کوره خورشیدی

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.

تاريخچه استفاده از انرژی خورشيدی:
      دانشمندان در قرن هفدهم و هجدهم براي مقاصد تجربي به آيينه هاي گرم کننده توسل جستند در اثر همين کاوش ها بود که لاوازيه lawoisier و کاسیني cassini موفق شدند که فلزات مختلف را تنها بوسيله اشعه خورشيد ذوب کنند.
      استفاده از انرژي خورشيد براي آتش زدن كشتي هاي جنگي در سال 212 ق.م به وسيله ي ارشميدس يكي از فصول درخشان تاريخ دانش بشري است. ارشميدس با نصب آيينه هايي مربع شكل و كوچك در كنار يكديگر و روي يك پايه ي متحرك،نور خورشيد را بر روي كشتي هاي مهاجم دشمن متمركز و آنها را به آتش كشيد.
      در دوران رنسانس ساخت ابزار خورشيدي مانند بسياري از ابداعات آن دوران غير عملي و با كاربردي بسيار كم دامنه بود و صرفا براي افزايش اطلاعات علمي و آزمايشهاي تجربي ساخته مي شد .اما در قرن هيجدهم اين روند تغيير كرد.در اين قرن «كوره خورشيدي»كه مي توانست آهن،مس و ساير فلزات را ذوب كند ساخته شد.در ساخت كوره خورشيدي فوق از آهن صيقل شده،لنزهاي شيشه اي وآئينه ها استفاده مي شد.
      اين نوع كوره ها در سرتاسر اروپا و خاورميانه بكار گرفته شد.لاوازيه دانشمند بزرگ قرن 18 نيز كوره اي ساخت كه تا1750 درجه سانتيگرادحرارت توليد مي كرد.در اين كوره يك عدسي 52اينچي(132سانتيمتري)ويك عدسي8اينچي(20سانتيمتري)بكار رفته بود.درجه حرارتي كه اين كوره توليد مي كرد تا صد سال پس از لاوازيه نيز بالاترين درجه حرارتي بود كه توليد شد.
      در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره و خورشیدی و 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.
براي اين‌که يک دسته اشعه اي که به ‌وسيله يک نورافکن پخش مي شود به طور متراکم به نقطه دوردستي برده شود بايد طوري باشد که اين اشعه از لحظه نخست پراکنده نشود و از هم دور نگردد . پس از همان ابتدا دسته اشعه بايد با يک‌ديگر موازي باشند و با هم بتابند . اين همان نکته ايي است که در نورافکن هاي موازي رعايت شده و در کانون آن ها يک منبع نوري درخشان قرار داده شده است.حال اگر اشعه ايي که به وسيله آيينه دريافت مي شود کاملا" موازي باشد، در کانون آيينه متمرکز مي شود.
در مورد خورشيد وضع نيز به همين منوال است يعني وقتي آيينه اي در سر راه تابش اشعه خورشيد قرار بگيرد، خورشيد به صورت نقطه کوچکي در آمده ودر آن نقش مي بندد و بی نهايت داغ است چون بيشتر حرارت خورشيد در آن نقطه متمرکز مي شود. از روي همين قانون بود که پروفسور فيلکس ترومب ، دو کوره خورشيدي غول پيکر را که بزرگ‌ترين کوره هاي خورشيدي دنيا محسوب مي شوند ، به وجود آورد.
هر دوي آن ها جهت ياب دارند و يا سيستم آيينه هاي متحرک که به طور مداوم و خودکار خورشيد را در مسيرش دنبال مي کنند ، عمل مي نمايند. بدين نحو که اشعه آن را روي يک رفلکتر (منعکس کننده) قوسي شکل که آن آيينه ای ثابت است مي فرستد . اين آيينه اشعه اي را که از خورشيد مي گيرد در کانون خود که يک کوره خورشيدي در آن‌جاست متمرکز مي سازد. دستگاه اوديو و تأسيسات آن بسيار عظيم و غول پيکر است و جهت ياب آن داراي سطح وسيعي به مساحت 4835 متر مربع مي باشد.
براي اين‌که بتوان دستگاه را به صورت يک گيرنده نور در آورد . بايد شصت و سه آيينه که هر کدام داراي چهل و پنج متر مربع مساحت باشد نزديک هم چسبيده شود . به عبارت روشن تر آيينه اصلي از 63 قطعه آيينه تشکيل شده که با محاسبات بسيار دقيق در کنار هم جاي گرفته اند . اين 63 قطعه که در حقيقت آيينه واحدي را تشکيل مي دهند ، روي هشت تراس پله اي شکل قرار گرفته و يک ساختمان هشت طبقه را تشکيل داده است.آيينه مقعري که روبه‌روي آن است ، از 9000 شيشه که به طرز خوبي خم شده اند ساخته شده است . خود کوره در ساختمان ديگري 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.