 ثابت می ماند. دستگاهی که در این حالت حرارت تولید می کند پمپ حرارتی نام دارد (شکل 5-4) حرارت داده شده به اتاق توسط پمپ حرارتی مساوی است با حرارتیکه از هوای خارج گرفته می شود به اضافه کار معادل داده شده به دستگاه. از این رو می توانیم بنویسیم:
(12-4)

شکل 5-4- مدل ترمودینامیکی یک دستگاه تهویه مطبوع که بصورت پمپ حرارتی کار می کند. هنگامی که به دستگاه کار الکتریکی داده شود از محیط سرد خارج گرفته شده و به محیط گرمتر اتاق منتقل می شود.

که QH حرارت داده شده به منبع حرارتی داغ، QC حرارت گرفته شده از منبع حرارتی سرد و W کار داده شده به پمپ حرارتی است. ضریب کارآیی (COP) پمپ حرارتی به شکل فوق تعیین می شود:
(13-4) (پمپ حرارتی=
هر چه ضریب کارآیی بیشتر باشد، پمپ حرارتی موثرتر خواهد بود. کمترین مقدار ممکن برای COP واحد 1است این مقدار با موقعتی مطابق است با کار (مثلاً انرژی الکتریکی) مستقیماً به حرارت تبدیل گردد و هیچ حرارتی از منبع سرد اخذ نشود. نحوه قرار گرفتن یک پمپ حرارتی از نوع کمک گرفته از خورشید را در شکل (2-6) نشان داده ایم. پمپ حرارتی، حرارت را از سیال با دمای کم می گیرد و آن را به محیطی با دمای زیاد پس می دهد. در واقع کار پمپ حرارتی این است که قبل از آن که سیال انتقال دهنده به پانل گرم کننده باز گردد، حرارت از آن می گیردو آن را سرد می کند.از این رو، پانل گرم کننده در دماهای کمتری کار می کند و تلفات حرارتی آن به محیط کمتر می شود. پمپ حرارتی حرارت را افزایش داده و به سطحی می رساند که برای کاربردهای ویژه مفید است.

شکل 6-4- یک پمپ حرارتی که از خورشید کمک می گیرد. پمپ حرارتی، ناحیه سرد را با دریافت کار برای گرفتن حرارت از آن، سرد و یک ناحیه گرم را با تحویل حرارت فوق به آن، گرم نگه می دارد. حرارتی که توسط رشته تولید می شود توسط پمپ حرارتی افزایش یافته و سپس به اتاق داده می شود. توجه کنید که و است.

همان طور که نشان داده شد، کل حرارت داده شده معادل است با حرارت گرفته شده از سیال انتقال دهنده به اضافه معادل کار مورد نیاز پمپ حرارتی، هر چه مقدار کار مورد نیاز پمپ حرارتی کمتر باشد، ضریب کارآیی COP آن بیشتر خواهد بود. در معادله کار نو داریم:
(14-4) (پمپ حرارتی)
که TC و TH بر حسب درجه کلوین هستند. پمپ حرارتی در صورتی در حد کار نو کار می کند که از یک سیکل ترمودینامیکی بازگشت پذیر بنام سیکل کارنو استفاده کند. که از یک سیکل یازگشت پذیر بنام سیکل کارنو استفاده کند.بحث در این خصوص را در فصل بعد بررسی می کنیم و فقط کافی است بگوئیم که ضریب حرارتی یک پمپ حرارتی واقعی خیل کمتر از ضریب مربوط به یک پمپ حرارتی کارنو است. پمپ حرارتی کارنو یک نمونه ایده آل است و بدلایل عمل نمی توان آنرا ساخت. البته حد کارنو معیاری کمی برای کارآیی پمپ حرارتی ارائه می کند از معادله 14-4 می بینیم که با زیاد شدن اختلاف درجه حرارت بین منبع ها، بازده پمپ حرارتی کمتر می شود. گر چه از یک پمپ حرارتی می توان برای اخذ انرژی حرارتی ازهوای خارج در C ْ10 استفاده کرد و آن را به اتاقی با دمای C ْ21 وارد کرد، ولی با تنزل دمای هوای خارج و نزدیک شدن آن به نقطه انجماد. بازده آن کم می شود. وقتی که دما زیر نقطه انجماد باشد می توان از رشته خورشیدی استفاده کرده و دما را به حدی رساند که برای کار قابل قبول باشد.
جالب است که برای یک پمپ حرارتی که از خورشید کمک می گیرد، یک دمای کار بهینه وجود دارد. اگر رشته در دمایی پائین کار کند، بازده آن زیاد است ولی ضریب کارایی COP پمپ حرارتی افزایش می یابد ولی بازده رشته به صفر نزدیک می شود. در اینجا برای تثبیت یک درجه حرارت خروجی بهینه از رشته به کار بردن یک کنترل کننده دما مناسب است. سیستمی که از خورشید کمک می گیرد و از یک پمپ حرارتی استفاده می کند. در شکل 7-4 دیده می شود. مجموعه، حرارت را به سیال انتقال دهنده می رساند و آن را در یک مخزن مخصوص آب گرم ذخیره می کند. هنگامی که به حرارت نیاز باشد ولی آفتاب در حال تابیدن باشد دستگاه کنترل کننده 1 به تدریج مخزن آب گرم را با سیال انتقال دهنده داغ در دمای از قبل تعیین شده، Tf.i پر می کند. این فرآیند هنگامی متوقف می شود که مخزن نگهداری آب سرد خالی و مخزن مخصوص آب گرم پر شود. وقتی که حرارت مورد نیاز باشد، دستگاه کنترل کننده سیال را از مخزن داغ می گیرد و آن را به مخزن آب سرد باز می گرداند. حرارت توسط پمپ حرارتی اخذ می شود و سیال انتقال دهنده قبل از بازگشت به مخزن محتوی سیال سرد، حرارت را از دست می دهد. کنترل کننده 2 شار را تنظیم می کند تا دمای مناسبی برای منبع سرد پمپ حرارتی بر قرار شود.
از مقایسه شکل های 6-4 با شکل 3-4 در می یابیم که پمپ حرارتی به عنوان یک مبدل حرارتی برتر عمل می کند که حرارت را از سیال انتقال دهنده سیستم خورشیدی به جریان هوایی می رساند. پمپ حرارت امکان می دهد حرارت از سیال انتقال دهنده سردتر به جریان هوای گرمتری انتقال یابد. در نتیجه دمای هوای داده شده به اتاق در واقع بیشتر از دمای خروجی رشته خورشیدی است. این وضعیت انتقال حرارت، فقط در صورتی ممکن است رخ دهد که مقداری کار به آن داده شود. هر قدر اختلاف درجه حرارت بین منابع حرارتی بیشتر باشد، کار بیشتری لازم است.

شکل 7-4- یک سیستم پمپ حرارتی برای گرم کردن فضا (هوا) که از نور خورشید کمک می گیرد، این سیستم حرارت را در یک مخزن نگهداری ذخیره می کند و برای ثابت نگه داشتن دماهای رشته و پمپ حرارتی از کنترل کننده استفاده می کنند.

سرد کننده های تابشی:
این فصل را با بحث کوتاهی درباره کاربرد پانل های حرارتی خورشیدی برای سرمایش تابشی به پایان می بریم. همان طور که در قسمت قبل مطرح شد، یک دستگاه تهویه مطبوع برای اخذ حرارت از یک منبع سرد و تحویل آن به یک منبع داغ به کار نیاز دارد. هر قدر دمای منبع داغ بیشتر افزایش یابد، بازده فرآیند سرمایش کمتر
می شود و هر قدر مجراهای خروجی (یعنی منبع داغ) دستگاه تهویه مطبوع گرمتر شود. سرد کردن اتاق بیش از پیش دشوار می شود. اگر لوله های مارپیچ کندانسور (یعنی لوله هایی که حرارت را به محیط گرمتر می رساند) را در یک سیال سردتر غوطه ور کنیم، بازده فرآیند سرمایش بیشتر می شود. فرض کنید به هنگام شب که دمای محیط نسبتاً پائین است یک مایع انتقال دهنده در پانل های خورشیدی جریان دارد. در شب های صاف تلفات حرارتی پدید آمده توسط سرمایش تابشی می تواند دمای سیال را از هوای محیط کمتر می کنند سیال سردتر را می توان به هنگام شب ذخیره کرد و در صورت نیاز، از جلوی لوله های مارپیچ کندانسور دستگاه تهویه مطبوع عبور داد، در این صورت بازده فرآیند تهویه مطبوع هوا بیشتر خواهد شد.
متاسفانه، هر چند طرح یک پانل حرارتی خورشید بهتر است، کارآیی آن به عنوان یک سرد کننده تابشی در شب ضعیفتر است زیرا پانل های خورشیدی خوب، به قسمی طراحی شده اند که تلفات حرارتی را به حداقل برسانند مثلاً یک پانل خورشیدی که روی صفحه آن با یک روکش انتخابی اندود شده باشد، حرارت را بطور موثرتر نمی تاباند. یک سرد کننده تابشی خوب به یک سطح کاملاً تابش کننده نیاز دارد. بعلاوه لازم است هنگام شب روپوش را برداریم تا تلفات همرفتی افزایش یابد.
تا اینجا با تولید حرارت از انرژی خورشیدی سر و کار اشته ایم. قسمت اعظم انرژیی که در یک جامعه صنعتی مصرف می شود، در کاربردهای غیر گرمایشی است، که در دسته ای به نام کار قرار می گیرند. مثلاً الکتریسیته صورتی از انرژی است که اجازه می دهد موتورهای الکتریکی کار انجام دهند. بطور مشابه انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت های فسیلی در موتورهای احتراقی درون سوز و موتورهای بخار مورد استفاده قرار می گیرد تا کار انجام شود.

