انرژی خورشیدی 
انرژی خورشیدی عظیم ترین منبع انرژی در جهان است. این انرژی پاک، ارزان و بی پایان بوده و در بیشتر مناطق کره زمین قابل استحصال می باشد. محدودیت منابع فسیلی و پیامدهای حاصل از تغییرات زیست محیطی و آب و هوای جهانی، فرصتهای مناسبی را برای رقابت انرژی خورشیدی با انرژیهای فسیلی خصوصا در کشورهایی با پتانسیل بالای تابش ایجاد نموده است.
سیستمهای انرژی خورشیدی، فنآوریهای جدیدی هستند که برای تامین گرما، آب گرم، الکتریسیته و حتی سرمایش منازل مسکونی، مراکز تجاری و صنعتی بکار می روند.
فنآوریهای حرارتی خورشیدی به دو بخش نیروگاههای حرارتی خورشیدی و کاربردهای غیر نیروگاهی سیستمهای خورشیدی تقسیم بندی می شوند.
نیروگاههای حرارتی خورشیدی از تابش مستقیم خورشید (DNI) استفاده می کنند. این بخش از تابش خورشید توسط ابرها، دود یا گرد و غبار منحرف نمی شود. بنابراین، نیروگاههای حرارتی- خورشیدی باید در مناطقی که از تابش مناسب خورشید برخوردار هستند ساخته شوند. سایتهای مناسب برای ساخت نیروگاههای خورشیدی از تابش خورشید 2000 کیلوات ساعت بر هر متر مربع (kWh/m2y) سالانه برخوردار هستند، مناطق مناسب تر جهت احداث این نوع نیروگاهها از تابشی بیش از 2800 کیلوات ساعت بر هر متر مربع (kWh/m2y) سالانه برخوردار هستند. به طور معمول نقاطی برای این سایتها مناسب هستند که آب و هوا و گیاهان منطقه رطوبت و گرد وغبار زیادی را در اتمسفر ایجاد نمی کنند مانند استپها، بوته زار، صحراهای نیمه خشک و صحراها که به طور معمول در عرض جغرافیایی شمال یا جنوب کمتر از 40 درجه قرار دارند.
از مناطق مستعد می توان به جنوب غربی ایالات متحده آمریکا، کشورهای مدیترانه ای اروپا، خاور میانه و خاور نزدیک، ایران و صحراهای هند، پاکستان، چین و استرالیا اشاره نمود.
 
در بسیاری از مناطق جهان می توان با استفاده از تکنولوژیهای حرارتی-خورشیدی در مساحت یک کیلو متر مربع از زمین، 100 الی 300 گیگاوات ساعت الکتریسیته خورشیدی تولید نمود. این مقدار معادل تولید سالانه نیروگاههای متداول فسیلی، زغال سنگ یا گازی با ظرفیت 50 مگاوات در بار متوسط است.
 
 یک نیروگاه خورشیدی شامل تاسیساتی است که انرژی تابشی خورشید را جمع کرده و با متمرکز کردن آن، درجه حرارتهای بالا ایجاد می کند. انرژی جمع آوری شده از طریق مبدلهای حرارتی، توربین ژنراتورها و یا موتورهای بخار به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد. نیروگاه های خورشیدی بر اساس نوع متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند:
 
نیروگاه سهموی خطی (Parabolic Trough Concentrator)
 
نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سیستم کلکتور سهموی خطی شامل ردیفهای موازی و طولانی از متمرکز کننده ها میباشد. بخش متمرکز کننده شامل سطوح انعکاسی سهموی است که از جنس آینه های شیشه ای میباشند و روی یک سازه نگهدارنده قرار میگیرند. دریافت کننده انرژی شامل لوله های جاذب استوانه ای شکل با پوشش انتخابی هستند که بوسیله شیشه پیرکس پوشانده میشوند و در طول خط کانونی قرار میگیرند.بخش دریافت کننده در قسمتهای انتهایی روی دو تکیه گاه قرار گرفته اند که این مجموعه روی تیرکهای اصلی سازه سوار است. سیستم ردیابی در این دستگاهها تک محوره بوده و ردیابی خورشید از شرق به غرب بر روی تک محور دورانی انجام میگیرد بگونه ای که پرتوهای خورشیدی در تمام مدت ردیابی بر روی لوله های جذب کننده کانونی میشوند. یک سیال انتقال حرارت، بطور مشخص روغن، در دمای بیش از 400 درجه سانتیگراد از میان لوله های جاذب در جریان میباشد و روغن داغ در مبدلهای حرارتی، آب را به بخار تبدیل میکند و بخار فوق داغ طی سیکل رانکین از توربین و ژنراتور انرژی الکتریکی تولید می کند.
 
