پاور بانک خورشیدی بسازیم _ جلسه دوم

اهداف :آشنایی با ساختار خورشید و طیف نور خورشید، روش های جابجایی حرارت، هدایت جریان حرارت
پیش نیاز ها: -----
وسایل مورد نیاز: -----
2-1 خورشید:
خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلکه سرآغاز حیات و منشأ تمام انرژی های دیگر می باشد. طبق برآوردهای علمی حدود 6000 سال از تولد خورشیدی می گذرد و در هر ثانیه 2/4 میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می شود. با توجه به وزن خورشید که 333 هزار برابر وزن زمین است، می تواند تا 5 میلیارد سال آینده به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار گیرد.قطر خورشید 106×39/1 کیلومتر است و از گازهایی مثل هیدروژن (8/86 درصد)، هلیوم (3درصد) و 63 عنصر دیگر تشکیل شده است. دمای مرکز خورشید حدود 10 تا 14 میلیون درجه سانتی گراد می باشد، انرژی از سطح خورشید با حرارتی نزدیک به 5600 درجه سانتی گراد و به صورت امواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می شود. زمین 150 میلیون کیلومتر با خورشید فاصله دارد و 8 دقیقه و 18 ثانیه طول می کشد تا نور خورشید به زمین برسد. سوخت های فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرژِی های باد و آبشار و امواج دریا و بسیاری موارد دیگر از جلمه نتایج همین انرژی دریافتی زمین از خورشید اند.
                                                                                 شکل 2- 1 نمایی از خورشید
همان طور که در شکل زير مشاهده مي‌کنيد،خورشيد از شش ناحيه‌ي اصلي تشکيل شده است:
2-2 6 بخش اصلی خورشید
همانطور که در بالا گفتیم، انرژی از سطح خورشید به صورت نور و گرما به صورت امواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می شود.نور خورشید شامل هفت نوع اشعه است به ترتیب طول موج عبارتند از:اشعه گاما،اشعه ایکس،اشعه ماوراء بنفش،اشعه مریی،اشعه مادون قرمز،امواج رادیویی و امواج الکتریکی.در مقایسه این قسمت ها با یکدیگر قسمت مریی نور خورشید یعنی آن قسمت که ما با چشم غیر مسلح می بینیم جز کوچکی از مجموعه ی مجموعه طیف خورشیدی است که وقتی از یک منشور عبور داده شود شکست نور موجب خواهد شد که اجزای آن یعنی رنگ های بنفش،نیلی،آبی،سبز،زرد،نارنجی و قرمز به ترتیب دیده شوند.
همان طور که در نمودار زیر دیده می شود انرژی حاصل از هر رنگ متفاوت است تا آنجا که تنها اشعه مریی طیف خورشیدی 49 درصد انرژی خورشیدی را در بر دارد،ماوراء بنفش 9 درصد و 38 درصد در مادون قرمز است و تنها 4 درصد امواج به علت طول موج بلند،قدرت گذشتن از شیشه را ندارند.
                                                            2-3 نمودار انرژی بر حسب طول موج طیف نور خورشید
انرژی مورد استفاده انسان اصولا به یکی از اشکال شش گانه شیمیایی،نورانی(تشعشع خورشیدی)،اتمی،مکانیکی،الکتریکی و یا گرماست.شکل های مختلف انرژی قابل تبدیل به یکدیگرند.مخصوصا تبدیل آنها به گرما ساده ترین نوع تبدیل  است.
از هفت قسمت امواج نورانی همانطور که در شکل می بینیم تنها سه قسمت یعنی امواج مریی مادون قرمز و فرابنفش از نظر گرما مورد توجه اند.
                                                                                                                      2-4 تفکیک طیف های نور خورشید
1-4-1 ماوراء بنفش:امواجی کوتاه ددارند و با چشم دیده نمی شوند.ضمنا این امواج عامل برنزه شدن یا آفتاب سوختگی می باشند.مقدار زیادی از این اشعه به وسیله اتمسفر زمین جذب و یا منعکس می شود و به سطح زمین نمی رسد.
2-4-1 طیف مریی:شامل طول موج هایی است که با چشم دیده می شوند.وقتی این طیف روشن از منشور می گذرد در اثر شکست نور رنگ های مختلف از بنفش تا قرمز (هفت رنگ اصلی) دیده می شوند.طیف مریی در مقایسه با دو طیف مجاورش سهم کوچکی را تشکیل می دهد.
3-4-1  مادون قرمز:یا امواج بلند،عملا از هر جسمی این نوع امواج منتشر می شوند.مقدار امواج منتشر شده به حرارت جسم بستگی دارد.
 اجسام مختلف بر حسب خواص و طبیعت خاص خود در برخورد با پرتو تابیده عکس العمل های مختلفی دارند.مثلا شیشه نور خورشید را از خود عبور می دهد،یک صفحه مسی با رنگ مسی مات آنرا جذب می کند و یک آینه آنرا منعکس می نماید. هنگامی که نور سفید روی جسمی می‌تابد، بخشی از نور جذب می‌شود. این جذب نور علت رنگی است که شما می‌بینید. اجسام شفاف (شیشه، آب،...) به علت اینکه اجازه می‌دهند تمام اشعه نور سفید از میان آنان عبور کند بی رنگ 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. بر عکس، اگر تمام طیف های نوری توسط جسمی بازتاب شود، آن جسم سفید دیده می‌شود.رنگ سفید بیشتر از سایر رنگ ها نور را منعکس می کند چون خود مجموعه ای از رنگ های مختلف است. اگر تمام طیف‌های نور سفید توسط جسمی جذب شود، آن جسم سیاه به نظر می‌رسد.به چنین اجسامی ، جسم سیاه می گوییم. بر عکس، اگر تمام طیف های نوری توسط جسمی بازتاب شود، آن جسم سفید دیده می‌شود.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. بنابر این نور خورشید ترکیبی از نور مستقیم خورشید و نیز نور غیر مستقیم حاصل از پخش شدن و انعکاس نور توسط اتمسفر و ابرها می‌باشد.
2-2 روش های جابجایی (جریان) حرارت:
یک جسم به محض گرم شدن در جستجوی تعادل حرارتی با محیط مجاور خود به سه شکل زیر حرارت را از نقطه گرم تر به نقطه سرد تر منتقل می کند.
 
