خورشید، گوی غول پیکر درخشانی در وسط منظومه شمسی و تامین کننده نور، گرما و انرژی های دیگر زمین است. تقریبا تمامی منابع انرژی روی زمین بوسیله خورشید تامین می گردد. فقط انرژی اتمی، انرژی داخل زمین و آن قسمتی از انرژی جذر و مد که بوسیله نیروی جاذبه ماه می باشد بوسیله خورشید تامین نمی شود.
انرژی خورشید به واسطه واکنش های ترکیبی اتمی در اعماق هسته آن تامین می شود. در یک واکنش ترکیبی دو هسته اتم با یکدیگر همراه شده و هسته ای جدید را به وجود می آورند.ترکیب هسته ای در مرکز خورشید به دلیل دما و تراکم فوق العاده زیاد می تواند صورت پذیرد. از آنجائیکه بار ذرات مثبت است، تمایل به دفع یکدیگر دارند اما دما و تراکم هسته خورشید به قدری زیاد است که می تواند آنها را در کنار یکدیگر نگاه دارد.رایج ترین ترکیب هسته ای در مرکز خورشید زنجیره پروتون-پروتون نام دارد. این فرایند زمانی انجام می گیرد که ساده ترین شکل از هسته های هیدروژن (دارای یک پروتون) در یک آن کنار هم قرار می گیرند. نخست، هسته ای متشکل از دو ذره به وجود می آید، سپس هسته ای با سه ذره و در نهایت هسته ای با چهار ذره شکل می گیرد. در این فرایند همچنین یک ذره الکتریکی خنثی به نام نوترینو پدیدار می گردد.هسته نهایی شامل دو پروتون و دو نوترون است که در واقع هسته هلیوم می باشد. جرم این هسته به مقدار بسیار اندکی کمتر از جرم چهار پروتونیست که هسته از آن تشکیل شده است. جرم از دست رفته به انرژی تبدیل شده است. این مقدار از انرژی به کمک فرمول مشهور فیزیکدان آلمانی، آلبرت انیشتین، E=mc2 قابل محاسبه است. در این معادله E به معنای انرژی، m به معنای جرم و cبه معنای سرعت نور می باشد.
خورشید کره ای است که به طور کامل از گاز تشکیل شده و بخش بیشتر این گاز از نوعی می باشد که به نیروی مغناطیسی حساس است که دانشمندان به آن پلاسما می گویند.شعاع خورشید (فاصله بین مرکز تا سطح آن) حدود 695.500 کیلومتر، تقریبا 109 برابر شعاع زمین است.دمای سطح خورشید 5800 درجه کلوین و دمای هسته خورشید بیش از 15میلیون درجه کلوین می باشد.جرم خورشید 99.8 درصد از جرم کل منظومه شمسی و 333.000 برابر جرم زمین است.میانگین چگالی آن حدود 90 پوند در هر فوت مکعب و یا 1.4 گرم در هر سانتیمتر مکعب می باشد. این مقدار تقریبا معادل 1.4 برابر چگالی آب و کمتر از یک سوم میانگین چگالی زمین است.بیشتر اتمهای خورشید، مانند اغلب ستارگان، اتمهای عنصر شیمیایی هیدروژن می باشند. بعد از هیدروژن، عنصر هلیوم در خورشید بسیار یافت می شود و بقیه جرم خورشید از اتمهای هفت عنصر دیگر تشکیل شده است. به ازای هر 1 میلیون اتم هیدروژن در کل خورشید، 98.000 اتم هلیوم، 850 اتم اکسیژن، 360 اتم کربن، 120 اتم نئون، 110 اتم نیتروژن، 40 اتم منیزیوم، 35 اتم آهن و 35 اتم سیلیکون وجود دارد. بنابراین حدودا 94 درصد از اتمها، هیدروژن و حدود 0.1 درصد اتمهایی غیر از هیدروژن و هلیوم می باشند.اما از لحاظ جرمی هیدروژن که سبک ترین عنصر است 73.46 درصد، هلیوم 24.85 درصد، اکسیژن 0.77 درصد، کربن 0.29 درصد، آهن 0.16 درصد، گوگرد0.12 درصد، نئون 0.12 درصد، نیتروژن 0.09 درصد، سیلیکون 0.07 درصد و منیزیوم 0.05 درصد از کل جرم خورشید را به خود اختصاص داده اند.طبق برآوردهای علمی در حدود 4.5 بیلیون سال از تولد این گوی آتشین می گذرد و تا 5 میلیارد سال آینده همچنان می توان آن را به عنوان یک منبع عظیم انرژی به حساب آورد.
