بخشی از مقاله
چکیده:
گستردگی نیاز انسان به منابع انرژی همواره از مسائل اساسی مهم در زندگی بشر بوده و تلاش برای دستیابی به یک منبع تمام نشدنی انرژی از آرزوهای دیرینه انسان بوده است. بنابر این امروزه تولید دستگاه هایی که بتواند انرژی خورشید را استحصال نماید رشد یافته است . در این تحقیق ردیابی خورشیدی طراحی و ساخته شده است که برخلاف سیستم های قبلی که از سنسورها و روش های مقایسه ای در سیستم ردیاب برای پیدا کردن مکان خورشید استفا ده می کردند، از روابط نجومی برای محاسبه موقعیت دقیق خورشید استفاده شده است .
موقعیت مکانی دقیق حرکت خورشید در سطح زمین در طول روز توسط یک برنامه کامپیوتری - زبان برنامه نویسی - C در داخل میکروکنترلر شبیه سازی شد . برای دنبال نمودن خورشید نیاز به حرکت در دو جهت اصلی داشتیم، یکی شرقی- غربی و دیگری شمالی- جنوبی که برای حرکت در راستای شرقی- غربی از یک شافت عمودی استفاده شد که حرکت دورانی خود را از یک موتور پله ای - Stepper Motor - که به درایور متصل بود و فرمان مقدار و جهت حرکت را از میکروکنترلر می گرفت، تشکیل شده است .
در واقع درایور با تولید یک سری موج های PWM با طول موج و فرکانس های متفاوت، میزان و جهت حرکت شافت عمودی را کنترل می نمود . شافت دیگر که صفحه جاذب نور بر روی آن نصب گردید در راستای افقی قرار گرفته بود و با دوران حول محور افقی، حرکت شمالی - جنوبی را به وجود م ی آورد. در واقع با ترکیب حرکات شمالی- جنوبی و شرقی- غربی، صفحه جاذب قادر به قرارگیری تقریبا عمود بر اشعه های دریافتی از خورشید بود.
مقدمه
استفاده از انرژی خورشید، باد، زمین گرمایی، هیدروژن، زیست توده و ... که به انرژی های تجدید پذیر موسومند، به ویژه برای کشور های در حال توسعه از جاذبه بیشتری برخوردار است . لذا در برنامه ها و سیاست های بین المللی از جمله در برنامه های سازمان ملل متحد در راستای توسعه پایدار جهانی نقش ویژه ای به منابع تجدید پذیر انرژی محول شده است . از سوی دیگر انرژی های فسیلی مانند نفت، گاز و زغال سنگ سرانجام روزی به پایان خواهد رسید و با پایان گرفتن آن ها تمدن بشری که بستگی مستقیم به انرژی دارد دچار چالش جدید و بزرگ خواهد شد . این امر سبب شده است که کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه با جدیت هرچه تمام تر استفاده از سایر انرژی های موجود در طبیعت و به خصوص انرژی های تجدید شونده را مورد توجه قرار دهند. [1] ، [4] از این رو برنامه ریزی برای کاهش مصرف انرژی در این بخش باید یکی از مهم ترین اولویت های مسئولان باشد چرا که نقش بسزایی در حفظ منابع و محیط زیست دارد.
انرژی خورشیدی در مقایسه با سایر منابع انرژی یکی از مهمترین ، قابل دسترس ترین و پاک ترین منابع روی کره زمین می باشد .به همین دلیل در سالهای اخیر تحقیق و توسعه فعالیت ها در زمینه کاربرد سیستم های خورشیدی افزایش یافته است. [5] خورشید به عنوان منبع انرژی و سرآغاز حیات و منشأ تمام انرژی های دیگر شناخته شده است . طبق برآورد های علمی در حدود 600 میلیون سال از تولد این گوی آتشین می گذرد و در هر ثانیه 4/2 میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می شود بنابراین با توجه به وزن خورشید که 333 هزار برابر وزن زمین است، این کره نورانی را می توان به عنوان منبع عظیم انرژی تا 5 میلیارد سال آینده به حساب آورد.
زمین در فاصله ی 150 میلیون کیلومتری خورشید واقع است و 8 دقیقه و 18 ثانیه طول می کشد تا نور خورشید به زمین برسد . سوختهای فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرژی های باد، آبشار و امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین مقدار اندک انرژی دریافتی زمین از خورشید است.
شناخت انرژی خورشید و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز می گردد، شاید به دوران سفالگری . در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلایی صیقل داده شده و اشعه ی خورشید آتشدان های محرابها را روشن می کردند. یکی از فراعنه مصر معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب آن بسته می شد . ولی مهمترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشیمدس، دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید
گفته می شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده است . در ایران نیز معماری ایرانیا ن باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمان های قدیم بوده است .
