سه شنبه 3 اسفند 1395 - 24 جمادي الاول 1438 - 21 فوريه 2017

ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-جلسه ی دوم

آشنایی با ساختار خورشید، طیف نور خورشید و روش‌های انتقال حرارت آشنایی با ساختار خورشید، طیف نور خورشید و روش‌های انتقال حرارت
عکس نویسنده
عکس نویسنده
نویسنده : یگانه داودی
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
اهداف جلسه: آشنایی با ساختار خورشید، طیف نور خورشید و روش‌های انتقال حرارت
وسایل موردنیاز: -----
1-1- خورشید:
خورشید نه‌تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلکه سرآغاز حیات و منشأ تمام انرژی‌های دیگر می‌باشد. طبق برآوردهای علمی حدود 6000 سال از تولد خورشیدی می‌گذرد و در هر ثانیه 2/4 میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که 333 هزار برابر وزن زمین است، می‌تواند تا 5 میلیارد سال آینده به‌عنوان منبع انرژی مورداستفاده قرار گیرد. قطر خورشید 106×39/1 کیلومتر است و از گازهایی مثل هیدروژن (8/86 درصد)، هلیوم (3 درصد) و 63 عنصر دیگر تشکیل‌شده است. دمای مرکز خورشید حدود 10 تا 14 میلیون درجه سانتی‌گراد می‌باشد، انرژی از سطح خورشید با حرارتی نزدیک به 5600 درجه سانتی‌گراد و به‌صورت امواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می‌شود. زمین 150 میلیون کیلومتر با خورشید فاصله دارد و 8 دقیقه و 18 ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد. سوخت‌های فسیلی ذخیره‌شده در اعماق زمین، انرژی‌های باد و آبشار و امواج دریا و بسیاری موارد دیگر ازجمله نتایج همین انرژی دریافتی زمین از خورشیدند.
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی- جلسه‌ی دوم
                                                                                  شکل 2-1 نمایی از خورشید
همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، خورشید از شش ناحیه‌ی اصلی تشکیل‌شده است:
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی- جلسه‌ ی دوم
                                                                                2-2 شش بخش اصلی خورشید
انرژی از سطح خورشید به‌صورت نور و گرما به‌صورت امواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می‌شود. نور خورشید شامل هفت نوع اشعه است که به ترتیب طول‌موج عبارت‌اند از: اشعه گاما، اشعه ایکس، اشعه ماوراءبنفش، اشعه مرئی، اشعه مادون‌قرمز، امواج رادیویی و امواج الکتریکی. در مقایسه این قسمت‌ها با یکدیگر قسمت مرئی نور خورشید، یعنی آن قسمت که ما با چشم غیرمسلح می‌بینیم، جز کوچکی از مجموعه‌ی طیف خورشیدی است که وقتی از یک منشور عبور داده شود شکست نور موجب خواهد شد که اجزای آن یعنی رنگ‌های بنفش، نیلی، آبی، سبز، زرد، نارنجی و قرمز به ترتیب دیده شوند.
همان‌طور که در نمودار زیر دیده می‌شود انرژی حاصل از هر رنگ متفاوت است تا آنجا که تنها اشعه مرئی طیف خورشیدی 49 درصد انرژی خورشیدی را در بردارد، ماوراءبنفش 9 درصد و 38 درصد در مادون‌قرمز است و تنها 4 درصد امواج به علت طول‌موج بلند، قدرت گذشتن از شیشه را ندارند.
 
