فصل اول
مقدمه
محدود بودن سوخت های فسیلی بر روی زمین و همچنین اثرات سوئی که در ارتباط با استفاده از انرژی هسته ای وجود دارد بشر را بر آن داشت تا بدنبال یک منبع انرژی دیگر برای ادامه حیات خود در روی زمین باشد برای ادامه حیات بشر می تواند دو راه را در پیش گیرد اول اینکه به دنبال راهی برای کنترل همجوشی هسته ای باشد و دوم اینکه بتواند از انرژی خورشید که سرچشمه تمام انرژی های روی زمین است استفاده کند.
استفاده از انرژی خورشید سابقه تاریخی زیادی دارد البته این استفاده بیشتر محدود به انرژی گرمایی خورشید بوده است. در فصل دوم به طور مختصر در این رابطه مطالبی ارائه شده است.
در فصل سوم به طور مختصر در مورد ساختار ملکولی موادی بحث شده است که در مبحث فتوولتائیک استفاده می شوند.
در فصل چهارم کاربردهای انرژی خورشیدی در دنیای امروز آورده شده است. مبحث های این فصل در مورد فعالیت هایی است که در آنها از انرژی گرمایی خورشید استفاده
می شود.
در فصل پنجم مواردی که در عملکرد یک سیستم خورشیدی مؤثر می باشند مثل تشعشع خورشید، درجه حرارت، رطوبت و حرکت هوا اشاره و توضیح مختصری در رابطه با آنها آورده شده است.
فصل های ششم، هفتم، هشتم و نهم بیشتر به معرفی سلول های خورشیدی پرداخته شده است. اینکه سلول های خورشیدی چیست نیازهای یک سلول خورشیدی، این سلول ها چگونه ساخته می شوند و این که سلول های خورشیدی چگونه کار می کنند در فصل دهم اجزای یک مدار فتوولتائیک روش انتخاب آنها و توضیحاتی در مورد آنها آورده شده است. صفحه های خورشیدی، باتری، تبدیل کننده، شارژ کنترلر، اجزای اصلی این مدار هستند در فصل یازدهم و دوازدهم دسته بندی سلول های PV و انواع مختلف این سیستم ها ارائه شده است در فصل سیزدهم عملکرد این اعضاء در شرایط متغییر توضیح داده شده است شرایط محیط و تابش خورشید بر روی عملکرد این سلول ها تأثیر زیادی دارد. در فصل بعدی در مورد متمرکز کننده های نور خورشید و تأثیر استفاده از آنها بر روی صفحات خورشیدی آورده شده است.
در فصل های پانزدهم و شانزدهم در مورد صنعت PV و مطالعاتی که در حال حاضر در روی این صفحات در حال انجام است اشاره شده است در فصل نوزدهم مثال هایی از کاربرد فتوولتائیک ها در دنیای امروز آورده شده است. بیشتر این فعالیت ها منحصر به مکان هایی می شود که از شبکه برق دور هستند و آوردن شبکه برق محلی به این نقاط مقرون به صرفه نیست در فصل بیستم مقاله ای در مورد تحلیل استفاده از انرژی خورشیدی فتوولتائیک در یکی از شهرهای آمریکا آورده شده است که مقرون به صرفه بودن این سیستم را برای استفاده بررسی می کند.
فصل آخر در مورد طراحی و ساخت یک سیستم PV برای تولید برق DC و AC است در این فصل محاسبات لازم برای طراحی با مشخصات دقیق اجزای مدار آورده شده است این که این سیستم برای استفاده مقرون به صرفه است یا نه در فصل نتیجه گیری آورده شده است.
