نگاهی به انرژی های نو و کارکردها

نياز گسترده انسان به منابع انرژي همواره از مسائل اساسي در زندگي بشر بوده و تلاش براي دستيابي به يك منبع تمام نشدني انرژي از آرزوهاي ديرينه انسان محسوب می شود.انسان همواره در تصورات خود نيروي تمام نشدني را جستجو مي كرد كه در هر زمان و مكان در دسترس او باشد  .

با پيشرفت تمدن بشري، گياهان به ويژه درختان(چوب) و پس ازآن زغال سنگ، نفت و گاز وارد بازار انرژي شد، اما به دلایلی چون: نياز روز افزون به انرژي، محدوديت منابع فسيلي و آلودگي هاي زيست محيطي ناشي از سوزاندن و متصاعد شدن گازهاي سمي حاصل ازآن( كه موجب مشكلات تنفسي، افزايش دماي هوا و تغييرات گسترده آب و هوايي مي گردد) صاحبنظران و كارشناسان بر آن شدند كه با استفاده از انرژي هاي پاك نظير انرژي خورشيدي، بادي، زمين گرمايي، هيدروژني و... به جاي انرژي هاي محدود فسيلي،از خطرات و چالش هاي ايجاد شده ممانعت كنند. اين امر سبب شده است كه كشورهاي توسعه يافته با جديت هرچه تمام تر استفاده از ساير انرژي هاي موجود در طبيعت، به خصوص انرژي هاي تجديد شونده را مورد توجه قرار دهند  .

منابع انرژي در جهان به دو دسته اصلي تقسيم مي شوند  :

1- انرژي هاي تجديد ناپذير : منابع هيدرو كربني؛ الف: زنده (گياهان)، ب: غير زنده (مواد معدني مثل زغال سنگ، نفت، گاز و...) كه به سوخت هاي فسيلي معروفند  .

2- انرژي هاي تجديد پذير: انرژي خورشيد، باد، انرژي زمين گرمايي، انرژي هيدروژني و پيل هاي سوختي، بيوگاز،امواج و.... كه در منابع مختلف تحت عنوان انرژي هاي نو از آن ها ياد مي شود  . 

 

1- انرژي هاي تجديد ناپذير

سوخت هاي فسيلي همچون زغال سنگ و نفت از بقاياي گياهان و جانوراني كه در زير درياها در زمانهاي قديم مدفون شده اند به وجود مي آيند و به طور طبيعي، بصورت مواد جامد، مايع و گاز يا مخلوطي از آن ها در معادن یافت مي شوند  . 

1- منابع هيدروكربني زنده: شامل بقاياي گياهان درختان، بوته ها و ساير رستني هاست كه به عنوان سوخت در موارد مختلف كاربرد دارد  .

2-منابع هيدروكربني غيره زنده  : 

1- زغال سنگ  : 

زغال سنگ يكي از منابع توليد انرژي هاي فسيلي است كه اغلب در معادن زير زميني يافت مي شود. بهره برداري از زغال سنگ در شرايط فعلي با صرف هزينه زياد و كار طاقت فرسا ميسر است. به دلیل توليد حرارتي بالا، زغال سنگ در كوره هاي حرارتي، كشتيهاي باري و كارخانجات فولاد سازي کاربرد بیشتری دارد  .

2- نفت  :

نفت مايعي سياه رنگ و غليظ است كه با حفر چاههاي عميق از زير زمين استخراج مي شود. چون استخراج، ذخيره و پالايش آن نسبت به ساير سوخت ها آسانتر است، بيشتر مورد توجه است  . 

3- گاز  : 

گاز يكي ديگر ازاشكال منابع هيدروكربني است كه با تكنيك هاي ويژه اي بدست

مي آید  .

الف- گاز طبيعي: مخلوطي از گازهاي متان، اتان و پروپان است. اين گاز از دو منبع گاز مستقل و گاز همراه با نفت بدست مي آيد  . 

ب- گازمايع: اين نوع گاز كه به دلیل تبدیل راحت از حالت گاز به مایع از پركاربردترين گازهاي مصرفي است،در كپسول هاي خانگي مورد استفاده قرار مي گيرد. اين نوع از گازها مخلوطي از گازهاي پروپان، بوتان، پروپيلن و بوتيلن و در حقيقت مخلوطي از بخش هاي پالايش شده نفت خام است  . 

نفت و گاز كاربردهاي وسيعي در صنعت، حمل و نقل، كشاورزي و مصارف بهداشتي دارد  .

 

2- انرژي هاي تجديدپذير

 

انرژي باد  :

انرژي باد نظير ساير منابع انرژي تجديدپذير از نظر جغرافيايي گسترده و عين حال به صورت پراكنده و غير متمركز محسوب می شود که تقريباً هميشه در دسترس است  .

 

انرژي زمين گرمايي

مركز زمين (به عمق تقريبي 6400 كيلومتر) که در حدود 4000 درجه سانتي گراد حرارت دارد، به عنوان يك منبع حرارتي عمل نموده و موجب تشكيل و پيدايش مواد مذاب با درجه حرارت 650 تا 1200 درجه سانتي گراد در اعماق 80 تا 100 كيلومتري از سطح زمين مي گردد. طبق محاسبه ها، مشخص شده است كه انرژي حرارتي ذخيره شده در 11 كيلومتر فوقاني پوسته زمين معادل پنجاه هزار برابر كل انرژي به دست آمده از منابع نفت و گاز شناخته شده امروز جهان است. البته عمق مخزن زمين گرمايي نبايد بيش از سه هزار متر باشد زيرا بهره برداري از انرژي آن با فناوري كنوني بشر توجيه اقتصادي ندارد. با افزايش عمق زمين درجه حرارت افزايش مي يابد. اين افزايش حرارت را شيب حرارتي مي نامند. تمام منابع انرژي زمين گرمايي در نقاطي واقع شده اند كه از شيب حرارتي بالايي برخوردارند  .

