تدوین دانش فنی استفاده از انرژی خورشیدی در گلخانه های ایران

گلخانه از دیرباز به منظور تولید محصول خارج از فصل مورد توجه قرار گرفته است. در حال حاضر تکنولوژی گلخانه از منظر اقتصادی به مثابه جایگزینی سرمایه به جای زمین و آب است. به گونه ای که در شرایط محدودیت زمین، آب و شرایط مناسب فصلی، می توان با جایگزینی سرمایه به جای سایر عوامل به شکل گلخانه، تولید در واحد سطح و حجم آب را ادامه و افزایش داد. برای این منظور ضروری است که در گلخانه به صورت مصنوعی شرایط بهینه رشد گیاه را فراهم نمود. یکی از مهمترین عوامل محیطی رشد، دمای مطلوب است. اگرچه فلسفه ساخت گلخانه، استفاده از اثر گلخانه ای و تامین دمای مطلوب رشد است، اما به دلیل توسعه گسترده گلخانه ها (حتی در مناطق نسبتا سرد) و ارزان بودن سوخت های فسیلی، دمای مطلوب گلخانه با استفاده از سیستم های گرمایش تامین می گردد. لیکن، امروزه با توجه به بحران انرژی و آلاینده های زیست محیطی و همچنین گران شدن قیمت سوخت ناشی از حذف قسمتی از یارانه های حامل های انرژی، دیگر تامین دمای مطلوب داخل گلخانه با استفاده بی رویه و غیراصولی سوخت، مقرون به صرفه نخواهد بود. به همین دلیل ضروری است از یک طرف با استفاده از سایر منابع انرژی به ویژه انرژی خورشیدی و از دیگر سو با تمرکز گلخانه های خورشیدی صرفا در مناطقی که پتانسیل خوبی در توسعه این گلخانه ها دارند، سهم بیشتری از انرژی مورد نیاز گرمایش گلخانه ها را از نور خورشید تامین نمود. طی این تحقیق در مرحله ی اول با تمرکز بر استفاده از انرژی خورشیدی در گلخانه ها به روش غیرفعال، سعی بر آن شده است که با انتخاب جنس پوشش و جنس مواد به کار رفته در دیواره شمالی و احیانا کف گلخانه به عنوان مواد جاذب و ذخیره انرژی گرمایی، نقش اثر گلخانه ای در افزایش دمای داخل گلخانه پر رنگ تر و موثرتر شود و لذا نیاز به مصرف سوخت سیستم گرمایش گلخانه، کاهش یابد. برای این منظور پنج پنل مشابه به عنوان مدل های فیزیکی از گلخانه های خورشیدی غیرفعال طراحی و ساخته شدند. در گام نخست، با نصب پوشش های مختلف و در مرحله دوم، با تغییر مواد جاذب انرژی داخل پنل ها، آزمون های لازم انجام گردید. برای این منظور از شش عدد ترموگراف نصب شده در داخل پنل ها و محیط خارج آنها استفاده شد. جهت مقایسه پوشش ها، از پارامتر محاسبه شده پتانسیل انباشت گرما نسبت به محیط خارج و برای مقایسه مواد جاذب، از پارامتر نیاز گرمایشی پنل برای تثبیت دما در ‮‭18‬ درجه سلسیوس، استفاده گردید. همچنین میزان انرژی مصرفی سیستم گرمایش الکتریکی برای تثبیت دما روی ‮‭18‬ درجه سلسیوس، مقایسه شد. از سوی دیگر، تاثیر کاربرد پرده محافظ انرژی نیز روی پارامترهای مورد نظر ارزیابی گردید. کلیه مقایسات آماری با طرح آزمایشی کاملا تصادفی، در پنج تکرار و با استفاده از نرم فزار ‭Statistica‬7 انجام شدند. نتایج این بخش نشان داد که پوشش پلی ربنات دو جداره با ضخامت 6 میلیمتر، بهترین پوشش از لحاظ قابلیت انباشت گرما، است. همچنین، نتایج مربوط به