انرژی خورشیدی

مقدمه
 

با توجه به کاهش منابع سوخت های فسیلی و همچنین آلودگی های زیست محیطی ناشی از این نوع انرژی توجه جهانیان به سوی استفاده از انرژی های طبیعی جلب شده است. در این میان، انرژی خورشیدی از اهمیت بالایی برخوردار است. از آن جا که کشور ما ایران از نظر بهره از این نعمت خدادادی در شرایط ایده آلی به سر می برد، در این مقاله کوشش شده است تا با ارائه ی مطالبی، راه های گوناگون بهره برداری از این منبع انرژی معرفی گردد.

تاریخچه ی استفاده از انرژی خورشیدی
 

همانند استفاده از انرژی آب، به کارگیری انرژی خورشیدی نیز دارای پیشینه ی تاریخی طولانی است. بسیاری از اقوام پیش از تاریخ از این انرژی برای گرم کردن منازل، خشک کردن لباس ها و غذاهایشان بهره می برده اند. اهمیت انرژی خورشیدی تا آن جا بوده است که بسیاری از تمدن ها به دلیل احترام قائل بودن برای خورشید، رصدخانه های بدوی را به وجود آوردند تا محل خورشید در آسمان را تعیین کنند. برخی دیگر، انرژی خورشید را تا حدی با ارزش می دانستند که حتی استفاده از آن را در قوانین خود وضع نموده بودند. رومی های باستان برای گرم کردن منازل و حمام ها به شدت به انرژی خورشید وابسته بودند به طوری که ساختن ساختمان های بلند که مانع از تابش خور خورشید به همسایه ها می شد، ممنوع بوده است. رومیان باستان تنها کسانی نبوده اند که تا این حد به انرژی خورشید وابسته بوده اند. ساکنان باستانی پرتگاه آناسازی (1) در جنوب غربی آمریکا نیز از دانش خود در زمینه ی حرکت خورشید در آسمان برای گرم و سرد کردن خانه های خود استفاده می کرده اند. آن ها منازلشان را در صخره های رو به جنوب می ساختند. در زمستان، نور خورشید به خانه هایشان می تابید و صخره ها از آنان در مقابل بادهای سرد شمالی محافظت می کرد. در تابستان، پیشامدگی صخره ها روی ساختمان ها سایه ایجاد می نموده و در نتیجه آن ها را خنک می کرده است.
با گسترش استفاده از سوخت های فسیلی و انرژی هسته ای، بهره گیری از انرژی خورشیدی رو به کاهش نهاد. با این حال، هزینه و سازگاری انرژی خورشیدی باعث استفاده از آن در موقعیت هایی شده است که سوخت های فسیلی و انرژی هسته ای وجود ندارد و یا امکان تعمیرات مهیا نیست. برای مثال می توان به ماهواره ها اشاره کرد که برای راه اندازی کامپیوترها و تجهیزات مختلف خود به انرژی نیاز دارند. استفاده از سوخت های فسیلی برای راه اندازی یک ماهواره در طول مدت مأموریتش در فضا، نیاز به مقادیر زیادی اکسیژن و سوخت دارد که ممکن است مانع از پرتاب موفقیت آمیز آن به مسیر مورد نظر شود. سوخت های هسته ای گزینه ای مناسب برای استفاده در فضا پیماها به نظر می رسند، ولی هنگام بازگشت ماهواره به زمین و احتمالاً انفجار آن، دردسرهای زیادی را به همراه خواهند داشت. مثال دیگری برای استفاده از انرژی خورشیدی که به مصارف خانگی نیز نزدیک تر است، باجه های تلفن بین المللی است که در مکان هایی دوراز دسترس قرار دارند. به جای صرف هزینه های بسیار بالا برای راه اندازی تلفن و خطوط برق این باجه های تلفن، می توان از یک پانل خورشیدی مجهز به یک باطری و یک تلفن و یا تلفن ماهواره ای، استفاده کرد.

اساس انرژی خورشیدی
 

انرژی خورشیدی موجود در هسته ی خورشید، در واقع انرژی هسته ای است. در 25% لایه های درونی خورشید، هیدروژن با سرعتی در حدود کیلوگرم در هر ثانیه، به هلیوم تبدیل می شود. این مقدار معادل جرمی است که با 10 میلیون واگن راه آهن حمل می شود. پس در خصوص اتمام این انرژی جای نگرانی نیست، زیرا خورشید به اندازه ی کافی هیدروژن دارد که این روند را تا 5 بیلیون سال دیگر ادامه دهد. این تولید انرژی به وسیله ی تراکم گرانشی دو برابر شده و هسته ی خورشید را در دمایی حدود 16 میلیون درجه ی کلوین (29 میلیون درجه ی فارنهایت) حفظ می کند. ابتدا حرارت از هسته متشعشع می شود و سپس از طریق هدایت به سطح خورشید می رسد که در دمای 5800 درجه ی کلوین باقی می ماند. اولین راه انتقال انرژی از سطح خورشید، تابش الکترومغناطیس است. این گونه انتقال گرما، تا حد زیادی به دمای سطح ماده و نوع انرژی وابسته است. طبق قانون استفان – بولتزمن (2) مقدار انرژی تشعشع شده در واحد سطح با دمای ماده به توان 4 وابسته است. این بدان معناست که میزان انرژی تشعشع شده از خورشید و بنابراین میزان انرژی خورشیدی دریافتی ما بر روی زمین، به دمای سطح وابسته است. یک تغییر یک درصدی در دمای خورشید، می تواند تغییری در حدود 4% در میزان انرژی دریافت شده در واحد سطح ایجاد کند. شاید این مقدار زیاد به نظر نرسد، اما بیش تر از میزان مورد نیاز برای بازگرداندن ما به عصر یخبندان و یا گرم شدن جهنمی زمین است. نوع تشعشعات صادر شده از خورشید نیز به دما بستگی دارد. خورشید تابش الکترومغناطیس خود را در طول موج های مختلفی ساطع می کند. بسیاری از این تشعشعات به علت دمای سطح خورشید در محدوده ی طیف مرئی قرار دارند. طبق قانون وین (3) طول موج هایی که درآن ها بیش ترین انرژی تشعشع می شود، به دمای جسم وابسته است. بنابراین هر چه جسم گرم تر شود، پیک تشعشعات به سمت طول موج های کوتاه تر می آید و بالعکس. شکل زیر نموداری تئوری از تشعشع انرژی از سه جسم سیاه با دماهای متفاوت است. جسمی که دمای سطحی 4000 درجه ی کلوین دارد، بیش ترین انرژی را با طول موج 750 نانومتر از خود ساطع می کند که نزدیک به اشعه ی مادون قرمز است. جسم با دمای سطحی 6000 درجه ی کلوین و طول موج 500 نانومتر، که در محدوده ی سبز طیف رنگی است، بیش ترین انرژی خود را تشعشع می کند.
شکل 3 درصدی از انرژی خورشید را که در شرایط غیر ابری از جوّ عبور می کند در مقابل طول موج های نور نشان می دهد. همان طور که مشاهده می شود، خارج از محدوده ی مرئی و رادیویی طیف، تنها قسمت کوچکی از محدوده ی مادون قرمز وجود دارد که انرژی توسط آن ساطع می شود.
از جمله عواملی که میزان انرژی دریافتی توسط یک سیستم خورشیدی را تحت تأثیر قرار می دهد، تعداد ساعات تابش آفتاب در یک منطقه است. میزان زمان تابش خورشید در طول روز، هم به مکان جغرافیایی و هم به فصل سال بستگی دارد. این به دلیل چرخش وضعی زمین و همچنین گردش آن به دور خورشید است. شکل زیر دیاگرام وضعیتی فرضی در منطقه ی آمریکا را نشان می دهد. همان طور که مشاهده می شود، مسیر حرکت خورشید در سه روز متفاوت به واسطه ی زاویه ی نیم روزی خورشید، متغیر است. این طول های متفاوت در زمان های مختلف وجود دارند و در نتیجه میزان تابش متفاوتی را در بر خواهد داشت.

