نیروگاه خورشیدی

 باطری های عظیم خورشیدی 

نور خورشید، بزرگ‌ترین منبع پتانسیل انرژی ما اکنون تلف می‌شود. احتمالاً چندین سال طول می‌کشد تا علم بتواند روشی را برای کنترل انرژی قدرتمند اشعه خورشید پیدا کند. موتورها و دستگاههای خورشیدی برای ما استفاده از حداقل و بخش کوچکی از نور خورشید را امکان‌پذیر کرده است تا بوسیله این بخشی کوچک بتوانیم کارخانه‌های خود را به حرکت درآوریم، روشنائی خیابان‌ها را تأمین کنیم، غذا طبخ و خانه‌های خود را گرم کنیم. در آمریکا هر سال از حدود نیم میلیارد تن ذغال سنگ، نیم میلیارد بشکه نفت و پنجاه میلیارد اسب بخار ساعت از نیروی آب برای گرم کردن، روشنائی و برق استفاده می‌کنیم. در صورتی که تبدیل کلیه این مقدار انرژی خورشیدی به نیروی برق امکان‌پذیر بود، اما در حال حاضر امکان‌پذیر نیست، چندین تریلیون اسب بخار ساعت تولید ‌شود. (هر اسب بخار معادل 746 وات است). در صورتی که کلیه انرژی خورشیدی که هر سال در آمریکا به شکل درخشش خورشید می‌تابد به نیروی برق تبدیل می‌شد ظرفیت آن به هفت تریلیون اسب بخار ساعت می‌رسید.

