به آفتاب سلامی دوباره کنیم

گلناز  روستایی

هر روز صبح که از خواب برمی‌خیزیم، پرتوهای خورشید چشمان ما را می‌نوازد. اگر سرمای زمستان باشد ظهرهنگام پرتوهای خورشید بسیار دلچسب‌اند و اگر گرمای ظهر تابستان باشد، دوست داریم زیر باد کولر باشیم و نوشیدنی‌ خنک بنوشیم و به این فکر نکنیم که کولر و یخچال چقدر انرژی مصرف می‌کنند. هر روز خبرهایی را درباره انرژی خورشیدی و کاربردهای آن می‌شنویم. یک روز به گوش‌مان می‌رسد که شرکت تسلا ماشینی برقی-خورشیدی ساخته که آلایندگی اندکی دارد و فردا خبر می‌آید که سازمان هوانوردی و فضانوردی آمریکا (ناسا)، خودروی هوشمندی را به مریخ خواهد فرستاد که با صفحه‌های خورشیدی کار می‌کند و انرژی مورد نیاز خودش را تأمین می‌کند. سال‌هاست پژوهشگران حوزه انرژی می‌گویند که توان خورشیدی جایگزین خوبی برای سوخت‌های فسیلی است و از منبعی تمام‌نشدنی انرژی پاک تولید می‌کند. طرفداران محیط‌ زیست هم هرگاه هیجان‌زده می‌شوند صفحه‌های خورشیدی را جایگزین خوبی برای رآکتورهای هسته‌ای توصیف می‌کنند. اینها همه از خورشید است و آنچه برای ما به ارمغان می‌آورد انرژی خورشیدی. قصد دارم در سه یادداشت متوالی کمی بیشتر درباره انرژی هسته‌ای، اصول و کاربردهایش و نیز اهمیت آن برای ایران و جهان بگویم. آنچه پیش‌روی شماست نخستین یادداشت است.

انرژی خورشیدی

ستاره منظومه شمسی ما، خورشید اگرچه ستاره‌ای متوسط از میان 200 میلیارد ستاره کهکشان راه شیری است، حجم بزرگی از انرژی را به زمین می‌تاباند. زمین با آنکه مقدار اندکی از انرژی خورشید را دریافت می‌کند، همین مقدار اندک آنچنان زیاد است که اگر فقط نیمی از آن مهار شده و به الکتریسیته تبدیل شود، کل انرژی سیاره زمین با هشت میلیارد انسان، به سهولت و ارزانی و با کمترین آسیب به محیط‌ زیست تأمین می‌شود. برخلاف آنچه گمان می‌کنند بهره‌گیری از انرژی خورشیدی نوپاست، استفاده از آن به ‌اندازه انسان خردمند قدمت دارد. افسانه‌ای درباره «ارشمیدس»، دانشمند و فیلسوف یونانی وجود دارد که او با کمک آینه‌هایی که توان کانونی‌کردن نور خورشید را داشتند، حرارت پرتوهای خورشید را به کار گرفت تا ناوگان دریایی دشمن را نابود کند. 200 سال پیش از میلاد هم چینی‌ها آموخته بودند چگونه با کمک آینه‌های خمیده نور را متمرکز کرده و آتش برپا کنند. در طول تاریخ دانشمندان و مهندسان در پی راهی بودند تا از انرژی خورشید استفاده کنند. در قرن نوزدهم میلادی «آگوستن موشو»ی فرانسوی موتور بخار خورشیدی با توان یک قوه اسب بخار ساخت. اما تا همین 50 سال پیش که خطرهای افزایش جمعیت زمین و مصرف انرژی برآمده از سوخت‌های فسیلی روی سخت سکه نیاز به انرژی را نشان نداده بود، دولت‌ها چندان دنبال استفاده از انرژی خورشیدی در مقیاس صنعتی کلان نبودند. اما نیم‌قرن است که ورق برگشته و انرژی خورشیدی پیشتازی می‌کند. ایران هم کشوری است با بیش از 85 میلیون نفر جمعیت و بحران‌های آب و خشک‌سالی و انرژی که از بخت‌ بلند این سرزمین، آفتاب خوبی برای انرژی خورشیدی دارد. بنابراین لازم است هم مردم عادی و هم دولت درک درستی از انرژی خورشیدی داشته باشند و سرمایه‌گذاری‌ها را افزایش دهند.

