خورشید یک راکتور هسته ای بسیار عظیم است که ماده در آن جا بر اثر همجوشی هسته ای به انرژی تبدیل می شود و هر روز حدود 350 میلیارد تن از جرمش به تابش تبدیل می شود و انرژی که به اشکال نور مرئی،فروسرخ و فرابنفش به ما می رسد 1 کیلووات بر متر مربع است.
تاریخچه استفاده از انرژی خورشیدی:
دانشمندان در قرن هفدهم و هجدهم برای مقاصد تجربی به آیینه های گرم کننده
توسل جستند در اثر همین کاوش ها بود که لاوازیه lawoisier و کاسینی cassini
موفق شدند که فلزات مختلف را تنها بوسیله اشعه خورشید ذوب کنند.
استفاده از انرژی خورشید برای آتش زدن کشتی های جنگی در سال 212 ق.م به
وسیله ی ارشمیدس یکی از فصول درخشان تاریخ دانش بشری است. ارشمیدس با نصب
آیینه هایی مربع شکل و کوچک در کنار یکدیگر و روی یک پایه ی متحرک،نور
خورشید را بر روی کشتی های مهاجم دشمن متمرکز و آنها را به آتش کشید.
در دوران رنسانس ساخت ابزار خورشیدی مانند بسیاری از ابداعات آن دوران غیر
عملی و با کاربردی بسیار کم دامنه بود و صرفا برای افزایش اطلاعات علمی و
آزمایشهای تجربی ساخته می شد .اما در قرن هیجدهم این روند تغییر کرد.در این
قرن «کوره خورشیدی»که می توانست آهن،مس و سایر فلزات را ذوب کند ساخته
شد.در ساخت کوره خورشیدی فوق از آهن صیقل شده،لنزهای شیشه ای وآئینه ها
استفاده می شد.
این نوع کوره ها در سرتاسر اروپا و خاورمیانه بکار گرفته شد.لاوازیه
دانشمند بزرگ قرن 18 نیز کوره ای ساخت که تا1750 درجه سانتیگرادحرارت تولید
می کرد.در این کوره یک عدسی 52اینچی(132سانتیمتری)ویک
عدسی8اینچی(20سانتیمتری)بکار رفته بود.درجه حرارتی که این کوره تولید می
کرد تا صد سال پس از لاوازیه نیز بالاترین درجه حرارتی بود که تولید شد.
در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک
تل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد.بسمر پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد
نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تأمین می‌کرد.
متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه یکی تخت و دیگری کروی
میباشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی
بازتابیده میشود. طبق قوانین اپتیک هر گاه دسته پرتوی موازی محور آینه با
آن برخورد نماید در محل کانون متمرکز می‌شوند به این ترتیب انرژی حرارتی
گسترده خورشید در یک نقطه جمع میشود که این نقطه به دماهای بالایی می‌رسد.
ساخت کوره خورشیدی:
یک کوره خورشیدی سازه ای است که نور خورشید را گرفته و با تمرکز آن روی یک نقطه دماهای بالایی ایجاد می کند.
یک
عدسی محدب( یا همگرا) با متمرکز کردن اشعه خورشید در یک نقطه کوچک ، گرمای
آن نقطه را افزایش میدهد.با تمرکز مقادیر بزرگی از گرما به یک نقطه کوچک
ما میتوانیم توده ای از خار و خاشاک را افروخته و آتش بزنیم .این همان
اصلی است که کوره های عظیم خورشیدی بر پایه آن ساخته شده اند.عدسی یا
آیینه مقداری از نور خورشید را دریافت کرده و انرژی آن را در یک نقطه
متمرکز میکند که در نهایت به دمایی بالغ بر6500 درجه فارنهایت (معادل
3594درجه سلسیوس) دست میابد.البته با ابزارهای پیشرفته مانند (پلاسما جت)
دمای بیشتری میتوان تولید کرد ولی با هزینه بسیار بالا و برای دوره زمانی
بسیار کوتاه.این دما می تواند در تولید الکتریسیته،ذوب فلزات،ساخت سوخت
هیدروژنی و یا نانومواد استفاده شود.
در
1770 در فرانسه لاوازیه در میان لنزهای محدبی که مخصوص او توسط شرکت گوبین
ساخته شده بود شراب ریخته و از آن ها عدسی همگرا ساخت و نور خورشید را
متمرکز و تولید گرما نمود.امروزه به جای استفاده از عدسی ها و آیینه های
گرانقیمت می توان از یک قطعه پلاستیکی شیاردار به نام فرنسل استفاده
کرد.لنزهای فرنسل با قیمت مناسبی از پلاستیک ساخته می شوند و برای هر دلار
هزینه،در حدود 300 درجه سانتی گراد گرما تولید می کنند.
پس
از تهیه لنز باید نقطه کانونی لنز را روی قسمت خاصی از کوره تنظیم و ثابت
کنیم که تقریبا سخت ترین مرحله کار است.برای درک بهتر از چگونگی ثابت کردن
لنز بهتر است به نحوهً حرکت خورشید درطی روز توجه کنید (اکثراً کوره هایی
طراحی میکنند که با خورشید حرکت میکنند).