البته مقداری از تابش خور خورشیدی که از فاصله 93 میلیون مایل فضا به ما می‌رسد برای گرم کردن زمین و رشد گیاهان لازم است ولی مازاد بر این گونه نیازهای اساسی، نور خورشید مقدار قابل توجهی انرژی می‌تواند تولید کند که با سایر منابع انرژی قابل مقایسه است.
کارشناسان انرژی تابشی خورشیدی برآورد می‌کنند که خورشید 12500 اسب بخار انرژی برای هر فوت مربع از 585 میلیارد مایل مربع سطح کره زمین منتشر می‌کند. بخش به مراتب بیشتر و غیرقابل تصور این نیرو در مسیر طولانی آن در فضا تلف می‌شود ولی انرژی تابشی که به سطح خارجی آتمسفر زمین می‌رسد معادل 7300 اسب بخار در هر جریب (هر جریب 4047 مترمربع) است، و هنگام ظهر در یک روز صاف آفتابی 5000 اسب بخار در هر جریب از طریق اتمسفر (فضای اطراف زمین) به سطح زمین منتقل می‌شود. ارزش تئوری نیروی برقی که در اثر تابش نور خورشید به سطح 133 مایل مربع که به شهر فیلادلفیا می‌تابد معادل نیروی برق تولید شده توسط صد واحد از نیروگاههای نصب شده در آبشار نیاگارا است. انرژی خورشیدی که در منطقه صحرا (Sahara Desert) در طول مدت یک روز دریافت و معادل مقدار نیروی برقی است که از طریق سوخت 6 میلیون تن ذغال سننگ تولید می‌شود. هیچکس فکر نمی‌کند کل ارزش تئوری انرژی حرارتی که از خورشید به زمین می‌رسد قابل تبدیل به نیروی مکانیکی باشد. دیگ‌های بخار و موتورهای بخار سال‌های متمادی ساخته شده‌اند و هیچگونه دیگ یا موتوری ساخته نشده است که بتواند همه حرارتی را که ذغال سنگ تولید می‌کند به نیروی برق واقعی تبدیل کند. ارزش حرارتی یک تن ذغال سنگ 12760 اسب بخار ساعت است ولی بالاترین راندمان از احتراق یک تن ذغال سنگ در یک دیگ یا موتور بخار معادل 1470 اسب بخار ساعت یعنی 5/11 درصد ارزش حرارتی این سوخت است. استفاده از اشعه خورشید برای تولید برق رؤیای مبهمی نیست و نشانگر این حقیقت است که در حال حاضر نیروگاه خورشیدی با راندمان 32/4 درصد یعنی بیش از یک سوم راندمان بهترین نیروگاه بخاری- ساخته شده و در حال بهره‌برداری است.
دکتر چارلز گری لی ابت (Dr. Charles Greeley Abbot) دبیر مؤسسه سمیت سونین و مقام برجسته جهان در زمینه تشعشعات خورشید اعلام می‌کند: طولی نخواهد کشید که ما به توانیم یک روش قابل اجرای تجارتی برای کنترل اشعه خورشید پیدا کنیم. وی می‌گوید: احتمالاً‌موفقیت مالی در انتظار شخصی است که بتواند مسائل مربوط به جمع‌آوری حرارت خورشیدی را برای تولید برق حل کند. به نظر می‌رسد که احتمالاً تا زمان نسل بعدی تقاضای برق به سمت انرژی خورشیدی به عنوان دسترس‌ترین منبع تأمین برق حرکت خواهد کرد.
بیش از 2000 سال قبل تعدادی از دانشمندان درمورد اشعه خورشید به منظور متمرکزکردن آن برای بهره‌برداری و منافع خود از اطلاعات کافی برخوردار بودند. یک داستان کلاسیک درمورد دانشمند و فیلسوف مشهور ارشمیدس نقل می‌کند: وقتی که ناوگان رم در حال حمله به سیرکوس Syracuse بود ارشمیدس با متمرکز کردن اشعه خورشید به وسیله آینه‌های نصب شده در ساحل، کشتی‌های جنگی را به آتش کشید. در سال 1747 Buffon طبیعت شناس فرانسوی اولین آزمایشات علمی مشهور خود را درمورد بهره‌برداری از انرژی خوشیدی انجام داد. وی بیش از 300 آئینه شیشه‌ای کوچک را روی یک چارچوب طوری نصب کرد که هر یک از آنها بطور جداگانه قابل تنظیم بودند. بنابراین کلیه آئینه‌ها می‌توانستند شعاع‌های نور خورشید را در یک فاصله معین متمرکز کنند. با این وسیله وی قطعه چوبی را که در فاصله 200 فوتی قرار داشت آتش زد و فلز نقره را در فاصله یک دهم فاصله قبلی ذوب کرد. چند سال بعد Hoesen مکانیسین، آیینه‌ای به قطر 10 فوت ساخت که اشعه متمرکز آن سکه را فوراً ذوب می‌کرد. امروزه یعنی دو قرن دیرتر دانشمندان هنوز به شیشه‌های سوزاننده علاقمند هستند. دکتر جرج ائی هپل ستاره‌شناس رصدخانه مونت ویلسون در کالیفرنیا اخیراً وسیله پانزده فوتی با 30 عدد لنز اختراع کرده است که 6000 درجه سانتی‌گراد حرارت تولید می‌کند. این وسیله با همان سرعتی که شعله اجاق گاز کره را ذوب می‌کند می‌تواند سیم فولادی را ذوب کند.
حدود بیست سال بعد از آزمایشات بوفن (Buffon)، یک دانشمند سوئیسی بنام H.B.de Saussune یک جعبه گرم خورشیدی اختراع کرد. وی یک جعبه کوچک چوبی ساخت و با رنگ مشکی داخل آن را سیاه کرد و آن را با دو صفحه شیشه‌ای مسطح که بین آنها هوا وجود داشت پوشاند. ولی مشخص نشد که وقتی وی آنرا در معرض نور خورشید قرار داد درجه حرارت آن چقدر بالا رفت. ولی وقتی که در سال 1837 سرجان هر شل از جعبه‌‌ای مشابه این جعبه در کیپ‌تان استفاده کرد درجه حرارت تولیدی آن به 240 درجه فار نهایت رسید. سرجان تعجب کرد که همسایگان او از این دستگاه برای پختن تخم‌مرغ و گوشت و سبزیجات استفاده می‌کنند. بنابراین به نظر می‌رسد که جعبه داغ و معمولی وی نوعی خوراک‌پز خورشیدی بود که در سال‌های اخیر دکتر ابت Abbot آنرا با راندمان بیشتر توسعه داد. دی ساژر و هرشل از اینکه ثابت کردند که جمع‌آوری حرارت خورشیدی امکان‌پذیر است راضی بودند. در سال 1874، آگوست موچت مهندس برجسته فرانسوی و بزرگ‌ترین مهارکننده انرژی خورشیدی گام بزرگی در تاریخ انرژی خورشیدی برداشت. او برای تولید بخار آب در بویلر (دیگ بخار) از تشعشعات متمرکز و منعکس شده خورشید استفاده کرد و این بخار آب را برای راه‌اندازی موتور کوچکی بکار برد.
دستگاه موچت اولین نیروگاه خورشیدی بود که شامل دو بخش اصلی یعنی رفلکتور (منعکس کننده نور) و بویلر (دیگ بخار) است. این رفلکتور شامل مخروط مسی بی سروته است که با لایه نازکی از نقره پوشش داده شده است شبیه لامپ و آباژور بزرگ بود. این دستگاه 32 اینچ عمق داشت و قطر آن در قسمت تحتانی 40 اینچ و در قسمت دهانه 102 اینچ با یک اهرم دست‌ساز جابجا کردن رفلکتور در جهت حرکت نور خورشید امکان‌پذیر بود. در قسمت تحتانی آن بویلر نصب شده بود که از استوانه‌ای به رنگ سیاه و از جنس مس و به ضخامت یک دهم اینچ و یازده اینچ قطر و سی دو اینچ طول بود که توسط استوانه شیشه‌ای به قطر چهار اینچ بزرگ‌تر احاطه شده بود.
