وﺳﺎﯾﻞ موردنیاز: -----
1-1- مقدمه:
پس از آشنایی مختصر با سامانه آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی قبل از استفاده از سامانه و تعیین محل و زاویه گردآورنده‌ها باید مجدداً سراغ انرژی خورشید و وضعیت تابش آن در ایران رفت.
1-2- تابش خورشید
انرژی تابشی خورشید برخلاف انرژی‌های فسیلی دارای عمر بسیار طولانی و بدون نیاز به هزینه سنگین اکتشاف یا استخراج است؛ اما انرژی خورشیدی دارای مشکلات خاص خود می‌باشد. قبل از هر نوع سرمایه‌گذاری در بخش انرژی خورشیدی باید از میزان تشعشع دریافت شده، یکنواختی و مدت دریافت تابش در طول شبانه‌روز و برای یک دوره مشخص مطمئن شویم.
1-3- ابزار اندازه‌گیری انرژی خورشیدی
برای اندازه‌گیری تشعشعات خورشیدی که به جهت نور خورشید و شرایط آب‌وهوایی وابسته است، از وسیله‌هایی به نام‌های سولاریمتر و پیروهلیومتر استفاده می‌شود. همچنین زمان تابش آفتاب به‌وسیله هلیوگراف اندازه‌گیری می‌گردد. البته اندازه‌گیری دمای خورشید روش‌های متعددی دارد، در روش طیف‌سنجی با استفاده از فوتومترهای حساس، طول‌موجی را که خورشید در آن بیشترین شدت تابش را دارد به دست می‌آورند و سپس با استفاده از رابطه دما با بیشترین شدت تابش (قانون وین) دمای سطح خورشید را به دست می‌آورند.
1-4- عوامل مؤثر در شدت انرژی تابشی خورشیدی
شدت انرژی تابشی خورشید در یک سطح معین به پنج عامل بستگی دارد:
1-4-1- تابش منبع انرژی خورشیدی
خورشید هم یک ستاره است و در روند عمر خود تغییراتی می‌کند ولی ازآنجاکه عمر ما با عمر ستاره‌ها قابل قیاس نیست و خورشید میلیون‌ها سال با شرایط فعلی به فعالیت خود ادامه خواهد داد بنابراین ازلحاظ محاسبات و پارامترهای مربوط به منبع انرژی برای مدت بسیار طولانی ثابت خواهد ماند. البته اگر دقیق‌تر شویم متوجه تغییرات فعالیت‌های خورشیدی می‌شویم که دارای دوره‌ای معین (هر 11 سال یک‌بار) دارد و باعث می‌شود پرتوافکنی آن هرچند ناچیز تغییر کند در نتیجه ارسال انرژی تابشی هم تغییر می‌کند. همان‌طور که گفته شد این مقدار بسیار ناچیز است. از طرفی بشر در حال حاضر قادر به انجام فعالیتی در جهت بهبود این وضعیت نیست و این امر از کنترل ما خارج است.
1-4-2- فضای میان منبع انرژی و محل دریافت انرژی
پرتوهای خورشیدی از سطح خورشید تا سطح زمین از دو محیط کاملاً متفاوت عبور می‌کند. ابتدا از محیط خلأ عبور کرده و در ادامه وارد جو زمین می‌شوند. در مرز بین این دو محیط بخشی از پرتوهای نور خورشید بازتاب می‌شوند و تنها بخشی از آن وارد محیط دوم می‌شود. این پرتوها در برخورد با مولکول‌های جو زمین انرژی خود را از دست می‌دهند بنابراین باید توجه کرد که با نزدیک‌تر شدن به زمین، شرایط بیشتر تغییر می‌کنند زیرا که در لایه‌های پایین‌تر جو هوا فشردگی بیشتری داشته و مولکول‌های بخارآب و سایر گازهای جو باعث کاهش انرژی فوتون‌ها یا منعکس شدن آن‌ها می‌گردد. پس در نگاه اول این‌طور به نظر می‌رسد که وجود جو و بخارآب اصلاً برای ما مفید نیست زیرا موجب کاهش رسیدن انرژی تابشی به زمین می‌شود. ولی از طرف دیگر وجود این گازها که به گاز گلخانه‌ای مشهورند تا حدودی به نفع بشر است. این واقعیت که سیاره زمین با لایه ضخیمی از یخ پوشیده نشده، به علت نقش طبیعی اثر گلخانه‌ای است. دلیل این پدیده این است که سطح زمین همان اندازه که با انرژی دریافتی از خورشید گرم می‌شود، با مکانیسم اثر گلخانه‌ای نیز گرم می‌شود. درواقع بخش بیشتر پرتوهایی که وارد محیط جو می‌شوند در این قسمت گیر می‌کنند و آن‌قدر بازتاب می‌شوند تا به‌طور کامل جذب شوند. درواقع نقش جو برای زمین همانند پتو می‌باشد که در فضایی که پوشش می‌دهد مقداری از گرمای آزادشده از جسم را حفظ می‌کند و باعث افزایش دما می‌شود.
