انرژی خورشیدی
انرژی خورشیدی نور و گرمای تابشی از خورشید است که با استفاده از طیف وسیعی از فناوری‌ها مانند انرژی خورشیدی برای تولید برق، انرژی حرارتی خورشیدی (از جمله گرمایش آب خورشیدی) و معماری خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
خورشید منبع اصلی انرژی تجدیدپذیر است و فناوری‌های آن بسته به نحوه جذب و توزیع انرژی خورشیدی یا تبدیل آن به انرژی خورشیدی به طور گسترده به عنوان خورشیدی غیرفعال یا خورشیدی فعال شناخته می‌شوند.
انرژی خورشیدی
از انرژی خورشیدی چگونه استفاده کنیم؟
نویسنده: زهرا شادرام
تکنیک‌های فعال خورشیدی شامل استفاده از سیستم‌های فتوولتائیک، نیروی خورشیدی متمرکز و گرمایش آب خورشیدی برای مهار انرژی است. تکنیک‌های خورشیدی غیرفعال شامل جهت‌دهی ساختمان به سمت خورشید، انتخاب مواد با جرم گرمایی مطلوب یا خواص پراکندگی نور و طراحی فضاهایی است که به طور طبیعی هوا را به گردش در می‌آورند.
حجم زیاد انرژی خورشیدی موجود، آن را به منبع بسیار مهم برق تبدیل کرده است به طوری که در سال 2020 انرژی خورشیدی ارزان‌ترین منبع برق بوده است.
انرژی خورشیدی دریافتی جو اتمسفر زمین در حدود 1360 W/m2 است. در سطح زمین مقدار انرژی دریافتی از خورشید کمتر است زیرا پرتوهای خورشیدی که از طریق جو عبور می‌کنند برخی منعکس و یا توسط جو فیلتر می‌شوند. در آسمان صاف متوسط انرژی که به سطح زمین می‌رسد W/m2 1000 بوده و با آسمان ابری، W/m2 100-200 است.
مزایای سیستم‌های خورشیدی
در این دستگاه‌ها به علت بهره‌گیری از منبع رایگان انرژی هزینه قبوض گاز و برق کاهش می‌یابد و عدم استفاده از سوخت‌های فسیلی سبب کاهش آلودگی محیط زیست و انتشار دی‌اکسید کربن و ناکس (NOx) می‌گردد.
انواع صفحات خورشیدی
پنل‌های خورشیدی
پنل‌های خورشیدی نور خورشید را به عنوان منبع انرژی تابشی جذب می‌کنند که به صورت جریان مستقیم (DC) الکتریسیته به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این صفحات سلول خورشیدی یا آرایه نیز نامیده می‌شوند که در حقیقت از کنار هم قرار گرفتن سلول‌های خورشیدی پنل خورشیدی شکل می‌گیرد و آرایه خورشیدی از قرارگیری چند پنل در کنار هم تشکیل می‌شود. این سیستم‌ها فتوولتائیک یا PV نیز نامیده می‌شوند.
کلکتورهای حرارتی
این صفحات که در داخل آن‌ها مسیر حرکت آب تعبیه شده است، انرژی جذب شده از خورشید را صرف افزایش دمای آب موجود در لوله‌ها می‌کند. آب موجود در یک سیکل بسته حرکت کرده و با انتقال حرارت، انرژی خود را به آب موجود درون مخزن کوئلی منتقل می‌کند.
مزایای کلکتور خورشیدی
- نسبت به پنل‌های خورشیدی در جمع‌آوری و جذب پرتوهای خورشید تا 70 درصد بهتر عمل می‌کنند، بنابراین دارای راندمان بالاتری نیز هستند.
- نسبت به سیتم‌های PV از پیچیدگی کمتری برخوردار هستند.
- با توجه به فضایی که اشغال می‌کنند نسبت به پنل‌های خورشیدی سیستم‌های کارامدتری هستند.
- این صفحات ارزان‌تر هستند و بنابراین دوره بازپرداخت کوتاه‌تری نسبت به پانل‌های PV دارند.
- کلکتورهای خورشیدی در آب و هوای سرد، هوای ابری و باد شدید نیز عمل می‌کنند و در حقیقت یک سیستم ذخیره انرژی را در خود جای داده‌اند.
دسته‌بندی کلکتورهای خورشیدی بر اساس چرخه آب
بر اساس شیوه حرکت آب و نحوه گرمایش آب مصرفی 4 نوع کلی از سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی وجود دارد:
فعال (Active)
جهت گردش و به حرکت درآمدن آب درون سیکل پمپ و برای فعال کردن پمپ‌ها نیروی الکتریکی مورد نیاز است.
