براساس بررسی‌ها و مطالعات ، انرژی خورشیدی وسیع‌ترین منبع انرژی در جهان می‌باشد.

کارشنان بخش انرژی می‌گویند انرژی نوری که توسط خورشید در هر ساعت به زمین می‌تابد، بیش از کل انرژی است که ساکنان زمین در طول یک سال مصرف می‌کنند. از این رو برای بهره‌گیری از این منبع باید راهی جست تا انرژی پراکنده آن با بازده بالا و هزینه کم به انرژی قابل مصرف الکتریکی تبدیل شود.

این کارشناسان روش‌های مختلفی را برای استفاده از انرژی خورشیدی پیشنهاد می‌کنند.

* روش‌های تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی
با استفاده از فناوری‌های خاص، انرژی حاصل از نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند و این فناوری‌ها را به دو دسته می‌توان تقسیم کرد:
- سیستم فتوولتاییک (‪ ( PV‬که عموما" تجهیزاتی جامد وبی حرکت هستند( جز در مورد انواع مجهزبه سیستم ردیابی خورشیدی)
- سیستم‌های گرمایی خورشیدی که از نور متمرکز شده خورشید برای گرم کردن مایعی که بخار آن یک توربین را به حرکت در می‌آورد، استفاده می‌کند.

در این میان استفاده از سیستم‌های ولتاییک برای استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی بسیار رایج تر است. استفاده از پنل‌های فتوولتاییک در کشورهای پیشرفته به سرعت روبه گسترش است.

استفاده از انرژی خورشیدی که یکی از اشکال انرژی موسوم به " سبز " یا پاک است از سوی طرفداران محیط زیست پشتیبانی می‌شود. علت این استقبال را باید در ویژگیهای انرژی خورشیدی جست .

* ویژگی‌های انرژی خورشیدی
اولین ویژگی انرژی خورشیدی در این است که تمام نشدنی و پایان ناپذیر است .این نوع انرژی ، انرژی تمیزی است و هیچ آسیبی به محیط زیست و جامعه بشری نمی‌رساند.

ظرفیت آن را متناسب با نیازها می‌توان طراحی کرد.

* سیستم ولتاییک چیست؟
بخش اصلی یک سیستم فتوولتاییک، پنل فتوولتاییک می‌باشد. پنل‌های فتو - ولتاییک که در معرض خورشید قرار می‌گیرند، متشکل از سلول‌های فتوولتاییک هستند. این سلول‌ها از مواد نیمه هادی سیلیکونی ساخته شده‌اند و به صورت پنل‌هایی به روی بام خانه‌ها و به طور مثال در چندین خانه نصب می‌شوند. ضمن اینکه سیستم فتوولتاییک شامل تجهیزاتی از جمله مبدل‌هایی برای تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب می‌باشد.

* اصول کار یک پنل فتوولتاییک
پنل‌های فتوولتاییک از نیمه هادی‌ها ساخته شده‌اند. وقتی نور خورشید به یک سلول فتوولتاییک می‌تابد، به الکترون‌ها در آن انرژی بیشتری می‌بخشد. بدین ترتیب بین دو الکترود منفی ومثبت اختلاف پتانسیل بروز کرده و این امر موجب جاری شدن جریان بین آنها می‌شود.

* میزان تولید انرژی الکتریکی بوسیله یک سیستم فتوولتاییک
میزان تولید برق بوسیله یک سیستم فتوولتاییک معمولا" از ‪ ۲‬تا ‪ ۵۰‬کیلووات می‌باشد. یک سیستم فتوولتاییک که برای نصب روی بام ساختمان‌ها برای مثال در شهر لس‌آنجلس ساخته شده است، با ظرفیت توان ‪ ۲‬کیلووات، ‪ ۳۶۰۰‬کیلووات ساعت انرژی در سال تولید می‌کند. این میزان تولید انرژی باعث ‪ ۴/۳‬تن صرفه جویی در سوخت زغال سنگ برای تولید برق شده و همچنین مانع ورود گاز به جو می- شود.

* انتخاب سایت‌های خورشیدی جهت نصب پنل‌های فتوولتاییک
سایت‌ها باید با معیارهای لازم فیزیکی همخوانی داشته باشند ، از جمله اینکه آنها رو به جنوب باشند . همچنین به خوبی در معرض آفتاب قرار داشته باشند (آفتاب گیر باشند ) و فضای لازم و همچنین ساختار مناسبی برای نصب پنل‌های فتوولتاییک داشته باشند.

* ویژگی‌های سیستم‌های‌پی وی (‪(PV‬
این سیستم به فصول بستگی ندارند ، اما در طول شبانه روز از ساعت اولیه صبح تا غروب می‌توانند سیستم‌های ‪ PV‬برق تولید کنند. پیک تولید آنها در ساعات ظهر می‌باشد.

واحدهای فتوولتاییک در صورت ابری بودن هوا نیز می‌توانند برق تولید کنند، هر چند خروجی آنها کاهش می‌یابد. در یک روز بسیار ابری کم نور ، یک سیستم فتوولتاییک ممکن است پنج تا ‪ ۱۰‬درصد نور خورشید در روزهای عادی را دریافت دارد، بالطبع خروجی آن نیز به همان میزان کم خواهد شد.

پنل‌های خورشیدی در دمای پایین تر ، برق بیشتری تولید می‌کنند . این تجهیزات همچون سایر دستگاه‌های الکتریکی در صورتی که هوا خنک باشد، بهتر کار می‌کنند. البته سیستم‌های " ‪ " PV‬در روزهای زمستانی کمتر از روزهای تابستانی انرژی تولید می‌کنند که علت آن نه برودت هوا ، بلکه کاهش ساعات روز و پایین بودن زاویه تابش خورشید است.

* آسیب پذیری دستگاه‌های ‪PV‬
پنل‌های خورشیدی طوری ساخته شده‌اند که در برابر همه سختی‌های محیط مانند سرمای شدید قطبی ، گرمای بیابان ، رطوبت استوایی و بادهای با سرعت بیش از ‪ ۱۲۵‬مایل در ساعت مقاومت می‌کنند. با این حال جنس این وسایل از شیشه بوده و در اثر ضربات سنگین ممکن بشکنند.

* بهره برداری از سیستم‌های فتوولتایی برای استفاده از انرژی خورشیدی در سطح جهان
شرکت‌های متعددی در کشورهای مختلف نسبت به نصب این سیستم‌ها اقدام کرده -اند و کار بهینه‌سازی این سیستم‌ها ، همچنان ادامه دارد.