بنابراین باید در محاسبات مربوط به طراحی سیستم خورشیدی به نکاتی مانند متغیر بودن شرایط آب‌وهوایی و تأثیر بخارآب، گردوغبار و وزش نامنظم باد دقت نمود چراکه می‌تواند برنامه‌ریزی مربوط به نیروگاه‌ها را تحت شعاع قرار دهد. در نزدیکی شهرهای بزرگ و مکان‌های صنعتی آلودگی‌های شهری یا صنعتی نیز به مجموعه عوامل اشاره‌شده اضافه می‌گردد.
1-1-1- فاصله زمین تا خورشید
زمین در حال گردش به دور خورشید در خلاف جهت عقربه‌های ساعت است. مسیر حرکت زمین به دور خورشید که به آن مدار میگویند، به شکل یک بیضی (و تقریباً به شکل دایره) است به‌طوری‌که فاصله متوسط زمین از خورشید حدود 150 میلیون کیلومتر و تغییر فاصله آن در بیشترین و کمترین حالت (که به ترتیب اوج و حضیض نامیده می‌شود) حداکثر 5 میلیون کیلومتر یا 3% است. اگر خورشید را با استفاده از فیلتری مناسب و ایمن در طول سال مشاهده و قطر ظاهری آن را اندازه‌گیری کنیم، می‌توانید اندازه خورشید را در نیمه تیرماه (بیشترین فاصله از زمین) و دی‌ماه (کمترین فاصله از زمین) را مقایسه کنیم.
بیضوی بودن مدار زمین، پدیده‌های جالبی را به همراه دارد که یکی از مشهودترین آن‌ها، تغییر طول ماه‌ها و فصل‌های سال است. میدانیم که در تقویم شمسی، شش ماه اول سال 31 روزه، 5 ماه بعد 30 روزه و ماه آخر 29 روزه است، به‌عبارت‌دیگر، شش ماه اول سال 186 روز و شش ماه دوم 179 روز به طول می‌انجامد. این در حالی است که مشاهدات نجومی نشان می‌دهد در هر فصل، خورشید به‌اندازه 90 درجه در آسمان جابجا می‌شود که متناظر با جابجایی 90 درجه‌ای زمین در مدارش است.
یوهانس کپلر، منجم آلمانی قرن هفدهم میلادی با بررسی حرکت سیارات متوجه شد که سیارات منظومه شمسی در مدارهایی بیضوی به گرد خورشید می‌گردند و هرچه به خورشید نزدیک‌تر شوند، با سرعت بیشتری گردش می‌کنند. این قانون که به قانون دوم کپلر مشهور شده، می‌گوید هرچه سیاره از خورشید دورتر باشد، با سرعت کمتری حرکت می‌کنند و درنتیجه برای طی مسافتی یکسان به زمان طولانی‌تری نیاز دارد. به همین دلیل است که در شش ماه اول سال، 186 روز طول می‌کشد تا زمین نیم دور به دور خورشید بگردد.
از آن‌طرف، در شش ماه دوم سال، زمین به خورشید نزدیک‌تر می‌شود، طوری که امسال در ساعت 4:02 پانزدهم دی به نزدیک‌ترین فاصله از خورشید، حدود 149,545,000 کیلومتری، می‌رسد. سرعت گردش زمین به دور خورشید زیاد می‌شود و به همین دلیل، 179 روز طول می‌کشد تا زمین 180 درجه به دور خورشید بگردد.