غیرفعال (Passive)
برای گردش آب گرم به جابجایی طبیعی به جای الکتریسیته متکی است.
مستقیم (Direct)
آب آشامیدنی به طور مستقیم در کلکتور گرم می‌شود.
غیر مستقیم (Indirect)
سیال رابط در کلکتور گرم شده و گرما را به آب آشامیدنی درون مخزن از طریق کوئل منتقل می‌کند.
به عبارت دیگر می‌توان گفت در سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی، آب مصرفی یا به طور مستقیم با عبور از کلکتور گرم می‌شود (سیستم‌های گردش مستقیم) یا به طور غیرمستقیم و توسط یک مبدل حرارتی که خود در یک سیکل بسته توسط سیال داخل کلکتور گرم شده است، گرما می‌گیرد (سیستم گردش غیرمستقیم). حرکت سیال عامل نیز به دو روش انجام می‌پذیرد، به صورت طبیعی (غیرفعال) و یا به صورت اجباری (فعال). لازم به ذکر است گردش طبیعی سیال عامل بر اثر پدیده ترموسیفون به وجود آمده در حالی که برای گردش اجباری این سیال از یک پمپ استفاده می‌شود.
انواع کلکتورهای خورشیدی و نحوه عملکرد آن‌ها
صفحات حرارتی خورشیدی یا کلکتورهای خورشیدی دستگاه‌هایی هستند که روی سقف منازل نصب می‌شوند تا گرمای خورشید را جذب کرده و از آن به طور مستقیم برای گرمایش آب مصرفی و یا در یک سیکل بسته برای گرم کردن آب ذخیره شده در یک مخزن کوئلی استفاده می‌کنند.
مایعی که در سیستم‌های غیر مستقیم جریان دارد ترکیبی از آب و ضد یخ است. موارد مصرف این کلکتورها گرمایش فضا و آب است و راه حل بسیار مناسبی برای گرمایش آب استخرها نیز به شمار می‌روند. دو نوع اصلی کلکتورهای حرارتی خورشیدی بر اساس نوع سطح جاذب به شرح زیر وجود دارند:
کلکتورهای صفحه تخت (Flat-plate collectors)
این دستگاه‌ها به صورت ظاهری شبیه به پنل‌های PV خورشیدی هستند. آن‌ها از یک سطح جاذب تیره، یک پوشش شفاف، یک عایق حرارت و مهم‌تر از همه، یک سیال که گرما را از جاذب به مخزن آب منتقل می‌کند، تشکیل شده‌اند. جاذب می‌تواند از مواد مختلفی مانند پلیمر، مس، آلومینیوم یا فولاد ساخته شود. در بین این موارد مس گران‌ترین است اما به لحاظ رسانایی بهتر و از طول عمر بالاتری نیز برخوردار می‌باشد. کلکتور پلیمری برای آب و هوای سردتر گزینه مناسب‌تری است زیرا موادی مانند سیلیکون نسبت به فلز در برابر یخ‌زدگی بسیار مقاوم‌تر هستند.
بنابراین به طور معمول یک کلکتور خورشیدی شامل یک پانل جاذب متصل به چندین لوله مسی است که آب یا سیال انتقالی از آن عبور می‌کند. این لوله‌های مسی در یک قاب فلزی محصور شده‌اند که با عایق احاطه شده است تا گرمای جمع‌آوری شده را حفظ نماید. یک ورق شیشه یا لعاب از این قاب محافظت می‌کند و در عین حال فضایی بین این دو وجود دارد که مملو از هوا است و خود به عنوان عایق حرارتی عمل می‌کند.
کلکتورهای صفحه تخت می‌توانند سیال داخل را با استفاده از نور مستقیم یا غیرمستقیم خورشید شامل طیف گسترده‌ای از زوایای مختلف، گرم کنند. آن‌ها همچنین در نور منتشر عمل می‌کنند که در روزهای ابری غالب است زیرا برخلاف سلول‌های فتوولتائیک که نور را جذب می‌کنند، در این صفحات گرمای اطراف جذب می‌شود.
میزان گرم شدن آب در گردش بیشتر به تاریخ و زمانی از سال که در آن قرار داریم، شفافیت آسمان و سرعت جریان آب در لوله‌های کلکتور بستگی دارد.
