English
چگونه انرژی خورشیدی کار می کند

ترجمه هاله توابی

از زمانیکه کره زمین به دور خورشید می چرخیده همواره انرژی خورشیدی وجود داشته است. برای مدت طولانی از قرن هفتم قبل از میلاد، زمانیکه از شیشه به عنوان ذره بین استفاده می شد، انسان تلاش می کرده از این انرژی بهره ببرد. در این عصر با پیشرفت تکنولوژی الکتریسیته، نور و گرما در اختیار بشر قرار گرفته است ولی نکته مورد اهمیت این است که ما برای سود خود بهتر است از تابش سخاوتمندانه خورشید بهره برداری کنیم.


چه تفاوتی بین انرژی خورشیدی و نیروی خورشیدی است؟

خیلی مواقع از واژه انرژی خورشیدی بعنوان مترادفی برای نیروی خورشیدی استفاده می شود. نیروی خورشیدی نیرویی است که از خورشید به برق تبدیل می شود. این تبدیل به دو صورت روی می دهد: صورت اول، گرما ی خوزشید به مایع منتقل و با تولید بخار و انتثال نیرو به ژنراتورها حرکت ایجاد می شود و صورت دوم، از طریق فتو ولتاییک است . ابتدا می خواهیم بدانیم چگونه از حجم فراوان و آزاد انرژی خورشیدی استفاده کنیم. اما قبل از آن می پردازیم به مسائل اصلی.

انرژی خورشیدی چیست؟

پاسخ کوتاه: نور و گرما توسط خورشید بدست می آید. پاسخ کامل تر: نور خورشید پس از عبور از حدود 150 میلیون کیلومتر و گذشتن از لایه های متعدد اتمسفر زمین و (ابر، آلودگی، خاک و دیگر ذرات) حدود نیمی از انرژی خود را به جذب زمین و اقیانوسها می رساند و نیمی دیگر دوباره به فضا منعکس و برگردانده می شود. انرژی که در اقیانوسها، سطح زمین و گیاهان جذب شده: در اقیانوسها تولید گرما و جریان آب ، در هوا حرکت باد ایجاد می کند. درسطح زمین، حاصل این فرایند گرمایی عمل فتوسنتز فتوسنتز گیاهان است.
خورشید ستاره منظومه شمسی و یکی از بزرگترین ستاره ها اطراف نزدیک کهکشان راه شیری است. منبع انرژی خورشید در هسته آن است. جایی که هیدروژن با واکنش های گرما هسته ای به هلیم تبدیل می شود. این انرژی به دو صورت نور و گرما به زمین می رسد.

بنا به گفته وزارت نیرو ایلات متحده امریکا در هر ساعت، انرژی نور خورشیدی به اندازه تامین کل نیاز انرزی دنیا به مدت یکسال، می باشد.

مقدار انرژی سالانه که از خورشید به زمین می رسد. 18 10×4 ژول است.

1018×4 ژول / سال ÷ 365 روز/ سال1016×1= ژول/ روز

1016×1ژول / روز÷24 ساعت / روز 1014×4 ژول/ ساعت

مقدار انرژی که سالانه توسط جمعیت کره زمین مصرف می شود حدود 1014×3 ژول است.

سرعت انرژی نور از خورشید تا زمین

زمین سومین سیاره نزدیک به خورشید و حدود 150 میلیون کیلومتری آن است. اگر شما یک توپ بیس بال را با سرعت 160 کیلومتر در ساعت به سمت خورشیند پرتاب کنید، حدود 100 سال طول می کشد تا به هدف برسد. از سوی دیگر، نور تنها 2/1 8 دقیقه زمان می برد تا مسافت بین زمین و خورشید را طی کند.

پرتاب یک توپ بیس بال با سرعت 160 کیلومتر در ساعت به طرف خورشید

150000000 ÷160 ک م/ساعت =937500 ساعت برای رسیدن به خورشید:

937500 ساعت÷24 ساعت/روز =39050 روز برای رسیدن به خورشید

39050÷365 روز هر سال = 106 سال برای رسیدن به خورشید


حرکت نور به زمین

سرعت نور برابر است با 18 میلیون ک م در دقیقه.
150000000 مایل÷ 937500 ک م/دقیقه =8.45 دقیقه برای رسیدن از خورشید به زمین.
برای آسان شدن این محاسبات اعداد خرد حذف شده اند!