1-1-2- زاویه تابش
زاویه تابش یکی از عوامل مؤثر در دریافت انرژی خورشیدی است هر چه تابش بیشتر نزدیک به عمود باشد بیشتر جذب می‌شود و به همین دلیل است که آب‌وهوا در اطراف خط استوا گرم‌تر از دو قطب کره زمین می‌باشد. ولی نکته بسیار مهمی که درباره زمین وجود دارد، مایل بودن زاویه مداری زمین به‌اندازه 23.5 درجه است. این پدیده منجر به پیدایش فصل‌ها می‌شود:
اگر شما نزدیک خط استوا زندگی کنید، درواقع اصلاً تغییر فصلی ندارید یا به‌عبارت‌دیگر تنها یک‌فصل دائمی تابستان دارید. اگر در قطب شمال یا جنوب زندگی کنید، آنگاه فصل‌هایی بسیار طولانی خواهید داشت. تابستانی طولانی که در آن خورشید همیشه در بالای آسمان است و زمستانی طولانی که در آن خورشید همیشه در حال غروب است. در قطب شمال، خورشید برای 182 روز متوالی در زمستان در حالت غروب است؛ و بالاخره اگر بین این دو منطقه زندگی کنید، چهارفصل خواهید داشت. کره زمین که سالی یک‌بار به دور خورشید می‌گردد، دارای 23.5 درجه انحراف محوری است. هنگامی‌که رأس زمین به‌سوی خورشید است، در نیمکره شمالی تابستان است؛ در این حالت خورشید به بالاترین مکان خود آسمان می‌رسد و طولانی‌ترین روزها ایجاد می‌شوند. پس‌ازاینکه زمین یک‌چهارم مدارش را طی کرد، پاییز رخ می‌دهد. هنگامی رأس کره زمین به‌سوی مخالف خورشید است، در نیمکره شمالی زمستان است. پس‌ازاینکه زمین یک‌چهارم دیگر مدار را می‌پیماید بهار فرامی‌رسد.
برخلاف باور عمومی، تأثیر دور و نزدیک شدن زمین از خورشید بر روی تغییرات آب‌وهوایی بسیار ضعیف‌تر از تأثیر زاویه تابش خورشید است. در شهری مانند تهران، زاویه تابش خورشید به هنگام ظهر از 77.5 درجه در روز اول تیر تا 30.5 درجه در اول دی‌ماه متغیر است و این، تغییری 2 برابری را در نور دریافتی از خورشید به همراه دارد؛ اما تغییر فاصله خورشید هم به‌نوبه خود تأثیرگذار بوده و چون در زمستان نیمکره شمالی، زمین به خورشید نزدیک‌تر است و در زمستان نیمکره جنوبی، زمین از خورشید دورتر، سرمای زمستان در قطب جنوب شدیدتر از سرمای زمستان در قطب شمال است. همین وضعیت در جنگل‌های حاره‌ای نیمکره شمالی و جنوبی زمین نیز دیده می‌شود که به دلیل نزدیکی زمین به خورشید در تابستان نیمکره جنوبی، جنگل‌های این منطقه دارای تراکم بیشتری از درختان هستند.
تغییرات راجع به دریافت انرژی خورشیدی باید در محاسبات مربوط به سیستم خورشیدی لحاظ گردد.
1-1-1- مدت‌زمان تابش
خورشید به‌طور مداوم در حال تابش است ولی مدت‌زمانی که این تابش به ما می‌رسد به مدت‌زمان طول روز بستگی دارد متغیر بودن طول روز و شب در طول سال از دیگر پارامترهای تأثیرگذار می‌باشد در بخش‌های مختلف کره زمین متفاوت است. البته به‌طورکلی زمین، خورشید و اتمسفر در طول شبانه‌روز با یکدیگر مبادله انرژی انجام می‌دهند چراکه همان‌طور که اشاره شد، پرتوهای نور کم انرژی به دام افتاده در جو زمین در طول شب هم بازتاب و جذب می‌شوند اما به علت اینکه سطح انرژی آن‌ها بسیار کاهش‌یافته مشاهده نمی‌شوند.
1-1-2- جمع‌بندی عوامل مؤثر در شدت انرژی تابش خورشید
عوامل ذکرشده در استفاده و سودمندی اقتصادی سامانه خورشیدی بسیار تأثیرگذارند برای حذف نگرانی‌های حاصل از آن سه راهکار اصلی وجود دارد.
• راهکار اول: توسعه روش‌های ذخیره‌سازی انرژی گرمایی، الکتریکی و استفاده از این انرژی در طول شب یا زمان‌هایی که میزان تابش کاهش می‌یابد.
• راهکار دوم: استفاده از انرژی‌های پشتیبان نظیر سوخت‌های فسیلی، انرژی باد و سایر انرژی‌ها برای مثال در بسیاری از نقاط جهان استفاده ترکیبی از انرژی خورشیدی، باد و ذخیره‌سازی گرمایی و الکتریکی انرژی به‌خوبی توانست پاسخ گوی مسئله در دست رس نبودن دائمی خورشید باشد.
• راهکار سوم: استفاده از روش‌های بهینه کردن در جذب انرژی خورشیدی مانند استفاده از سامانه‌های خورشیدیاب که همواره سطح آینه یا دریافت‌کننده را عمود بر راستای تابش قرار می‌دهند، کمک مناسبی برای بهینه بودن میزان تابش می‌کند.
