انرژی حرارتی خورشیدی

انرژی حرارتی خورشیدی ، فناوری است، که برای بهره‌برداری از انرژی حرارتی (گرما) حاصل از انرژی خورشیدی بکار برده می‌شود.
تامین‌کننده‌های انرژی حرارتی خورشیدی توسط اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده آمریکا در سه دسته؛ دمای پایین، متوسط و بالا طبقه‌بندی می‌شوند. در دمای پایین به‌طور کلی از صفحات مسطح، در مناطق مسکونی استفاده می‌شود. در بخش دمای متوسط نیز از صفحات صاف استفاده شده، ولی در تعداد بالا، برای گرم کردن آب یا هوا، در مناطق تجاری و اداری، بهره‌برداری می‌گردد. در دمای بالا از تمرکز نور خورشید با استفاده از آینه و لنز در جهت تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرد.
فرایند فتوولتاییک، نیز انرژی خورشیدی را بطور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می‌نماید. در ماه اکتبر سال ۲۰۰۹ کارخانجات، ژنراتورها و نیروگاه‌های سرتاسر جهان، تنها ۶۰۰ مگاوات از برق موردنیاز را از طریق انرژی خورشیدی گرمایی تامین می‌نمایند.
استفاده از انرژی خورشیدی گرمایی
انرژی حرارتی خورشیدی از نظر نوع استفاده و بهره‌برداری که از آن می‌شود، به سه دسته تقسیم می‌گردد، که عبارتست از:
کاربردهای صنعتی
کاربردهای نیمه‌صنعتی
کاربردهای خانگی
کاربردهای صنعتی
یک بندانگشتی
بندانگشتی
تاسیساتی که با استفاده از آن‌ها انرژی جذب شده حرارتی خورشید، به الکتریسیته تبدیل می‌شود، نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می‌شود. این تاسیسات بر اساس انواع متمرکزکننده‌های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکزکننده‌ها، به سه دسته تقسیم می‌شوند:
نیروگاه‌هایی که گیرنده آن‌ها آینه‌های سهموی ناودانی هستند.
نیروگاه‌هایی که گیرنده آن‌ها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه‌های بزرگی به نام هلیوستات، به آن منعکس می‌شود. (دریافت‌کننده مرکزی)
نیروگاه‌هایی که گیرنده آن‌ها بشقابی سهموی یا دیش می‌باشد.
در هر نیروگاهی اعم از نیروگاه‌های آبی، نیروگاه‌های بخاری و نیروگاه‌های گازی، برای تولید برق از ژنراتورهای الکتریکی استفاده می‌شود، که با چرخیدن این ژنراتورها برق تولید می‌شود. این ژنراتورهای الکتریکی، انرژی دورانی خود را، از دستگاهی به نام توربین تامین می‌کنند. بدین ترتیب می‌توان گفت که ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. تامین‌کننده انرژی جنبشی ژنراتورها، توربین‌ها هستند. توربین‌ها انواع مختلف دارند، در نیروگاه‌های بخاری توربین‌هایی وجود دارند، که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آن‌ها شده و موجب به گردش در آمدن پره‌های توربین می‌گردد. در نیروگاه‌های آبی که روی سدها نصب می‌شوند، انرژی پتانسیل موجود در آب، موجب به گردش در آمدن پره‌های توربین می‌شود.
بدین ترتیب می‌توان گفت در نیروگاه‌های آبی انرژی پتانسیل آب، به انرژی جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می‌شود، در نیروگاه‌های حرارتی بر اثر سوختن سوخت‌های فسیلی مانند مازوت، آب موجود در سیستم بسته نیروگاه، داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل می‌شود و بدین ترتیب انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می‌شود.
در نیروگاه‌های گازی، توربین‌هایی وجود دارد، که بطور مستقیم بر اثر سوختن گاز، به حرکت درآمده و ژنراتور را می‌گرداند و انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می‌شود. اما در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی، وظیفه اصلی بخش‌های خورشیدی، تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربین‌ها است، یا به عبارت دیگر می‌توان گفت؛ که این نوع نیروگاه‌ها شامل دو قسمت هستند:
سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می‌نماید.
سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاه‌های حرارتی، بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می‌کند.
