ذخیره انرژی خورشیدی

اهمیت انرژی در عصر ما به اندازه ای است که، کمبود آن را به بحران انرژی تعبیر می کنند. وجود بحران انرژی به معنای از کار افتادن تدریجی کارخانجات و نیروگاهها، اختلال در حمل و نقل، ایجاد صف اتومبیل در جایگاههای فروش بنزین، تعطیل شدن مدارس در زمستان، زمین گیر شدن هواپیماها و ... می باشد. در صد سال گذشته، وابستگی به انرژی به شدت افزایش یافته است و ما به شدت به سوخت های فسیلی که رو به پایان هستند، وابسته شده ایم. در حال حاضر نفت، گاز و زغال سنگ ۸۰ درصد از انرژی مصرفی جهان را تامین میکنند. مصرف انرژی در پنجاه سال گذشته بیشتر از مصرف انرژی در دو قرن پیش از آن بوده است. سازمان اطلاعات انرژی آمریکا پیش‌بینی کرده است، مصرف انرژی جهان تا سال ۲۰۳۰ درحدود ۵۷ درصد افزایش داشته باشد.با توجه به معضلات سوختهای فسیلی (آلودگی محیط زیست، منابع محدود و پایان پذیر، تجدید ناپذیری و تأثیر مستقیم سیاست بر آن) دنیا به انرژی های نو شامل خورشید، باد (برای ماشینهای بادی امروزی)، بیو انرژی، زمین گرمایی، هیدروژن، انرژی  هسته ای و ... تمایل نشان داده است.

نیروی خورشیدی از طبیعت سرچشمه می‌گیرد و چون انسان در تولید آن دخالتی ندارد، آلودگی ایجاد نمی‌کند. فناوری ساده، کاهش آلودگی هوا و محیط زیست و از همه مهمتر ذخیره شدن سوختهای فسیلی برای آینده با تبدیل آنها به مواد اساسی زندگی با استفاده از تکنیک پتروشیمی، از دلایل لزوم استفاده از انرژی خورشیدی هستند.

خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلکه سرآغاز حیات و منشأ تمام انرژیهای دیگر است. طبق برآوردهای علمی در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می‌گذرد و در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید بر اثر همجوشی هسته‌ای به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است، این کره نورانی را می‌توان بعنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد. قطر خورشید ۱۰۹× ۳۹/۱ متر است، میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می‌باشد که تابش از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه سانتیگراد، به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می‌شود. با اندازه گیری شار خورشیدی تابشی در بالای جو زمین می‌توان قدرت دریافتی کل انرژی از خورشید را محاسبه کرد که حدود۱۰۱۱*۸/۱ مگا وات می باشد. البته تمام این انرژی به سطح زمین که در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است نمی‌رسد، مقداری از آن جذب لایه‌های اتمسفر می‌شود. انرژیی که بدین ترتیب به شکل نور مرئی، فرو سرخ و فرابنفش به ما می‌رسد حدود ۱ کیلو وات بر متر مربع است.

مهمترین موضوع در انرژی خورشیدی، جذب و ذخیره آن است. جذب انرژی خورشیدی توسط کلکتورهای مختلف برای اهداف متفاوتی از جمله: تولید برق، گرمایش آب، گرمایش فضا و ... صورت می گیرد.

فراوانی و ارزان بودن انرژی در بعضی از ساعات شبانه روز از دلایل مهم ذخیره انرژی است. انرژی خورشیدی در روز به وفور یافت می شود ولی یکی از اشکالات مهم این انرژی عدم دسترسی به آن در شب می باشد. به کمک ذخیره انرژی می توان از این انرژی در ساعات نبود خورشید نیز بهره برد. در بعضی کشورها مثل چین که بیشتر از انرژی الکتریکی برای گرمایش منازل استفاده می شود، با توجه به ارزان بودن انرژی الکتریکی در روز و گران بودن تعرفه در شب حدود ۵/۱ برابر (به دلیل ساعات اوج مصرف )، ذخیره انرژی از راهکارهای مهم به شمار می آید.

ذخیره انرژی به شکلهای مکانیکی، الکتریکی و حرارتی صورت می گیرد. ذخیره انرژی حرارتی به شکل محسوس (از طریق گرمای ویژه موادی مانند آب، زمین و ...) و نهان (از طریق تغییر فاز موادی مانند پارافین، هیدراتهای نمک  و ...) انجام می گیرد.