با کاهش قیمت تجهیزات دریافت انرژی و تبدیل آن به الکتریکی یا گرمایی و درنهایت ذخیره‌سازی آن، استفاده از این انرژی گسترش بیشتری پیدا می‌کند. با توجه به وابسته بودن بیشتر عوامل گفته‌شده به محل زندگی ما روی کره زمین، حال بهتر است در این مبحث دقیق‌تر شده و موقعیت ایران را ازلحاظ دریافت انرژی خورشیدی بررسی شود.
1-2- ایران و انرژي خورشیدی
ایران کشوری 4 فصل می‌باشد در نتیجه میزان تابش در فصول مختلف آن متفاوت است. بااین‌حال ازنظر دریافت انرژی تابشی خورشیدی جز کشورهای رده نخست دنیا قرار می‌باشد؛ زیرا در کمربند انرژی خورشیدی (SunBelt) واقع‌شده و کشورهایی که در این کمربند جای دارند، تابش خورشیدی را با بیشترین توان دریافت می‌کند.
میزان تابش خورشیدي در ایران بین 1800 تا 2200 كیلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمین زده‌شده که البته بالاتر از میزان متوسط جهاني است. در شکل زیر توزیع میزان تابش انرژی خورشیدی در ایران نمایش داده‌شده است.
از سوی دیگر، وضعیت ایران ازنظر مدت‌زمان تابش هم مناسب است. به‌طوری‌که در اکثر نقاط کشور بیش از 300 روز آفتاب داریم. بر اساس آمارها به‌طور متوسط بیش از دو هزار و 900 ساعت هوا در ایران آفتابی است و در برخی از نقاط این رقم به بیش از سه هزار و 200 ساعت آفتابی در سال می‌رسد. با توجه به این اطلاعات، انرژی تابشی در کشور ما در جایگاه خوبی قرار دارد و باعث شده به‌عنوان یکی از کشورهای دارای استعداد در زمینه تولید برق خورشیدی معرفی شود. پس از بررسی انرژی خورشیدی نوبت به جمع‌آوری آن می‌رسد.
1-3- زاویه نصب کلکتور در آب‌گرم‌کن خورشیدی و صفحات خورشیدی با توجه به مختصات جغرافیایی مکان نصب همان‌طور که قبلاً اشاره شد از کلکتور یا گردآور جهت دریافت انرژی خورشیدی استفاده می‌شود. در ادامه نحوه محاسبه زاویه مناسب آن جهت بهره‌مندی هر چه بیشتر از انرژی خورشیدی بیان‌شده است. ابتدا باید مفهوم طول و عرض جغرافیایی معرفی شوند.
طول جغرافیایی:
در نقشه بالا طول جغرافیایی، به‌صورت خطوطی عمودی و خمیده نشان داده‌اند. ولی هرکدام درواقع نیمی از یک دایره بزرگ هستند، با شعاع‌های برابر.
عرض جغرافیایی:
خطوط عرض جغرافیایی، به‌صورت خطوطی صاف و افقی نشان داده‌شده‌اند. ولی درواقع دایره‌هایی هستند به شعاع‌های متفاوت.
حال یکی از روش‌های تعیین زاویه نصب کلکتور در آب‌گرم‌کن خورشیدی و صفحات خورشیدی با توجه به مختصات جغرافیایی مکان نصب طبق شکل است:
به‌عنوان نمونه در زمستان این زاویه برابر عرض جغرافیایی محل به‌علاوه عدد 15 است؛ یعنی اگر عرض جغرافیایی برابر 40 باشد میزان زاویه گردآورنده باید 55 درجه شود (دقت شود این روش، تنها یکی از روش‌های تعیین زاویه مناسب گردآور می‌باشد).
• آزمایش:
با دانلود نرم‌افزار Sun Locator light از Google play store، زاویه تابش و مسیر حرکت خورشید را در محل زندگی خود مشاهده نمایید.
• تکلیف:
به سایت http://solargis.com رفته و میزان دریافت انرژی خورشیدی را بین ایران، ترکیه و روسیه مقایسه کنید.
با توجه به عرض جغرافیایی تهران میزان زاویه گردآورنده را محاسبه نمایید.
وارد سایت http://valentin.de/calculation/thermal/system/ww/en شده و با انتخاب کشور ایران و شهر تهران، با ثابت نگه‌داشتن سایر پارامترها فقط زاویه گردآورنده را تغییر داده و نتیجه را انتخاب گزینه result مشاهده کنید.
http://solargis.com
http://www.avisasolar.ir
http://valentin.de/calculation/thermal/start/en
سید محمد هاشمی نژاد، سامانه انرژی‌های تجدیدپذیر برق خورشیدی، انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف
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