فصل دوم
نیروی خورشیدی در تاریخ
امروزه می‌دانیم که سرچشمه غالب گوناگون شکل‌های گوناگون انرژی مورد استفاده ما انرژی خورشیدی است . منشأ سوخت‌های فسیلی ، جریان آب ، باد ، جزر و مد همگی از انرژی خورشیدی مایه می‌گیرند . سوخت‌های فسیلی روبه پایانند . استفاده از انرژی جریان‌اب و باد و مانند آنها نمی‌توانند تمام انرژی مصرفی جهان را تامین کنند . استفاده ازسوخت‌های هسته‌ای از طریق واکنش‌های شکافت مواد رادیواکتیو موجود در طبیعت مخاطراتی را در بردارد که ادامه روز افزون آن به مصلحت انسان نیست و مهار واکنش همجوشی هسته‌ای هنوز امکان پذیر نشده است . انرژی پایان ناپذیری که در اختیار داریم انرژی خورشیدی است . اما وسایلی که تاکنون برای جمع‌اوری و استفاده از انرژی خورشیدی ساخته شه است هنوز برای ایجاد انرژی مصرفی ما کافی نیست و از طرف دیگر بسیار گران تمام میشود . با این وجود دانشمندان دو راه در پیش رو دارند : یکی کنترل واکنش‌های همجوشی هسته‌ای و دیگر یافتن راه های بهتر و ارزان‌تر از انرژی خورشیدی .
آن مقدار انرژی که از خورشید به زمین می رسد بسیار زیاد است ، مقدار کل این انرژی که در هر سال به صورت نور خورشید به زمین می‌رشد حدود 130 مرتبه بیشتر از مقدارانرژی موجود در زغال سنگ ، نفت ، و گاز همه دنیاست .
رومی‌ها خانه‌های کوچک شیشه‌ای ساخته بودند که می‌توانستند در درون آنها گیاهان را پرورش دهند . ممکن است هوای بیرون برای رشد گیاهان بسیار سرد باشد . اما اگر گرمای خورشید در درون این خانه‌های شیشه‌ای گیر بیفتد گیاهان به خوبی درون آنها رشد خواهند کرد . این ساختمان‌های شیشه‌ای خانه‌های سبز یا گل خانه می‌نامند . فرایندی که در اثر آن شیشه یا ماده‌ای دیگر گرما را به صورت گفته شده گیر می‌اندازد اثر گلخانه‌ای نامیده میشود .
یونانیان و چینیان باستان کشف کرده بودند که پرتوهای بازتابیده نور خورشید از یک قطعه فلز صیقلی کاو متمرکز می‌شوند و همه آنها در مرکز یا کانون به هم می‌رسند. اولین آینه‌های خمیده‌ای که برای این منظور مورد استفاده قرار گرفتند به شکل نیمکره بودند ، در حدود 230 سال پیش از میلاد ، ریاضی دان یونانی به نام دوسیتئوس نشان داد که آینه‌ای به شکل سهموی برای بازتاباندن پرتوها به یک نقطه بهتر عمل می‌کند . نورخورشید بازتابیده از سطح درونی یک سهموری در یک کانون به هم می رسند و دما در این نقطه بسیار زیاد خواهد بود . چنین آینه هایی کوره‌های خورشیدی نامیده می‌شوند .
در سال 1767 هوراس دو سسور دانشمند سوئیسی جعبه‌ای شیشه‌ای را طراحی کرد که یکی درون دیگری بود . هرکدام از این جعبه‌ها گرمای بیشتری را نسبت به جعبه بیرونی‌اش به دام می‌انداخت و درونی‌ترین جعبه به دمایی می‌رسید که برای جوشاندن آب کافی بود .
هرو مهندس یونانی در زمان نخستین امپراطوران روم دو ظرف طراحی کرد که به وسیله لوله ای به هم مربوط می شدند در یکی از ظرف ها آب بود و لوله ارتباط از ته این ظرف به بالای ظرف دوم متصل می شد. اگر ظرفی که در ته آن آب بود در برابر خورشید قرار می گرفت هوای درون ظرف منبسط می شد و آب را از میان لوله به ظرف بالایی می راند به این طریق نور خوزشید کار انجام می داد .