تحقیق در زمینه کاربرد عملی سیستم برق با استفاده از پنل‌های فتوولتاییک به صورت متصل در شبکه برق اکیناوا در ژاپن نیز ادامه دارد. این تحقیقات شامل بررسی ویژگی‌های عملکرد سیستم و تاثیر باتری‌ها بر شبکه و همینطور بازده و تداوم برق رسانی شبکه می‌باشد.

* انرژی خورشیدی در ایران فراوان اما گران
بیشترمناطق مرکزی و کویری ایران سرشار از منابع انرژی خورشیدی هستند.

در کویر از یک و نیم هکتار زمین ، در هر ساعت می‌توان یک مگاوات انرژی تولید کرد. اما هزینه تبدیل انرژی خورشیدی به برق ، بسیار بالا است( ‪۲۵۰‬ تا ‪ ۴۵۰‬هزار تومان )که این رقم باید به ‪ ۶۰‬تا ‪ ۷۰‬هزار تومان به ازای هر کیلووات برسد.

باتوجه به اقدامات انجام شده توسط وزارت نیرو ، تا کنون این وزارتخانه ‪ ۱۰۳۳‬آبگرمکن خورشیدی درشهرهای بوشهر، طبس، یزد، بجنورد، زاهدان و اصفهان نصب کرده است.

در خراسان نیز جهت تامین برق مورد نیاز پاسگاه مرکزی گز یک صفحه فتو - ولتایی نصب شده است که برای تولید انرژی باید هر چند ساعت یک بار رو به خورشید چرخانده شوند.( درست مانند گل‌های آفتابگردان ).

با این وجود و با توجه به اهمیت انرژی خورشیدی جهت جلوگیری از برداشت از منابع انرژی فسیلی ، در برنامه چهارم توسعه سهم چندانی برای انرژی خورشیدی درنظر گرفته نشده است .زیرا هم اکنون توجه‌ها معطوف به باد است و چون فناوری‌های استفاده از باد بسیار مقرون به صرفه‌تر است.

با توجه به امکانات موجود هر کیلووات ساعت انرژی را از این طریق می‌توان با صرف ‪ ۸۵‬هزار تومان به برق تبدیل کرد.

* استفاده از انرژی باد در ایران
وزش باد در بخش‌هایی از خراسان و گیلان وضعیت مطلوبی دارد. تا کنون ‪۱۵‬ مگاوات نیروگاه بادی در منطقه "منجیل" گیلان نصب شده که در حال افزایش به ‪ ۶۰‬مگاوات می‌باشد.

دراین میان یکی دیگر از راه‌هایی که هم اکنون در ایران به آن برای تولید انرژی فکر می‌شود ، استفاده از زباله‌ها است. هنوز ‪ ۴۰‬درصد ساکنان زمین برای تامین نیازهای اولیه خود به انرژی از هیزم ، فضولات حیوانی و ضایعات زراعی استفاده می‌کنند.

استفاده از گاز متان :
در ایران طرح‌هایی برای استفاده از گازهای متصاعد از زباله‌های متراکم شهری شروع شده است. در صورت استفاده درست از فناوری استخراج گاز متان از زباله‌ها که به آن "آتشکاف " گفته می‌شود ، می‌توان ‪ ۷۰‬تا ‪ ۸۰‬درصد انرژی مفید زباله‌ها را بازیافت کرد. از جمله این طرح‌ها در اطراف شهر مشهد اجرا خواهد شد.

در زمان حاضر تهران بیشترین حجم زباله شهری را در کشور تولید می‌کند.

خراسان که در مقام دوم قرار دارد . کارشناسان دفتر انرژی‌های نو در وزارت نیرو ایران امیدوار هستند با ایجاد تاسیسات جمع آوری و تمرکز گازهای ناشی از انباشت زباله‌های شهری ، از این منبع برق بدست آوردند.

کارشناسان عقیده دارند درایران هر سال با توجه به رشد تقاضا برای انرژی الکتریکی به دو تا سه هزار مگاوات برق جدید نیاز است .

اما به هر حال حرکت به سوی انواع انرژی‌های نو یا تجدیدپذیر ما را از فاجعه تمام شدن نفت و سایر منابع تجدید ناپذیرانرژی می‌رهاند . ضمن آنکه چشم انداز رشد فناوری‌ها نیز بسیار روشن است.

از:www.amvaj-e-bartar.com

وضعيت استفاده از انرژي بادي در سطح جهان

رشد روز‌افزون تقاضاي انرژي، افزايش استانداردهاي زندگي، گرم شدن بيش از حد كره زمين و در نهايت مشكلات زيست‌محيطي موجب شده تا هر روز شاهد پيشرفتهايي در زمينه فن‌آوري استفاده از منابع انرژي تجديد‌پذير باشيم يعني استفاده از منابع لايزالي كه خداوند به ما ارزاني داشته است. ماهيت پايان‌ناپذير اين گونه انرژي‌ها، روند رو به اتمام سوخت‌هاي فسيلي و ساير مزاياي بارز اين انرژي‌ها موجب تشويق بشر در سرمايه‌گذاري در اين راه بوده است.
پيش‌بيني مي‌شود كه انرژي‌هاي تجديد‌پذير جايگاه ويژه‌اي را در تامين انرژي قرن آتي كسب كنند. البته حدود سه دهه كشورهاي پيشرفته و صاحب فن‌آوري به اين مهم پرداخته‌اند تا جايي كه در برنامه سالانه انرژي خود درصدي از انرژي‌هاي مورد نظر كشورشان را از طريق توربين‌هاي بادي، پيلهاي خورشيدي، انرژي زمين گرمايي و ... تامين مي‌كنند.

بررسي دقيق نشان مي‌دهد حتي در حال حاضر كه هزينه استحصال انرژي‌هاي تجديد‌پذير گران‌تر از نوع فسيلي به نظر مي‌آيد، در مناطق دور دست روستايي و كشاورزي به دليل مشكل انتقال ساير انرژي‌ها و بالا بودن هزينه آن، مقرون به صرفه اقتصادي است و با توجه به تلاش گسترده‌اي كه در رابطه با استحصال انرژي‌هايي از اين نوع شده روز به روز از توجيه اقتصادي بالاتري برخوردار مي‌شود.
باد يكي از منابع انرژي پايان‌ناپذير جهان است. انسان بيش از 3000 سال است كه از انرژي باد به منظور توليد انرژي مكانيكي براي پمپ آب يا آسياب كردن غلات استفاده كرده است.
يكي از بهترين روش‌هاي استفاده از باد، توليد انرژي الكتريكي است. به اين صورت كه با قراردادن يك توربين بادي در مسير باد و انتقال انرژي مكانيكي توربين به يك ژنراتور جريان مستقيم يا متناوب به طور مستقيم يا از طريق جعبه دنده با نسبت تبديل مناسب، انرژي الكتريكي توليد مي‌شود.
توليد برق از طريق نيروگاه‌هاي بادي از نظر اقتصادي كاملاً مقرون به صرفه بوده و براي هر كيلووات ساعت برق توليدي از طريق اين نيروگاهها، حدود پنج سنت در مناطق پرباد و شش سنت يا اندكي بيشتر در مناطق كم‌باد، هزينه مي‌شود.
با توجه به اين كه تعداد نيروگاههاي بادي هر سال رو به افزايش بوده و استفاده از اين نيروگاه‌ها در جهان صنعتي و كشورهاي پيشرفته رو به گسترش است، لازم بود آخرين آمار و اطلاعات در اين زمينه تهيه شود كه در ادامه به اين موضوع خواهيم پرداخت.