گرم‌کردن و سردکردن

هر روز تا در حدود چهار کوادریلیون کیلووات ساعت انرژی خورشیدی به زمین می‌رسد. این عدد بزرگ بیش از 400 هزار برابر ظرفیت تولید انرژی الکتریسیته در کشوری همچون آمریکاست. به زبان ساده‌تر انرژی رسیده به زمین از سوی خورشید در هر یک ساعت شاید بیش از مصرف انرژی گونه انسان روی زمین در یک سال باشد. اما مسئله اینجاست که به دام انداختن و کنترل نور خورشید کار آسانی نیست. بیایید با این ویژگی نور خورشید شروع کنیم که بسیار پراکنده است؛ بنابراین برای جمع‌آوری آن و نیز متمرکزکردن آن نیازمند گردآورنده یا گردآور‌های پهناوری هستیم. از سوی دیگر نور خورشید متناوب می‌تابد و این تناوب و افت‌وخیز می‌تواند دلایل بسیاری داشته باشد که از قضا شامل خود خورشید نیست. با این حساب نوعی انبارش نیاز هست تا انرژی خورشیدی را به هنگام شب و در هوای ابری و برفی در دسترس قرار دهد و استفاده‌پذیر کند. آشکارترین فایده انرژی خورشیدی برای گرمایش و سرمایش است. دستگاه‌هایی که گرما را درون ساختمان‌ها گرد می‌آورند یا آن را به بیرون از ساختمان هدایت می‌کنند، حالا دیگر بخش جدایی‌ناپذیر هر تأسیساتی شده است. معمول‌ترین نوع گردآورنده گرمای فضا، وسیله‌ای متشکل از صفحه‌ای تخت است که برای جذب تابش، هم به شکل مستقیم و هم نامستقیم و پراکنده، طراحی‌ شده است. گردآورنده‌ها به‌طور معمول از صفحه‌هایی از جنس آلومینیوم، مس یا فولاد است که رنگ سیاه به آن زده‌اند. رنگ‌آمیزی سیاه بدان جهت است که از بازتاب گرما جلوگیری کنند یا به کمینه مقدار برسانند و جذب را شدت بخشند. عایقی پشت گردآورنده نصب می‌کنند که از افت حرارت جلوگیری می‌کند. گردآورنده را با شیشه یا پلاستیک می‌پوشانند. این لایه اجازه می‌دهد تا تابش موج کوتاه به شکل نور به گردآورنده وارد شود. همین‌ که تابش از شیشه یا پلاستیک عبور می‌کند از تابش موج کوتاه به تابش موج‌ بلند یا اصطلاحا حرارت تبدیل می‌شود. تابش موج‌ بلند نمی‌تواند از شیشه یا پلاستیک به جو بازگردد. بنابراین حرارت در گردآورنده به دام می‌افتد. این اصل همان اصل اثر گلخانه‌ای است که در آن تابش خورشیدی در نزدیکی سطح زمین توسط لایه‌ای از گازها و ذرات معلق موجود در جو به دام می‌افتد. گردآورنده‌ها را اصولا با زاویه‌ای نصب می‌کنند که میزان تابش ورودی به آنها را بیشینه کند. با یک سازوکار ساده و نصب موتور گردان می‌توان طوری تنظیم کرد که همواره پرتوهای خورشید بر آن عمود بتابند. ساده‌ترین و کم‌هزینه‌ترین عملکرد گردآورنده خورشیدی آن است که گرما را مستقیم به داخل ساختمان بتاباند. در بسیاری از خانه‌ها، ازجمله ایران، پنجره‌های بزرگ و رو به جنوب نقش گردآورنده را بازی می‌کنند و حتی قیمت خانه آفتاب‌گیر بیش از خانه به‌اصطلاح شمالی است. در طول روز پرده‌ها را کنار می‌زنند تا نور و گرمای خورشید وارد ساختمان و خانه شود و دما را بالا ببرد. در طی شب هم پرده‌ها را می‌کشند تا از فرار گرما جلوگیری کنند. این نوع سامانه‌های «خورشیدی انفعالی» را با سامانه‌های گرمایشی سنتی همچون بخاری تکمیل می‌کنند و خانه یا ساختمان یا هر محیط سربسته با اندازه متعارف را در دمای دلخواه نگه می‌دارند.

