نیروگاه انرژی خورشیدی فراز

دانشکده فني دانشگاه تهران فروردين 1387; 42(1 (پياپي 111)):131-144.

بهينه سازي اگزرژي متمرکز کننده هاي خورشيدي از نوع سهموي خطي

كهرباييان احمد,ملك محمدي حميدرضا
در اين مقاله، يک روش جديد بهينه سازي متمرکز کنندههاي خورشيدي از نوع سهموي خطي ارايه مي شود. ابتدا يک مدل سازي جامع رياضي و شبيه سازي حرارتي و اپتيکي از عملکرد متمرکز کننده انجام و پارامترهاي هندسي و ترموديناميکي به عنوان متغيرهاي بهينه سازي در نظر گرفته مي شوند. با به کار بردن رابطه بدست آورده شده براي راندمان اگزرژي کلکتور، ميزان افت هاي اگزرژي و شرايط طراحي و کارکردي بهينه مورد تحقيق قرار مي گيرند. تابع موضوع بهينه سازي که همان راندمان اگزرژي مي باشد به همراه معادلات محدوديت ها، يک سيستم بهينه سازي با درجه آزادي چهار را تشکيل مي دهند. با استفاده از روش ضرايب لاگرانژ، رويه بهينه سازي بر روي يک کلکتور خورشيدي نمونه اجرا و نقطه طراحي بهينه استخراج مي شود. مقادير بهينه شامل "دماي ورودي کلکتور"، "نرخ جريان جرمي روغن"، "نسبت تمرکز" و "قطر پوشش شيشه اي" به طور همزمان با حل سيستم معادلات غير خطي مدل شده محاسبه مي شوند. براي مطالعه تاثير تغييرات متغيرهاي بهينه سازي بر روي اگزرژي جمع آوري شده کلکتور، حساسيت نقطه بهينه به تغيير پارامترهاي کلکتور و شرايط عملکردي برآورد مي گردد و تغييرات اگزرژي هاي جز در نقطه بهينه بررسي مي گردند.

از آنجائيكه انرژي خورشيدي جزء پيوسته اي از زندگي روزانه در روي كره زمين است، بشر از طلوع عصر تكنولوژي سعي كرده است كه توان اين انرژي را براي اهداف مفيد مهار نمايد. روش هاي فني گوناگوني بوجود آمده و تكميل شده اند و طرحهاي بسياري با درجات موفقيت متفاوت آزمايش گرديده اند و صنايع جديد و اقتصادي تاسيس گرديده اند. اگر چه كه هدف ما در اين بخش بحث مبسوطي از اين روشهاي تكنيكي نيست ( زير كه مراجع عالي بيشماري در اين مورد موجود دارند كه گزارش كميته انرژي خورشيدي WEC در سال 1989 و كتاب نيروگاه هاي خورشيدي از winter از آنجمله اند امابايستي بازنگري مختصري از اساس اين موضوع، وضعيت فعلي و آهنگ پيشرفت آن انجام گيرد و درس هاي مبهمي كه در اين فرآيند آموخته شده اند، شناخته شوند. در اين بخش نگرش كلي اي از تكنولوژي هاي مختلف و وضعيت توسعه آنها عرضه مي شود و پايه اي براي بحث ايجاد مي گردد.

بحث بر مبناي گروه هاي تكنولوژي ترتيب داده شده است و شامل بحث در مورد كاربردهاي مربوطه هر تكنولوژي نيزمي گردد. جدول 3-2 كلياتي از مشخصات فني مهم هر يك از گروه ها و همينطور موقعيت فعلي صنايع توليدي موجود را نمايش مي دهد. در مورد هر يك از انواع تكنولوژي ها، مثال مشخصي از يك سيستم كامل بكار گرفته شده است تا هزينه محاسبه شده و ارقام معرف كارآئي سيستم بدست آيند و هرجائي كه لازم بوده است بجاي يك رقم، دامنه ارقام داده شده است تا اندازه تغييرات مورد انتظار نشان داده شود. برخي از اعدات تخميني هستند و بر پايه بهترين اطلاعات در دسترس تخمين زده شده اند.



سيستم هاي حرارتي خورشيدي

اين گروه سيستم هائي را در بر مي گيرد كه بر پايه گردآورنده هاي حرارتي با دماي پايين عمل مي نمايند. اين سيستم ها ازمنبع خورشيدي براي مصرف نهايي حرارتي استفاده مي كنند.



گردآورنده هاي تخت

از اين نوع گردآورنده خورشيدي بيش از هر نوع گردآورنده خورشيدي ديگر استفاده مي شود. عنصر اصلي آنها يك ورق است كه بوسيله تابشي كلي خورشيد حرارت مي يابد و حرارت خورد را به يك سيال جذب كننده حرارت كه در حال جريان است منتقل مي كند. اين سيال معمولا آب يا هوا است. رنگ اين ورق هميشه تيره است و ممكن است كه داراي پوشش خاصي باشد كه ضريب جذب انرژي خورشيدي را به حداكثر برساند. از ورق هاي لاستيكي، پلاستيكي و فلزي براي خروجي هائي با دماي فزاينده استفاده مي شود. ممكن است كه ورق تنها تشكيل دهنده گردآورنده باشد امابراي رسيدن به دماي بالا معمولا ورق را در داخل يك جعبه عايق شده كه روكش شفاف آن داراي كارآيي بالايي است قرار مي دهند تا از اثر گلخانه اي استفاده شود. تابش مرئي خورشيد از طريق اين پوشش نيمه شفاف وارد مي شد ولي جزئي از تابش طول موج بلندتر مادون قرمز كه بوسيله ورق حرارت ديده داخل جعبه ساطع مي شود در درون جعبه به دام مي افتد و نمي تواند خارج شود.



كاربردهاي سيستم

سيستم معمولا داراي يك بخش ذخيره است تا حرارت خورشيد را براي استفاده در شب ممكن نمايد. اگر سيال سيستم يك مايع باشد كه بخش ذخيره يك مخزن عايق دارا است و اگر سيال هوا باشد از مقداري سنگ يا بتون استفاده مي شود كه اين راه حل جاگير است و موادي كه تغيير فاز ميدهند راه حل بهتري بحساب مي آيند اماحتي با اين مواد پيشرفته هنوز هم ذخيره كردن حرارت براي مدتهاي طولانيعملي نيست و در نتيجه سيستم هاي حرارتي خورشيدي از سيستم هاي ثانويه اي كه با انرژي فسيلي كار مي كنند بعنوان مكمل سيستم استفاده مي كنند.

در سيستم هاي تك گردآورنده ازگردش طبيعي بر پايه اثر اختلاف دما بين گردآورنده و بخش ذخيره استفاده مي شود، اما در سيستم هاي بزرگتر به گردش اجباري تحت فشار با كمك پمپ يا فن نياز است اينگونه سيستم ها اغلب براي گردش سريع و ثابت سيال كه بوسيله اختلاف دماي بين بخش ذخيره و گردآورند انجام مي گيرد، اما سيستم هاي جديد متناسب با گردش كند و متغير سيال كه متشابه تابش خورشيدي انجام مي گيرد ساخته شده اند و بدين ترتيب از كارآئي بيشتر و هزينه كمتري برخوردار هستند. اين شيوه طبيعي براي عملكرد سيستم هاي اختلاف دمائي كوچك است و در سيستم هاي بزرگتر با كمك پمپ هاي سرعت متغير و فن هائي كه با انرژي يك مدول كوچك فوتوولتائي تغذيه مي شوند انجام مي گيرد.

سيستم هاي گرما خورشيدي بيشتر براي گرمايش اب بطور تجاري بكار مي روند. استخرهاي شنا يا آب مصرفي خانه هاي ويلائي، آپارتماني، هتل ها يا ساير ساختمان ها در بخش هاي خدماتي يا تجاري به آساني مي توان با كمك انرژي خورشيدي گرم نمود و اين كار با زمان بازپرداخت كوتاه سرمايه گذاري انجام مي گيرد. با استفاده از يك راندمان ساليانه ميانگين 40% تنها به 2 متر مربع سطح گردآورنده نياز هست تا 80% تقاضاي براي آبگرم يك خانواده در شرايط آب و هواي مديترانه اي تامين شود. در نواحي اي كه از هواي آفتابي كمتري برخوردار هستند به سطح گردآوري بزرگتري (اماهنوز متعادل) نياز خواهد بود.

اين سيستم ها هم چنين مي توانند بخش بزرگي از تقاضا براي گرمايش فضاي ساختمان را تامين كنند لكن سطوح بزرگتري براي گردآوري انرژي خورشيدي مورد لزوم خواهد بود كه بلحاظ زيبائي ساختمانها و جنبه هاي اقتصادي زيان بار خواهد بود. موفقيت هاي تجاري تنها در بخش هاي با گرمايش كمتر خورشيدي و بدون ذخيره حاصل شده است. بنابر اين صرفه جوئي در انرژي به سه طريق بدست مي آيد ( با گرم كردن هوا، كاهش اتلاف حرارتي هوا از ديوارها و با مخلوط كردن هوا در ساختمان هاي جديدي كه از عايق بندي بهتري برخوردار هستند ازنسبت هزينه به كارآئي كم تري در مقايسه با ساختمان هاي معمولي سود مي برند.

گرمائي كه از گردآورنده هاي گرماي خورشيدي بدست مي آيد را مي توان با تامين انرژي مدارهاي پمپ حرارتي جذبي يا امثالهم بمنظور تامين سرمايش فضاي ساختمان ها بكار برد. با استفاده از دماي بالائي كه در گرآورنده هاي متمركز كننده بدست مي آيد آسانتر مي توان مورد بالا را به اجرا در آورد ولي قيمت بالاتر اين گردآورنده ها و هزينه افزوده و پيچيدگي دستگاههاي سرمايش باعث شده است كه هنوز يك بازار تجاري براي سيستم هاشكل نگرفته باشد. تحقيقات اكنون درجهت افزايش كارآئي سيستم هاي خنك كننده است تا امكان استفاده از گردآورنده هاي تخت را كه ارزان تر مي باشند فراهم مي آورد.



گرماي فرآيندي براي صنايع

اين يكي ديگر از كاربردهاي ممكن براي سيستم هاي گرما خورشيدي است. گردآورنده هاي تمركزي طيف وسيع تري از كاربردهاي بالقوه در اين زمينه را در مقايسه با گردآورنده هاي تخت فراهم مي كنند زيرا اين گردآورنده ها دماي بالاتري را توليد مي كنند. اما صنايع بسيار انرژي بر هستند و عدم فضاي كافي براي نصب گردآورنده هاي خورشيدي اغلب يك مانع رفع نشدني است. همانند كاربرد گرمايش فضا كه قبلا به آن اشاره شد در اين مورد هم موفقيت تجاري محدودي كسب گرديده است آنهم فقط با سيستم هائي كه ذخيره ندارند و براي تامين بخش كوچكي از بار حرارتي مورد نياز فرآيند توليد، طراحي شده اند.