تاریخچه انرژی خورشیدی
کاربرد انرژی خورشیدی به قرن هفتم قبل از میلاد مسیح باز می گردد. از انرژی خورشیدی برای گرمایش، پخت و پز، روشنائی و روشن نمودن آتش استفاده می کردند. یونانیان و رومیان باستان معماری هایی را برای استفاده از نور و گرمایش انرژی خورشیدی در داخل ساختمان خود داشته اند.
قرن هفتم قبل از میلاد مسیح: مردمان باستان از ذره بین برای تمرکز نور خورشید جهت روشن نمودن آتش استفاده می کردند.
قرن سوم قبل از میلاد مسیح: رومیان و یونانیان با استفاده از آینه مشعل‌های خود را روشن می نمودند.
قرن دوم پیش از میلاد مسیح: ارشمیدس دانشمند یونانی با استفاده از بازتابش نور خورشید از سپری برنزی و متمرکز نمودن نور خورشید توانست کشتی های چوبی دشمنان را آتش بزند.
بیست سال بعد از میلاد مسیح: مردمان چین از آینه برای روشن نمودن مشعل‌های خود استفاده کردند.
قرن یک تا چهارم میلادی: رومیان حمام‌های خانه های خود را به گونه ای طراحی نمودند که از نور خورشید برای گرم شدن آب بهره ببرند.
قرن سیزدهم میلادی: اجداد پوئبلو در آمریکای شمالی خانه های صخره ای خود را رو به جنوب ساختند تا از گرمای خورشید در زمستان بیشتر بهره ببرند.
در سال 1767 میلادی: دانشمندی سوئیسی اولین کلکتور خورشیدی را ساخت.
در سال 1816 میلادی: رابرت استرلینگ وزیر اسکاتلندی اختراع خود را برای پیش گرمکن موتور حرارتی به ثبت رساند. بعدها از این اختراع او در تولید الکتریسیته بوسیله حرارت انرژی خورشیدی بهره گرفتند.
در سال 1839 میلادی: ادموند بکرل دانشمند فرانسوی اثر فتوولتائیک را کشف نمود. او هنگام کار با پیل الکترولیز که با دو الکترود فلزی در محلول الکترولیت خود بود به این نتیجه رسید که وقتی در معرض نور خورشید قرار می گیرد میزان تولید برق افزایش می یابد.
در سال 1860 میلادی: ریاضیدان فرانسوی August Mouchet کار بر روی موتور بخار خورشیدی را آغاز کرد. بعد از 20 سال او و دستیارش Abel Pifre موتورهایی را ساختند که نمونه های مدرن آن در حال حاضر در کلکتورهای سهموی خطی استفاده می گردد.
سال 1873 میلادی: Willoughby Smith قابلیت هدایت نور سلنیوم را کشف نمود.
سال 1876 میلادی: William Grylls Adams و Richard Evans Day کشف کردند که وقتی سلنیوم در مقابل نور خورشید قرار می گیرد برق تولید می کند.
سال 1880 میلادی: Samuel P. Langley بولومتر را اختراع نمود که نور ستاره های دور دست را به خوبی اشعه های حرارتی خورشید اندازه گیری می نمود.
سال 1883 میلادی: Charles Fritts آمریکایی به ایده ساخت سلولهای خورشیدی از ویفر سلنیوم فکر کرد.
سال 1887 میلادی: هاینریش هرتز کشف کرد که اشعه ماورا بنفش کمترین ولتاژ را برای جرقه زدن بین دو الکترود لازم دارد.
سال 1891 میلادی: اولین آب گرمکن خورشیدی توسط کلارنس آمریکایی ثبت اختراع گردید.
سال 1904 میلادی: Wilhelm Hallwachs کشف کرد که مس و اکسید مس در کنار یکدیگر حساسیت نسبت به نور نشان می دهند.
سال 1905 میلادی: آلبرت انیشتین همراه با تئوری نسبیت خود اثر فوتوالکتریک را مطرح نمود.
سال 1908 میلادی: ویلیام جی بیلی یک کلکتور با سیم پیچ مسی و یک جعبه عایق ساخت. این طرح تقریبا شبیه همان طرحی است که امروزه برای کلکتورهای خورشیدی استفاده می شود.
سال 1914 میلادی: دانشمندان متوجه یک بند الکترونی در دستگاههای فتوولتائیک شدند.
سال 1916 میلادی: دانشمندان اثر فوتوالکتریک را به صورت تجربی اثبات کردند.
سال 1918 میلادی: دانشمند لهستانی Jan Czochralski کشف نمود که چگونه یک تک کریستال سیلیکون را رشد دهد.
سال 1921 میلادی: آلبرت انیشتین به خاطر نظریه اثر فوتوالکتریک جایزه نوبل را دریافت کرد.
