انرژي خورشيدي
انرژي خورشيدي
تاريخچه
شناخت انرژي خورشيدي و استفاده از آن براي منظورهاي مختلف، به زمان ماقبل تاريخ باز مي گردد شايد به دوران سفاليگري ، در آن هنگام روحانيون معابد به كمك جامهاي بزرگ طلايي سيقل داده شده و اشعه خورشيد، جهت روشن كردن آتشدانهاي محراب استفاده مي كردند، و يا در دوران فراعنه مصر در دوره آمنوفيس پرنده اي نصب كرده بودند كه به وسيله تابش خورشيد صبحگاهي، پرنده به صدا در مي آمد.
مهمترين روايتي كه در رابطه با استفاده از تابش خورشيد بيان شده داستان ارشميدس دانشمند و مخترع بزرگ يونان قديم (سالهاي 287-212 ق-م) مي باشد كه ناوگان روم را با استفاده از انرژي حرارتي خورشيد به آتش كشيد. گفته مي شود كه ارشميدس با نصب تعداد زيادي آيينه هاي كوچك مربعي شكل در كنار يكديگر كه روي يك پايه متحرك قرار داشته است اشعه خورشيد را از راه دور روي كشتيهاي روميان متمركز ساخته و آنها را به آتش كشيده. روميان در تاريخ مي نويسند كه آنها مغلوب يك نيروي نامرئي شدند و اعتقاد پيدا كرده بودند كه با خدايان در حال جنگ هستند.
حدود 1800 سال پس از ارشميدس شخصي به نام كيرچر شاهكار ارشميدس را تكرار كرد و با استفاده از تعدادي آيينه، يك لنگرگاه چوبي را از فاصله دور آتش زد.
در سال 1615 سالمون اهل فرانسه بيانيه اي راجع به موتور خورشيدي منتشر كرد.
در قرن هجدهم ناتورا اولين كوره خورشيدي را در فرانسه ساخت.
دستگاههاي خوراك پز خورشيدي اولين بار توسط شخصي به نام (Nichelas DE 1799-1740 Saucer) ساخته شد.
آنتوني لاوازيه (1749-1743) خالق شيمي نوين براي كسب بيشترين انرژي از خالص ترين منبع حرارتي ، تحقيقاتي در كوره هاي خورشيدي انجام داد.
بسمر(1898-1813) پدر فولاد جهان حرارت مورد نياز كوره خود را با استفاده از انرژي خورشيدي تامين كرد.
در قرن نوزدهم تلاشهايي جهت تبديل انرژي خورشيدي به ديگر فرمهاي انرژي مثل توليد بخار و استفاده در موتورهاي بخار انجام گرفت، در اين سالها چندين موتور بخار خورشيدي ساخته شد و مورد آزمايش قرار گرفت.
در سال 1878 موشو اولين كلكتور خورشيدي با متمركزكننده مخروطي شكل را طراحي كرد كه قدرت داشت 78 درصد از انرژي خورشيدي تابيده شده را جذب كند.
در سال 1880 اولين كلكتور تخت خورشيدي به وسيله چارلز تلي ير ساخته شد.
در سال 1888 وستر پيشنهاد استفاده از انرژي خورشيدي در ترموكوپلها را ارائه داد.
در قرن نوزدهم دستگاههاي آب شيرين كن خورشيدي رواج پيدا كردند.
در قرن بيستم استفاده از كلكتورها جهت توليد بخار در نيروگاههاي برقي مورد توجه زياد قرار گرفت. گرم كردن ساختمانها با استفاده از انرژي خورشيد، ايده تازه اي بود كه در سالهاي 1930 مطرح و در يك دهه به پيشرفتهاي قابل توجهي نائل آمد. اولين خانه خورشيدي در انستيتو تكنولوژي ماساچوست آمريكا(MIT) در سال 1938 ساخته شد. پيشرفت در طراحي و ساخت خانه هاي خورشيدي و آبگرمكنها آنچنان سريع بود كه تصور مي شد تا سال 1970 گرمايش ميليونها خانه در كشورهاي مختلف به وسيله انرپي خورشيدي تامين خواهد شد اما نه تنها چنين نشد آمار نشان مي دهد كه گرمايش خورشيدي در سالهاي 1970 نسبت به سال 1955 كمتر هم شده بود. علت، هزينه اوليه چنين سيستمها و در عين حال عرضه نفت و گاز ارزان بود. اما بحران انرژي در سال 1974 و از طرفي پيشرفت تكنيك ساخت كلكتورهاي مختلف خورشيدي، و احتمال كاهش و يا اتمام بعضي از منابع زيرزميني، بار ديگر توجه جهانيان را به انرژي خورشيدي جلب كرده و تلاشهاي در اكثر كشورهاي مختلف جهان، در جهت تكامل و پيشرفت اين تكنيك صورت مي گيرد.