برخی از مهم ترین مزایای استفاده از انرژی تابشی خورشید
 

• بهره گیری هوشمندانه از یک منبع کاملاً رایگان و بی پایان انرژی بدون نیاز به فناوری پیچیده.
• عدم انتشار گازهای گلخانه ای از قبیل دی اکسید کربن در فضا و رعایت کامل ملاحظات زیست محیطی.
• کاهش مصرف سوخت های فسیلی و در نتیجه کاهش هزینه های جاری انرژی تا حد قابل توجه.
• قابلیت طراحی و بهره برداری جهت تأمین بیش از 80% آب گرم مصرفی و 50% گرمایش مورد نیاز با صرف هزینه ای معقول.
• نصب آسان تجهیزات جمع کننده ی انرژی تابشی خورشید (کلکتورها) و سایر تجهیزات الحاقی در کوتاه ترین زمان ممکن.
• قابلیت بهره برداری بسیار خوب در کشور ما که بیش از دو سوم مساحت آن را مناطقی با بیش از 300 روز تابش آفتاب در سال تشکیل می دهند (میانگین تابش روزانه ی خورشید در ایران بین 5/4 تا 5/5 کیلو وات ساعت بر متر مربع است که رقمی بسیار قابل توجه به شمار می رود).
• دارا بودن کم ترین نیاز به تعمیر و نگهداری سیستم به واسطه ی بهره گیری از کم ترین تجهیزات مکانیکی.
• قابلیت تأمین سیال گرم در محدوده ی دمایی 40 تا 50 درجه ی سانتی گراد که جهت استفاده در سیستم های گرمایش از کف تابشی بسیار مطلوب است.
• قابلیت تلفیق با عناصر معماری ساختمان به منظور بهره گیری از حداکثر تابش خورشید با کم ترین اتلاف انرژی.
• دارا بودن حداکثر شرایط ایمنی و حذف برخی خطرات از قبیل ترکیدگی گاز در سیستم های متداول امروزی.
• قابلیت بهره برداری در شرایط آب و هوایی بسیار متنوع و حتی در اقلیم های بسیار سرد با حداقل تابش خورشید
• بازگشت پذیری سرمایه در کوتاه ترین زمان ممکن.
• قابلیت بهره گیری از یارانه های دولتی در راستای ترویج استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر.
• تطابق پذیری آسان با شرایط فرهنگی و اجتماعی مختلف.
• قابلیت بهره برداری حتی در شرایط ابری.

طراحی و ساخت خانه های خورشیدی
 

اهمیت ساخت خانه های خورشیدی در کاهش مصرف سوخت های فسیلی به عنوان ذخیره ی سوخت برای نسل آینده و کاهش آلودگی محیط زمین است. در این جا به منظور صرفه جویی در مصرف سوخت و یا مصرف بهینه ی انرژی در ساختمان و حفظ محیط زیست با پیشنهاد ساخت خانه های خورشیدی، روش هایی اصولی و قابل اجرا ارائه شده است که حتی در مورد خانه های معمولی نیز قابل اجراء هستند. با به کارگیری این روش ها، مصرف انرژی در بخش ساختمان در شهرهای آفتابی ایران که صرف سرمایش یا گرمایش و یا تهیه ی آب گرم می شود، تا 60% قابل کاهش است.
تمام خانه هایی که ساخته می شوند، در محیط در برابر خورشید قرار می گیرند. از آن جایی که حدود 40% از مصارف انرژی در بخش ساختمان مسکونی و تجاری است باید سعی شود با به کارگیری روش ها و اصول صحیح علمی خانه ای بسازیم که حداقل مصرف انرژی را داشته باشد. به عبارت دیگر، آن چنان زمینه ای را فراهم سازیم که از انرژی رایگان خورشیدی استفاده نماییم. این امر باعث می شود ضمن صرفه جویی در مصرف سوخت های فسیلی، آلودگی محیط زیست نیز کاهش یابد. یک خانه باید به گونه ای طراحی و ساخته شود که به صورت طبیعی در تابستان خنک، و در زمستان گرم باشد.
در گذشته معماران به این موضوع واقف بودند و مشکل گرمایش و سرمایش را بدون استفاده از سوخت های فسیلی، با ساختن بادگیر یا زیرزمین و یا به کارگرفتن مصالح ساختمانی مناسب و در نظر گرفتن موقعیت مناسب برای خانه، مرتفع می نمودند. امروزه نیز پیشرفت علم تمامی آن راه ها را تأیید نموده است و در واقع می توان کارهای انجام شده از این دست در گذشته را اقدامات مهندسی نامید.
متأسفانه امروزه به دلیل سلیقه ای شدن ساخت خانه ها، بسیاری از اصول علمی و فنی در آن ها رعایت نمی شود. این امر سبب شده است که مصرف انرژی به میزان قابل توجهی افزایش یابد، محیطی ناسالم از نظر زیست محیطی فراهم گردد و در نهایت، آرامش و آسایشی که باید از نظر استاندارد تهویه ی مطبوع حاکم باشد، فراهم نگردد. با توجه به محدود بودن منابع انرژی فسیلی و عواقب زیست محیطی استفاده از آن، ایده ای استفاده از انرژی های تجدیدپذیر نظیر انرژی باد، خورشید و زمین از حدود 50 سال پیش در اذهان شکل گرفته و امروزه پیشرفت های بسیاری در آن حاصل شده است. خانه های خورشیدی بسیاری ساخته شده اند که یا اصلاً از سوخت های فسیلی استفاده نمی کنند یا آن که درصد مصرف انرژی فسیلی در این خانه ها بسیار پایین است. ساخت چنین خانه هایی هزینه ی اضافه تری نسبت به خانه های معمولی ندارد و به گونه ای طراحی می شوند که از نظر زیبایی نیز قابل قبول باشند.
از کل انرژی مصرف شده در یک ساختمان معمولی، حدود 50% آن صرف گرمایش و سرمایش می گردد، 10% صرف روشنایی، 25% صرف تأمین آب گرم و 15% بقیه صرف پخت و پز و غیره می شود. با توجه به موقعیت کشور ایران که قابلیت های زیادی از نظر دریافت انرژی خورشیدی دارد، می توان با به کارگیری روش ها و اصول های صحیح علمی، مصرف انرژی را تا حد قابل توجهی کاهش داد. در حال حاضر، به علت پایین بودن قیمت سوخت های فسیلی در ایران، اجرای بعضی از طرح ها صرفه ی اقتصادی ندارد و رغبتی به آن نشان داده نمی شود، اما با توجه به اهمیت موضوع کاهش مصرف سوخت های فسیلی به عنوان ذخیره ی سوخت برای نسل آینده، کاهش آلودگی محیط زیست، و یارانه ای که دولت در بعضی موارد پرداخت می کند، اجرای بعضی از طرح ها از جمله نصب آب گرم کن های خورشیدی اقتصادی خواهد بود و بازگشت سرمایه صرف شده برای آن حدود 5/2 سال بیش تر طول نمی کشد. گفتنی است که اجرای بعضی از طرح ها جهت گرمایش یا سرمایش منازل هزینه ی اضافی آن چنانی به همراه ندارد و با صرفه جویی که به عمل می آید و محیط پاکی که در منزل باقی می ماند، مقرون به صرفه است. در طراحی و ساخت یک خانه ی خورشیدی، رعایت موارد زیر ضروری است:
1- انتخاب یک موقعیت مناسب با توجه به وضعیت خورشید در آسمان.
2- انتخاب پنجره ها، سطح و موقعیت آن ها.
3- انتخاب مصالح صحیح یا عایق سازی به منظور ذخیره ی انرژی.
4- نصب دیوارهای ترومبی جهت ایجاد گرمایش یا سرمایش در داخل منازل.
5- استفاده از تابش خورشید به منظور تأمین آب گرم.
6- استفاده از تابش خورشید به منظور تولید الکتریسیته جهت روشنایی و سایر کاربردها.
7- استفاده از درختان یا فضای سبز مناسب در اطراف ساختمان ها با رعایت فاصله از دیواره ی ساختمان جهت صرفه جویی در مصرف انرژی.
8- استفاده از بادگیر جهت ایجاد سرمایش تبخیری (در صورت تمایل)
یک خانه ی خورشیدی خانه ای است که برای گرمایش در زمستان و سرمایش در تابستان، به حداقل انرژی نیاز داشته باشد. به عبارت دیگر، یک خانه ی خورشیدی بدون استفاده از انرژی های فسیلی به صورت طبیعی در زمستان گرم و در تابستان خنک است و تامین آب گرم و انرژی الکتریکی مورد نیاز آن از نور خورشید امکان پذیر است.

