بررسی انرژی خورشیدی و استفاده از این فناوری در طراحی و محاسبه دستگاه‌های خانگی و صنعتی

فهرست

مقدمه

تاریخچه 

زمین و انرژی خورشیدی

وضعیت انرژی در ایران 

زوایای خورشیدی 

وسایل اندازه گیری تابش خورشیدی 

انرژی خورشیدی و مقایسه‌ی آن با انرژی های دیگر 

انواع تکنولوژی های انرژی خورشیدی 

تابش خورشید 

عملکرد سلول های خورشیدی 

ذخیره سازی انرژی 

سیستم های گرما خورشیدی 

آبگرمکن خورشیدی برای گرمایش ساختمان و مصرف 

آبگرمکن خورشیدی برای گرمایش و سرمایش 

سیستم های تهیه‌ی آب شیرین خورشیدی 

طراحی و محاسبات آبگرمکن خورشیدی 

محاسبات دستگاه آب شیرین کن خورشیدی 

سیستم های خشک کن خورشیدی 

سیستم های سرد کننده خورشیدی 

اولین ساختمان خورشیدی در ایران 

منابع و مآخذ 

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 ۱۴۱۹-۱۴۵۵ 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 ۲۱۲-۲۸۷ 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 ۱۸۰۰ سال پیش از ارشمیدس شخصی به نام کیرچر (A.KIRCHER سال ۱۶۱۰-۱۶۸۰) 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 ۱۶۱۵ 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 ۳۶۰ 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 ۱۶۸ قطعه آئینه تشکیل شده بود در سال ۱۷۴۷ طراحی و تولید کرد و بوسیله آن یک تل چوبی را در فاصله ۶۰ 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 ۸۸ درجه سانتیگراد افزایش می داد.
آنتونی لاوازیه (۱۷۴۳-۱۷۹۴) 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 ۱۳۰ سانتیمتر و بفاصله کانونی ۳۲۰ 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 ۱۷۶۰ 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 ۱۸۷۸ 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 ۵۴۰ سانتیمتر و بسطح ۲/۱۸ مترمربع بود. وزن آن با کلیه قسمتهای متحرک در حدود ۱۴۰۰ کیلوگرم بود و قدرت داشت ۷۸درصد 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 ۵/۱ کیلووات کافی بود که تقریباً ۳% از انرژی جذب شده را تحویل می داد در صورتیکه ماشینهای بخار ذغال سنگی قادر به تحویل ۹% تا ۱۱% 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 ۳/۹ مترمربع در حدود ۷/۰ کیلووات انرژی دریافت می کرد.
در سال ۱۸۸۰ 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 ۲۰۰۰۰ 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 ۱۹۳۰ مطرح و در یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی نائل آمد.
اولین خانه خورشیدی در انستیتو تکنولوژی ماساچوست آمریکا (MIT) در سال ۱۹۳۸ ساخته شد. پیشرفت در طراحی و ساخت خانه های خورشیدی و آبگرم کنها آنچنان سریع بود که تصور می شد تا سال ۱۹۷۰ 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 ۱۹۷۰ نسبت به سال ۱۹۵۵ 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 ۱۹۷۴ 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:
۱- 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.
۲- سیستمهای فتوشیمیایی: تغییرات شیمیایی در اثر نور خورشید- الکترولیزهای نوری- سلولهای فتوولتائیک الکتروشیمی- تأسیسات تهیه هیدروژن
۳- سیستمهای فتوولتائیک: تبدیل انرژی خورشید به انرژی الکتریکی- سلولهای خورشیدی.
۴- 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 ۷۰ 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.
احتمال اینکه ستاره ای مثل خورشید بدین کیفیت تشکیل شده باشد منطقی بنظر می‌رسد و در عین حال ممکن است باندازه کافی مواد بجا مانده باشد که یک منظومه شمسی نیز ساخته شود.
 واقعاً زمین و خورشید و دیگر سیارات به چه طریق تشکیل یافته اند؟ چون اطلاعات دقیقی از آن زمانها نداریم پس هر نظری در این مورد بیان شود می تواند صحیح تلقی شود، ولی تنها نظریاتی را که با قوانین فیزیکی و حقایق مشهود، سازگار باشد می توان محتمل دانست.