در حال حاضر از انرژي خورشيدي توسط سيستمهاي مختلف و براي مقاصد متفاوت استفاده و بهره گيري مي شود كه اهم آنها عبارتند از:
1- سيستمهاي فتوبيولوژيك: تغييراتي كه در حيات و زيست گياهان و جانداران به وسيله نور خورشيد و فتوسنتز ايجاد مي گردد، فرآيند تجزيه كود حيوانات و استفاده از گاز آن.
2-سيستمهاي فتوشيميايي: تغييرات شيميايي در اثر نور خورشيد-الكتروليزورهاي نوري-سيستمهاي فتولتائيك الكتروشيمي- تاسيسات تهيه هيدروژن.
3-سيستمهاي فتولتائيك: تبديل انرژي خورشيد به انرژي الكتريكي-سلولهاي خورشيدي.
4-سيستمهاي حرارتي و برودتي: شامل سيستمهاي تهيه آبگرم- گرمايش و سرمايش ساختمانها-تهيه آب شيرين-سيستمهاي انتقال و پمپاژ-سيستمهاي توليد فضاي سبز(گلخانه ها)-خشك كنها و اجاقهاي خورشيدي- سيستمهاي سرد سازي-برجهاي نيرو-خشك كنهاي خورشيدي-نيروگاههاي خورشيدي.
وضعيت انرژي در ايران
ايران يكي از 15 كشور جهان از لحاظ مصرف بالاي مواد نفتي است و در بين كشورهاي اوپك بيشترين مصرف كننده اينگونه مواد مي باشد. در زماني كه دنياي غرب با اعمال سياستهاي بهينه سازي مصرف انرژي، مصرف خود را پايين آورده، ايران در كمتر از دودهه مصرف فرآورده هاي نفتي خود را حدودا سه برابر كرده.(از430000 بشكه در روز در سال 1976 به 11000000 بشكه در روز در سال 1991 م). با توجه به رشد مصرف بالاي 5 درصدي در ايران ، هر 10 سال مصرف انرژي ما دو برابر مي شود.
بهينه سازي مصرف هرچه بهتر و با راندمان بيشتر انرژي مي باشد.كه باعث پايين آمدن سطح آسايش و استاندارد زندگي نمي شود. كشورهاي صنعتي به اين نتيجه رسيده اند كه بهينه سازي مصرف انرژي در صنايع و ساختمانها، باعث كاهش بين 30 تا 40 درصد مصرف انرژي است.
در صورتيكه در كشور ما براي يك دوره ده ساله ، با استفاده از سياستهاي بهينه سازي مصرف انرژي و بدون لطمه به توليد و رفاه عمومي حدود 20 درصد كاهش در مصرف به دست آيد، منافع زير حاصل مي شودك
1- با احتساب مصرف بيش از يك ميليون بشكه معادل نفت در روز، سود ارزي حاصله بيش از يك ميليارد دلار در سال خواهد شد.
2-كاهش آلودگي هوا در شهرهاي بزرگي مثل تهران
3-صرفه جويي در سرمايه گذاري در ساخت نيرو.گاهها، پالايشگاهها و سيستم گازرساني به ميزان ميلياردها دلار در سال.
4-طولاني شدن عمر ذخائر نفتي
5- ايجاد اشتغال در كشور.
منابع عمده انرژي كه در حال حاضر در ايران مورد استفاده قرار مي گيرد عبارتند از: نفت خام، گاز طبيعي، ذغال سنگ، پتانسيل آبي و انرژيهاي غير تجاري. در حاليكه ايران در مجموع كشوري است بسيار آفتابي و از نظر مقدار و دريافت انرژي خورشيدي در شمار بهترين كشورها محسوب مي شود. انرژي فراوان و لايزال خورشيد، بدون نياز به شبكه هاي انتقال و توزيع عظيم و پر خرج ، در سراسر كشور گسترده شده. معماري سنتي ايران نشان دهنده توجه خاص ايرانيان در استفاده صحيح و موثر از انرژي خورشيد در زمانهاي قديم مي باشد، ولي متاسفانه در حال حاضر و با وجود علوم و تكنولوژي جديد در كشور؛ استفاده از انرژي خورشيد بسيار ناچيز است. در حاليكه با توجه به سطح كنوني علمي و فني ايران، اگر طرحهاي خورشيدي معرفي شوند و علوم و فنون مربوطه ترويج يابند، صنايع خورشيدي كشور، مي توانند به عنوان يك صنعت خودكفا وارد عمل گردد. مهمترين نكته اين است كه پژوهشگران و مخترعين و صنعتگران ايراني بايد طرحها و دستگاههايي را معرفي كنند كه با شرايط جوي و علمي و فني ايران مطابقت داشته و از نظر اقتصادي نيز مقرون به صرفه باشد.
