ما موظفیم رویاهایمان را هرچقدر هم خنده دار باشد بگوییم. چه تعداد رویاهایی که در گذشته دست نیافتنی بنظر می رسیدندو همه به آن می خندیدند ، اما اکنون بشر آنها را به واقعیت رسانده است. با اشتباه از آب در آمدن برخی از رویاها چیزی از ارزش بشری کم نمی شود . 

در قسمت پنجم این سلسله مقالات قرار بر این بود که خوانندگان محترمی که علاقمند به فهمیدن دستاوردهای بشر در حوزه چگونگی بهره گیری از انرژی خورشیدی هستند خودشان در اینترنت جستجو نمایند. اما با پیش آمدن موضوع ژنراتور پربازده ابداعی ابتدا شرح کوتاهی از دستاوردهای بشر در چگونگی بهره گیری از انرژی خورشیدی برایتان گفته می شود . بشر در دوران معاصر  از چهار روش برای بهره گیری از انرژی خورشیدی سود جسته است:

روش اول آبگرمکنهای خورشیدی می باشد. در این روش آب گرم خانه ها و هوای خانه ها بوسیله آبگرمکنهای خورشیدی تهیه و تولید می شود. مزیت این آبگرمکنها در موضوع اقلیم شناسی ، استفاده نشدن از سایر سوختها در گرم کردن اقلیم و آلوده نشدن محیط زیست توسط سوختهای آلوده کننده می باشد. عیب بهره گیری از این روش در آن است که در این روش نمی توانیم انرژی خورشیدی را به انرژیهای دیگر تبدیل کنیم و از آنها به غیر از گرمادهی بهره برداری دیگری داشته باشیم . عیب دیگر این آبگرمکنها آن است که  در طول شبانه روز و چه در هنگام نیاز و چه هنگامی که نیازی به آنها نداریم دارای تلفات گرمایی هستند و انرژی زیادی از آنها بدون استفاده به هدر رفته و به محیط باز می گردد. یک عیب دیگر این آبگرمکنها در این است که هدف ما در این نوع آبگرمکنها رسیدن به بالاترین درجه حرارت در کوتاهترین زمان ممکن می باشد. رسیدن به بالاترین درجه در کمترین مدت باعث می شود تلفات گرمایی که در درجات بالا بیشتر می باشد زودتر روی دهد . این عامل نیز باعث کمتر شدن بازده  آبگرمکنهای خورشیدی می شود.

روش دوم سلولهای خورشیدی هستند. سلولهای خورشیدی ، به علت اثری که فیزیکدانان آنرا اثر فتوولتاییک می نامند انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می نمایند. در این روش تابش اشعه خورشید و گرمای خورشید باعث جهش الکترونها از یک مدار به مدار بالاتر شده و جریان الکتریکی ایجاد می شود . بشر با دانش فنی فعلی خود  تاکنون با این روش به بازدهی بیشتر از 25 درصد دست پیدا نکرده است . عیب دیگر این روش در آن است که بشر تنها در طول مدت روز و با تابیدن خورشید می تواند انرژی الکتریکی تولید نماید و در شب مجبور است از باتریهایی که انرژی خورشیدی را ذخیره کرده است بهره برداری نماید. کاستی  دیگر این روش در آن است که ما با سلولهای خورشیدی می توانیم تنها برق مستقیم DC داشته باشیم . در حالیکه بیشترین مصارف ما برق متناوب AC می باشد. ما مجبوریم با برگرداننده ها یا بطوری که بیشتر گفته می شود اینورتورها جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل نماییم.مشکل دیگر این روش خرید باتریهای گرانقیمتی است که عمر طولانی ندارند .

روش سومی  که بشر در برخی کشورها از آن برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی استفاده کرده است روش  کوره های خورشیدی می باشد.در این روش بوسیله آیینه های تخت  زیاد یا آیینه های مقعر ، نور خورشید را روی یک مخزنی  که از آب مایع پر شده است کانونی می کنند . دمای این مخزن می تواند تا حرارت  3500 درجه سانتی گراد برسد. تصویر  نوعی از این کوره را می توانید به این نشانی بیابید:

 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Four_solaire_001.jpg?uselang=fa

با این روش ، آب مخزن به بخار آب تبدیل می شود. بخار آب ، ژنراتور را می چرخاند و برق تولید می شود.  اما این روش نیز دو عیب بزرگ دارد : عیب اول دائمی نبودن انرژی تولید شده می باشد طبیعی است که با پایان یافتن شب کوره سرد شده و تولید انرژی نیز پایان می یابد. عیب دوم نیز تلفات گرمایی زیادبه علت مجاور بودن کوره حرارتی که دارای دمای بسیار زیادی می باشد  با فضای بیرونی است . بنظر می رسد این عوامل باعث استقبال نشدن استفاده از کوره های خورشیدی در کشورمان شده است .