کویپر چنین احتمال می دهد که جرم اولیه گرد و غبار بقسمتهای متمایزی تقسیم شده که یک قسمت خورشید و قسمتهای دیگر سایر سیارات را تشکیل داده اند. سیاراتی که نخست تشکیل شده و سیارات زمینی نامیده شده اند عبارتند از: عطارد- زهره- زمین، مریخ که گازهای خود را از دست داده اند. سیارات غول پیکر، مشتری و زحل، گازها و حتی بیشتر هیدروژن و هلیم خود را نگاه داشته اند. اورانس و نپتون، بیشتر هیدروژن و هلیوم و متان خود را از دست داده ولی آب و آمونیاک و اندکی مواد فرار را نگاهداشته اند. تمام این کیفیات با چگالی کنونی سیارات نامبرده سازگاری دارند.
چگالی تعیین شده برای سیارات گوناگون عبارتند از: عطارد ۵-، زهره ۴/۴-، زمین   4/4-، مریخ ۹۶/۳ و ماه ۳۱/۳- این اختلاف چگالی ها با اختلاف مقدار آهنی که در این سیارات وجود دارد متناسب است.
در مورد پیدایش خورشید فرضیه ای که بیشتر مورد قبول واقع شده، اینست که منشأ ایجاد خورشید توده های ابری شکل گازهایی هستند که تشکیل دهنده عمده آنها هیدروژن بوده است. در مرحله اول و در نتیجه نیروی جاذبه مرکزی، ذرات هیدروژن رویهم متراکم شده و در اثر تراکم، تصادم شدیدی بین ذرات هیدروژن بوجود آمده و در نتیجه افزایش بیش از حد فشار و دما، تحولات هسته ای پدید آمده و حاصل آن آزادشدن منابع عظیم انرژی بوده است.
گداخته شدن و تحولات هسته ای هیدروژن، اتمهای جدید هلیوم را پدید آورده که این گداخته شدنها و واکنشهای هسته ای در توده های ابری شکل گازها، تولد خورشید را باعث شده است.
اگر در نظر بگیریم که طبق برآورده های علمی، در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از زمان شروع به هیدروژن گدازی خورشید می گذرد در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید در تحولات هسته ای تبدیل به انرژی می شود شاید نگران تحلیل رفتن سریع سوخت این کوره هسته ای عظیم باشیم ولی اگر از میزان جرم خورشید که معادل ۱۰۲۶*۲/۲ تن می باشد آگاه شویم متوجه خواهیم شد که نگرانی ما حداقل برای هزاران میلیون سال آینده بی مورد است.
تحولات دما هسته ای در مرکز خورشید سبب تولید انرژی می گردد که بصورت تشعشعات الکترومغناطیسی و با فرکانس بسیار زیاد به فضای خارج خورشید تابیده می شود. تشعشعات الکترومغناطیسی را براساس فرضیه های علمی می توان به ترکیبی از حوزه های مغناطیسی و امواج الکتریکی تعبیر کرد که این حوزه ها بسرعت در تناوبند و یا براساس تعبیر علمی دیگر، ذرات انرژی بنام فوتون را می توان ماهیت تشعشعات الکترومغناطیس دانست.
انرژی تشعشعی، در مرکز خورشید که حرارت آن بین ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می باشد تولیدشده و از سطح خورشید که حرارت آن تقریباً معادل ۵۶۰۰ درجه سانتیگراد است بصورت امواج در فضا منتشر می شود. طول این امواج از مقادیر زیاد تا اندازه های بسیار کوچک مانند طول موج اشعه ایکس و گاما متفاوت بوده و با بار انرژی آنها رابطه معکوس دارد. بعبارت دیگر امواج پرانرژی تر دارای طول موج کوتاهتری هستند. هرچند که دامنه تنوع طول موجهای منتشره از خورشید بسیار وسیع است ولی قسمت اعظم انرژی آن، در طول موجهای مشخص و محدودی منتشر می شوند. نورهای قابل رؤیت بوسیله چشم انسان معادل ۴۶ درصد از کل انرژی صادره از خورشید تشکیل می دهند. این اشعه که دستگاه بینائی انسان نسبت به آن حساس است در طول موجهائی از ۳۵/۰ تا ۷۵/۰ میکرون پخش شده و شامل همه رنگهای آشنا به چشم انسان، از اشعه بنفش با طول موج ۳۵/۰ میکرون تا آبی- سبز- زرد- نارنجی و قرمز با طول موج ۷۵/۰ میکرون می باشند. (میکرون واحد اندازه گیری طول موج است که برابر یک هزارم میلیمتر می باشد) در حدود ۴۷ تا ۴۹ درصد از تشعشعات خورشیدی در طول موجهای مادون قرمز منتشر می شوند. تشعشعاتی که ما از آنها احساس گرما می کنیم در طول موجهای بیشتر از طول موج رنگ قرمز (بیش از ۷۵/۰ میکرون) پخش می شوند و بقیه اشعه خورشید در منطقه ماوراء بنفش و با طول موج کمتر از ۳۵/۰ میکرون منتشر می شوند. اصطلاحاً طول موج زیر ۳/۰ میکرون را موج کوتاه و بالاتر از آنرا طول موج بلند می پیمایند.
تمام امواج الکترومغناطیسی که از سطح خورشید پخش می شوند با سرعت حرکت نور یعنی ۳۰۰هزار کیلومتر در ثانیه فضا را می پیمایند. و زمین که در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتر از خورشید قرار گرفته است فقط یک جزء از ۲۰۰۰ میلیون جزء انرژی خورشید را دریافت می کند و همین سهم بسیار کوچک، منبع تأمین انرژی تمام تحولات جوی و حیاتی بوده و گرداننده چرخهای زندگی در روی کره زمین می‌باشد.