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی- جلسه‌ی دوم
                                                        2-3 نمودار انرژی برحسب طول‌موج طیف نور خورشید
انرژی مورد استفاده انسان اصولاً به یکی از اشکال شش‌گانه شیمیایی، نورانی (تشعشع خورشیدی)، اتمی، مکانیکی، الکتریکی و یا گرماست. شکل‌های مختلف انرژی قابل‌تبدیل به یکدیگرند. مخصوصاً تبدیل آن‌ها به گرما ساده‌ترین نوع تبدیل است.
از هفت قسمت امواج نورانی همان‌طور که در شکل می‌بینیم تنها سه قسمت یعنی امواج مرئی مادون‌قرمز و فرابنفش ازنظر گرما موردتوجه‌اند.
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی- جلسه‌ی دوم
                                                                                     2-4 تفکیک طیف‌های نو ر خورشید
ماوراءبنفش: امواجی کوتاه دارند و با چشم دیده نمی‌شوند. ضمناً این امواج عامل برنزه شدن یا آفتاب‌سوختگی می‌باشند. مقدار زیادی از این اشعه به‌وسیله اتمسفر زمین جذب و یا منعکس می‌شود و به سطح زمین نمی‌رسد.
طیف مرئی: شامل طول‌موج‌هایی است که با چشم دیده می‌شوند. وقتی این طیف روشن از منشور می‌گذرد در اثر شکست نور رنگ‌های مختلف از بنفش تا قرمز (هفت‌رنگ اصلی) دیده می‌شوند. طیف مرئی در مقایسه با دو طیف مجاورش سهم کوچکی را تشکیل می‌دهد.
مادون‌قرمز: یا امواج بلند، عملاً از هر جسمی این نوع امواج منتشر می‌شوند. مقدار امواج منتشرشده به حرارت جسم بستگی دارد.
 اجسام مختلف برحسب خواص و طبیعت خاص خود در برخورد با پرتو تابیده عکس‌العمل‌های مختلفی دارند. مثلاً شیشه، نور خورشید را از خود عبور می‌دهد، یک صفحه مسی با رنگ مسی مات آن را جذب می‌کند و یک آینه آن را منعکس می‌نماید. هنگامی‌که نور سفید روی جسمی می‌تابد، بخشی از نور جذب می‌شود. این جذب نور علت رنگی است که شما می‌بینید. اجسام شفاف (شیشه و آب) به علت اینکه اجازه می‌دهند تمام اشعه نور سفید از میان آنان عبور کند بی‌رنگ دیده می‌شوند. نور بازتابی از سطح‌ اجسام کدر شامل رنگ آن‌هاست. اگر تمام طیف‌های نور سفید توسط جسمی جذب شود، آن جسم سیاه به نظر می‌رسد. برعکس، اگر تمام طیف‌های نوری توسط جسمی بازتاب شود، آن جسم سفید دیده می‌شود. رنگ سفید بیشتر از سایر رنگ‌ها نور را منعکس می‌کند چون خود مجموعه‌ای از رنگ‌های مختلف است. خورشید مانند یک جسم سیاه عمل می‌کند. نوری که خورشید تولید می‌کند باید از میان فضا و سپس اتمسفر زمین عبور کرده تا به سطح زمین برسد؛ بنابراین نور خورشید ترکیبی از نور مستقیم خورشید و نیز نور غیرمستقیم حاصل از پخش شدن و انعکاس نور توسط اتمسفر و ابرها می‌باشد.
1-2- روش‌های جابجایی (جریان) حرارت:
یک جسم به‌محض گرم شدن، در جستجوی تعادل حرارتی با محیط مجاور خود، به سه شکل زیر حرارت را از نقطه گرم‌تر به نقطه سردتر منتقل می‌کند.
 
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی- جلسه‌ ی دوم
                                                                               2-5 روش‌های انتقال حرارت
1-2-1- انتقال:
با گرم شدن قسمتی از یک جسم، اتم‌ها یا مولکول‌های آن قسمت گرم شده، با حرکات ارتعاشی خود موجب ارتعاش و گرم شدن اتم‌ها یا مولکول‌های مجاور خود می‌شوند. این عمل تا آنجا ادامه پیدا می‌کند که گرمابه سراسر جسم هدایت شود. یک سر یک میله فلزی را گرما می‌دهیم. پس از مدتی حرارت و گرما را در سر دیگر آن میله احساس می‌کنیم. چنانچه جسم دیگری متصل به آن باشد حرارت را دریافت می‌کند و به همین ترتیب گرما در سراسر جسم دوم نیز هدایت می‌شود. هرچه تراکم اتم‌های یک جسم بیشتر باشد، انتقال گرما در آن جسم سریع‌تر انجام می‌شود. تراکم اتم‌ها در فلزات خیلی زیاد و در عایق‌ها به حداقل می‌رسد؛ به همین دلیل از عایق‌ها برای جلوگیری از هدر رفت حرارت استفاده می‌کنیم.
 
