به تارنمای سازمان انرژی های تجدیدپذیر و بهره وری انرژی برق خوش آمدید.

 

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 میباشد. 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 تولید برق از متمرکزکننده های خورشیدی  CSP(Concentrating Solar Power Plant) و کاربردهای غیر نیروگاهی سیستمهای خورشیدی تقسیم بندی می شوند.

نیروگاههای حرارتی- خورشیدی با استفاده از متمرکزکننده های خورشیدی (CSP) ، 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 (CSP) ، در مساحت یک کیلو متر مربع از زمین، 100 الی 300 گیگاوات ساعت الکتریسیته خورشیدی تولید نمود.

  یک نیروگاه خورشیدیCSP(Concentrating Solar Power Plant) 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:

فنآوری سهموی خطی (Parabolic Trough ):

نیروگاههای حرارتی خورشیدی (CSP) ، 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. نیروگاههای جدید تحت آزمایش، از نمک مذاب، بعنوان سیال انتقال حرارت و واسط ذخیره‏سازی حرارتی استفاده می‏کنند که تا دمای 540 درجه سانتیگراد پایداری دارد. نمک مذاب با دمای بالا می‏تواند بطور قابل توجهی بازدهی ذخیره‏سازی نیروگاههای CSP را بهبود بخشد. امروزه ظرفیت نیروگاه‏های سهموی خطی نصب شده در جهان تا ابتدای سال 2013 حدود GW 4/2 می باشد. با وجود اینکه نیروگاههای سهموی خطی بطور گسترده‏ای تجاری شده‏اند، اما یک تکنولوژی بالغ ندارند و همچنان بهبود در عملکرد و کاهش هزینه‏ها از آنها انتظار می‏رود. در واقع نیروگاههای سهموی خطی که در حال حاضر ساخته شده‏اند، فقط در ساعات روز برق تولید می‏کنند در حالیکه سیستم سهموی خطی، وقتی با سیستم ذخیره سازی حرارتی ترکیب شود، می‏تواند بصورت نیروگاههایی در مقیاسهای کاربردی و قابل رقابت با نیروگاههای سوخت فسیلی، مورد استفاده قرار گیرند.

فنآوری دریافت کننده مرکزی(Solar 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. برجهای خورشیدی می‏توانند از روغنهای مصنوعی یا نمک مذاب به عنوان سیال انتقال حرارت و واسط ذخیره‏سازی در ذخیره انرژی حرارتی استفاده کنند. محدودۀ عملکرد روغنهای مصنوعی حدود 390 درجه سانتیگراد است که بازدهی و بهره‏وری چرخه بخار را محدود می‏کند و محدوه عملکرد نمک مذاب بین550 درجه سانتیگراد تا 650 درجه سانتیگراد است، که این امر باعث بهره‏وری بالاتر در سیکل بخار می شود. ظرفیت نصب شده نیروگاههای برج خورشیدی تا سال 2012 حدود 70 مگاوات است. امروزه ظرفیتهای معمول نیروگاههای دریافت کننده مرکزی از 10 مگاوات تا 50 مگاوات است که نیروگاههای در مقیاس 50 مگاوات نیز در حال کار و اثبات تجربی است. پیش بینی می شود فنآوری دریافت کننده مرکزی در بلند مدت تولید برق ارزانتر از فنآوری سهموی خطی و فنآوری دیش داشته باشد.

فنآوری دیش استرلینگ(Dish Stirling ):

سیستم دیش استرلینگ دارای متمرکزکننده سهموی بشقابی است که پرتوهای مستقیم خورشید را روی دریافت کننده که در نقطه کانونی قرار دارد متمرکز می‏کند. دریافت کننده ممکن است موتور استرلینگ یا یک میکرو توربین باشد.

سیستم دیش، خورشید را دردو محور ردیابی می کند و تمرکز بالای انرژی روی نقطه کانونی، می‏تواند دماهای بسیار بالایی نتیجه دهد. تحقیقات اخیر بر روی استفاده از موتور استرلینگ در ترکیب با واحد ژنراتور متمرکز شده است  که در نقطه کانونی دیش واقع گردیده و برای تبدیل توان حرارتی به برق بکارمی‏رود. ظرفیت مدولار این سیستم ها (از 5 تا 50 کیلووات) بوده و برای تولید برق پراکنده بسیار مناسب می باشند. هزینه تراز شده برق این فنآوری از سایر فنآوریهای CSP بالاتر است. جدای از هزینه‏ها، چالش دیگر سیستمهای دیش استرلینگ بکارگیری ذخیره‏سازی در این فنآوری است. سیستم های دیش استرلینگ هنوز در مرحله اثبات تجربی هستند و هزینه‏های مربوط به تولید انبوه این سیستم ها نامشخص است. با توجه به امکان استفاده از آنها در مقیاس بالا و ابعاد کوچک سیستم های دیش استرلینگ این سیستم ها می‏توانند جایگزین سیستمهای فتوولتائیک در مناطق خشک باشند.

فنآوری فرنل خطی (Linear Fresnel) :

 کلکتورهای فرنل خطی، شبیه کلکتورهای سهموی خطی هستند، فقط سطوح انعکاسی آنها تخت است و آینه‏ها با زوایای مختلف قرار می‏گیرند تا بتوانند پرتو خورشیدی را روی دریافت کننده ثابت که در ارتفاع چند متری از میدان آینه‏ها مستقر است، متمرکز کنند. هر ردیف آینه‏ها به سیستم ردیابی تک محوره مجهز شده تا پرتورهای فرودی خورشید را بطور جداگانه روی دریافت کننده ثابت متمرکز کنند. سیستم دریافت کننده از لوله جاذب بلند با پوشش انتخابی تشکیل شده است.