نیروگاه دریافت کننده مرکزی(Power Tower)
 
نیروگاه حرارتی خورشیدی از نوع برج دریافت کننده مرکزی با متمرکز نمودن پرتوهای تابش خورشید روی برج دریافت کننده انرژی الکتریکی تولید میکنند. این سیستم از مجموعه ای از آینه ها که هر یک بطور جداگانه خورشید را ردیابی میکنند تشکیل شده تعداد این آینه ها در یک نیروگاه به صدها و هزاران عدد میرسد که هلیوستات نامیده میشوند. سطوح متمرکز کننده طوری تنظیم میشود که همواره پرتوها را روی دریافت کننده ثابتی که همان برج مرکزی است منعکس کنند.
 
نیروگاه دیش استرلینگ(Dish Stirling)
 
 موتور استرلینگ موتورهای گرما- کاری هستند که حرارت را تبدیل به جنبش می کنند ونسبت به موتور بنزینی و دیزلی کارآیی بیشتری دارند. امروزه چنین موتورهایی برایموردهای خاص استفاده می شوند. موتورهای استرلینگ از چرخه استرلینگ استفاده می کنند که با چرخه های استفاده شده درموتورهای احتراق داخلی متفاوت است. چرخه استرلینگ از یک منبع حرارتی خارجی که مانند بنزین، انرژیخورشیدی یا گازهای بیومس استفاده می کند و هیچ احتراقی داخلسیلندرهای موتور رخ نمی دهد . برای تامین انرژی مورد نیاز این موتور از یک دیش منعکس کننده استفاده می شود. این دیش انرژی حرارتی خورشید را مستقیما به روی موتور منعکس می کند و موتور شروع به تولید برق می کند.


انرژي خورشيدي

 روي اين سياره است. بيش ار 5000 سال قبل، مردم خورشيد را پرستش مي‌كردند. اولين پادشاه مصر، خداي خورشيدي، به نام را  (Ra) بود. در بين النهرين، خداي خورشيدي به نام شاماش (Shamash)،‌ خداي اعظم و برابر با عدالت بود. در يونان دو خداي خورشيد به نامهاي آپولو و هليوس وجود داشت. تأثير خورشيد در ساير اديان نيز نمايان است. زرتشتي، مذهب رومي، هندو، بودائي،‌ كاهن (انگليس)، آزتگ (مكزيك) و خيلي از قبايل بومي امريكا خورشيد را پرستش مي‌كردند.

 

 

امروزه ما ميدانيم كه خورشيد نزديكترين ستاره به سياره زمين است. بدون خورشيد، امكان ادامه زندگي بر روي اين سياره وجود ندارد. هر روز ما از انرژي خورشيد به طرق مختلف استفاده مي‌كنيم. زمانيكه لباس‌هاي خيس را روي طناب آويزان مي‌كنيم،‌ گرماي خورشيد باعث خشك شدن آنها مي‌شود.

گياهان براي توليد غذا از نور خورشيد استفاده مي‌كنند. سپس حيوانات، گياهان را به عنوان غذا مي‌خورند. و همانطوريكه در فصل 5 گفتيم ، تجزيه گياهان در صدها ميليون سال قبل باعث توليد ذغال سنگ، نفت و گاز طبيعي گرديد كه امروزه ما از آنها استفاده مي‌كنيم . بنابراين، سوخت‌هاي فسيلي در واقع از ميليون‌ها سال قبل نور خورشيد را در خود ذخيره نموده‌اند. خورشيد و ساير ستارگان بطور غير مستقيم نقش مهمي را در توليد كليه انرژي‌ها، بازي مي‌كنند. حتي منشاء توليد انرژي هسته‌اي مربوط به يك ستاره است. زيرا اتم‌هاي اورانيوم در اثر نووا (انفجار يك ستاره) بوجود آمدند.