سيستم هاي گرما خورشيدي هم چنين مي توانند گرماي فرآنيدي مورد نياز كشاورزي را تامين كنند. گلخانه ها ميتوانند برداشت محصول را بطور قابل توجهي افزايش دهند و فصل رشد گياهان را در اب و هواي سرد طولاني تر نمايند. خشك كردن با كمك خورشيد كيفيت محصولات را افزايش داده و باعث مي شود كه محصولات از عمر ذخيره طولاني تري پيش از فساد پيدا كنند و بدين ترتيب ارزش بازاري بالاتري را طلب نمايند. هر دو تسهيلات گلخانه اي و خشك كني را مي توان به آساني با كمك تابش مستقيم خورشيدي فعال نمود اما افزودن گردآورنده هاي ( هوا ) تخت باعث خواهد شد كه از بخش بمراتب بزرگتري از انرژي خورشيدي استفاده شده و عمليات مستقل تري از شرايط هوا داشته باشيم. اين سيستم ها امكانات بالقوه فني قابل توجهي را در اختيار مي گذارند اما مقدار محدود سرمايه اي كه در بسياري از نواحي روستائي در دسترس است باعث محدوديت عمده اي در گسترش بازار باي اين سيستم ها شده است.

با ورود گردآورنده هاي تخت مجهز به سيال كند و متغير، كنترل سيستم احتمالا با بحال به تكامل تمام رسيده است. اما R&D بر روي مواد پيشرفته هنوز ادامه دارد بطوريكه در آينده گردآورنده هاي الياف پليمري و تركيبي به درجه اي از كارآئي مي رسند كه امروزه تنها از گردآورنده هاي فلزي بر مي آيد. كاهش هزينه ها يا توليد انبوه مواد جديد براحتي ميسر است بطوريكه اگر بازار نسبتا بزرگي شكل پيدا كند آنگاه قيمت هاي پائين تر ممكن خواهند شد.

محدوديت عمده اي كه توسعه بازار با آن روبروست سرمايه گذاري مورد نياز براي سيستم خورشيدي است. حتي با اينكه قيمت هاي كنوني انرژي هاي معمولي پايين هستند، باز هم زمان هاي بازپرداخت سرمايه فقط در چند سال معمول مي باشد. اگر چه از اين زمان بسيار كوتاهي براي بازپرداخت سرمايه، براي يك شركت توليد انرژي محسوب مي شود ولي اغلب براي مشتريان فردي بالقوه، زماني طولاني تلقي مي شود.



معماري خورشيدي

در معماري خورشيدي ساختار يك ساختمان شامل يك سيستم گردآوري انرژي خورشيد و يك سيستم ذخيره و توزيع انرژي كه در نتيجه براي ساكنين ساختمان آسايش حرارتي و روشنائي طبيعي تامين مي نمايد، مي گردد. گرمايش فضاي دروني ساختمان از طريق ورود انرژي خورشيدي از پنجره هاي بزرگ يا فضاي خورشيدي و يا از طريق گردآورنده هاي حرارتي كه با بام يا نماي ساختمان يكپارچه هستند بدست مي آيد. سرمايش فضاي دروني بوسيله سايبان ها، تجهيزات تهويه و خنك كننده هاي تبخيري، تابشي يا جريان هواي خنك – تازه سطحي انجام مي گيرد. روشنائي طبيعي با استفاده از هدايت نور خورشيد از طريق كانال هاي ويژه به عمق ساختمان انجام مي گيرد.

بيشتر كارهاي اوليه در زمينه معماري خورشيدي براي گرمايش فضاي خانه هاي خصوصي با اتكاي مطلق به انتقال طبيعي گرما انجام گرفته است. بنابر اين واژه خورشيدي غير فعال براي اين سيستم ها ابداع وهنوز بكار برده مي شود. اما بسياري از طرح هاي امروزي متكي به كنترل هاي الكترونيكي و يا حتي گردآورنده هاي خورشيدي فعال هستند تا توزيع گرما بهتر انجام گرفته و انرژي خورشيدي بيشتري جمع آوري شود.

با توجه به اينكه تكنيكهاي ساختماني از منطقه به منطقه خيلي متفاوت هستند، و نيازهاي نسبي گرمايش، سرمايش، و نورگيري در روز بشدت تحت تاثير هوا قرار دارد. طراحي معماري خورشيدي مناسب تمايل به تاثير پذيري از شرايط خاص محل را دارد. با وجود اين مي توان اظهار نمود كه هزينه افزايشي جهت استفاده از طراحي كاملا غير فعال در مناطقي كه ديوارها و پارتيشن هاي با جرم زياد از قبيل بتون و آجر مرسوم است، حداقل مي باشد. هزينه شيشه هاي بزرگ با كارآيي زياد كه درمقابل آفتاب قرار دارند ( با سايبان درست و امكانات تهويه عرضي جهت اجتناب از گرمايش بيش از حد در تابستان ) تا حدودي توسط سطح كاهش يافته ديوارهاي خارجي جبران مي شود، و بخشي ازجرم حرارتي ساختمان مي تواند بسادگي از طريق تهويه به ذخيره حرارت تبديل گردد بدين صورت كه حرارت خورشيدي زمستاني براي استفاده در شب ذخيره مي شود و هواي شب خنك تابستان براي استفاده در روز ذخيره مي گردد.

لذا با طراحي خوب مي توان بار حرارتي ساليانه را درنواحي سرد و آفتابي به ميزان 80% و در نواحي ابري تر به ميزان 50% كاهش داد. براي دستيابي به همان ميزان گرمايش خورشيدي در ساختمانهاي سبك،‌گردآورنده هاي حرارتي خورشيدي همراه با ذخيره مربوطه لازم است، كه هزينه بيشتري را در بر دارد. استراتژي صحيح سايبا ن و تهويه در ساختمان هي با جرم حرارتي زياد مي تواند 80% از بار سرمايشي ساليانه را اگر شبها به اندازه كافي خنك باشند كاهش دهد، اما درغير اينصورت تكنولوژي هاي پيچيده تري بر مبناي تبخير آب با تونلهاي خنك كننده زيرزميني، نيز مورد نياز مي باشد، نور دهي در روز كه از طريق شيشه هاي بزرگ با راندمان بالا حاصل مي شود سبب صرفه جوئي اندك انرژي در منازل مي گردد اما مي تواند براي دفاتر كه كاهش نياز به نور حاصل از الكتريسيته در كاهش بار سرمايشي اثر دارد، بسيار مهم است.

معماري خورشيدي ساده، كه صرفا بر مبناي شيشه هاي با راندمان بالا و عايق حرارتي خوب ساختمان مي باشد، بطور تجاري توسط برخي از معماران مورد استفاده قرار مي گيرد و اغلب بدان بصورت صرفه جوئي در انرژي نگريسته مي شود. اين درست است زيرا ميتوان در ساختمانهاي موجود با چنين اقداماتي حدود 25% در انرژي صرفه جوئي نمود. اما ميزان بالاتر نقش خورشيد اشاره شده در بالا فقط مي تواند در ساختمانهاي جديد كه به دقت طراحي شده اند حاصل گردد، و مدلسازي كامپيوتري نورگيري و حرارت يك وسيله اساسي دربهينه كردن كارآيي ساختمان مي باشد. تعدادي نرم افزاهاي كامپيوتري ارائه شده اند، اما يك برنامه معتبر و جامع و ساده براي استفاده هنوز موجود نيست و اين مانع اصلي در توسعه وسيع تر طراحي معماري خورشيدي مي باشد. علاوه بر آن فقدان آگاهي عمومي كه چنين طراحي هايي مي تواند منجر به ساختمانهاي با نياز خيلي كمتر به انرژي شود كه درعين حال مكان لذت بخش تري براي زندگي و كار هستند، نيز وجود دارد.

در جوامعي كه قبلا مرحله صنعتي را پشت سر گذارده اند،‌مصرف انرژي ساختمان ها خيلي چشمگير است. بنابر اين مشكل معماري خورشيد مي بايد حل گردد، زير يك پتانسيل واقعي را براي بهبود محيط ارائه مي دهد. و اين پتانسيل حتي ميتواند افزايش يابد مشروط به آنكه توسعه تكنولوژي پيشرفته كه در حال حاضر در دست انجام است موفقيت آميز باشد و به توليد تجاري منتهي گردد. مواد عايق شفاف، ذخيره با استفاده از تغيير فاز در حالت جامد، لوله هاي نوري، و شيشه هاي باكنترل الكتروكروميك ، ترموكروميك يا هالوگرافيك ( جهت كنترل مستقل حرارت و نور بصورت مطلوب در هر دو جهت ) ممكن است در آينده مورد استفاده قابل ملاحظه اي داشته باشد. بعنوان مثال ساختمانهاي با انرژي صفر در كشورهاي توسعه يافته.



سيستم هاي حرارتي – برقي خورشيدي

اين گروه به سيستم هائي اتلاق مي شود كه از گردآورنده هاي حرارتي براي استفاده از منبع خورشيدي عمدتا يا انحصار براي توليد الكتريسيته از طريق يك چرخه ترموديناميكي استفاده مي كنند. اين عمل با استفاده از گردآورنده هاي كم دما ميسر است اما عمدتا بوسيله گردآورنده هاي خطي يا دايره اي با دماي بالاتر صورت مي گيرد.

اگر قرار باشد كه سيكل ترموديناميكي بوسيله يك گردآورنده خورشيدي كم دما تغذيه شود به يك مايع آلي با نقطه جوش پائين نياز خواهد بود. اما راندمان پائيني كه ناشي از طبيعت سيكل هاي ترموديناميكي كم دما است، مانع بهر برداري تجاري از گردآورنده هاي با تمركز كم يا تخت است. براي توليد برق از انرژي خورشيدي كم دما تنها در مورد بركه هاي خورشيدي كه بصورت گردآورنده غير متمركز كننده و مخزن ذخيره انرژي مركب عمل مي نمايند، اميدي بدست امده است. درنوع گردايان نمك غلظت نمك با افزايش عمق، فزوني پيدا مي كند كه با غلبه بر شناوري طبيعي آب گرم باعث مي شود كه دماي بيشتري در عمق ايجاد شود. اين سيستم ها ممكن است در نواحي اي كه از انرژي دريافتي خورشيدي زيادي برخوردار هستند و در آن نواحي كه يك برگه طبيعي وجود دارد يازمين، آب و نمك به وفور وجود داشته و ارزان هستند، كاربرد داشته باشند. آزمايش روي چنين سيستم هاي نمونه اي در فلسطين اشغالي و چند كشور ديگر انجام گرفته و R&D در زمينه بهبود بخشي به نگهداري مشخصات مطلوب برگه ها در شرايط موجي ( حاصل از وزش باد ) و آلودگي هاي حمل شده بوسيله باد در جريان است.



متمركز كننده خطي سهموي

متمركز كننده خطي سهموي، نوع عمده سيستم هاي تمركز خطي است كه از رديف هاي طولاني اي از تمركزدهنده هايي كه سطح مقطع آنها سهمي است تشكيل شده است. پوشش داخلي منعكس كننده انرژي خورشيدي را بر روي يك لوله سياه كه در طول كانون سهمي امتداد يافته و نصب شده است متمركز مي نمايد. آنها معمولا بر ري يك سيستم ردگيري تك محوري سوار شده اند كه حركت سمتي و ارتفاعي خورشيد را تعقيب مي نمايد. مايعي مانند روغن ويژه انتقال حرارت در درون لوله كانوني در گردش است كه انرژي خورشيدي را جمع آوري كرده اند و آن را حمل مي نمايد تا از آن براي كاربرد حرارت فرآيندي استفاده نمايد يا آنكه از آن در سيكل توربين توليد انرژي بهره گيرد. ايــــن سيستم ها بطور تجاري بوسيله چندين توليد كننده ساخته مي شوندو Luz International بزرگترين و سرشناس ترين انها است تمركز بيشتر اين سيستم ها در مقايسه با سيستم هاي كم دما كه قبلا مورد بحث قرارگرفت باعث دماي بالاتر و كارآئي بيشتر مي شود لكن دما كه قبلا مورد بحث قرار گرفت باعث دماي بالاتر و كارآئي بيشتر مي شود لكن نياز به ردگيري خورشيد دارد و تنها از مولفه تابش دريافتي مستقيم استفاده مي كند. R&Dهايي كه بر روي مواد ارزان تر و افزايش قابليت اعتماد سيستم و افزايش حجم توليد انجام مي گيرد هزينه توليد انرژي بوسيله اين سيستم ها كاهش خواهد داد.