سال 1932 میلادی: اثر فتوولتائیک در سولفید کادمیوم کشف شد.
سال 1947 میلادی: ساختمانهای خورشیدی در طول جنگ جهانی دوم بسیار نادر شدند.
سال 1954 میلادی: سه دانشمند آمریکایی اولین سلول فتوولتائیک سیلیکونی را توسعه دادند، اولین سلول خورشیدی توانائی این را داشت که برق کافی را از طریق خورشید برای تجهزات الکترونیکی فراهم نماید.
اواسط دهه 1950 میلادی: اولین ساختمان اداری تجاری در جهان که با آبگرمکن خورشیدی کار می کرد طراحی شد.
سال 1958 میلادی: سلولهای فتوولتائیک جدید در مقابل اشعه خورشید مقاوم تر شدند و این ویژگی برای استفاده سلولهای فتوولتائیک در فضا بسیار حائز اهمیت بود.
سال 1963 میلادی: ژاپن یک پنل 24 واتی را بر روی یک فانوس دریایی نصب نمود.
سال 1964 میلادی: ناسا اولین ماهواره ای که با سلولهای فتوولتائیک به ظرفیت 470 وات تغذیه می گردید توسط سفینه فضایی به فضا پرتاب نمود.
سال 1969 میلادی: کوره خورشیدی با استفاده از 8 آینه سهموی در Odeillo فرانسه ساخته شد.
دهه 1970 میلادی: دکتر الیوت برمن و اکسون کرپ سلول خورشیدی ارزان تری را طراحی نمودند و این عامل باعث استفاده گسترده تر از سلولهای فتوولتائیک گردید.
سال 1972 میلادی: دانشگاه دلاور موسسه تبدیل انرژی را تاسیس نمود و اولین آزمایشگاه جهان را برای تحقیق و توسعه سلولهای فتوولتائیک اختصاص داد. در سال بعد این موسسه یک سیستم هیبرید حرارتی فتوولتائیک با نام Solar One را ساخت.
سال 1976 میلادی: مرکز تحقیقات لوئیس ناسا برای اولین بار شروع به نصب 83 سیستم فتوولتائیک در سرتاسر جهان نمود که برای روشنائی درمانگاه‌ها، پمپاژ آب و تلویزیون کلاس ها و موارد دیگر به کار می رفت.
سال 1977 میلادی: دولت آمریکا موسسه تحقیقات انرژی خورشیدی را راه اندازی کرد.
سال 1981 میلادی: اولین هواپیمای خورشیدی از فرانسه تا انگلستان به پرواز درآمد.
سال 1982 میلادی: یک استرالیایی اولین خودرو خورشیدی که فاصله بین سیدنی تا پرت که بالغ بر 2800 مایل است، پیمود.
سال 1986 میلادی: بزرگترین نیروگاه حرارتی خورشیدی آن زمان در کالیفرنیا راه اندازی شد.
سال 1994 میلادی: اولین بشقابک سهموی خورشیدی با استفاده از موتور استرلینگ با پیستون آزاد به شبکه متصل گردید.
سال 2001 میلادی: تین فیلم فتوولتائیک ساخته شد.
سال 2002 میلادی: بزرگترین سیستم خورشیدی پشت بامی در کالیفرنیا نصب گردید.
سال 2008 میلادی: بزرگترین پارک خورشیدی در آلمان بوسیله سیستمهای تین فیلم راه اندازی گردید
انرژی خورشیدی و کاربردهای آن
به گرما و نور منتشرشده از خورشید انرژی خورشیدی (Solar energy) می‌گویند. این انرژی نتیجه فرایند پیوسته همجوشی هسته ای در خورشید است. شدت تابش خورشید در خارج جو زمین در هر ثانیه حدود ۱۳۶۷ ژول در هر متر مربع می باشد که در سطح زمین در یک روز صاف و آفتابی به حدود ۱۰۰۰ وات بر متر مربع کاهش می یابد. انرژی خورشیدی منحصر به فردترین منبع انرژی تجدیدپذیر در جهان و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین است.با وجود آنکه انرژی خورشید و مزایای آن از قرون گذشته به خوبی شناخته شده ولی بالا بودن هزینه اولیه سیستمهای خورشیدی از یک طرف و عرضه نفت خام و گاز طبیعی ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستم‌ها شده اند. انرژی خورشیدی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می‌تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل گردد. برخی کاربردهای انرژی خورشیدی عبارتند از:
– آبگرمکن‌ها و حمام های خورشیدی (solar water heater)
از انرژی خورشیدی می‌توان برای تولید آب گرم تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکان‌هایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد.چنانچه ظرفیت این سیستم‌ها افزایش یابد می‌توان از آنها در حمام‌های خورشیدی نیز استفاده نمود.
– گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی
اولین خانه خورشیدی در سال ۱۹۳۹ساخته شد که در آن از مخزن گرمای فصلی برای بکارگیری گرمای آن در طول سال استفاده شده‌است. گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه‌ای بود که در دهه ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی رسید. با افزودن سیستم تبرید جذبی به سیستمهای آب گرم کن خورشیدی می‌توان به سیستم تبرید جذبی خورشیدی(solar absorption refrigeration) دست یافت که علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش، در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز بکار روند.
– آب شیرین کن خورشیدی (solar humidification–dehumidification method)
هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با دمای کم روی آب شور اثر کند آب تبخیر می شود و املاح باقی می‌ماند. سپس با استفاده از روش‌های مختلف می‌توان آب تبخیر شده را تقطیر کرد و به این ترتیب آب شیرین تهیه نمود. با این روش می‌توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند مانند برخی جزایر را نیز تأمین کرد.آب‌شیرین‌کن های خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می‌شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می‌توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.
– خشک کن خورشیدی (solar dryer)
خشک کردن عبارت است از گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتری ها است. در خشک کن‌های خورشیدی بطور مستقیم یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می‌شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می‌گردد. خشک‌کن‌های خورشیدی در اندازه‌ها و طرحهای مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون طراحی و ساخته می‌شوند.
– اجاق‌های خورشیدی (Solar cooker)
دستگاههای خوراک‌پز خورشیدی اولین بار بوسیله شخصی بنام نیکلاس ساخته شدند. اجاق او شامل یک جعبه عایق‌بندی شده با صفحه سیاه رنگی بود که قطعات شیشه‌ای درپوش آن را تشکیل می‌داد. پرتو خورشید با عبور از میان این شیشه‌ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می‌شد سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸ درجه افزایش می‌داد. اصول کار اجاق خورشیدی جمع‌آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه است. امروزه طرحهای متنوعی از این سیستم‌ها وجود دارد که این طرح‌ها در مکان‌های مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده‌اند. استفاده از این اجاق‌ها به ویژه در مناطق شرقی ایران که با مشکل کمبود سوخت مواجه می‌باشند بسیار مفید خواهد بود.
– کوره خورشیدی (solar furnace)
نوتورا در اوایل قرن ۱۸ اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوب را در فاصله ۶۰ متری آتش زد. بسمر، پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز در کورة خود را از انرژی خورشیدی تأمین می کرد. متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی، متشکل از دو آینه، یکی تخت و دیگری کروی می باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می شود. طبق قوانین اپتیک، هرگاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید، در محل کانون، متمرکز می شوند و به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می شود، که این نقطه به دماهای بالایی می رسد. امروزه پروژه های متعددی در زمینه کوره های خورشیدی در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می باشد.
– انرژی الکتریکی خورشیدی
می‌توان انرژی خورشیدی را به الکتریسیته تبدیل کرد برای این کار دو روش اصلی وجود دارد. یک روش استفاده از حرارت خورشیدی و روش دیگر استفاده از صفحات خورشیدی فتوولتاییک است.
الف) نیروگاه حرارتی خورشیدی
تأسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می‌شود، نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می‌شود. در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخش‌های خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربین‌ها است یا به عبارت دیگر می‌توان گفت که این نوع نیروگاه‌ها شامل دو قسمت هستند:
این تأسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده‌های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده‌ها به چند دسته تقسیم می‌شوند:
ب) تولید برق خورشیدی فتو ولتاییک
به پدیده ای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیسم‌های محرک، الکتریسیته تولید کند، پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده‌ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند.الکتریسیته می‌تواند به‌طور مستقیم از انرژی خورشید تولید شود. فتو ولتاییک یا به اختصار PV، یکی از انواع سامانه‌های تولید الکتریسیته از نور خورشید است. در این روش با بکارگیری سلول خورشیدی، تولید مستقیم الکتریسیته از تابش خورشید امکان‌پذیر می‌شود.سیستمهای فتوولتائیک یکی از پر مصرف‌ترین کاربردهای انرژی‌های تجدیدپذیر می‌باشند. از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی می‌توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلولهای سری و موازی شده پنل (Panel) فتوولتائیک می‌گویند. پنل های خورشیدی از نظر جنس گونه های مختلفی دارند و از دیدگاه حرکتی ممکن است ثابت یا گردان باشند. نوع گردان روی پایه ای ثابت نصب است و با مجهز بودن به ردیاب خورشیدی می تواند مسیر خورشید در آسمان را دنبال کند