به طور كلي دلايلي كه لزوم استفاده از انرژي خورشيدي را براي كشور ما آشكار مي سازند شامل فن آوري ساده، آلوده نشدن هوا و محيط زيست و از همه مهمتر ذخيره شدن سوختهاي فسيلي براي آيندگان يا تبديل آنها به مواد و مصنوعات پرارزش با استفاده از تكنيك پتروشيمي است.
كميت و كيفيت انرژي خورشيدي
انرژي در مركز خورشيد كه حرارت آن بين 10 تا 14 ميليون درجه سانتيگراد مي باشد توليد شده و از سطح خورشيد كه حرارت آن تقريبا معادل 5600 درجه سانتيگراد است به صورت امواج در فضا منتشر مي شود. نورهاي قابل رويت به وسيله چشم انسان 46 درصد از كل انرژي صادره از خورشيد را تشكيل مي دهند كه اين اشعه ها در طول موجهاي 35/0 تا 75/0 ميكرون پخش شده و شامل همه رنگهاي آشنا به چشم انسان است. حدود 47 تا 49 درصد از تشعشعات خورشيدي در طول موجهاي مادون قرمز منتشر مي شوند. تشعشعاتي كه ما از آنها احساس گرما مي كنيم بيش از طول موج رنگ قرمز هستند(بيش از 75/ 0ميكرون). بقيه اشعه خورشيد در منطقه ماوراء بنفش و با طول موج كمتر از 35/0ميكرون منتشر مي شوند.
به طور كلي انرژي توليد شده توسط خورشيد ناشي از تحولات دما هسته اي در مركز خورشيد است كه به صورت تشعشعات الكترومغناطيسي و با فركانس بسيار زياد به فضاي خورشيد تابيده مي شود. تمام امواج الكترومغناطيسي كه از سطح خورشيد پخش مي شوند با سرعت حركت نور يعني 300 هزار كيلومتر در ثانيه فضا را مي پيمايند و زمين كه در فاصله 150 ميليون كيلومتر از خورشيد قرار گرفته فقط يك جزء از 2000 ميليون جزء انرژي خورشيد را دريافت مي كند.
از مجموع تشعشعات خورشيد كه به وسيله زمين و جو آن دريافت مي شود در حدود 35 درصد آن مجددا به فضاي خارج از جو بازتاب مي شود.
نكته مهم اين است كه در طبقات فوقاني جو زمين، گاز اوزون تقريبا تمام اشعه هاي ماوراءبنفش را كه براي پوست و چشم انسان مضر است، جذب مي كند. بخار آب و دي اكسيد كربن در طبقات تحتاني جو زمين، اشعه مادون قرمز را جذب مي كنند.
يكي از مهمترين عواملي كه در تعيين ميزان تشعشعات خورشيدي كه به پوسته زمين مي رسد موثر مي باشد، طول مسيري است كه اشعه خورشيد قبل از رسيدن به سطح زمين در جو طي مي كند. در طول روز هنگامي كه خورشيد در اوج مسير روزانه خود قرار مي گيرد (ظهر خورشيدي) اشعه كمترين مسير را در جو طي كرده و به زمين مي رسدف ولي هر قدر خورشيد به افق نزديك مي شود (غروب آفتاب) مسيري كه به وسيله اشعه در جو زمين پيموده مي شود طولاني تر مي گردد. هرچقدر اين مسير طولاني تر باشد ميزان انرژي جذب شده و پراكنده شده در جو افزايش يافته و در نتيجه از مانده انرژي كه به زمين مي رسد كاسته مي شود. به همين دليل در نقاط مرتفع به علت كاسته شدن از ضخامت جو زمين، محتواي انرژي تشعشعي خورشيد از نقاط ديگر بيشتر است.
انرژي خورشيد به صورت يك دسته امواج متمركز و ثابت و به صورت موازي به سمت زمين تابيده خواهد شد. مهمترين تغييرات در شدت تابش خورشيد و دماي هواي محيط ناشي از حركت طبيعي زمين به دور خورشيد و مورب بودن محور چرخش كره زمين مي باشد كه حول اين محور داراي حركت وضعي است. اين شدت تابش تابع قانون عكس مجذور فاصله است و تغييرات آن نسبت به كره زمين داراي محدوده 3% مي باشد.
زواياي خورشيدي
محوري كه زمين در حول ان حركت وضعي خود را انجام مي دهد نسبت به صفحه افقي كه از مركز زمين و خورشيد عبور مي كند، داراي زاويه مي باشد. زاويه اي كه اشعه خورشيد با صفحه استوا مي سازذ در ظهر خورشيدي زاويه ميل ناميده مي شود كه مقادير آن از 45/23- در اول زمستان تا صفر درجه در اول بهار و پاييز و 45/23+ درجه در اول تابستان براي نيمكره شمالي تغيير مي كند.