مقدمه
انرژي باد بيش از 3000 سال براي توليد انرژي مكانيكي به منظور پمپاژ آب و يا آسياب كردن غلات مورد استفاده بشر قرار گرفته است. با شروع توليدات صنعتي مدرن، استفاده از منابع انرژي باد، فراز و نشيب‌هايي داشته است و گاه سوختهاي فسيلي يا الكتريسيته جايگزين آن شده است. چون ماهيت باد، تصادفي است و بيشتر منابع تجديدناپذير كنوني ارزان و در دسترس است.
در حدود سال 1970ميلادي، با وارد شدن اولين بحران انرژي و بالا رفتن قيمت نفت، انرژي باد بار ديگر به عنوان منبعي جايگزين، مورد توجه قرار گرفت، در اين زمان بيشترين ميزان استفاده از انرژي باد براي تبديل انرژي مكانيكي به الكتريكي بود. اين روش با بهره‌گيري از ديگر فن‌آوريهاي انرژي، امكان بهينه‌شدن داشت تا بتواند به عنوان يك پشتيبان در شبكه برق مطرح شود.
اولين توربين باد كه براي توليد الكتريسيته بكار رفت تقريباً در اوايل قرن بيستم توسعه يافت، فن‌آوري بهره‌برداري از انرژي باد تا سال 1970 ميلادي و در اواخر سال 1990 ميلادي به صورت تدريجي توسعه پيدا كرد. انرژي باد به عنوان يكي از مهمترين منابع انژري جايگزين، معرفي شد. در اواخر قرن بيستم، ظرفيت بكارگيري انرژي باد در جهان در هر سه سال دو برابر شده و قيمت توليدي انرژي باد در حدود 6/1 قيمت آن در سال 1980 شده است به نظر مي‌رسد كه اين روند همچنان ادامه خواهد يافت.
بعضي از پيش‌بيني‌هاي تخصصي نشان مي‌دهد كه تا سال 2005 ميلادي رشد ظرفيت انرژي باد در حدود 25 درصد در سال خواهد بود و قيمت آن در طي اين سالها بين 20 تا 40 درصد پايين خواهد آمد.
فن‌آوري انرژي باد نيز به سرعت در حال پيشرفت است. در پايان سال 1989 توربين‌هاي بادي 300 كيلووات با قطر روتور حدود 30 متر مورد بهره‌برداري قرار مي‌گرفت. تنها در 10 سال بعد توربين‌هاي بادي 1500 كيلووات با قطر روتور حدود 70 متر توانايي استفاده بيشتر از باد را فراهم آوردند و استفاده از توربين‌هاي بادي 2 مگاوات با قطر روتور 74 متر قبل از شروع قرن جديد خود گواه پيشرفت فن‌آوري انرژي بادي است. به نظر مي‌رسد در سالهاي 2001 يا 2002 توربين‌هاي 4 مگاوات و 5 مگاوات مورد بهره‌برداري قرار بگيرند.
توسعه سريع بازار انرژي باد و ارتقاي فن‌آوري آن، به تحقيقات، دانش و كار تخصصي براي دست‌يابي به انرژي در صنعت‌ انرژي برق اشاره دارد اين نكته حايز اهميت است كه حدود 80 درصد از ظرفيت بادي جهان تنها در پنج كشور آلمان، آمريكا، دانمارك، هند و اسپانيا مورد بهره‌برداري قرار مي‌گيرد و نيز بيشترين علوم انرژي باد بر اساس تحقيقات در اين كشور است. بهرحال استفاده از فن‌آوري انرژي باد با سرعت، در حال گسترش در ديگر نواحي كره زمين است. همان طور كه اشاره شد انرژي بادي از 3000 سال پيش مورد بهره‌برداري قرار گرفته و فن‌آوري آن روز به روز بهتر شده است.
در توسعه فن‌آوري بادي، ساير علوم از جمله آيروديناميك، مكانيك و مهندسي الكترونيك نقش داشته‌اند. در ادامه به طور فشرده به توانايي مناطق مختلف جهان در بكارگيري انرژي بادي اشاره مي‌شود.

سابقه تاريخي انرژي باد
تاريخچه تكامل فن‌آوري توربين‌هاي بادي در نشريات مختلف با مدارك گوناگوني وجود دارد. در اين قسمت به طور مختصر به پيشرفت و توسعه فن‌آوري بادي اشاره مي‌كنيم. در جدول (1) توسعه توربين‌هاي بادي بين سالها 1985 و 2000 نشان داده شده است.