چون
زمین حول محور شمال _ جنوب میچرخد ، حرکت خورشید در زاویه راست نسبت به
آن دیده میشود. خورشید از سمت شرق بالا می آید ودر سمت غرب پایین میرود
(این قسمتی ساده شده از ستاره شناسی پیشرفته میباشد) ، همه میدانیم خورشید
در زمستان درقسمت جنوبی زمین ودر تابستان در قسمت شمالی حرکت میکند ولی ما
به حرکت روزانه توجه کردیم.برای تثبیت بهتر، تثبیت باید به گونه ای باشد
که به راحتی خورشید را دنبال کند که برای این کار تثبیت استوایی مناسب
است.
به
تازگی در ایران نیز سیستم هدایت کننده کوره خورشیدی در دانشگاه کاشان
طراحی و ساخته شده است.این دستگاه به وسیله پردازش تصویر سایه ای که روی
دریچه تلسکوپ است به سوی خورشید هدایت می شود.آینه این دستگاه متشکل از
تعداد زیادی از آینه های تخت مربعی است که به وسیله کامپیوتر و باریکه لیزر
و پردازش تصویر با دقت بسیار زیاد برش خورده است.در تلسکوپ دستگاه به
وسیله یک دریچه که پرده سفیدی دارد و با یک لوله تلسکوپی که بر روی آن نصب
شده،سایه ای تشکیل و ملاکی برای تشخیص موقعیت خورشید برای دستگاه است.از
مزایای این سیستم عدم نیاز به موقعیت جغرافیایی محل برای راه اندازی دستگاه
است و قادر است در هر موقعیت جغرافیایی نصب و به طور خودکار موقعیت خورشید
را در آسمان تعیین کند.
مکانیزم:
کوره
آفتابی وسیله‌ای است برای تولید گرما بوسیله تجمع و تمرکز نور خورشید در
یک نقطه خاص. کوره آفتابی به شکل بشقاب کاو (مقعر) و آینه‌ای و صیقلی (که
نورهای تابیده شده به طرف خود را بازتاب میکند) است. نورهای تابیده شده از
بی نهایت دور موازی هستند، بنابراین همه آنها بعد از بازتابش از نقطه خاصی
به نام کانون می‌گذرند. برای ورود به بحث با چند اصطلاح آشنا می‌شویم .
1. مرکز آینه (C): نقطه‌ای است که فاصله تمام نقاط سطح از آن نقطه ثابت است .
2. کانون (F): نصف فاصله سطح تا مرکز را کانون می‌نامند و فاصله و سطح بشقاب (رأس آینه) تا کانون فاصله کانونی (f) نامیده میشود .
3. محور اصلی : خطی فرضی که وسط (رأس) بشقاب را به مرکز وصل کرده و کانون روی آن نیز کانون اصلی نامیده میشود .
پرتو
نورهای تابیده شده نسبت به محور اصلی در بازتاب تقارن آینه‌ای دارند. پرتو
نورهایی که موازی محور اصلی بتابد حتما بازتاب آنها از کانون می‌گذرد
(کانون اصلی) ، پس در آن نقطه حرارت و گرما بسیار بالاتر از اطراف است. پس
اگر منبع آب در آن نقطه قرار داده شود آب در اثر انرژی دریافتی از خورشید
بسیار گرم خواهد شد و این اساس یک کوره آفتابی است .
نمونه
کوچک و قدیمی کوره آفتابی ذره‌بین است که از شیشه محدب یا حتی یخ تراشیده
شفاف ساخته می‌شد. امروزه از اجسام آینه‌ای با توجه به ویژگی ساختمانی گفته
شده برای تولید آب گرم منازل در ابعاد محدود در پشت بامها و در ابعاد
بزرگتر ساختمان بلند که نمای بیرونی آن به شکل کاو طراحی شده و در نمای
جلویی آن از شیشه‌های رفلکس و آینه‌ای برای بازتاب نور استفاده میشود، به
طوری که بازتابها در یک نقطه در مقابل یعنی کانون جمع می‌شوند.
برای
این‌که یک دسته اشعه ای که به وسیله یک نورافکن پخش می شود به طور متراکم
به نقطه دوردستی برده شود باید طوری باشد که این اشعه از لحظه نخست
پراکنده نشود و از هم دور نگردد . پس از همان ابتدا دسته اشعه باید با
یکدیگر موازی باشند و با هم بتابند . این همان نکته ایی است که در نورافکن
های موازی رعایت شده و در کانون آن ها یک منبع نوری درخشان قرار داده شده
است.حال اگر اشعه ایی که به وسیله آیینه دریافت می شود کاملا" موازی باشد،
در کانون آیینه متمرکز می شود.