LUZ از تاريخ تاسيس آن در سال 1979 تاكنون با استفاده از بيش از يك ميليارد دلار سرمايه بخش خصوصي و اعتبارات مالياتي خورشيدي، اين تكنولوژي را بوجود آورده و توسعه داده است و در حال حاضر بيش از Mwe 350 توان توليدي فعال در جنوب كاليفرنيا را در اختيار دارد. طراحي درچندين مرحله ( نسل )‌صورت گرفته و تكميل شده است و سيستم هاي موجود روغن داخل لوله سياه كانوني را تا 440 درجــــه سانتيگراد ( 735 درجه نارنهايت ) گرم مي كنند و اين لوله كانوني درون يك لوله شيشه اي كه بوسيله خلاء عايق شده است قرار دارد. آينه هاي شيشه اي سهمي شكل از سيستم هاي كامپيوتري براي ردگيري خورشيد استفاده مي كنند. يك مولد بخار كه بوسيله روغن گرم مي شود و يك سيكل بخاري معمولي رانكين كه داراي كارآيي بالايي است با سيستم سوپر هيترگازسوز و منبع تامين حرارت پشتوانه براي حصول اطمينان از ظرفيت حداكثر مورد استفاده است. LUZ پيش از اعلام ورشكستگي در سال 1991 مشغول توسعه يك گردآورنده كه مستقايما با بخار خنك مي شد و همچنين طراحي تسهيلات خورشيدي براي شماري از ديگر كشورها بود.

با ايجاد تمركز در دو محور به جاي يك محور، گردآورنده هاي مدور مي توانند به تمركزها و دماهاي بالاتري در مقايسه با گردآورنده هاي خطي دست يابند. شدت انرژي حداكثري كه در اين سيستم ها بدست مي آيد با سيستم هاي احتراقي معمولي قابل مقايسه است و مي توانند در كاربردهاي مشابه بسياري به كار گرفته شوند.



بشقابك سهموي

يك نوع مدولي از گرآورنده ها تحت عنوان بشقاب سهموي يك سطح فضايي است كه از دوران يك سهمي بوجود مي آيد و كانون آن يك نقطه است. براي اينكه چنين سيستمي كاملا موثر باشد لازم است كه اين گردآورنده تمام مدت بطرف خورشيد نشانه گيري شود و در نتيجه به مكانيسم ردگيري دو محوري نياز دارد. انرژي حرارتي را مي توان با كمك يك سيال مناسب در ناحيه كانوني جمع‌ آوري كرد و اين انرژي را يا به يك سيكل ترمو ديناميكي جدا از گردآورنده منتقل نمود و يا اينكه در يك موتور كوچك ( در حدود Kwe 25 كه در پشت نقطه كانوني سوار مي شود،‌بكار برد. موتورهاي استرلينگ نيز براي اين كاربرد تحت توسعه بوده اند و موتورهاي رانكين و برايتون هم براي اين كاربرد ارزيابي شده اند. نمونه هاي كامل اين سيستم هاي گردآوري – الكتريكي ساخته و آزمايش شده اند . تركيب گردآورنده – استرلينگ با راندمان تبديل نور خورشيد به برق از قرار تقريبا 30% درتحت شرايط واقعي ساخته و آزمايش شده اند. به R&D بيشتر در زمينه موتور استرالنيگ، مبدل هاي حرارتي كانوني و سطوح بازتابنده ارزان قيمت نياز هست تا بتوان كارآئي دراز مدت و توجيه اقتصادي سيستم را افزايش داد.

دريافت كننده مركزي، معادل يك بشقابك بزرگ سهموي است. مجموعه اي از آينه هائي كه هر يك بطور جداگانه انرژي خورشيد را منعكس و متمركز مي كنند هليوستات ناميده مي شوند. انرژي توسط يك مبدل حرارتي كه در روي يك برج نصب شده است و گيرنده ناميده مي ود جذب مي شود. يك كامپيوتر هر يك از هليوستات ها را طوري كنترل مي نمايد كه زاويه بين خورشيد و گيرنده راهميشه نصف مي كند. اندازه و درجه حرارت اين سيستم ها به آساني با بويلر هاي بخار صنعتي و نيروگاهي قابل قياس هستند. اين سيستم ها تا معادلMwe 200 با ضريب ظرفيت ساليانه 50% و با دستگاههاي توليد قدرت معمولي قابل استفاده هستند. يك نيروگاه نمونه Mwe10 كه از بخار / آب بعنوان سيال ناقل حرارت استفاده مي كند ساخته و آزمايش شده است و چندين تاسيسات كوچكتر ديگر هم ساخته شده اند. اجزاء نمونه براي سيستم هاي نسل دوم كه بر پايه نمك مذاب نيترات پتاسيم / سديم بعنوان سيال ناقل حرارت بنا شده اند نيز ساخته و آزمايش شده اند. R&Dدر زمينه گيرنده هاي پيشرفته و جنس مواد ذخيره و همچنين سطوح بازتابنده ادامه دارد. طرحي براي گنجاندن تكنولوژي نسل دوم ( نمك ) در يك نيروگاه نمونه با ظرفيت Mwe 10 درحال حاضر در دست است.

دودكش خورشيدي

يك سيستم بمراتب ساده تر ولي با كارآئي بمراتب كمتر سيستم دودكش خورشيدي است. مجموعه دايره اي هليوستات ها را با يك ناحيه دايره اي زمين كه پوشش شيشه اي دارد و برج گيرنده مركزي را با يك دودكش كه يك توربين بادي در آن قرار دارد جايگزين مي نمائيم. هوائي كه در زير شيشه بوسيله خورشيد گرم مي شود توسط دودكش كشيده مي شود و در اثر اين جريان توربين، ژنراتور را به گردش وا مي دارد. يك نمونه Kwe 100 در اسپانيا ساخته شده است.

انرژي حرارتي كه بوسيله بركه هاي خورشيدي توليد مي شود را مي توان از طريق خطوط توزيع ناحيه اي بر گرمايش و سرمايش فضاي ساختماني بكار برد. از دماي بيشتري كه توسط متمركز كننده ها ايجاد مي وشد مي توان براي گرماي فرآيندي در صنايع همراه يا ذخيره حرارتي در مخزن استفاده نمود. اگر كمبود جا يك محدوديت به حساب نمي آمد، اين سيستم ها مي توانستند تا 80% بار گرمائي را در نواحي بسيار افتاب خيز و تا 50% همين بار را در نواحي اي كه شرايط هوا نامساعد تر است تامين نمايند، همراه با انرژي معمولي پشتيبان جهت تامين بقيه بار، اما قيمت انرژي گرمائي كمتر از قيمت انرژي برقي است و بنابر اين يك بازار تجاري هيچگاه براي اين نوع انرژي شكل نگرفته است. سقوط قيمت نفت كه بدنبال بحران نفت صورت گرفت حتي باعث جلوگيري از موفقيت تجاري سيستم هائي شده است كه انحصارا براي توليد الكتريسيته طراحي شده اند. سيستم سهموي خطي تنها تا زماني دوام آورد كه اعتبارهاي مالياتي خورشيدي دوام آوردند و سيستم هاي گردآورنده دايره اي هنوز از مرحله نمايشي گذر نكرده اند. تا زمانيكه قيمت انرژي همينطور پائين باقي بماند، گردآورنده مدور و خطي با شار فوتوني بسيار زياد تنها در كاربردهاي سم زدائي ممكن است بكار آيند ( سيستم هاي گرما شيميايي و نور شيميايي ).



سيستم هاي فوتو ولتائي

سيستم هاي فوتو ولتائي كه در اصل براي كاربردهاي فضايي ابداع و تكميل شده بودند انرژي نوري را مستقيما به انرژي الكتريكي تبديل مي كنند. اصل مقدماتي در اين تكنولوژي (( اثر فوتوالكتريك )) است كه اولين بار بوسيله اينشتين توضيح داده شده كه نور باعث مي شود الكترون ها از ماده جدا شوند. مكانيسم هاي فوتوولتائي – سلول هاي خورشيدي – كريستال هاي صافي هستند كه از لايه هاي نازك از جنس نيمه هادي اي ساخته شده اند كه خصايص الكترونيكي متفاوت دارند و اين امر بموجب پيدايش ميدان هاي الكترونيكي قوي درون آنها مي شود. هنگامي كه نور وارد كريستال مي شود، الكترون هائي كه بوسيله نور توليد مي شوند بوسيله اين ميادين جدا مي شوند و اختلاف پتانسيلي بين وجوه بالائي و پائيني سلول بوجود مي آيد. در صورتيكه مدار كامل شود آنگاه اين اختلاف پتانسيل جريان مستقيمي را بوجود مي آورد.

براي حفاظت سلول ها در برابر محيط، سلول هاي فوتو ولتائي به يكديگر متصل شده و بصورت مدول در آورده مي شوند. مدول هائي كه در روي يك صفحه نصب شده و از زاويه و جهت صحيح براي حداكثر گردآوري فصلي و سالي به آنها داده شده و پانلPV يا شبكه PV ناميده مي شوند. پانل هاي تك مدولي يا مجموعه هاي عظيم شبكه هاي PV قابل تشكيل هستند و ولتاژهاي DCمتفاوتي را كه با كمك تبديل كننده هاي الكترونيكي حالت جامد به هر ولتاژDC ياAC مطلوبي قابل تبديل مي باشند، توليد مي نمايند. يك سيستم PVنوعي معمولا شامل باتري هاي ذخيره الكتروشيميائي براي كاربردهاي مستقل مي شود.

توسعه PV براي كاربردهاي زميني در زمان اولين بحران نفت در دو جهت خيلي متفاوت آغاز گرديد. يكي در جهت تكنولوژي هاي تمركزي است كه درآن كاهش هزينه ها بوسيله جايگزين سطحPV بوسيله سطح عدسي صورت مي گيرد و ديگري در جهت كاهش هزينه هاي مدول هاي PV با استفاده از ساخت صنعتي با حجم زياد است.

