حدود 5 سال پیش با یکی از مسئولان پتروشیمی که مدیریت پروژه شهرک پردیس در شهرستان جم را به عهده داشت جلسه ای داشتم. ایشان علاقمند بود که برای شبکه برق شهرک پتروشیمی جم از نیروگاه خورشیدی استفاده کند و بجای تأمین برق مایحتاج این شهرک تازه تأسیس - که آن موقع در مرحله ساخت و ساز بود- از نیروگاه گازی شهرستان، سیستم تولید برق خورشیدی راه اندازی کند. نظر مرا پرسید و از امکان پذیر بودن و خصوصاً از اقتصادی بودن آن سؤالاتی پرسید.در جواب گفتم، به لحاظ امکان پذیر بودن با توجه به اینکه نمونه های مشابهی در دیگر نقاط کشور در حال ساخت است (در ادامه به آنها اشاره می شود) تکنولوژی های لازم جهت ساخت چنین نیروگاهی وجود دارد اما به لحاظ اقتصادی بودن به دلیل نزدیکی با پالایشگاه گاز جم و فراوانی سوخت نیروگاه گازی جم که از پالایشگاه بغلش تأمین می شود به نظر نمی رسد که این کار توجیه اقتصادی داشته باشد. ایشان بیشتر روی مشکلات مربوط به تملک اراضی مردم و هزینه هایی که عبور خط انتقال برق از زمین های مردم داشت فکر می کرد. به هر حال نظر نهایی ام به آن مدیر منفی بود. 

    بحث آن جلسه انگیزه ای شد که مطلبی در این خصوص بنویسم و قدری به این مسأله بپردازم که جدا از اینکه این کار (تولید برق با انرژی خورشیدی) به نفع شرکت ها باشد یا نباشد آیا برای مردم عادی در مناطق جنوب در شرایطی که آنها مشکل برق دارند این ایده با توجه به پرتابش بودن خورشید در این مناطق قابل دفاع است یا خیر.

الف. مقدمه

    اصولاً 4 روش کلی برای تبدیل انرژی تابشی به انرژی الکتریکی وجود دارد: (1) فوتوشیمیایی که تقریباً برگفته شده از فرآیند فتوسنتز در گیاهان است که طی واکنش های شیمیایی فوتون نور باعث آزاد شدن الکترون ها و به راه افتادن جریان الکتریکی می شود. (2) فوتوولتاییک که در آن فوتون نور جذب مواد نیمه هادی شده و منجر به تحریک ماده و ایجاد جریان الکتریکی می شود. (3) دریافت امواج نور از طریق آنتن های نانویی (یا نوری) و اخذ انرژی الکتریکی ناشی از القای میدان مغناطیسی در آنتن و (4)  جمع کردن اشعه نور و استفاده از گرمای ایجاد شده به عنوان انرژی یا سوخت ژنراتور برق. روش اول در تخصص رشته های  برق و شیمی، رشته دوم در تخصص برق و الکترونیک، روش سوم در تخصص برق و مخابرات و روش چهارم در تخصص برق و مکانیک می باشد. در مورد روش سوم قبلاً مطلبی با عنوان از آنتن تا نانتن نوشته ام که در پست شماره 46 وبلاگم قابل مطالعه است. مقایسه این روش ها مطلب مفصلی می طلبد که از حوصله این نوشتار خارج است تنها فقط این را اشاره کنم که تجربه نشان داده که روش استفاده از گرمای نور در مجموع بهترین بازدهی را دارد که در این نوشتار تنها به همین روش می پردازم.