تغييرات فصول و همچنين تغييرات تابش خورشيد بر روي سطح زمين، و تغييرات در ساعات روشنايي و تاريكي، همه ناشي از تغييرات روزانه ميل مي باشد.
موقعيت خورشيد را مي توان با زاويه فراز يا ارتفاع خورشيد نسبت به افق و زاويه سمت در تصوير قائم نشان داد. در ظهر خورشيدي، خورشيد دقيقا روي نصف النهار زمين است و زاويه سمت صفر ميشود.
مسير حركت خورشيد
در ماههاي تابستان مسير حركت روزانه خورشيد طولاني تر و زاويه ارتفاع خورشيد بيشتر بوده و زاويه سمت هنگام طلوع و غروب آفتاب وسيعتر است، در صورتيكه در ماههاي زمستان اين مسير كوتاهتر و ارتفاع خورشيد كمتر و زاويه سمت در موقع طلوع و غروب بسته تر مي باشد.
مقدار تابش خورشيد بر زمين
اشعه هاي خورشيدي هنگام عبور از اتمسفر زمين مقداري از تشعشعات مستقيم خود را به وسيله نيتروژن، اكسيژن، گرد و غبار، وبخار آب و به طور كلي ذراتي قطرشان از طول موج اشعه هاي خورشيد كمتر يا برابر آنهاست، ازدست مي دهند. اشعه هاي جذب شده و پراكنده در اتمسفر زمين، عامل آبي رنگ بودن آسمان است كه البته مقداري از اين اشعه ها نيز به صورت پراكنده به سطح زمين برخورد مي كند.
اولين مرحله اين جذب ها كه باعث كاهش انرژي خورشيد شده در اثر وجود اوزون در خارج جو زمين است كه امواج تشعشعي ماوراءبنفش را تا طول موج 29/0 جذب مي كند و امواج تشعشعي با طول موجهاي بلندتر توسط مواد جاذب ديگري مثل بخار آب و دي اكسيد كربن جذب مي شوند. نكته قابل توجه اين است كه حتي در روزهايي كه نور آفتاب صفر است مقدار تابش صفر نمي باشد زيرا مقدار قابل توجهي از انرژي خورشيدي از طريق اشعه هاي پراكنده به زمين مي رسند.
مجموع امواج تشعشعي جذب شده در هر مكان را مي توان به وسيله ضخامت اتمسفر هوا در مسير اشعه و نيز تركيبات اتمسفر محاسبه نمود. اتمسفر استاندارد در سطح دريا شامل mm 8/2 اوزون، mm20 رطوبت معلق در هوا و 300 ذره غبار در سانتيمتر مكعب مي باشد.
نتيجه گيري
عوامل زيادي در تامين شدت و كميت و كيفيت انرژي خورشيدي موثرند، كه عبارتند از طول و عرض جغرافيايي محل، ضخامت و تركيبات اتمسفر (نوع و مقدار ذرات موجود در اتمسفر)، رطوبت هوا، ابري يا آفتابي بودن و ارتفاع پوشش ابرها از سطح زمين، فصلها و ساعات شبانه روز و طول مسير حركت اشعه خورشيد تا زمين و ...
شناخت و تامين اين عوامل كه به شناخت انرژي خورشيدي و تعيين شدت و نوع آن منجر مي شود، در نتيجه طراحي موفق يك ساختمان خورشيدي موثر است. طراحي دقيق، مناسب و علمي باعث افزايش شرايط آسايش و كاهش استفاده از سوختهاي كمكي براي ساختمان خورشيدي مي شود كه در بهينه سازي مصرف سوخت و كاهش تاثيرات مخرب آن بر محيط زيست موثر مي باشد.
گردآوري انرژي خورشيدي
ماكزيمم مقدار روزانه اشعه هاي خورشيدي را در هر مكاني، مي توان با قرار دادن صفحه اي عمود به خورشيد به دست آورد، زيرا اين صفحه قادر به دريافت اشعه هاي مستقيم خورشيد و نيز اشعه هاي انعكاس يافته مي باشد. براي گردآورنده هاي ثابت تخت مقدار كل تابش دريافت شده در يك روز آفتابي و صاف بستگي به مكان و شيب آن خواهد داشت.
به طور كلي گردآورنده هاي تخت در يك زاويه مورب و ثابت نسبت به افق نصب مي شوند تا مقدار مطلوب تابش خورشيد را براي اهداف مخصوص تامين كنند و بسته به نوع سيستم و اهداف آن اين زاويه متغير است. مطلوبترين زاويه گردآورنده هاي تخت خورشيدي برابر با عرض جغرافيايي محل مورد نظر مي باشد.