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی- جلسه‌ ی دوم
                                                     2-6 تراکم و حرکت مولکولی در حالت‌های سه‌گانه‌ی مواد در طبیعت
1-2-2- همرفت:
ظرف پر از آبی را روی آتش می‌گذاریم، حرارت کف ظرف موجب گرم شدن قسمتی از آب که در مجاورتش است می‌شود. آب گرم شده در این قسمت منبسط و سبک شده به قسمت بالای ظرف می‌رود و آب سرد روی ظرف که سنگین‌تر است جای آن را پر می‌کند. مادامی‌که ظرف روی آتش قرار دارد این جریان حرارت ادامه می‌یابد. این عمل را همرفت می‌نامیم.
 
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی- جلسه‌ی دوم
                                                                                       2-7 چگونگی همرفت
همرفت نه‌تنها در مورد مایعات بلکه در گازها نیز به همین صورت انجام می‌شود. هوای گرم مجاور بخاری در اتاق منبسط و سبک شده به سقف اتاق نزدیک می‌شود و هوای سرد که سنگین‌تر است جای آن را پر می‌کند. شاید بارها برایتان اتفاق افتاده باشد كه در یك روز بسیار سرد زمستان وقتی به خانه می‏ رسید سریع بخاری را روشن كرده و از كنار بخاری تكان نمی ‏خورید. ولی بعد از مدتی به‌راحتی می‏ توانید به‌جاهای مختلف خانه (اتاق) بروید و اصلاً احساس سرما نكنید. به عبارتی بعد از مدتی بخاری كل خانه (اتاق) را گرم كرده است.
برای ایجاد جریان همرفتی در یک ماده سه شرط لازم است:
1- ماده باید مایع یا گاز باشد
2- بین دونقطه آن اختلاف دما وجود داشته باشد.
3- قسمت گرم پایین‌تر از قسمت سرد باشد.
1-2-3- تابش:
تابش، انرژی ساطع‌شده از سطح سیال به‌صورت امواج الکترومغناطیس و به دلیل تغییرات الکتریکی اتم‌ها و مولکول‌هاست. برخلاف هدایت و جابجایی، انتقال حرارت تابشی نیازی به محیط مادی ندارد. این انرژی با سرعت نور انتقال‌یافته و در محیط خلأ نیز حرکت می‌کند. تابش یک فرایند حجمی است و تمام جامدات، مایعات و گازها، جذب و ساطع کردن انرژی را انجام می‌دهند؛ اما به‌هرحال، تابش را برای جامدات غیر شفاف مانند سنگ و چوب که امواج ساطع‌شده از بخش‌های درونی آن‌ها، به سطحشان نمی‌رسد، معمولاً به‌عنوان یک پدیده‌ی سطحی در نظر می‌گیرند. انرژی از فضای بین خورشید و زمین عبور می‌کند و پس از جذب تبدیل به انرژی گرمایی می‌شود. انرژی تابشی که از یک بخاری خارج می‌شود در فضا انتشار پیدا می‌کند تا به جسمی برخورد کند. در حالت کلی مقداری از این انرژی توسط جسم بازتاب، قسمتی جذب و بخشی از آن از جسم عبور می‌کند.
 ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی- جلسه‌ ی دوم
                                                                              2-8 جذب و بازتاب نور در اجسام
جریان تابشی حرارت شکلی از جریان حرارت است که برای جاری شدن نیازی به‌واسطه –مانند آب هوا یا فلز –ندارد. تابش خورشیدی مشابه جریان حرارت از طریق تابش است ولی چند تفاوت عمده با آن دارد. اول این‌که رنگ عامل بسیار مهمی در تابش خورشیدی است ولی در جریان تابشی حرارت، رنگ اهمیت چندانی ندارد. اگر صفحه‌ای را که روی آن رنگ مشکی یا رنگی تیره زده‌شده است در معرض خورشید قرار دهیم، خیلی داغ می‌شود ولی چنانچه رنگ رویه‌ی آن سفید یا روشن باشد صفحه‌ی مذکور خیلی داغ نخواهد شد. گفته‌شده است که بنیامین فرانکلین این حقیقت را در یک روز آفتابی زمستان با قرار دادن یک پارچه‌ی سفید و یک پارچه‌ی سیاه بر روی برف کشف کرد. برف‌های زیر پارچه‌ی سیاه خیلی سریع‌تر از برف‌های زیر پارچه‌ی سفید ذوب شد. زیرا پارچه‌ی سیاه تابش خورشیدی بیشتری را جذب می‌کرد. پارچه‌ی سفید نور خورشید را منعکس می‌کرد، بنابراین تابش خورشیدی زیادی را جذب نمی‌کرده و برف زیادی نیز ذوب نمی‌شده است.