فضای بین بویلر و استوانه شیشه‌ای از لایه‌ای به ضخامت دو اینچ هوای گرم پرشده بود. در داخل بویلر یک استوانه مسی با قطر کمتر وجود داشت که طول آن بیست اینچ بود و دو لوله تغذیه و بخار در داخل داشت. در فضای بین دو استوانه مسی 21 پیمانه آب (هر پیمانه تقریباً معادل یک لیتر است) می‌توانست گرم شود و بخار آب حاصل در محفظه بخار با ظرفیت حدود 10 پیمانه وارد می‌شد. در یک روز کاملاً آفتابی اشعه خورشید بوسیله رفلکتور روی بویلر (دیگ بخار) متمرکز شد و در مدت چهل دقیقه فشار بخار آبی معادل سی (30) پوند در هر اینچ مربع تولید کرد. این فشار به 75 پوند در هر اینچ مربع (که حد ایمنی این بویلر است) به سرعت افزایش یافت. در یک روز بسیار گرم این دیگ بخار بیش از پنج پیمانه از آب را در مدت یک ساعت تبخیر کرد و موتور کوچک و پمپی را به حرکت درآورد و نیم اسب بخار انرژی تولید کرد.
موچت Mouchot با کمک مالی دولت فرانسه به مدت بیست سال آزمایش‌های تولید برق خورشیدی را ادامه داد. یکی از دستگاههای بعدی دو بویلر داشت که از چندین لوله در کنار یکدیگر ساخته شده بود. وقتی که از این دستگاه در طول مدت یک آزمایش به عمل آمد، مشخص شد که این بویلر با راندمان 49 درصد عالیترین بویلر است. بعضی از دستگاههای این دانشمند برای پمپاژ آب در الجزیره با موفقیت مورد استفاده قرار گرفت.
در آمریکا جان اریکسن مهندس متولد سوئد با کوششی فراوان درمورد مسئله تولید برق ارزان از انرژی خورشیدی فعالیت کرد. در سال 1883 او در نیویورک یک نیروگاه خورشیدی ساخت که هزینه قابل توجهی نداشت و از راندمان بسیار خوبی برخوردار بود. دستگاه بازتاب کننده (منعکس کننده) او شامل ظرف مستطیلی شکل به ابعاد یازده و شانزده فوت بود که از تخته‌های خمیده که توسط کمره‌های آهنی قوسی شکل محکم شده بودند ساخته شده بود.
به این تخته‌های خمیده آئینه‌هائی متصل بود که از شیشه معمولی که سطح زیرین آنها آب نقره داده شده تهیه شده بودند. ظرف چوبی مذکور به دور محوری می‌چرخید به طوریکه حرکت خورشید را دنبال کند. این ظرف به وسیله یک پایه فولادی محافظت می‌شد که به آن یک آب گرمکن به قطر شش و یک چهارم اینچ و طول
11 فوت متصل شده بود. اشعه خورشید به وسیله رفلکتور روی آب گرمکن متمرکز شده و بخار آب تولید شده یک موتور را به حرکت در می‌آورد. اریکسن وقتی که این دستگاه را ساخت هشتاد سال داشت. در صورتی که وی در آن زمان جوانتر بود احتمال داشت این دستگاه را با راندمان بسیار بالا توسعه دهد.
سایر مخترعین درمورد این مسئله فعالیت خود را ادامه دادند. در سال 1904 ساکنین منطقه Pasadena از نصب بزرگ‌ترین و قوی‌ترین ژنراتور خورشیدی مجهز به آینه که تابحال ساخته شده است متعجب شدند. ابتکار یک مرد انگلیسی بنام AubreyG. Eneas که در بوستون زندگی می‌کرد، رفلکتور مخروطی به قطر 36 فوت و به وزن بیش از 4 تن بود که به وسیله موتور ساعت حرکت می‌کرد به طوریکه همیشه در جهت خورشید متمرکز بود. بویلر این دستگاه از دو لوله فولادی متحدالمرکز درون دو لوله شیشه‌ای که بین آنها هوا وجود داشت و طول آن سیزده فوت و شش اینچ بود و در محور رفلکتور قرار داشت تشکیل شده بود. آب بین لوله‌های فولادی در گردش بود. حدود سیزده و نیم فوت مربع نور خورشید بر روی هر یک فوت مربع سطح خارجی این بویلر متمرکز می‌شد. این دستگاه حدود چهار درصد اشعه خورشید را به کار مکانیکی تبدیل می‌کرد و در طول یک روز بطور میانگین 5/2 اسب بخار انرژی تولید می‌کرد و Eneas چندین دستگاه مشابه ساخت که برای پمپاژ آب در جنوب کالیفرنیا و آریزونا مورد استفاده قرار گرفت. فرانک شومن از فیلادلفیا نسبت به سایر توسعه‌دهندگان نیروگاه خورشیدی به روش موفق تولید برق تجاری نزدیک‌تر شد. او کار خود را در سال 1906 براساس فن‌آوری جعبه گرم شروع کرد و چندین نیروگاه آزمایشی موفق ساخت. در سال 1911 سرمایه‌داران انگلیسی در این زمینه علاقمند شدند و سال بعد برای ساختن نیروگاه خورشیدی بزرگی در مصر از وی دعوت به عمل آمد. پرفسور سی وی بویز، فیزیک‌دان انگلیسی از ابزارهای دقیقی استفاده کرد و آ.اس.ائی. اکرمن مهندس مشاور انگلیسی در این زمینه با شومن همکاری کرد. طبق پیشنهاد پرفسور بویز طراحی لوازم جذب کننده نور خورشید از جعبه داغ قدیمی به رفلکتور چیزی شبیه دستگاهی که اریکسن مورد استفاده قرار داد تغییر داده شد. دیگ‌های بخار روی لبه‌ای در مرکز برخورد اشعه از رفلکتورهای قرار داده شدند تا از دو طرف آنها اشعه دریافت شود و دیگ‌های بخار مذکور بوسیله لایه شیشه‌ای پوشیده شدند. هر یک از رفلکتورها که شبیه کانال بودند و بویلر آن‌ها 205 فوت طول داشت پنج رفلکتور به طور اتوماتیک از یک طرف کج می‌شدند بطوریکه می‌توانستند در تمام طول روز مسیر نور خورشید را دنبال کنند. نور آفتاب از سطح کل 13269 فوت مربع دریافت می‌شد و حداکثر مقدار بخار آب تولید شده 12 پوند در 100 فوت مربع معادل یک اسب بخار در 183 فوت مربع نور آفتاب بود. حداکثر بازده برای یک ساعت عملکرد دستگاه پنجاه و پنج و نیم اسب بخار بود یعنی حدود ده برابر برق تولیدی که قبلاً توسط یک نیروگاه خورشیدی تولید می‌شد و معادل 63 اسب بخار در هر جریب از زمین بود.
در سال 1916، دکتر ابوت (Abbot) ضمن مشاهده اشعه خورشید در رصدخانه مونت ویلسون در کالیفرنیا یک غذاپز خورشیدی ساخت که در طول شبانه‌روز (بیست و چهار ساعت) آماده سرویس‌دهی بود.

