پایان نامه تکنولوژی انرژی خورشیدی و طراحی و محاسبه آن در دستگاه‌های خانگی و صنعتی

پایان نامه جهت اخذ مدرک کارشناسی

«مهندسی مکانیک در طراحی جامدات» 

مقدمه

تحقیقات و اختراعات و بهره گیری از انرژی های مختلف، از اساسی ترین و مهمترین گامهایی هستند که انسانها در طول تاریخ در راه پیشرفت جوامع خود برداشته اند. رشد علم و صنعت و فن آوری در جهان امروز، روشهای مختلف استفاده از انرژی را که در دوران قبل از انقلاب صنعتی معمول بوده دگرگون کرده، و شناخت منابع انرژی های جدید، تحولی عظیم در توسعه صنعتی و تکامل اجتماعی بشر به وجود آورده است.

خورشید عامل و منشأ انرژی های گوناگونی است که در طبیعت موجود است از جمله: سوختهای فسیلی که در اعماق زمین ذخیره شده اند، انرژی آبشارها و باد، رشد گیاهان که بیشتر حیوانات و انسان برای بقای خود از آنها استفاده می کنند، مواد آلی که قابل تبدیل به انرژی حرارتی و مکانیکی هستند، امواج دریاها، قدرت جزر و مد که براساس جاذبه و حرکت زمین بدور خورشید و ماه حاصل می شود، اینها همه نمادهایی از انرژی خورشید هستند. انرژی هسته ای را می توان یک استثناء کلی دانست، با اینکه امروزه یکی از منابع مهم تولید انرژی در جهان شناخته شده است. انرژی اتمی احتیاج به فن آوری بسیار پیشرفته و پرهزینه دارد که در موقع استفاده از آن، خطرات احتمالی و مضرات آنرا نیز باید مدنظر داشت. با مطالعه در تاریخ انسانها، مشاهده می شود که انرژی قابل استفاده برای انسان نخستین، تنها قدرت بدنی او بود. مدتها گذشت تا توانست با رام کردن حیوانات و به خدمت گرفتن سایر انسانها و همچنین سوزاندن درختان، احتیاجات خود را برطرف کند. بالاخره انسان با دستیابی به منابع سوختهای فسیلی مثل ذغال سنگ و نفت و گاز قدرت مادی خویش را به طرز بیسابقه ای افزایش داد.

استفاده از قدرت باد در آسیابها و توربین ها، و کشتیرانی و بکارگیری انرژی آب در چرخها و توربینهای آبی، پس از گسترش معمولمات علمی و فن آوری بشر امکان پذیر شد.

دستیابی به قوانین فیزیکی و اصول علمی انرژی های مختلف و نحوه استفاده های گوناگون از آنها، زندگی بشر را راحت تر و طرز فکر او را متوجه مادیات ساخت.

وابستگی شدید جوامع صنعتی به منابع انرژی بخصوص سوختهای نفتی و بکارگیری و مصرف بی رویه آنها، منابع عظیمی را که طی قرون متمادی در لایه های زیرین زمین تشکیل شده است تخلیه می نماید. با توجه به اینکه منابع انرژی زیرزمینی با سرعت فوق العاده ای مصرف می شوند و در آینده ای نه چندان دور چیزی از آنها باقی نخواهد ماند، نسل فعلی وظیفه دارد به آندسته از منابع انرژی که دارای عمر و توان زیادی هستند روی آورده و دانش خود را برای بهره برداری از آنها گسترش دهد.

خورشید یکی از دو منبع مهم انرژی است که باید به آن روی آورد زیرا به فن‌آوری‌های پیشرفته و پرهزینه نیاز نداشته و می تواند بعنوان یک منبع مفید و تأمین کننده انرژی در اکثر نقاط جهان بکار گرفته شود. بعلاوه استفاده از آن برخلاف انرژی هسته ای، خطر و اثرات نامطلوبی از خود باقی نمی گذارد و برای کشورهائیکه فاقد منابع انرژی زیرزمینی هستند، مناسبترین راه برای دستیابی به نیرو و رشد و توسعه اقتصاد می باشد.

