دانلود مقاله نیروگاههای خورشیدی

ور 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.

نور خورشید، بزرگ‌ترین منبع پتانسیل انرژی ما اکنون تلف می‌شود.

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.

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.