نوع سهموی خطی
در این نیروگاه‌ها، از منعکس‌کننده‌هایی که به صورت سهموی خطی می‌باشند، جهت تمرکز پرتوهای خورشید، در خط کانونی آن‌ها استفاده می‌شود و گیرنده به صورت لوله‌ای در خط کانونی منعکس‌کننده‌ها قرار دارد. در داخل این لوله، روغن مخصوصی در جریان است، که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید، گرم و داغ می‌گردد.
روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاههای حرارتی انتقال داده می‌شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد.
برای بهره‌گیری بیشتر و افزایش بازدهی لوله دریافت‌کننده سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد پوشش می‌دهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشه‌ای به صورت لفاف پوشیده می‌شود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری گردد و نیز از لوله دریافت‌کننده محافظت به عمل آید. ضمنا بین این دو لوله خلاء بوجود می‌آوردند برای آنکه پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت‌کننده برسد.
در این نیروگاه‌ها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد، که بوسیله آن آینه‌های شلجمی دائما خورشید را دنبال می‌کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت‌کننده، متمرکز می‌نمایند. تغییرات تابش خورشید در این نیروگاه‌ها توسط منبع ذخیره و گرم‌کن سوخت فسیلی، جبران می‌شوند.
نوع دریافت‌کننده مرکزی
بندانگشتی
در نیروگاه‌های پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه‌ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس‌کننده، به نام هلیوستات، بر روی یک دریافت‌کننده، که در بالای برج نسبتا بلندی استقرار یافته‌است، متمرکز می‌گردد.
در نتیجه روی محل تمرکز پرتوها، انرژی گرمایی زیادی بدست می‌آید، که این انرژی بوسیله سیال عامل که داخل دریافت‌کننده در حرکت است، جذب می‌شود و بوسیله مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاه‌های سنتی، منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده، برای استفاده در توربین ژنراتور، تولید می‌گردد.
این سیال عامل در مبدل‌های حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن، به بخار با فشار و حرارت بالا می‌گردد. در برخی از سیستم‌ها، سیال عامل، آب است و مستقیما در داخل دریافت‌کننده، به بخار تبدیل می‌شود.
برای استفاده دائمی از این نوع نیروگاه، در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد، مثلا ساعات ابری یا شب‌ها، از سیستم‌های ذخیره‌کننده حرارت یا احیانا از تجهیزات پشتیبانی، که ممکن است از سوخت فسیلی استفاده کنند، جهت ایجاد بخار برای تولید برق، کمک گرفته می‌شود.
مطالعات و تحقیقات در زمینه فناوری و سیستم‌های این نیروگاه‌ها ادامه دارد و آزمایشگاه‌ها و موسسات متعددی در سراسر دنیا، در این زمینه فعالیت می‌کنند.
نوع بشقابی
در این نیروگاه‌ها از منعکس‌کننده‌هایی که به صورت شلجمی بشقابی می‌باشد، جهت تمرکز نقطه‌ای پرتوهای خورشیدی استفاده می‌گردد و گیرنده‌هایی که در کانون شلجمی قرار می‌گیرند، به کمک سیال جاری در آن، انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور، آن را به نوع مکانیکی و الکتریکی تبدیل می‌نماید.
دودکش‌های خورشیدی
نخستین برج مکشی خورشیدی ساخته شده در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید
روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از برج نیرو یا دودکش‌های خورشیدی می‌باشد. در این سیستم، از خاصیت دودکش‌ها استفاده می‌شود، به این صورت که با استفاده از یک برج بلند، به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانه‌های خورشیدی، که در اطراف آن است، هوای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدی در یک گرم‌خانه تولید می‌شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه‌ها قرار دارد، هدایت می‌شود.
این هوای گرم، به‌علت ارتفاع زیاد برج، با سرعت زیاد صعود کرده و باعث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده‌است، می‌گردد و بوسیله این ژنراتور برق تولید می‌شود. هم‌اکنون یک نمونه از این سیستم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر می‌رسد.
نوع عدسی‌های فرزنل
در نسل جدید تامین‌کننده‌های انرژی خورشیدی گرمایی، از عدسی فرنل برای متمرکز کردن انرژی خورشیدی، به منظور تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. یکی از مهم‌ترین دلایل استفاده از این نوع عدسی‌ها، ارزان بودن قیمت لنز نسبت به آینه می‌باشد.
کاربردهای نیمه‌صنعتی
کوره خورشیدی
در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد.