                                                                           2-5 راه های جریان انرژی گرمایی و حرارت
1-1-2 انتقال:با گرم شدن قسمتی از یک جسم،اتم ها یا مولکول های آن قسمت گرم شده،با حرکات ارتعاشی خود موجب ارتعاش و گرم شدن اتم ها یا مولکول های مجاور خود می شوند.این عمل تا آنجا ادامه پیدا می کند که گرما به سراسر جسم هدایت شود.یک سر یک میله فلزی را گرما می دهیم.پس از مدتی حرارت و گرما را در سر دیگر آن میله احساس می کنیم.چنانچه جسم دیگری متصل به آن باشد حرارت را دریافت می کند و به همین ترتیب گرما در سراسر جسم دوم نیز هدایت می شود.هرچه تراکم اتم های یک جسم بیشتر باشد،انتقال گرما در آن جسم سریع تر انجام می شود.تراکم اتم ها در فلزات خیلی زیاد و در عایق ها به حداقل می رسد؛به همین دلیل از عایق ها برای حفظ  حرارت استفاده می کنیم.                                                                              6-2 حالت های سه گانه ی مواد در طبیعت
2-1-2همرفت:ظرف پر از آبی را روی اتش می گذاریم،حرارت کف ظرف موجب گرم شدن قسمتی از آب که در مجاورتش است می شود.آب گرم شده در این قسمت منبسط و سبک شده به قسمت بالای ظرف می رود و آب سرد روی ظرف که سنگین تر است جای آنرا پر می کند.مادامی که ظرف روی آتش قرار دارد این جریان حرارت ادامه می یابد.این عمل را همرفت می نامیم.
                                                                                       2-7 چگونگی همرفت
همرفت نه تنها در مورد مایعات بلکه در گاز ها نیز به همین صورت انجام می شود.هوای گرم مجاور بخاری در اتاق منبسط و سبک شده به سقف اتاق نزدیک می شود و هوای سرد که سنگین تر است جای آنرا پر می کند. 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 به راحتی می‏ توانید به جاهای 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 دو نقطه آن اختلاف دما وجود داشته باشد.
3- قسمت گرم پایین تر از قسمت سرد باشد.