 

  آب گرم خورشيدي

 

در دهه 1890 در سرتاسر امريكا از آب‌گرم‌كن‌هاي خورشيدي براي گرم كردن آب استفاده مي‌شد. آنها مزيت بيشتري نسبت به كوره‌هاي زغال سوز و چوب سوز داشتند. در آن زمان از گاز مصنوعي حاصل از ذغال نيز براي گرم نمودن آب استفاده ميگرديد، اما قيمت آن 10 برابر قيمت گاز طبيعي امروز بود. قيمت برق حتي اگر در شهر شما وجود داشت بسيار گران بود.

 

در آن زمان بسياري از خانه‌ها از آب‌گرم‌كن‌هاي خورشيدي استفاده مي‌كردند. در سال 1897، حدود 30 درصد از خانه‌هاي شهر پاسادانا ، واقع در شرق لس‌آنجلس ، مجهز به آب گرم‌كن‌هاي خورشيدي بودند. با پيشرفت‌هاي مكانيكي صورت گرفته، سيستم‌هاي خورشيدي در آريزونا، فلوريدا و خيلي ديگر از مناطق آفتابي ايالت متحده نيز مورد استفاده قرار گرفت. در تصوير ، آب گرم‌كن خورشيديي را مي‌بينيد كه در سال 1911 در روي سقف خانه‌اي در دره پومونا (Pomona) ،‌ واقع در كاليفرنيا، نصب گرديد

تا سال 1920، دهها هزار عدد از اين آب گرم كن‌هاي خورشيدي به فروش رسيده بود. اما بعد از اين سال، مخازن بزرگ نفت و گاز طبيعي در غرب ايالت متحده كشف شد. با دسترس قرار گرفتن سوخت‌هاي فسيلي ارزان ، آنها جايگزين سيستم‌هاي خورشيدي شدند.

 

 

امروزه، مردم مجدداً شروع به استفاده از آب گرم كن‌هاي خورشيدي كرده‌اند. در حال حاضر تنها در ايالت كاليفرنيا، ‌بيش از نيم ميليون آب گرم كن خورشيدي وجود دارد. اين آب گرم‌كن‌ها در مراكز تجاري و منازل استفاده مي‌شود.

همانطوريكه در تصوير مي‌بينيد ، از اين آب‌گرم‌كن‌ها براي استخرهاي شنا نيز استفاده ميگردد. صفحاتي كه بر روي سقف ساختمان نصب شده‌اند داراي يك سري لوله‌هاي آب هستند. زمانيكه اشعه خورشيد به اين صفحات و لوله‌ها برخورد مي‌كند، آب داخل لوله ها گرم شده و از آن مي‌توان براي پركردن استخر استفاده نمود.

 

توليد برق از طريق گرماي خورشيد

 

از انرژي خورشيدي نيز ميتوان جهت توليد برق استفاده نمود. بعضي از نيروگاههاي خورشيدي، مانند نيروگاههايي كه در صحراي مووجاو (Mojava) ، در ايالت كاليفرنيا ، قرار دارد (رجوع به تصوير)، داراي آينه بسيار خميده اي به نام طشتك سهمي شكل (Parabolic Trough) است كه نور خورشيد را بر روي لوله اي ، که به طرف نقطه مركزي در بالاي خميدگي آينه ادامه مي‌يابد، متمركز مي‌كند. آينه، نور خورشيد را به روي لوله متمركز كرده و آنرا آنقدر گرم مي‌كند كه مي‌تواند باعث جوشش آب بصورت بخار گردد. سپس از اين بخار ميتوان براي چرخش توربين و در نتيجه توليد برق استفاده نمود. در نيروگاه خورشيدي صحراي مووجاو، در ايالت كاليفرنيا، از چند رديف آينه خورشيدي استفاده شده است. اين نوع نيروگاهها را نيروگاههاي حرارت خورشيدي مي نامند. نيروگاههاي صحراي مووجاو براي توليد برق 350000 خانه طراحي شده‌اند.