تاریخچه

انسان از زمانهای دور از نور و گرمای خورشید استفاده می‌کرده است. هزاران سال قبل، انسانهای نخستین آموختند که چگونه پوست حیوانات و گیاهان خوردنی را زیر نور خورشید خشک کنند. آنها کم کم فهمیدند که اگر غار محل زندگیشان رو به آفتاب باشد، در ماههای سرد زمستان گرمتر باقی می‌ماند. حدود ۳۰۰ سال قبل، یک دانشمند سوئیسی آب گرمکنی ساخت که با استفاده از انرژی خورشید آب را گرم می‌کرد، این آب گرمکن ، جعبه‌ای چوبی بود که درب شیشه‌ای و کف سیاه و تیره داشت. قسمت سیاه، گرمای خورشید را جذب کرده و آب را گرم می‌کرد و دمای آن را به حدود ۸۸  درجه سانتیگراد می‌رساند. حدود دویست سال قبل نیز در فرانسه از پرتوهای خورشید برای جوش آوردن آب یک دیگ بخار برای راه اندازی یک دستگاه چاپ روزنامه استفاده می‌کردند. استفاده از انرژی خورشیدی در قرن معاصر پس از بحران انرژی در سال۱۹۷۳ عمومیت پیدا کرد و بعد از آن، مسائل زیست محیطی وگازهای گلخانه ای باعث شد تا از سال ۱۹۹۰ به طور جدی به انرژی خورشیدی پرداخته شود.

استفاده از یخ رودخانه ها و دریاچه ها، ذخیره آن در انباری مجزا و استفاده از آن در طول سال (برای محافظت از غذا، نوشیدنی خنک و تهویه مطبوع)، قدیمی ترین شکل ذخیره انرژی به حساب می آید. حتی امروزه در قرن ۲۱، تهویه مطبوع ساختمان پارلمان مجارستان در بوداپست در تابستان، توسط دریاجه بالاتن  که در زمستان یخ می زند، انجام می شود. در اواسط قرن ۱۹ استفاده از باتریهایی که به صورت شیمیایی شارژ می شدند، عمومیت داشت. این باتریها توان لازم برای تلگراف، نور و وسایل الکتریکی دیگر را فراهم می کردند. در سال ۱۸۹۰ ایستگاههای مرکزی ( حاوی باتریهای شیمیایی) هر دو نوع انرژی، الکتریکی و گرمایی را فراهم می کردند. در سال ۱۸۹۶ مخترعی به نام یاران  ، از تانک ذخیره حرارتی (برای گرمایش آب با دمای کم در تاسیسات گرمایش) در شهر تولدو  بهره برد تا از گرمایش بیش از حد ایجاد شده به دلیل افزایش میزان مصرف برق در شهر استفاده نماید.

ذخیره انرژی با انرژی خورشیدی در هر دو نوع کاربرد، گرمایی و فوتو ولتائیک ارتباط نزدیکی دارد. تحقیقات بسیاری در ارتباط با این موضوع، پس از بحران انرژی انجام شده است.

روشهای ذخیره انرژی

ذخیره انرژی به صورت مکانیکی

این سیستم شامل ذخیره انرژی گرانشی، ذخیره توان آبی پمپ شده، ذخیره انرژی هوای فشرده شده و چرخ طیار می شود. ذخیره در زمانی که توان مورد نیاز کم می باشد، صورت می گیرد و در زمان احتیاج، از آن بهره برداری می شود.

ذخیره الکتریکی

انرژی الکتریکی از طریق باتری ذخیره می شود. باتری با اتصال به منبع الکتریکی مستقیم شارژ میشود و در هنگام تخلیه انرژی شیمیایی آن به الکتریکی تبدیل می شود. کاربرد باتری در زمان افت توان و ذخیره انرژی الکتریکی تولید شده به وسیله توربین بادی یا فوتو ولتائیک می باشد. عمومی ترین نوع باتری های ذخیره سرب و میباشد.

ذخیره انرژی حرارتی

ذخیره انرژی حرارتی به صورت تغییر در انرژی درونی مواد به شکل محسوس، نهان و ترموشیمیایی یا ترکیبی از آنها می باشد.

ذخیره گرمای محسوس

انرژی به وسیله افزایش دما در جامد یا مایع ذخیره می شود. مقدار ذخیره گرمایی به گرمای ویژه، تغییر دما و مقدار ماده بستگی دارد. آب به دلیل ظرفیت گرمایی بالا و ارزان بودن یکی از بهترین مواد برای این نوع ذخیره است. روغنها، نمکهای مذاب و فلزات مایع از دیگر موارد استفاده می باشند.

ذخیره گرمای نهان

این نوع ذخیره براساس جذب و آزاد کردن انرژی از طریق تغییر فاز از جامد به مایع یا مایع به گاز یا برعکس انجام می شود.

ذخیره انرژی ترموشیمیایی

این نوع ذخیره براساس جذب و آزاد کردن انرژی از طریق شکست و تغییر شکل پیوند مولکولی در واکنش شیمیایی کاملاً برگشت پذیر انجام می شود. مقدار ماده، نوع واکنش و میزان تغییر، بر گرمای ذخیره شده تأثیر مستقیم دارند.