توليد انرژي مكانيكي
مدارك ثبت شده حاكي از آن است كه آسياب‌هاي بادي اوليه، آسياب‌هايي با محور عمودي بوده‌اند. اين آسياب‌ها مي‌توانند شبيه به يك وسيله مقاوم ساده توصيف شوند كه در ارتفاعات افغانستان براي آسياب‌ كردن غلات از قرن هفتم قبل از ميلاد، بكار مي‌رفته‌اند.
در مدارك تاريخي، اولين نمونه آسياب‌هاي بادي با محور افقي، در ايران بوده، استفاده از انرژي باد در ايران در حدود 2600 سال قبل صورت گرفته است. بقاياي آسيابهاي بادي قديمي كه در سراسر دنيا به نام آسياب‌ بادي ايراني شناخته مي‌شوند هنوز در منطقه خواف وجود دارد و تعدادي از اين آسيابها نيز در حال بهره‌برداري هستند.
تبت و چين در حدود هزار سال قبل، از فن‌آوري‌ آسياب‌هاي بادي بهره‌ مي‌برده‌اند.
آسياب‌هاي بادي با محور افقي داراي يك شفت افقي همراه با پره‌هايي است كه در يك مسير عمودي مي‌چرخند. از ايران و خاورميانه، آسياب‌هاي بادي با محور افقي به كشورهاي مديترانه و اروپاي مركزي برده شد.
اولين آسياب‌هاي بادي با محور افقي كه مورد استفاده قرار گرفته است در كشورهاي انگلستان در سال 1150 ميلادي، فرانسه در 1180 ميلادي، فنلاند در سال 1190 ميلادي، آلمان در سال 1222 ميلادي و دانمارك در سال 1259 ميلادي است.
در اروپا آسياب‌هاي بادي بين قرون دوازدهم تا نوزدهم دايماً در حال پيشرفت بودند. در پايان قرن نوزدهم يك نمونه آسياب بادي كه قطر روتور آن 25 متر و ارتفاع آن بيش از 30 متر مي‌رسد، استفاده مي‌شد.
آسياب‌هاي بادي نه تنها براي آرد كردن غلات استفاده مي‌شد بلكه به منظور پمپاژ آب براي مصارف آشاميدن و مزارع مورد استفاده قرار مي‌گرفت.
در اين زمان تنها در فرانسه در حدود 18 تا 20 هزار آسياب‌بادي مدرن اروپايي وجود داشت و در كشور هلند 90 درصد انرژي استفاده شده در صنعت از انرژي باد تامين مي‌شد.
بعد از صنعتي شدن و كاهش استفاده از آسياب‌هاي بادي نيز در سال 1904 ميلادي همچنان 11 درصد از انرژي صنعتي هلندي‌ها از انرژي باد تامين مي‌شد و آلمانها بيش از 18 هزار واحد در حال كار داشتند.
در هنگامي كه نقش آسياب‌هاي بادي اروپايي به تدريج شروع به كم‌رنگ شدن مي‌كرد، آسياب‌هاي بادي در آمريكاي شمالي در حال توسعه بودند.
در آمريكاي شمالي آسياب‌هاي بادي كوچك به منظور پمپاژ آب براي مصرف دام‌هاي گسترده‌اي مورد استفاده قرار گرفت و اين آسياب‌هاي بادي به نام آسياب‌هاي بادي آمريكايي شناخته شدند. اين آسياب‌ها مداوم كار مي‌كردند و نياز به رسيدگي كردن و ملازم نداشتند.
آسياب‌هاي بادي در هنگام وزش بادهاي با سرعت بالا از مكانيزم «خودنگهدار» استفاده مي‌كردند روش اروپايي‌ها اغلب خاموش شدن آسياب و بستن پره‌ها بود (شبيه به كشتي‌هاي بادباني) تا خسارتي به توربين‌ بادي وارد نشود.
در آمريكا بيشترين استفاده از آسياب‌هاي بادي مربوط به سالهاي 1920 تا 1930 ميلادي است كه در حدود 600 هزار واحد در حال كار بود.
انواع مختلف آسياب بادي آمريكايي هنوز هم در نقاط مختلف جهان استفاده مي‌شود.

توليد انرژي الكتريكي:
در سال 1891 ميلادي، دان‌پول لاكور اولين كسي بود كه توانست براي توليد الكتريسيته توربين بادي بسازد. طي جنگ‌هاي جهاني اولي و دوم، مهندسان دانماركي اين فن‌آوري را براي برطرف كردن كمبودهاي انرژي، توسعه و پيشرفت دادند.
توربني‌هاي بادي ساخته‌شده توسط كمپاني هلندي اسميتس در سال 1940 تا 1942 ميلادي توانست رقيب خوبي براي توربين‌هاي بادي مدرن خارجي باشد.
توربين‌هاي اسميت همزمان با پيشرفت علم ايروديناميك توسعه و پيشرفت خوبي داشت. در همين زمان، پالمر پوتنام يك توربين بادي بزرگ با قطر 53 متر را براي كمپاني آمريكايي مورگان اسميت ساخت. نه تنها سايز توربين منحصر به فرد و متفاوت بود بلكه طراحي علمي بسيار بالايي داشت.
طراحي هلندي‌ها بر اساس روتور رو به باد با تثبيت‌كننده استال بود كه در سرعتهاي پايين، عمل مي‌كرد طراحي پاتنم بر اساس روتور پشت به باد با تثبيت‌كننده پيچ كنترل بود.
به هر حال توربين‌هاي پاتنم زياد موفق نبودند. در سال 1942 ميلادي اين توربين به مراحل اجرا گذاشته شد.
بعد از جنگ جهاني دوم، يوهانس جول طراحي دانماركي‌ها را در دانمارك گسترش و توسعه داد.
توربين او در دانمارك نصب شد و در سالهاي 1956 تا 1967 در حدود 2/2 ميليون كيلووات ساعت توليد داشت.
در هميم زمان- هيوتر آلماني يك نظريه جديد را توسعه داد. توربين‌هاي بادي او شامل دو پره فايبرگلاس و برج پشت به باد و هاب كه پره‌ها به آن متصل مي شد بود. توربين‌هاي هارتر با دانش بالايي كه در آن بكار رفت داراي كارايي بالايي بود.
با وجود موفقيت‌هاي توربين‌هاي بادي جولز و هارتر، بعد از جنگ جهاني دوم علاقمندي به توربين‌هاي بادي بزرگ كاهش يافت. تنها تا حدودي توربين‌هاي بادي كوچك براي سيستم‌هاي دور از شبكه يا براي شارژ باطري‌ها مورد توجه قرار گرفت. بعد از بحران نفتي در سال 1970 ميلادي دوباره علاقه به بكارگيري انرژي بادي از سر گرفته شد. منجمله پشتيباني‌هاي مالي براي تحقيقات و توسعه انرژي بادي آغاز شد.
كشورهايي همچون آلمان، آمريكا و سوئد جهت توسعه توربين‌هاي بادي بزرگ براي توليد انرژي در محدوده مگاوات (MW) مبالغ هنگفتي را هزينه كردند. بهرحال بيشتر اين طرح‌ها چندان موفقيت‌آميز نبود تا اينكه مسائل تكنيكي را با مكانيزم پيچ كنترل مرتفع كردند. در جدول (1-3) اطلاعات توربين‌هاي بادي بزرگ به نمايش درآمده است.
بعضي از سازمانهاي دولتي (از قبيل دانمارك) از تحقيقات در كشورشان پشتيباني كردند و اين ميدان را توسعه داده و باعث پيشرفت انرژي بادي در مكانهاي مختلف دنيا شدند.
در همين راستا كنفرانس PURPA در نوامبر 1978 در آمريكا برگزار شد و رئيس جمهور وقت آمريكا اهداف كنفرانس را در كاهش مصرف انرژي و توسعه از جهت بي‌نيازي به نفت خارجي‌ها برشمرد و اين كنفرانس در توسعه سيستم‌هاي انرژي بادي نقش قابل توجهي داشت و در كوه‌هاي شرق سانفرانسيسكو و شمال لس‌آنجلس اولين مزارع بادي راه‌اندازي شد.
اولين مزارع بادي شامل توربين‌هاي بادي 50 مگاوات بود و بعد از چند سال، در اواخر سال 1980 ميلادي توربين‌هاي بادي 200 مگاوات مورد استفاده قرار گرفت. مراحل توسعه توربين‌هاي بادي در آمريكا نشان داده شده است.
بيشتر توربين‌هاي صادراتي دانمارك، توسط شركت‌هاي پول‌ليكر و جوهاتز جول طراحي شده و از نوع رو به باد و تنظيم گراستال بودند. در پايان سال 1980 ميلادي در حدود 15000 توربين بادي با ظرفيتي در حدود 1500 مگاوات در كاليفرنيا نصب شد، در اين زمان در آمريكا پشتيباني‌هاي مالي از انرژي باد كاهش يافت، اما دراروپا اين پشتيباني در اوج بود و بعداً‌در هندوستان نيز از اين تكنولوژي حمايت شد.
در سال 1990 ميلادي اروپايي‌ها بر اساس تعرفه‌هاي توليد انرژي‌هاي تجديدپذير از انرژي باد پشتيباني زيادي بعمل آوردند.
به نظر مي‌رسد كه يكي از عوامل افزاينده رشد سريع بكارگيري توربين‌هاي بادي در بعضي از كشورهاي اروپايي، بخصوص در آلمان و همينطور درهندوستان پشتيباني‌هاي مذكور باشد.
به موازات توسعه بازار فروش، تكنولوژي نيز همچنان در حال پيشرفت بود. تا پايان قرن بيستم بعد از اينكه در بيست سال گذشته موفق به تست توربين‌هاي مگاواتي نشده بودند، توربين بادي 5/1 مگاوات يك تكنولوژي هنري بحساب مي‌آمد.