برخلاف کلکتورهای سهموی خطی، خط کانونی کلکتورهای فرنل بی‏نظم است و این امر نیاز دارد تا یک آینه (بعنوان بازتابنده ثانویه) در بالای لوله دریافت کننده قرار بگیرد تا پرتوهای انحرافی از لوله را مجدداً بر روی لوله متمرکز کند، یا از چند لوله موازی برای دریافت پرتوها استفاده شود که گستردگی کافی برای جذب بسیاری از پرتوهای کانونی شده، داشته باشد بدون این که نیاز به بازتابنده ثانوی باشد.

از مزایای اصلی سیستمهای فرنل خطی در مقایسه با کلکتورهای سهموی خطی می‏توان به موارد زیر اشاره نمود:

-          کلکتورهای فرنل خطی از آینه‏های تخت شیشه‏ای با قیمت ارزانتر استفاده می‏کنند که یک معیار در تولید انبوه کالا میباشد.

-          کلکتورهای فرنل خطی به فولاد و بتن کمتری بعنوان سازه‏های فلزی نگهدارنده نیاز دارند که باعث سبکتر شدن سازه میشود. این امر همچنین روند مونتاژ را آسانتر می کند.

-          در کلکتورهای فرنل خطی سربار ناشی از اثرات باد کوچکتر هستند که این امر ثبات بهتر سازه‏ای، کاهش اتلافات اپتیکی و شکستگی کمتر آینه‏های شیشه‏ای را نتیجه میدهد.

-          سطح آینه‏ای هر دریافت کننده در کلکتور فرنل خطی بیشتر از کلکتورهای سهموی خطی است که این امر با توجه به اینکه دریافت کننده گران‏ترین جزء در هر دو سیستم کلکتور فرنل خطی و کلکتور سهموی خطی است، مهم میباشد.

ولی لازم است این مزایا با واقعیتهایی نظیر پایین بودن بازدهی اپتیکی مزرعه خورشیدی فرنل خطی نسبت به کلکتورهای سهموی خطی تراز شود. مشکل دیگری که وجود دارد ثابت بودن دریافت کننده در هنگام صبح و بعدازظهر است که اتلاف‏های کسینوسی را در مقایسه با کلکتورهای سهموی خطی بالا می‏برد.

از نظر هزینه هم راه برای پایین‏تر شدن هزینه‏های هر کیلووات ساعت این سیستم ها باقی مانده است. با توجه به اینکه سیستمهای فرنل خطی عموماً برای استفاده در تولید بخار مستقیم پیشنهاد می شوند، به احتمال زیاد با اضافه کردن سیستم ذخیره‏سازی انرژی حرارتی، گران‏تر هم می شوند. ظرفیت نصب شده نیروگاه فرنل تا سال 2012، در اسپانیا 31 مگاوات و در استرالیا 4 مگاوات بوده است.

از انرژی حرارتی خورشید علاوه بر استفاده نیروگاهی، می توان در زمینه های زیر بصورت صنعتی، تجاری و خانگی استفاده کرد:

گرمایش آب مصرفی( آب گرمکنهای خورشیدی برای منارل، ساختمانها، کارخانجات و استخرها):

آبگرمکن های خورشیدی به طوریکه از نام آنها پیداست از طریق جذب انرژی تابش خورشید توسط صفحات جاذب ( کلکتور ) عمل می نمایند و راندمان گرمایشی آنها در فصول مختلف سال و بر حسب موقعیتهای جغرافیایی متفاوت می باشد . مخزن آبگرم به گونه ای طراحی شده که آبگرم را بطور ذخیره درشبانه روز مهیا نماید و تلفات حرارتی آن تا صبح روز بعد و طلوع مجدد بسیار ناچیز باشد .
با استفاده از این سیستم می توان هزینه های مصرف گاز – گازوئیل و برق را بطور چشمگیری کاهش داد که این امر در پروژه های بزرگ ملموس تر خواهد بود، بطوریکه بعد از گذشت حدود 4 الی 5 سال می توان با صرفه جویی در مصرف سوخت های فسیلی سرمایه گذاری اولیه را مستهلک نمود . هزینه های نگهداری و تعمیرات این سیستمها بسیار پائین است. طول عمر کارکرد سیستمهای استاندارد و با کیفیت فنی بالا تا 15 سال می رسد .
 
گرمایش فضای داخلی ساختمانها:

 
  گرمایش ساختمان توسط خورشید، اولین و اصلی ترین کاربرد انرژی خورشیدی در بخش ساختمان می باشد. سیستمهای گرمایش خورشیدی برمبنای نوع سیال هوا یا مایع، که در کلکتورهای خورشیدی گرم می شود، به دو نوع عمده تقسیم بندی می شوند. هر دو نوع از این سیستم ها تابش خورشید را جمع آوری و جذب کرده و حرارت بدست آمده از خورشید را جهت تامین بار گرمایش مستقیما" به فضاهای داخلی ساختمان ها انتقال می دهند. استفاده این سیستم ها از منبع انرژی  بی پایان و ارزان خورشیدی یکی از مزایای سیستم های خورشیدی می باشد و از همه مهمتر این سیستم ها برخلاف سوخت های فسیلی تهدیدی برای محیط زیست به شمار نمی روند.