دستیابی به تکنولوژی طراحی نیروگاه‌های خورشیدی در کشور
یکی از مهمترین پروژه¬های در دست اجرای دانشگاه شیراز، نیروگاه خورشیدی شیراز می-باشد. دکتر یعقوبی عضو هیأت علمی دانشگاه شیراز و مسئول پروژة نیروگاه خورشیدی شیراز در جلسه¬ای با دفتر پژوهش¬های انرژی و محیط زیست دانشگاه صنعتی شریف به تشریح فعالیت¬های دانشگاه شیراز در زمینة انرژی¬های تجدیدپذیر و نیروگاه خورشیدی شیراز پرداخت که مطلب زیر خلاصة دیدگاه¬های وی است:
فعالیت¬های دانشگاه شیراز:

حدود 30 سال پیش آقای دکتر بهادری¬نژاد مرکزی را به ناممرکز انرژی خورشیدیدر دانشگاه شیراز تأسیس کردند. از آن زمان تحقیقات در بخش¬های مختلف انرژی خورشیدی در دانشگاه شیراز انجام می¬گیرد.پروژه¬هایی مانند فتوولتائیک و انواع کلکتورهای خورشیدی از مواردی هستند که در مرکز انرژی خورشیدی به آنها پرداخته شده و تحقیق و فعالیت در این زمینه¬ها هنوز هم ادامه دارد.