وضعيت فعلي:
در ادامه اين بخش نظري اجمالي به وضعيت كنوني انرژي در پايان قرن بيستم در جهان خواهيم داشت در حال حاضر انژي بادي درصد بزرگي از نيازمندي‌هاي جهاني انرژي را مرتفع مي‌كند. درادامه شبكه‌هاي متصل و نيز نيروگاه‌هاي مستقل از شبكه و ظرفيت توليدي آنها را بررسي مي‌كنيم.
اگر مطالعات كنوني را بسط دهيم در‌مي‌يابيم كه 10 درصد از انرژي مورد نياز جهان را در سال 2020 نيروي باد فراهم مي‌آورد كه رقمي جالب توجه است.

بررسي شبكه‌هاي بزرگ توليد انرژي بادي:
از سال 1990 ميلادي به بعد بعلت بهره‌گيري از منابع تكنولوژي‌هاي مدرن، انرژي بادي رشد سريعي داشته است. بهرحال اين رشد در همه جهان يكسان نبوده است به جدول (1-4) نگاه كنيد. در پايان سال 1999 ميلادي در حدود 69 درصد ظرفيت انرژي جهان، در اروپا استفاده شده است حدود 19 درصد در آمريكا شمالي و 10 درصد در آسيا و اقيانوسيه.

اروپا:
بين سالهاي پاياني 1995 تا 1999 در حدود 75 درصد توربين‌هاي بادي نصب شده درجهان، در اروپا مورد استفاده قرار گرفته‌اند. يكي از روش‌هاي اصلي توسعه، ادامه تعرفه مالياتي ثابت، براي انرژي باد بود كه در آلمان و اسپانيا بيشتر به چشم مي‌خورد.
در جدول (1-5) ظرفيت استحصال نيروي بادي در اروپا را نشان مي‌دهد.
براي به تصوير كشيدن متوسط توربين‌هاي بادي نصب شده در اروپا اطلاعات دقيقي در دسترس نيست. جدول (1-6) توسعه متوسط بهره‌برداري از توربين‌هاي بادي در آلمان را در طي سالهاي 1988 تا 1999 ميلادي نمايش مي‌دهد.
همانطور كه از جدول مشخص است متوسط توربين‌هاي بادي مورد بهره‌برداري در آلمان از 4/143 كيلووات در سال 1989 به 5/935 كيلووات در سال 1999 افزايش يافته است. در نيمه اول 1999 در حدود 57 درصد توربين‌هاي جديد نصب شده در آلمان از توربين‌هاي بزرگ (روتور با قطر بزرگتر از 1/48 متر) استفاده كرده‌اند. در جون 1999، توربين‌ (603) مگاواتي (با ظرفيت بزرگتر يا مساوي 1 مگاوات) در آلمان مورد بهره‌برداري قرار گرفت.
اولين پروژه‌هاي ساحلي در دانمارك و هلند و سوئد به اجرا درآمد. به جدول شماره
(1-7) توجه كنيد.
در پروژه‌هاي انرژي بادي ساحلي در دانمارك (DK)، سوئد (SE)، آلمان (DE)، هلند (NL) و انگلستان (UK) مطمئناً اين ارقام در‌آينده نزديك با توسعه انرژي بادي در ساير جاها منجمله در اسپانيا، تركيه و يونان افزايش خواهند يافت.

آمريكاي شمالي
بعد از رشد خيلي سريعي كه در كاليفرنيا در اواسط 1980 ميلادي اتفاق افتاد اين توسعه به طور چشمگيري در آمريكاي شمالي در اواسط 1990 ميلادي كاهش يافت و گاهي توربين‌هاي جديد جايگزين توربين‌هاي فرسوده و قديمي مي‌شدند كه ظرفيت توليدي را تا اندازه‌اي بالا ببرند.
در سال 1998 ميلادي دومين رشد سريع در آمريكا شروع شد. در اين زمان پروژه‌هاي بادي توسعه پيدا كرد و با پيشنهادات دولت به منظور اعتبار مالياتي توليدات (PTC) اعتبار 017/0 - 016/0 كيلووات ساعت دلار به پروژه‌هاي نيروي باد براي اولين ده سال استفاده از توربين‌هاي بادي پرداخت شد بين اواسط 1998 تا 30 جوئن 1999 (پايان اعتبار PTC) بيشتر از 800 مگاوات ژنراتور بادي جديد در آمريكا كه شامل مزارع بادي كاليفرنيا بين 120 و 150 مگاوات مي‌شد، مورد بهره‌برداري قرار گرفت.
اولين پروژه توربين بادي نيز در كانادا اجرا شد. به جدول (1-8) نگاه كنيد.
اندازه انواع توربين‌هاي بادي نصب شده در شمال آمريكا در پايان سال 1990 ميلادي بين 500 مگاوات و 750 مگاوات بوده است. اولين توربين مگاواتي در سال 1999 نصب شد. همانند اروپا
بهرحال پروژه‌هاي مزارع بادي اغلب بزرگ هستند. پروژه‌هاي نوعي در شمال آمريكا بزرگتر از 50 مگاوات است و بعضي از پروژه‌ها نيز بالاي 120 مگاوات هستند و در اروپا پروژه‌ها اغلب بين 20 و 50 مگاوات هستند اين به دليل شرايط خاص آب و هوايي و زمين در اروپا است. توسعه سريع انرژي بادي، در چندين ايالت در آمريكا موفقيت چشمگيري داشته است. در جدول (1-9) اين اطلاعات را تا پايان 1999 در اختيار قرار مي‌دهد. در آمريكا از استاندارد RPS استفاده مي‌شود.
استاندارد RPS از اول جولاي 2000 به مرحله اجرا گذاشته شده است، انرژي‌هاي بدست آمده از خورشيد، باد، بيوماس، گازهاي زيرزميني با پيل‌هاي سوختي، سطح پيشرفت 1درصد خواهد داشت تا جولاي 2002 ميلادي و سپس به 3 درصد افزايش تا جولاي 2006 و 6 درصد تا جولاي 2009 خواهد رسيد. به اين برنامه‌ها رشد سبز گفته مي‌شود (برنامه بازار جهت تامين انرژي از منابع تجديد‌شونده را رشد سبز گويند) بعضي از شركت‌ها حاضر به پرداخت تعرفه‌هاي بالايي جهت الكتريسيته سبز و بدست آوردن آن از منابع انرژي سبز از قبيل باد هستند.