هدف اصلي R&D در تكنولوژي هاي تمركزي بدست آوردن راندمان بالاتر است. سلول هاي سليكوني با تماس نقطه اي به حداكثر راندمان 30% اي رسيده اند. با رويهم قرار دادن مواد سيليكوني و گاليمي ( پايه گاليم ) ( با ساير مواد نيمه هادي مثل فسفيداينديم ) بمنظور تشكيل سول هاي چند پيوندي اي كه هر يك از لايه هاي آنها جزء متفاوتي از طيف فركانسي خورشيدي را جمع آوري مي نمايد، مي تون به ارقام بالاتري براي كارآئي نيز رسيد. ركوردي كه تاكنون با اين روش بدست آمده است 37% مي باشد. اين سلول ها در مدول هاي با تمركز بالا ( در حدود 100) و يا خيل بالا (‌در حدود 1000) كه معمولا از عدسي هاي فرنل ساخته شده اند، قرار داده مي شوند. كارآيي سلولي همراه با افزايش دماي سلول كاهش مي يابد و تمركز كننده خيلي قوي به سيستم خنك كننده فعال نياز دارند كه اين خود بعنوان يك منبع انرژي گرمائي كم دما قابل بهره برداري است. به سيستم هاي ردگيري دو محوري بسيار دقيق نياز است تا كانون را بر روي سلول ها نگهدارد و همچنين پيشنهاد شده است كه اين سلول ها را بر روي برج گيرنده تابش مستقيمي كه توسط مجموعه هليوستات ها منعكس شده است، نصب گردد.

اين خيلي به سيستم حرارتي از نوع دريافت كننده مركزي شبيه است، ام سيستم هاي PV با تمركز بالا در واقع به دو طريق به اين سيستم شبيه هستند: پيچيدگي مكانيكي اين سيستم ها را تنها براي نيروگاههاي مركزي مناسب مي سازد و عدم توانايي آنها در استفاده از تابش افقي پراكنده اين نيروگاهها را بالقوه محدود به نواحي مي كند كه دريافت تابش خورشيدي بسيار زياد است و اگر نه از درجه كارآئي بالائي برخوردارنخواهند بود . و درست مانند تكنولوژي هاي توليد برق حرارتي خورشيدي هنوز يك بازار تجاري واقعي براي آنها پيدا نشده است.

سيستم هاي PV هاي با تمركز كم كه بر مبناي تمركز دهنده هاي هونوگرافي يا درخشنده غير مجازي استوار هستند نيز تحت بررسي بوده و توسعه آنها دنبال مي شود، در حاليكه شاخه اصلي صنعت PV متوجه تكنولوژي هاي غير متمركزي است تا بازار سيستم هاي مستقل را كه حاضر به تقبل هزينه هاي بالاتري براي الكتريسيته هستند، تغذيه كند.



تكنولوژي هاي نسل دوم

اين تكنولوژي ها مستقيما از تكنولوژي نسل اول قضايي زاده شده اند. هدف نهائي آنها جايگزيني تمام فرآيندهاي اوليه بوسيله معادل هاي صنعتي كه با حجم زياد توليد مي شوند،‌است. بعلت اصتفاده از ماسه يا ماده ديگري كه غني از سيليكون است، مراحل خالص سازي كه به سيليكون هاي نيمه هادي منتهي مي شود مي تواند با يك فرآيند ساده تري كه منتهي به سيليكونهاي خورشيدي مي شود جايگزين گردد. رشد گروهي شمش از يك وان مذاب با رشد پيوسته شمش جايگزين شده است. كه بصورت بلوك هاي مقطع مستطيلي بريده شده و سپس بصورت ويفرهاي مستطيلي برش داده مي شود. اين فرآيند نيز بوسيله فرآيند انجماد بلوكي جايگزين شده است كه در نتيجه برش اوليه از شمش به بلوك نيز حذف شده است. با رشد نواري كه مستقيما به ويفرهاي مستطيلي باريك منتهي مي شود اين مرحله قبلي را نيز حذف نموده اند. پخش حرارتي در ويفرها براي عمل پيوند و شكل دادن به سطح پشتي، كه بصورت گروهي انجام مي گرفته است بوسيله پخش حرارتي تفاله اي جايگزين شده است،‌ يا حتي از كاشت يون و باز پخت ليزري كه خيلي سريع تر است براي اين كار استفاده مي شود. تمام عمليات مربوط به تعمير سطح سلول و ويفر كه با مواد شيميائي انجام مي شد بوسيله معادل هاي پلاسمائي خود جايگزين شده اند. و در نهايت ، مدل سازي سلول ها كه قبلا با دست انجام مي گرفت اكنون بطور اتوماتيك انجام مي گيرد.

با كمك طراحي دقيق، تمام فرآيندهاي بالا ميتوانند موجب افزايش چشمگير راندمان حداكثرشوند. ارقام بالاتر راندمان با استفاده از مدول هاي سلول تك كريستالي بدست مي آيد كه تاكنون به رقم 20% دست يافته شده است. اما رشد سريع تر كريستال، كليد اصلي كاهش هزينه هاست و اين راهي است كه براي تكنولوژي هاي بلوك ونوار انتخاب شده است.

اين روش به سلول هاي چند كريستالي كه از حداكثر كارآئي پائين تري بعلت اتلاف در مرزدانه ها برخوردارهستند منج مي گردد. اما خنثي سازي با پلاسماي هيدروژن اين مكان را بوجود مي آورد كه به ارقامي نزديك به ارقام مربوط به تك كريستال نزديك شويم و تاكنون مدول هاي كارآمد با راندمان 17% بدست آمده اند.

اين فرآيندها هنوز تكنولوژي نسل دوم جا افتاده قلمداد نمي شوند،‌ عمدتا بدليل اينكه هنوز بوفورسيليكون مناسب نيمه هادي كه از صنايع الكترونيك خريداري مي شود بكار برده مي شود اين باعث مي شود كه بازپرداخت انرژي خورشيدي مورد بحث تقريبا 10 سال طول بكشد، درحاليكه سيليكون خورشيدي مي تواند زمان بازپرداخت انرژي خورشيدي را به 9 ماه تقليل بدهد. اين موضوع در آزمايشگاه نشان داده شده است و هنوز تقاضا براي فتوولتائيك به اندازه اي نرسيده است كه بازاري را كه براي توليد عظيم كارخانجات سيليكون خورشيدي لازم است شكل دهد. تقاضاي فزاينده، كاربرد دستگاههاي كاشت يون و پلاسما را كه مشابها به نمايش گذاشته شده اند ولي بطور وسيع بكار نمي روند تحكيم خواهد نمود.



تكنولوژي هاي نسل سوم

اين تكنولوژي ها بر اساس استقرار لايه هاي نازك مواد نيمه هادي بر روي يك لايه زيرين فلزي،‌ شيشه اي يا پلاستيكي بنا شده است و اين يك انحراف بزرگ از تكنولوژي هاي نسل دوم است. بيشتر بودجه هاي R&D مربوطه به PV در اينجا هزينه مي شود. مواد متنوع گوناگوني تحت توسعه و تكميل هستند كه در بين آنها سيليكون بي شكل هيدروژنيزه، كانديد اصلي است كه بالاترين امكان بالقوه را نشان مي دهد البته در صورتي كه مسئله نزول كيفي آن در اولين تماس با نور خورشيد حل شود.

مواد نازك ديگري كه نويد بخش مي باشند عبارتند از : دي سلنيداينديم مس و تلوريدكادميم. از آنجائيكه مواد بسيار كمي مورد استفاده قرار مي گيرند، بنابر اين زمان باز پرداخت انرژي تنها چند ماه خواهد بود حتي اگر از مدول هاي با كارآيي بسيار كم هم استفاده بشود. هزينه هاي مساحت هم خيلي اندك هستند اما حداكثر كارآيي مدل كه تا بحال بدست آمده است تنها 10% مي باشد و بنابر اين هزينه هاي انرژي مشابه هزينه انرژي براي مدول هاي نسل دوم هستند. امكان بالقوه خوب كاهش مضاعف درهزينه هاي مساحت وجود دارد. زيرا نشاندن لايه از طريق توليد با حجم بالا بهتر از تكنولوژي هاي نسل دوم صورت مي گيرد. و امكان بالقوه افزايش بيشتر راندمان از طريق پيوند چندتايي حتي بيشتر است، چه بوسيله سيليكون بي شكل انجام گيرد يا در تركيب با مواد ديگر.



سيستم هاي گرما شيميائي و نور شيميائي

اين گروه به سيستم هائي اطلاق مي شود كه از انرژي خورشيدي براي القاء واكنش هاي شيميايي استفاده مي كنند تا كيفيت محصولات موجود را افزايش دهند تا قابل استفاده شود، يا اينكه محصولات كاملا نويني را بسازند. گرما شيميايي به استفاده از گرما براي رانش واكنشها اطلاق مي شود و نورشيميائي به استفاده مستقيم فوتون ها مانند بخش ماوراء بنفش طيف خورشيد اتلاق مي گردد.

ابتدائي ترين عنصري را كه مي توان با كمك انرژي خورشيدي بهبودي بخشيد آب است كه در بسياري از نواحي دنيا يا بصورت شور مزه در دسترس است يا بصورت آب دريا. براي اجتماعات بزرگ كه منبع انرژي معمولي در اختيار دارند آب شيرين كن هائي كه با تبخير حرارتي عمل مي نمايند داراي تكنولوژي جا افتاده اي هستند. از متمركز كننده سهموي خطي نيز براي كاهش تقاضا براي انرژي معمولي نيز مي توان استفاده كرد. براي جوامع دور افتاده و منزوي دستگاه تقطير خورشيدي براي سالهاي بسياري است كه بعنوان تنها منبع تامين آب تازه مورد استفاده بوده است. يك پوشش شفاف شيب دار بر روي يك بركه كم عمق اثر گلخانه اي شديدي را القاء مي نمايد. آب تبخير مي شود و در برخورد با پوشش شفاف چگالش شده و جريان مي يابد و سپس اين آب جمع آوري شده و به مصرف مي رسد اما آب شيرين كن هاي خورشيدي داراي كارآئي بسيار پايين و هزينه نگهداري زيادي هستند و با كاهش هزينه هاي PV نمك زدايي الكترد پاليزي يا اسمزي معكوس با انرژي PV ، اغلب همراه با تابش ماوراء بنفش براي باكتري زدائي، براي اين كاربردها به تدريج جذاب تر مي شوند.

در برنامه هاي عظيم تحت حمايت دولت در كشورهاي هندوستان، چين و چندين ناحيه ديگر از انرژي خورشيدي براي پخت و پز استفاده شده است و در حدود يك ميليون واحد از اين نوع ساخته شده و مورد استفاده مي باشد. با اجاق هاي خوراك پزي خورشيدي از نوع دو جداره شيشه اي بويژه اگر در آنها متمركز كننده هاي انعكاسي استفاده شود مي توان بسياري از انواع غذاها را، مشروط به آنكه هوا آفتابي باشد و بهر حال تنها در طول روز كه هوا روشن است، پخت.

اين سيستم ها براي جايگزين كردن منابع سوخت چوب در نظر گرفته شده بودند ولي براي استفاده از آنها لازم مي بود كه در عادات آماده سازي و پخت غذا تغييراتي حاصل شود و در نتيجه تلاشهايي كه براي معرفي آنها درنواحي روستائي صورت گرفت موفقيت آميز نبوده است. برنامه هايي كه بر پايه اجاق هاي بيوگازي يا ذغال هستند احتمالا از شانس موفقيت تجاري بهتري برخوردار هستند.