شکل ۱- اتمهای هیدروژن و هلیوم و انرژی حاصله از آنها

شکل ۲- تجزیه اشعه‌های خورشید

دهش انرژی خورشید که در خارج جو زمین می توان میزان آنرا تقریباً ثابت فرض نمود معادل ۱۳۵۳ وات بر مترمربع می باشد. این انرژی تقریباً معادل ۹۴/۱ کالری بر سانتیمتر مربع در هر دقیقه می باشد که آنرا کمیت ثابت خورشیدی می نامند. بطوریکه اگر این مقدار ثابت فقط ۵ درصد تغییر کند میانگین درجه حرارت سالیانه زمین که حدود ۱۰ درجه سانتیگراد است ۳ درجه کاهش و یا افزایش خواهد یافت و تحولات ناشی از این تغییرات، یا سرما و یخبندان و محو زندگی در قسمت اعظم کره زمین خواهد شد و یا ذوب شدن کوههای عظیم یخهای قطبی و تبخیر سریع آب اقیانوسها و نزول بارانهای سیل آسا، حیات را در کره زمین بدان شکل که می شناسیم مختلف و شاید غیرممکن خواهد ساخت.
از مجموع تشعشعات خورشید که بوسیله زمین و جو آن دریافت می شود در حدود ۳۵ درصد آن مجدداً بفضای خارج از جو بازتاب می گردد.

