پرتوهای گرمابخش و چراغ فناوری

در یادداشت پیشین درباره انرژی خورشیدی سخن گفتم. از اینکه ستاره منظومه شمسی ما، خورشید منبع تمام‌نشدنی انرژی برای سیاره زمین است و حتی برای مریخ که شاید روزی نه‌چندان دور زیستگاه انسان شود. اشاره کردم که استفاده از انرژی خورشیدی امری جدید نیست و پیشینه‌ای طولانی دارد و به یونان باستان بازمی‌گردد. همچنین گفتم که گرمایش و سرمایش چه اهمیتی دارند و نقش خورشید و انرژی خورشیدی در این میان چیست. به نیروگاه با نیروی اقیانوس‌ها پرداختم و توان بالقوه و نقص فناوری آن را برشمردم. به متمرکز‌کردن گرما اشاره کردم که چرا مهم است و چه روش‌هایی وجود دارد. انتقال یا ترابرد حرارت را توضیح دادم و به نقش و اهمیت و ضرورت انرژی خورشیدی برای ساختمان‌ها اشاره کردم. به چند موضوع دیگر هم اشاره کردم و حال قصد دارم موضوع را ادامه دهم. در این یادداشت باز هم به مسائل پیرامون انرژی خورشیدی خواهم پرداخت و در یادداشت پسین و پایانی به‌ ضرورت این انرژی در ایران اشاره خواهم کرد.

مخزن ذخیره گرما

مشکلی که در استفاده از انرژی خورشیدی برای گرمایش داریم، این است که گرما باید به روش و شیوه‌ای ذخیره شود تا شب‌هنگام یا روزهای بارانی و ابری در دسترس باشد. چنین مشکلی در نیروگاه‌های هسته‌ای یا نیروگاه‌های گازی یا نیروگاه‌های با سوخت فسیلی، تا زمانی که نیروگاه دچار خرابی قطعات نشود‌ و از مدار خارج نشود، وجود ندارد. روش نسبتا پربازده برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی، استفاده از مخزن‌های عایق‌بندی‌شده بزرگ آب در زیر ساختمان یا در زیر زمین است. چرا؟ چون آب این قابلیت را دارد که مقدار زیادی گرما را در خود ذخیره کند و سپس با آهنگی آرام آن را پس دهد. گرما را حتی می‌توان در توده‌های بزرگ سنگ یا بتن هم ذخیره کرد. برای آنکه انرژی خورشیدی منبع توان چشمگیری به شمار آید، لازم است راه‌هایی برای تبدیل مقدار زیادی از آن به الکتریسیته ابداع شود. در دهه‌های اخیر، چندین پیشرفت فنی همچون بهبود تجهیزات و ادوات بازتاباننده و متمرکز‌کننده که امکان بالقوه زیادی برای فناوری‌های پیش‌رو دارند، پدید آمده که از حوصله این نوشتار خارج است. خوب است کمی درباره کوره خورشیدی هم توضیح دهم. یک کوره خورشیدی از مجموعه‌ای از آینه‌های تخت متحرک بهره‌ می‌برد تا پرتوهای خورشید را روی آینه‌ای پهناور و خمیده بازبتاباند. این آینه بار دیگر پرتوها را به‌ سوی نقطه‌ای مرکزی هدایت و متمرکز می‌کند تا دمای زیاد و پایدار لازم را برای مصارف صنعتی به دست آورد. برای نمونه از دهه 1950م. به این‌ سو، از یک کوره خورشیدی در جایی با نام پیرنه، نزدیک اودلی فرانسه بهره‌برداری شد. این مرکز، سامانه‌ای از بازتاباننده‌ها و دیواری خمیده از آینه‌ها را به کار می‌گیرد تا پرتو خورشید را به‌ سوی یک برج دریافت‌کننده مرکزی هدایت کند. در این مرکز انرژی خورشیدی فرانسوی، بیش از 63 آینه جداگانه، هر یک با استفاده از تجهیزات فتوالکتریک، خورشید را ردگیری می‌کنند. این آینه‌ها نور خورشید را روی دیوار خمیده آینه‌کاری‌شده‌ای بازمی‌تاباند که 42 متر ارتفاع و 158 متر عرض دارد. در کانون آن هم یک آزمایشگاه دمای بالا قرار دارد. علاوه بر کاربردهای پژوهشی این مرکز، انرژی گرمایی را می‌توان در دیگ‌ها برای تأمین بخار برای تولید الکتریسیته هم مصرف کرد.