کلکتورهای لوله خلا (Evacuated (or vacuum) tube collectors)
برخلاف صفحات خورشیدی، این کلکتورها از چندین لوله تشکیل شده‌اند که از یک خلا یا فضای تخلیه شده برای جذب انرژی خورشید و در عین حال کاهش اتلاف گرما به محیط اطراف استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها به خصوص در آب و هوای سرد نسبت به کلکتورهای تخت کارایی بیشتری دارند، اما در هوای گرم به دلیل خطر گرم شدن بیش از حد، کارایی خود را از دست می‌دهند. دلیل آن این است که لوله‌های خلا از اتلاف گرما جلوگیری می‌کنند، در حالی که کلکتورهای تخت مقداری گرما را از دست می‌دهند و همین امر موجب جلوگیری از افزایش دمای بیش از حد آن‌ها می‌شود. به طور مثال در زمان بارش برف ساختار لوله تخلیه شده با وجود شکاف‌های بین لوله‌ها اجازه می‌دهد تا برف از میان لوله‌ها عبور کرده و روی سطح کلکتور یخ نزند و در نتیجه تاثیر بارش برف را بر راندمان به حداقل می‌رساند.
ابعاد کلکتورهای خورشیدی
به طور کلی برای هر نفر به حدود 1 متر مربع صفحه کلکتور خورشیدی نیاز است.
سطح یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت متوسط بین 2-4 متر مربع است و این بدان معناست که بسته به تعداد افراد خانواده 1 یا 2 عدد از این صفحات مورد نیاز خواهد بود.
هنگامی که از کلکتور لوله خلا استفاده می‌شود، ممکن است بین 20 تا 30 لوله برای تامین نیاز آب گرم مورد استفاده قرار گیرد.
مشخصات صفحات کلکتور خورشیدی ایمرگس
- مقاوم در برابر خوردگی و شوک‌های حرارتی
- دارای گواهینامه SOLAR KEYMARK و استاندارد Test 1
- امکان نصب به صورت آبشاری (Cascade) حداکثر تا 6 کلکتور
- دارای شیشه سکوریت مخصوص به ضخامت 4 میلی متر با ضریب جذب 95 درصد
- طراحی شده جهت نصب به صورت افقی و عمودی
جهت تولید آب گرم بهداشتی نیاز به قرارگیری یک مخزن کوئلی در کنار صفحات کلکتور خورشیدی ضروری است که در ادامه به مشخصات مخزن‌های تولیدی برند ایمرگس اشاره شده است.
مشخصات مخزن ذخیره کوئلی ایمرگس
- مخزن ذخیره‌سازی ترکیبی برای یکپارچه‌سازی گرمایش و آب گرم خانگی
- مجهز به دو مبدل حرارتی از جنس استنلس‌استیل از نوع آب_آب به شکل کویل‌های متحدالمرکز
- جهت یکپارچه‌سازی انرژی در صورت اتصال با کلکتور خورشیدی یا منبع انرژی دیگر
- بدنه از پیش طراحی شده برای تعبیه دو پمپ و قرار دادن کیت مقاومت الکتریکی
- دارای عایق پلی اورتان (PU) به ضخامت 70 میلی‌متر
انرژی خورشیدی منبعی بی‌پایان و تجدیدپذیر
انرژی خورشیدی، به عنوان یکی از مهم‌ترین منابع انرژی پایدار و نوین، توانمندی‌های فراوانی را برای تأمین نیازهای انرژی جهان ارائه می‌دهد. با توجه به تنوع و عملکرد گسترده‌ای که انرژی خورشیدی ارائه می‌کند، استفاده از آن در بخش‌های مختلفی از زندگی انسانی بسیار حیاتی است.
یکی از مزایای بارز انرژی خورشیدی، عدم تولید آلاینده‌های محیطی است. در هنگام تولید انرژی از نور خورشید، هیچ گونه گازهای گلخانه‌ای یا ذرات آلاینده به جو منتشر نمی‌شود، که این امر منجر به حفظ کیفیت هوا و کاهش تأثیرات مخرب بر اقلیم و محیط زیست می‌شود.
علاوه بر این، انرژی خورشیدی منبعی بسیار پایدار است. نور خورشید، منبع اصلی این نوع انرژی، به مدت میلیاردها سال دیگر نیز فعال خواهد بود. به همین دلیل، انرژی خورشیدی را می‌توان منبعی بی‌پایان و قابل تجدید استفاده تلقی کرد. از دیگر مزایای انرژی خورشیدی می‌توان به کاهش وابستگی به منابع انرژی فسیلی و کاهش هزینه‌های انرژی اشاره کرد. استفاده از انرژی خورشیدی، به کاهش هزینه‌های انرژی برای افراد و جوامع کمک می‌کند و همچنین به کاهش وابستگی به منابع انرژی نامتجدد و کاهش زیان‌های اقتصادی ناشی از نوسانات قیمت نفت و گاز می‌انجامد.
با توجه به این مزایا و لزوم حفظ محیط زیست و کاهش گازهای گلخانه‌ای، استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یکی از راهکارهای اساسی در مسیر به سوی یک جامعه پایدار و پاکیزه بسیار حیاتی است.