روشهای بهره گیری از انرژی خورشیدی

قطر خورشید 106 * 39/1 کیلومتر است و از گازهایی مثل هیدروژن (8/86 درصد)، هلیوم (3درصد) و 63 عنصر دیگر تشکیل شده است.  دمای مرکز خورشید حدود 10 تا 14 میلیون درجه سانتی گراد می باشد، انرژی از سطح خورشید با حرارتی نزدیک به 5600 درجه سانتی گراد و به صورت امواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می شود . زمین 150 میلیون کیلومتر با خورشید فاصله دارد و 8 دقیقه و 18 ثانیه طول می کشد و سوخت های فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرژِی های باد و آبشار و امواج دریا و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین انرژی دریافتی زمین از خورشید اند. شناخت انرژی خورشید و استفاده از آن برای منظورهای مختلف، به زمان ما قبل تاریخ برمی گردد. شاید به دوران سفالگری در آن زمان روحانیون معابد به کمک جام های بزرگ طلایی صیقل داده شده و اشعه خورشید ،آتشدان های محراب ها را روشن می کردند.  با وجود این که انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود، ولی بالا بودن هزینه اولیه سیستم های خورشیدی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستم ها شده بود تا این که افزایش قیمت نفت در سال 1973 باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شوند به مسئله تولید انرژی از راه هایی غیر از سوخت های فسیلی توجه بیشتری نمایند.
در حال حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم های مختلف و برای مقاصد گوناگون استفاده می شود. روش های بهره گیری از انرژی خورشید عبارتند از:
1- استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی
2- تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته به وسیله تجهیزاتی بنام فتو ولتاژیک ( صفحه خورشیدی )
کاربردهای انرژی خورشیدی
کاربردهای انرژی خورشید شامل دو گروه نیروگاهی و غیر نیروگاهی می باشد.
کاربردهای نیروگاهی
تاسیساتی که با استفاده از آن ها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می شود، نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می شوند. این تاسیسات براساس انواع متمرکز کننده های موجود و برحسب اشکال هندسی متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند:
الف- نیروگاه هایی که گیرنده آن ها آینه های سهموی می باشد
ب- نیروگاه هایی که گیرنده آن ها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه های بزرگ به آن تابیده می شود.
ج- نیروگاه هایی که گیرنده آن ها بشقاب های سهموی می باشد.
نحوه کار نیروگاه های خورشیدی
در همه انواع نیروگاه ها اعم از گازی، آبی و بخاری برای تولید برق از ژنراتورهای تولید برق استفاده می شود و با چرخیدن آن ها برق تولید می شود. این ژنراتورها به وسیله توربین به چرخش در می آیند و در حقیقت انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.
در نیروگاه خورشیدی، انرژی خورشید آب را بخار می نماید و این بخار باعث چرخاندن توربین و تولید برق می گردد.
مزایای نیروگاه های خورشیدی
- تولید برق بدون مصرف سوخت و هزینه جاری
- محیط زیست را آلوده نمی کنند و هیچ آلاینده ای تولید نمی کنند.
- استهلاک کم و عمر زیاد به دلیل این که دمای کاری بسیار بالایی ندارند.
کاربردهای غیر نیروگاهی
از انرژی خورشید غیر از کارهای نیروگاهی می توان استفاده های زیاد دیگری نیز نمود مانند:
الف: آب گرمکن خورشیدی: تولید آب گرم مصرفی ساختمان ها از اقتصادی ترین روش های استفاده از انرژی خورشیدی است می توان از انرژی حرارتی خورشید جهت تولید آب گرم منازل و اماکن عمومی استفاده کرد. در ایران نیز تعداد زیادی آب گرمکن و حمام خورشیدی در حال کار می باشند.
ب: تهویه مطبوع خورشیدی: برای گرمایش و سرمایش ساختمان ها
پ: آب شیرین کن خورشیدی
ت: خشک کن مواد غذایی خورشیدی
ث: اجاق های خورشیدی برای پخت و پز