در سال 1891 کلارنس م کمپ مخترع امریکایی کپسول های از آب را درون جعبه ای قرارداد که با نمد پوشیده شده بود تا مانع از فرار گرما از جعبه شود. بالای جعبه از شیشه
ساخته شده بود و به این ترتیب او یک جعبه داغ در اختیار داشت. نور خورشید از میان شیشه عبور می کرد و آب درون جعبه گرم می شد ولی گرما نمی توانست به راحتی از نمد بگذرد. مردم چنین آبگرم کن های خورشیدی را در پشت بام خانه هایشان قرار دادند . لوله های آب را به درون خانه ها هدایت کردند.
فصل سوم
ساختار اتمی و تولید الکتریسیته
بیرون هسته مرکزی اتم ها یک یا چند ذره ریز به نام الکتورن وجود دارد هنگامی که این الکترون ها سست و از اتمی به اتم دیگر رانده می شوند جریان الکتریکی برقرار می شود. نور خورشید انرژی کافی دارد تاالکترون های بعضی از اتم ها را آزاد کند . در این حالت اگر موادی که شامل چنین اتم هایی هستند در معرض نور قرار بگیرند جریان الکتریکی ایجادخواهند کرد.
در سال 1873 شیمیدانی به نام ویلوبی اسمیت به طور تصادفی کشف کرد که فلز سلنیم وقتی که نور به ان می تابد جریان الکتریکی هدایت می کند .
در سال 1948 کشف شد که بعضی از مواد که در حالتهای عادی رسانای جریان الکتریکی نیستند می توانند الکترون ها یی از اتمهای خود خارج سازند. به این ترتیب آنها می توانند جریان را نسبتاً خوب هدایت کنند . به همین دلیل این مواد را نیمه رسانا می نامند . اگر نیمه رسانا از مواد بسیار خالصی ساخته شوند الکترون ها می توانند با سهولت خاصی از انها رها شده و تحت کنترل قرار بگیرند. این وسایل نیمه رسانا را ترانزیستور می نامند .
یکی از موادی که ترانزیستور ها می توانند از آنها ساخته شوند سیلسیم است . این ماده بسیار فراوان و از این لحاظ دومین ماده روی زمین است . در سال 1945 ، دانشمندان در آزمایشگاه بل مشغول کار با si بودند. هنگامی که آن را در معرض نور قرار دادند کاملاً به طور تصادفی متوجه شدند که جریان الکتریکی پدیدار می شود. si بسیار بهتر از سلنیم عمل می کرد. حدود4 درصد انرژی نور خورشید که بر si می تابد به الکتروسیته تبدیل
می شد. دانشمندان به کار بر روی si ادامه دادند و سرانجام نمونه ها از si را تولید کردند که 16 درصد انرژی نور خورشید را به الکتروسیته تبدیل می کرد . اما مشکلی بر سر راه وجود داشت اتم های si که تمام شن و سنگ دینا را می سازند به طور محکم به اتمهای اکسیژن متصلند . شکستن این پیوند ها و رها ساختن اتم های si کار سختی است و سلسیمی که از این راه به دست می آید بسیار گران است .
هر چند انرژی نور خورشید زیاد است ولی گستردگی مقدار ان در واحد سطح کم است این بزرگترین عیب نور خورشید در مقایسه با سوخت است. اگر بخواهید مقدار زیادی انرژی از سوخت به دست آورید می توانید مقدار زیادی چوب یا زغال سنگ یا نفت را در یک جا روی هم انباشته کنید ، اما نمی توانید این کار را با نور خورشید انجام دهید شما نمی توانید آن را روی هم انباشته کنید بلکه باید ان را از یک سطح وسیع جمع آوری کنید .