كلكتور يا گردآورهاي خورشيدي
كلكتور خورشيدي دستگاهي است براي جمع آوري انرژي حرارتي خورشيد و انتقال و ذخيره آن در محل بهره برداري . كلكتورها انواع مختلفي دارند كه معمولترين آنها عبارتند از: كلكتورهاي تخت (كه پرتوهاي مستقيم و پراكنده خورشيد را جمع آوري مي كنند و كلكتورهاي متمركز كننده (كه فقط پرتوهاي مستقيم خورشيدي را جمع مي كنند.
از كلكتورهاي متمركز كننده به منظور ازدياد تشعشع بر روي يك سطح كوچك استفاده مي شود كه براي دست يابي به درجات حرارت بالاست و انواع مختلفي دارند كه معمولا براي خوراك پزهاي خورشيدي و كوره هاي خورشيدي كه به درجه حرارت زيادي در قسمتي موجود است استفاده مي شود.
اين كلكتورها چون فقط پرتوهاي مستقيم خورشيد را جمع مي كنند، مي بايستي خورشيد را تعقيب كنند و يا هر ساعت معادل 15 درجه در جهت حركت خورشيد چرخش داشته باشند.
كلكتورهاي تخت كه در گرمايش و سرمايش ساختمان و تهيه آب گرم مورد مصرف دارند، در اينجا توضيح داده مي شوند.
كلكتورهاي تخت
اقتصادي ترين روش جمع آوري انرژي خورشيد، استفاده از كلكتورهاي تخت مي باشد. اين كلكتورها در انواع و طرحهاي متفاوت در كشورهاي مختلف ساخته شده و به طور كلي يك كلكتور صفحه تخت شامل اجزاء زير است:
1- ماده شفاف كه معمولا شيشه بوده و ممكن است يك لايه و يا چند لايه باشد.
2-صفحه جذب كننده كه معمولا به رنگ سياه مي باشد و مي تواند صفحه صاف، موجدار، يا شيبدار باشد كه لوله ها و گذرگاهها به آن متصل مي شوند.
3- لوله ها و يا گذرگاهها كه مي توانند به اشكال مختلف باشند و براي هدايت سيال ناقل حرارت به كار برده مي شوند.
4-جمع كننده ها و تقسيم كننده ها(headers) براي عبور و تخليه سيال ناقل حرارت.
5-عايق حرارتي كه براي كاهش اتلافات حرارتي كلكتور، از سمت پشت و اطراف، به كار برده مي شود.
6-پوشش كلي كلكتور كه براي حفاظت و نگهداري اجزاء فوق، ساختمان كلكتور را تامين مي كند.
مهمترين عامل در طرح و ساخت كلكتورها، جمع آوري هرچه بيشتر انرژي خورشيدي با كمترين هزينه ممكن مي باشد.
يك كلكتور خورشيدي مي بايست از موادي ساخته شود كه داراي عمر موثر زيادي بوده و در مقابل تاثيرات مضر امواج ماوراءبنفش- خوردگي هاي اسيدي و قليايي- منجمد شدن آب و يا گرفتگي گذرگاههاي آب يا هوا- رطوبت هوا و گرد و خاك محيط- شكستگي شيشه در اثر انبساط و انقباض- خرابيهاي ناشي از طوفان و تگرگ و... داراي مقاومت كافي باشد.
ماده شفاف كلكتور
ويژگيهاي شيشه كه به طور وسيع در كلكتورهاي خورشيدي تخت استفاده مي شود، موارد زير است:
1-شيشه با ميزان آهن كمي كه در آن است مي تواند حدود 90% از پرتوهاي خورشيدي با طول موج كوتاه را از خود عبور دهد (ضريب عبور نسبتا زياد)، در حاليكه هيچيك از تشعشعات با طول موج بلندي را كه از صفحه جاذب كلكتور انعكاس مي يابد از خود عبور نداده و لذا حرارت جذب شده را در روي صفحه نگهداري مي كند. (ضريب عبور شيشه براي طول موجهاي بلند بين 5/0 تا 5 ميكرون) كه از سطوح گرم شده به آن مي رسد معادل صفر مي باشد.
ولي اين به معناي نداشتن اتلاف حرارتي شيشه نيست، زيرا شيشه تشعشعات را جذب كرده و حرارت آن افزايش مي يابد و به اين طريق مقداري از حرارت با جابجايي هوا و از روي شيشه تلف مي شود، كه اين مشكل را مي توان با استفاده از اندود مادون قرمز كه البته گران قيمت بوده و با استفاده از شيشه هاي چندلايه و يا شيشه و پلاستيك حل كرد.