سیستم های خود به خودی گرمایش، سرمایش و تهویه
 

این سیستم را به فارسی غیر فعال، غیر مکانیکی و خود به خودی (4) نیز ترجمه کرده اند؛ در این جا ما معادل خود به خودی را برگزیده ایم. واژه ی خود به خودی در واقع تفاوت های اساسی بین دو حالت مجزا در گرمایش و سرمایش خورشیدی را مطرح می کند. سیستم های خورشیدی را که با استفاده از فن ها یا پمپ ها کار، و نیز مکانیکی عمل می کنند، سیستم خورشیدی فعال (5) یا مکانیکی می نامند. واژه ی خود به خودی در واقع بیان کننده ی فناوری ساده ای است که از روش استفاده از عوامل و شرایط آب و هوایی منطقه و لحاظ کردن آن در طراحی معماری ساختمان و استفاده از انرژی خورشیدی به جای استفاده از دستگاه های مکانیکی برای سرمایش و گرمایش ساختمان بهره می برد. برای درک هر چه بهتر سیستم خود به خودی باید سه عامل اولیه و مهم آن را شناخت:
1) سیستم های خود به خودی که از انرژی موجود در محل استفاده می کنند. در این سیستم ها با استفاده از چشمه ها (6) و چاه های (7) انرژی طبیعی موجود در محل، گرمایش و سرمایش ساختمان تامین می شود. هر چیزی در محیط طبیعی که باعث اضافه کردن گرما به ساختمان شود، چشمه ی انرژی و هر عاملی که باعث جذب آن شود، چاه می نامند. تابش خورشید یکی از چشمه های گرما در محل، و آسمان یکی از چاه های گرما است. استفاده از این چشمه ها و چاه های گرمای محلی این امکان را می دهد که بدون استفاده یا با حداقل استفاده از سوخت های فسیلی مرسوم وموجود غیر محلی و با سیستم خود به خودی، عمل گرمایش و سرمایش در ساختمان را انجام دهیم. بنابراین سیستم خود به خودی با عوامل بیش از انرژی خورشیدی ارتباط دارد، و آن انتقال حرارت از چشمه ها به چاه های طبیعی است. البته تغییرات چگالی انرژی طبیعی مرتبط با چاه ها و چشمه های محیط چندان بزرگ نیست، ولی این مقدار می تواند از محلی به محل دیگر تغییرات چشمگیری داشته باشد. بنابراین بحث آن با بحث چشمه ها و چاه هایی که توسط منابع انرژی های متداول تامین می گردد، متفاوت است.
2) سیستم های خود به خودی با استفاده از جریان طبیعی انرژی. در سیستم خود به خودی انتقال حرارت از راه تابش، هدایت و جابه جایی و با کم ترین استفاده و یا حتی بدون استفاده از پمپ ها و فن ها صورت می گیرد که این خود باعث آرامش و آسایش بیش تر نسبت به سیستم های متداول می گردد؛ گرچه سیستم خود به خودی معمولاً تغییرات دمایی بیش تری در داخل ساختمان دارد.
3) سیستم خود به خودی که از ساختمان استفاده حرارتی می کند. در سیستم خود به خودی اجزایی که باعث جمع آوری، ذخیره سازی، انتقال، و دفع گرما می گردند، با اجزای معماری نظیر دیوارها و سقف های مجتمع، یکپارچه گشته اند. مثلاً یک دیوار می تواند یک واحد گردآور و انباره ی گرما باشد. بنابراین یک عنصر معماری علاوه بر فضاسازی وشکل دادن به ساختمان، می تواند به عنوان عاملی در گرمایش و سرمایش ساختمان عمل نماید و این بر خلاف روش های مرسوم و نیز سیستم های فعال خورشیدی در گرمایش و سرمایش ساختمان است که در آن، هر عنصر تشکیل دهنده ی ساختمان کارکردی واحد و مشخص دارد. ترکیب کارکردها به شرح فوق بسیار اقتصادی است ولی برای پیش گویی نتیجه ی حاصل از این عملیات، نیاز به محاسبات پیچیده داریم. با توجه به پیشرفت های حاصله در شبیه سازی مدل های رایانه ای در سال های اخیر، ابزار موثری در تحلیل سیستم های خود به خودی به دست آمده است که امکان پیشرفت و نیز پیش بینی نتایج حاصل از این روش را فراهم می سازد.
به طور خلاصه می توان گفت، سیستم خود به خودی از انرژی محلی استفاده می کند، از جریان انرژی طبیعی بهره می گیرد و ازاجزای سنتی تشکیل دهنده ی معماری در ساختمان برای گرمایش و سرمایش استفاده می کند. سیستم خود به خودی ضمن کاهش مصرف سوخت های فسیلی و اتمی و همسو با جدیدترین استانداردهای آسایش، اقتصادی ترین عملکرد را دارد. بنابراین در طراحی سیستم های خورشیدی خود به خودی، بر خلاف گرمایش و سرمایش مکانیکی، شخص طراح با تغییراتی در انرژی طبیعی منطقه، نوسانات بزرگ دما و معادلات پیچیده ی ریاضی سروکار دارد.

چشمه ها و چاه های طبیعی انرژی
 

در سیستم های خود به خودی از چشمه های محلی ساطع کننده ی انرژی برای گرمایش ساختمان و از چاه های محلی برای سرمایش ساختمان استفاده می شود. استفاده از این روش نیاز به سوخت های غیر محلی را که برای ایجاد چشمه ها و چاه های مصنوعی در روش های سنتی تهویه ی مطبوع ضروری است، به حداقل می رساند.
مهم ترین چشمه های محلی خود به خودی که برای گرمایش می توان مورد استفاده قرار داد عبارت اند از:
• تابش خورشید: تابش خورشید به عنوان یک منبع انرژی گرمایی برای ساختمان چه به صورت مستقیم، و چه به صورت غیر مستقیم عمل می نماید. تابش غیر مستقیم در واقع قسمتی از نور خورشید است که پس از انکسار و بازتابش در جوّ زمین به زمین می رسد.
• هوای خارج: هرگاه دمای هوای خارج ساختمان بیش از 75 درجه ی فارنهایت باشد، می تواند به عنوان چشمه ی گرما برای گرمایش ساختمان عمل نماید.
• اجزای داخلی: افراد، لوازم مورد استفاده در ساختمان، چراغ ها، اجاق گاز و هر آنچه در داخل فضای ساختمان تولید گرما می کنند، می توانند به عنوان چشمه های تولید گرمای محلی فرض شوند.
• مهم ترین چاه هایی که برای سرمایش مورد استفاده قرار می گیرند عبارت اند از:
• آسمان و فضا: گرما همیشه به صورت تشعشعی از ساختمان به آسمان می تابد. در چنین مواقعی، فضای فوقانی جوّ زمین می تواند به عنوان چشمه ی قابل توجه عمل نماید.
• هوای خارج: هرگاه دمای خارج ساختمان پایین تر از 75 درجه ی فارنهایت باشد، می تواند به عنوان چاه گرما عمل کند.
• سطوح تر: سطوح تر چاه های محلی دفع گرما هستند، زیرا گرما را جذب می نمایند تا آب تبخیر شود.
بسیاری از مردم با این چشمه ها و چاه ها آشنایی کامل دارند، زیرا هر روز تحت تأثیر نور خورشید و هوای محیط اطراف خود هستند در مورد عوامل محیطی که در بالا ذکر شد، شاید کم ترین شناخت و درک نسبت به تابش به آسمان باشد. در زیر توضیحات بیش تری در مورد این چاه می دهیم.
سطح زمین انرژی را به هر چیز سردتر از خود، می تاباند. بنابراین ساختمان هایی که بیش از 75 درجه ی فارنهایت دما دارند، گرما را به سمت آسمان سردتر باز می تابانند. این انرژی تابش شده آن قدر بالا می رود تا به مانعی غیر شفاف برخورد نماید و جذب شود. چنین مانعی در آسمان عمدتاً بخارآب موجود در جوّ زمین است. در مناطق دارای هوای گرم و خشک، معمولاً این تشعشعات چندین کیلومتر از جوّ زمین بالا می روند تا کاملاً جذب بخارآب موجود در هوا شوند. متوسط دمای شب هنگام آسمان معمولاً بین 10 تا 50 درجه ی فارنهایت کم تر از دمای سطح زمین است، بنابراین گرما همیشه از ساختمان به سمت آسمان تابش می کند. هر چه هوای بیرون در شب خشک تر باشد، دمای موثر آسمان پایین تر خواهد بود و اثر چاه آسمان برای دفع گرما بیش تر می شود.