مطالعات بیشتر:

قانون نگهداری انرژی:

  • انرزی می تواند تنها از یک فرم به فرم دیگر در آید.
  • انرژی نمی تواند خلق یا نابود گردد.

انرژی خورشیدی از خورشید بدست می آید. خورشید یک توپ بزرگ گرم و نورانی است که از گرمای آن هسته ای است در پی واکنش های اتمی، انرژی آزاد شده و به سطح خورشید فرستاده می شود. این انرژی در طول مسیر از هسته به سطح، تغییراتی پیدا می کند و سر انجام به صورت نور در سطح خورشید ظاهرمی شود. دو صورت اصلی انرژی خورشیدی که به زمین می رسند گرما و نور هستند.

انرژی خورشیدی معمولا انرژی جایگزین نامیده می شود که می تواند جایگزین سوخت های فسیلی مانند نفت و زغال سنگ شود.

یک نمونه برای استفاده از انزژی خورشیدی، سیستم گرم کننده آب است. کلکتور گرما را جذب می کند. گرما به لوله های کلکتور منتقل و آب با گذشتن از این لوله ها گرم می شود. آب گرم بدست آمده از گرمای خورشید سپس می تواند به مصارف حمام، نظافت یا گرم کردن خانه برسد.


ما همچنین از انرژی گرمایی خورشید بطور مستقیم استفاده میکنیم. این کار با طراحی های خاص قرار گرفتن پنجره ها در خانه ها و آسمان خراشها رو به خورشید میسر می گردد. این کاربری نیز گرمای قابل توجه و دلچسبی را در زمستان به


انرژی از یک فرم به فرم دیگری منتقل می شود.

برای بهتر متوجه شدن این موضوع به بررسی کار ماشینی می پردازیم که مستقیما از طریق دریافت انرژی خورشید کار می کند.

  • انرژی خورشیدی به فتو ولتاییک تابیده و به الکتریسیته تبدیل می شود.
  • الکتریسیته از طریق سیم های مدار به موتور منتقل می شود.
  • موتور انرژی الکتریسیته را به انرژی مکانیکی تبدیل و جعبه دنده را به گردش در می آورد که سبب حرکت چرخها می شود.
  • چرخها به گردش در آمده و وسیله مکانیکی با بهره گیری از تبدیل انرژی مکانیکی حرکت ایجاد می کند.


تبدیل انرژی مطلوب نیست....

نمونه بالا ایده آلیستیک است زیرا همه سیستم های ما در واقع مقداری انرژی از دست می دهند.
در یک بررسی ساده انرژی های از دست داده شامل:

  • اصطکاک الکترون هایی که از سیم ها عبور می کنند. آنها بصورت گرما هستند.
  • اصطکاک جعبه دنده و چرخها بر روی زمین. اینها بصورت گرما یا صدا هستند.

همواره با مقدار خارج شدن آن برابر است.

مطالعات بیشتر

انرژی خورشیدی بیش از هزاران سال توسط بشر استفاده شده. برای مثال، در تمدن باستانی از خورشید برای روشن کردن آتش و گرم کردن خود استفاده می کرده اند. آنها همچنین با طراحی صحیح از این انرژی، خانه های خود را گرم نگه می داشتند. طراحی خانه ها به شکلی بود که دیوارها و کف در طول روز انرژی خورشید را جذب و شب هنگام آن را آزاد می ساخت و بدین ترتیب آنها را گرم نگه می داشت. وقتی شما برای گرم کردن خود زیر نور آفتاب ایستاده اید شما هم از انرژی گرمابی خورشیدی استفاده کرده اید.

کشف فتوولتاییک در سال 1839 وقتی روی داد که فیزیک دان فرانسوی، ادموند بکوئرل فعالیت های فتوولتاییک را نمایش داد. ادموند متوجه شده بود که جریان الکتریسیته در مواد بخصوصی در اثر تابش نور می تواند افزایش پیدا کند. اما، 66 سال پیش، در سال 1905، وقتی آلبرت انیشتین فیزیک دان معروف بوضوح اثرات فتوالکتریک، اصولی که فتوولتاییک بر آن استوار است را شرح داد، متوجه کار ادموند شدیم. در سال 1921 انیشتین برای طرح تئوری خود در باره قتوولتاییک، جایزه صلح نوبل را از آن خود کرد.