ساخت سلول خورشیدی با الهام از گل رز

محققان با الهام از گلبرگ های گل رز، موفق به ساخت کارآمدترین  صفحه خورشیدی  شدند. محققان سال ها است که به دنبال روش های کارآمد برای تبدیل نور خورشید به انرژی هستند. گیاهان به دلیل خاصیت فتوسنتز، بیشترین توانایی را در این راستا دارند. محققان موسسه تحقیقاتی کارلسروهه (KIT) در آلمان پس از مشاهده گلبرگ های گل رز در میکروسکوپ الکترونی دریافتند که سلول های گلبرگ خواص اپتیکی ویژه ای دارند.
این نانوساختار دارای برجستگی هایی شبیه دندانه هستند که به صورت رندوم (تصادفی) روی سطح آن قرار گرفته اند. این برجستگی ها علاوه بر جذب فوق العاده نور،  در گرده افشانی حشرات نیز نقش دارند.
محققان با استفاده از یک پلیمر سیلیکونی، گلبرگ گل رز را با تمام ویژگی های آن شبیه سازی کرده اند. این پلیمر سیلیکونی عملکردی شبیه قالب دارد. سپس چسب شفاف اپتیکی روی این قالب ریخته می شود و در معرض نور ماورای بنفش قرار می گیرد.
 محصول نهایی یک لایه شفاف مشابه گلبرگ رز است که کارایی سلول های خورشیدی را 12 درصد افزایش می دهد. هرچه دقت قالب گیری از گلبرگ بیشتر باشد، کارایی محصول نهایی بالاتر است.
قرار است به زودی از این فناوری در ساخت صفحه خورشیدی استفاده شود. نتایج این تحقیقات در نشریه Advanced Optical Materials منتشر شده است.

تولید پیل خورشیدی که نور مرئی را جذب می‌کند

مطالعه محققان نشان می‌دهد که با ترکیب نقاط کوانتومی گرافنی و دی اکسید تیتانیوم می‌توان پیل خورشیدی تولید کرد که قادر به جذب نور مرئی است. این موفقیت با توجه به این که ۴۳ درصد نور خورشید حاوی طول موج‌های نور مرئی است یک دستاورد مهم برای افزایش کارایی پیل‌های خورشیدی محسوب می‌شود.

به گزارش ایرنا، محققان استرالیایی دانشگاه گریفیفت موفق به کشف ساز و کار جدید برای بهبود خواص جذب نور در نوعی از نانومواد شدند. به اعتقاد محققان این دستاورد جدید می‌تواند نسل جدیدی از موادکامپوزیتی را ایجاد کند که قادر به جذب نور خورشیدی بوده و امکان استفاده از آن‌ها در اپتوالکترونیک وجود دارد.

این گروه تحقیقاتی برای اولین بار نشان دادند که پدیده‌ای موسوم به "کم عرض کردن باندگپ با محدود کردن کوانتومی" می‌تواند جذب انرژی خورشیدی را در طیف UV برای نقاط کوانتومی گرافنی و اکسید تیتانیوم بهبود دهد. با این کار می‌توان میزان جذب انرژی را در محدوده طول موج‌های مرئی نیز افزایش داد. این دستاورد از این جهت مهم است که 43 درصد از طول موج‌های خورشیدی مربوط به بخش مرئی بوده و تنها 5 درصد آن به UV تعلق دارند. لی می‌گوید: هرکجایی که نور خورشید  و صفحه خورشیدی  وجود داشته باشد، این نانومواد می‌توانند برای تولید انرژی مورد استفاده قرارگرفته و با انرژی تولید شده آب آشامیدنی تولید کنند. این سازوکار می‌تواند برای تولید انرژی بسیار مهم باشد و آنچه که ارزش این دستاورد را دوچندان می‌کند آن است که با روشی بسیار ساده می‌توان ماده‌ای را که جاذب UV است، وادار به جذب نور مرئی کرد. این کار تنها با کم عرض کردن باندگپ انجام می‌شود.