پتانسیل گرمایش
 

چه مقدار انرژی برای گرمایش یک ساختمان مورد نیاز است؟ آیا این مقدار انرژی به صورت طبیعی در محیط اطراف آن وجود دارد؟ خانه ای مسکونی به مساحت را که در کالیفرنیا و بر اساس استانداردهای سال 1979 صرفه جویی در مصرف انرژی در ساختمان ساخته شده است، در نظر بگیرید. خانه ای با این ابعاد و مساحت، برای ایجاد یک درجه ی فارنهایت اختلاف بین دمای داخل و خارج ساختمان نیاز به BTU/day 13000 دارد. با استفاده از جدول Lake Tahoe دمای متوسط کالیفرنیا در 24 ساعت ماه ژانویه 32 به دست می آید. برای این که دمای داخل این ساختمان به 65 ثابت بماند به BTU/day 429000=(32-65)×13000 انرژی نیاز خواهد بود.
این مقدار انرژی معادل سوزاندن 5 گالن گازوییل است. در ماه ژانویه میزان تابش روزانه ی خورشید بر روی ساختمان BTU 1200000 محاسبه شده که معادل انرژی حاصل از سوزاندن 14 گالن گازوییل است. بنابراین میزان انرژی که از خورشید می توان گرفت، بیش از مقدار مورد نیاز است. اگرچه برای حصول به نتیجه ی دلخواه با سیستم خود به خودی در خانه ای با مشخصات فوق در شرایط اقلیمی نسبتاً سخت، به عایق کاری بیش تر ساختمان نسبت به حالت قبل نیاز داریم. با تمام این تفاسیر، محاسبات نشان می دهند که مقدار انرژی محلی موجود به اندازه ای بزرگ است که اگر به صورت موثر مورد استفاده قرار بگیرد، می تواند پاسخ گوی گرمایش ساختمان باشد.

پتانسیل سرمایش
 

ساختمان فوق الذکر را در شرایط اقلیمی گرم مانند ال سنترو (8) کالیفرنیا در نظر بگیرید. در ماه جولای در این منطقه، متوسط دمای خارج در 24 ساعت 92 است. برای سرمایش ساختمان تا 75 لازم است انرژی معادلBTU/day 221000=(75-92)×13000 از ساختمان دفع گردد. در طول شب، سطح آب موجود بر روی پشت بام در دمای 70 ثابت باقی می ماند و در صورتی که سطح آن باز باشد به مقدار BTU 400000 انرژی از ساعت 30: 19 شب تا ساعت 6:00 صبح از دست می دهد. بنابراین ملاحظه می شود که میزان انرژی دفع شده در شب به اندازه ی تقریباً دو برابر انرژی مورد نیاز برای خنک کردن خانه در روز است. همان طور که در قسمت گرمایش توضیح داده شد، با عایق کاری ساختمان برای خنک کردن آن حتی به انرژی کم تری نیاز خواهد بود که این خود، به کار سهولت بیش تری خواهد بخشید.

ترکیب چشمه ها و چاه های انرژی
 

چندین چشمه و چاه به طور همزمان بر یک ساختمان اثر می گذارند. برای مثال در زمستان یک ساختمان تحت تأثیر تابش خورشید، و همزمان، در حال از دست دادن انرژی گرمایی خود به محیط سرد اطراف است. یک روش عددی برای ترکیب همزمان این اثرها، استفاده از عبارتی به نام دمای Sol-Air است. دمای Sol-Air درواقع یک دمای مجازی خارجی، و نشان دهنده ی اثر ساختمان در آن لحظه است.

اختلاف بین دمای مجازی Sol-Air و دمای خارجی بستگی به عوامل بسیاری دارد که عبارت اند از، شدت تابش نور خورشید به سطوح خانه، دمای نقطه ی شبنم، محیط و سرعت باد. عوامل دیگری نیز بر مقدار دمای Sol-Air تاثیر می گذارند، مانند سطوح خارجی ساختمان، رنگ مصالح و کلیه ی عواملی که در جذب یا انعکاس گرمای تابش شده اثر دارند، به خصوص تابش به آسمان. در یک هوای صاف، دمای Sol-Air می تواند بین 30 در شب تا 120 در روز متغیر باشد. البته این در شرایطی است که دمای هوای واقعی محیط در شبانه روز بین 40 تا 90 باشد. معمولاً میزان تغییرات دمای Sol-Air به مراتب بیش از دمای واقعی هوا است. کاملاً مشخص است که اثر متقابل و توأمان چشمه ها و چاه های انرژی محلی بر ساختمان های مختلف و با کاربری های مختلف، نتایج کاملاً متفاوتی را در پی خواهد داشت.

سرمایش خورشیدی (استفاده ی همزمان از چیلر جذبی و کلکتور خورشیدی)
 

سیکل جذبی اولین و قدیمی ترین روش در تبرید و تهویه محسوب می شود؛ اما پس از گذشت چند سال و اختراع سیکل های تراکمی، استفاده از این روش به دلیل مشکلات آن به دست فراموشی سپرده شد. اما همان دلیلی که موجب فراموشی این سیکل شده، هم اکنون تمامی نگاه ها را به خود معطوف نموده است. در این جا به بررسی فناوری های نوینی می پردازیم که به کمک آن می توانیم انرژی حرارتی خورشید را به منظور سرمایش به کار ببریم. دلیل این امر بالا بودن مصرف انرژی، توسط سیستم های تهویه ی مطبوع است، به گونه ای که تنها در آمریکا سالانه 45% انرژی توسط سیستم های تهویه ی مطبوع مصرف می گردد. به علاوه آب و هوای کره ی زمین به سمت گرم تر شدن می رود و بنابراین تقاضای مصرف انرژی به منظور سرمایش رو به فزونی خواهد نهاد. همچنین به دلیل افزایش استانداردهای راحتی انسان، بار سرمایشی افزایش یافته است. انرژی خورشید می تواند به صورت موثری برای تأمین انرژی مورد نیاز سیستم های تهویه ی مطبوع به کار رود. با استفاده از این روش، پیک مصرف انرژی توسط دستگاه های تهویه ی مطبوع در طول گرم ترین ساعات روز به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد. سرمایش خورشیدی موثرترین راه برای کاهش پیک مصرف انرژی است. در حال حاضر، کشورهای آمریکا، آلمان، ژاپن و چین پرچم دار سرمایش خورشیدی محسوب می شوند و حدود 10 سال است که مطالعات ویژه ای بر روی این طرح ها انجام می دهند.