از اواسط سال 1950 وقتی که آزمایشگاههای AT&T اولین کلکتورهای سیلیکن با کیفیت 6% را تولید کردند این صورت از انرژی عملا مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1960 هافمن الکترونیک کارآرایی کلکتورهای تجاری را به 14% افزایش داد و امروزه محققان کلکتورهایی با بیش از 20% کارآیی را تولید کرده اند. 20% درصد کارآیی یعنی از کل انرژی که به سطح کلکتور می تابد، حدود 20% آن تبدیل به الکتریسیته قابل استفاده می شود.

اولین کلکتورهای فتوولتاییک درازمدت در سیستم های ماهواره بکار گرفته شد. در سال 1958 ونگارد Iبه فضا پرتاب شد. این اولین مدار پیما بود که بوسیله انرژی خورشیدی حرکت می کرد. کلکتورهای سیلیکن فتوولتاییک انرژی الکتریسیته ماهواره را تا سال 1964 قبل از آنکه از کار انداخته شوند، تامین می کردند. سیستم انرژی خورشیدی آنقدر موفقیت آمیز بود که فتوولتاییک ها از آن هنگام همواره در برنامه های فضایی بکار برده شدند. خورشید تولید کننده تمام نشدنی و پاکیزه انرژی سیستم های ماهواره ای است و تقاضا برای کلکتورهای خورشیدی در نتیجه انقلاب در صنعت مخابرات و نیاز به بیشتر به ماهواره ها دائما در حال افزایش است.

مشکلات حاد انرژی و تحریم های نفتی سال 1970 بسیاری از کشورها را متوجه وابستگی آنان به منابع انرژی غیر قابل تجدید کرد و این امر موجب شد که با همت بیشتری به دنبال کشف منابع کمکی انرژی شوند. این موضوع شامل تحقیقات بیشتر در مورد منابع انرژی تجدید پذیر مانند انرژی خورشید، انرژی باد و انرژی زمین گرمایی شد.

دکتر الیوت برمن با طراحی تازه اش هزینه کلکتور رااز هر وات 100 دلار به هر وات 20 دلار کاهش داد و این یک تحول اقتصادی در سال 1970 بوجود آورد.

این صرفه جویی عظیم در هزینه، کاربری های دیگری را که تا آن موقع که به علت گران تمام شدن قابل طرح نبود را وارد میدان کرد. این کاربری ها شامل: راه آهن، نور خانه ها، چاههای نفتی فلات قاره و خانه های دور افتاده است. برای برخی کشورها و متقاضیان، انرژی خورشیدی امروزه به عنوان اولین منبع انرژی به حساب می آید و نه یک انرژی کمکی.

ریشه کلمه سولار (خورشیدی) از کلمه رومی برای خدای خورشید، سول (sol)گرفته شده. بنابراین کلمه سولار به خورشید و انرژی خورشیدی به انرژی آمده از خورشید مربوط می شود.

وقتی می گوییم وسیله ای با انرژی خورشید است یعنی انرژی که به دستگاه نیرو می دهد مستقیم ازانرژی خورشید و یا نور خورشید گرقته می شود.

خورشید زمین را با دو نوع اصلی انرژی ،گرما و نور تغذیه می کند. بعضی از سیستم های انرژی خورشیدی از انرژی گرمایی برای تولید گرما استفاده می کنند در حالیکه بعضی دیگر نور خورشید را به انرژی الکتریکی (الکتریسیته) تبدیل می کنند.

امروزه انرژی خورشیدی کاربرد های عملی بسیاری دارد. خانه های خورشیدی طراحی شده اند برای استفاده از انرژی گرمایی. در این خانه ها با ساختن پنجره های شیب دار که رو به جنوب کار گذاشته می شوند انرژی گرمایی خورشید که به خانه می تابد را می توان کنترل کرد. در زمستان هنگامی که خورشید مایل می تابد، نور آن از پنجره های شیب دار وارد خانه شده و گرما و نورآن را تامین می کند

برخی از اتومبیل ها با نیروی خورشیدی حرکت می کنند. بعضی از کلکتور های فتوولتاییک به عنوان منبع مستقیم نیرواستفاده می کنند که انرژی نور را به الکتریسیته مبدل ونیروی محرکه ماشین را تامین می کند. چون این ماشین ها وقتی خورشید نیست نمی توانند حرکت کنند بهتر است اتومبیل خود را به باطری ها یی مجهز کنند که با انرژی خورشید شارژ می شوند.


در کشورها و نقاطی که منابع انرژی متداول موجود نیست، مجهز کردن خانه ها به انرژی خورشیدی بسیار اقتصادی است. برای این افراد انرژی خورشیدی یک انرژی کمکی به حساب نمی آید بلکه منبع اصلی است.