انتقال حرارت

در سامانه‌های «خورشیدی فعال» هوا یا آب یا مایع دیگر درون متمرکزکننده می‌گردد و گرم می‌شود. همچنان که هوا یا مایع، گردآورنده را ترک می‌کند و در مجراهای گرمایش ساختمان به حرکت درمی‌آید. هوای داخل ساختمان را گرم می‌کند یا آب داغ را به آشپزخانه و حمام می‌رساند. «سامانه‌های هوا» این ویژگی خوب را دارند که مشکل خوردگی در آنها حل شده است. لازم است دقت کنید که فرایند خوردگی سالانه خسارت مالی هنگفتی در انواع صنایع به بار می‌آورد. اما از سوی دیگر هوا ماده واسط پُربهره‌وری برای انتقال گرما نیست. آب و برخی از مایع‌ها به‌مراتب کارآمدتر هستند. به‌تنهایی در آمریکا تا مرز 30 میلیارد کیلووات ساعت در سال از انرژی خورشیدی استفاده می‌کنند و این عدد بخش بسیار بزرگی از ظرفیت نصب‌شده در جهان است و افسوس‌مندانه باید بگوییم سهم ایران بسیار اندک است. در سال‌های اخیر با وجود فناوری‌های با کارآمدی بالاتر و هزینه کمتر، هزینه انرژی خورشیدی به‌شدت کاهش‌ یافته و این روند ادامه دارد و استفاده از انرژی خورشیدی در مقیاس‌های خانگی، صنعتی و اَبَرصنعتی مدام افزاینده است.

انرژی خورشیدی برای ساختمان‌ها

انرژی خورشیدی به شکل مفهومی آن به این شکل مصرف می‌شود که توسط گردآورنده‌های خورشیدی ساختمان را گرم یا سرد کند؛ همچنین توسط مولد برق تولید کند. در یک گردآورنده خورشیدی تابش گرمایی در صفحه فلزی سیاه‌رنگی جذب می‌شود. دمای مایعی که در گردآورنده می‌گردد، می‌تواند به راحتی تا 90 درجه سانتی‌گراد یعنی فقط 10 درجه کمتر از دمای جوش آب در شرایط آرمانی برسد. ساختار کلی چنین دستگاهی از سه بخش تشکیل‌ شده است: یک مخزن ذخیره گرما، یک گرم‌کن و یک هواساز. یک مولد بادی به قطر هشت متر جوابگوی برق متوسط مصرفی یک خانه معمولی در حدود دو تا چهار کیلووات است. این نوع انرژی خورشیدی می‌تواند در برخی نقاط بین 50 تا 70 درصد نیاز یک ساختمان به انرژی گرمایی را برآورده کند. اجازه دهید این یادداشت را اینجا متوقف کنم و فقط این نکته را بگویم که صرفه‌جویی در انرژی ذره‌ذره جمع می‌گردد و وانگهی دریایی می‌شود که می‌تواند در اقتصاد کلان اثرگذار باشد. این یادداشت ادامه دارد.