متمركز كننده هاي گرما خورشيدي قادر هستند دماهائي را كه با هر فرآيند شيميائي اي هم آهنگ است توليد نمايند. يكي از كاربردهاي اصلي كه در نظر گرفته شده است اصلاح واكنش متان با كمك بخار است كه منجر به توليد گاز سنتزي مي شود كه ماده سنتزي مي شود كه ماده اوليه اصلي براي توليد امونياك، متانول، اغلب مونومرهاي پلاستيك، سوختهاي سنتزي و هيدروژن است. كاربردهاي ديگري كه پيشنهاد شده اندشامل ساختن گاز از زغال سنگ، پالايش نفت سنگين، سنگواره نفتي و قيري است. اما همانگونه كه قبلا نيز اشاره شد در حاليكه قيمت هاي انرژي هم چنان پائين باقي بمانند، بهره برداري تجاري اين سيستم ها امكان پذير نخواهد بود. از آنجائيكه متمركز كننده هاي خورشيدي توانائي دستيابي به دماهائي را كه دارند كه با ابزار معمولي ممكن نيست از برخي تسهيلات دريافت كننده هاي مركزي آزمايشي كه در دهه 1980 ساخته شده اند عملا بطور تجاري براي آزمايش موادي كه بايستي دماهاي بسيار زيادي را تحمل كنند استفاده مي شود.

اما كاربرداصلي در آينده نزديك براي شارفوتوني بسيار بالايي كه متمركز كننده هاي مدور و خطي توليد مي نمايند احتمالا سم زدائي فوتو – كاتاليتيك آب است. بنابر اين با اين روش مواد شيميائي خطرناك قابل تجزيه به دي اكسيد كربن، آب و اسيدهاي خنثي مي شوند و اين فرآيند براي پاكسازي آب هاي آلوده موجود بي نهايت با ارزش است. كاتاليزورهاي موجود تنها ميتوانند از تابش ماوراء بنفش استفاده كنند و بنابر اين R&D در جهت بهبود بخشي كاتاليزورها بطوري است كه از كسر بزرگتري از طيف خورشيدي بمنظور افزايش كارآيي سيستم و كاهش هزينه ها استفاده شود.



توليد هيدروژن

توليد هيدروژن از انرژي خورشيدي و آب به توجه ويژه اي نياز دارد زيرا كه هيدروژن سوخت تمام نشدني است و سازگار با محيط زيست نيز هست. هنگاميكه هيدروژن كاملا مي سوزد حال چه بطور مستقيم براي مصارف گرمايي يا مكانيكي و يا در پيلهاي سوختي براي توليد الكتريسيته، تنها محصول سوزش آب است. از آنجائيكه هيدروژن براي حمل و نقل و انبار سازي دراز مدت با چگالي اي بيش از چگالي گاز در حالت مايع قابل استفاده است، ميتواند اتكاي بشر به سوخت هاي فسيلي را جايگزين نمايد. نور خورشيد متمركز مي تواند واكنش هاي سوخت هاي فسيلي را جايگزين نمايد. نور خورشيد متمركز ميتواند واكنش هاي گرما شيميائي يا الكتروليز با دماي بالا را براي توليد هيدروژن خورشيدي بكار اندازد. هيدروژن خورشيدي را مي توان از سيستم هاي فوتو الكترو و شيميائي نيز كه هيدروژن و اكسيژن را مستقيما از آب توليد مي كنند، بدست آورد. يكي از موفقيت هاي جديد در اين زمينه به توجه ويژه اي نياز دارد زيرا كه نقش كلروفيل در فوتوسنتز را باكمك ذرات دي اكسيد تيتانيوم روكش شده با رنگهاي با پايه روتينيم را كه در برابر فتوسنتز حساس مي باشند، تقليد مي كند.

بهرحال، در اين مورد و ساير تحقيقات فوتو الكتروشيميائي جاري هنوز زياد به پيشرفت بسيار زيادتري احساس مي شود تا كارآئي مكانيزمها افزايش پيدا كند و مسئله خرابي و تجزيه را كه هنوز در فصل مشترك جامد – مايع مزاحمت ايجاد مي كند، حل كند. الكتروليز آب با كمك انرژي برق PV بطور كامل آزمايش شده است و ساده ترين روش براي بدست اورن هيدروژن خورشيدي است.

مي توان تصور كرد كه كشورهاي نيمكره شمالي امكانات بالقوه انرژي خورشيدي ملي خود را نسبتا زودتر از كشورهاي جنوب بكار بگيرند و پس از آن زمان مايل به وارد كردن انرژي هاي تجديد شدني باشند. احتمالا ساده ترين راه واردات تجديد شدني ها همين هيدروژن خورشيدي است بويژه هنگاميكه انگيزه نياز به كاهش سطح آلودگي درنواحي شهري كه در آنها فشارهاي محيطي بسيار زياد هستند ( اگر چه كه اين ينزا محدود به كشورهاي در حال توسعه نيست ) وجود داشته باشد. اين حداقل دليل است براي تنهاسيستم آزمايشي بزرگ توليد هيدروژن از آب و يك منبع انرژي تجديد شدني . دراين سيستم كه يك پروژه مشترك آلماني و كانادائي است،‌ الكتروليز آب بوسيله هيدروالكتريسيته انجام مي گيرد. هيدروژن توليد شده در كانادابا كشتي به اروپا حمل مي شود و در اروپا ذخيره شده وبه طريق مختلف به مصرف مي رسد. در حال حاضر تنها صنعت هوا فضائي است، كه از انرژي ذخيره شده در هيدروژن استفاده مي كند، اما R&D در سرتاسر جهان براي كاربرد اين انرژي در بخش هاي ديگر درجريان است، از قبيل خودروي با انتشارات زيان آور بسيار كم،‌ ژنراتورهاي توليد بخار بكمك هيدروژن – اكسيژن براي مصرف پيك، سيستم حمل و نقل بين قاره اي هيدروژن مايع شبيه به LNG ، كاتاليست هيدروژن – اكسيژن و پيل سوختي.



موقعيت فعلي تكنولوژي خورشيدي

جدول 4-2 موقعيت فعلي تكنولوژي سيستم هاي اصلي خورشيدي را كه توسعه يافته و يا در حال توسعه هستند نشان مي دهد. محاسبه هزينه هاي انرژي و راندمان ساليانه سيستم بر فرض بكارگيري در ناحيه آلبوكرك است كه محيطي صحرائي با عرض جغرافيائي 35 درجه و ارتفاع 1600 متر در نيومكزيكو ايالات متحده آمريكا قرار دارد. دراين محل دريافت تابش ساليانه افقي KW/m 24/0، صافي آسمان 85% و بخش پراكنده تابش 26% مي باشد.

در سيستم هاي گرمايشي فرض شده است كه گردآورنده به اندازه عرض جغرافيائي با سطح افقي زاويه دارد و در نتيجه كل تابش افقي ساليانه براي گردآورنده هاي غير تمركزي2 KW/m 28/0 و براي گردآورنده هاي با تمركز كم2 KW/m 23/0 است مفروض بر اينكه گردآورنده ها از تابش مستقيم و 70% تابش پراكنده دور خورشيدي استفاده نمايند. بركه هاي خورشيدي از كل تابش افقي ساليانه2 KW/m 24/0 استفاده مي كنند و نوع سهموي خطي كه خورشيد را در ارتفاع حول محور ثابت شرقي – غربي دنبال مي كند،2 KW/m 20/0 تابش مستقيم ساليانه دريافت مي كند. براي ساير سيستم ها ردگيري دومحوري فرض شده است كه منجر به2 KW/m 30/0 تابش مستقيم ساليانه براي PV هاي متمركز كننده و ساير سيستم هاي حرارتي – برقي مي گرددو2 KW/m 40/0 تابش كل براي سيستم هاي PV غير تمركز كننده منظور شده است.

از آنجائيكه هزينه تعمير و نگهداري سيستم هاي خورشيدي ناچيز است لذا هزينه انرژي خورشيدي براي محل هاي ديگر را مي توان بر مبناي نسبت تابش ساليانه بر روي گردآورنده ها كه بطور مستقيم از جدول 2-2 گرفته شود يا با ميانيابي انجام ميگيرد، بدست آورد. اما اين يك محاسبه تقريبي است زيرا كارآئي سيستم بستگي به تاش خورشيد و درجه حرارت محل دارد.

مهم است كه به اختلاف هاي حياتي بين انواع سيستم هاي متفاوت توجه شود . سيستم هاي متمركز كننده (‌كه تنها از تابش دريافتي مستقيم استفاده مي كنند ) و از سيستم هائي كه با اينرسي حرارتي زياد عمل مي نمايند به مقدار قابل توجه تري متاثر از هواي متغير، مانند ابرهاي منقطع، در مقايسه با سيتم هاي گرمايشي ثابت كم دما يا سيستم هاي PV هستند. تحت شرايط متغير تابش خورشيدي، سيستم هاي حرارتي از اتلاف كارآئي مضاعفي رنج مي برند زيرا كه تلفات حرارتي بدون توجه به تابش دريافتي سيستم مقدار ثابتي است و كارآيي چنين سيستم هايي در مقايسه با سيستم هاي PV در شرايط بارغير كامل صدمه بيشتري مي بيند.

سيستم هاي حرارتي اي كه از سيكل هاي ترموديناميكي براي تبديل انرژي حرارتي به انرژي برق استفاده مي كنند از تلفات انرژي مانند نيروگاههاي با سوخت معمولي رنج مي برند و براي سيستم هاي متمركز كننده با دماي زياد كارآئي سيكل آنها بين 20% تا 40% است. همچنين در نوحي صحرائي كه تابش دريافتي به بالاترين حد خود مي رسد، آب خنك كننده ممكن است بسيار محدود باشد. سيستم هاي PV در تبديل جريان برق خود از مستقيم به متناوب تنها اتلاف انرژي بسيار جزئي دارند و آب را تنها براي شستشوي گاه به گاه مدول هاي خود نياز دارند.

از طرفي سيستم هاي حرارتي در مقايسه با سيستم هاي ثابت يا متمركز كننده PV براي كاربردهائي با ظريب ظرفيت بيش از 25% ( و سيستم هاي غير تمركزي با ردگيري 2 محوري، بيش از 35% )، مزيت دارند. ذخيره انرژي حرارتي با استفاده از مخازن عايق تنها هزينه سرمايه اي اندكي بيشتر را براي سيستم هاي حرارتي طلب مي كند و منجر به كاهش هزينه انرژي مي شود. اما سيستم باتري معادل براي ذخيره سازي انرژي سيستم هاي PV هزينه اضافي عمده اي را طلب كرده و از نظر راندمان كل سيستم نيز يك نقيصه محسوب مي شود. در جدول 4-2 اين اختلاف ستون آخر نشان داده شده است كه نمايشگر تغيير در هينه توليد انرژي تابشي از افزايش ضريب ظرفيت از حالت بدون ذخيره ( در ساير جاهاي جدول ) به ميزان 50% بر مبناي ساليانه است. اختلاف بين سيستم هاي برقي مستقيم و حرارتي برقي يكي بعلت هزينه بمراتب پائين تر بازاي هر كيلووات ساعت مخزن در مقايسه با باتري است و ديگري ضريب استفاده بهتر دستگاههاي باسيلك ترموديناميكي در سيستم هاي حرارتي داراي ذخيره است. بهرحال، ذخيره حرارتي را تنها براي مدت نسبتا كوتاهي مي شود حفظ كرد در حاليكه باتري مي تواند شارژ خود را براي مدتي طولاني نگه دارد.