اواخر سال 52 از طرف وزارت نیرو، پروژه¬ای تحت عنوان ساخت نیروگاه خورشیدی تعریف شد که آقای دکتر بهادری¬نژاد مسئول آن بودند. قبل از اجرای پروژه، انقلاب اسلامی بوقوع پیوست و طرح متوقف گردید. در سال 73 وزارت نیرو ساخت نیروگاه¬های خورشیدی را جزء برنامه¬های خود قرار داد. دانشگاه شیراز در این زمینه پیشنهادی ارایه داد که مورد موافقت قرار گرفت. به این ترتیب طراحی و ساخت نیروگاه به دانشگاه شیراز واگذار شد. این پروژه از نظر تکنولوژی و وسعت کار، اولین پروژة پایلوت¬ است که در این حجم در کشور و حتی در کشورهای منطقه انجام می¬شود.

پروژه¬های دیگری نیز در زمینة انرژی¬های تجدیدپذیر در دانشگاه شیراز انجام می¬شود که بیشتر جنبة تحقیقاتی دارند.
نیروگاه خورشیدی شیراز:

نیروگاه خورشیدی شیراز از نوع سهموی خطی است و ظرفیت آن 250 کیلووات می¬باشد. در این نیروگاه 48 عدد کلکتور خورشیدی وجود دارد که طول و عرض آنها به ترتیب 25 متر و 3.5 متر می¬باشد. در حال حاضر قسمت اعظم طراحی نیروگاه به اتمام رسیده است. سازة کلکتورهای سهموی ساخته شده و کارهای ساختمانی نیروگاه نیز تمام شده است.