انواع مواد جاذب نشان داد که تیمار بتن با سطح سیاه رنگ و تیمار مخازن آب در دیواره شمالی و شن در کف پنل، مشترکا بهتر از سایر تیمارها عمل می کنند. کاربرد پرده محافظ انرژی نیز به طور املا معنی داری، نیاز گرمایشی گلخانه های خورسیدی مدل را کاهش داد. در مرحله بعد (دوم) به منظور تعیین و معرفی قطب(های) توسعه گلخانه های خورشیدی در کشور، با استفاده از داده های هواشناسی ناسا و با کاربرد نرم افزار ‮‭144‬ ، ‭Surfer ‬نقشه ی پهنه بندی تهیه و بر مبنای آنها ‮‭19‬ منطقه دارای پتانسیل متفاوت از منظر استفاده از انرژی خورشیدی، تعیین شدند. از بین این مناطق و با استفاده از داده های هواشناسی ایستگاه های سینوپتیک (سال ‮‭1384 -1385‬)، بهترین منطقه در حدفاصل شرق استان فارس و غرب استان کرمان، تعیین شد. سپس در مرحله ی سوم با کاربرد نتایج و یافته های مرحله ی اول، اولین گلخانه خورشیدی ملی با استفاده از نرم افزار ‭Solid Works ‬طراحی و جزییات فنی آن گردید. در ادامه ی این تحقیق (مرحله چهارم) با تمرکز بر استفاده از انرژی خورشیدی در گلخانه ها، به روش فعال، سعی بر آن شده است که با بررسی زوایای تابش خورشیدی و متعاقب آن، مطالعه ی زوایای بهینه نصب کلکتورهای (آبگرمکن های) خورشیدی، بیشینه راندمان از عملکرد کلکتور به دست آید. از این رو ابتدا با استفاده از مدل سازی ریاضی و با استفاده از فرمول های موجود در منابع معتبر، زاویه برخورد پرتو خورشیدی بر سطح کلکتور با زاویه های تمایل عمودی و انحراف افقی مختلف در طول سال و در ساعات مختلف روز برای طول و عرض های جغرافیایی مختلف، تعیین شد. سپس با معلوم بودن زاویه برخورد، نسبت تابش روی سطح کلکتور به تابش در سطح عمود بر راستای پرتو، مشخص شد و در نتیجه تابش روی کلکتور مشخص گردید. به این شیوه زاویه بهینه کلکتور برای 9 شهر کشور، تعیین و اریه شدند. از سوی دیگر، با اندازه گیری تابش خورشیدی در شهر تهران، از زمان طلوع تا غروب خورشید، در ماه های مختلف سال، کل انرژی قابل استحصال و زاویه بهینه نصب کلکتور برای ماه های مختلف سال تعیین شد. همچنین، با اندازه گیری های واقعی به وسیله کلکتورهای (آبگرمکن های) خورشیدی نصب شده در محوطه ی موسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی (شهرستان کرج)، میزان راندمان برای کلکتورهای صفحه تخت، ‮‭50‬ تا ‮‭60‬ درصد به دست آمد. سپس با در نظر گرفتن نیاز گرمایشی یک گلخانه ‮‭1000‬ مترمربعی مرجع در شرایط اقلیمی ‮‭320‬ نقطه ی مختلف در سطح کشور و پتانسیل تابش خورشیدی در این نقاط، نقشه های هم نیاز تعداد کلکتور خورشیدی برای ماه های سرد سال رسم و ارایه گردید. در ارزیابی اقتصادی استفاده از سیستم های خورشیدی به منظور تامین گرمایش گلخانه ها در کشور (براساس استفاده از سیستم خورشیدی غیرفعال و نیز تعداد کلکتورهای مورد نیاز در مناطق مختلف کشور، طول عمر مفید کلکتورهای خورشیدی به همراه سیستم های گرمایش آب گرم و همچنین قیمت سوخت مصرفی)، نسبت منفعت به هزینه ‭(B/C) ‬در شرایط کنونی قیمت گازوییل