                                                                              2-8  جذب و بازتاب نور در اجسام
2-3 هدایت جریان حرارت:
جریان تابشی حرارت شکلی از جریان حرارت است که برای جاری شدن نیازی به واسطه –مانند آب هوا یا فلز –ندارد.
تابش خورشیدی مشابه جریان حرارت از طریق تابش است ولی چند تفاوت عمده با آن دارد .
گفتیم تابش خورشید و جریان تابشی حرارت به دسته ای از تابش ها تعلق دارند که تابش الکترو مغناطیسی نامیده می شود.پرتوهای ایکس ، امواج نوری ، امواج مایکروویو ، امواج تلویزیونی و امواج رادیو همگی در این دسته قرار دارند.
                                                                                          2-9 طیف های نور خورشید
جریان تابشی حرارت و تابش خورشیدی دو تفاوت مهم باهم دارند.اول این که رنگ عامل بسیار مهمی در تابش خورشیدی است ولی درجریان تابشی حرارت،رنگ اهمیت چندانی ندارد. اگر صفحه ای را که روی آن رنگ مشکی یا رنگی تیره زده شده است در معرض خورشید قرار دهیم،خیلی داغ می شود ولی چنانچه رنگ رویهء آن سفید یا روش باشد صفحهء مذکور خیلی داغ نخواهد شد. گفته شده است که بنیامین فرانکلین این حقیقت را در یک روز آفتابی زمستان با قرار دادن یک پارچهء سفید ویک پارچهء سیاه بر روی برف کشف کرد. برف های زیر پارچهء سیاه خیلی سریعتر از برف های زیر پارچهء سفید ذوب شد.
زیرا پارچهء سیاه تابش خورشیدی بیشتری را جذب میکرد.پارچهء سفید نور خورشید را منعکس می کرد، بنابراین تابش خورشیدی زیادی را جذب نمی کرده و برف زیادی نیز ذوب نمی شده است.
برخلاف تابش خورشیدی،جریان تابشی حرارت نسبت به رنگهای مختلف به یک شیوه واکنش نشان می دهد. اگر یک پارچهء سیاه و یک پارچهء سفید را جلو یک بخاری دیواری قرار دهیم،می بینیم که هر دو به یک اندازه گرم خواهند شد .
در جریان تابشی حرارت، تنها راهی که می توانیم 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 می سازد.
تابش خورشیدی و جریان تابشی حرارت اختلاف مهمتری نیزباهم دارند. تابش خورشیدی می تواند از مواد شفافی مانند شیشه عبور کند که جریان تابشی حرارت قادر به عبور از آن نیست. اگر قطعه ای شیشه را در جلو خود نگه دارید، مانع می شود که حرارت از طریق تابش جریان پیدا کند ولی این قطعه شیشه از ورود تابش خورشیدی جلو گیری نخواهد کرد. گاهی اوقات تمایل تابش خورشیدی و نه جریان تابشی حرارت به عبور از شیشه اثر گلخانه ای نامیده می شود. حرارت می تواند از طریق سقف شیشه ای یک گلخانه به آن وارد شود ولی همان شیشه در مقابل حرارتی که می خواهد از طریق تابش از گلخانه خارج شود مانند دیواری سخت و محکم عمل می کند.
                                                                                                            2-10
 مواد پلاستیکی، کمی متفاوت با این رفتار می کنند. هر چند که شیشه و پلاستیک هر دو تابش خورشیدی را از خود عبور می دهند ولی برخی از مواد پلاستیکی جریان تابشی حرارت را نیز از خود عبور می دهند.
تابش خورشیدی به غیر از حساسیت به رنگ و قابلیت عبور از مواد شفاف، شباهت زیادی با جریان تابشی حرارت دارد. تابش خورشیدی به خط مستقیم سیر می کند و می توان حتی با ماده ای به ضخامت کم جلو آن را گرفت. برای اینکه از شر آفتاب خلاص شوید به سایه پناه می برید –سایه درواقع صرفا" مکانی است که در آن جا از ورود تابش خورشیدی جلوگیری می شود.یک درخت هر چند که برگ های خیلی نازکی داشته باشد باز هم سایه دارد. 
تکلیف : در مورد طول موج های نور خورشید تحقیق کنید . واینکه تفاوت موج صوتی و الکترومغناطیسی در چیست؟
کار عملی : آزمایشی طراحی و اجرا کنید که جریان همرفتی را نشان دهد
محل اردو : ..........
منابع و مطالعه :
1-  کتاب 50 پروژه کاربردی با انرژی خورشیدی-نوشته گیوین دی.جی.هارپر-ترجمه محمد حسین مهربان و بهار پورشاهیان (فصل 2)
3-کتاب خورشید در خدمت خانواده-نوشته ایرج موحدی(فصل 1،4)

تنظیم کننده: محبوبه همت

مطالب مرتبط:
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه اول
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه دوم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه سوم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه چهارم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه پنجم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه ششم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه هفتم
پاوربانک خورشیدی بسازیم_ جلسه هشتم