بازتاباننده‌های خورشیدی

بازتاباننده‌های خورشیدی الزاما از آینه‌هایی تشکیل می‌شوند که پرتوهای خورشید را به سمت نقطه‌ای مرکزی متمرکز می‌کنند. با این کار انرژی متمرکز می‌شود و بدیهی است کارایی بیشتری خواهد داشت. نقطه مرکزی غالبا برج دریافت‌کننده‌ای است که می‌تواند گرمای خورشید را به الکتریسیته گرما-‌خورشیدی تبدیل کند. یک نیروگاه 500‌ مگاواتی به حدود دو و نیم کیلومترمربع سطح آینه‌کاری‌‌شده و یک برج به ارتفاع حدودی کمتر از 500 متر نیاز دارد. برای نمونه همان مثالی که از کارگاه پیرنه در فرانسه زدیم از آینه‌های پهناوری استفاده می‌کند تا برای نیازهای صنعتی دماهای بالا تولید کند. از این حرارت بالا می‌توان در دیگ، بخار گرفت و با آن برخی دیگر از نیازمندی‌های تجاری-انرژی-برقی را تأمین کرد.

گردآورنده‌های خورشیدی

گردآورنده خورشیدی وسیله‌ای است که پرتو خورشید را جذب می‌کند و آن را برای تولید نیرو یا هر مصرف دیگری در دسترس مصرف‌کننده می‌گذارد. این ساده‌ترین تعریفی است که می‌توان از گردآورنده ارائه داد. یکی از روش‌های گردآوری نور خورشید استفاده از بزرگ‌ترین و البته طبیعی‌ترین گردآورنده بزرگ روی زمین، یعنی سطح اقیانوس‌ها‌ست. آب‌های سطحی اقیانوس‌ها مقدار زیادی از انرژی خورشید را جذب می‌کنند که بخشی از پرتوهای خورشیدی به گرما تبدیل می‌شود که آب اقیانوس را گرم می‌کند که از همین گرما هم می‌توان استفاده کرد. دمای آب سطحی در مناطق استوایی در حدود 30 درجه سلسیوس است، اما 600 متر زیر سطح، دما در حدود منفی 15 درجه سلسیوس می‌شود. به لحاظ تئوریک می‌توان دستگاهی ساخت که این «گرایه یا گرادیان دمایی» یا به زبان ساده اختلاف دما را برای گرداندن توربین و تولید الکتریسیته به کار بندد.

تبدیل گرما-برق به روش خورشیدی

وقتی انرژی خورشیدی متمرکز و تشدید شود، گرمای کافی برای تولید بخار از آب به دست می‌آید. بخار را سپس می‌توان تحت فشار برای گرداندن توربین مولد برق به کار برد. این نوع سامانه تبدیل گرما-برق خورشیدی، طبق همان اصول مربوط به نیروگاه‌های سوخت فسیلی یا هسته‌ای کار می‌کند. برخی از انواع کارآمدتر آن از تشتک‌ها یا بشقاب‌های سهمی‌گون یا مجموعه‌ای از آینه‌های متحرک استفاده می‌کنند که پرتو خورشید را روی یک هدف متمرکز می‌کنند. هدف که غالبا استوانه‌ای از جنس فولاد است، چنان داغ می‌شود که آب پمپ‌شده به آن فورا به بخار تبدیل می‌شود. این بخار فوری به توربین مولد بخار هدایت می‌شود. مبدل‌های گرما-برق از این نوع که گفتم در حال حاضر در برخی مناطق دنیا ازجمله کالیفرنیای جنوبی ظرفیتی تا حدود 500 مگاوات الکتریسیته دارند.