نگاهی به سیکل تراکمی و جذبی
 

هر دو سیکل از یک اصل کلی استفاده می کنند: "با کاهش ناگهانی فشار، دما نیز افت می کند." در سیکل تراکمی به دلیل آن که خروجی اواپراتور گاز است، از کمپرسور برای افزایش فشار استفاده می شود؛ اما در سیکل جذبی، خروجی اواپراتور به جذب کننده داخل، و در آن جا توسط جاذب جذب می شود و چون در حالت مایع قرار دارد، توسط پمپ به گردش در می آید. پس از آن وارد ژنراتور می شود و به دلیل جذب حرارت در ژنراتور، فشار آن افزایش می یابد. در هر سیکل خنک کننده ها وارد کندانسور می شوند و پس از آن، دمای آن ها افت پیدا می کند که این افت فشار با افت دما نیز همراه است. تفاوت این دو سیکل را می توان در موارد زیر بیان کرد:
1- در سیکل تراکمی فریون ها و CFC ها خنک کننده هستند ولی در سیکل جذبی، خنک کننده آمونیاک یا آب است.
2- در تراکمی کمپرسور وظیفه ی گردش و پر فشار کردن خنک کننده را بر عهده دارد ولی در سیکل جذبی، گردش توسط پمپ و پر فشار کردن خنک کننده توسط ژنراتور (حرارت) صورت می گیرد.
3- در سیکل جذبی موادی همانند آب و لیتیوم بروماید به عنوان جاذب به کار می روند.
4- سیکل های جذبی ظرفیت بسیار بالایی دارند، مثلاً 500 تن؛ در صورتی که ظرفیت سیکل تراکمی بیش از 150 تن نیست.
5- در سیکل تراکمی انرژی به صورت الکتریکی ودر سیکل جذبی به صورت ترکیبی از حرارتی و الکتریکی است.
6- در سیکل جذبی می توان دما را بسیار پایین آورد، بنابراین در سردخانه مورد استفاده قرار می گیرد.

معایب سیکل تراکمی
 

1- مصرف انرژی بالا به صورت الکتریکی.
2- افزایش پیک مصرف انرژی.
3- زیان باری خنک کننده های این سیکل برای محیط زیست.
در کشورهای اروپایی و آمریکایی سیستم جذبی خورشیدی راهکاری برای کاهش پیک مصرف انرژی، آلودگی و وابستگی به واردات سوخت های فسیلی است. این سیستم به دلیل آن که نیازی به برق ندارد، در مناطقی که در آن ها دسترسی به شبکه برق میسر نیست، بسیار کارآمد است.

مشکلات سیکل جذبی
 

1- ایجاد گازهای گلخانه ای و گرم شدن زمین.
2- مصرف سوخت های فسیلی و مقرون به صرفه نبودن در مناطقی که قیمت سوخت بالا است.
3- وابستگی بازده و ظرفیت به دمای ژنراتور.
4- نیاز به برج خنک کن در سیکل جذبی و لیتیوم بروماید.
حال اگر بتوانیم به جای سوخت های فسیلی از منبع دیگری برای تامین حرارت استفاده کنیم، دو مشکل او را برطرف خواهیم کرد. انرژی خورشیدی پاسخی به نیاز ماست. این انرژی آلودگی ندارد و غیر از هزینه ی اولیه، هزینه دیگری به همراه ندارد.

مزایای استفاده از سیستم سرمایشی خورشیدی
 

- کاهش پیک مصرف.
- استفاده از این سیستم برای سرمایش تابستانی، گرمایش زمستانی و تأمین آب گرم مصرفی.
- سازگاری با محیط زیست و نداشتن آلودگی.
- جایگزین به جای سوخت فسیلی.
- ایمنی به دلیل عدم وجود مشعل.
- نصب راحت.
- هزینه ی نگهداری پایین.
- حذف هزینه ی سوخت.
- کاهش بار حرارتی از سقف.
اما هزینه ی اولیه ی این سیستم بسیار بالا، و زمان بازگشت این سرمایه 7 تا 9 سال است. به علاوه عملکرد این سیستم به شدت وابسته به تابش خورشید است. این امر موجب می شود که نتوان این سیستم را در هر جایی به کار برد، زیرا در مناطقی با تابش کم نور خورشید، عملکرد سیستم به شدت افت می کند، در تمام ساعات روز نمی توان بیش ترین عملکرد را انتظار داشت زیرا با کم شدن زاویه ی تابش، حرارت جذب شده نیز افت می کند. در ضمن این سیستم در شب عمل نمی کند. سیستم بی نیاز از مصرف برق نیست، زیرا پمپ و سیستم های کنترل نیازمند برق هستند. تنها سیستم های کم تر از kw1 فاقد پمپ هستند. برای ساختمان های بیش از سه طبقه، با کمبود فضا برای نصب کلکتور مواجه هستیم. برای حل این مشکل باید کلکتور بر روی دیواره ی ساختمان نصب شود. با توجه به این مشکلات، سیستم کلکتور خورشیدی را نمی توان به صورت منفرد به کار برد؛ بنابراین باید همواره از مشعل های گازسوز در کنار کلکتور استفاده نمود. همچنین بهتر است این سیستم برای ساختمان های اداری مورد استفاده قرار گیرد، زیرا ساعات کار مطابق با ساعات حد بالای تابش خورشید می باشد. البته برای رفع مشکل ساعات کارکرد می توان از مخازن ذخیره ای حرارتی استفاده نمود. بدین منظور، دو دسته مخزن را به کار می برند. مخازن ذخیره ی یخ را در سیستم های جذبی آمونیاک می توان به کار برد. بدین ترتیب در ساعاتی که با اوج تابش خورشید رو به رو هستیم، مقداری یخ ساخته می شود تا در طول ساعاتی که با کاهش تابش خورشید رو به رو می باشیم، دچار کمبود بار سرمایشی نگردیم. مطابق روش فوق در اوج زمان تابش مقداری از بار حرارتی را به منظور گرمایش مخازن ذخیره ی آب گرم به کار می بریم و در ساعات کاهش تابش خورشید از این آب گرم استفاده می کنیم. این روش دارای مزایا و معایبی است و به هر حال نمی توان از محدودیت های آن چشم پوشی کرد.
جداول 1 تا 4 نمونه هایی از سیستم سرمایشی خورشید را بر حسب هزینه، نوع کلکتور خورشیدی به کار رفته و سایر عوامل، معرفی می کنند.
جدول 1: معرفی سیستم های سرمایشی خورشیدی با ظرفیت های مختلف

ظرفیت سرمایشی (تن تبرید)	50	100	300
سطح تابش خورشید	410	820	2550
زیر بنا	500	1070	3000
مقدار کاهش در مصرف انرژی (kw)	59	117	352
حجم آب تولیدی	26	52	155
کل انرژی الکتریکی جایگزین (kwh/gr)	45000	90000	550000
مقدار کل کاهش تولید  (تن درسال)	185	371	1575

 

شرایط معتدل مدیترانه ای.
 

سیستم 9 ساعت در روزهای تابستان مشغول کار است.
جدول 2: استفاده از کلکتورهای خورشیدی در دو نوع چیلر
 

نوع چیلر	آب سیلیکاژل آمونیاک	آمونیاک و آب
نوع سیکل	جذب سطحی	جذبی
توان تبرید	50-430kw	20kw-5Mw
COP	50-0.7	0.6-0.75
دمای ژنراتور	60 -90	80-110
نوع کلکتور	وکیوم تیوپ	وکیوم تیوپ

جدول 3: استفاده از کلکتورهای خورشیدی در انواع چیلر و مقایسه ی هزینه ها
 

هزینه ی هر تبرید (دلار)	سطح	هزینه ی کلکتور (دلار)	نوع کلکتور	دمای ژنراتور	COP
200	7.47	110	مسطح	85	0.7	تک اثره
175	5.07	160	وکیوم تیوب	120	1.2	دو اثره
165	4.49	400	وکیوم تیوپ و یا کلکتور	220	1.7	سه اثره

 

هزینه ی سوخت 0.598euro/lit
 

مصرف برق سیستم معمولی واحد سطح 43.313kwh/
 

سیستم 60kw از نوع آمونیاک و آب.
جدول 4: مقایسه ی سیستم سرمایشی معمولی و خورشیدی
 

معمولی	خورشیدی
61360	245340	هزینه ی تجهیزات و تأسیسات
7777	18615	هزینه ی جاری
770	770	هزینه ی نگهداری
3378	0	مصرف برق 0.078euro/kw
0	330	سود ناشی از کاهش تولید
0	5361	سود جایگزینی سوخت
0.119	0.137	هزینه ی مخصوص سرمایش euro/kwh