 روش چهارم ابتکاری است که کشورهای ایتالیا و استرالیا در استفاده از انرژی خورشیدی بکار گرفته اند. ابتدا گلخانه شیشه ای عظیمی برافراشته می شود این گلخانه کاملا عایق می شود بطوریکه هیچ منفذی در سراسر گلخانه وجود نداشته باشد. تنها یک راه  ورودی هوا  برا ی آن گذاشته می شود . سپس در قسمت سقف گلخانه سوراخی تعبیه شده و بر فراز آن سوراخ ، دودکش بسیار بلندی نصب می شود. ارتفاع دودکش ساخته شده در ایتالیا 200 متر می باشد. این در حالی است که ارتفاع دودکش در استرالیا 1000 متر طراحی شده است. هوای گلخانه که  سطح آن با اجسام سیاه رنگ پوشانده شده است بسرعت گرم شده و با گرم شدن بسوی بالا حرکت می کند. این هوای داغ به سرعت از دودکش بطرف بالا رانده می شود. در سر راه هوای داخل دودکش ژنراتوری تعبیه شده و این ژنراتور با حرکت هوای داخل دودکش شروع به گردش نموده و برق تولید می نماید. با کم شدن فشار هوا در داخل گلخانه ، هوا از روزنه پایینی به درون گلخانه مکیده شده و هوای ورودی گرم شده و این چرخه ادامه می یابد. این روش نیز دارای معایبی است . کاستی اول عیبی است که در سایر روشها نیز با آن سر و کار داریم . کوره های خورشیدی تنها در روز به تولید انرژی می پردازند. عیب دوم هزینه بالای بازرسی از نشتها  و هزینه گزاف ساخت دودکشهای 200 متری یا هزار متری و عایقکاری آنها است.  هر چقدر دودکش عایقکاری شده باشد ، هوا در طول دودکش سرد شده و اگر چه هوای سرد شده حجم کمتری را اشغال می کند و باعث مکش هوا از پایین می شود اما بعد از مدتی حجم زیاد هوای سرد شده در دودکش و جاذبه زمین هوای دودکش را بطرف پایین می کشد و در عملکرد دودکش خورشیدی اخلال ایجاد نموده  و سرعت ژنراتورهای دستگاه را کاهش می دهد. 

یکی از کاربردی ترین و مشکل گشا ترین روش ساده ای که بنظر می رسد از آن برای تولید انرژی خورشیدی استفاده نشده است ، استفاده از انبساط حجمی مایعات بر اثر گرما می باشد. انبساط حجمی مایعات فرمولی دارد که در کتابهای فیزیک دبیرستانی توضیح داده شده است. مایعات دارای چند ویژگی هستند که چهار ویژگی آنها در فرایند تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی می تواند بسیار مفید باشد. یک ویژگی مایعات  انبساط حجمی مایعات بر اثر گرما می باشد. همانطوریکه می دانید جیوه در دماسنج بر اثر گرما بالا می رود . این ویژگی در گازها و جامدات نیز وجود دارد. اما به علت ویژگی چهارم  نمی توانیم از گازها و جامدات در فرایند تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی استفاده نماییم. ویژگی چهارم  را در ادامه شرح خواهم داد. ویژگی دومی که مایعات دارند و از آن می توان  در ژنراتور جدید  از آن استفاده نمود تراکم ناپذیر بودن مایعات در دماهای یکسان می باشد.  هنگامیکه مایعی را گرم کردیم و این مایع منبسط شد دیگر نمی توانیم آنرا با فشار به سر جای خودش برگردانیم. این کار مانند مشت بر سندان کوفتن است مشتمان درد می گیرد و سندان از جای خود حرکتی نمی کند. اگر مایعی را در مخزنی پر کنیم  ، در آنرا ببندیم و آنرا گرم کنیم ،مایع چاره ای ندارد جز اینکه با فشار عظیمی که وارد می آورد مخزن خود را از هم بدرد تا برای زیاد شدن حجم  خود جا پیدا نماید.