آمريكاي جنوبي و مركزي
عليرغم منابع عظيم انرژي بادي در بيشتر نواحي آمريكاي جنوبي و مركزي توسعه انرژي بادي در اين مناطق بسيار آهسته بوده است. اين مي‌تواند به دليل قيمت پايين ديگر منابع انرژي نسبت به نرخ انرژي بادي باشد. بيشتر پروژه‌هاي بادي در‌ آمريكاي جنوبي به وسيله برنامه‌هاي بين‌المللي پشتيباني مي‌شوند.
به هر حال آرژانتين ظرفيت‌هاي توليد انرژي بادي را در سال 1998 ايجاد كرد كه بيانگر علاقه‌مندي اين كشور جهت توليد انرژي الكتريكي از باد است.
در برزيل بعضي از مراكز دولتي شروع به اجراي چندين طرح بادي كرده‌اند اندازه نوعي اين توربين‌ها در حدود 300 كيلووات است. توربين‌هاي بزرگتر مشكل نصب دارند و شرايط خاص محيطي اجازه استفاده از توربينهاي بزرگ را نمي‌دهد. به عنوان مثال توربين‌هاي بادي ساحلي مورد استفاده قرار نگرفته‌اند اما پروژه‌هايي با توربينهاي متوسط و كوچك (كوچكتر يا مساوي 30 كيلووات) توسعه پيدا كرده‌اند، درمناطق دور از ساحل در جدول 1-10 آمار و ارقامي در اين مورد ارايه شده است.

آسيا و اقيانوسيه
هندوستان توربين‌هاي بادي زيادي را از اواسط سال 1990 ميلادي نصب كرده است.
در سال 1992 تا 1993 كه توسعه سريع هند ناميده مي‌شود دولت هند پشتيباني‌هاي زيادي را از انرژي‌هاي نو بعمل آورد. بعنوان مثال: كمترين نرخ مالياتي را به اندازه 100 درصد تخفيف اولين سال اين پروژه‌ها وضع كرد.
و نيز يك سيستم بانكي به نام بانك نيرو راه‌اندازي شد كه در راستاي توليدات الكتريكي مي توانست از بانك براي مدت بالاي يكسال وام بدهد. اين عوامل باعث شد كه انرژي‌هاي تجديد‌پذير در بين سالهاي 1993 تا 1997 رشد و توسعه زيادي داشته باشد، پس از اين دوره كاهش رشدي را در اين كشور شاهد هستيم. در جدول (1-11) ظرفيت بادي اين كشورها داده شده است.
انرژي بادي در چين پيرو برنامه‌هاي بين‌المللي شروع به رشد و توسعه كرده و از آنجايي كه بعضي از دولتمردان چيني سفارش به استفاده از انرژي بادي داشتند رشد آن نسبتاً خوب بوده است. به عنوان مثال برنامه‌اي كه در ايالت پلينينگ تحت عنوان (Ride-the-wind) نام گرفت.
در بين سالهاي 1994 تا 2004 بانك جهاني از پنج پروژه بادي با مجموع ظرفيت نصب 190 مگاوات در چين پشتيباني مي‌كند.
در ژاپن، پروژه‌هاي مختلف و توربين‌هاي بادي متفاوت مورد تست و آزمايش قرار گرفت و باعث پيشرفت اين تكنولوژي شد. در پايان سال 1990 ميلادي پروژه‌هاي تجاري انرژي باد در جزيره هوكايدو و اوكيناوا شروع شد.
در همان سال، پروژ‌ه‌هاي انرژي باد همچنين در نيوزيلند و استراليا به مرحله اجرا درآمد.
مهمترين عامل در گسترش و توسعه انرژي بادي دراستراليا در برنامه‌هاي رشد سبز اجرا مي‌شود.
در چين و هندوستان، توربين‌هاي بادي بيشتر در حدود 300 كيلووات نصب شدند، بهرحال بعضي از توربين‌هاي بادي
600-500 كيلووات نيز در اين كشورها نصب شد. در استراليا، ژاپن و نيوزيلند محدوده 600-500 كيلووات مورد استفاده قرار گرفت.

خاورميانه و آفريقا
تكنولوژي انرژي بادي در آفريقا به كندي پيشرفت كرده است. بيشتر پروژه‌ها توسط سازمانهاي بين‌‌المللي و دولتي پشتيباني مي‌شوند و تعداد محدودي از آنها توسط بخش خصوصي دنبال مي‌شوند.
دولت مصر تمايل به استفاده از انرژي‌هاي تجديد پذير داشته ونزديك شهر زفرانا توربين‌هايي براي توليد 600 مگاوات نصب كرده است و پروژه‌هاي بعدي در موركو با ظرفيت 250 مگاوات است.
همچنين در اردن نيروگاه 25 مگاوات نصب شده است و نوع توربين‌هاي بادي استفاده شده در اين منطقه در حدود 300 كيلووات است و اما پروژه‌هاي آينده در حدود استفاده از 600-500 كيلووات است. جدول (1-12) ظرفيت توليدي كشورهاي خاورميانه و آفريقا را نشان مي‌دهد.
امروزه وزارت جهاد سازندگي مشغول مطالعه و تحقيق و اجراء بعضي از پروژه‌هاي مستقل از شبكه در مناطق مختلف ايران منجمله دشت ديزباد خراسان است.