ایران با وجود اینکه یکی از کشورهای نفت خیز جهان بشمار می رود و دارای منابع عظیم گاز طبیعی نیز می باشد، خوشبختانه بعلت شدت تابش خورشید در اکثر مناطق کشور، اجرای طرحهای خورشیدی الزامی و امکان استفاده از انرژی خورشید در شهرها و شصت هزار روستای پراکنده در سطح مملکت، می تواند صرفه جویی مهمی در مصرف نفت و گاز را به همراه داشته باشد.

فن آوری ساده، آلوده نشدن هوا و محیط زیست و از همه مهمتر ذخیره شدن سوختهای فسیلی برای آیندگان،‌ یا تبدیل آنها به مواد و مصنوعات پر ارزش با استفاده از تکنیک پتروشیمی، از عمده دلایلی هستند که لزوم استفاده از انرژی خورشید را برای کشور ما آشکار می سازند.

تبدیل انرژی خورشید بهر شکلی مطلوب می باشد ولی امکانات اقتصادی طرحهای مختلف باید دقیقاً سنجیده شوند. امروزه استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای گرم کردن منازل، از لحاظ فن آوری امکانپذیر می باشد. از نظر اقتصادی نیز بعلت افزایش روزافزون قیمت سوختهای فسیلی و سایر منابع انرژی و تلاش متخصصین در کاهش هزینه مواد اولیه و لوازم مورد نیاز برای جمع آوری حرارت و پرتوهای خورشیدی محققین و دانشمندان را در جهت مطالعه و بهینه سازی سیستمهای خورشیدی تشویق نموده و به پیشرفتهای مهمی نیز دست یافته اند. مراکز و سازمانهای معتبر علمی و پژوهشی جهان نیز همه ساله سمینارها و کنفرانسهای مختلفی را در رابطه با مسائل انرژی، بخصوص انرژی خورشیدی تشکیل داده و تبادل اطلاعات از پژوهشهای جدید را ممکن می سازند. امید است در ایران نیز تشکیل چنین سمینارها و سخنرانیها، مردم را با روشهای استفاده از انرژی خورشیدی آشنا ساخته و کاربرد آنها را میسر سازد.

تاریخچه

شناخت انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای منظورهای مختلف، بزمان ماقبل تاریخ باز می گردد شاید به دوران سفالیگری، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلائی سیقل داده شده و اشعه خورشید، جهت روشن کردن آتشدانهای محراب استفاده می کردند، و یا در دوران فراعنه مصر در دوره آمنوفیس سوم (سالهای 1419-1455 قبل از میلاد) بر اثر تابش خورشید بر مجسمه های ناطق، هوای داخل آنها گرم و مجسمه ها بصدا در می آمدند، همچنین بالای مقبره ممنن پسر آمنوفیس پرنده ای نصب کرده بودند که بوسیله تابش خورشید صبحگاهی، پرنده به صدا در می آمد.

مهمترین روایتی که در رابطه با استفاده از تابش خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم (سالهای 212-287 ق-م) می باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید. گفته می شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و باین ترتیب آنها را به آتش کشیده است. بهمین علت از ارشمیدس به عنوان بنیانگذار استفاده از تابش خورشید نام می برند درحالیکه منابع مصری قدیمیتر از آنست.

رومیان در تاریخ می نویسند که آنها مغلوب یک نیروی نامرئی شدند و اعتقاد پیدا کرده بودند که با خدایان در حال جنگ هستند. سوال این است که آیا ارشمیدس اطلاعات کافی درباره علم اپتیک داشته و یا از روش ساده ای برای متمرکز کردن اشعه خورشید در یک نقطه استفاده کرده است. گویا این دانشمند کتابی بنام آئینه‌های آتش‌زا نوشته بود ولی متأسفانه نسخه ای از آن جهت روشن شدن مطلب موجود نیست. شاید این کتاب در حمله ایکه چند سال بعد بوسیله رومیان انجام و باعث فتح یونان گردید نابوده شده باشد زیرا که در این حمله رومیها خود ارشمیدس را هم کشتند.