ویژگی سوم  مایعات ،مدیریت پذیری مایعات می باشد. مایعات اجسامی  هستند که می توانیم آنها را به هر کجا که بخواهیم هدایت و راهنمایی کنیم. میتوانیم هنگامی که به آنها گرما دادیم به آنها بگوییم اگر جایتان به خاطر گرما دچار تنگی شده است اشکالی ندارد. مقداری از شما بیایید در داخل این سیلندر ، و این پیستون و این چرخ دنده را بچرخانید. میگویید مشکل است ؟ چاره ای ندارید بایستی فشار دهید تا این چرخ دنده یا این پیستونی که ژنراتور پر قدرتی را به حرکت در می آورد جابجا نمایید. البته این توقع در فشار و زور بیشتر مایعات هنگامی بیشتر می شود که مقدار بیشتری از مایع را بکار بگیریم . هر چه حجم مخزن بیشتر باشد. مقدار بیشتر  ی از حجم مایعی را  در اختیار داریم که می خواهد از جای تنگ خود حرکت کرده و از مخزن بیرون بیاید.  هر چه این حجم بیشتر باشد فشار بیشتری را ایجاد می نماید.

ویژگی چهارم مایعات و بویژه آب  که باعث بکارگرفتن آنها در ژنراتور جدیدمان می شود ظرفیت بالای گرمایی ویژه آنها می باشد. این خاصیت بویژه در آب بیشتر از مایعات دیگر  می باشد. شرح ظرفیت ویژه مایعات بزبان ساده چنین است: هنگامی که به مواد گرما می دهیم یکی سریعتر گرم می شود بطوریکه اکر دستمان را به آن ماده بزنیم دستمان می سوزد و ماده ای دیرتر با همان مقدار گرما کمتر گرم می شود. اگر مقدار گرمایی را به یک کیلوگرم آهن بدهیم و همان مقدار گرما را به یک کیلوگرم آب بدهیم آهن 10 برابر بیشتر از آب گرم می شود. این همان دلیلی است که باعث می شود نتوانیم  از گازها در این ژنراتور استفاده کنیم .اگر چه انبساط گازها بیشتر از مایعات می باشد اما به علت ظرفیت گرمایی پایین آنها  گازها به سرعت گرم شده و به بالاترین دما می رسند.عیب دیگر گازها تراکم پذیری آنها می باشد که باعث آن می شود نتوانیم از آنها در این ژنراتور استفاده نماییم. جامدات نیز بر اثر گرما منبسط می شوند .اما عیب آنها مدیریت ناپذیری جامدات می باشد . ما نمی توانیم آنها را براحتی در جهتی که لازم داریم  هدایت نماییم.

حال ژنراتور تولید برق ساده خود را شرح می دهیم:

این ژنراتور از چهار ویژگی مایعات که در بالا گفته شد بهره برداری می کند تا با کمترین تلفات ، انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل نماید. ما  یک مخزن بزرگ را  پر از مایع مورد نظر می نماییم . به علت ظرفیت یالایی گرمایی آب بهتر است از آب برای پر کردن مخزن  استفاده شود . سطح مخزن را لبریز از آب می نماییم .با لوله ای آب داخل مخزن را بطرف سیلندری که پیستونی  در داخل آن حرکت می کند متصل می نماییم. آن پیستون با کمک چند چرخ دنده که حرکت عمودی یا افقی را به حرکت دورانی تبدیل می کند دور لازم را برای بحرکت در آوردن یک ژنراتور که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند ، فراهم می آورد. اینجا سوالی ممکن است طرح شود : با توجه به اینکه انرژی تابشی خورشید در طول مدتی کم نمی تواند حجم مخزن را بطور چشمگیری افزایش دهد ، چگونه می تواند یک ژنراتور را با سرعتی کافی بچرخاند ؟ جواب این سوال را  می توان با یک فرمول فیزیکی توضیح داد. آن فرمول فرمول اندازه حرکت است. اگر چه سرعت حرکت مایع متناسب با حجم مخزن و مقدار گرم شدن ممکن است چندان زیاد نباشد ، اما خاصیت دوم مایعات یعنی تراکم ناپذیری مایعات به کمک ما می آید. تراکم ناپذیر بودن مایعات باعث می شود همان گرم شدن اندک مایع و فشار ایجاد شده چنان قدرتمند باشد که با چرخ دنده هایی که گفته شد حتی با سرعت کم پیستون در داخل سیلندر ، سرعت لازم برای چرخاندن یک ژنراتور قدرتمند فراهم گردد. خاصیت چهارم مایعات و بویژه آب یعنی ظرفیت گرمایی ویژه آب باعث می شود بتوانیم در 24 ساعت شبانه روز از فرایند گرم شدن یا سرد شدن مایع درون مخزن استفاده نموده و حتی در هنگامی که نور خورشید وجود ندارد انرژی الکتریکی تولید نماییم.