ميزان ضريب عبور شيشه با تغيير زاويه تابش تغيير مي كند و به ازاي تابش عمودي و در برخورد مستقيم (زاويه تابش صفر) بيشترين ضريب عبور (حدود90%) را داراست و در صورتيكه زاويه تابش به 90 درجه برسد، اين مقدار صفر درصد مي شود.
علاوه بر اين، انعكاس شيشه از مهمترين عوامل كاهش ضريب عبور است (به ميزان 4%) كه در صورت استفاده از شيشه هاي مات (water-white) حدود 3% از اين كاهش را مي توان جبران كرد. روكشهاي ضد انعكاس نيز مي تواند مقدار ضريب عبور را بهبود بخشد.
اثر كثيفي و گرد و غبار سطح شيشه هاي كلكتور بسيار ناچيز است و تميز كردن گاه به گاه باران براي ثابت نگه داشتن ضريب عبور با تغييرات 2 الي 4 درصد از مقدار ماكزيمم خود كافي است.
گرمايش و سرمايش ساختمانها (خانه هاي خورشيدي)
ساختمانها به دو طريق قادر به تامين نياز حرارتي خود از خورشيد هستند: انفعالي (PASSIVE) و فعال (ACTIVE).
در روش فعال از گرد آورها و و ذخيره و توزيع كننده هاي حرارت مانند پمپ و بادرسان و كنترلهاي اتوماتيك استفاده مي شود كه در هر خانه اي مي توان نصب كرد و اين روش مستلزم استفاده از گردآورهاي خورشيدي و يك منبع انرژي ديگر جهت تهيه و انتقال سيال گرم شده به داخل ساختمان مي باشد.
در روش انفعالي يا ايستا كيفيت و چگونگي معماري ساختمان به دريافت و ذخيره انرژي خورشيدي بستگي كامل دارد. نشانه هاي طراحي و ساخت ساختمانهايي كه از انرژي خورشيدي انفعالي استفاده مي كرده اند، به حدود 2500 سال پيش برميگردد، اما مدتي است كه مجددا اين عوامل مورد بررسي معماران و مهندسين قرار گرفته و با تغييرات و اصلاحاتي براي مناطق معتدل و سردسير، طرحهايي ارائه شده است.
يونانيان باستان از روش خورشيدي انفعالي كه آنان را قادر به كاهش مصرف چوب جهت گرم كردن فضا در زمستان مي ساخت، استفاده مي كردند. حتي ساختمانها را به ترتيبي بنا مي كردند كه در زمستان به نور خورشيد اجازه ورود و نفوذ به داخل اطاقهاي نشيمن داده مي شد ليكن در روزهاي گرم تابستان زماني كه خورشيد در بالاي سر قرار داشت، فضاي اتاق در سايه قرار مي گرفت.
در اغلب فرهنگهاي ديگر نيز از اين قبيل تدابير و طرحهاي خورشيدي انفعالي ديده شده است. روميان از شيشه جهت حفظ طولاني تر حرارت و بالا بردن گرماي خانه ها استفاده مي كردند. سرخپوستهاي آمريكاي شمالي در طي قرون يازده و دوازده، چندين مجتمع خورشيدي ساخته بودند. يكي از روشنترين نمونه ها شهر آلوما مي باشد كه داراي سه تراس وسيع كشيده شده از شرق به غرب بود كه اين تراسها براي جذب ماكزيمم خورشيد زمستاني ساخته شده بودند. سقف هر رديف نيز جهت حفاظت خانه ها از تابش آفتاب تابستاني، با كاه و حصير و ديگر مواد عايق پوشانده شده بود.
در سالهاي بين دو جنگ جهاني، در اروپا و ايالات متحده، طرحها و تدابير خورشيدي انفعالي فراوان به كار رفت و تعدادي خانه هاي خورشيدي آزمايشي ساخته شد. و مجددا چند سالي بيش نيست كه معماران به طور جدي اين كار را شروع كرده اند و پيشرفت و تحول سريعي در خانه هاي جديد خورشيدي به چشم مي خورد. به تنهايي در ايالات متحده در سال 1980 حدود ده تا بيست هزار خانه خورشيدي ديده شده است.
روشهاي موجود در گرمايش خورشيدي انفعالي
روشهاي متعددي در زمينه استفاده از انرپي خورشيدي به صورت غير فعال وجود دارد كه متداولترين آنها عبارتند از:
1-روش دريافت مستقيم
2- ديوار ترمب و ديوار آبي
3-روش گلخانه اي(گرمخانه)
4-استخر يا حوضچه روي بام
5-هواكش حرارتي يا برج هوا
1-روش دريافت مستقيم
پنجره ها، گلخانه و نورگيرهاي سقفي كه رو به آفتاب هستند انرژي حرارتي خورشيد را به داخل ساختمان هدايت ، و از خروج آن در مواقع تابش آفتاب جلوگيري مي كنند. در صورتيكه همين پنجره ها در روزهاي ابري و شبها بيشتر از آن مقدار گرمايي كه كسب كرده اند، از دست مي دهند كه استفاده از عايقهاي حرارتي براي آنها براي رفع اين مشكل ضروري است.