فصل پنجم:
آفتاب گیری در سطح زمین

مقدار انرژی خورشید موجود در سطح زمین تا اندازه قابل ملاحظه ای کمتر از مقدار انرژیی است که به بالای جو زمین می رسد. میزان کاهش انرژی خورشید به هنگام ورود به سطح زمین اساساً از روی حالت نوری جو زمین تعیین می شود. همانطور که بعداً خواهیم دید، اجزای ترکیبی جو توسط دو فرآیند بر تابش خورشیدی اثر می گذارند، فرایند جذب و پراکندگی، مقدار جذب و پراکندگی که در یک مولفه معین طیف خورشیدی رخ می دهد به ترکیب جو و نیز به طول موج آن مولفه بستگی دارد. در نواحی معینی از طیف، انرژی خورشید عمدتاً پراکنده می شود، در حالی که در سایر نواحی قسمت اعظم آن جذب می شود. بنابراین ترکیب طیفی آفتاب گیری در سطح زمین به نحو چشمگیری با ویژگی منحنی جسم سیاه 5760 کلوینی ثابت خورشیدی تفاوت دارد. این مسئله نیز حائز اهمیت است که آفتاب گیری در سطح زمین را پیش از این نمی توان با یک پرتو تک جهتی معادل دانست. این مطلب در مورد تابش رسیده به بالای جو صادق بود. مقداری از تابش های پراکنده توسط جو به شکل تابش پخشی به زمین می رسد. تابش پخشی مولفه هایی است که در جهات مختلف سیر می کنند از این رو، کل تابش خورشیدی در سطح زمین شامل یک مولفه مستقیم با تک جهتی است که پراکندگی جوی پدید می آید (شکل 5-1) از نظر کمی برای اینکه نحوه تغییر و تبدیل انرژی خورشیدی پس از عبور از جو را در یابیم، برخی از مبانی فیزیک جوی را ارائه می کنیم.
یک مدل جوی:
حالت جوی را می توان تا اندازه ای با متغییرهای ترمودینامیکی همچون دما T، چگالی P، فشار P و ترکیب شیمیایی تشخیص داد این پارامترها بر حسب موقعیت فضایی و زمانی در جو تغییر می کند. چون این تغییر نسبتاً غیر قابل پیش بینی است. بسیار مشکل است درباره آفتاب گیری در سطح زمین برآوردهایی نظری ارائه کنیم. برای این که چند نتیجه نظری بدست آوریم لازم است چند تعریف ساده کننده در مورد ساختار جوی به عمل آوریم. ابتدا فرض می کنیم جو در مقایسه با شعاع زمین به حدی نازک باشد که بتوان آن را مسطح دانست. همان طور که خواهیم دید، ارتفاع موثر جو تقریباً 8 کیلومتر است که در آن مقایسه با شعاع زمین (km 6371 = R) بسیار اندک است. بنابراین تقریب مناسبی است مگر احتمالاً در حوالی طلوع و غروب خورشید که آفتاب گیری در سطح زمین آنقدر کم است که قابل چشم پوشی است. از این رو انحنای جو در اکثر کاربردهای انرژی خورشیدی اهمیت اندکی دارد.
در دومین تقریبی که در اینجا به کار رفته چنین فرض می شود که پارامترهای جوی فقط با یک مشخصه، یعنی ارتفاع Z تغییر می کند. یعنی می توان تمام پارامترهای جوی را بر حسب پروفیل های عمودی مانند P=P(Z) ، T=T(Z) و P=P(Z) نمایش داد. صحت این تقریب به اثبات نرسیده، خصوصا هنگامی که ابرهای پراکنده ای در آسمان وجود داشته باشد. جو کم ضخامتی را که ترکیب آن صرفاً با ارتفاع تغییر می کند. جو لایه لایه می نامند.
جذب و پراکندگی تابش خورشیدی توسط اجزای سازنده جو:
اجزای تشکیل دهنده جو، خواه مولکول هایی مانند: n2 ، o2 ، Co2 و H2o خواه ازن و ذرات بزرگتری چون قطرات ریز مه، دوده یا گرد و غبار می توانند توسط فرآیند جذب یا پراکندگی بر تابش اثر بگذارند. در فرایند جذب، انرژی تابیده به شکل دیگری از انرژی که معمولاً حرارت است تبدیل می شود. بخشی از کسر جذب شده تا حدی با سطح مقطع جذب جرمی ، آن جزء تعیین می شود. این پارامتر از یک مولکول تا مولکول دیگر فرق می کند و به طول موج تابش رسیده نیز بستگی دارد همان طور که خواهیم دید، مولکول های n2 ، o2 به نحو قابل ملاحظه ای در طیف خورشیدی جذب نمی شوند، از سوی دیگر Co2 و H2o در گستره های منتخبی از ناحیه مادون قرمز طیف خورشیدی به مقدار زیاد جذب می شوند. این نواحی رانوارهای جذبی مشخص می نامند (شکل1-5)

در مناطق ماورای بنفش طیف خورشیدی، نوارهای جذبی توسط ازن در لایه استراتوسفر به وجود می آیند.

شکل 1- 5- درصد جذب تابش خورشیدی توسط یک جو صاف و اجزای جذب کننده Co2 و H2o آن

پراکندگی پیچیده تر از جذب است. همچون فرایند جذب، در این مورد نیز کسری از انرژی باریکه تابیده شده تلف می شود. این مقدار توسط سطح مقطع پخش شدن جرمی، جزء تشکیل دهنده تعیین می شود. پراکندگی بر خلاف جذب، انرژی تابشی را به حرارت تبدیل نمی کند بلکه آن را مجدداً در جهات دیگر فضا منتشر می کند پراکندگی جوی انرژی خورشیدی در یک روز صاف اساساً توسط اکسیژن و هیدروژن به وجود می آید. نظریه بیان می کند که طبق قانون ریلای، پراکندگی انرژی خورشیدی توسط مولکول های هوا به آرامی نسب به طول موج تغییر می کند.
(1-5) (قانون ریلای) هوا
که c پارامتری است که بستگی اندکی به طول موج دارد. بنا به قانون ریلای طول موج های کوتاه مانند ماورای بنفش، بنفش و آبی بیشتر از طول موج های قرمز و مادون قرمز پراکنده می شود. از این رو، هوای معمولی پراکندگی متنابهی در ناحیه مرئی طیف به وجود می آید. به ویژه برای اجرای تشکیل دهنده آبی و بنفش که توجیه کننده رنگ متمایل به آبی آسمان است. بعضی ذرات باعث پراکندگی می شوند که جهات ترجیحی جلو و عقب دارد (مثلاً پراکندگی ریلای) در حالی که سایر ذرات تابش به صورت همسان تری پراکنده می کنند مواد ذره ای درون جو مانند گرد و غبار، دوده و مه تابش را به نحو باز به هم پیچیده تری نسبت به آنچه که طبق قانون ریلای پیش بینی شده است پراکنده می کنند. رنگ سرخ آسمان هنگام غروب خورشید نتیجه پراکندگی تابش توسط ذرات گرد و غبار مجاور سطح زمین است. تابشی که تحت فرآیندهای جذب و پراکندگی قرار نگرفته باشد مولفه مستقیم یا تضعیف شده نامیده می شود این مولفه برای یک جو لایه لایه نسبتاً ساده محاسبه می شود و نشان خواهیم داد که توسط یک پارامتر جوی منفرد تابع طول موج به نام ضخامت نوری تعیین می شود این پارامتر و نحوه اثر گذاشتن آن بر جهت تابش را بعدا به تفصیل شرح خواهیم داد.
تابش مستقیم خورشید:
فرض می کنیم که جو زمین اجرایی، با مخلوط شدگی یکنواخت دارد و نیز دارای پروفیل چگالی P=P(Z) است. تا کنون یکی نقطه را در جو توسط ارتفاع با یک متغییر بلندی (Z) مشخص کرده ایم که مقدار آن از صفر در سطح زمین تا بی نهایت در بالای جو تغییر می کند. چون تابش خورشیدی به قسمت بالای جو می رسد و از آنجا به طرف سطح زمین پراکنده می شود، لذا بهتر است متغییری مثل s را ارائه کنیم که عمق نقطه ای درون جو را نسبت به بالای جو اندازه می گیرد. این متغییر از مقدار S=0 در قسمت بالای جو تا در سطح زمین تغییر می کند. افزایش ارتفاع و عمق طبق رابطه dz=ds به هم مربوطند.
فرض کنید باریکه ای از اشعه موازی خورشید با شدت طیفی و با زاویه سمت الراس z بر روی یک لایه بی نهایت نازک، جو با ضخامت ds (در عمق s) می تابد (شکل 2-5) تغییر کسری شدت نور را هنگامی که پرتو مذکور از قسمت پائین لایه ظاهر می شود، می توان طبق رابطه زیر بیان کرد:
(2-5)
که P(s) و به ترتیب چگالی و کل سطح مقطع تضعیف جرمی لایه است. ضخامت اریب پرتو از فرمول زیر به دست می آید:

که است. بهتر است معادله 3-8 را ساده کنیم و بنویسیم:

شکل 2-5- تضعیف یک پرتو خورشیدی مستقیم به شدت I توسط یک لایه دیفرانسیلی جو پرتو مذکور با زاویه تحت الراس z می تابد.

که ضریب تضعیف یا خاموشی طیفی نامیده می شود. این ضریب بر حسب ارتفاع لایه و طول موج تابش تغییر می کند. برای یافتن مقدار تضعیف پدید آمده توسط تمام جو از معادله 3-5 به ازاء s=0 تا انتگرال می گوییم. این عمل با توجه به این حقیقت انجام می شودکه در حالت s=0 (بالای جو) توزیع طیفی معادل توزیع ثابت خورشیدی است. به این ترتیب، شدت طیفی مستقیم یا تضعیف شده در سطح زمین برابر است با
مستقیم
که به شدت طیفی ثابت خورشید اشاره دارد و ضخامت نوری طیفی جو مربوط به باریکه تابش با طول موج نامیده می شود. این شدت مستقیم اساساً ضمن عبور از جو، تک جهتی یا پرتو گونه باقی می ماند. بطوری که شار طیفی توسط یک صفحه تخت مواقع در سطح زمین ولی شیب دار با زاویه تمایل نسبت به پرتو دریافت می شود عبارت خواهد بود با:
(5-5)
که است. از معادله 5-5 چنین بر می آید که شار خورشیدی طیفی مستقیمی که بر یک سطح صاف واقع بر زمین می تابد با سه عامل تغییر تعیین می شود:
1- مایل بودن صفحه نسبت به پرتوهای خورشید،
2- کسینوس زاویه سمت الراسی خورشیدی،
3- ضخامت نوری طیفی جو، ، برای تابش هایی با طول موج
مایل بودن طول کامل عامل تمام مواردی که پرتو بر یک سطح شیبدار تابیده می شود. صادق است. مقدار شاری که توسط یک سطح دریافت می شود. با افزایش میل آن نسبت به پرتو کاهش می یابد. با افزایش زاویه سمت الراس خورشیدی کاهش می یابد زیرا مسیری که پرتو در جوی می پیماید افزایش می یابد. وابستگی نمایی به Cz بیان می کند که شار خورشیدی موجود با نزدیک شدن به زمان طلوع و غروب خورشید به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. گاهی اوقات مناسب است معادله 4- را به شکل زیر بنویسیم:

که شفافیت نوری طیفی جو در یک توده هوا نامیده می ود و m=I/Cz تعداد توده های هوایی است که پرتو مذکور از آنها عبور کرده است. هنگامی که خورشید درست در بالای سرمان قرار دارد (z=0) تابش، یک توده هوایی را طی
می کند. به همین ترتیب ْ60 = Z ، ْ 5/70 = z مدال دو و سه توده هوایی است. چنانچه جو برای مثال دارای 9/0 = t در یک توده هوایی باشد (یعنی 90 درصد انتقالی باشد) به ترتیب در دو و سه توده هوایی دارای 81/0 = 2t، 73/0 = 3t خواهد بود.
ضخامت نوری طیف برای یک حالت جوی شامل قسمت ناشی از جذب، و یک قسمت ناشی از پراکندگی است. در یک روز صاف، تضعیف در اثر جذب عموماً ناشی از دی اکسید کربن و بخار آب درون توپروسفر و ازن استراتوسفر است.
دی اکسید کربن و بخار آب در نوارهای برگزیده درون مادون قرمز به شدت جذب می شود. در حالیکه ازن به میزان قابل توجهی در نوارهای برگزیده درون ماورای بنفش جذب می شود.
تضعیف ناشی از پراکندگی مولکولی در یک جو صاف عمدتاً از o2 ، n2 ناشی می شود. بیشتر از جذب، به صورت پیوسته نسبت به طول موج تغییر می کند. با استفاده از قانون ریلای و معادله 1-5 می توانیم رابطه زیر را برای پراکندگی در جو نمایی بدست آوریم:

که n ضریب شکسته هوا و md/kg 26 10×02/6 = n0 عدد آووگادرو است. با استفاده از مقادیر amu 22= m-، 4 10× 8/2 (1-n)، m 8000= H و 3 kg/m 29/1= P0 چنین به دست می آوریم: که بر حسب بیان می شود. این فرمول برای نور بنفش ( 41/0)، سبز ( 5/0) و قرمز ( 65/0) به ترتیب مقادیر 27/0 = ، 12/0، 04/0 را ارائه می کند، تضعیف در اثر پراکندگی مولکولی به نحو قابل ملاحظه ای با نزدیک شدن به ماورای بنفش طیف مرئی بیشتر می شود و برای تابش مادون قرمز تقریباً اندک و قابل اغماض است. نموداری از شدت مستقیم خورشیدی در سطح دریا برای یک توده هوایی در شکل 3-5 نشان داده شده است. کل شار مستقیم رسیده به یک واقع به سطح دریا از انتگرال گیری کلیه طول موج ها به دست می آید که عبارتست از:
(6-5)

شکل 3-5 توزیع طیفی پرتو مستقیم خورشیدی در یک توده هوایی (منحنی پایینی) توزیع طیفی ثابت خورشیدی (منحنی بالایی)

در بسیاری از کاربردهای انرژی خورشیدی شار کلی مورد توجه است نه شار طیفی در این گونه کاربردها، کافی است ضخامت نوری متوسطی را برای طیف خورشیدی به کار بریم معادله 6- را می توان نوشت:
(7-5) یا
که 2w/m 1352 = s ثابت خورشیدی است، ما از این رابطه ساده برای تقریب زدن شار مستقیم خورشیدی بر روی سطوح واقع در سطح دریا استفاده خواهیم کرد. هنگامی که 3/0J< است جو نسبتاً صاف و هنگامی که حالت جوی ثابت باشد. تغییر ساعتی شار مستقیم ناشی از بستگی به زاویه ساعتی است این وابستگی با استفاده از معادله های 10-3 و 16-3 ثابت می شود نمودارهای (مستقیم) F در مقابل زمان خورشیدی که از معادله 7-5 بدست آمده اند. در شکل 4-5 رسم شده اند.
شار پخشی:
کل شار خورشیدی که بر سطوح دریا می تابد شامل یک پرتو تک جهتی شار مستقیم به علاوه مولفه ای از شار پخشی است. جزء پخشی متشکل از تابش یا منعکس شده از اجزای تشکیل دهنده جو و نیز تابش منعکس شده از زمین زیر آن است حتی برای یک جو لایه مسطح فرمول عمل کردن رفتار و عکس العمل مولفه پخش مشکل است و هیچ فرمول ساده ای مشابه معادله 7-5 برای آن وجود ندارد. در اینجا به جای سعی در به دست آوردن راه حل های دقیق برای شار پخشی یک تجزیه و تحلیل را مطرح می کنیم تا آن را تخمین بزنیم و نیز نشان دهیم چگونه عواملی بر محیط تاثیر می گذارند.

شکل 4-5- شار ساعتی مستقیم بر روی سطوحی با زوایای کج شدگی متفاوت در فصول مختلف، کلیه این حالات را برای ناظری در متمم عرض ْ 49= َl و ضخامت نوری 3/0 = J محاسبه شده اند.
تا اینجا به ویژه درباره تمایز بین واژه های شدت و شار دقیق نبوده ایم. هر چند این تمایز در مورد تابش تک جهتی ضرورتی ندارد، ولی در مورد تابش واقعاً ضروری است. واژه شدت برای توصیف توزیع تابش جهت دار به کار می رود.
به ویژه اطلاعاتی را ارائه می کند مانند: چقدر توان تابشی در واحد سطح در جهات مختلف حول نقطه ای در فضا منتشر می شود. ما یک جهت خاص را بردار یکه مشخص می کنیم. برای یک جو لایه لایه مسطح می توانیم شدت طیفی را به شکل بنویسیم. این شکل پیشنهاد می کند که شدت طیفی هم تابع ارتفاع و هم جهت مورد است. تابع شدت به شکل زیر تعریف می شود:

که زاویه فضایی دیفرانسیلی حول جهت است.
اگر باشد یعنی چنانچه شدت به بستگی نداشته باشد، در این صورت می گوییم تابش، همسان (همه سو یکسان) است. انرژی تابشی در این صورت به طور مساوی در تمام جهات منتشر می شود. از سوی دیگر اگر تابع را در امتداد یک جهت منفرد مثلاً خیلی شدید و در امتداد سایر جهات صفر باشد، می گوییم آن تابش پرتو گونه یا تک جهتی است. گر چه مولفه مستقیم خورشیدی اساساً تک جهتی است، ولی مولفه پخشی صرفا از تابش های همسان تشکیل نشده است.
توجه کنید که در تشریح تابع شدید ذکری از هیچ گونه سطح قطع کننده به میان
نمی آید از سوی دیگر، مفهوم شار تنها در مورد یک سطح خاص معنا دارد. یک سطح کوچک صاف را در نظر بگیرید آن، با عمود رو به داخل، یعنی با برداریکه در جهت عمودی به داخل سطوح مذکور تعیین می شود. شار طیفی که توسط این سطح دریافت می شود به قرار زیر است:
(8-5)
که حاصلضرب کسینوس زاویه بین است. اندیس بالای انتگرال به یادمان می آورد که انتگرال گیری روی آن زوایای فضایی صورت می گیرد که در آنها است. این ما را مطمئن می سازد که تنها تابشی که در نیمکره رو به سطح مذکور منتقل می شود در معادله 8-5 درج شده است. از معادله 8-5 چنین بر می آید که شار دریافت شده توسط یک سطح حتی برای تابش های پخش به طور کلی به جهت سطوح مذکور و نیز به موضع آن در جو بستگی دارد. در مورد تابش پرتو گونه می توان ثابت کرد که معادله 8-5 به شکل زیر ساده می شود:
(8-5 الف)
که زاویه میل بین پرتو خط عمود بر سطح مذکور است. شار پرتوی است که بر یک سطح که جهت آن بر پرتو عمود است تابیده می شود. برای تابش همسان می توان از معادله 8-5 انتگرال گرفت تا فرمول ذیل بدست آید:
(8-5- ب)
در این حالت همان طور که انتظار می رفت دریافت مستقل از جهت گیری سطح است. تابش پخشی به طور کلی همسان نیست و شار دریافت شده تا اندازه ای به جهت گیری سطح بستگی دارد. این بستگی مانند آنچه در مورد شار مستقیم دیده
می شود بارز و مشخص نیست.
معادلات تقریبی برای شار خورشیدی کل:
بحث کامل و جامع شدت کل (شدت مستقیم به اضافه پخشی) برای آفتاب گیری در زمین به بعضی از پیشرفته ترین و پیچیده ترین دانش هایی که برای ریاضی فیزیکدانان آشناست، نیاز دارد. برای یافتن شدت باید یک معادله انتگرال دیفرانسیل را حل کنیم به معادله انتقال تابشی معروف است. حتی برای یک جو لایه لایه شده مسطح رسیدن به راه حل ها بسیار مشکل است. این مشکل با پیچیده تر شدن فرآیند پراکندگی مولکولی افزایش می یابد. حل تابع شدت در نتیجه بازتاب از سطح زمین بیش از بیش بغرنج می شود.
حتی حل تقریبی معادله انتقال تابشی از حوصله این متن خارج است. برای ادامه مطلب چندین فرض ساده کننده را مطرح می کنیم:
(1) مولفه پخشی بسیار کوچکتر از شار مستقیم است.
(2) مولفه پخشی رو به پایین که بر روی یک سطح افقی می تابد همسان است.
(3) سطح زیرین لامبریتان است، یعنی تابش را بر اساس قانون لامبرت منعکس می کند.

سطح لامبرتی سطحی است که در آن تابش بازتابیده، صرف نظر از ماهیت تابش تابیده شده همیشه همسان است. بنابراین شار جوی رو به کاملاً پخشی یا همسان فرض می شود. با استفاده از این فرض ها، می بینیم که شار پخشی از یک شار رو به پایین همسان، و یک شار به بالای همسان، تشکیل یافته است. علاوه بر این کل شار پخشی که به یک سطح مورب می رسد به اندازه میل آن نسبت به خط قائم، بستگی دارد، نه زاویه سمتی آن، می توان ثابت کرد که کل شار پخشی که به یک سطح مورب می رسد برای شارهای رو به بالا و پایین همسان عبارت است از:

به طوری که کل شار دریافت شده (مستقیم و پخشی) مساوی است با:
+ = F
(9-5)
شار پخشی برای یک سطح افقی بطور کامل است. در حالی که این شار برای یک سطح عمودی برابر با += است. پس از این که دو شار و تعیین شدند. شار کلی را که بر یک سطح شیب دار (مورب) می تابد از معادله 9-5 محاسبه کرد. با استفاده از برخی تقریب های ساده کننده می توانیم معادله انتقالی تابشی را به یک جفت معادله دیفرانسیل معمولی ساده برای شارهای رو به بالا و رو به پایین تبدیل کنیم این معادله در بر گیرنده سه پارامتر محیطی است: ضخامت جوی نور J ، ضریب بازتاب با یک تفریق، و قابلیت بازتابش (R) سطح زیرین. دو پارامتر آخر به شکل روبرو تعریف می شوند:

که ضخامت نوری تابشی از پراکندگی و به ترتیب شارهای رو به پایین و رو به بالا در سطح زمین هستند در یک جو کاملاً پخشی (یعنی جوی که در آن اصلاً جذب صورت نمی گیرد) 1= است در حالی که برای یک جو کاملاً جذب کننده (جوی که در آن پراکندگی وجود ندارد) 0= است. برای یک ناحیه کاملاً پوشیده از درخت و گیاه 2/0R< است در حالی که در یک ناحیه پوشیده از برف 5/0= R می باشد. البته پارامترهای و J و R به طول موج بستگی دارند ولی مقادیری را به کار خواهیم برد که مقادیر میانگین در تمام طیف هستند. مولفه های پخشی رو به بالا و رو به پایین در سطح زمین، بر حسب این پارامترها به قرار زیر می باشند:
(10-5- الف)

(15-5- ب)

(11-5)
بسادگی قابل اثبات است که هر گاه پراکندگی وجود نداشته باشد. (0 ( ) شار پخشی رو به پایین واقعاً به R بستگی دارد (از طریق تابعG) زیرا تابش بازتابیده می تواند به وسیله جو به سوی زمین دوباره پراکنده می شود.
اندازه گیری آفتاب گیری در سطح زمین:
گر چه تجزیه و تحلیل قبلی دیدی درباره عوامل تعیین کننده آفتاب گیری در زمین ارائه می کند اما بهتر است داده های تجربی در اختیار داشته باشیم تا نظریه را با آنها مقایسه کنیم. این قبیل داده ها در تعیین مقدار بازده سیم های انرژی خورشید نیز اهمیت دارند. داده های بدست آمده در طول چندین فصل اطلاعات آماری درباره دسترس بودن کاربردهای سیستم انرژی خورشیدی معین در مناطق جغرافیایی خاص ارائه می کنند. بیشتر دستگاه های اندازه گیری انرژی یکی از دو دسته زیر هستند:
وسایل فتوالکتریک و تابش سنجی، گروه اول شامل وسایل با قسمت های گیرنده یا حس کننده اند که مشخص های الکتریکی آنها به هنگام وجود تابش خورشیدی تغییر می کند. به عنوان نمونه هنگامی که نور خورشید بر روی وسایل فتوولتایی مانند پیلهای سیلسیومی و سیلینومی بتابد، ولتاژ تولید می کند. از جریان اتصال کوتاه این دستگاه ها برای اندازه گیری شدت تابش تابیده شده استفاده می شود. آشکار سازهای رسانای نوری از قبیل سولفید کادیوم یا سیلیس کادیوم، در پاسخ به تابش الکترومغناطیسی تغییر مقاومت می دهند، وقتی این آشکارسازها به باتری متصل شوند. در مدار به معیاری برای اندازه گیری سطح شدت تبدیل می شوند. بعلاوه، دستگاه هایی با لامپ خلاء وجود دارد که به نام لامپ های نوری مشهورند و توسط عناصر خاصی روکش شده اند که وقتی نور بر آنها می تابد ازخود الکترون ساطح می کنند تغییر قابلیت هدایت لامپ که توسط این الکترون های نوری پدید می آید، در اندازه گیری شدت تابش استفاده می شود.
هر چند دستگاه های ترانزیستوری فتو الکتریکی با دوام، کوچک و ساخت آنها ارزان است و خیلی کم تحت تاثیر شرایط محیطی قرار می گیرند، مع هذا معایب و نقایصی هم دارند. اول از این دستگاه ها در سطوح شدت زیاد، گرایش به قطع شدن یا اشباع شدن دارند. دوم و مهمتر از همه این که دستگاه های فتوالکتریک پاسخ یکنواختی از نظر طیف در سراسر طیف خورشیدی ارائه نمی کنند. این به معنای آن است که مقادیر مساوی انرژی خورشیدی که در نواحی مختلف طیفی دریافت می شود سیگنال های متفاوتی تولید می کنند. بویژه، چنانچه یک دستگاه فقط نسبت به طیف مرئی حساس باشد. این دستگاه حضور یا تغییرات انرژی خورشیدی در مادون قرمز را آشکار نخواهد کرد. منحنی های پاسخ نوعی برای پیل های فتوولتیای سلینیومی و سلسیومی در شکل 3-9 نشان داده شده اند.

شکل 5-5 مقایسه دهی نسبی پیل های سلینومی و سیلیسیومی

گروه دوم شامل دستگاه های تابش سنج است. معمولاً این وسایل تابش را در یک جذب کننده سیاه جذب می کنند و از حرارت تولید شده برای ایجاد گیرنده استفاده می کنند. این تغییر اندازه گیری می شود و به سطوح آفتاب گیری ربط داده می شود.یک دستگاه تابش سنج نوعی مورد استفاده در ایالت متحده پیرانومت سیاه و سفید است. قسمت گیرنده آن از دو سطح مستوی مجاور هم یکی سیاه و دیگری سفید (نقره ای) تشکیل شده است. به هر یک از این قسمتها معمولاً یک حس کننده حرارتی (معمولاً از نوع ترموکوپل) متصل است. حس کننده ها یک سیگال ولتاژتولید می کنند که مستقیماً با اختلاف درجه حرارت بین سطوح سیاه و سفید متناسب است.هنگامی که انرژی خورشیدی به این دستگاه بتابد، سطح سیاه رنگ تابش را جذب می کند و از سطوح سفید رنگ که تابش را منعکس می کند و حدود دمای محیط باقی می ماند، گرمتر می شود. هر چه سطح آفتاب گیری بیشتر باشد. اختلاف درجه حرارت بیشتر سیگنال ولتاژ نیز بزرگتر می شود.
شار حرارتی جو:
به عنوان آخرین مطلب این فصل، تابش حرارتی جوی تابیده بر یک سطح را بررسی می کنیم. گر چه این تابش را نمی توان انرژی حرارتی نامید ولی به هر حال نقش مهمی در عملکرد حالت پایدار پانل های حرارتی خورشیدی ایفامی کند. مقدار و توزیع طیفی تابش تابیده شده به دما و قابلیت جذب (قابلیت گسیل) جسم بستگی دارد. جو و ناحیه زیرین آن، تابش خورشیدی را جذب و تابش حرارتی را گسیل می کنند. این منابع گسیل کننده معمولاً در دمایی حدود k300 قرار دارند. قسمت عمده انرژی طیف یک جسم سیاه در این دما در گستره بین است و فقط کسر قابل اغماضی از انرژی خورشیدی در این فاصله موجی می رسد. مرسوم است که انرژی خورشیدی را تابش با طول موج کوتاه و در مقابل انرژی حرارتی را تابش با طول موج بلند بنامند. یک لایه دیفرانسیلی از جو با ضخامت نوری را که در عمق نوری (شکل 6-5) است در نظر بگیرید. پرتویی را در نظر بگیرید که با زاویه که کسینوی آن است نتیجه شدت پرتو را می توان به صورت روبرو نشان داد:
(12-5)
که تابع پلانک و T دمای لایه است.این پرتو به سوی زمین حرکت کرده و توسط لایه های زیرین جو تضعیف خواهد شد. شدت پرتو هنگام رسیدن به زمین عبارت است از:
(13-5 )
که ضخامت نوری هوای بین لایه گسیل کننده و زمین است. شدت کل با افزودن نقش تمام لایه های جو به دست می آید با انتگرال گیری از معادله 3-20 داریم:
(14-5)
از آنجا که T تابعی از ارتفاع است، فقط بعد از تعیین پروفیل دما می توان انتگرال گیری را انجام داد. اگر فرض کنیم جو هم دما باشد یعنی T0 = T می توان از معادله 3-21 به شکل زیر انتگرال گرفت:
(15-5)
بعلاوه اگر بتوان ضخامت نوری جو را با رقم ثابتی مساوی مقدار متوسط گستره طیفی تقریب د (یعنی در این صورت می توان معادله 3-22 را به شکل زیر نوشت:
(16-5)
شار حرارتی رو به پایین که بر روی سطح افقی می تابد با استفاده از معادله 8-5 و انتگرال گیری بر روی یک نیم کره در جهت رو به پایین به دست می آید:
(17-5)
که انتگرال نمایی از مرتبه سوم نامیده می شود.. برای یافتن کل تابش حرارتی در سراسر طیف از همه طول موج ها انتگرال می گیریم و برای یک جو هم دمای خاکستری خواهیم داشت:
(18-5)
در اینجا از این حقیقت که استفاده کرده ایم.

شکل 6-5- یک پرتو طیفی تابش حرارتی که از یک لایه زمین جو با دمای T0 تابیده شده است و تضعیف شدن آن توسط لایه های زیرین جو

با کدر شدن جو نسبت به تابش حرارتی انتگرال نمایی به سمت صفر میل می کند و شار حرارتی با داده می شود در این حد، جو یک جذب کننده کامل است، در نتیجه یک تابش کننده کامل نیز هست و مانند یک جسم سیاه ازخود تابش می تاباند. با شفاف شدن جو انتگرال نمایی به سمت میل میکند. شار پدید آمده به این دلیل که یک جسم غیر جاذب نمی تواند علی رغم دمای خود انرژی حرارتی منتشر کند، از بین می رود.
معمول است که معادله 18-5 به شکل ذیل نوشته شود:
(19-5) آسمان
که دمای آسمان مساوی است با:
(20-5)
دمای آسمان دمایی است که باید یک جسم سیاه را به آن دما رسانید تا این که همان شار جوی را تابش کند. می توان دید که دمای آسمان کوچکتر یا معادل دمای جنبشی هوا T0 است. هر چه جو نسبت به تابش حرارت شفافتر باشد، دمای آسمان کمتر خواهد بود. هنگامی که جو کدر شود. دمای آسمان به سمت دمای جنبش هوا میل می کند. با استفاده از معادله 3-27 نسبت T0 آسمان T را بر حسب J در شکل 7-5 ترسیم کرده ایم. در شرایط عادی آسمان T معمولاً کمتر از 10 درجه کلوین زیر دمای هوای محیط است.

شکل 7-5 نموداری از نسبت بر حسب ضخامت نوری حرارتی برای یک جو قهوه ای از نوع هم دما و لایه لایه مسطح این نمودار از روی معادله 20-5 بدست آمده است.