کلکتور های فتو ولتاییک انرژی نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. "صفحات پی وی" نام معمول برای کلکتور فتوولتاییک است. ترجمه فتوولتاییک به طور عامیانه "نور-الکتریسیته" است.

فتوولتاییک یعنی "نور-الکتریسیته". این ترکیب تشکیل شده از فتو که یعنی نور و ولتیک که یعنی جریان الکتریکی یا الکتریسیته.

صفحات پی وی (solar panels) ازقطعات کوچکتری به نام پنجره های خورشیدی (solar cells)ساخته شده اند. پنجره های خورشیدی، مانند باطری ها، هر کدام دارای ولتاژ(V) مشخص و آمپراژ (A) هستند. حاصل ضرب ولتاز در آمپراژ کل نیرو بر حسب وات(W) را می دهد.
ولت×آمپر=وات
V x A = W
باطری ها را می توان به شکل موازی یا سری بر حسب نیاز دستگاه به نیروی مشخص چید.

باطری ها به شکل موازی

در باطری های موازی آمپراژ جمع شونده(additive) و ولتاژ ثابت (constant)است. اگر باطری های ما هر یک 1.5 ولت و 1.8 آمپر هستند، پس:

A total = A1 + A2
A total = 1.8 A + 1.8 A = 3.6 A and
Power = 1.5 V x 3.6 A = 5.4 Watts


باطری ها به شکل سري

در باطری های عمودی ولتاز جمع شونده و آمپراژ ثابت است.

V total = V1 + V2
V total = 1.5 V + 1.5 V = 3.0 V and
Power = = 2.25 V x 1.8 A = 4.05 Watts


اگر بخواهیم نیروی کافی برای یک رادیوی 6 ولتی فراهم کنیم چند باطری لازم است و چگونه باید آنها را چید؟
پنجره ها یا صفحات خورشیدی به صورت موازی
در ترتیب عمودی آمپراژ جمع شدنی و ولتاژ ثابت است. اگر پنجره های ما هر یک 0.5 ولت و 0.5 آمپر باشد، پس:

A total = A1 + A2
A total = 0.1 A + 0.1 A = 0.2 A and
Power = 0.5 V x 0.2 A = 0.1 Watts


پنجره ها یا صفحات خورشیدی به صورت سري
در ترتیب عمودی ولتاژ جمع شدنی و آمپراژ ثابت است.

V total = V1 + V2
V total = 0.5 V + 0.5 V = 1.0 V and
Power = 1.0 V x 0.1 A = 0.1 watts


پنجره های خورشیدی بهم متصل و کنار هم در یک کلکتور چیده می شوند. برخی ازاندازه های استاندارد کلکتور ها 12 ولت در 24 ولت هستند.
برای ساختن یک کلکتور 12 ولتی به چند پنجره نیاز است و چگونه باید آنها را بهم متصل کرد؟
اگر شما دو کلکتور که هر کدام 12 ولت باشند داشته باشید، چند تا از آنها لازم دارید و چگونه آنها را متصل می کنید تا یک سیستم 24 ولتی بدست بیاورید؟
واژه گان" کلکتور خورشیدی" و" کلکتور فتوولتاییک" برای توصیف در دستگاه مختلف بکار می روند. به این صورت: کلکتور خورشیدی انرژی گرمایی خورشید را جذب و بکار می برد.
کلکتور فتوولتاییک انرژی نور را به انرژی الکتریکی منتقل می کند.



پنجره های خورشیدی دستگاه هایی هستند که انرژی نور را مستقیم به الکتریسیته منتقل می کنند و با تاثیر فتوولتاییک عمل می کنند. فتو یعنی نور و ولتاییک یعنی جریان الکتریکی یا الکتریسیته (نور-الکتریسیته). یک پنجره خورشیدی جریان مستقیم الکتریسته دی سی (DC) که می تواند موتورهای دی سی، لامپ ها و سایر وسایل را بکار بیندازد، را فراهم می کند. پنجره های خورشیدی همچنین می توانند باطری های قابل شارژ را شارژ کنند و بنابر این نیروی الکتریسیته را می توان برای زمانی که خورشید در دسترس نیست ذخیره کرد. این باطری های شارژ شده قابل حمل هستند و در همه جا و هر زمان می توانند قابل استفاده قرار گیرند.