بسمر، که به پدر فولاد جهان مشهور می‌باشد نیز، حرارت مورد نیاز کوره ذوب فولاد خود را از انرژی خورشیدی تامین می‌کرد. متداول‌ترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه یکی تخت و دیگری کروی می‌باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می‌شود. طبق قوانین اپتیک هرگاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید، در محل کانون متمرکز می‌شوند، به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می‌شود، که این نقطه به دماهای بالایی می‌رسد. امروزه پروژه‌های متعددی در زمینه کوره‌های خورشید در سراسر جهان در حال طراحی و اجرا می‌باشد.
خشک‌کن خورشیدی
خشک کردن مواد غذایی برای نگهداری آنها، از زمان‌های بسیار قدیم، مرسوم بوده و انسان‌های نخستین، خشک کردن را یک هنر می‌دانستند!
خشک کردن عبارت است از، گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتری‌ها می‌گردد. در خشک کن‌های خورشیدی بطور مستقیم یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می‌شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری، جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می‌گردد. خشک کن‌های خورشیدی در اندازه‌ها و طرح‌های مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون، طراحی و ساخته می‌شوند.
خانه‌های خورشیدی
بندانگشتی
ایرانیان باستان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه‌های خود در زمستان استفاده می‌کردند. آنان ساختمان‌ها را به ترتیبی بنا می‌کردند، که در زمستان نور خورشید به داخل اتاق‌های نشیمن می‌تابید، ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت. در اغلب فرهنگ‌های دیگر دنیا نیز می‌توان نمونه‌هایی از این قبیل طرح‌ها را مشاهده نمود. در سال‌های بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرح‌های فراوانی در زمینه خانه‌های خورشیدی مطرح و آزمایش شد.
از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت. حدود چند سالی است که معماران بطور جدی ساخت خانه‌های خورشیدی را آغاز کرده‌اند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی نیز دست یافته‌اند، به‌عنوان مثال در ایالات متحده در سال ۱۸۹۰ به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شده‌است. در این گونه خانه‌ها سعی می‌شود، از انرژی خورشیدی برای روشنایی، تهیه آب گرم بهداشتی، سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با بکار بردن مصالح ساختمانی مفید، از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری گردد.
کاربردهای خانگی
سامانه‌های حرارتی خورشیدی در ساختمان برای کابردهای خانگی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می‌باشد، که اهم آن‌ها عبارت‌اند از: آبگرمکن و حمام خورشیدی، سرمایش و گرمایش خورشیدی، آب شیرین‌کن خورشیدی، اجاق خورشیدی که به دو دسته سامانه‌های فعال خورشیدی و سامانه‌های غیر فعال خورشیدی دسته‌بندی می‌شوند.
آبگرمکن‌های خورشیدی
بندانگشتی
تولید آب گرم تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکان‌هایی که مشکل سوخت‌رسانی وجود دارد، استفاده می‌شود. چنانچه ظرفیت این سیستم‌ها افزایش یابد، می‌توان از آن‌ها در حمام‌های خورشیدی نیز، استفاده نمود.
تهویه مطبوع خورشیدی
گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه‌ای بود که در سال‌های ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفت‌های قابل توجهی رسید. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم‌های خورشیدی، می‌توان علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم‌ها، در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.
آب شیرین کن خورشیدی
هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می‌ماند.
سپس با استفاده از روش‌های مختلف می‌توان آب تبخیر شده را تنظیم کرده و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این روش می‌توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند مانند جزایر را تامین کرد.
آب شیرین کن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می‌شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می‌توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.
اجاق‌های خورشیدی
دستگاه‌های خوراک پز خورشیدی، اولین بار بوسیله شخصی به نام نیکلاس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق‌بندی شده، با صفحه سیاه‌رنگی بود، که قطعات شیشه‌ای، درپوش آن را تشکیل می‌داد. اشعه خورشید، با عبور از میان این شیشه‌ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می‌شد، سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌داد.
اصول کار اجاق خورشیدی، جمع‌آوری پرتوهای مستقیم خورشید، در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می‌باشد. امروزه طرح‌های متنوعی از این سیستم‌ها وجود دارد، که این طرح‌ها در مکان‌های مختلفی؛ از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده‌اند.
برج مکشی خورشیدی
دودکش خورشیدی
انرژی خورشیدی
توان خورشیدی
صفحه خورشیدی
سلول خورشیدی
سلول فوتوالکتروشیمیایی
سلول خورشیدی رنگ-حساس
اثر فوتوولتاییک
اثر ترموالکتریک
اثر فوتوالکتریک
متمرکزکننده توان خورشید