دمای حالت دائمی یک سطح افقی تا اندازه ای از روی دمای آسمان تعیین می شود. در یک شب صاف و خشک که دمای آسمان کم است، دمای محیط حالت دائمی یک سطح خارجی به صورت تابشی و تا دمایی زیر دمای هوای محیط سرد می شود. این سرد شدن تابشی شب هنگام در مناطق بیابانی و کویری که آسمان آن حداکثر مواقع صاف و خشک است بسیار متداول است.
در تکنولوژی خورشیدی، دمای آسمان نقش مهمی در عملکرد حالت دائمی پانل های حرارتی خورشید ایفا می کند.بر این نکته تاکید می کنیم که تابش حرارتی زمینی واقعاً همسان نیست، در واقع قسمت اعظم تابش حرارتی دریافت شده توسط یک سطح قائم از نواحی اطراف آن منشا می گیرد. از این رو دمای آسمان، هم به زمین و هم به جهت گیری سطح مورد نظر و هم به خود جو بستگی دارد.

فصل ششم:
تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به کار – دستگاه های فتوولتایی

ابتدا تابش را توسط دستگاههای گرمایشی خورشیدی ( مثلا جمع کننده های تخت ومتمرکز کننده ) به حرارت تبدیل می کنند وسپس بخشی از آن حرارت به کارتبدیل می شود هرچند از لحاظ نظری می توان تمام انرژی خورشیدی را به کار تبدیل کرد، اما نمی توان این حرارت را به طورکامل به کار مفید تبدیل کرد و مقداری از حرارت باید به یک منبع سردتر پس داده شود بازده تبدیل توسط نسبت دمای منبع سرد به دمای منبع گرم محدود می شود هرچه این نسبت کمتر باشد بازده ممکن است بیشتر باشد.
درفرآیند تبدیل مستقیم ،بدون آنکه ابتدا تابش الکترومغناطیسی را به حرارت تبدیل کنیم از انرژی خورشیدی کار استخراج می کنیم. این فرآیند به منبع های گرم وسرد نیاز ندارد. هرچند بازده تبدیل ممکن است محدودیتهای عملی خاصی داشته باشد ولی توسط فرمول کار نو محدود نمی شود برای اینکه نشان دهیم چگونه می توان باریکه ای ازتابش را به طور مستقیم به انرژی مکانیکی تبدیل کرد، از وسیله ای به نام تابش سنج خلا شده استفاده می کنیم .این وسیله شامل چهار پره است که یک طرف هرکدام از آنها نقره اند و دو طرف دیگرشان سیاه شده است (شکل 1-6 الف) پره ها داخل یک لامپ شیشه ای خالی از هوا قرار دارند .همانطورکه خواهیم دید یک باریکه تابش توانایی اعمال فشار و درنتیجه نیرو بر روی سطحی را دارد که بر آن می تابد .فشار وارد شده بر سطح نقره ای اندود و تقریباً دو برابر فشار وارد شده بر یک سطح سیاه رنگ است زیرا سطح نقره اند و تابش را باز می تاباند .در نتیجه هنگامی که یک جفت پره مقابل هم در معرض باریکه ای از تابش قرار می گیرد نیروی وارد بر پره ای که سطح نقره ای اندود و آن در معرض باریکه ای از تابش قراردارد که بیشتر از پره مقابل است که سطح سیاه شده آن روبه تابش است. گشتاور خالصی که توسط این نیروها پدید می آید سبب می شود پره ها حول یک محور عمودی بچرخند شکل 1-6 الف نیروی مکانیکی حاصل مساوی گشتاورضرب در سرعت زاویه ای پره هاست. البته این نیرو در یک تابش سنج معمولی خیلی نا چیز است و فقط می تواند بر اصطکاک یا تکانهای دستگاه غلبه کند. با وجود این تابش سنج خلاشده نشان می دهد که تولید حرارت یک مرحله میانی ضروری برای تبدیل انرژی خورشیدی به کار نیست. علاوه براین بازده تبدیل توسط دمایی که از انرژی خورشیدی به دست می آید محدود نمی شود .برای نشان دادن این مطلب ، اصول نسبیت و نظریه کوانتومی را در مورد فرآیند تبدیل به کار می بریم .

شکل 1-6- الف) یک تابش سنج خلا شده ب)باریکه های فوتونی تابیده و بازتاب شده از یک آینه متحرک فوتونهای بازتاب شده سبب تغییر مکان دوپلری در جهت کاهش فرکانس می شود.

باریکه ای موازی از یک تابش با فرکانس v را درنظر بگیرید که به طور عمودی بریک آیینه کاملاً تخت وتماما باز تابیده می تابد .آینه مذکور با سرعت vدر امتداد جهت انتشار تابش حرکت می کند. ( شکل 1-6ب) بر طبق نظریه کوانتومی یک باریکه تابش را می توان به صورت جریانی از کوانتومهای انرژی ذره گونه به نام فوتون درنظر گرفت. انرژی و اندازه حرکت هرفوتون درباریکه تابیده عبارتست از

دراین فرمول طول موج وh ثابت پلانک است .اگر N فوتون وجود داشته باشد که درباریکه درواحد زمان ، واحد مسافت را طی کند ، شار تابیده به قرار ذیل خواهد بود:

براساس نظریه نسبیت ، تابشی که فرآیند باز می تابد دارای تغییر مکان دوپله ای است درنتیجه فرکانس آن به مقدار:
( 4-6 الف)
تقلیل می یابد که دراین فرمول سرعت نور است علاوه براین طبق نظریه نسبیت پیش بینی می شود که شار فوتونی کاهش می یابد وبه مقدار ذیل می رسد :
(4-6ب)
بنابر این شار منعکس شده برابر است با :
بنابراین شار خالص منتقل شده توسط باریکه تابیده شده برابر است با :

تمام این انرژی به آینه داده نمی شود ، بلکه مقداری از آن صرف "پر کردن" فضای جلوی آینه می شود وبرای یافتن توان مکانیکی که واقعاًٌ تامین شده است. فرض می کنیم که آیینه با سرعت خیلی کمتر از سرعت نور حرکت کند یک فوتون به اندازه حرکت P با همان اندازه حرکت پس زده خواهد شد ، در نتیجه ، اندازه حرکت خالص منتقل شده به آینه 2P خواهد بود .فشار وارد بر آینه مشاوی حاصلضرب این جابجایی اندازه حرکت شار فوتونی است، یا: 2PN = فشار
با استفاده از معادله های 1-6 ، 2-6 ،3-6 درمی یابیم که :
(5-6) فشار
لذا بازده انتقال برابر است با :
(6-6)
از این رو ی کوچک بازده تبدیل به طور خطی با سرعت آیینه افزایش می یابد. برای سر عتهایی که آیینه عملاً بتواند داشته باشد آنقدر کم است که انتظار هیچ بازده تبدیل را نمی توان داشت. به علاوه حداکثر فشار وارده بر یک سطح توسط نور شدید خورشید کمتر از یک دهم بیلیونیم یک جو است. هرچند که فشار اندک تابشی می تواند برای چرخاندن پره های یک تابش سنج خلا شده کافی باشد ، اما این و ضعیت تبدیل انرژی خورشیدی بودن اصطکاک ساخت که مساحت هریک از پره های آن برابر 9 مترمربع و سرعت چرخش آن 150 کیلومتر در ساعت ( ) باشد نیروی وارد برهر پره تقریباً کیلوگرم وبازده تبدیل آن کمتر از 0.000003 می شود. نکته مهم اینست که تبدیل مستقیم ممکن است ودیگر این که فرآیند فوق شامل یک سیکل ترمودینامیکی نیست ودرنتیجه برای تامین یا جذب حرارت به منبع های حرارتی نیازی نیست. فرآیندهایی وجود دارد که انرژی خورشیدی را مستقیماً به انرژی شیمیایی تبدیل
می کنند. گیاهان سبز از انرژی خورشید برای تبدیل آب ودی اکسید کربن به هیدرو کربنهای پیچیده استفاده می کنند این فرآیندی تدریجی است و فقط کسر کوچکی از نور خوشید تابیده برگیاه به انرژی شیمیایی تبدیل می شود. پیشنهاد شده است که سوختهای شیمیایی رامی توان با هزینه ای مقرون به صرفه از توده زنده یعنی از رتنسیهایی که مخصوصاً برای همین مقصد رویانده می شود، بدست آورد. تولید انبوه الکل از غله و شکر برای سوخت وسایل نقلیه هم اکنون در برخی از کشور ها صورت می گیرد .
یکی از امیدوار کننده ترین روشهای تبدیل مستقیم تولید الکتریسیته ، به کار بردن دستگاههای فوتوولتایی است .یک دستگاه فوتو ولتایی ابزاری است که هرگاه نور خورشید بر آن بتابد ولتاژ تولید می شود .یک دسته متداول از این دستگاههای فوتو ولتایی را که به وسایلی با پیوند P-N مشهورند بررسی خواهیم کرد .برای نمونه وسایل ساخته شده از سیلسیوم قادرند در نور شدید خورشید 0.5 ولت درهر پیل تولید کنند و بازده معمولی آنها 10تا 12 درصد است. همانطور که در آینده خواهیم دید مشکل تکنولوژی اولیه در وسایل فتوولتایی از نوع p-n هزینه ساخت زیاد آنها بوده است. نظریه وسایل فوتو ولتایی نسبتاً پیچیده است و بنابراین ما فقط اصول کار آنها را بررسی خواهیم کرد.
نیمه هادیهای ذاتی ( خالص) :
بر طبق نظریه کوانتومی ماده، الکترونهای یک اتم منفرد مجاز هستند که فقط در حالات معین، با انرژی کاملاً تعیین شده ای وجود داشته باشند . ممکن است به یک انرژی واحد بیش از یک حالت نسبت داده شود. البته درهرزمان مفروض درهر حالت نمی تواند بیش از یک الکترون وجودداشته باشد هنگامی که چندین اتم مشابه در یک مجموعه منظم مرتب شوند مانند یک جامد بلوری خالص، لایه های خارجی تمایل دارند به نوارهای انرژی که دارای چندین حالت فضایی نزدیک به هم هستند گسترش یابند. حالات درون این نوارها برای الکترونها دردسترسند، درحالی که ترازهای انرژی بین این نوارها ممنوع هستند (شکل 2-6 ب)
در حوالی صفرمطلق الکترونها سعی می کنند حالات موج ودرنوارهای کمترین انرژی را اشغال کنند بر طبق اصل انحصار تنها یک الکترون می تواند یک حالت معین را اشغال کند در نتیجه الکترونها مجبور می شوند که درلایه هایی با انرژیهای روبه افزایش قرار گیرند. به این دلیل که تعداد الکترونهای درون هرماده محدود است. حالات اشغال شده تنها به یک تراز انرژی خاص می رسند اگر این تراز دربالای یک نوار انرژی قرارداشته باشد جامد مورد نظر مانند یک عایق عمل می کند خارجی ترین نوار کاملاً پر شده عایق را نوار والانسی و نوار خالی بالای نواروالانسی رانوار هدایت می نامند. برای اینکه عایق هدایت الکتریکی از خود نشان دهد ، برخی از الکترونها باید درمجاورت یک میدان الکتریکی سرعت رانش کوچکی به دست آورند. الکترون ها برای دستیابی به این سرعت باید انرژی جنبشیشان رابه تدریج افزایش دهند .البته این امرممکن نیست زیراافزایش کم انرژی مستلزم آن است که الکترونهای مجاور بالای نوار والانسی به داخل کشاف ممنوع بروند درنتیجه درنزدیکی صفرمطلق، ماده جامدی که به الکترونهای آن فقط برای پر کردن نوار والانسی کافی باشد مانند عایق کامل عمل می کند. هنگامی که دمای جامد به نحو چشمگیری بالارود، برخی از الکترونهای مجاور بالای نوار والانسی تحریک (برانگیخته ) و وارد نوار هدایت می شوند. به این ترتیب ماده مذکور الکترونهای کمی داردکه بتواند یک سرعت رانش به دست آورد. وبنابراین قابلیت هدایت الکتریکی کمی از خود نشان می دهد