استفاده از پنجره ها در سيستمهاي گرمايش خورشيدي با روش دريافت مستقيم داراي معايب و مزايايي است كه اهم انها عبارتند از:
معايب:
1-سطوح شيشه اي در شب گرما از دست مي دهند كه براي جلوگيري از آن بايد تدابيري به كار برده شود.
2-مبلمان داخلي ساختمان، به علت تابش مستقيم خورشيدي، حالت تغيير رنگ و خشك شدگي پيدا مي كنند كه بايستي آنها را محافظت كرد.
3-جهت اخذ و ذخيره انرژي حرارتي خورشيد بايد سطوحي از مصالح ساختماني و يا منابعي در داخل ساختمان تعبيه شود.
4-در صورتيكه پنجره ها داراي روكش حرارتي هستند، بايد حداقل دو بار در روز توسط ساكنين ساختمان باز و بسته شوند.
5-تبادل حرارتي از طريق پنجره ها به تنهاي جوابگوي تامين گرماي ساليانه ساختمان نمي باشد.
6-در فصول گرم باعث ايجاد گرماي زياد مي شود كه وجود سايه بان مثلا درختان برگ ريز پاييزي براي رفع اين مسئله ضروري است.
مزايا:
1-هزينه پنجره ها جزئي از هزينه ساخت يك ساختمان را تشكيل مي دهند و لذا از نظر مالي، هزينه اي اضافي براي ساختمان ندارند.
2-پنجره هاي خورشيدي را مي توان همراه با ديگر سيستمهاي گرماخورشيدي در طرح خانه هاي خورشيدي منظور كرد.
3-با عايق كردن پنجره ها در شب، از تلفات حرارتي ساختمان جلوگيري شده و از وجود همين پنجره ها در روز انرژي حرارتي شبانه روزي ساختمان تامين مي گردد.
4-در صورت وجود چشم اندازهاي مطلوب در جنوب سايت، ديد مناسبي را به اين سمت پديد مي آورد.اين حالت
2- ديوار ترمب و ديوار آبي
در اين حالت انرژی در یک قسمت از خانه جمع آوری و ذخیره می شود و از حرکت طبیعی گرما برای گرم کردن بقیه خانه استفاده میشود. یکی از ابتکار های این روش، بکار بردن یک دیوار ذخیره سازی گرما یا دیوار ترمب است که حدود 3 یا4 اینچ نسبت به شیشه نمای جنوبی به سمت داخل قرار می گیرد.این دیوار که نامش از مخترع فرانسوی آن Felix Trombe، بر گرفته شده از مصالح با ظرفیت حرارتی زیاد مثل سنگ، آجر، خشت، یا یک محفظه آب که با رنگ های تیره (مثل سیاه، قرمز تند، قهوه ای، زرشکی یا سبز) رنگ آمیزی شده ساخته شده تا تابش گرمای بیشتری را جذب کند.
برخی طراحان از یک «سطح انتخابی» استفاده می کنند که مصالحی است مثل کروم- مس یا آلومینیم روکش دار آبکاری شده به صورت ورقه ای با پوشش چسبناک که می تواند تاثیر جذب دیوار را تا 90 درصد در مقایسه با 60 درصد سطح رنگی افزایش دهد. این مصالح به دیوار امکان جذب گرمای تابش شده را می دهد، اما میزان گرمایی را که از طریق فضا در شب هدر می رود، به طور موثری کاهش می دهد. برخی طراحان به سختی می توانند این مصالح انتخابی ورقه ای را به دیوار ترمب متصل کنند. هم اکنون آزمایشگاه بین المللی los Alamos برای حل این مسئله رنگی را آزمایش می کنند که می تواند خوب نگه داشته شود. این رنگ میتواند با قلم مو یا به وسیله اسپری استفاده شود و عملکرد آن 20-10 درصد از رنگ سیاه بیشتر است.
در طول روز گرما در دیوار جمع آوری و ذخیره می شود و به آرامی تا حدود 24 ساعت بعدبه داخل اتاق تابش می شود. دیوار ترمب باعث می شود گرمای خورشیدی بدون تاثیر اشعه ماوراء بنفش برای پارچه ها و مبلمان که در خانه هاي با روش جذب و دفع مستقیم معمول بود، عمل کند. همچنین دیوارهای ترمب مسئله خلوت را نیز که پیش از این صحبت شد تامین می کنند.