 ما در این ژنراتور تنها محدودیت یا کاستی که داریم قطر پوسته مخزن می باشد. اگر قطر مخزن آنقدر کم باشد تا سرعت رسانایی  انرژی تابشی خورشید به مایع درون  مخزن بیشتر شود ، ممکن است  فشار زیاد  ایجاد شده مایع درون مخزن ، باعث ترکیده شدن مخزن شود. اگر هم قطر  پوسته مخزن بطور چشمگیری زیاد در نظر گرفته شود انتقال انرژی تابشی  به درون مایع مخزن کند می شود که در اینصورت تلفات گرمایی بیشتری را خواهیم داشت و بازده تبدیل انرژی تابشی به انرژی الکتریکی پایین می آید. طبیعی است که برای تولید صنعتی برق از این ژنراتور از مخازنی بزرگ استفاده کنیم و درون آن مخزن را با ورقه های نازک از یکدیگر جدا نماییم . در این حالت با استفاده از ژنراتورهایی با توان متوسط و پیوسته کردن برق آنها می توانیم نیروگاه بزرگی را ایجاد نماییم. برای استفاده خانگی ، مخازن و ژنراتورهای کوچکتر   به راحتی می تواند برق یک یا چند خانه را فراهم نماید. 

چند ویژگی این ژنراتور را به روشهای فعلی تولید برق الکتریکی  مزیت می دهد:  به علت اینکه مایع درون مخزن دارای حرارت زیاد نمی شود و بالاترین دما در مخزن حدود 70 درجه خواهد بود و نیز به علت اینکه فلزات رسانای خوبی برای گرما می باشند و به سرعت انرژی تابشی خورشید را به درون مایع مخزن انتقال می دهند تلفات گرمایی انرژی تابشی این ژنراتور و مخزن آن بسیار اندک می باشد. می توانیم مخزن ژنراتور را در محفظه ای شیشه ای قرار دهیم تا اندک تلفات گرمایی که می تواند مخزن با محیط بیرون داشته باشد به علت اثر گلخانه ای شیشه دوباره به درون مخزن برگردد. همچنین می توانیم در اطراف مخزن ژنراتور آیینه هایی قرار دهیم تا در تمام مدت روز بطور همزمان از همه جهتها به آن آفتاب بتابد.

مزیت دیگر این سیستم بسته بودن سیستم است. بسته بودن سیستم باعث توانایی مدیریت بهینه سیستم برای جلوگیری از هدر رفت انرژی می شود. همچنانکه تبدیل شدن فوری انرژی تابشی خورشید به انرژی مکانیکی و در همانزمان تبدیل آن به انرژی الکتریکی و بسته بودن سیستم از هدر رفت انرژی تابشی خورشیدی جلوگیری می نماید . در قسمت تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی در ژنراتور نیز اتلاف انرژی پایین می باشد. ژنراتورهای کنونی که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند می توانند تا 90% بازده داشته باشند.ظرفیت بالای گرمایی مایعات و بویژه آب نه تنها در طول روز باعث طولانی شدن فرایند گرم شدن می گردد بلکه در طول شب نیز باعث طولانی شدن فرایند سرد شدن مایع  می گردد. در نتیجه این ژنراتور همچنانکه  در طول روز که تابش خورشید وجود دارد بر اثر انبساط حجمی مایعات کار می کند ، در شب نیز بر اثر روند عکس که ناشی از افت دما و انقباض حجمی مایعات است به کار خود ادامه می دهد. 

در پایان این مطلب لازم است به یک سوال که ممکن است در ذهن برخی  طرح شود پاسخ  داده شود . اگر قرار است که مخزن ، حرارت خورشید را در طول روز جذب نماید و در طول شب آنرا پس دهد چگونه می تواند باعث سرد شدن اقلیم پیرامون خود شود ؟ پاسخ این سوال به نوعی در قسمت ششم این سلسله مقالات جواب داده شد. اگر چه ژنراتور و مخزن آن گرمای خود را در طول شب به محیط پیرامون خود پس می دهد اما سطوح اضافی که ایجاد کرده ایم  باعث خنثی شدن  گرمای باز پس داده شده برای گرم کردن اقلیم می شود. سطوح اضافه شده به محیط  یعنی مخزن و آیینه های اطراف مخزن باعث بی اثر شدن گرمای برگردانده شده از مخزن برای گرم کردن محیط می شود . زیرا هر یک از این سطوح ، خود خاصیت سرد کنندگی دارند.

• نویسنده : یزد فردا
• منبع خبر : خبرگزاری فردا