از نانوذرات اکسید تیتانیوم برای تولید پیل‌های خورشیدی حساس شده با رنگ استفاده می‌شود. این ماده فراوان و ارزان بوده و به صورت پیگمنت‌های سفید در بازار یافت می‌شود. پیش از این محققان با تقویت ساختاری با یون فلزی، کربن، نیتروژن و هیدروژناسیون اقدام به بهبود عملکرد این مواد کرده بودند که تمامی این روش‌ها نیاز به دما و فشار بالا دارند.

در مقاله‌ای که این گروه در نشریه Chemical Communication منتشر کردند، نشان دادند که ترکیب اکسیدتیتانیوم و نقاط کوانتومی گرافنی منجر به تولید کامپوزیتی می‌شود که قادر به جذب نور مرئی است. این کار با محدود شدن باندگپ انجام می‌شود.

معایب و مزایای استفاده از انرژی خورشیدی

1. صفحه‌های خورشیدی انرژی خورشید را جمع نموده و باعث بالا رفتن دمای آب می‌شوند (آب گرم شده در منزل استفاده می‌شود). معمولاً صفحه خورشیدی  سیاه است زیرا این رنگ تابش خورشید را بهتر جذب می‌کند.
2.  در روش دیگر انرژی خورشیدی مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌شود.  باتری خورشیدی مثالی از این نوع است.
3. آینه‌‌های مقعر نور خورشید را در محلی جمع می کند، گرمای زیاد در این محل باعث بخار شدن آب می‌شود. بخار حاصل از آن برای به حرکت در آوردن مولد به کار می‌رود.
4. آخرین روش تبدیل مستقیم انرژی خورشید به انرژی حرکتی است. ابتدا انرژی خورشیدی توسط آینه‌هایی در یک محل جمع می‌شود سپس یک موتور استرلینگ (یک موتور ویژه که انرژی گرمایی را مستقیماً به انرژی حرکتی تبدیل می‌کند) در محلی که انرژی گرمایی خورشید جمع شده، قرار می‌گیرد. موتور استرلینگ به مولد وصل است و بدین ترتیب می‌توان برق تولید نمود.
جالب است بدانید که فیثاغورث به وسیله بازتاب نور از یکسری آینه مقعر و متمرکز کردن نور آن روی کشتی‌های دشمن، آن‌ها را به آتش کشید.
مزایای انرژی خورشیدی
انرژی خورشیدی تجدیدپذیر است.
از باتری خورشیدی برای تامین انرژی ماهواره‌‌ها استفاده می‌شود.
ماشین حساب، دوربین‌‌های اتوماتیک و نور سنج‌‌ها از باتری خورشیدی به عنوان منبع تأمین انرژی (کاری یا فعال‌سازی) استفاده می‌کنند.
در ضمن انرژی خورشیدی هیچ آلودگی در بر ندارد.
معایب انرژی خورشیدی
تولید انرژی الکتریکی توسط خورشید بسیار گران است.
در طول روز که زاویه پرتوی نوری خورشید عوض می‌شود انرژی دریافتی از آن تغییر می‌کند.
موادی که برای ساخت نیروگاه خورشیدی از آن‌ها استفاده می‌شود (مثل شیشه و پلاستیک) غیر قابل بازیافت هستند.