برخلاف تابش خورشیدی، جریان تابشی حرارت نسبت به رنگ‌های مختلف به یک شیوه واکنش نشان می‌دهد. اگر یک پارچه‌ی سیاه و یک پارچه‌ی سفید را جلو یک بخاری دیواری قرار دهیم، می‌بینیم که هر دو به یک اندازه گرم خواهند شد.
در جریان تابشی حرارت، تنها راهی که می‌توانیم تابش را منعکس کنیم، استفاده از یک سطح براق است؛ اما تابش خورشیدی را هم‌ سطح براق و هم سطوح سفید یا رنگ روشن منعکس می‌سازد.
تابش خورشیدی و جریان تابشی حرارت اختلاف مهم‌تری نیز باهم دارند. تابش خورشیدی می‌تواند از مواد شفافی مانند شیشه عبور کند که جریان تابشی حرارت قادر به عبور از آن نیست. اگر قطعه‌ای شیشه را در جلو خود نگه دارید، مانع می‌شود که حرارت از طریق تابش جریان پیدا کند ولی این قطعه شیشه از ورود تابش خورشیدی جلوگیری نخواهد کرد. گاهی اوقات تمایل تابش خورشیدی و نه جریان تابشی حرارت به عبور از شیشه اثر گلخانه‌ای نامیده می‌شود. حرارت می‌تواند از طریق سقف شیشه‌ای یک گلخانه به آن وارد شود ولی همان شیشه در مقابل حرارتی که می‌خواهد از طریق تابش از گلخانه خارج شود مانند دیواری سخت و محکم عمل می‌کند.
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی- جلسه‌ی دوم
                                                                                      شکل 2-9 اثر گلخانه‌ای
مواد پلاستیکی، کمی متفاوت با این رفتار می‌کنند. هرچند که شیشه و پلاستیک هر دو تابش خورشیدی را از خود عبور می‌دهند ولی برخی از مواد پلاستیکی جریان تابشی حرارت را نیز از خود عبور می‌دهند.
تابش خورشیدی به‌غیراز حساسیت به رنگ و قابلیت عبور از مواد شفاف، شباهت زیادی با جریان تابشی حرارت دارد. تابش خورشیدی به خط مستقیم سیر می‌کند و می‌توان حتی با ماده‌ای به ضخامت کم جلو آن را گرفت. در شکل زیر اتفاقاتی که برای انرژی تابشی خورشید در جریان رسیدن به زمین رخ می‌دهد را مشاهده می‌کنید.
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی- جلسه‌ ی دوم
2-10 انرژی خورشیدی کجا می‌رود؟ تقریباً نیمی از این انرژی قبل از رسیدن به زمین توسط اتمسفر و ابرها مجدداً به فضا برمی‌گردد.
تکلیف:
مثال‌های بیشتری در مورد روش تابش پیدا کنید.
چند تصویر گرفته‌شده به‌وسیله دوربین‌های حرارتی را پیدا کنید.
با توجه به مطالب گفته‌شده در یک روز زمستانی بهتر است از یک لباس با رنگ تیره استفاده کنید یا لباسی با رنگ روشن؟
آزمایش:-----
منابع مطالعه:
1- کتاب خورشید در خدمت خانواده-نوشته ایرج موحدی (فصل 1،4)
2- Solar PV Standardised Training Manual, Developed by SNV for the Rural Solar Market Development
                                                                                                                                                                        2015
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط: 
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش اول
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش دوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش سوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش چهارم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش پنجم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش ششم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هفتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هشتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش نهم
تلفن : 81200000
پست الکترونیک : public@tebyan.com
آدرس : بلوارکشاورز ، خیابان نادری ، نبش حجت دوست ، پلاک 12

ارتباط با ما

روابط عمومی

درباره ما

نقشه سایت

تعدادبازدیدکنندگان
افراد آنلاین