آب گرم کن خورشیدی
 

آب گرم کن های خورشیدی همان طور که از نام آن ها پیداست، از طریق جذب انرژی خورشید و تابش نور بر صفحات جاذب (کلکتور) عمل می نمایند و راندمان گرمایشی آن ها در فصول مختلف سال و بر حسب موقعیت های جغرافیایی هر شهر متفاوت است. راندمان زمانی رسیدن به گرمایشی بیش تر و سریع تر از معمول، با افزایشس پانل هایی بیش از ظرفیت محاسبه شده مقدور است. این دستگاه می تواند دارای المنت برقی باشد که در مکان های فاقد سیستم پشتیبان، مورد استفاده قرار گیرد. مخزن آب گرم به گونه ای طراحی شده که آب گرم را به طور ذخیره در شبانه روز مهیا نماید و اتلاف حرارتی آن تا صبح روز بعد و طلوع مجدد بسیار ناچیز باشد. لوله ی به کار رفته در سیستم جهت جلوگیری از اتلاف انرژی، عایق بندی شده است. دستگاه دارای 85% راندمان مفید است. با استفاده از این سیستم می توان هزینه های مصرف گاز، گازوئیل و برق را به طور چشم گیری کاهش داد که این امر در پروژه های بزرگ ملموس تر است؛ به طوری که بعد از گذشت حدود 1 الی 2 سال، می توان با صرفه جویی در مصرف سوخت های فسیلی سرمایه گذاری اولیه را مستهلک نمود. علاوه بر آن، هزینه های نگهداری و تعمیرات بسیار ناچیز و در حد صفر است. هر دستگاه متشکل از حداقل 2 کلکتور جاذب انرژی، سیستم پایه، مخزن دو جداره ی گالوانیزه یا استیل، منبع انبساط، المنت برقی، لوله های رابط وتابلوی برق است.
بخش اصلی یک آب گرم کن خورشیدی کلکتور آن است که خود شامل ورقی می شود که به وسیله ی تابش کلی خورشید حرارت می یابد و حرارت خود را به یک سیال جذب کننده (مانند آب) که داخل لوله در حال جریان است، منتقل می کند. رنگ این ورق همیشه تیره انتخاب می شود و دارای پوشش خاصی است که بتواند ضریب جذب انرژی را به حداکثر و ضریب پخش را به حداقل برساند. برای رسیدن به دمای بالا، مجموعه ی ورق و لوله ها را در داخل یک جعبه ی عایق با روکش شیشه قرار می دهند تا بتوان از اثر گلخانه ای استفاده کرد. آبی که بدین وسیله گرم می شود بر اثر اختلاف دما و با گردش طبیعی وارد یک تانک دو جداره می شود و آب مخزن را گرم می کند. این آب گرم شده به مصرف گرمایش خانوار می رسد. شکل 9 طرح ساده ای از نحوه ی استفاده از این وسیله را در خانه نشان می دهد.

انواع کلکتورها
 

کلکتور صفحه ای صاف (Flat Plat Collector): این کلکتور ساده ترین و پر استفاده ترین نوع کلکتور به شمار می رود. ساختار آن به شکل یک جعبه ی مستطیل شکل است که در داخل آن یک صفحه ی جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم با پوششی به رنگ های خاص قرار دارد. این صفحه، جاذب انرژی حرارتی خورشید است. زیر صفحه لوله های کوچکی قرار گرفته است که آب یا سیال ناقل حرارت در آن ها جریان دارد. به منظور کاهش اتلاف حرارتی، اطراف کلکتور عایق بندی شده است. روی سطح جعبه از پلاستیک شفاف یا شیشه پوشیده شده است.
کلکتور لوله ای تحت خلا (Collector Evacuated Tube): این کلکتور از تعدادی لوله ی دو جداره ی شفاف موازی تشکیل شده است و در داخل آن یک تیوب با پوششی از ماده جاذب قرار دارد. هوا از فضای بین دو جداره خارج می گردد و خلا ایجاد شده از اتلاف حرارت جلوگیری می کند.
کلکتور سهموی (Concentrating Collector): این کلکتورها سطح آینه ای دارند و برای تجمع انرژی خورشیدی بر روی تیوب جاذب که شامل سیال انتقال حرارت است، به کار می رود.
حمام خورشیدی به طور معمول مصرف انرژی برای تأمین آب گرم می تواند بیش ترین هزینه ی انرژی باشد. با استفاده از حمام خورشیدی، مصرف انرژی برای تأمین آب گرم می تواند 75% کاهش یابد. این سیستم بسیار کارآمد و سازگار با محیط زیست است. حمام خورشیدی از انرژی تجدید شونده ی نور خورشید استفاده می کند و با محیط زیست سازگار است. در صورت تمایل می توان حتی پمپی که برای گردش مایع گرم کننده از کلکتورهای خورشیدی به مبدل حرارتی به کار می رود را با انرژی خورشیدی به حرکت درآورد. در این صورت، کل سیستم از اتصال به شبکه ی برقی بی نیاز خواهد بود. حمام خورشیدی شامل دو مدار حرارتی است. در مدار نخست، آب توسط سیال گرم کننده که از کلکتورهای سری دوم می آید، گرم می شود و پس از رسیدن به دمای مطلوب، آماده ی استفاده می گردد. اگر انرژی خورشیدی در دسترس به اندازه ی کافی نبود، سیستم انرژی مورد نیاز را به وسیله ی یک گرمکن با سوخت فسیلی (گازوئیل یا گاز طبیعی) برای آب در مخزن دوم تأمین می کند.
استفاده از انرژی خورشیدی در استخرهای شنا
در فصل تابستان این استعداد در مورد استخرهای شنای روباز وجود دارد که ضمن استحصال گرمای خورشیدی برای گرمایش آب، تفرجگاهی مناسب برای افراد و رهایی آن ها از گرمای تابستان باشد. ساخت، تعمیر و نگهداری استخرهای روزباز هزینه ی قابل توجهی به بودجه ی خانوار تحمیل می کند و باید با استفاده از شیوه های مختلف درصدد کاهش هزینه های جاری، تعمیر و نگهداری، مصرف کم تر آب و مواد گندزدا و همچنین گرم نگه داشتن طولانی مدت آب استخر بود. به علاوه، به شرط داشتن امکانات گرمایشی مناسب می توان شرایط آب استخر را مدت زمان بیش تری در حد قابل قبول نگه داشت که با این کار، عملاً می توان مدت زمان استفاده از آن را گسترش داد. همچنین با ایجاد شرایط گرمایشی مناسب، استفاده کنندگان لذت و بهره ی بیش تری خواهند برد و این دو امر موجبات بهره وری بیش تر از استخر را فراهم می آورند. در این بین، استفاده از گرمای کلکتور لوله ای تحت خلا (Collector Evacuated Tube): این کلکتور از تعدادی لوله ی دو جداره ی شفاف موازی تشکیل شده است و در داخل آن یک تیوب با پوششی از ماده جاذب قرار دارد. هوا از فضای بین دو جداره خارج می گردد و خلا ایجاد شده از اتلاف حرارت جلوگیری می کند.
کلکتور سهموی (Concentrating Collector): این کلکتورها سطح آینه ای دارند و برای تجمع انرژی خورشیدی بر روی تیوب جاذب که شامل سیال انتقال حرارت است، به کار می رود.
حمام خورشیدی به طور معمول مصرف انرژی برای تأمین آب گرم می تواند بیش ترین هزینه ی انرژی باشد. با استفاده از حمام خورشیدی، مصرف انرژی برای تأمین آب گرم می تواند 75% کاهش یابد. این سیستم بسیار کارآمد و سازگار با محیط زیست است. حمام خورشیدی از انرژی تجدید شونده ی نور خورشید استفاده می کند و با محیط زیست سازگار است. در صورت تمایل می توان حتی پمپی که برای گردش مایع گرم کننده از کلکتورهای خورشیدی به مبدل حرارتی به کار می رود را با انرژی خورشیدی به حرکت درآورد. در این صورت، کل سیستم از اتصال به شبکه ی برقی بی نیاز خواهد بود. حمام خورشیدی شامل دو مدار حرارتی است. در مدار نخست، آب توسط سیال گرم کننده که از کلکتورهای سری دوم می آید، گرم می شود و پس از رسیدن به دمای مطلوب، آماده ی استفاده می گردد. اگر انرژی خورشیدی در دسترس به اندازه ی کافی نبود، سیستم انرژی مورد نیاز را به وسیله ی یک گرمکن با سوخت فسیلی (گازوئیل یا گاز طبیعی) برای آب در مخزن دوم تأمین می کند.