شکل 2-6 ( الف) ساختمان نواری یک فلز و عایق در صفر مطلق (ب)ساختمان نواری یک نیمه هادی ذاتی در دماهایی بالاتر از صفر مطلق

اگر تعداد الکترونهای ماده جامد برای پر کردن کسری از ( مثلاً مس ) خارجی ترین نوار (هدایت ) کافی باشد. الکترونها تعریف می شوند و به حالات بالاتر درون این نوار می روند در نتیجه تعداد نسبتاً زیادی از الکترونها، سرعت رانش مطلوب را برای هدایت الکتریکی بدست می آورند و جامد مانند یک هادی فلزی عمل می کند. یک نیمه هادی در دمای نزدیک صفر مطلق کاملا ً شبیه یک عایق است .به این ترتیب که نیمه هادی مورد نظر دارای یک نوار والانسی کاملاً پر و یک نوار هدایت تهی است ، تفاوت بین این دو در آن است که دریک نیمه هادی شکاف انرژی بین نوارهای هدایت و والانس خیلی اندک است. از این رو، دردمای اتاق تعداد زیادی ازالکترونهای نواروالانسی دراثر وجود حرارت تحریک می شوند وبه نوار هدایت می روند ( شکل 6-2ب) در نتیجه بالا رفتن دمای ماده قابلیت هدایت الکتریکی یک نیمه هادی به شدت افزایش می یابد .تفاوت جالب توجهی بین هدایت الکتریکی در فلزا ت و نیمه هادیها وجود دارد. در فلزات جریان کاملاً به علت حرکت الکترونهای آزاد درنوار هدایت پدید می آید .در صورتی که درنیمه هادیها، فضاهای خالی که توسط الکترونهای تحریک شده دراثرحرارت در داخل نواروالانسی باقی می مانندنیز در فرآیند هدایت الکتریکی سهیم هستند. دراین حال برخی از الکترونهای درون نوار والانسی را می توان تحریک کرد تا به حالات خالی بروند و به این ترتیب به سرعت رانش مطلوب برای هدایت دست یابند. گفته می شود قسمتها ی خالی باقیمانده در نوار والانسی حفره هایی با بار مثبت پدید می آورند. می توان هدایت الکتریکی در نوار والانسی را به عنوان جریان از حفره ها تعریف کرد هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال شود، حفره های تولید شده در نوار والانسی و الکترونهای تولید شده در نوار هدایت درخلاف جهت هم جاری می شوند ولی جریان خالص، مجموع جریانها ی حفره و الکترون است. چگالی حامل برای نیمه هادیهای ذاتی یا خالص با ni برای الکترونهای ( منفی) و pi برای حفره ها( مثبت ) نشان داده می شوند. چون دریک نیمه هادی حاملها به شکل جفت الکترون -حفره تو لید می شوند،pi= ni است. می توان ثابت کرد که تمرکز جفت الکترون حفره طبق رابطه زیر با دمای کلوین تغییر می کند.
(7-6)
که k ثابت بولتزمن و اندازه شکاف انرژی یعنی اختلاف انرژی بین پایین نوارهدایت و بالای نوار والانسی است .ثابت A یک پارامتر تجربی برای نیمه هادی و مقدار آن عموماً حدود است، در حالی که Eg از مر تبه یک الکترون ولت است ثابت بوستزمن رامی توان به این صورت نو شت:

بر طبق معادله 7-6 تمرکز حامل بامیل کردن T به سمت صفر از بین می رود به طوریکه نیمه هادی کم کم مانند یک عایق عمل می کند. با افزایش T، چگالی حامل و نیز قابلیت هدایت الکتریکی هردو به نحو چشمگیری افزایش می یابد .هنگامی که یک میدان الکتریکی E ، به نیمه هادی اعمال می شوند چگالی جریان پدیند امده برابر خواهد بو د با:

که p مقاومت ویژه است . این مقاومت ویژه را می توان طبق فرمول زیر بیان کرد:
(8-6)
e بار الکترون به ترتیب تحرک الکترون و حفره است .
وقتی هم مقدار تمرکز حامل و هم تحرک حامل افزایش یابد، مقاومت ویژه ماده تقلیل می یابد. درفلرات ni مستقل از دماست، مقدار pi صفر است ( یعنی جریان حفره وجود ندارد ) . با دما کاهش می یابد. درنتیجه ، مقاومت ویژه فلزات با افزایش دما زیاد می شود در نیمه هادیها افزایش ni هرگونه کاهش دررا جبران می کند و درنتیجه مقاومت ویژه نیمه هادی ها با افزایش دما کاهش می یابد.
بطور خلاصه می توان تصور کرد یک نیمه هادی ذاتی دارای تمرکز یکنواخت و تابع دمای جفت الکترون حفره است. تمرکز تعادلی از طریق تولید حرارتی ثابت و درنتیجه ترکیب مجدد جفتهای الکترون حفره برقرار می ماند .مقاومت ویژه یک نیمه هادی ذاتی خیلی کوچک تر از مقاومت ویژه یک عایق است ولی در عین حال خیلی بیشتر از مقاومت ویژه یک فلز است .علاوه براین، این مقاومت نسبت به تغییرات دما خیلی حساس است.
نیمه هادیهای غیر ذاتی ( نا خالص شده ):
اکنون اثر افزودن مقدارکمی فسفر را به سیلیوم خالص بررسی می کنیم یک اتم فسفر دارای ظرفیت 5+ است ( یک واحد بیشتر از ظرفیت اتم سیلسیوم).اثر خالص افزودن اتمهای فسفر دوجانبه است .ابتدا اینکه یک سطح انرژی مجاز در بالای شکاف ممنوع ، یعنی درست زیر نوار هدایت به وجود می آید دوم اینکه اتمهای فسفر الکترونهایی را به اشتراک می گذارند تا این سطح کاملاً پر شود ( شکل 3-6الف) حتی دردمای اتاق همه این الکترونهاتحریک می شوند وبه سوی نوارهدایت می روند. لذا تعداد زیادی از الکترونها برای هدایت الکتریکی دردسترس هستند. درواقع هراتم فسفر یک الکترون منفرد را بانوارهدایت با اشتراک می گذارند از این رو این اتمها را اتمهای دهنده می نامندچگالی حامل الکترون که تو سط اتم دهنده تامین می شود عبارتست از:
(9-6) ( ماده نوع n )
که Nd تمرکز اتم دهنده است. باید به خاطر داشت که این الکترونها یک حفره متحرک پشت سر خود به جا نمی گذارند، درعوض یونهای دهنده مثبت درداخل شبکه بلورین ثابت می مانند. هرچند که چگالی ناخالصی دهنده خیلی کمتر از چگالی اتمی خود شبکه است ولی حامل غیرذاتی صدها بار بیشتر از چگالی جفت الکترون حفره درونی است. که دراثر تحریک حرارتی نوار والانسی پدید می آیدچون یک ناخالصی ازنو ع دهنده الکترونهای زیادی برای عمل هدایت تولید می کند.می گوییم که ماده ناخالصی از نوع n است و این الکترونها را حامل اکثریت می نامند .پیدا شدن تعداد زیادی الکترون تمرکز تعادلی حاملها ی اقلیت یعنی حفره هارا که تو سط حرارت بوجود می آیند برهم می زند. کاهش تمرکز حفره ها با استفاده از قانون اثرجرم بدست می آید که:

باید برقرار باشد. ni تمرکز تعادلی واسطه ذاتی است با استفاده از معادله 7-6 تمرکز حاملهای اقلیت بدست می آید:
( 10-6) ( ماده نوع n )

(
یونهای دهنده مثبت ( ثابت هستند )
 الکترونهای(اکثر یت )منفی( متحرک هستند)
° حفره های ( اقلیت )مثبت(متحرک هستند)
شکل 3-6( الف ) ساختمان نواری در یک نیمه هادی نوع (ب) توزیع حاملهای اکثریت (الکترونها ) حاملهای اقلیت ( حفره ها ) یونهای دهنده ثابت.