ظرفيت انرژي بادي
اغلب، انرژي بادي در زمينه‌هاي پتانسيل تئوري قابل دستيابي از آن مورد بحث و ارزيابي قرار مي‌گيرد. مطالعات پتانسيل انرژي بادي نشان مي‌دهد كه منابع بادي در دنيا فراوان هستند. مثلاً دريافته‌اند كه پتانسيل ساحلي مفيد در سيستم‌هاي آبي اروپا به تنهايي در حدود Twh/year2500 (تريليون وات ساعت بر سال) است. اين در حدود 85 درصد مصرف اروپا در سال 1997 است.
نتيجه مي‌گيريم منابع انرژي بادي مورد مطالعه بستگي دارند به كيفيت داده‌هاي انرژي باد همانطور با اتخاذ تكنولوژي بهتر و فضاي مورد نياز، بهر حال اين خيلي مهم است كه بدانيم پتانسيل بادي زمين مي‌تواند نقش موثر و مهمي را در تمامي نقاط زمين ايفا كند.
ظرفيت دقيق نصب شده توربين‌هاي بادي اندازه كوچك يا سيستم‌هاي مستقل از شبكه اطلاعات جامعي در دست نيست. اطلاعات منطقه‌اي اغلب محدود است.
به عنوان مثال، چين مدعي است كه بيش از 110000 توربين بادي كوچك
(w200-50) نصب كرده است، اين توربين‌ها جهت تامين نيروي مورد نياز عشاير دامدار و يا كشاورزان مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
كارشناسان پيش‌بيني مي‌كنند كه بكارگيري سيستم‌هاي مستقل از شبكه، در آينده نزديك رشد سريعي خواهد داشت. با برنامه‌ريزي جهت تامين الكتريسيته روستايي در قسمت‌هاي مختلف جهان اين رشد عملي خواهد بود، در برزيل، مكزيك، اندونزي، فيليپين و آفريقاي جنوبي برنامه‌هاي مشابهي دارند كه از توليد انرژي محلي پشتيباني مي‌كند.
در ايران با توجه به سوابق تاريخي آن پتانسيل استفاده از انرژي بادي و نيروگاههاي مستقل از شبكه بسيار بالا است.
در سال 1348 سازمان جنگلها و مراتع كشور اقدام به خريد يك تلمبه بادي از كمپاني سويترن كراس استراليا كرد كه در سال 1349 در منطقه زرند ساوه نصب شد، اين سازمان در سال 1350 سه دستگاه ديگر از اين تلمبه را در استان فارس نصب كرد و تاكنون بيش از 200 دستگاه در نقاط مختلف كشور نصب شده‌اند و بعد از انقلاب به همت دفتر فني مرتع، تلمبه‌هاي با قطر دايره گردش پره‌هاي 4/2 متري در ايران ساخته شده و مورد بهره‌برداري قرار گرفته است.
سازمان حفاظت محيط‌زيست بر سر بعضي از چاههاي پارك ملي (اين پارك در غرب كوير مركزي و در شرق درياچه نمك به فاصله 50 كيلومتري جنوب شرقي تهران) قرار دارد براي استفاده وحوش و حيوانات وحشي تعدادي تلمبه بادي نصب كرده، چهار تلمبه 8/1 متري هم در مباركه چاه قرقره، دوراهي سنگ فروشي و جنوب چخماقه در حال كار هستند.
ايران همچنانكه اشاره شد مبتكر استفاده از توربين‌هاي بادي بوده است در شمال ايران جمعاً 10 توربين‌ بادي بزرگ نصب شده است كه عبارتند از دو توربين 500 كيلوواتي، يكي در منجيل و ديگري در رودبار و 8 توربين 300 كيلوواتي در رودبار كه همگي ساخت كمپاني نوردتنك دانمارك است و توسط سازمان انرژي اتمي ايران خريداري و نصب شده‌اند. طرح‌هاي در دست اجراي سازمان انرژي‌هاي نو ايران (سانا) در مورد پروژه‌هاي بادي:
- پروژه 250 مگاواتي تحت نظر
- پروژه 60 مگاواتي، انتقال تكنولوژي از كشور ژاپن
- انتخاب محل مناسب ساخت مزرعه توربين‌هاي بادي به ظرفيت 60 مگاوات
- جهت آمار لحظه‌اي باد در منطقه رودبار و منجيل

بررسي نيروگاههاي بادي مستقل از شبكه
نيروگاههاي بادي مستقل از شبكه اغلب جهت مناطق دوردست يا كاربردهاي تكنيكي دور از شبكه استفاده مي‌شوند، بعنوان مثال براي سايت‌هاي راداري و ايستگاههاي مخابراتي استفاده مي‌شوند.
توربين‌هاي بادي مورد استفاده جهت اينگونه مصارف بين چند وات تا 50 كيلووات مي‌توانند باشند.
براي روستاها يا سيستم‌هاي الكتريكي زراعتي، توربين‌هاي بادي بالاي 300 كيلووات به همراه تركيبي از ديزل ژنراتور يا بعضي مواقع سيستم‌هاي ذخيره باطري مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
نيروگاههاي بادي مستقل از شبكه همچنين اغلب در نقاط مختلف جهان براي توليد نيروي مكانيكي لازم جهت پمپاژ آب مصرفي و آب كشاورزي يا براي پمپاژ نفت مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
 

از:parsigold.com

دیگر وبلاگ مهندسی مکانیک انرژی

 مطالب اصلی در این وبلاگ و دیگر وبلاگ مهندسی مکانیک انرژی نمایش داده 

می شود.

http://mechanicenergy.mihanblog.com

How Solar Cell is made

برای مشاهده متن به فارسی از مترجم وبلاگ در سمت راست

استفاده کنید.

Background

Photovoltaic solar cells are thin silicon disks that convert sunlight into electricity. These disks act as energy sources for a wide variety of uses, including: calculators and other small devices; telecommunications; rooftop panels on individual houses; and for lighting, pumping, and medical refrigeration for villages in developing countries. Solar cells in the form of large arrays are used to power satellites and, in rare cases, to provide electricity for power plants. When research into electricity began and simple batteries were being made and studied, research into solar electricity followed amazingly quickly. As early as 1839, Antoine-Cesar Becquerel exposed a chemical battery to the sun to see it produce voltage. This first conversion of sunlight to electricity was one percent efficient. That is, one percent of the incoming sunlight was converted into electricity. Willoughby Smith in 1873 discovered that selenium was sensitive to light; in 1877 Adams and Day noted that selenium, when exposed to light, produced an electrical current. Charles Fritts, in the 1880s, also used gold-coated selenium to make the first solar cell, again only one percent efficient. Nevertheless, Fritts considered his cells to be revolutionary. He envisioned free solar energy to be a means of decentralization, predicting that solar cells would replace power plants with individually powered residences.