در هر حال، مهم است كه به خاطر داشته باشيم كه در سيستم هاي خورشيدي رابطه مستقيمي بين ضريب ظرفيت طراحي و هزينه سرمايه اي وجود دارد كه با سيستم هاي معمولي كه به آساني مي توانند با استفاده از همان دستگاههاي موجود در نيروگاه، سوخت بيشتري را بسوزانند و ضريب ظرفيت خود را افزايش دهند مغايرت دارد. اگر چه كه از گرم كن هاي پشتيبان كه از سوخت فسيلي استفاده مي كنند مي توان براي ادامه فعاليت سيستم هاي حرارتي در زمان تابش كم خورشيد استفاده كرد اما استفاده از آنها در جدول 4-2 منظور نشده است. در بازار هاي فعلي اين گرم كن هاي با سوخت فسيلي معمولا معرف افزايش جزئي درهزينه سرمايه اي هستند ولي براي موفقيت كلي تجاري سيستم مهم هستند زيرا آنها ظرفيت ثابت توليد انرژي را تضمين مي نمايند.

سيستم هاي گرماشيميائي و نور شيميائي صريحا مورد اشاره قرار نگرفته زيرا كه تنها سيستم هاي تجاري واقعي مانند آب شيرين كن خورشيدي و اجاق هاي خوراك پزي خورشيدي احتمالا اثري بر مصرف كلي انرژي نخواهند داشت. توليد مستقيم هيدروژن از اب بوسيله سيستم هاي فوتوالكتروشيميائي هنوز در مراحل اوليه پژوهش قرار دارد و هزينه ها بخوبي شناخته نشده اند.



بازارهاي فعلي

موقعيت بازارهاي تجاري خورشيدي را چندين فاكتور تعيين مي كنند. اما مهمترين آنها قابليت دست يابي نسبي و هزينه گزينه با سوخت معمولي براي برآوردن نياز ويژه اي در محل مشخصي است. روزهاي بحران هاي نفتي كه طي آنها اعتقاد عمومي به افزايش مداوم و چشمگير قيمت نفت كه منجر به زمان هاي بازپرداخت كوتاه براي سيستم هاي انرژي خورشيدي مي شد به پايان رسيده اند. امروزه كه قيمت انرژي هاي معمولي فسيلي كم هستند و افزايش ملايمي پيش بيني مي شود، بدون شناخت و بها دادن با اثرات خارجي فرآيند تصميم گيري در مورد انرژي، زمان بازپرداخت سيستم هاي خورشيدي بمراتب طولاني تر هستند و بازارهاي بالقوه را مشكل تر بتوان عنوان نمود.

با اينحال درجاهايي كه هزينه انرژي معمولي بعلت ماليات ها زياد است و تشويقهاي دولت براي ترغيب استفاده از انرژي خورشيدي كم دما به موجوديت خود ادامه مي دهد. تاكنون اغلب فروش سيستم ها در كشورهاي درحال توسعه بوده و محدود به سيستم هاي آب گرم خورشيدي آنهم بيشتر در منازل و هتل ها. سيستم هاي گرمايش فضاي خورشيدي آزمايش شده اند ولي بعلت زمان بازپرداخت طولاني براي فصول كوتاه گرمايش در بيشتر نواحي، بطور عمومي تجاري نشده است. بازار براي سرمايش فضاي خورشيدي نيز بدلايل مشابه علاوه بر هزينه افزوده دستگاههاي برودتي جذبي توسعه نيافته است، سرمايش و گرمايش فضا كه تقاضاي عمده براي انرژي هستند به بهترين وجه با كمك معماري خورشيدي كه نياز به انرژي را با ابزار غير فعال به حداقل مي رساند و در نتيجه نياز به اجزاء خورشيدي را كاهش و يا بطور كلي حذف مي نمايد حل شدني هستند معماري خورشيد اگر چه كه اغلب مقرون به صرفه است اما بعلت آگاهي محدود طراحان حرفه اي و مشتريان زياد مورد استفاده قرار نمي گيرد.

نياز به سيستم هاي الكتريكي مستقل به بهترين وجه توسط سيستم هاي فوتوولتائي برآورده مي شوند. مشخصات عمده اين بازارها عبارت است از كوچك بودن نياز به انرژي و در نتيجه تامين انرژي الكتريكي معمولي از طريق گسترش شبكه برق رساني يا بوسيله ديزل ژنراتور محلي خيلي گران تمام مي شود. از طرفي سيستم هاي فوتوولتائي كمتر متاثر از اندازه نياز به برق مي باشند وهزينه پائين نگهداري آنها يك مزيت افزوده است. كاربردهاي متفاوت را بنا به مصرف نهايي مي توان به 3 گروه كلي تقسيم كرد: حرفه اي، مصنوعات مصرفيو و روستائي ، دو گروه اول به موقعيت كاملا تجاري در دنيا رسيده اند ولي بازار بالقوه كوچكي هستند بازار بالقوه روستائي عظيم است و بيشتر از طريق برنامه هاي همكاري صورت مي گيرد. برنامه مهمي را كه در اين زمينه ميتوان نام برد برنامه فوتوولتائي اتحاديه اروپا درساحل افريقايي است.

سيستم هاي خورشيدي براي اتصال به شبكه نيروي برق هنوز بمرحله اقتصادي دست نيافته اند. حتي در بازارهاي انرژي پيك، كه در آنها هزينه بالاتري براي انرژي پرداخت مي شود، هم رخنه نكرده اند. سيستم هائي كه ساخته شده اند يا نياز به پشتيباني بودجه R&D داشته اند يا از تشويقات دولت استفاده كرده اند تا بر هزينه سرمايه اي بالائي كه متحمل شده اند غلبه كنند. همانطوريكه قبلا شرح داديم استفاده از نيروگاههاي سهموي خطي خورشيدي با كمك گاز طبيعي كه توسط LUZ راه اندازي و بهره برداري شد موفق تر بوده است. يكي از دلايلي كه اغلب براي موقعيت LUZ عنوان مي شود طبيعت مدولي بدون تكنولوژي آن بوده است كه ساختمان و راه اندازي نيروگاه را مرحله به مرحله انجام مي دهد و در نتيجه زماني را كه سرمايه در حال توليد نيست كاهش مي دهد. با تمام اين احوال، خاتمه باقيمانده اعتبارات مالياتي در كاليفرنياLUZ را بامشكلات مالي روبرو ساخت. بازار انرژي برقي خورشيدي متصل به شبكه از ايالات متحده به اروپا نقل مكان كرده است همانگونه كه بازار از نيروگاههاي حرارتي –برقي خورشيدي به سيستم هاي فوتوولتائي پراكنده مانند برنامه هاي فوتوولتائي روي بامها در آلمان ( اخيرا لغو شده است ) و سويس روي آورده است.

مي بايستي تاكيد شود كه هزينه سرمايه گذاري بالائي كه در مورد تمام سيستم هاي خورشيدي وجود دارد مشكل بزرگي است كه توسعه بازارهاي وسيع را محدود مي كند زيرا كه در بسياري از نقاط دنيا ((تفكر هزينه در طول عمر مفيد )) در تصميم گيري بكار گرفته نمي شود. اين نوع گرايش در تصميم گيري هاي مربوطه به انرژي هر گونه شانس موفقيت را براي سيستم هاي خورشيدي كه هميشه به سرمايه گذاري زياد ولي هزينه عملياتي ساليانه نسبتا اندكي نياز دارند و با سيستم هاي با سوخت معمولي كه داراي سرمايه گذاري كم ولي هزينه هاي عملكرد زياد مي باشند، مقايسه شوند، از بين مي برد. و حتي هنگاميكه ارزيابي مبتني بر هزينه در طول عمر مفيد هم انجام مي گيرد باز هم اين عمل بطور كامل انجام نمي شود زيرا مي بايستي شامل تمام هزينه هاي محيطي و خارجي مربوط به انواع انرژي هاي رقيب بشود.

عنوان مقاله: طراحي دودكش خورشيدي براي تامين هواي گرم يك اتاق مسكوني در شهر كرمان
سرفصل مربوط:
سال انتشار: 1384
نوع ارايه: شفاهي محل انتشار: [ چهارمين همايش بهينه سازي مصرف سوخت در ساختمان ]
زبان مقاله: فارسي حجم فايل: 121.59 كيلوبايت


نمايش خلاصه مقاله

طراحي دودكش خورشيدي براي تامين هواي گرم يك اتاق مسكوني در شهر كرمان 
نويسنده:[ كاميار زمزميان ] - گروه مكانيك مركز تحقيقات مهندسي جهاد آذربايجان شرقي

خلاصه مقاله:

براي گرم كردن ساختمانها از دو روش گرمايش اجباري و طبيعي استفاده مي شود. در گرمايش اجباري از پمپ آب يا بادرسان براي برقراري جريان آب يا هوا استفاده مي شود، اما در گرمايش طبيعي، نور خورشيد بصورت طبيعي و بدون بكار بردن سيستم مكانيكي و يا الكتريكي، براي گرمايش بكار مي رود. در اين مقاله، يك دودكش خورشيدي كه بصورت طبيعي براي گرمايش يك اتاق 3 متر در 4 متر فرضي بكار مي رود، طراحي شده است. اين هواگرمكن، براي شهر كرمان و براي ماههاي سرد سال مانند پاييز و زمستان طراحي شده است. دودكش خورشيدي شامل يك صفحة جاذب است كه تشعشع خورشيد را جذب كرده و باعث گرم شدن هوا در قسمت پشتي مي شود. اين صفحه از جنس مس و يا آلومينيوم است. يك يا دو لايه شيشه براي جلوگيري از اتلافات حرارتي از صفحة جاذب بكار مي رود. هواي اتاق از طريق دو دريچه مي تواند وارد كانال يا از آن خارج شود. در اين پروژه فرض شده است كه هوا فقط در پشت صفحة جاذب جريان دارد و هواي بين شيشه ها ساكن در نظر گرفته شده است. يك برنامة كامپيوتري براي طراحي هواگرمكن مورد نظر نوشته شده است. هواگرمكن به دو صورت يك لايه شيشه و دو لايه شيشه طراحي شده است. يك واحد 5/2 در 1 متر براي گرم كردن هواي اتاق، مورد بررسي قرار گرفته است. محاسبات در ماههاي مختلف سال انجام شده است. براي هر ماه، پانزدهم ماه معرف تمام ماه فرض شده و برنامه براي روز پانزدهم اجرا شده است. مقادير دماي خروجي هوا از كانال و دبي جرمي، دماي صفحة جاذب و دماي شيشه هاي داخلي و خارجي، گرماي داده شده به هواي اتاق و تمامي مقادير مربوطه مورد محاسبه قرار گرفته است. .

كلمات كليدي:

تابش خورشيد، دودكش خورشيدي، گرمايش طبيعي.

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

اصول کار:
هوا در زیر یک سقف شفاف که تشعشع خورشیدی را عبور می‌دهد، گرم می‌شود. باید توجه داشت که وجود این سقف و زمین زیر آن بعنوان یک کلکتور یا جمع‌کننده خورشیدی عمل می‌کند. در وسط این سقف شفاف یک دودکش یا برج عمودی وجود دارد که هوای زیادی از پایین آن وارد می‌شود. باید محل اتصال سقف شفاف و این برج بصورتی باشد که منفذی نداشته باشد و اصطلاحاً «هوا بند» شده باشد. بر همگان روشن است که هوای گرم چون سبکتر از هوای سرد است به سمت بالای برج حرکت می‌کند. این حرکت باعث ایجاد مکش در پایین برج می‌شود تا هوای گرم بیشتری را به درون بکشد و هوای سرد پیرامونی به زیر سقف شفاف وارد شود. برای اینکه بتوان این فناوری را بصورت 24 ساعته مورد استفاده قرارداد می‌توان از لوله‌ها یا کیسه‌های پرشده از آب در زیر سقف استفاده کرد. این موضوع بسیار ساده انجام می‌شود یعنی در طول روز آب حرارت را جذب کرده وگرم می‌شود و در طول شب این حرارت را آزاد می‌کند. قابل ذکر است که باید این لوله‌ها را فقط برای یکبار با آب پر کرده و به آب اضافی نیازی نیست. بنابراین اساس کار بدین صورت است که تشعشع خورشیدی در این برج باعث ایجاد یک مکش به سمت بالا می‌شود که انرژی حاصل از این مکش توسط چند مرحله توربین تعبیه شده در برج به انرژی مکانیکی تبدیل شده و سپس به برق تبدیل می‌شود.