3-روش گلخانه اي(گرمخانه)
یک گلخانه باید فضایی سالم و راحت برای گیاهان باشد. گیاهان به هوای تازه، آب، نور زیاد و محافظت از دمای زیاد نیاز دارند. گلخانه از طریق تبخیر و تعریق آب ،میزان قابل توجهی انرژی مصرف می کند. یک پوند از آب تبخیری حدود BTU 1000انرژی مصرف می کند که در غیر این صورت اين انرژی به صورت گرما خواهد بود.
برای سالم نگه داشتن و جلوگیری از بیماری ها و وجود حشرات موذی، گیاهان نیاز به تهویه مناسب، حتی در زمستان دارند. سیستم های مبادله کننده گرمایی هوا به هوا (air-to-air) در عین این که بیشتر گرما را در هوا نگه می درند، آن را تهویه می کنند و مناسب می باشند.اما این ها به میزان قابل توجهی هزینه پروژه را افزایش می دهند. همچنین نیاز های نوری یک فضا برای رشد گیاهان باعث افزایش سطح شیشه می شود که علاوه بر ایجاد گرمای زیاد در فصول گرم، ساخت و نگهداری آن را پیچیده می کند و ضمنا شیشه ها و دیوار ها اتلاف کننده گرما نیز می باشند.
اگر گلخانه به عنوان محلی برای رشد سبزیجات در نظر گرفته شود، علاوه بر کاهش هزینه نیاز های خوراکی خانه با افزایش خود اتکایی و داشتن اتاقی زیبا و هنری از گیاهان سالم که به خانه پیوسته اند، احساس خوشایندی به افراد دست می دهد. نتیجه اینکه بر حسب بازده انرژی، فضای خورشیدی طراحی شده به عنوان یک محیط زیست باغبانی و گلکاری شده ایده آل برای سیستم گرمایش بعید است نیاز به سیستم گرمایش کمکی (به علت اتلاف انرژی) داشته باشد.
4-استخر يا حوضچه روي بام
استفاده از حوضچه يا استخر پشت بام براي گرمايش و سرمايش ساختمانها يكي از روشهاي ساده و ارزان مي باشد. در اين سيستم در روي پشت بام خانه خورشيدي، يك كيسه پلاستيكي پر از آب به ضخامت تقريبا 20 سانتيمتر قرار داده مي شود كه بر روي فلز سياه رنگي در پشت بام تعبيه مي گردد و به اين ترتيب يك سيستم تركيبي از گرمايش براي زمستان و سرمايش براي تابستان به وجود مي آيد.
در اين سيستم از روشهاي طبيعي، براي گرم كردن و سرد كردن ساختمانها استفاده مي شود. اين سيستم براي شرايط اقليمي گرم و خشك بسيار مناسب بوده بنابراين مسئله خنك كردن ساختمان در تابستان خواسته اصلي طرح مي باشد.
از وسايل ضروري اين سيستم وجود صفحات عايق حرارتي است كه در روي ريلي در بالاي كيسه آب در پشت بام نصب شده است. در زمستان در روزهاي آفتابي صفحات عايق كنار زده مي شوند وشب هنگام آن را مي پوشانند.
در تابستان در ايام روز صفحات عايق بسته شده و شب هنگام كنار مي رود.
5-هواكش حرارتي يا برج هوا
گرمايش و تهويه ساختمانها با جريانهاي طبيعي هوا، مي تواند طرحهاي متنوعي را در بر داشته باشد و بر حسب موقعيت منطقه و عرض جغرافيايي و اقليم گرم يا سرد، مي توان ساختمانهاي خورشيدي مختلفي را طراحي نمود.
يكي از خصوصيات اين نوع ساختمانها، سايه بانهاي آنهاست، به طوريكه در زمستان اشعه خورشيد از پنجره جنوبي وارد ساختمان مي شود، در صورتيكه در تابستان به علت افزايش زاويه تابش نسبت به افق سايه بانها از ورود اشعه خورشيد به داخل ساختمان جلوگيري مي كنند.
در مناطق گرم و خشك كه اهميت سرمايش ساختمانها بيش از حد مورد توجه مي باشد، طراحي و تعبيه برج هوا (wind tower) براي تهويه هواي طبيعي ساختمان مي تواند بسيار مفيد باشد.
دوست عزیز، به سایت علمی نخبگان جوان خوش آمدید
مشاهده این پیام به این معنی است که شما در سایت عضو نیستید، لطفا در صورت تمایل جهت عضویت در سایت علمی نخبگان جوان اینجا کلیک کنید.
توجه داشته باشید، در صورتی که عضو سایت نباشید نمی توانید از تمامی امکانات و خدمات سایت استفاده کنید.
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (Bookmarks)