حدود 1800 سال پیش از ارشمیدس شخصی به نام کیرچر (A.KIRCHER سال 1610-1680) شاهکار ارشمیدس را تکرار کرد و با استفاده از تعدادی آئینه، یک لنگرگاه چوبی را از فاصله دور آتش زد و ثابت کرد که داستان حقیقت دارد. در سال 1615 سالمون (SALMON DE CAUM) اهل فرانسه بیانیه ای راجع به موتور خورشیدی منتشر کرد. او با استفاده از تعدادی عدسی که در یک قاب نصب شده بودند اشعه خورشید را برروی یک استوانه فلزی سربسته که قسمتی از آن از آب پر شده بود متمرکز نمود. تابش خورشید باعث گرم شدن هوای داخل استوانه شده و با انبساط هوا، فشار داخل محفظه افزایش یافته و آب به بیرون رانده می شد. این وسیله با اینکه جنبه اسباب بازی داشت ولی در واقع برای ایجاد علاقه جهت استفاده از انرژی خورشید بی تأثیر نبود.

در قرن هیجدهم ناتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت. بزرگترین کوره او از 360 قطعه آئینه تخت کوچک تشکیل شده بود که هرکدام بطور مستقل اشعه خورشید را به یک نقطه متمرکز می کردند. این محقق کوره کوچکتری را نیز که از 168 قطعه آئینه تشکیل شده بود در سال 1747 طراحی و تولید کرد و بوسیله آن یک تل چوبی را در فاصله 60 متری آتش زد.

دستگاههای خوراک پز خورشیدی اولین بار بوسیله شخصی بنام (ICHELAS DE SAUCCER 1740-1799) ساخته شد، اجاق او شامل یک جعبه عایق شده با صفحه سیاهرنگی بود که قطعات شیشه ای درپوش آنرا تشکیل می دادند، اشعه خورشید با عبور از میان شیشه ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب و درجه حرارت داخل جعبه را به 88 درجه سانتیگراد افزایش می داد.

آنتونی لاوازیه (1743-1794) خالق شیمی نوین برای کسب بیشترین انرژی از خالص‌ترین منبع حرارتی، تحقیقاتی در کوره های خورشیدی انجام داد و کوره ای ساخت که برای تشکیل یک عدسی محدب این کوره از دو صفحه شیشه ای که بین این دو صفحه با الکل پر شده بود، استفاده نمود. عدسی مایع بقطر 130 سانتیمتر و بفاصله کانونی 320 سانتیمتر بود. چون قدرت انکسار این عدسی مایع برای بدست آوردن درجه حرارت زیاد در کانون آن موثر نبود، لاوازیه عدسی کوچک دیگری را در کانون آن قرار داد و با کوچکتر کردن فاصله کانونی موثر، این دستگاه قادر شد حتی پلاتنیوم را در دمای 1760 درجه سانتیگراد ذوب نماید.

بسمر (BESSMER- 1813-1898) پدر فولاد جهان حرارت موردنیاز کوره خود را با استفاده از انرژی خورشیدی تأمین کرد. در قرن نوزدهم تلاشهایی جهت تبدیل انرژی خورشیدی به دیگر فرمهای انرژی مثل تولید بخار و استفاده در موتورهای بخار انجام گرفت، در این سالها چندین موتور بخار خورشیدی ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفتند.

در سال 1878 موشو (MOUCHOT) اولین کلکتور خورشیدی با متمرکز کننده مخروطی شکل را طراحی کرد. آئینه های داخل مخروط تمام اشعه های خورشیدی را در نقطه ای در وسط مخروط ناقص که جذب کننده ای در آنجا نصب شده بود متمرکز می کرد.