با وجود آنکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستمهایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستم ها شده بود . تا اینکه پس از افزایش قیمت نفت در سال 1973، کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله انرژی جدی تر بنگرند. [10] , [2] تاکنون طرحهای مختلفی در دنیا جهت ساخت جذب کننده های خورشیدی ارائه شده است . اما قسمت مهم و حائز اه میت این مجموعه ها، طراحی دنبال کننده های خورشید آن هاست.
لاری و آزرم - 1378 - اقدام به طراحی و ساخت مجموعه متمرکز کننده خورشیدی سهموی باز کرده اند که از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:
- 1 متمرکز کننده سهموی شکل
- 2 لوله دریافت کننده با سطح جاذب منتخب جهت جذب نوری بالا و انتشار نوری حداقل
- 3 سیستم ردیاب خورشیدی برای دریافت مولفه مستقیم پرتوهای خورشیدی
- 4 سیستم انتقال حرکت که توسط ردیاب کنترل می شود.
- 5 سازه و فونداسیون یکی از پارامترهایی که در دریافت انرژی دخالت می کند، وضعیت قرار گرفتن متمرکز کننده نسبت به خورشید است.
محور متمرکز کننده می تواند به دو حالت شرقی - غربی و یا شمالی - جنوبی نسبت به خورشید قرار گیرد . در حالت شرقی - غربی حرکت سهمی با حرکت فصلی خورشید تغییر می کند . به بیان دیگر سهمی در هر روز کمتر از نیم درجه انحراف پیدا کرده و برای اینکه متمرکز کننده در مسیر م دار حرکتی خورشید قرار گیرد نیاز به یک تنظیم روزانه دارد که این سادگی طرح، مزیت آن نسبت به حالت دیگر است. برای سیستم دوم یعنی در حالت شمالی- جنوبی، با توجه به حرکت انتقالی زمین نیاز به حرکت متمرکز کننده به میزان 15 درجه در هر ساعت می باشد بنابراین، سیستم حر کتی متمرکز کننده در تمام روز باید کار کرده و همواره خورشید را تعقیب نماید. با وجود اینکه سیستم حرکتی دوم پیچیده تر است ولی به علت دریافت انرژی بیشتر خورشید، در مجموع مناسب تر می باشد.
سیستم حرکتی دنبال کننده در طرح ارائه شده توسط یک سلول فتورزسیتور با استفاده از موتور DC راه اندازی می شود. اختلاف پتانسیل فتورزیستور در یک برد الکتریکی، تبدیل به فرمان های حرکتی با دقت مورد نظر می گردد که به صورت پالسی، موتور الکتریکی سیستم انتقال حرکت را تغذیه می کند . متداول ترین سیستم انتقال حرکت جهت تأمین نیروی محرکه متمرکز کننده از دو قسمت اصلی گیربکس و الکتروموتور ساخته می شود فرمان. های خروجی برد الکترونیکی سیستم دنبال کننده مستقیماً وارد الکتروموتور شده و شافت آن به صورت متناوب به گردش در می آید . گیربکس طراحی شده توسط یک الکتروموتور DC با توان مصرفی بسیار کم عمل نموده و متمرکز کننده را در مسیر پرتوهای مستقیم خورشیدی قرار می دهد.
ژانگ سین هنگ و همکاران اقدام به ساخت ردیاب خورشیدی هوشمند نمودند - شکل . - 1 در مهمترین قسمت این طرح که طراحی سنسورهای ردیاب عملکرد آن می باشد، از چهار سنسور CDS استفاده نموده اند - شکل - 2 که هر کدام از آنها در یک جهت شمال، جنوب، مشرق و مغرب به منظور یافتن اشعه های خورشید در هر چهار طرف قرار گرفته اند . سنسورهاس CDS با زاویه 45 درجه نسب به منبع نوری قرار گرفته اند . در مکان سنسورهای CDS، کروشه ها - قلاب - هایی قرار گرفته اند که نور را از جهات دیگر عایق می کنند تا رسید ن به موقعیت دقیق خورشید هر چه سریعتر اتفاق افتد
چهار سنسور به دو گروه شرقی - غربی و شمالی- جنوبی تقسیم می شوند. در گروه شرقی-غربی، سنسورهای CDS، شدت نور دریافتی را با هم مقایسه می کنند. اگر شدت نیروی دریافتی سنسورها با هم متفاوت باشد، سیستم سیگنال ه ایی را از ولتاژ خروجی سنسورها دریافت می کند . سیستم تعیین می کند که کدام سنسور شدت بیشتری از نور را دریافت کرده است - به وسیله ی دریافت کننده ی ADC که آنالوگ را به دیجیتال تبدیل می کند - سیستم موتور پله ای را به مقدار و جهتی که سنسور فرمان می دهد می چرخاند، ا گر خروجی دو سنسور با هم برابر باشد اختلاف ولتاژ دریافتی برابر صفر است و بنابراین موتور پله ای در راستای شرقی- غربی حرکتی نمی کند . از همین سیستم سنسورها در جهت شمالی- جنوبی نیز استفاده می شود و با ترکیب این دو، مکان دقیق خورشید مشخص می گردد.