طراحی همة بخش¬های نیروگاه توسط دانشجویان و فرهیختگان دانشگاه شیراز انجام گرفته و فقط توربین آن از خارج وارد خواهد شد. دلیل آن هم این است که در داخل کشور توربین نیروگاه بخار ساخته نمی¬شود.

برای ساخت نیروگاه 7 قرارداد مختلف منعقد شده است که همة پیمانکاران طرف قرارداد، داخلی هستند. پیمانکاران، عهده¬دار خرید، ساخت و نصب تجهیزات مورد نیاز می¬باشند. در هر مورد دستور کار و روش ساخت در اختیار پیمانکاران قرار می¬گیرد، ولی به دلیل تازه بودن کار، پیمانکار نیز باید مطالعاتی در اینزمینه داشته باشد.اگر تجهیزات به موقع آماده شود، امید می¬رود نیروگاه سال آینده شروع به کار کند.
مشورت با کارشناسان خارجی پس از اتمام طراحی:

به دلیل محرمانه نبودن اطلاعات نیروگاه¬های خورشیدی در دنیا، دسترسی به مستندات طرح¬های موجود در این زمینه امکان¬پذیر می¬باشد. هر چند در طراحی نیروگاه شیراز از منابع فوق استفاده شده، ولی همة طراحی¬ها توسط دانشجویان کارشناسی و کارشناسی ارشد این دانشگاه انجام گرفته است. البته کارشناسان باتجربة داخلی نیز در ساخت تجهیزات و طراحی تفصیلی نقش داشته¬اند. پس از اتمام طراحی، از متخصصان آلمانی برای مشورت دعوت به عمل آمد که طراحی¬های انجام گرفته مورد تأیید قرار گرفت. فقط در چند مورد راجع به پایه¬های آیینه¬ها از نظر طول عمر مشکل وجود داشت که اصلاحاتی در این زمینه به عمل آمد.

برای انجام پروژه¬های مشابه می¬توان از تجربة دانشجویانی که در طراحی نیروگاه شیراز نقش داشتند استفاده کرد. اگر وزارت نیرو یا هر سازمان دیگری، در زمینة ساخت نیروگاه¬های خورشیدی فعالیت کند، می¬تواند از افرادی که در طراحی نیروگاه شیراز دخیل بودند، کمک بگیرد.
تحلیل:

تا به حال برای دو پروژة محوری (نیروگاه خورشیدی شیراز و نیروگاه خورشیدی طالقان) در بخش تولید برق خورشیدی اقدامات قابل توجهی صورت گرفته است. نیروگاه طالقان از نوع برج دریافت¬کنندة مرکزی و نیروگاه شیراز از نوع سهموی خطی می¬باشد. اهمیت ساخت نیروگاه شیراز در دستیابی به تکنولوژی آن است. با توجه به اینکه همة طراحی¬ها در داخل انجام شده، بنابراین می¬توان گفت که تکنولوژی طراحی نیروگاه¬های خورشیدی در کشور موجود می¬باشد.در سایر نقاط دنیا ساخت نیروگاه¬های سهموی به حد صرفة اقتصادی رسیده است و می¬تواند با نیروگاه¬های رایج رقابت کند؛ به شرطی که ظرفیت آن 30 مگاوات یا بیشتر باشد. بنابراین با توجه به در دست داشتن تکنولوژی طراحی نیروگاه¬های خورشیدی در داخل کشور و توجیه اقتصادی آنها در مقیاس¬های بزرگ، می¬توان به سرمایه¬گذاری در این بخش در آینده امیدوار بود

منبع : ماهنامه بولتن بین الملل