    تولید برق از طریق گرمای خورشید از این جهت نسبت به روش های دوم و سوم مناسبت بهتری با کشور ما دارد که این 2 روش مبتنی بر تکنولوژی هایی هستند که فعلاً در کشور ما وجود ندارند. روش فوتوولتاییک مبتنی بر تکنولوژی نیمه هادی است و چون این ادوات در کشورمان ساخته نمی شود لازم است از خارج وارد شوند. باز در این مورد مطلبی با عنوان غنی سازی سیلیسیوم نوشته ام که در پست شماره 92 وبلاگم قابل مطالعه است. روش سوم مبتنی بر نانوتکنولوژی است که آنچنان در کشور ما توسعه نیافته است. آنچه که انگیزه بیشتری به تولیدکنندگان کشورمان جهت استفاده از روش چهارم می دهد ساده بودن و قابل ساخت بودن قطعات و تجهیزات مورد نیاز این مبدل ها است که با تکنولوژی های غیر بالا می توان به آن دست یافت طوریکه هر کس در منزل خود می تواند چنین مبدل هایی را بسازد. نکته دیگر مستعد بودن هوای جنوب کشور به لحاظ میزان و شدت تابش نور است. طبق مطالعه ای که در جمهوری یمن صورت گرفته در مناطقی که در اطراف خلیج فارس قرار دارند و در کشورهایی که به نام کشورهای کمربند خورشید موسوم هستند سالانه بین 3 تا 4 هزار ساعت تابش آفتاب است که قابلیت تولید سالانه 2000 تا 2200 کیلووات ساعت انرژی برق در هر مترمربع وجود دارد. لازم به ذکر است که ماکزیمم توان تابش نوری که به سطح زمین می رسد حدود 1 کیلووات در هر مترمربع است.

ب. سیستم های تولید برق خورشیدی حرارتی 

    به طور کلی سیستم های تولید برق به روش حرارتی از 2 قسمت تشکیل شده اند: بخش گرمایی و بخش الکتریکی. ابتدا پرتوهای خورشید توسط جمع کننده های نور (کلکتورها) متمرکز می شود و در نقاط تمرکز حرارت شدیدی ایجاد می شود. سپس با این حرارت بخار تولید می شود و نهایتاً با این بخار توربین ها یا چرخنده هایی به حرکت در می آیند که با انتقال این حرکت به ژنراتور، برق تولید می شود. در واقع تفاوت یک سیستم تولید برق خورشیدی با یک نیروگاه برق غیر خورشیدی (نظیر نیروگاه آبی، گازی یا هسته ای) در قسمت اول است که در اینجا از گرمای خورشید برای انرژی مورد نیاز جهت گرداندن توربین ها استفاده می شود.

    عمدتاً 3 نوع سیستم برای تولید برق از روش خورشیدی حرارتی وجود دارد: نیروگاه های سهموی، خطی که از مجموعه آینه های بشقابی جهت متمرکز کردن پرتوهای خورشید در یک امتداد استفاده می کنند (تصاویر مندرج در مرجع شماره 1)، نیروگاه های برجی که اشعه خورشید را از اطراف یک برج به بالای برج انعکاس داده و در آنجا متمرکز می کنند (تصاویر مندرج در مرجع شماره2)و بالاخره سیستم های دیش، استیرلینگ که با متمرکز کردن نور و ایجاد گرما سیستمی شبیه انجین موتور (سیلندر و پیستون) را به کار می اندازند (تصاویر مندرج در مرجع شماره3).  سیستم های دیش،استیرلینگ با بازدهی بیش از 25 درصد بهترین سیستم تولید برق به لحاظ کارآمدی است. مشکل عمده در این سیستم ها هزینه ساخت موتور (انجین) است که این باعث شده که این سیستم ها به سمت مولدهای با توربین کوچک گرایش پیدا کنند.

ج. اهمیت برق خورشیدی حرارتی

    تا چند سال پیش در آمریکا از طریق برق خورشیدی حرارتی نیاز 350 هزار نفر تأمین می شد. استفاده از این انرژی معادل جایگزینی 2 میلیون و 300 هزار بشکه نفت در سال است. پیش بینی می شود که بازار این سیستم ها در سال 2010 از مرز 5 هزار مگاوات خواهد گذشت که این مقدار می تواند انرژی مصرفی بیش از 7 میلیون نفر را تأمین کند. این معادل صرفه جویی در مصرف 46 میلیون بشکه نفت در سال می باشد. برق تولیدی از آفتاب تنها 1 درصد بیابان های جهان از کل برق تولیدی جهان که با منابع فسیلی (نفت و گاز و زغال سنگ) تأمین می شوند بیشتر است.