آبگرمکن های خورشیدی ترموسیفونی

در یک سیکل بسته از سیال، درصورتیکه قسمتی از مدار که در ارتفاع پائینتر قراردارد گرمتر از قسمت بالاتر باشد، به دلیل اینکه چگالی کمتری دارد به سمت بالا حرکت میکند و تداوم این اختلاف دما و ارتفاع، باعث ایجاد جریان سیال در این مدار می شود و سیال به صورت طبیعی و بدون نیاز به پمپ به گردش در می آید. به این نوع جریان سیال، جریان ترموسیفونی می گویند.  
از اصل ترموسیفون حرارتی، در آبگرمکن های خورشیدی استفاده می شود. بدین نحو که یک مخزن دوجداره ذخیره آب را در بالای کلکتور صفحه خورشیدی  قرارداده و مابین جدار دوم مخزن ذخیره و لوله های کلکتور خورشیدی یک مدار بسته تشکیل می شود. با تابش خورشید بر روی سطح کلکتور خورشیدی، سیال داخل آن گرم شده و جریان ترموسیفونی مابین کلکتور و مخزن برقرار می شود. گردش آب گرم در جداره دوم مخزن سبب گرم شدن آب داخل مخزن اصلی می گردد و آب گرم با فشار در شبکه جاری می گردد.
حرکت ترموسیفون تا زمانی که انرژی خورشید موجود باشد ادامه دارد. این حرکت با افول خورشید متوقف می شود.
عایق
مخزن ذخیره در آبگرمکن های ترموسیفونی باید به خوبی عایق شود تا در طول شب، آب گرم ذخیره شده در آن گرم بماند. همچنین لوله های ارتباطی مابین مخزن و کلکتور نیز باید به خوبی عایق شوند.
ضدیخ
در شرایط آب و هوایی سردسیر که روزهایی از سال دمای هوا زیر صفر میرود، باید برای جلوگیری از یخ زدگی در سیکل بسته کلکتورها از ضدیخ مناسب استفاده نمود.  
سیستم جبران ساز
آبگرمکن های خورشیدی به منظور جبران کمبود احتمالی انرژی خورشید، باید دارای یک سیستم جبران ساز باشند. سیستم جبران ساز در آبگرمکن های خورشیدی ترموسیفونی یک المنت برقی است که در داخل مخزن اصلی قرار دارد و در مواقع مورد نیاز به صورت اتوماتیک روشن میشود. این المنت برقی دارای یک ترموستات است که میتوان دمای دلخواه را توسط آن تنظیم کرد..
ویژگی ها و مزایای این نوع آبگرمکن ها
ساختار ساده و نصب راحت و سریع
کارآیی بالا با سهم خورشیدی روزانه به طور متوسط 60% دارای المنت برقی با تنظیم دمای دلخواه
این سیستمها به دو دسته مدار باز و بسته تقسیم می شوند. در سیستم مدار باز ( سیستم مستقیم ) آب به صورت مستقیم در میان گردآورنده جاری می باشد. این سیستم بسیار ساده، کارا و قابل اطمینان بوده ولی در شرایط آب و هوایی سرد و دماهای زیر صفر درجه کارایی خوبی ندارد، و یخ زدن آب داخل لوله ها ممکن است منجر به پارگی آنها شود. در سیستمهای مدار بسته ( غیر مستقیم ) معمولا سیالی غیر از آب که نقطه انجماد پایین تری دارد ( مانند مخلوط پروپیلن گلایکول و آب ) بکار گرفته می شود.
این سیستمها دو چرخه جداگانه دارند که از طریق یک مبدل گرمایی به یکدیگر متصل شده اند، و این مبدل گرما را از سیال داخل گردآورنده به آب مصرفی منزل منتقل می کند.