شکل ۳- تجزیه انرژی خورشید در اتمسفر زمین

قسمت اعظم این بازتابی در جو زمین و در برخورد اشعه خورشید با ابرها و غبارهای جوی انجام می گیرد و بخش کمتری از آن، در سطح زمین در نتیجه انعکاس اشعه بوسیله آبها- برفها و سنگریزه ها حادث می شود. قسمتی از باقیمانده انرژی، در حین عبور از جو زمین، در اثر برخورد با ذرات هوا و غبار و بخار آب موجود در جو، بدفعات زیاد تغییر مسیر داده و پس از این برخوردها، بصورت تشعشعات پراکنده به سطح زمین و یا فضای خارج تابیده می شود. همچنین در حدود ۱۰ الی ۱۵ درصد انرژی تشعشعی دریافت شده از خورشید، بوسیله ذرات بخار آب- اکسید دو کربن و ازون موجود در جو زمین، جذب می شود. شکل (۳).
قابل توجه است که در طبقات فوقانی جو زمین، گاز ازون تقریباً تمام اشعه ماوراء بنفش را جذب می کند و این تصفیه اشعه از نظر سلامت زندگی انسانها حائز اهمیت فوق العاده ایست زیرا که اشعه ماوراء بنفش در پوست و چشم انسان تأثیرات بسیار نامطلوب دارد. بخار آب و اکسید دو کربن نیز در طبقات تحتانی جو زمین، اشعه مادون قرمز را جذب می کنند.
یکی از مهمترین عواملی که در تعیین میزان تشعشعات خورشیدی که به پوسته هزمین می رسد موثر می باشد، طول مسیری است که اشعه خورشید قبل از رسیدن به سطح زمین در جو طی می کند. در طول روز هنگامی که خورشید در اوج مسیر روزانه خود قرار می گیرد (ظهر خورشیدی) اشعه کمترین مسیر را در جو زمین طی کرده و بزمین می رسد، ولی هرقدر خورشید به افق نزدیک می شود (غروب آفتاب) مسیری که بوسیله اشعه در جو زمین پیموده می شود طولانی تر می گردد. هرچه این مسیر طولانی تر باشد میزان انرژی جذب شده و پراکنده شده در جو افزایش یافته و در نتیجه از مانده انرژی که بزمین می رسد کاسته می شود. بهمین دلیل در نقاط مرتفع بعلت کاسته شدن از ضخامت جو زمین، محتوای انرژی تشعشعی خورشید، از نقاط دیگر بیشتر است.