این کلکتور را اکسیکون (AXICON) می نامیدند. اولین اکسیکون بزرگی که ساخته شد شامل یک صفحه از جنس نقره با قطر 540 سانتیمتر و بسطح 2/18 مترمربع بود. وزن آن با کلیه قسمتهای متحرک در حدود 1400 کیلوگرم بود و قدرت داشت 78درصد از انرژی خورشیدی تابیده شده را جذب کند. ولی از آنجا که در این طرح تابش خورشید بجای یک نقطه در یک سطح متمرکز می شد دارای شدت کمتری بود. قدرت تولیدی مخروط ناقص موشو برای راه اندازی ماشین بخاری بقدرت 5/1 کیلووات کافی بود که تقریباً 3% از انرژی جذب شده را تحویل می داد در صورتیکه ماشینهای بخار ذغال سنگی قادر به تحویل 9% تا 11% انرژی دریافتی می باشند. طی سالهای بعد، انرژی اخذ شده از خورشید، در واردی نظیر تأمین قدرت ماشینهای چاپ و یا تقطیر و شیرین کردن آب استفاده گردید.

اریکسون مبتکر سیکل موتور هوای گرم، قدرت موردنیاز آزمایشات خود را بوسیله یک متمرکز کننده پارابولیک دریافت می کرد، این شخص با یک سطح انعکاسی برابر با 3/9 مترمربع در حدود 7/0 کیلووات انرژی دریافت می کرد.

در سال 1880 اولین کلکتور تخت خورشیدی بوسیله چارلز تلی یر (TELIER) ساخته شد.

در سال وستر (E-wester) پیشنهاد استفاده از انرژی خورشیدی در ترموکوپلها را ارائه داد. باین ترتیب که با متمرکز کردن انرژی خورشیدی برروی ترموکوپل و با استفاده از اساس کار آنها و با ایجاد منابع گرم و سرد، انرژی الکتریکی در دو سر سیمهای نیکل و آهن ایجاد نمود.

در قرن نوزدهم دستگاههای آب شیرین کن خورشیدی رواج پیدا کردند و دستگاههایی ساخته شدند که قادر بودند در روزهای آفتابی روزانه حدود 20000 لیتر آب مقطر تولید نمایند.

در قرن بیستم (قرن حاضر) استفاده از کلکتورها جهت تولید بخار در نیروگاههای برقی مورد توجه زیاد قرار گرفته است. گرم کردن ساختمانها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه ای بود که در سالهای 1930 مطرح و در یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی نائل آمد.

اولین خانه خورشیدی در انستیتو تکنولوژی ماساچوست آمریکا (MIT) در سال 1938 ساخته شد. پیشرفت در طراحی و ساخت خانه های خورشیدی و آبگرم کنها آنچنان سریع بود که تصور می شد تا سال 1970 گرمایش میلیونها خانه در کشورهای مختلف بوسیله انرژی خورشید تأمین خواهد شد اما نه تنها چنین نشد آمار نشان می دهد که گرمایش خورشیدی در سالهای 1970 نسبت به سال 1955 کمتر هم شده بود.

علت چه بود؟

بالابودن هزینه اولیه چنین سیستمها، و در عین حال عرضه نفت و گاز ارزان، سد راه پیشرفت این سیستمها شده بود. اما بحران انرژی در سال 1974 و از طرفی پیشرفت تکنیک ساخت کلکتورهای مختلف خورشیدی و احتمال کاهش و یا اتمام بعضی از منابع زیرزمینی، بار دیگر توجه جهانیان را به انرژی خورشیدی جلب کرده و تلاشهای زیادی در اکثر کشورهای مختلف جهان، در جهت تکامل و پیشرفت این تکنیک صورت می گیرد.

در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستمهای مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری می شود که اهم آنها عبارتند از:

1- سیستمهای فتوبیولوژیک: تغییراتی که در حیات و زیست گیاهان و جانداران بوسیله نور خورشید و فتوسنتز ایجاد می گردد، فرآیند تجزیه کود حیوانات و استفاده از گاز آن.

2- سیستمهای فتوشیمیایی: تغییرات شیمیایی در اثر نور خورشید- الکترولیزهای نوری- سلولهای فتوولتائیک الکتروشیمی- تأسیسات تهیه هیدروژن

3- سیستمهای فتوولتائیک: تبدیل انرژی خورشید به انرژی الکتریکی- سلولهای خورشیدی.