استفاده از انرژی خورشیدی در استخرهای شنا
 

در فصل تابستان این استعداد در مورد استخرهای شنای روباز وجود دارد که ضمن استحصال گرمای خورشیدی برای گرمایش آب، تفرجگاهی مناسب برای افراد و رهایی آن ها از گرمای تابستان باشد. ساخت، تعمیر و نگهداری استخرهای روزباز هزینه ی قابل توجهی به بودجه ی خانوار تحمیل می کند و باید با استفاده از شیوه های مختلف درصدد کاهش هزینه های جاری، تعمیر و نگهداری، مصرف کم تر آب و مواد گندزدا و همچنین گرم نگه داشتن طولانی مدت آب استخر بود. به علاوه، به شرط داشتن امکانات گرمایشی مناسب می توان شرایط آب استخر را مدت زمان بیش تری در حد قابل قبول نگه داشت که با این کار، عملاً می توان مدت زمان استفاده از آن را گسترش داد. همچنین با ایجاد شرایط گرمایشی مناسب، استفاده کنندگان لذت و بهره ی بیش تری خواهند برد و این دو امر موجبات بهره وری بیش تر از استخر را فراهم می آورند. در این بین، استفاده از گرمای خورشیدی برای گرم کردن آب استخر گزینه ای مناسب به حساب می آید که می توان با این انرژی پاک و رایگان علاوه بر گرم کردن استخر، در کاهش هزینه های آن نیز اقدام فوق العاده چشم گیری انجام داد. در این جا سعی شده است که راه های استفاده از انرژی خورشیدی برای گرم کردن آب استخر مورد بررسی قرار گیرد.
استفاده از گرم کن خورشیدی برای گرم کردن آب استخر گزینه ای مناسب و سرمایه گذاری مطمئنی به حساب می آید. سیستم های گرمکن خورشیدی استخر از نقطه نظر مالی یکی از پر بازده ترین سیستم های خورشیدی به حساب می آیند. این سیستم ها نسبتاً ساده، و همچون سایر سیستم های آب گرم کن استخر شامل لوله کشی، فیلتر، صافی و پمپ هستند. در این سیستم کلکتور خورشیدی نیز به موارد یاد شده اضافه می شود، که در آن آب خروجی از فیلتر به جای این که مستقیماً به داخل استخر برگردانده شود، ازداخل کلکتور خورشیدی عبور می کند، به واسطه ی پرتوهای آفتاب گرم، و سپس به استخر وارد می شود. به شرط افزودن آب گرم کن خورشیدی به سیستم استخر، در مقایسه با سیستم های معمولی باید از پمپی بزرگ تر استفاده شود و یا این که از پمپ جداگانه ای که کار آن صرفاً به حرکت و گردش درآوردن آب از داخل کلکتور است، بهره برد. افزودن هر نوع آب گرم کن به سیستم اولیه ی آب گرم کن خورشیدی استخر موجب می شود، دیگر نتوان از پمپ کوچکی استفاده کرد؛ اما با این وجود، این استعداد وجود دارد که با کاهش مدت زمان کارکرد پمپ، هزینه های مربوط به پمپ را کاهش داد. در سیستم های گرم کن خورشیدی استخر، پمپ ها نقش کلیدی بر عهده دارند؛ لذا باید به طور مرتب بازرسی شوند و تعمیر و نگهداری آن ها با شایستگی صورت پذیرد. برخلاف سسیتم های آب گرم کن خورشیدی خانگی که در آن مقدار مشخص و نسبتاً کمی آب مورد گرمایش قرار می گیرد و دما به 140 درجه ی فارنهایت ( 60) می رسد، سیستم های آب گرم کن خورشیدی استخرها باید چند صد گالن آب را گرم کرده و به 80 درجه ی فارنهایت ( 26) برسانند که این کار به واسطه ی گردش نسبتاً سریعی که در داخل کلکتور انجام می پذیرد، صورت می گیرد و مقدار بیش تری از پرتو تابیده شده به کلکتور استحصال می شود. به عنوان یک مقایسه می توان گفت سیستم آب گرم کن خورشیدی استخر دارای راندمان بالاتری است. انرژی خورشیدی صرفاً در مورد گرمایش استخرهای خانگی کاربرد ندارد، بلکه در استخرهای بزرگ تر تجاری و عمومی نیز به کار می رود. برای نمونه می توان به مرکز شنای بین المللی سانتاکلارای کالیفرنیا اشاره داشت که در آن از گرمای انرژی خورشیدی برای گرمایش سه استخر بهره برداری می شود. یک استخر 50 متری مسابقه، یک استخر 25 یاردی با 17 فوتعمق، و یک استخر آموزشی 25 یاردی که در مجموع نزدیک به 2/1 میلیون گالن آب توسط 13000 فوت مربع کلکتور تخت گرم می شود. از زمانی که پروژه مذکور در فوریه سال 1979 تکمیل شد، از انرژی خورشیدی برای تأمین 60% انرژی حرارتی مورد نیاز استفاده می شود. همچنین در المپیک سال 1996 آتلانتا از استخرهایی استفاده شد که به طور صددرصد از پرتو خورشید برای تأمین گرمایش استفاده می کردند. نکته ی جالب توجه این که از کلکتورهای خورشیدی می توان برای خنک کردن آب استخر در شرایط آب و هوایی بسیار گرم و یا پیک حرارت در فصل تابستان استفاده کرد. این کار با گردش آب در داخل کلکتور در طول شب انجام می پذیرد. در واقع کلکتورها به واسطه ی تشعشع، حرارت را به هوای نسبتاً سرد محیط اطراف تحویل می دهند. صب شده اند فراهم می شود که بالطبع با صرفه جویی مالی و انرژی همراه است.

یخ سازهای خورشیدی (Solar Icemaker)
 