With Albert Einstein's explanation in 1905 of the photoelectric effect-metal absorbs energy from light and will retain that energy until too much light hits it-hope soared anew that solar electricity at higher efficiencies would become feasible. Little progress was made, however, until research into diodes and transistors yielded the knowledge necessary for Bell scientists Gordon Pearson, Darryl Chapin, and Cal Fuller to produce a silicon solar cell of four percent efficiency in 1954. Further work brought the cell's efficiency up to 15 percent. Solar cells were first used in the rural and isolated city of Americus, Georgia as a power source for a telephone relay system, where it was used successfully for many years. A type of solar cell to fully meet domestic energy needs has not as yet been developed, but solar cells have become successful in providing energy for artificial satellites. Fuel systems and regular batteries were too heavy in a program where every ounce mattered. Solar cells provide more energy per ounce of weight than all other conventional energy sources, and they are cost-effective.   

Only few large scale photovoltaic power systems have been set up. Most efforts lean toward providing solar cell technology to remote places that have no other means of sophisticated power. About 50 megawatts are installed each year, yet solar cells provide only about .1 percent of all electricity now being produced. Supporters of solar energy claim that the amount of solar radiation reaching the Earth's surface each year could easily provide all our energy needs several times over, yet solar cells have a long way to go before they fulfill Charles Fritts's dream of free, fully accessible solar electricity.

Raw Materials

The basic component of a solar cell is pure silicon, which is not pure in its natural state.

Pure silicon is derived from such silicon dioxides as quartzite gravel (the purest silica) or crushed quartz. The resulting pure silicon is then doped (treated with) with phosphorous and boron to produce an excess of electrons and a deficiency of electrons respectively to make a semiconductor capable of conducting electricity. The silicon disks are shiny and require an anti-reflective coating, usually titanium dioxide. The solar module consists of the silicon semiconductor surrounded by protective material in a metal frame. The protective material consists of an encapsulant of transparent silicon rubber or butyryl plastic (commonly used in automobile windshields) bonded around the cells, which are then embedded in ethylene vinyl acetate. A polyester film (such as mylar or tedlar) makes up the backing. A glass cover is found on terrestrial arrays, a lightweight plastic cover on satellite arrays. The electronic parts are standard and consist mostly of copper. The frame is either steel or aluminum. Silicon is used as the cement to put it all together.

The Manufacturing Process

  1. Purifying the silicon

  2. Making single crystal silicon

  3. Making silicon wafers

  4. Doping

  5. Placing electrical contacts

  6. The anti-reflective coating

  7. Encapsulating the cell

  8. Quality Control

To Know About the Manufacturing Process Please Wait.

Coming Soon.

Energy savings in black and white

Anyone who has ever stepped barefoot onto blacktop pavement on a hot sunny day knows the phenomenon very well: Black surfaces absorb the sun's heat very efficiently, producing a toe-scorching surface. In the wintertime, that can be a good thing: A dark roof heats up in the sun and helps reduce your heating bill. But in summertime, it's definitely a bad thing: Your house gets even hotter, and your air conditioning has to work harder. In most places, the summertime penalty is greater than the wintertime gain, it turns out, so that's why many people, including U.S. Secretary of Energy Steven Chu, strongly advocate switching to white roofs.

It's no small matter. In fact, Chu says that turning all the world's roofs white would eliminate as much greenhouse gas emissions in 20 years as the whole world produces in a year. But some critics point out that in northern cities, the gain in summer could be outweighed by the loss in winter. The ideal situation, then, would be to get the advantage of white roofs when it's hot and black roofs when it's cold.

Now, there may be a way to have both. A team of recent MIT graduates has developed roof tiles that change color based on the temperature. The tiles become white when it's hot, allowing them to reflect away most of the sun's heat. When it's cold they turn black and absorb heat just when it's needed.

The team's lab measurements show that in their white state, the tiles reflect about 80 percent of the sunlight falling on them, while when black they reflect only about 30 percent. That means in their white state, they could save as much as 20 percent of present cooling costs, according to recent studies. Savings from the black state in winter have yet to be quantified.

The team, which the students call Thermeleon (rhymes with chameleon, because of its color-changing property), was one of the competitors in this year's Making and Designing Materials Engineering Contest (MADMEC), a competition for teams of MIT students (or 2009 graduates). Now in its third year, the contest this year was specifically devoted to projects aimed at improving energy efficiency through innovative uses of materials. The final showdown was held Wednesday night, and the Thermeleon team took first place, earning $5,000 in the process.

Nick Orf PhD ’09, a member of the Thermeleon team, explains that he and his teammates originally tried to develop a color-shifting roof tile using a system of mixed fluids, one dark and one light, whose density would change with temperature: the dark substance would float to the top when it was cold, and white would float when it was hot. But the system proved too complicated, and instead they hit on a simpler, less expensive method.

Now, they use a common commercial polymer (in one version, one that is commonly used in hair gels) in a water solution. That solution is encapsulated — between layers of glass and plastic in their original prototype, and between flexible plastic layers in their latest version — with a dark layer at the back.

When the temperature is below a certain level (which they can choose by varying the exact formulation), the polymer stays dissolved, and the black backing shows through, absorbing the sun's heat. But when the temperature climbs, the polymer condenses to form tiny droplets, whose small sizes scatter light and thus produce a white surface, reflecting the sun's heat.

They are now working on an even simpler version in which the polymer solution would be micro-encapsulated and the tiny capsules carried in a clear paint material that could be brushed or sprayed onto any existing surface. The tiny capsules would still have the color-changing property, but the surface could easily be applied over an existing black roof, much more inexpensively than installing new roofing material.

Although they have not yet made specific plans for forming a business to commercialize their concept, Orf says the team members are determined to pursue the project and develop it into a marketable product.

Because the materials are common and inexpensive, team members think the tiles could be manufactured at a price comparable to that of conventional roofing materials — although that won't be known for sure until they determine the exact materials and construction of their final version.

The biggest remaining question is over durability, and answering it will require spending some time to do accelerated testing by running the material through repeated hot-cold cycles.

Hashem Akbari, leader of the Heat Island Group at Lawrence Berkeley National Laboratory in California, is a long-time advocate of white roofs as an energy-saving measure. He says that some other groups, including a team at the University of Athens, have done research on the use of color-changing materials for roofs, but that in those tests, "the cost and durability has been a serious issue."

The Thermeleon team hopes to address those concerns. "It's got to stand up to very harsh conditions," Orf says. "Those sorts of tests would have to be done before we'll know if we have a viable product."
From:mit.edu