وضعیت انرژی در ایران
انرژی، نیروی اصلی و اساسی زندگی انسانها است. دوره های مختلف تمدن انسان، براساس کشفیات و اختراعات و بهره گیری از منابع انرژیهای گوناگون شکل گرفته اند. انرژی را می توان بعنوان بنیاد و اساس زندگی اجتماعی معرفی کرد.
پس از افزایش قیمت نفت در سال ۱۹۷۳ کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله انرژی جدی تر بنگرند و این دید پس از افزایش مجدد قیمت نفت بعد از انقلاب اسلامی ایران، وسعت بیشتری یافت. این مسئله به عنوان بحران انرژی و یا بحران احتراق نام گرفت و سرآغاز تحقیقاتی در زمینه صرفه جویی و یا بهینه سازی مصرف انرژی گردید.
این صرفه جوئی، در اولین مرحله تمامی سیاستگذاری های انرژی و جزء برنامه های کوتاه مدت قرار گرفت و در برنامه های میان مدت و بلند مدت مواردی مانند پیدا نمودن منابع جدید انرژی و منابع انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشید و باد و امواج و غیره در دستور کار قرار گرفت.
مهمترین نکته ای که برای مردم عادی در مورد صرفه جوئی در انرژی مطرح می‌گردد اینست که آیا این صرفه جویی تأثیری در استاندارد زندگی داشته و باعث پایین آمدن سطح آسایش آنها خواهد شد یا نه؟ جواب منفی است زیرا این عمل باعث می شود که ضمن حفظ استاندارد زندگی و سطح تولید ناخالص ملی، میزان انرژی مصرفی کاهش یابد. در واقع می توان از این موضوع تحت عنوان هرچه بهتر و با راندمان بیشتر از انرژی مصرف نمودن را نام برد که همان بهینه سازی مصرف انرژی می باشد. کشورهای صنعتی باین نتیجه دست یافته اند که با بهینه سازی مصرف انرژی در صنایع و ساختمانها، می توان بین ۳۰ تا ۴۰درصد مصرف انرژی را کاهش داد.
با توجه به اینکه ایران یکی از ۱۵ کشور جهان از لحاظ مصرف بالای مواد نفتی بوده و در بین کشورهای اوپک بیشترین مصرف کننده اینگونه مواد می باشد. با توجه به آمار مربوط به میزان مصرف کشور، مصرف فرآورده های نفتی در سال ۱۹۷۶ و ۱۹۸۳ بترتیب معادل ۴۳۰۰۰۰ و ۸۷۱۰۰۰ بشکه نفت در روز بوده است که با درنظر گرفتن مصرف سال ۱۹۹۱ که حدود ۱۱۰۰۰۰۰ بشکه در روز بوده است، می توان گفت در زمانی که دنیای غرب با اعمال سیاستهای بهینه سازی مصرف انرژی، مصرف خود را پائین آورده است، ایران در کمتر از دو دهه مصرف فرآورده های نفتی خود را حدوداً سه برابر کرده است. درست است که مصرف انرژی باعث بالارفتن رفاه و استاندارد زندگی می شود، اما باید دقت نمود که آیا می توان همواره این رشد مصرف را حفظ نمود؟ با عنایت به رشد مصرف بالای ۵درصدی در ایران به راحتی می توان مشاهده کرد که هر ۱۰ سال مصرف انرژی ما دوبرابر می شود. با این روند و با توجه به افت فشار چاههای نفت و مشکلات حفاری و استخراج و سرمایه گذاری، آیا می توان امیدوار بود که بعد از دو دهه می توانیم نیازهای خود را مرتفع نمائیم و آیا تولید ما پاسخگوی نیازهایمان خواهد بود؟ و اگر هم باشد مازادی برای صدور نفت و بدست آوردن ارز خواهیم داشت؟
در بررسیهای بعمل آمده توسط بانک جهانی در سال ۱۹۸۳، آمده است که چنانچه کشورهای درحال توسعه سیاستهای بهینه سازی مصرف انرژی را معمول می‌داشتند تا سال ۱۹۹۰ می توانستند معادل ۴ میلیون بشکه نفت در روز یعنی حدود ۱۵ درصد انرژی تجاری شان را صرفه جوئی نمایند. متأسفانه در این فاصله از طرف ایران اقدامی در این زمینه صورت نپذیرفته است ولیکن چنانچه برای دو برنامه پنجساله بعدی یعنی برای یک دوران ده ساله، با استفاده از سیاستهای بهینه سازی مصرف انرژی و بدون لطمه زدن به تولید و رفاه عمومی، حدود ۲۰درصد کاهش در مصرف بدست آید، منافع زیر عاید کشورمان ایران خواهد شد:
۱- با احتساب مصرف بیش از یک میلیون بشکه معادل نفت در روز، سود ارزی حاصله بیش از یک میلیارد دلار در سال خواهد شد.
۲- کاهش آلودگی هوا که در شهرهای بزرگ مثل تهران به مرز خطرناکی رسیده است.
۳- صرفه جوئی در سرمایه گذاری در ساخت نیروگاهها، پالایشگاهها و سیستم گازرسانی به میزان میلیاردها دلار در سال
۴- طولانی شدن عمر ذخائر نفتی
۵- ایجاد اشتغال در کشور