 

 

مشكل اصلي در استفاده از اين نوع نيروگاهها اين است كه آنها صرفاً در زمان تابش خورشيد كار ميكنند. بنابراين در روزهاي ابري و شبها، اين نيروگاهها نمي‌توانند انرژي توليد كنند. بعضي از نيروگاهها داراي فن آوري دوگانه هستند،‌ بدين ترتيب كه در روز از انرژي خورشيدي و در شب و روزهاي ابري از گاز طبيعي براي جوشاندن آب و در نتيجه توليد برق استفاده مي كنند.

نوع ديگري از نيروگاههاي خورشيدي براي توليد برق، نيروگاه برج مركزي نام دارد (رجوع به تصوير). در بالاي برج اين نيروگاه، 1800 آينه چرخان نصب شده كه نور خورشيد را منعكس مي‌كنند. اين آينه‌ها را « heliostats » مي‌نامند كه در تمام روز در حال چرخش و حركت بوده تا رو به خورشيد قرار گيرند. نور انعكاس يافته باعث گرم شدن سيالي در مركز آينه مي‌شود. حال ، اين سيال گرم مي تواند باعث جوشش آب و توليد بخار شده ، و در نتيجه توربين ژنراتور را به گردش در آورد. اين نيروگاه آزمايشي ، خورشيدي II نام دارد. شروع كار اين نيروگاه به اوايل دهه 1980 بر ميگردد، اما اكنون با استفاده از فن آوري جديد بازسازي گرديده است.

اين نيروگاه براي تأمين برق 10000 خانه طراحي شده است. طبق گفته كارشناسان با احداث نيروگاههاي برج مركزي بزرگتر مي‌توان برق  100000 تا 200000 خانه را تامین نمود.

 

سلولهاي خورشيدي يا انرژي فتوولتايي

 

با استفاده از سلولهاي خورشيدي ، مستقيماً مي‌توان از نور خورشيد برق توليد نمود. سلولهاي خورشيدي را سلولهاي فتوولتايي يا به اختصار PV نيز مي‌نامند. از اين نوع سلولها در ماشين حساب يا حتي فضا پيما استفاده مي‌شود.

اولين بار آنها در دهة‌ 1950 در ماهواره هاي فضايي ايالت متحده مورد استفاده قرار گرفتند. اين سلولها از سيليكون (نوع خاصي از ماسه مذاب) ساخته شده‌اند.

 

زمانيكه نور خورشيد به سلولها برخورد مي كند، الكترونها آزاد شده و به سمت صفحه جلويي (رنگ آبي تيره)‌ حركت مي‌كنند (به تصوير توجه كنيد) . بدين ترتيب يك الكترون اضافي بين جلو و عقب صفحه توليد ميشود. زمانيكه دو صفحه توسط يك رابط مثل سيم بهم وصل مي‌شوند ، جريان برق بين قطب مثبت و منفي برقرار مي گردد.

مجموعه‌اي از سلولهاي خورشيدي در يك واحد فتوولتايي چيده شده و مجموعه اي از واحدهاي فتوولتايي نيز بصورت آرايه‌اي در كنار هم قرار مي گيرند (به تصوير توجه كنيد) .

 

 

بعضي از آرايه ها بر روي وسايل رديابي نصب شده كه بتوانند نور خورشيد را در تمام طول روز دنبال كنند . انرژي الكتريكي بدست آمده از سلولهاي خورشيدي را مستقيماً مي‌توان استفاده نمود. از اين انرژي مي‌توان براي روشنايي منازل و وسايل برقي، و نيز مراكز تجاري استفاده نمود. انرژي خورشيدي را ميتوان در باتريهايي ذخيره نمود و از آن براي روشنايي تابلو علائم كنار جاده ها در شب استفاده كرد. همچنين اين انرژي را مي‌توان در باتري ذخيره كرده و در تلفن هاي سلولي كه در كنار جاده ها نصب مي‌شود، استفاده نمود . بعضي از ماشين‌ها نيز بطور آزمايشي از سلولهاي فتوولتايي استفاده مي كنند. اين نوع ماشين ها نور خورشيد را مستقيماً به انرژي تبديل كرده و موتور الكتريكي را به حركت مي اندازند.

اكثر ما زمانيكه در خصوص انرژي خورشيدي فكر مي‌كنيم، تصويري از ماهواره هاي فضايي در ذهنمان نقش مي بندد. در تصوير،‌ صفحات خورشيديي كه بيرون از ماهواره قرار گرفته اند را مي بينيد.