دستگاه نیروی فتوولتایی

این روش تبدیل انرژی خورشیدی به برق بر پایه اثر فتوولتایی در تجهیزات حالت جامد مانند سلول‌های خورشیدی بنا شده است. این سلول‌ها را در ردیف‌های بزرگ روی زمین نصب می‌کنند. راندمان یا بازده نهایی فرایند تبدیل، برای یک وسیله تکی که در دمای معمولی کار می‌کند، به‌طور نظری در حدود 25 درصد است. دو ماده مهم در تولید نیروی این‌چنین در مقیاس وسیع سیلیسیم و سولفید کادمیم است و بی‌شک بازه ماده‌های پربازده هر روز بیشتر خواهد شد. آمریکا هر سال بیش از صد تن سیلیسیم تک‌بلوری تولید می‌کند که پاسخ‌گوی نیازش نیست. محاسبات نشان می‌دهد آمریکا به چیزی بیش از دو میلیون تن نیاز دارد که با عدد تولیدی فعلی فاصله دارد. برای تولید انرژی‌ای که بتواند کل سامانه انرژی آمریکا را پوشش دهد به مساحتی در حدود یک درصد مساحت کل کشور نیاز است. از سویی یادمان باشد که آمریکا کشوری پهناور است. نیازمندی اساسی این سامانه زمین پهناور و تکنیک‌های هرچه پربازده‌تر عایق‌سازی است. ایران هم به اندازه کافی زمین در اختیار دارد تا بتواند از این سامانه بهره گیرد. برای اینکه سامانه فتوولتایی بتواند با منابع تجاری انرژی رقابت کند، دو شرط اصلی وجود دارد؛ نخست اینکه هزینه کاهش یابد و دیگر اینکه عمر مفید صفحه‌های خورشیدی در پیرامون زمین افزایش یابد. این روش علاوه بر آن به تجهیزات انبارش انرژی با هزینه کمتر و عمر مفید بیشتر نیز احتیاج دارد. اجازه دهید این یادداشت را با ذکر دو نکته به پایان ببرم. برخی گمان می‌کنند بهترین راه چنین روش‌ها و فناوری‌هایی واردات است؛ یعنی اینکه دولت یا شرکت‌هایی به نمایندگی از دولت بروند و تجهیزات را خریداری کنند. غالبا شنیده می‌شود که می‌گویند مشابه خارجی از نمونه داخلی ارزان‌تر است. این گفته درست است، اما مسئله اینجاست که واردات دو ایراد اساسی دارد؛ نخست اینکه اشتغال‌زایی نمی‌کند و دیگر اینکه نمی‌گذارد کشوری همچون ایران که قصد دارد اگر بتواند در دهه‌های آینده جایگاه خود را از کشورهای توسعه‌نیافته یا درحال‌توسعه بالاتر ببرد، در فناوری صاحب‌نام شود. انرژی خورشیدی عرصه خوبی است که شرکت‌های خصوصی و دانش‌بنیان وارد کار شوند و دولت با حمایت واقعی از آنها کمک کند تا هم کشور در این عرصه خودکفا شود و به‌جای واردات، به ساخت و تولید مشارکتی روی آورد. از سویی واردات همواره هزینه‌های افزایشی دارد و این در حالی است که اگر از صنعتگران داخلی در این عرصه حمایت شود، می‌تواند به صادرات، هرچند اندک، منجر شود و سودآوری هم داشته باشد. انرژی خورشیدی عرصه‌ای است که کشور می‌تواند روی پای خود بایستد. این یادداشت با یک بخش پایانی دیگر ادامه دارد.