4- سیستمهای حرارتی و برودتی: شامل سیستمهای تهیه آبگرم- گرمایش و سرمایش ساختمانها- تهیه آب شیرین- سیستمهای انتقال و پمپاژ- سیستمهای تولید فضای سبز (گخانه‌ها)- خشک کنها و اجاقهای خورشیدی- سیستمهای سردسازی- برجهای نیرو- خشک کن های خورشیدی- نیروگاههای خورشید.

زمین و انرژی خورشید

مغز آدمی از روزیکه قدرت تفکر پیدا کرد در این اندیشه بود که زمین تا کجا ادامه دارد، چه چیز آنرا نگاه می دارد، و خورشید و ماه و ستارگان از چه ساخته شده اند، و مبدأ تمام این پدیده ها چیست؟

انسان تفکرات خود را بصورت نوشتجات مذهبی در آورده و قرنهاست که این نوشته‌ها بخشی از فرهنگ انسانها را تشکیل داده اند که اغلب ناشناخته مانده و لذا بسیاری از ما هنوز نمی دانیم که برخی از ملل باستانی در باب زمین و منظومه شمسی نظرات مسلمی داشته اند که امروزه هم کاملاً قابل قبول است.

ارسطو نخستین کسی است که گردش زمین و دیگر سیارات را بدور خورشید پیشنهاد کرد ولی منجمان نظر وی را نپذیرفته و آنرا مردود شناختند تا اینکه پس از دو هزار سال شخصی بنام کپرنیک آنرا دوباره پیشنهاد کرد. مردم یونان و حتی قبل از آنها عیلامیها شکل و اندازه زمین را می دانستند و بر علت کسوفهای خورشید نیز آگاه بودند.

پس از مدتی منجم دانمارکی (تیکوبراهه) حرکت مریخ را از رصدخانه خود در جزیره ای در بالتیک زیر نظر قرار داد. نتیجه مشاهدات او نشان می داد که مریخ و دیگر سیارات برروی مدارهای بیضی بدور خورشید می چرخند. هنگامیکه نیوتن قانون گرانش عمومی و قوانین حرکت را بیان داشت توصیف صحیحی از منظومه شمسی به دست می آمد. همین موضوع افکار بعضی از دانشمندان بزرگ و ریاضی دانان را در قرون بعدی مشغول ساخت.

متأسفانه توصیف مبدأ منظومه شمسی مسئله ای بسیار مشکلتر از مسائل حرکات آن در آسمانست. موادی که از ساختمان زمین و خورشید می شناسیم با آنچه که در اصل در کار بوده است شاید تا حدی متفاوت باشند. فهم و درک روشنی از شرایطی که این مواد و مصالح چگونه با هم مجتمع شده اند مستلزم آنست که اطلاعاتی درباره بعضی مباحث علمی جدید از قبیل تئوری گازها، ترمودینامیک، رادیواکتیویته و تئوری کوانتم بدست آورده باشیم. بهمین علت تعجبی نیست که تا قرن بیستم پیشرفتهای غیرمحسوسی در این زمین حاصل شده باشد.

با اینکه حدود 70 سال پیش هاروله جفریز احتمال جداشدن ماه از زمین را بیان کرد نظریاتی در باب مبدأ منظومه شمسی پیشنهاد گردید که حاکی از جداشدن زمین و دیگر سیارات از خورشید بود.

همچنین نظر دادند که ستاره دیگری از نزدیک خورشید گذشته و یا با آن تصادف کرده و از این اتفاقات کیهانی، مواد مجزا و آزادی بوجود آمده که پس از چسبیدن بیکدیگر، سیارات را تشکیل داده اند. چنین تصوری درباره منظومه شمسی تا به امروز تقریباً صحیح تلقی شده است.

نظریه دیگر اینست که جرمهای عظیمی از گرد و غبار و گاز باندازه کافی متراکم و فشرده شده اند، نیروی جاذبه سبب فروریختن تمام این جرم متراکم گشته، فشار و درجه حرارت درونی آنها بحدی رسیده که فعل و انفعال حرارتی را در هسته اتم برانگیخته است.