ایران در مجموع کشوری است بسیار آفتابی و از نظر مقدار و دریافت انرژی خورشیدی در شمار بهترین کشورها محسوب می شود. انرژی فراوان و لایزال خورشید، بدون نیاز به شبکه های انتقال و توزیع عظیم و پرخرج، در سراسر کشور گسترده شده است. معماری سنتی ایران نشاندهنده توجه خاص ایرانیان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمانهای قدیم می باشد. متأسفانه در حال حاضر و با وجود علوم و تکنولوژی جدید در کشور، استفاده از انرژی خورشید بسیار ناچیز است. چنین تصور می شود که وجود منابع عظیم نفت و گاز، و پائین بودن سطح علمی و فنی کشور باعث عدم پیشرفت در استفاده از انرژی خورشیدی شده است ولی بایستی توجه شود که:
۱- ارزش واقعی منابع فسیلی خیلی بیشتر از آنست که از نفت برای گرم کردن آب و یا گرمایش ساختمانها و اموری از قبیل آنها استفاده شود.
۲- منابع نفت و گاز روبزوالند و دیر یا زود این منابع تخلیه خواهند شد.
۳- در مواقع بحرانی مانند زمان جنگ که اختلالاتی در استخراج و تولید ایجاد می‌شود و یا در زمستان که بعلت بسته بودن راهها، امر توزیع مختل می گردد، مصرف کنندگان با کمبود شدید سوخت روبرو خواهد شد.
از طرفی می توان بصراحت اعلام کرد که سطح کنونی علمی و صنعتی کشورمان برای ایجاد و گسترش تکنیکی خورشیدی بحد کافی آمادگی دارند.
بنابراین اگر طرحهای خورشیدی معرفی شوند و علوم و فنون مربوطه ترویج یابند، صنایع خورشیدی کشور، می تواند بعنوان یک صنعت خودکفا وارد عمل گردد.
مهمترین نکته اینست که پژوهشگران و مخترعین و صنعتگران ایرانی باید طرحها و دستگاههائی را معرفی کنند که با شرایط جوی و علمی و فنی ایران مطابقت داشته و از نظر اقتصادی نیز مقرون بصرفه باشند.
منابع عمده انرژی که در حال حاضر در ایران مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:
نفت خام، گاز طبیعی، ذغال سنگ، پتانسیل آبی و انرژیهای غیرتجاری، در ایران ذخائر ثابت شده نفتی موجود در حدود ۳۹ بیلیون بشکه برآورد شده و مصرف داخلی حدود ۷۰۰هزار بشکه در رزو است. از آنجائیکه اقتصاد ما وابسته بصدور نفت می باشد لذا میزان صادرات، نقش عمده ای در مصرف ذخائر نفتی دارد. تا قبل از انقلاب، صادرات نفت ایران به مرز ۶ میلیون بشکه در روز هم رسیده بود که با توجه بمیزان ذخائر موجود در رشد مصرف داخلی، عمر ذخائر نفتی چیزی در حدود ۳۰ سال پیش بینی می شد.
خوشبختانه ایران از نظر ذخائر گاز طبیعی نیز ثروتمند بوده و میزان ذخائر را تا ۲۹۹ تریلیون فوت مکعب تخمین زده اند. در صورتیکه ذخائر گازی کشور فقط بمصرف داخلی برسد عمری در حدود ۲۰۰ سال و یا بیشتر برای آن پیش بینی می‌شود. ذخائر ذغال سنگ در ایران را حدود ۶ میلیون تن تخمین می زنند که فقط ۱۰ درصد آن ذخائر حتمی و اثبات شده می باشد و عمدتاً بمصارف صنعتی کشور می‌رسد.
پتانسیل طبیعی آبی در حدود ۱۳۰۰۰ مگاوات می باشد که تاکنون ۱۰درصد آن مورد استفاده قرار گرفته است. منابع انرژیهای غیرتجاری شامل جنگلها و مراتع و بوته زارها و فضولات حیوانی است که براساس اطلاع، آمار دقیقی در این زمینه تهیه نشده است ولی بهرصورت حدود ۵۰درصد از مصرف عمده انرژی خانگی بخصوص در روستاها از این منابع تأمین می شود. برای مثال سهم این منابع در تأمین مصرف انرژی در سالهای ۱۳۴۱ و ۴۶ و ۵۱ بترتیب ۲۱درصد، ۹درصد و ۵/۳ درصد از مصرف کل بوده است.
ایران یک کشور کشاورزی است و حدود ۵۰درصد از جمعیت در روستاها زندگی می‌کنند. تأمین انرژی مصرفی در روستاها، برای ازدیاد تولیدات کشوری، و بالابردن سطح زندگی، و ایجاد صنایع محلی، نه تنها ضروری بلکه یک امر حیاتی است. در این خصوص انرژیهای نو و از آنجمله انرژی خورشید می تواند نقش اساسی را ایفا کند.
لازمست مصرف انرژی بخشهای مختلف، در شهرها و روستاهای کشور از قبیل مصارف خانگی، تجاری و صنعت و حمل و نقل مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد و آمارهای دقیق براساس بافت اجتماعی و اقتصادی و سیاسی و اهداف جامعه و توسعه آینده کشور تهیه گردد البته دانشگاهها نیز می توانند در این مورد کمکهای ارزنده ای داشته باشند. امیداست در برنامه ریزیهای آتی کشور جهت تأمین انرژیهای لازم، سهم انرژی خورشیدی نیز تعیین و براساس آن اعتبار لازم برای اجرای طرحهای مفید خورشیدی تأمین گردد.