توان خروجی:
به زبان ساده می‌توان توان خروجی برجهای خورشیدی را بصورت حاصل‌ضرب انرژی خورشیدی ورودی (Qsolar) در راندمان مربوط به جمع‌‌کننده، برج و توربین بیان کرد:
در ادامه سعی می‌شود پارامترهای قابل محاسبه مشخص شوند ودر این راستا باید گفت که Qsolar را می‌توان بصورت حاصلضرب تشعشع افقی (Gh) درمساحت کلکتور (Acoll) نوشت.
در داخل برج جریان گرمایی ناشی از کلکتور به انرژی سینتیک (بصورت کنوکسیون) و انرژی پتانسیل (افت فشار در توربین) تبدیل می‌شود. بنابراین متوجه می‌شویم که اختلاف دانسیته هوا که ناشی از افزایش دما در کلکتور است، بعنوان یک نیروی محرکه عمل می‌کند. هوای سبکتر موجود در برج در قسمت تحتانی و در قسمت فوقانی برج به هوای اطراف متصل است و از این رو باعث ایجاد یک حرکت روبه بالا می‌شود. در یک چنین حالتی یک اختلاف فشار بین قسمت پایین برج (خروجی کلکتور) و محیط اطراف ایجاد می‌شود که فرمول آن بصورت زیر است:
بر این اساس با افزایش ارتفاع برج، ΔPtot افزایش خواهد یافت.
البته این اختلاف فشار را می‌توان (با فرض قابل صرفنظر کردن اتلافهای اصطکاکی) به اختلاف استاتیک و دینامیک تقسیم کرد:
قابل ذکر است که اختلاف فشار استاتیک در توربین افت می‌کند و اختلاف فشار دینامیک بیانگر انرژی سینتیک جریان هوا است.
می‌توان بین توان موجود دراین جریان و اختلاف فشار کل و جریان حجمی هوا وقتی که ΔPs=0، رابطه‌ای نوشت:
راندمان برج را بصورت زیر بیان می‌کنند:
در عمل افت فشار استاتیک ودینامیک ناشی از توربین است. در حالتی که توربین وجود نداشته باشد می‌توان به حداکثر سرعت جریان دست یافت و تمام اختلاف فشار موجود به انرژی سینتیک تبدیل می‌شود:
بر اساس تخمین Boussinesq حداکثر سرعت قابل دسترسی برای جریان جابجایی آزاد بصورت زیر است:
که دراین فرمول ΔT همان افزایش دما بین محیط و خروجی کلکتور (ورودی دودکش) است. معادل زیر بیانگر راندمان برج و پارامترهای موثر در آن است:
بر اساس این نمایش ساده شده در بین پارامترهای دخیل در دودکش خورشیدی، مهمترین عامل در راندمان برج، ارتفاع آن است. مثلاً برای برجی به ارتفاع 1000 متر اختلاف بین محاسبات دقیق و محاسبه تقریبی ارایه شده، قابل صرفنظر کردن است.
با دقت در معادلات (1)، (2) و (3) می‌توان دریافت که توان خروجی یک دودکش خورشیدی متناسب باسطح کلکتور و ارتفاع برج است.
مشخص شد که توان تولید برق یک دودکش خورشیدی متناسب با حجم حاصل از ارتفاع برج و سطح کلکتور است یعنی می‌توان با یک برج بلند و سطح کم و یا یک برج کوتاه با سطح وسیع به یک میزان برق تولید کرد. البته اگر اتلاف اصطکاکی وارد معادلات شود دیگر موضوع فوق صادق نیست. با این وجود تا زمانی که قطر کلکتور بیش از حد زیاد نشود می‌توان از قاعده سرانگشتی فوق استفاده کرد.

کلکتور:
هوای گرم مورد نیاز برای دودکش خورشیدی توسط پدیده گلخانه‌ای در یک محوطه‌ای که با پلاستیک یا شیشه پوشانده شده و حدوداً چند متری از زمین فاصله دارد، ایجاد می‌شود. البته با نزدیک شدن به پایه برج، ارتفاع ناحیه پوشانده شده نیز افزایش می‌یابد تا تغییر مسیر حرکت جریان هوا بصورت عمودی با کمترین اصطکاک انجام پذیرد. این پوشش باعث می‌شود که امواج تشعشع خورشید وارد شده و تشعشعهای با طول موج بالا مجدداً از زمین گرم بازتاب کند. زمین زیر این سقف شیشه‌ای یا پلاستیکی، گرم شده و حرارت خود را به هوایی که از بیرون وارد این ناحیه شده است و به سمت برج حرکت می‌کند، پس می‌دهد.

ذخیره‌سازی:
اگر به یک ظرفیت اضافی برای ذخیره‌سازی حرارت نیاز باشد، می‌توان از لوله‌های سیاه رنگ که با آب پر شده‌اند و بر روی زمین در داخل کلکتور قرار داده شده‌‌اند، بهره جست. این لوله‌ها را باید فقط یکبار با آب پر کرده و دو طرف آنها را بست و بنابراین تبخیر نیز رخ نخواهد داد. حجم آب درون لوله‌ها بنحوی انتخاب می‌شود که بسته به توان خروجی نیروگاه لایه‌ای با ضخامت 20-5 سانتیمتری تشکیل شود.
در شب زمانی‌که هوای داخل کلکتور شروع به سرد شدن می‌کند، آب داخل لوله‌ها نیز حرارت ذخیره شده در طول روز را آزاد می‌کند. ذخیره حرارت به کمک آب بسیار موثرتر از ذخیره در خاک به تنهایی است چون همانطور که می‌دانید انتقال حرارت بین لوله و آب بسیار بیشتر از انتقال حرارت بین سطح خاک و لایه‌های زیرین است و این از آن بابت است که ظرفیت حرارتی آب پنج برابر ظرفیت حرارتی خاک است.

برج:
برج به خودی خودنقش موتور حرارتی نیروگاه را بازی می‌کند و همانند یک لوله تحت فشار است که به دلیل دارا بودن نسبت مناسب سطح به حجم از اتلاف اصطکاکی کمی برخوردار است. در این برج سرعت مکش به سمت بالای هوا تقریباً متناسب با افزایش دمای هوا (ΔT) در کلکتور و ارتفاع برج است. در یک دودکش خورشیدی چند مگاواتی، کلکتور باعث می‌شود که دمای هوا بین 35-30 درجه سانتیگراد افزایش یابد و این به معنی سرعتی معادل m/sec15 است که باعث حرکت شتابدار هوا نخواهد شد و بنابراین برای انجام عملیات تعمیر و نگهداری می‌توان براحتی وارد آن شد و ریسک سرعت بالای هوا وجود ندارد.

توربین‌ها:
با بکارگیری توربینها، انرژی موجود در جریان هوا به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل می‌شود. توربینهای موجود در دودکش خورشیدی شبیه توربینهای بادی نیستند و بیشتر شبیه توربینهای نیروگاههای برقابی هستند که با استفاده از توربینهای محفظه‌دار، فشار استاتیک را به انرژی دورانی تبدیل می‌کنند. سرعت هوا در قبل و بعد از توربین تقریباً یکسان است.. توان قابل حصول در این سیستم متناسب با حاصلضرب جریان حجم هوا در واحد زمان و اختلاف فشار در توربین است. از نقطه نظر بهره‌وری بیشتر از انرژی، هدف سیستم کنترل توربین بحداکثر رساندن این حاصلضرب در تمام شرایط عملیاتی است.

مدل آزمایشی:
برای ساخت یک مدل ازمایشی، تحقیقات تئوریک مفصلی انجام شده که آزمایشات تونل باد وسیعی را بهمراه داشت و نهایتاً در سال 1981 منجر به ساخت واحدی با توان تولید 50 کیلووات برق در منطقه مانزانارس (Manzanares) در 150 کیلومتری جنوب مادرید در کشور اسپانیا شد و این واحد از کمک مالی وزارت تحقیق و فناوری آلمان برخوردار بود.
هدف از این طرح تحقیقاتی، تطبیق، اندازه‌گیری محلی، مقایسه پارامترهای تئوریک و عملی و بررسی تاثیر اجزاء مختلف دودکش خورشیدی بر راندمان و نیز توان تولیدی این فناوری تحت شرایط واقعی و نیز شرایط خاص آب و هوایی بود.
پوشش سقف قسمت کلکتور نه تنها باید شفاف یا حداقل نیمه شفاف باشد بلکه باید محکم بوده و از قیمت قابل قبولی برخوردار باشد. برای این پوشش نوعی از ورقه‌های پلاستیکی و نیز شیشه‌ مورد توجه قرار گرفتند تا مشخص شود در درازمدت کدامیک از آنها بهتر بوده و صرفه اقتصادی دارد. باید توجه داشت که شیشه می‌تواند سالیان سال در مقابل طوفان و باد مقاومت کرده وآسیب نبیند و در مقابل بارانهای فصلی نیز نوعی خاصیت خود تمیز کنندگی بروز می‌دهد.
در عوض لایه‌های پلاستیکی را باید درون یک قاب قرار داد و وسط آنها نیز اصطلاحاً به سمت زمین شکم می‌دهد. هرچند هزینه اولیه سرمایه‌گذاری ورقه‌های پلاستیکی کمتر است ولی در مانزانارس با گذشت زمان این لایه‌ها شکننده شدند و آسیب دیدند. البته با پیشرفت در ساخت لایه‌های مقاوم در برابر دما و اشعه ماوراء بنفش می‌توان به استفاده از پلاستیکها نیز امیداور بود.
مدل ساخته شده در اسپانیا در سال 1982 تکمیل گشت و هدف اصلی از ساخت آن نیز گردآوری اطلاعات بود. بین اواسط 1986 تا اوایل 1989 این واحد بطور مرتب هر روز مورد استفاده قرار گرفت و برق تولیدی آن نیز به شبکه برق سراسری متصل شد. طی این دوره 32 ماهه این واحد بصورت کاملاً اتوماتیک راهبری شد. در سال 1987 در این منطقه حدود 3067 ساعت با شدت تابش w/m2 150 وجود داشته است.
یکی از مطالب قابل توجه در راهبری این مدل آزمایشی آن بود که اسپانیایی‌ها در زیر قسمت کلکتور اقدام به کشاورزی کردند تا این امکان را نیز در طرح خود مورد بررسی قرار دهند و اصطلاحاً از زمین بصورت بهینه استفاده کنند. نتیجه این قسمت از تحقیق آن بود که توانستند گیاه مورد نظر خود را پرورش دهند و تاثیر آن را بر رطوبت هوای زیر سقف و دیگر پارامترهای مربوطه مورد ارزیابی قرار دهند.
تمامی نتایج بدست آمده بیانگر آن بوده است که این فناوری از قابلیت کافی جهت استفاده در مقیاسهای بزرگتر را دارا است. بر پایه این نتایج یک سری تحقیقات توسط موسسات و دانشگاههای مختلف انجام شد تا وضعیت آن را شبیه سازی و مدلسازی کند تا بتوان نتایج این سیستم در مقیاس بزرگتر را پیشگویی کرده و قابل بررسی کرد.