فصل چهارم
فعالیت های مرتبط با انرژی خورشیدی
برای به کار بردن سیستم های خورشیدی چندین عامل باید شناسایی شده و مورد بررسی قرار بگیرد
شناسایی موقعیت جغرافیایی یک نقطه برای تعیین کیفیت و کمیت انرژی دریافتی آن منطقه از خورشید (تعداد ساعات آفتابی و مشخصات تشعشع رسیده)
مقداری انرژی رسیده به واحد سطح در نقاط مختلف کره زمین .
فعالیت های مرتبط با انرژی خورشیدی به سه بخش تقسیم می شود :
1- فتوولتائیک
2- کلتورهای تخت
3- دریافت کننده های مرکزی
در پانل های فوتوولتائیک انرژی تابشی مستقیم به الکتریستیه تبدیل می شود ولی در دو مورد دیگر تابش خورشیدی بادریافت کننده ها جذب و بخار مورد نیاز سیکل ترمودینامیکی را تامین می کند .
کاربردهای انرژی خورشیدی بسیار متنوع است و سیستم های خورشیدی کاربرد وسیعی دارند از جمله : آب گرم خورشیدی ، استخر خورشیدی ، سرمایش و گرمایش خورشیدی ، تولید نیروی برق .
از میان کاربردها ی حرارتی خورشیدی سیتم های آبگرم و گرمایش چه به لحاظ تکنولوژی و چه به لحاظ برآورد های اقتصادر در مقایسه با سایر کاربردهای حرارتی انرژی خورشیدی در جهان بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. دلیل این ارجحیت این است که سیستم های آبگرم و گرمایش خورشیدی به دمای متوسط نیاز دارند واین دماها با استفاده از گرد آورنده های تخت که هزینه کمتری نسبتً به سایر گرد آورنده هادارند تامین می شود .
4-1 سیستم های گرمایش خورشیدی آبی و هوایی
آنچه در طراحی و تولید تجهیزات گرمایش و آبگرم خورشیدی باید مورد توجه قرار بگیرد آن است که ساده و ارزان بوده و به آسانی قابل کوپله شدن با سیستم گرمایش سنتی باشد. عناصر این سیستم شامل : یک گرد اورنده تخت خورشیدی که یک ورق تیره رنگ است که به وسیله تابش کلی خورشید حرارت می یابد و حرارت خود را به سیال جذب کننده حرارت که در حال جریان است منتقل می کند این سیال آب و یا هوا است .
سیستم معمولاً دارای یک مخزن ذخیره است تا حرار ت خورشیدی را برای استفاده در شب ممکن نماید .
در مدار گرد آورنده این سیستم معمولاً از محلول آب و گلیکول استفاده می شود. برای انتقال گرما از تانک ذخیره به ساختمان از یک مبدل گرمایی آب به آب استفاده شده است . یک گرم کن کمکی برای تهیه انرژی جهت تامین بار گرمایی فضا هنگامی که نتوان آن را از تانک تامین نمود پیش بینی شده است .
زاویه گرد اورنده با افق جهت دریافت بهینه مشخصات خورشیدی طبق جداولی می باشد ولی می تواند به طور کلی در هر منطقه این زاویه را برابر عرض جغرافیایی آن منطقه قرار دارد.
4-2 خشک کردن
هوای گرم شده به وسیله تابش خورشید از محیط های بسته حاوی مواد خشک کردنی به روش سیرکولاسیون طبیعی یا اجباری عبور داده می شود تا با این عمل رطوبت مواد موجود در محفظه گرفته و خارج شود .
4- 3 استخر خورشیدی
یک استخر خورشیدی یک کلکتور خورشیدی مسطح و افقی برای جذب تابش خورشید در ته یک استخر با عمق 1الی 2 متر برای تولید حرارت در دمای پایین است. هنگامی که انرژی خورشید وارد استخر می شود طیف مادون قرمز تا عمق چند سانتی متری آب جذب می شود زیرا که آب برای تابش های با طول موج بلند جسم کدر محسوب می شود و طیف مرئی و ماوراء بنفش تا عمق چند متری نفوذ می کند. این طیف ها توسط سطوح تیره رنگی در قسمت زیرین جذب می شوند و در نتیجه پایین آمدن چگالی میل به بالا رفتن پیدا می کند .