از این رو، در یک ماده نوع n (مثلا ً سیلسیومی که با فسفر نا خالص شده است) حاملهای اکثریت شامل تعداد زیادی الکترون است که توسط اتمهای دهنده به وجود می آ یند به اضافه تعداد بسیارکمی الکترون که توسط تحریک حرارتی تولید شده اند تمرکز حامل اکثریت تقریبااز دما مستقل است و از معادله 9-6 بدست می آید. از سوی دیگر حاملهای اقلیت حفره هایی هستند که توسط تحریک حرارتی از نوار والانسی بوجودمی آیند. میزان تمرکز آنها طبق معادله 10-6 به مقدار قابل ملاحظه ای با دما تغییر می کند.ماده نوع n علاوه بر الکترونهای اکثریت و حفره های اقلیت ، شامل تعداد زیادی یونهای دهنده غیر متحرک با باز مثبت است چون تعداد الکترونها برابر مجموع تعدادحفره ها و یونهای مثبت است ماده از لحاظ الکتریکی خنثی است. ( شکل 3-6ب )
پیوند p-n :
برای درک عملکرد یک وسیله فتوولتایی، آنچه را که هنگام تشکیل یک پیوند نوع p-n تشکیل می شود بررسی می کنیم.هنمگامی که دو ماده ازنوع p و n به هم اتصال یابند. حاملهای اکثریت درهرماده شروع به پخش شدن درمحل پیوند میکنند تا تمرکزشان متعادل شود .حفره های مجاور پیوند از ماده نوع p درنوع n رهسپار می شوند والکترونها درجهت عکس آن شروع به پخش شدن می کنند. درنتیجه این کار، تعدادزیادی از حاملها بایکدیگر مجددا ترکیب می شوند ومنطقه نازکی به نام لایه تهی تشکیل می دهند که اصل ولایه خالی از حفره و الکترون است.
این عمل، یونهای غیرمتحرک را در هرناحیه آشکار میکند به طوری که ناحیه تهی ماده نوع p دارای بار منفی و ناحیه تهی ماده نوع n دارای بارمثبت می شوند. درنتیجه یک ولتاژ ومیدان الکترو استاتیک درلایه تهی پدید می آید که مانع خروج بیشتر حفره ها و الکترونها از لایه تهی می شود. پتانسیل الکترواستاتیکی ماده نوع n به نحو بارزی بیشتر از پتانسیل ماده نوع p است.این پتانسیل تماسی رانمی توان به طور مستقیم اندازه گرفت، هنگامی که دو الکترود را به این مواد وصل کنیم ،پتانسیلهای تماسی ثانوی پدیدمی آیند ودرنتیجه ولتاژ کلی دوسر الکترودها صفر خواهد بود. اگردرجه حرارت پیوند p-n با درجه حرارت پسو ند الکترودها تفاوت داشته باشد یک ولتاژ ترموالکتریکی تولید خواهد شد،(ولی دراینجا این اثر رانادیده گرفته ایم )
دستگاههای فتوولتایی پیوندی :
یک پیوندp-n منفرد رادرنظر بگیرید که از ویفری از جنس سیلسیم نوع p ساخته شده و بر روی آن لایه نازکی از سیلسیوم نوع n رسوب داده شده است. ویفر را کف و لایه رسوب کرده را لایه سطحی می نامندالکترودها رابه سطوح خارجی وسیله متصل می کنند.الکترود برای لایه سطحی از رسوب فلزی بسیار نازکی تشکیل شده است .این الکترودباید شفاف باشد تا بگذارد نورخورشید با کمترین تضعیف به لایه سطحی برسد .لایه سطحی نیز نازک است درنتیجه تابش خورشیدی میتواند به پیوند برسد. (شکل 4-6)

شکل4-6 یک وسیله فتوولتایی از نوع p-n

با تابش انرژی خورشیدی برروی وسیله فتوولتایی، مقداری از فوتونها تشکیل جفت الکترون – حفره می دهند وتاثیر آن جریان نوری است که ازماده توع n به نوعp جاری می شود.
این جریان نوری عبارت است از:

که دراین رابطه نوع تولید جفت الکترن حفره ( درواحد سطح)است .البته اگر این وسیله از لحاظ الکتریکی از مدارخارجی مجزا باشد ، جریان حالت دائمی کلی که از پیوند می گذرد ، باید مساو ی صفر باشد ، یعنی یک جریان برگشتی به نام جریان پیوندJj باید وجود داشته باشد که مقدارآن نیز برابر جریان نوری باشد. این جریان پیوند از ماده نوع p به سوی ماده نوع n جاری می شود وبنابراین جریان مستقیم محسوب می شود.برطبق جریان پیوند روبه جلو توسط رابطه به ولتاژدوسر دستگاه مربوط است :
(11-6)
دراین رابطه voc ولتاژ مدارباز است ، یک مدل ساده برای یک پیل فتوولتایی طبق شکل 8-6 شامل یک منبع جریان است که به یک دیود موازی شده است .دستگاه فتوولتایی مدارباز از لحاظ الکترونیکی درشکل 8-6 (الف) مشخص شده است .چون این وسیله ایزوله است، جریان فوتونی تولید شده توسط تابش خورشیدی از دیود عبورکرده، به وسیله فتوولتای باز میگردد .درنتیجه یک ولتاژ مدارباز دردوسر دیودو همچنین دوسر ترمینالهای آن پدید می آید. با حل کردن معادله 11-6 نسبت به و لتاژمدارباز درمی یابیم که:
(12-6)
ولتاژ مدار باز تولیدشده توسط یک وسیله فتوولتایی با پیوند p-n به دما، جریان اشباع معکوس و جریان فوتونی بستگی دارد. همانطور که خواهیم دید جریان فوتونی تا اندازه ای به شدت تو زیع طیفی تابش تابیده بستگی دارد.

شکل 5-6 مدل ساده الکترونیکی وسیله فتوولتایی که شامل یک منبع جریان فوتونی موازی شده با یک دیود است. الف) عمل مدارباز ب) عمل اتصال کوتاه ج) تامین جریان به یک مقاومت باز خارجی.

اگر ترمینالهای وسیله فتو ولتایی را اتصال کوتاه کنیم. کل جریان فوتونی از طریق مدارخارجی برمی گردد و جریان پیوند به صفر می رسد. درنتیحه همان طور که انتظار می رفت ولتاژ ترمینال صفر است (شکل 8-6ب) بنابراین جریان اتصال کوتاه برابر است با :

هنگامی که یک مقاومت بارR به دو سر ترمینال وسیله فتوولتایی متصل شود ، کسری جریان فوتونی از دیود موازی آن و بقیه آن از بار مذکورمی گذرد ( شکل ج) جریان عبوری از بار عبارتست از:

( 14-6الف) معادله فوق رابرای ولتاژترمینال حل می کنیم ، داریم:
(14-6)
پاسخ دهی طیفی جریان فوتونی:
مشخصه جریان بر حسب ولتاژ یک پیوند p-n فتوولتایی خورشیدی رامی توان به مجرد بدست آوردن JP که به شار تابشی تابیده برلایه سطحی وسیله مربوط است ازمعادله14-6 تعیین کرد.تجزیه وتحلیل دقیق پدیده های میکروسکوپی که درتولید جریان فوتونی نقش دارند از حوصله این پروژه خارج است، درعوض، یک تجزیه وتحلیل تجربی نیمه کمی را ارائه خواهیم کرد. تصورکنید که شار خورشیدی تابیده راتوسط توزیع طیفی نمایش دهیم. تابع طیفی نشان دهنده انرژی تابشی درهر ثانیه و واحد سطح درواحد طول موج تابیده برروی لایه سطحی وسیله فتوولتایی است. چون یک فوتون با طول موج دارای انرژی است تعداد فوتونهای تابیده درواحد زمان درواحد سطح درواحد طول موج برابر است با:

همه فوتونها جریان فوتونی پدید نمی آورند. آن دسته ازفوتونهایی که انرژی آنها کمتر از انرژی شکاف نوارنیمه هادی است حتی نمی توانند جفت الکترون حفره نیز تولیدکنند. برخی از فوتونهایی که برای تولید این جفتها انرژی کافی دارند، قبل از آنکه بتوانند چنین کاری انجام دهند بازتابش و جذب لایه سطحی می شوند.درواقع، حتی هنگامی که جفتهای الکترون حفره پدید آمدند تمایل آنها به عمل ترکیب مجدد، جریان فوتونی خالص راکاهش می دهند. دررابطه ذیل کلیه این عوامل به طورتجربی استفاده شده اند :

در این رابطه نرخ تولید جفت توسط ( در واحد سطح ) و بازده کوانتومی برای فوتونهایی با طول موج است. پارامتر به ازای طول موج های بزرگتر از طول موج قطع صفر است پارامتر طول موج یک فوتون است که انرژی آن برابر انرژی شکاف نواراست. عموماً هنگامی بیشترین مقدار رادارد که کمی کوتاهتر از است و بامیل کردن به سمت صفر مقدار آن تقلیل می یابد. بنابراین ، آن دسته از فوتونها که انرژی آنها کمی بیشتر ازانرژی شکاف نوارباشد بهتر قادرند جریان فوتونی را پدیدآورند.با به کاربردن رابطه:
می توان این رابطه را به شکل ساده تری نوشت

که درآن جریان فوتونی طیفی است و

پاسخ دهی طیفی وسیله فتوولتایی است. پاسخ دهی یک وسیله فتو ولتایی سیلسیومی عادی در شکل 6-6 ترسیم شده است .جریان فوتونی تولیدی توسط کل طیف عبارتست از:

که در آن :

و:
طول موج قطعی طبق رابطه بدست می آید. پارامتر به پاسخ دهی متوسط مرسوم است و به توزیع طیفی تابش تابیده بستگی دارد. مقدار آن را برحسب آمپر بر وات می سنجند:

شکل 6-6 پاسخ دهی طیفی یک وسیله فتو ولتایی سیلیومی عادی خط چین، پاسخ دهی یک پیل بابازده کوانتومی یک است.

پس از جایگزین کردن معادله20-6 درمعادله 15-6 داریم:
(21-6 الف)
(21-6 ب)
با استفاده ازمعادله 16-6 جریان اتصال کوتاه ولتاژمدارباز را به دست می آوریم :
(22-6 الف)
و:
(22-6ب)
هرچند که جریان اتصال کو تاه نسبت به شار تابیده خطی است ولی ولتاژ مدارباز نسبت به F به صورت لگاریتمی تغییرمی کند (شکل 7-6) چون پاسخ دهی متوسط به توزیع طیفی بستگی دارد ،مقدارآن با شرایط جوی و وضعیت خورشید تغییر می کند. برای دستیابی به مبنایی که به وسیله آن عملکرد یک وسیله فتوولتایی خورشیدی رااندازه بگیریم ، ازتوزیع طیفی جسم سیاه دردمای 5800 درجه کلوین استفاده می کنیم معمولاً شار را برحسب واحد خورشیدی اندازه می گیرند که درآن واحد خورشیدی
مشخصه های الکتریکی نوعی برای یک وسیله فتوولتایی سیلسیومی که دردمای T=300K کارمی کند درشکل 8-6 نشان داده شده است.این منحنی ها با استفاده از مقادیر
و

شکل 7-6 (الف) جریان اتصال کوتاه برحسب شار خورشیدی تابیده برای یک وسیله فتوولتایی سیلیومی نوعی رابطه دراین حالت خطی است .(ب) ولتاژمدار باز برحسب شارخورشیدی تابیده برای همان وسیله فتوولتایی رابطه دراین حالت لگاریتمی است.

از معادله 16-6 بدست آمده است. به ازای یک سطح شار ثابت ولتاژ خروجی با افزایش جریان کشیده شده نسبت به مقدارمدار باز آن تقلیل می یابد. چون چگالی توان خروجی (یعنی توان درهر واحد سطح پیل ) توسط رابطه ذیل به دست می آید:

توان درحالت مداربازواتصال کوتاه به صفر می رسد و درمقادیر متوسطی از ولتاژ وجریان که آنها رابه ترتیب با نشان می دهیم به حد اکثر می رسداین نقاط توان حداکثر(شکل 8-6) معمولادرناحیه "خم" هرمنحنی رخ می دهند.

شکل 8-6 مشخصه هایJ برحسب v یک پیل فتوولتایی نوعی این منحنی از معادله 216 و با استفاده مقادیر و و بدست آمده است. نقاط توان حداکثر برای هر سطح آفتاب گیری نشان داده شده است.