زوایای خورشیدی با جداول ترسیمی آنها
محوری که زمین در حول آن حرکت وضعی خود را انجام می دهد نسبت به صفحه افقی که از مرکز زمین و خورشید عبور می نماید دارای زاویه می باشد. زاویه ای که اشعه خورشید با صفحه استوا می سازد در ظهر خورشیدی زاویه میل خوانده می‌شود و مقادیر زاویه میل از ۴۵/۲۳- درجه در اول زمستان تا صفر درجه در اول بهار و پائیز و ۴۵/۲۳+ درجه در اول تابستان برای نیمکره شمالی تغییر می کند. تغییرات زاویه میل برحسب ماههای سال در شکل زیر نشان داده شده است.

زاویه  انحراف – زاویه بین اشعه خورشید و صفحه استوا در ظهر خورشیدی
زاویه میل را با ? نشان می دهند و مقدار آن برای روزهای مختلف تغییر می کند و بوسیله فرمول زیر قابل محاسبه می باشد.
 
که در رابطه فوق N عبارتست از روز سال نسبت به اول ماه ژانویه، مقادیر زاویه میل خورشید و مقدار رابطه زمان برای روزهای ۲۱ تیر ماه برای سال ۱۳۶۴ در جدول ۱A، و همان مقادیر برای چند روز از ماههای سال ۱۹۷۷ در جدول ۱B نشان داده شده اند.
تغییرات فصول و همچنین تغییرات تابش خورشید بر روی سطح زمین، و تغییرات در ساعات روشنائی و تاریکی، همه ناشی از تغییرات روزانه زاویه میل می باشند.
در صورتیکه شخصی در نقطه ای از سطح زمین در طول جغرافیایی (Lon) و عرض جغرافیایی (L) ایستاده باشد، خورشید را ملاحظه می کند که روزها از شرق طلوع کرده و در مغرب غروب می کند و طبق یک مدل معینی دور زمین گردش می کند ولی در واقع این گردش زمین است که مدل حرکتی خورشید را باعث می شود.
 
حرکت سالیانه زمین بدور خورشید

حرکت خورشید از طلوع تا غروب

موقعیت خورشید را می توان با زاویه فراز (β) نسبت بافق (زاویه HoQ) و اندازه زاویه سمت (?) (زاویه Hos) در تصویر قائم (شکل بالا) نشان داد.
زاویه سمت در اثر تشعشعات عمودی سطح از نصف النهار محل، حاصل می شود (برای نقاط جنوبی زمین صفر- غربی منفی- و شرقی مثبت است).
در ظهر خورشیدی، خورشید دقیقاً روی نصف النهار زمین (خطی که شمال جنوب زمین را بهم وصل می کند) قرار می گیرد که در نتیجه زاویه ? برابر صفر گشته و زاویه (βN) برابر است با:
βN = 90 – L + δ

شکل ۶-۱- زوایای خورشید نسبت به سطح مورب

با توجه به اینکه حرکت روزانه زمین بدور خود و حرکت سالانه اش بدور خورشید طبق قاعده معین بوده و قابل پیش بینی می باشد لذا زاویه β و همچنین زاویه ? برای هر زمان موردنظر در طول و عرض جغرافیائی معین، و در روز مشخص قابل محاسبه و تعیین می باشد.