در استخر های خورشیدی آب های زیرین را سنگین تر می سازند. این عمل را به وسیله حل کردن نمک در آب انجام می دهند و در نتیجه در استخر در صورت متناسب بودن گردایان چگالی این جریان رخ نمی دهد. با توجه به اینکه آب های ساکن
عایق های خوبی هستند می توان از این خاصیت استفاده کرد و از لایه های زیرین برای تهیه آب گرم بهره گرفت.
برای اینکه غلظت آب شور در قسمت بالایی همواره پایین نگه داشته شود آب تازه را از طرفی وارد و آب شور را از طرف دیگر خارج می کنند. آب گرم را از قسمت زیرین استخر می توان دریافت داشت و پس از مصرف دوباره آن را به ته استخر برگرداند .
4-4 نیروگاه های خورشیدی :
در حال حاضر عمدتاً دو نوع نیروگاه حرارتی خورشیدی در جهان مطرح است :
نوع اول : سیستم سهوی خطی یا پارابولیک تراف PTC
نوع دوم : سیستم برج مرکزی CRS
نوع اول از شرایط اقتصادی بهتر و از تکنولوژی جا افتاده تر ی بهره مند است به طوری که تاکنون بیش از 350 مگاوات از آن تاسیس و راه اندازی شده است
نوع دوم علیرغم مزایای تولید برق بیشتر و نیاز به زمین کمتر ، از تکنولوژی پیچیده تری که ناشی از کارکرد در دمای بالا است سودمی برد و لذا هنوز به کار تحقیقاتی زیادی نیاز دارد .
فصل پنجم
عملکرد سیستم خورشیدی
عملکرد سیستم خورشیدی به آب و هوای محل نصب سیستم بستگی دارد و تنها با شناسایی کامل آب و هوای منطقه می توان یک سیستم مناسب برای آن محل طراحی کرد . زمان و شدت تابش خورشید ، باد ، باران ، درجه حرارت ، رطوبت و .... عامل مشخص کننده آب و هوا در هر نقطه می باشد و در بین انها عامل مهم عبارتند از : تشعشع خورشید ، درجه حرارت ، رطوبت و حرکت هوا . هر یک از این عناصر شرایط خاصی را در طراحی سیستم های خورشیدی وجود می آورند لذا قبل از طرح سیستم خورشیدی برای یک محل عناصر آب و هوا در آن محل را باید کاملاً بررسی کرد .
5-1 تشعشع خورشید :
چشم انسان می تواند اشعه هایی با طول موج بین مادون قرمز و ماوراء بنفش را مخصوصاً بین طول موج 39/ تا 76/ میکرون به عنوان نور خورشید دریافت کند در حالی که تشعشع خورشید عبارت است از اشعه های الکترو مگنتیک با طول موج بین 24/ تا 3 میکرون. در مبحث تشعشع خورشید 4 مسئله مورد توجه عبارتند از : مقدار ثابت خورشید ، شدت تابش ، انحراف محورزمین و شرایط اتمسفر یک .
1. مقدار ثابت خورشید : شدت تشعشع در سطح بالای اتمسفر مقدار ثابت خورشید نامیده می شود .به طور خلاصه مقدار انرژی که از خورشید به یک متر مربع از سطح خارجی اتمسفر می رسد تابش خورشید نامیده می شود . مقدار شدت تشعشعی که به سطح زمین می رسد کمتر از مقدار ثابت خورشید بوده و در تمام جهات به صورت اشعه های مستقیم (مواز ی) و اشعه های پراکنده می تابد. تشعش خورشید علاوه بر اشعه های مستقیم و پراکنده به صورت اشعه های منعکس شده از اجسام و زمین مجاور نیز دریافت می شود. برای ساخت یک سیستم خورشیدی باید از این سه نوع اشعه خورشید بهره گرفت .