ساخت وسایل فتوو لتایی سیلسیومی :
درحال حاضر وسایل فتوولتایی سیلسیومی درزمره موثرترین پیلهای خورشیدی به کار رفته هستند ساخت آنها با خالص ترین درجه سیلسیوم دردسترس (درجه خورشیدی) آغازمی شود. این سیلسیوم ازسیلسیوم ناخالص تر ( درجه نیمه هادی) که برای ساخت قطعات الکترونیکی به کار می رود گرفته می شود. مرحله نهایی ساخت ذوب منطقه ای نامیده می شود و درآن نواحی سیلسیوم مذاب درمیان توده ماده به حرکت درمی آیدو ناخالصی های باقیمانده ریز را با خود می برد خلوص درجه خورشیدی برجای مانده درتوده ماده 990999 است.
این سیلیسیوم خالص رادریک بوته توسط امواجی بافرکانس رادیویی مشابه امواجی که دریک اجاق خوراکپزی مایکروویو به کار می رود به صورت مذاب نگه می دارند .این امر باعث می شود ماده مذکور به طور یکنواخت حرارت ببیند .ماده مذاب درمحیطی ازیک گاز خنثی نگهداری می شود. ماده ناخالصی را به دقت به ماده مذاب می افزایند تا ماده نوع n یا p بدست آید. سپس ماده مذاب را به صورت بلوردرمی آورند روش بلورسازی که عموماً به کارمی رود روش چکلرالسکی است یک دانه بلور کوچک راکه به یک گیره مخصوص متصل شده است درماده مذاب داخل می کنند با بیرون کشیدن دانه،یک شمش استوانه ای ازجنس سیلسیوم بلورین تشکیل شده وبه تدریج از ماده مذاب خارج می شود.قطرشمش به سرعت بیرون کشیدن ودانه ازماده مذاب بستگی دارد.
هرچه این سرعت کمترباشد قطرشمش بیشترخواهد شد. سرعتهای معمول از چندین سانتیمترتا کسری از یک سانیتمتر درهرساعت تغییرمی کندوشمش هایی تا قطر 10سانتیمترتولید می شود.
پس از آن شمشهای سیلسیومی ( نوع pیاn ) با درجه خورشیدی را به شکل ویفرهای گرد به ضخامت تقریبی 0.075 سانتی متر می برند. این ویفرها پیل خورشیدی راتشکیل می دهند اگرماده کف از نوع p باشد. دریک لایه نازک ازماده نوع n توسط عمل پخش کردن ناخالصیهای مناسب برروی سطح ویفرتشکیل می شود .ضخامت لایه سطحی وسیله فتوولتایی نوعا چند میکرون( میکرون ) یک الکترودفلزی به قسمت زیرکف متصل می شود و شبکه ظریفی ازالکترودهای مشبک به لایه سطحی چسبانده می شود.
لایه سطحی معمولا بایک لایه ضد بازتاب اندود میشود تابازتاب تابش درطول موجهایی که پیل نسبت به آنهاخیلی حساس است ، کاهش می یابد . به هنگام ساخت پیل لازم است ضخامت بایه کف آنقدرکم باشد تامقاومت سری درون پیل تقلیل یابد و ازطرفی آن قدر زیادباشد تاازنظر ساختمانی استحکام داشته باشد .لایه سطحی نیز باید آنقدرنازک باشد که اجازه دهد تابش خورشیدی به پیوند بتابد وازطرفی بقدرکافی ضخیم باشد تا پیدایش الکترون- حفره دردرون پیل به مقدار قابل ملاحظه برسد .باید دقت کرد تا الکترودهای فلزی به نحو خوبی متصل شوند .هرچند که ماده خام این فرآیند یعنی شن sio2 فراوان وارزان است ولی زمان ساخت طولانی وهزینه های آن زیاداست. تحقیقات اخیر درخصوص نیمه هادی های نازک وبی شکل ( غیرمتبلور) نشان داده است که می توان وسایل فتوولتایی را با هزینه کمتر تولیدکرد .یک روش دیگر تحت بررسی برمبنای استفاده از متمرکز کننده های منشوری از جنس پلاستیک است که امکان میدهند مقادیربزگتر شاربر روی پیلهایی بامساحت کمتر بتابند. اگربتوان هزینه ساخت پیلها راباضریب 100تقلیل داده وبه مثلا40 دلاردرهر متر مربع رسانیده بهره کل حتی بانصف بازده متداول تولید انرژی الکتریکی به رقابت بپردازند ، خصوصاً به این دلیل که هزینه سوختهای فسیلی روبه افزایش است.
برآورد هزینه تولید برق:
در حال حاضر هزینه سرمایه گذاری برای نیروگاههای خورشیدی پارابولیک کانون خط SEGS با ظرفیت Mwe 80-30 در حدود 2900 الی 4200 دلار می باشد که 50 الی 70 درصد مربوط به هزینه ساخت و نصب مزرعه خورشیدی و 15 الی 25 درصد مربوط به هزینه سیکل حرارتی و 5 الی 10 درصد سرمایه گذاری اولیه مربوط به هزینه بالانس نیروگاه می گردد هزینه بهره برداری و نگه داری را می توان به دو بخش تعمیر و نگهداری تجهیزات و هزینه پرسنلی تقسیم بندی نمود که برای نیروگاههای SEGS هزینه تعمیر و نگهداری در هر سال حدود 1 ال 9/0 درصد سرمایه گذاری اولیه می باشد. تعداد پرسنل مورد نیاز برای نیروگاه های Mw 30 مگاواتی 33 نفر و برای نیروگاههای Mw 80 مگاواتی 53 نفر است که هزینه های مربوط به آن 2/1-9/0 درصد سرمایه گذاری اولیه نیروگاه می باشد جدول 4 هزینه سرمایه گذاری اولیه بهره برداری و نگهداری و سوخت را برای نیروگاههای SEGS نشان می دهد با توجه به مقررات زیست محیطی نیروگاههای SEGS نشان می دهد با توجه به مقررات زیست محیطی نیروگاههای SEGS مجازند حداکثر 25 درصد انرژی حرارتی خود را از منابع فسیلی تامین نمایند.
اما درکشورما باتوجه به ارزان و دردسترس بودن گازطبیعی می توان سهم بیشتری ازانرژی حرارتی مورد نیاز راتوسط گاز تامین کرد بدینوسیله هزینه تولید برق این نیروگاهها را کاهش داد حال با استفاده از روش (cost Energy) (levelited LEX) می توان هزینه تولیدبرق راباتوجه به میزان مصرف سوخت فسیلی تعیین کرد.

دررابطه فوق C کل هزینه سرمایه گذاری اولیه A نرخ بازپرداخت سالیانه
O8M هزینه های بهره برداری و نگهداری درهرسال
F هزینه مصرف سالانه سوخت
E میزان انرژی الکتریکی تولید شده درهرسال می باشد
نرخ بازپرداخت سالانه وتابعی از طوی عمرنیروگاه (N) ونرخ تنزیل (r) و از رابطه زیر محاسبه می شود :

چنانچه طول عمر نیروگاه 30 سال باشد نرخ تنزیل 8 درصد وضریب ظرفیت 50-30 درصددرنظر گرفته شود و 50-25 درصد انرژی حرارتی توسط گاز طبیعی تامین شود هزینه تولید برق برای نیروگاههای 30MW مگاواتی 16-12 C/kwh ونیروگاههای MW 80 مگاواتی C/kwh11-9می باشد.
درحدود دوبرابر هزینه تولید برق نیروگاههای فسیلی متعارف می باشد.
پیش بینی می شودبا ادغام نیروگاههای خورشیدی باسیکل ترکیب بتوان هزینه تولید برق را به C/kwh 8-7 کاهش داد
یکی ازمزایای مهم این نیروگاهها کاهش میزان انتشار وco2 درمقایسه با نیروگاههای فسیلی است برای مثال یک نمونه نیروگاه خورشیدیMwe80 با ضریب ظرفیت 35 درصد و بکارگیری 25 درصد سوخت گاز کمکی درمدت 30 سال از انتشار 310میلیون تن co2 تولیدی توسط نیروگاه فسیلی مشابه جلوگیری وچنانچه co2 زدایی حدود $/ton 20 درنظرگرفته شود به کارگیری این نیروگاه خورشیدی 70 میلیون دلار از هزینه مذکور خواهد کاست .

نتیجه گیری :
نیروگاه خورشیدی پارابوالیک کانون-خط اولین نیروگاه خورشیدی می باشد که جهت تولید برق به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته است.
که این امر ناشی از عوامل زیرمی باشد :
– طرح فنی ساده کلکتور و در دسترس بودن تکنولوژی ساخت و تولید انبوه آنها
– امکان بکارگیری سیستم تلفیقی با سوخت فسیلی کمکی به منظور اطمینان از عملکرد سیستم در شرایط آب هوایی مختلف ممانعت از کارکرد نیروگاه در بار غیرنامی و تولید برق دربار پیک
– قابلیت اطمینان پذیری بالای سیستم در مقایسه با سایر نیروگاه های حرارتی خورشیدی که ناشی از دمای کارکرد مناسب کلکتورها باشد.
– سیستم ردیابی کلکتورها تک محوره است و تجربیات بدست آمده نشان می دهد که آرایش شمالی- جنوبی در مقایسه با آرایش شرقی غربی امکان دستیابی به انرژی خورشیدی بیشتری را در طول سال فراهم می سازد.
با توجه به اینکه قسمت تمرکز کلکتورهای پارابولیک کانون خطی در حدود 100 الی 20 و دمای کارکرد آنها 400-300 درجه سانتیگراد می باشد. استفاده از کروم سیاه یا آلیاژهای سرامیک- فلز برای سطوح جاذب رسیور و روغنهای حرارتی به عنوان سیال عامل کلکتورها مورد توجهی بیشتر قرار دارد بررسی به عمل آمده نشان می دهد برای ظرفیت های کمتر ازMwe 30 بکارگیری سیکل رانیگن و بولیر کمکی در مدار ثانویه نیروگاه مناسب ترین طرح می باشد.
در صورتیکه برای فلز بالاتر از Mwe100 به علت افزایش اینرسی حرارتی مزرعه خورشیدی استفاده از هیتر- روغن با سوخت فسیلی در مدار اولیه نیروگاه مناسبتر می باشد.
هزینه سرمایه گذاری این نیروگاهها 4200-2900 $/kwe و هزینه های بهره برداری و نگهداری آنها در هر سال حدود $/kwe84-85 می باشد و چنانچه 50-20 درصد انرژی حرارتی مورد نیاز نیروگاهها توسط سوخت فسیلی تامین شود هزینه تولید برق $kwh 9-11 خواهد بود.

1