تحولات آینده:
همانطور که در ابتدای مقاله اشاره شد در آینده نزدیک قرار است یک نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت 200 مگاوات در استرالیا ساخته شود که ارتفاع برج آن 1000 متر خواهد بود. بر اساس اطلاعات بدست آمده کشور آفریقای جنوبی نیز در نظر دارد با کمک سازمانهای بین‌المللی و نیز نهادهای سازمان ملل متحد یک نیروگاه با برجی به ارتفاع 1500 متر احداث کند تا از آن برای رفع کمبود برق خود استفاده کند. در این ارتباط باید متذکر شد که دولت هند نیز برای اجرای این طرح در ایالت گجرات اعلام آمادگی کرده است.
هر چند در ابتدا ساخت برجهای مرتفع کاری سخت بنظر می‌رسد ولی نباید از نظر دور ساخت که برج مرتفع شهر تورنتو کانادا در حال حاضر دارای 600 متر ارتفاع است و ژاپنیها در نظر دارند آسمانخراشهایی با ارتفاع 2000 متر در مناطقی بسازند که امکان زمین لرزه آنها نیز زیاد است و نهایتاً آنکه ساخت برج میلاد در کشورمان ایران نیز تاییدی بر این مدعاست که امروزه ساخت یک چنین سازه‌هایی دور از دسترسی نیست و ضمناً ما در ساخت سازه‌ سدهای آبی نشان داده‌ایم که براحتی می‌توانیم سازه‌های عظیم بتنی را برپا سازیم.
جهت اطلاع بیشتر در جدول 2 اندازه‌های مختلف فناوری دودکش خورشیدی برای ظرفیتهای مختلف تولید برق ذکر شده است.
نباید از نظر دور داشت که با افزایش قیمت سوختهای فسیلی معادلات به نفع فناوریهای مرتبط با انرژیهای تجدید‌پذیر تغییر خواهد کرد. در ثانی در کشورهایی که دستمزد نیروی کار پایین است، هزینه تولید برق با این روش کاهش خواهد یافت چون تقریباً نیمی از هزینه ساخت یک چنین نیروگاهی مربوط به هزینه ساخت کلکتور می‌شود که با کارگران ارزان و نسبتاً غیرماهر می‌توان براحتی آن را ساخت.

نتیجه‌گیری:
با توجه به اجرایی شدن معاهده زیست‌محیطی کیوتو پس از پیوستن روسیه و عضویت ایران در این معاهده، بنظر می‌رسد که باید به دنبال راههایی جهت کاستن از میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای بود.
یکی از بهترین روشها جهت حصول به این هدف، استفاده از انرژیهای تجدید‌پذیر است و در این راستا برای کشورهای در حال توسعه میتوان فناوری «دودکش خورشیدی» را معرفی کرد. این معرفی از آن جهت است که قسمت عمده کار با نیروی نسبتاً غیرماهر قابل انجام است و این سیستم قادر است بدون نیاز به تعمیر و نگهداری خاص برای مدت مدیدی برق تولید کند و مناسب برای کشورهایی است که میزان تابش خورشید در آنها زیاد است. بعلاوه نباید رشد بالای تقاضا برای برق در کشوری مانند ایران را نیز از یاد برد.
در ضمن می‌توان اینگونه طرحها را با استفاده از اعتبارات تعیین شده در معاهده کیوتو که اصطلاحاً CDM
(Clean Development Mechanism)
خوانده می‌شوند و حتی اعتبارات دیگر سازمانهای بین‌المللی پیگیری کرد چون بسیاری از سازمانها و کشورها حاضرند جهت استفاده از نتایج و نیز توسعه اینگونه فناوریها،‌کمکهایی را به کشورهای داوطلب اعطا کنند.

منبع  : سایت توانیر

معرفي نيروگاه هاي برق خورشيدي


امروزه بدلایل بسیاری نیروگاههای برق خورشیدی Solar Power Units مورد استفاده قرار میگیرند. در حال حاضر استفاده از نیروگاههای برق خورشیدی بخصوص در مكانهایی كه از شبكه برق سراسری فاصله دارند، مطمئن ترین و اقتصادی ترین منبع تولید الكتریسیته محسوب میگردند.
نیروگاههای برق خورشیدی عموما در دو گروه اصلی طبقه بندی میشوند:

1 – نیروگاههای حرارتی برق خورشیدی Power Units Solar Thermal
2 – نیروگاههای فتوولتائیك Units Photovoltaic power



در نیروگاههای حرارتی برق خورشیدی حرارت ناشی از تمركز نور خورشید توسط یك متمركز كننده مركزی ، معمولا آیینه های پارابولیك ، موجب افزایش درجه حرارت سیال (معمولا روغن) می شود كه انتقال حرارت این سیال در مجاورت آب موجب تولید بخار آب و نهایتا راه اندازی توربینهای بخار میگردد كه در این قسمت تفاوت چندانی با نیروگاههای سوخت فسیلی ندارند در نیروگاههای فتوولتائیك، نور خورشید مستقیما به برق تبدیل شده و بدون نیاز به تجهیزات مكانیكی برق استحصال میگردد. ماهیت برق تولیدی در این نیروگاهها برق مستقیم میباشد كه این برق با استفاده از تجهیزات الكترونیكی به برق منتاوب تبدیل میشود.

یكی از مزایای عمده نیروگاههای برق خورشیدی فتوولتائیك عدم استفاده از تجهیزات مكانیكی در این نیروگاهها میباشد عدم استفاده از این ادوات باعث از بین رفتن تعمیرات دوره ای و در نتیجه كاهش هزینه های بهره برداری در این نیروگاهها است.
در نیروگاههای برق خورشیدی برای بالا بردن ضریب اطمینان، با توجه به میزان مصرف و توان نیروگاه، باتریخانه (Battery Bank) مناسبی طراحی میگردد وظیفه این مجموعه تضمین كاركرد سیستم در طول شب و در روزهای ابری است نیروگاههای برق خورشیدی قابلیت اتصال بصورت موازی با شبكه برق سراسری یا دیگر منابع تولید انرژی نظیر ژنراتورها را دارند. این مجموعه را اصطلاحا سیستم تركیب شده یا Hybrid Systems مینامند.
درحالت هیبرید شدن با ژنراتور با استفاده از كنترلرهای خاص به محض اینكه جریان الكتریسیته یك منبع به هر علتی قطع گردد ، منبع دیگربطور اتوماتیك در مدار قرار گرفته ومانع قطع جریان میگردد. بدین ترتیب تركیب كاملا مطمئنی برای تامین انرژی الكتریكی دراختیار خواهد بود. درحالت اتصال به شبكه برق سراسری یا Grid Connected Systems، نیروگاههای برق خورشیدی می توانند در طول روز برق مازاد خود را به شبكه منتقل نموده و در شب از شبكه برق دریافت دارند. در ادامه نقشه شماتیك انواع نیروگاههای خورشیدی و تركیب نیروگاههای خورشیدی با سایر منابع تولید برق آورده شده است.

منبع : http://www.omidsamehsolar.ir

انرژي خورشيدي

انرژي خورشيد يکي از منابع تامين انرژي رايگان، پاك و عاري از اثرات مخرب زيست محيطي است که از دير باز به روش‌هاي گوناگون مورد استفاده بشر قرار گرفته است. بحران انرژي در سال‌هاي اخير، کشورهاي جهان را بر آن داشته که با مسائل مربوط به انرژي، برخوردي متفاوت نمايند که در اين ميان جاي‌گزيني انرژي‌هاي فسيلي با انرژي‌هاي تجديدپذير و از جمله انرژي خورشيدي به منظور کاهش و صرفه‌جويي در مصرف انرژي، کنترل عرضه و تقاضاي انرژي و کاهش انتشار گازهاي آلاينده با استقبال فراواني روبرو شده است.

به طور متوسط خورشيد در هر ثانيه 1020*1.1 كيلووات ساعت انرژي ساطع مي‌كند. از كل انرژي منتشر شده توسط خورشيد، تنها در حدود 47% آن به سطح زمين مي‌رسد. اين بدان معني است كه زمين در هر ساعت تابشي در حدود 60 ميليون Btu دريافت مي‌کند.


يعني انرژي ناشي از سه روز تابش خورشيد به زمين ‌برابر با تمام ‌انرژي ناشي از احتراق كل سوخت‌‌هاي ‌فسيلي در دل زمين است و بنابراين مي‌توان نتيجه گرفت كه در اثر تابش خورشيد به مدت چهل روز، مي‌توان انرژي مورد نياز يک قرن را ذخيره نمود.
بنابراين با به كارگيري كلكتورهاي خورشيدي مي‌توان تا حدودي از اين منبع انرژي بي‌پايان، پاك و رايگان استفاده كرد و تا حد بسيار زيادي در مصرف سوخت‌هاي فسيلي صرفه جويي نمود



موقعيت كشور ايران از نظرميزان دريافت انرژي خورشيدي
كشور ايران در بين مدارهاي 25 تا 40 درجه عرض شمالي قرار گرفته است و در منطقه‌اي واقع شده كه به لحاظ دريافت انرژي خورشيدي در بين نقاط جهان در بالاترين رده‌ها قرار دارد. ميزان تابش خورشيدي در ايران بين 1800 تا 2200 كيلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمين زده شده است كه البته بالاتر از ميزان متوسط جهاني است. در ايران به طور متوسط ساليانه بيش از 280 روزآفتابي گزارش شده است كه بسيار قابل توجه است.


ويژگي‌هاي استفاده از انرژي خورشيدي
پاك و بدون آلودگي (حذف انتشار گازهاي گلخانه‌اي از جمله دي‌اكسيد كربن)
بي‌پايان
رايگان و دردسترس
كاهش مصرف سوخت‌هاي فسيلي
امن و بي‌خطر


كاربرد انرژي خورشيديبه طور كلي موارد استفاده از انرژي خورشيد به صورت زير دسته‌بندي مي‌شود:
تامين روشنايي از انرژي خورشيدي 1)
تامين انرژي الكتريسيته 2)
توليد برق با استفاده از فوتوولتاييك‌ها
توليد برق با استفاده از گرمايش خورشيدي

سرمايش و گرمايش هوا 3)
اجاق ها 4)
آب شيرين كن 5)
گرمايش آب 6)
تهيه آب‌گرم مورد نياز مصارف خانگي با استفاده از آبگرمكن‌هاي خورشيدي
تامين آبگرم در فرايندهاي صنعتي و تامين گرماي مورد نياز برخي فرايندها
گرمايش استخرها
مخازن ذخيره آب فصلي

كاربرد انرژي خورشيدياستفاده از گرمايش خورشيدي براي تامين آبگرم مصرفي در ايران از طريق راه اندازي دو نوع سيستم صورت گرفته است:
آبگرمكن‌هاي خانگي خورشيدي (Domestic Solar Water Heaters)
آبگرمكن‌هاي عمومي خورشيدي(Solar Bath water heater)