زاویه ساعت (H)
H عبارتست از زاویه ساعت که مبدأ اندازه گیری آن ظهر خورشیدی است و علامت جبری آن بطرف صبح مثبت و بطرف بعدازظهر منفی بوده و مقدار آن از ۱۸۰- درجه تا ۱۸۰+ درجه متغیر است:
۱۵۰ درجه (تعداد ساعات از ظهر خورشیدی) = H
/ ۴ (تعداد دقایق از ظهر خورشیدی) =

موقعیت خورشید نسبت به زمین در ماههای مختلف سال

جدول زیر زاویه انحراف (زاویه بین اشعه خورشید و صفحه استوا) را در روزهای بیستم هر ماه نشان می‌دهد.

روشی که در این قسمت تشریح می شود موقعیت خورشید را نسبت به نقاط مختلف زمین در هر ساعت از روز و در هر روز از سال مشخص می کند و بما امکان می‌دهد که خود نمودار حرکت خورشید را ترسیم کنیم.
برای تعیین هر نقطه ای در فضا نسبت به صفحه افق، کافیست که مختصات آن نقطه مشخص باشند. در مورد خورشید و تعیین موقعیت آن در فضا، این مختصات را می‌توان با دو زاویه بیان کرد که یکی زاویه ارتفاع خورشید (X) و دیگری زاویه السموت (زاویه جهت خورشید) (Y) می باشند. شکل زیر موقعیت این دو زاویه را نشان می دهد.

زاویه ارتفاع (Altitude) و زایوه جهت نمای خورشید (Azimuth)

زاویه ارتفاع خورشید عبارت از زاویه اشعه خورشید نسبت به صفحه افق می باشد. خطوط افقی در جدول نمودار مسیر حرکت روزانه خورشید که با فواصل ده درجه رسم می شوند برای تعیین میزان همین زاویه ارتفاع خورشید بکار می رود. شکل زیر ارتفاع خورشید را با زاویه ۴۰ درجه و نمودار جدولی آنرا نشان می دهد.
زاویه السموت یا زاویه جهت خورشید زاویه ایست که از یکطرف به تصویر اشعه خورشید روی صفحه افق و از طرف دیگر به راستای شمال- جنوب محدود است.

زاویه ارتفاع خورشید (Altiude) با نمودار مسیر حرکت روزانه

خطوط عمودی که برای جدول نمودار مسیر حرکت روزانه خورشید با فواصل پانزده درجه رسم می شوند جهت تعیین میزان این زاویه بکار می روند.

زاویه جهت نمای خورشید با نمودار مسیر حرکت روزانه (Azimuth)
 
اگر قسمت قابل رویت آسمان را که در سمت فوقانی صفحه افق قرار گرفته بصورت نیمکوه شمالی در نظر بگیریم و جدول نمودار مسیر حرکت روزانه خورشید را بصورت استوانه ای محیط بر این نیمکره فرض نمائیم و اگر شخص ناظر در صفحه افق و مرکز نیمکره قرار گیرد، نقاط تلاقی اشعه خورشید، سطح نیمکره شفاف در ساعات مختلف روز مسیر حرکت روزانه خورشید را بر سطح نیمکره ترسیم می‌نماید. گسترش سطح نیمکره و مدارها و نصف النهارهای آن بر روی جدول نمودار مسیر حرکت روزانه خورشید که در حقیقت صفحه مستوی بازشده از سطح استوانه ای شکل محیط بر نیمکره است بصورت خطوط افقی که شاخص زوایای ارتفاع خورشید در خطوط عمودی که نمایانگر زوایای جهت خورشید هستند منتقل شده و مسیر حرکت روزانه خورشید از سطح نیمکره برروی سطح مستوی جدول منعکس می شود.