ساختار آب گرمکن خورشیدی

ساده‌ترین آب گرمکن خورشیدی از یک گردآور تخت (کلکتور) و یک مخزن ذخیره آب تشکیل شده است. شرایط لازم نصب این آب گرمکن آن است که قسمت فوقانی گرد آور پایین‌تر از قسمت تحتانی مخزن ذخیره قرار گیرد و حداقل انحراف گرد آور نسبت به سطح افق ، در حدود 20 درجه رو به جنوب انتخاب شود.
طرز کار
ابتدا مخزن آب گرم با آب سرد پر می‌شود و آب داخل لوله‌های گردآور ، هنگامی که خورشید روی سطح گرد آور صفحه خورشیدی  می‌تابد به تدریج گرم شده و به کندی به طرف مخزن از طرف بالا ذخیره می‌شود، آب سرد مخزن نیز از طریق لوله دیگربه طرف قسمت پایین گردآور جریان یافته تا زمانی که تابش خورشیدی برای گرم کردن آب کفایت کند، این عمل ادامه می‌یابد
اجزاء آبگرمکن خورشیدی
یک آبگرمکن خورشیدی از اجزاء زیر تشکیل شده است:
1- گردآورنده 2- مخزن ذخیره 3- مبدل گرمایی 4- کنترل کننده های اتوماتیک 5- پمپ، لوله ها شیرآلات و اتصالات
آبگرمکن های خورشیدی پمپدار
این دستگاه یک آبگرمکن خورشیدی پمپدار است که به عنوان جبران ساز قابلیت استفاده از سوخت گاز را دارا می باشد. در این آبگرمکن، مخزن ذخیره در پائین و در داخل ساختمان قرار میگیرد و بر روی بام تنها کلکتورهای خورشیدی نصب می شوند.
مهمترین ویژگیهای آن به صورت زیر است:
مخزن دوطبقه
مخزن این آبگرمکن به صورت دو طبقه است که در طبقه اول (مخزن خورشیدی) یک مخزن دوجداره و در طبقه دوم (مخزن گازی) یک مخزن تک جداره دودکش دار قرار دارد. جداره دوم مخزن خورشیدی به وسیله لوله های ارتباطی با یک یا دو عدد کلکتور که در بالای ساختمان نصب می شود مرتبط می گردد و به وسیله یک پمپ سیرکولاتور کوچک، سیال عامل مابین کلکتورها و جدره دوم مخزن به گردش در می آید. این دو مخزن به وسیله لوله های رابط به یکدیگر متصل میباشند.
سیستم جبران ساز (کمکی)
در این آبگرمکن، علاوه بر المنت برقی، در فضای مابین دو مخزن یک مشعل گازی کوچک قرار داده شده است. آب سرد از شبکه لوله کشی شهری ابتدا به مخزن خورشیدی وارد شده و در مجاورت جدار متصل به کلکتورها گرم می شود. هنگام خروج آب گرم از مخزن به مصرف، آب از مخزن خورشیدی بوسیله لوله های ارتباطی وارد مخزن گازی می شود. در این حالت در صورتیکه دمای آب ورودی به مخزن گازی به اندازه کافی توسط بخش خورشیدی گرم شده باشد، سنسور مشعل گازی را گرم نگه داشته و گاز روشن نمیشود. اما در صورت کمبود دمای آب ورودی از قسمت خورشیدی، مشعل گازی به صورت اتوماتیک روشن شده و کمبود دمای مورد نیاز را جبران می نماید.
سیستم تخلیه (بدون نیاز به ضدیخ و منبع انبساط)
سیال عامل در این محصول آب است. در داخل مخزن خورشیدی یک مخزن مخفی به عنوان مخزن تخلیه تعبیه شده است. آب گردش کننده در کلکتورها در داخل این مخزن قراردارد. در زمانیکه پمپ آب با فرمان کنترلر روشن میشود، بخشی از آب مخزن تخلیه به داخل کلکتورها پمپ شده و پس از عبور جداره دوم مخزن، دوباره به مخزن تخلیه باز می گردد. در زمانیکه گردش پمپ با فرمان کنترلر قطع می شود، آب موجود در کلکتورها به صورت ثقلی به داخل مخزن تخلیه باز می گردد و کلکتورها خالی از آب می شوند. لذا در زمستانها نیازی به ضد یخ نیست و در تابستانها هم سیستم جوش نمی آورد.
ویژگی و مزایا
*حذف بار مخزن از روی پشت بام
*طول عمر بیشتر و اتلاف دمای کمتر
*کارآیی بالا
*زیبایی بیتشر ساختمان (فقط کلکتور بر روی بام است )
*قابلیت استفاده از سیستم جبران ساز گازی
*عدم نیاز به ضد یخ و منبع انبساط