در
مورد خورشید وضع نیز به همین منوال است یعنی وقتی آیینه ای در سر راه تابش
اشعه خورشید قرار بگیرد، خورشید به صورت نقطه کوچکی در آمده ودر آن نقش می
بندد و بی نهایت داغ است چون بیشتر حرارت خورشید در آن نقطه متمرکز می
شود. از روی همین قانون بود که پروفسور فیلکس ترومب ، دو کوره خورشیدی غول
پیکر را که بزرگترین کوره های خورشیدی دنیا محسوب می شوند ، به وجود آورد.
هر
دوی آن ها جهت یاب دارند و یا سیستم آیینه های متحرک که به طور مداوم و
خودکار خورشید را در مسیرش دنبال می کنند ، عمل می نمایند. بدین نحو که
اشعه آن را روی یک رفلکتر (منعکس کننده) قوسی شکل که آن آیینه ای ثابت است
می فرستد . این آیینه اشعه ای را که از خورشید می گیرد در کانون خود که یک
کوره خورشیدی در آن‌جاست متمرکز می سازد. دستگاه اودیو و تأسیسات آن بسیار
عظیم و غول پیکر است و جهت یاب آن دارای سطح وسیعی به مساحت 4835 متر مربع
می باشد.
برای
این‌که بتوان دستگاه را به صورت یک گیرنده نور در آورد . باید شصت و سه
آیینه که هر کدام دارای چهل و پنج متر مربع مساحت باشد نزدیک هم چسبیده شود
. به عبارت روشن تر آیینه اصلی از 63 قطعه آیینه تشکیل شده که با محاسبات
بسیار دقیق در کنار هم جای گرفته اند . این 63 قطعه که در حقیقت آیینه
واحدی را تشکیل می دهند ، روی هشت تراس پله ای شکل قرار گرفته و یک ساختمان
هشت طبقه را تشکیل داده است.آیینه مقعری که روبه‌روی آن است ، از 9000
شیشه که به طرز خوبی خم شده اند ساخته شده است . خود کوره در ساختمان دیگری
قرار دارد.
بسته به نوع سازه و سیستم، کوره های خورشیدی به چهار دسته تقسیم می شوند:
1.دمای حدود 1000 درجه سانتیگراد برای گیرنده های فلزی که برای تولید هوای گرم استفاده می شوند.
2.دمای حدود 1400 درجه سانتیگراد برای تولید هیدروژن به وسیله شکست مولکول های متان
3.بیش از 2500 درجه برای آزمودن مواد جهت اعمال زیستی بزرگ مثل شکافت هسته ای
4.بیش از 3500 درجه برای تولید نانو مواد مثل نانو تیوپ های کربنی یا نانو ذرات روی
اجزاء:
رد یاب:آینه هایی که نور خورشید را دائما ردیابی و دنبال می کنند تا آینه های دیگر مجموعه را به همان سمت هدایت کنند.
برج:سازه ای که کوره در بالای آن واقع می شود تا انرژی جمع شده به آن تابیده شود و معمولا برج به ارتفاع حدود 65 فوت می رسد.
منطقه هدف:نقطه ای که اشعه خورشید توسط آینه ها در آن منعکس می گردد.
محافظ:در کناره های سازه تجهیزی قرار می گیرد که توسط آینه های هم جوار نور و انرژی از دست رفته را به درون سیستم منعکس می کند.
کوره:که به دماهای بالا در حدود3500 درجه دست میابد و برای ذوب فلز استفاده می شود.
آینه های منعکس کننده:آینه های مقعری که نور خورشید را در یک نقطه منعکس و مجتمع می کنند.
سطح منعکس کننده:شیشه فلزی شده پولیش شده ای که اشعه خورشید را دریافت و آن را به آینه های منعکس کننده منتقل می کند.
اشعه منعکس شده خورشید:اشعه توسط ردیاب جهت یابی شده و به کمک آینه ها به نقطه تمرکز منعکس می شوند.
نمونه ها :
کوره
خورشیدی 35فوتی(10.70متر) فرانسه سالهاست که فعال است و فلزات را برای
مصارف صنعتی به طور رضایت بخشی ذوب میکند.تاسال 98میلادی نیز بزرگترین کوره
ایالات متحده متعلق به گروه تولید کننده تجهیزات نظامی،بود
بزرگترین کوره خورشیدی دنیا:
بزرگترین
کوره خورشیدی جهان در سال 1970 در فرانسه ساخته شد.این کوره برای تجمع
گرما از یک صفحه آینه کمک میگیرد تا اشعه خورشید را روی یک آینه مقعر منعکس
نموده و سپس در نقطه مشخصی تجمع می کنند.
پر
واضح است که ساخت چنین کوره های بزرگی به مبالغ هنگفتی نیاز دارد ،ولی
هرکس میتواند برای خودش یک کوره کارای خورشیدی فقط با 10دلاردر چند ساعت
ساخته واز آن استفاده کند . گذشته از جنبه های سرگرمی، این وسیله میتواند
برای ذوب فلزاتی با دمای ذوب کم ، جوشکاری ، کارهای نظامی، گرم کردن و
آبکاری جواهرات استفاده شود.