د. چند تا از کارهای آمریکا

    تا سال 1996 ، 9 سیستم تجاری تولید برق خورشیدی در ایالت کالیفرنیا ساخته شده که با مجموع توان 354 مگاوات 90 درصد برق خورشیدی جهان را تشکیل می داد. آنها بر اساس تکنولوژی سهموی، خطی کار می کنند. تا آن سال بزرگترین نیروگاه آنجا به ظرفیت 80 مگاوات و با کالکتورهایی به طول 100 متر بود. امروزه بزرگترین آنها با ظرفیت 354 مگاوات کار می کند. همچنین نیروگاه خورشیدی نوادا که با تکنولوژی کلکتور سهموی خطی کار می کند با ظرفیت 64 مگاوات از بزرگترین نیروگاه های جهان محسوب می شود. پروژه سیستم های تولید انرژی با تکنیک استیرلینگ با ظرفیت 500 مگاوات  در کالیفرنیا در زمینی به وسعت 18 کیلومتر مربع در حال ساخت است که قرار است در سال 2012  به اتمام برسد. هم اکنون در این ایالت 3 پروژه دیگر هم در حال توسعه است که عبارتند از یک نیروگاه 400 مگاواتی مبتنی بر تکنیک تمرکز برجی و دو نیروگاه 250 مگاواتی مبتنی بر تکنیک سهموی-خطی. همچنین مجوزی صادر شده که در این ایالت 34 نیروگاه بزرگ خورشیدی حرارتی در زمینی به وسعت 1200 کیلومتر مربع برای تولید تقریبی 24 هزار مگاوات احداث شود. همچنین برای ایالت آریزونا برنامه ای هست که تا سال 2013 نیروگاهی به ظرفیت 340 مگاوات ساخته شود و ساخت آن از سه ماهه آخر امسال آغاز شود.

ه. کارهای ایران

    در سال 1979 مقاله ای از آقای وجدانی و وولام از دانشگاه صنعتی شریف (آن زمان به اسم آریامهر) در ژورنال بین المللی Solar Energy با عنوان "نیروگاه های برق حرارتی خورشیدی برای ایران" منتشر شد. نتیجه گیری این مقاله این است که ایران به طور متوسط با توانایی توان 5 کیلووات ساعت در روز در هر متر مربع احتمالاً یکی از مناسب ترین کشورهای جهان برای تولید برق خورشیدی می باشد اما به دلیل ارزان بودن سوخت های فسیلی، این کار قابل رقابت با نیروگاه های مبتنی بر روش های دیگر نیست. همچنین گفته می شود که حدود 300 روز سال امکان تولید برق در 90 درصد خاک کشور وجود دارد.

    در عمل 2 خبر از احداث نیروگاه های خورشیدی حرارتی در شیراز و یزد داریم و یک خبر از نیروگاه خورشیدی فوتوولتاییک در طالقان. نیروگاه خورشیدی حرارتی شیراز که از نوع سهموی، خطی است که از سال 1379 شروع شده و پایان آن سال 1387 اعلام شده بود. در این نیروگاه 48 کلکتور با عرض دهانه 4/3 متر و به طول 25 متر و 4992 آینه بکار گرفته شده است. خبر جدیدتر این است که تاكنون تعداد شش هزار و 600 آينه يك متر مربعی در اين نيروگاه نصب شده است. این پروژه البته نمونه آزمایشی (پایلوت) است که ظرفیت آن 250 کیلووات اعلام شده است. تصاویری از این نیروگاه در لینک های شماره 4 و 5  گذاشته شده است. برای این پروژه تاکنون 4 میلیارد تومان هزینه شده است و به گفته رييس سازمان انرژی های نو ايران در اواخر مرداد 87 "در صورت تأمين بودجه مورد نياز برای این نيروگاه، اين طرح تا پايان سال آينده به بهره برداري كامل مي رسد". اما در خبر دیگری داریم که این  پروژه تا پایان سال 88 به اتمام نرسیده با این حال، مدیر عامل این سازمان گفته "قرار است تا پایان برنامه پنجم ظرفیت آن 2 برابر شود".