در سراسر جهان مناطق دور دست و صعب العبوری وجود دارد که از نظر تابش آفتاب از شرایط آرمانی برخوردار هستند، اما به دلیل موقعیت جغرافیایی شان از مزیت برق سراسری برخوردار نمی باشند. در این جا به مطالعه ی موردی یخ سازهای موجود در روستای کوهستانی ساحلی ماروآتا در مرز آمریکا و مکزیک پرداخته شده است.
روستای ماروآتا (11) که از مناطق دورافتاده و صعب العبور به شمار می رود، در مرز آمریکا و مکزیک، در منتهی الیه کوه های Sierra del Sur در حاشیه ی اقیانوس آرام قرار دارد. این روستا از نقطه نظر دسترسی از شرایط بسیار نامطلوبی بهره می برد و تا سال 1980 هیچ گونه راه شوسه ای به آن وجود نداشت و تا به امروز نیز از شبکه ی برق سراسری محروم است. از نظر آب و هوایی، روستا دارای دو فصل بارانی و دو فصل گرم با شدت تابش بالا است. روستا در دهانه ی یک رودخانه کوچک قرار گرفته است که روستاییان اندک زمین قابل کشت را زیر کشت می برند. اما مهم ترین درآمد روستا به ماهی گیری فصلی اختصاص دارد که حدود 500 نفر از اهالی از این طریق تأمین معاش می نمایند. عموماً فصل زمستان برای صیادی مناسب است. در سال هایی که روستاییان از نظر صید ماهی از شرایط مناسبی برخوردار بودند، کل ماهی صید شده ی روزانه در فصل زمستان بین 660 تا 1320 پوند (300 تا 600 کیلوگرم) بوده است که این مقدار برای فصل تابستان تا 220 پوند (10 کیلوگرم) می رسد. درآمد عمده ی روستاییان که از خارج روستا ناشی می شود، فروش ماهی های صید شده به شهرهای همجوار، به طور خاص کلیما و مانزانیلو (12) است. هر یک از این دو شهر در حدود سه ساعت با روستا فاصله دارند. با توجه به درجه ی حرارت محیط که بین 77 تا 100 درجه ی فارنهایت (25 تا 38 درجه ی سانتی گراد) است، در طول راه لازم است برای جلوگیری از فساد ماهی ها از تمهیدات لازم استفاده شود. با توجه به قیمت بالای بنزین و عدم ثبات قیمت یخ، لازم است علی الخصوص در فصول صید کم، قبل از حمل ماهی به بازار شهر صید عمده و قابل قبولی انجام پذیرفته باشد. از این رو باید صید دو یا سه روز را جمع و به یک باره برای فروش به شهرهای نامبرده انتقال داد. موارد برشمرده شده لزوم ساخت سردخانه در روستا و تولید یخ برای جلوگیری از فساد ماهی ها در طول حمل از روستا تا شهر را بیش از پیش نمایان می سازد. یک کارخانه ی مکزیکی به اتفاق کارخانه ای آمریکایی در یک همکاری سه جانبه با شرکت تعاونی ماهی گیران روستایی ماروآتا اقدام به راهبری و ساخت پروژه ی یخ ساز خورشیدی در روستای فوق کردند. مرکز مکزیکی CIEDAC (13) یک سری کارهای تحقیقاتی و مهندسی در مکزیک انجام داد که هدف آن نشان دادن مزایای انرژی های محلی موجود در روستاهای فاقد شبکه ی برق رسانی سراسری و استفاده از آن هاست. CIEDAC در راستای رسالتی که برای خود برگزیده بود، پروژه های جالبی همچون نصب پانل های خورشیدی، مولدهای تولید برق بادی و نیروگاه های برق آبی کوچک را در روستاهای مختلف به انجام رسانده است. همچنین این مرکز روش های گوناگون تولید یخ در مقیاس کوچک را مورد بررسی قرار داد (ظرفیت 880 پوند به ازای هر روز یا 400 کیلوگرم در روز). در نهایت طرح یخ ساز جذبی حرارتی خورشیدی تحت عنوان ISAAC برای روستای مذکور انتخاب شد واژه ی فوق در واقع مختصر شده عبارت "سیکل جذبی آمونیاکی خورشیدی متناوب" (14) است. سیکل متناوب که نقطه ی مقابل سیکل مداوم است، دو مزیت عمده دارد. نخست این که اجزای واحدی (یک لوله ی تکی) در مولد و جاذب مورد استفاده قرار می گیرد، ودوم این که فرایند جذب در طول شب که درجه ی حرارت با کاهش رو به رو است، انجام می پذیرد. ISAAC ترموسیفونی دارای مزایای دیگری نیز هست. در طول روز، مولد به نحو شایسته ای عایق کاری شده است، حال آن که اجزای متشابه با آن (جاذب) در طول شب دارای بیش ترین نشست حرارتی به محیط آزاداست. علاوه بر این، چگالنده دارای کارکردی دو منظوره است و سیستم به سیال ناقل حرارت جداگانه ای احتیاج ندارد. کلکتور سهموی ترکیبی (CPC) (15) مورد استفاده از نقطه نظر بازده، در درجه ی حرارت 221 (معادل 105 درجه ی سانتی گراد)، دارای شرایط مناسب و راضی کننده ای است (بازده 40 درصدی). از سایر مزایای آن می توان به باز بودن دست طراحان در انتخاب مواد ارزان قیمت، و استفاده از یک لوله جهت کارکرد جاذب / مولددر کانون کلکتور اشاره داشت.
ISAAC از آمونیاک آب دار (16) استفاده می کند که دلیل آن را می توان عواملی همچون قیمت پایین، گستره ی کارکرد و خواص مناسب ترمودینامیکی آن دانست. مایع برگشتی از کلکتور دارای گرمای نهان بالا و مقادیر متنابهی آب فرار است که همین امر سبب نیاز به تصفیه ی بخار و سیال باقی مانده در تبخیر کننده در هر صبح کاری می شود. عوامل مذکور موجب می شود تا ضریب عملکرد سیکل آمونیاک آب دار در مقایسه با سیستم سایر سیالات عامل، کمی پایین تر باشد؛ اما در مجموع می توان گفت مزایای سیستم آمونیاک آب دار در مقایسه با معایب آن به مراتب بیش تر است. آمونیاک غلیظ گازی سمی به شمار می رود. با توجه به این که چگالی آن از هوا کم تر است، لذا در هنگام نشت از سیستم به سرعت پخش می شود. به هر حال در اماکنی که خطر نشت این گاز وجود دارد، باید تمهیدات مناسبی در مقابل خطرات ناشی از نشت احتمالی آمونیاک سنجیده شود. در نهایت این که انتقال، نصب و بهره برداری از سیستم های آمونیاکی باید با دقت فراوان انجام گیرد.
روستای ماروآتا را می توان به عنوان سمبل یکی از صدها روستای ساحلی فاقد شبکه ی برق سراسری و اقتصاد متکی به حرفه ی ماهی گیری دانست. در این بین، دریا سخاوت به خرج داده و اندوخته ی خود را که انواع ماهی است در اختیار ساحل نشینان قرار می دهد, اما برای استفاده بهینه و اقتصادی از این هدیه، یخ و سردخانه دو رکن اساسی به شمار می روند. یخ سازهای خورشیدی بدون این که کوچک ترین اثرات منفی زیست محیطی در پی داشته باشند، به طور شگفت آور و گسترده ای کیفیت زندگی روستاییان را بهبود بخشید. هم اکنون Energy Concept در حال کاهش هزینه های یخ ساز خورشیدی به نصف است.

سخن آخر
 

امروزه مراکز علمی و تحقیقاتی فراوانی در جهان اقدام به انجام پروژه های مطالعاتی وسیعی در زمینه ی انرژی خورشیدی و راهکارهای بهره گیری هر چه بهتر از این منبع طبیعی و بی ضرر انرژی نموده اند. امید است در کشور ما نیز سرمایه گذاری های بیش تری در این خصوص انجام گیرد. اگرچه در سال های اخیر دانشمندان وپژوهشگران ما نیز اقدامات گسترده ای در این زمینه انجام داده اند، اما نیاز به حمایت های بیش تر و جدی تر از سوی دولت وجود دارد تا زمینه ی استفاده از انرژی خورشیدی و تکنولوژی آن، هم پای سایر کشورهای جهان، گسترش یابد. به امید ایرانی هر روز آبادتر و پیشرفته تر.

پي نوشت ها :
 

1- Anasazi
2- Stefan-Boltzmann
3-Wien
4- Passive
5- Active
6- Source
7- Sink
8- El Centro
9- Rubber
10- Ultraviolet
11- Maruata
12- Colima and Manzanillo
13- Centro de Investigaciones en Energeticosy Desarollo Associationes Civil
14- Intermittent Solar Ammonia Absorption Cycle
15- Compound Parabolic Collector
16- Aqueous Ammonia
 

منابع:
مجلات
- صنعت تأسیسات
- تهویه مطبوع
- تهویه و تبرید
کتاب ها
- رئوفی راد، مجید؛ نگرشی بر سیستم های استفاده از انرژی خورشیدی.
- باکلی، شان؛ ترجمه ی ناصر مقبلی؛ از طلوع تا غروب: مفهوم انرژی خورشیدی؛
- مجموعه مقالات سمینارهای انرژی خورشیدی؛ انجمن انرژی خورشیدی ایران با همکاری مرکز مطالعات انرژی ایران.
سایت های اینترنتی:
- www. Pool_solar.com
- www.solar_cooling.com
- www.flasolar.com
- www.ases.org
- www.irese.org
- www.ncsc.ncsu.edu
- www.energy.state.nc.us
- www.eren.doe.gov
- www.solarpaces.org
منبع: نشريه دانش نما، شماره 176-178