پنجره های خورشیدی الکتریسیته دی سی را همانند باطری ها تهیه می کنند، گر چه باطری ها متفاوت عمل می کنند. عمکرد باطری ها بوسیله واکنش های الکتروشیمی است. این عمل بوسیله یک واکنش شیمیایی که درون باطری رخ می- دهد، جریان الکتریکی بوجود می آورد. وقتی شما یک دستگاه را به باطری وصل می کنید، عملیات آغاز می شود و الکترون ها به جریان می افتند که " گردش باطری" نامیده می شود. جریان مستقیم دی سی DC با جریان جایگزین ای سی ACکه در مصرف لوازم خانگی مانند یخچال، تلویزیون و دیگر وسایل استفاده می شود، متفاوت است اما بهرحال، دی سی DC می تواند در موقع نیاز به ای سی ACتبدیل شود.

پنجره های خورشیدی از نور، الکتریسیته دی سی تهیه می کنند. نور خورشید شامل ذرات انرژی است که فتون نامیده می شود و می تواند به انرژی الکتریسیته تبدیل شود. شما نمی توانید فتون ها را ببینید اما آنها به پنجره های خورشیدی تابیده و الکترون های آزاد تولید می کنند که درون سیم ها حرکت کرده و باعث جریان الکتریکی می شوند. در تصویر این جریان نشان داده شده: " گردش (مدار) کلکتور خورشیدی" . جریان الکتریکی، نیروی الکتریسیته است که نیروی گردش موتور را تامین می کند. اگرچه شما فتون ها را نمی بینید ولی نور را می بینید و می توانید تصور کنید که میزان تابش نور به کلکتورهای خورشیدی شما رابطه مستقیم با میزان فتونی که به آن تابیده می شود، دارد. هر چه میزان نور بیشتر است میزان فتون هایی که وارد کلکتورهای خورشیدی می شوند بیشتر و بنابراین نیروی حاصله بیشر است.

گردش مدار کلکتور خورشیدی


کلکتورهای خورشیدی انرژی گرما را از خورشید جذب می کنند. ما این گرما را انرژی گرمایی خورشیدی می نامیم. مثال ساده از یک کلکتور مانند یک جعبه است با دری شفاف مانند یک شیشه یا پلاستیک.


خورشید به شیشه می تابد و درون جعبه را گرم می کند. این نوع گرما مانند گرمایی که وارد یک ماشین پارک شده زیر نور آفتاب است. در بعضی مواقع درون جعبه را سیاه می کنند تا نور بیشتری جذب کند. گرمایی که درون جعبه جمع شده سپس می تواند به مصارف مختلفی برسد. بیشترین استفاده معمول از کلکتور های خورشیدی گرم کردن هوا و آب است.

سیستمی که از انرژی گرمایی خورشید برای گرم کردن هوا بکار می رود پیچیده نیست. یک در شیشه ای به جعبه نصب می شود. جعبه یک لوله وارد کننده هوای خنک دارد. هوای خنک می تواند بوسیله یک پروانه fan به درون جعبه فشرده شود. هوای خنک میان لوله وروی حرکت می کند. درون جعبه هوا در اثرانرژی خورشیدی که از تابش خورشید ناشی شده، گرم می شود. هر چه هوای خنک بیشتری به داخل جعبه وارد می شود، هوای گرم از طرف دیگر جعبه بوسیله لوله خروجی خارج می شود. این هوای گرم حالا می تواند فضایی مانند خانه شما را گرم کند. چندین سیستم بزرگ با استفاده از کلکتورهای خورشیدی روی سقف خانه نصب و یک اتاق را گرما می دهند. این هوای گرم در اتاق حالا بوسیله پنکه به دیگر نقاط خانه فرستاده و همه فضا را گرما می بخشد.


کلکتور هایی که برای گرم کردن آب طراحی می شوند بسیار شبیه به سیستم اولی گرمای هوا هستند. در یک مثال ساده، یک لوله در میان جعبه نصب می شود.
تابش خورشید هوای جعبه را گرم می کند. این گرما به لوله ها منتقل می شود و همینطور گرمای لوله ها به آب انتقال می شود. همزمان با وارد شدن آب گرم از طریق لوله ورودی به داخل جعبه، آب گرم از سوی دیگر توسط لوله خروجی خارج می شود. حالا ما می توانیم از این آب گرم برای حمام کردن یا دوش گرفتن استفاده کنیم.
این تصاویر تنها نمایش ساده ای از عملکرد ابتدایی این سیستم است. اما در عمل، آب درون کلکتور خورشیدی و گرم کننده های هوا می توانند بسیار پیچیده شوند.