    خبر دیگر مربوط به نیروگاه خورشیدی حرارتی یزد است که به 26 بهمن 84 بر می گردد.  مطالعات امکان‌سنجی و مکان‌یابی این طرح از 10 سال پیش آغاز شده بود. قرار است این نیروگاه با توان تولید 764 مگاوات برق در زميني به مساحت 900 هكتار طی 4 سال با هزینه 200 میلیون دلار به بهره برداری كامل برسد. در 2 سال اول حدود 20 درصد پیشرفت داشته است. البته این نیروگاه در 3 بخش حرارتی ،گازی و خورشیدی طراحی شده است که ظرفیت بخش خورشیدی آن فقط 17 مگاوات است. طبق طرح، این بخش حدود 50 هکتار زمین را تحت پوشش آینه های آفتابی قرار می دهد.

و. مشکل اصلی تولید برق از خورشید

   مهمترین مشکل تولید برق از خورشید، تاریک یا ابری شدن هوا است. برای رفع این مشکل چاره ی اندیشیده شده این است که گرمای لازم را برای این زمان ها ذخیره می کنند. مثلاً یکی از راه حل های عملی که تاکنون بکار گرفته شده استفاده از نمک مذاب است. نمک را در روز ذوب می کنند و در مخازنی ذخیره می کنند آنگاه در زمان نتابیدن آفتاب از گرمای آن که دمایی حدود 500 درجه سانتیگراد دارد استفاده می کنند. 

ز. نتیجه گیری و پیشنهادات

  هر چند که در کشورمان با وجود گاز طبیعی و قیمت ارزان آن، ساخت نیروگاه های گازی کم هزینه تر از نیروگاه های خورشیدی حرارتی است اما استفاده از این سوخت در مصارف دیگر و جایگزین کردن بخش صرفه جویی شده با انرژی رایگان خورشید می تواند استفاده بهینه از منابع کشور به همراه داشته باشد. افزون بر این استفاده از انرژی خورشیدی در زمان های پیک انرژی برق که اتفاقاً در روزهای گرم جنوب زیاد رخ می دهد می تواند کمکی به شبکه برق موجود کند. علاوه بر اینها به علت درگیری دولت و مشکلات پروژه های دولتی، توسعه مولدهای خورشیدی حرارتی در مقیاس کوچک خانگی قابل پیشنهاد است طوریکه بخش های خصوصی بتوانند در این پروژه ها شرکت بیشتری داشته باشند.  

ح. مراجع

http://en.wikipedia.org/wiki/Trough_concentrator1.

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_tower2.

http://en.wikipedia.org/wiki/Dish_Stirling#Dish_designs3.

http://www.shiraz1400.com/2010/05/blog-post_13.html4.

 http://www.panoramio.com/photo/186606895.

6. http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_power

7. http://www.solarpanelsplus.com/parabolic-trough-collectors/

8. http://cleantechnica.com/2009/05/13/worlds-largest-solar-thermal-plant-340mw-planned-for-arizona/

9. http://www.electronics.ca/publications/products/Molten-Salt-Solar-Energy-Thermal-Storage-and-Concentrated-Solar-Power-%28CSP%29-Market-Shares-Strategies,-and-Forecasts,-Worldwide,-2010-to-2016.html

10. http://www.alternative-energy-news.info/molten-salt-solar-plant/

http://www.solardev.com/SEIA-makingelec.php11.

12. Omar h. Al-Sakaf, “Application Possibilities of Solar Thermal Power Plants in Arab Countries,” Renewable Energy, Vol. 14, Nos. 1-4, pp. 1-9, 1998

13. D. Mills, “Advances in solar thermal electricity technology”, Solar Energy, Vol. 76, pp. 19-31,2004.

 http://www.solarthermalmagazine.com/feed14.

15. S. Vojdani and V. J. Woollam, “Solar Thermal Electrical  Power Plants for Iran”,

     Solar Energy, Vol. 22. pp. 205-210, 1979.

16.http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_in_the_United_States.

http://news.moe.org.ir/vdcc.iqpa2bqe4la82.html17.

http://www.suna.org.ir/projectdetail-fa-54.html18.

http://niroona.com/vdcebv8pijh8f.9bj.html19.

http://www.shasa.ir/newsdetail-13908-fa.html20.