 

هيدروژن و پيل سوختي انرژي

هيدروژن يكي از عناصري است كه در سطح زمين به وفور يافت مي شود. اين عنصر در طبيعت به صورت خالص وجود ندارد ولي آنرا مي توان به روش هاي مختلف از ساير عناصر بدست آورد. هيدروژن عمده ترين گزينه مطرح بعنوان حامل جديد انرژي است. اين ماده در مقايسه با ساير سوخت ها مي تواند با راندماني بالاتر و احتراق بسيار پاك به ساير اشكال انرژي تبديل شود  .

 

بيوگاز

به مجموعه گاز هايي كه در اثر تخمير مواد آلي (فضولات انساني، حيواني و گياهي) در يك دامنه دماي معين و  PH  مشخص در نتيجه فقدان اكسيژن و فعاليت باكتري هاي غير هوازي خصوصاً باكتري هاي متان زا در محفظه تخمير توليد مي شود، بيوگاز گفته مي شود .

اين گاز به صورت طبيعي در باتلاق ها و مرداب ها و يا مكان هاي دفع زباله هاي شهري مشاهده مي شود  . 

اين گاز نوعي از سوخت نيز به حساب مي آيد داراي 60 درصد متان و 30 درصد دي اكسيد كربن و 10 درصد مخلوطي از هيدروژن، اكسيژن و منو اكسيد كربن است ولي تركيب اصلي بيوگاز، گاز متان است كه اين گاز در زمره گازهاي قابل اشتغال محسوب مي شود. متان، گازي است بي رنگ و بي بو كه اگر يك فوت مكعب آن بسوزد، 250 كيلو كالري انرژي حرارتي توليد مي شود  . 

 

انرژي امواج

درياها و اقيانوس ها با عوامل مختلف فيزيكي، انرژي را دريافت و ذخيره نموده و سپس آن را از دست مي دهند. اين انرژي به صورت موج، جزر و مد، اختلاف درجه حرارت آب است كه مي توان از هر يك از آنها بهره برداري كرد  . 

انرژي امواج درياها و اقيانوس ها: در اثر انتقال انرژي مكانيكي باد به دريا امواج به وجود مي آيند. ميزان انتقال اين انرژي بستگي به سرعت باد و مسافتي كه باد در طول دريا طي كرده دارد.امواج به خاطر جرم آبي كه نسبت به سطح متوسط دريا جابه جا شده، انرژي پتانسيل و به خاطر سرعت ذرات آب، انرژي جنبشي را با خود حمل مي كنند. انرژي ا مواج حاصله در مناطق ساحلي در حدود 2 تا 3 ميليون مگاوات برآورد مي شود. موج هاي بزرگ در آب هاي عميق انرژي خود را آهسته از دست مي دهند در نتيجه سيستم هاي امواج بسيار پيچيده هستند و اغلب از باد هاي محلي و طوفانهايي كه روزها قبل در دوردست اتفاق افتاده اند سرچشمه مي گيرند  .

انرژي خورشيدي  ( Solar Energy): 

خورشيد نه تنها خود منبع عظيم انرژي است، بلكه سرآغاز حيات و منشا تمام انرژي هاي ديگر است. طبق برآوردهاي علمي، حدود 600 ميليون سال از تولد اين منبع عظيم مي گذرد و در هر ثانيه 2/4 ميليون تن از جرم خورشيد به انرژي تبديل مي شود. با توجه به وزن خورشيد كه حدود 333 هزار برابر وزن زمين است اين كره نوراني را مي توان به عنوان منبع عظيم انرژي تا 5 ميليارد سال آينده به حساب آورد  .

 

كاربرد انرژي خورشيدي

1- كاربرد نيروگاهي: تأسيساتي كه با استفاده ازآن ها انرژي جذب شده حرارتي خورشيد به الكتريسيته تبديل مي شود. اين تأسيسات بر اساس نوع متمركز كننده ها به شرح زيرند  : 

الف – نيروگاهي كه گيرنده آنها آينه هاي سهموي(رجوع به پاورقی) ناوداني هستند(شلجمي باز): در اين نيروگاه ها يك سيستم ردياب خورشيد وجود دارد كه به وسيله آن آينه هاي شلجمي دائماً خورشيد را دنبال مي كنند و پرتو هاي آن را روي لوله دريافت كننده متمركز مي نمايند.

 

دراین نیروگاهها، از منعکس کننده‌هایی که به صورت سهموی خطی می‌باشند جهتت مرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آنها استفاده می‌شود و گیرنده به صورتلوله‌ای در خط کانونی منعکس کننده‌ها قرار دارد. در داخل این لوله روغنمخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم و داغ می‌گردد  . روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار به مدارهای مرسوم درنیروگاههای حرارتی انتقال داده می‌شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور بهتوان الکتریکی تبدیل گردد  .

در این نیروگاهها یک سیستم ردیابخورشید نیز وجود دارد که بوسیله آن آینه‌های شلجمی دائماً خورشید را دنبال می‌کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز می‌نمایند  .

در ايران يك نيروگاه که از اين روش استفاده می کند با ظرفيت 250 كيلو وات به وسیله (سازمان انرژي هاي نو ايران ) در شيراز احداث گرديده است  . 

 

ب – نيروگاهي كه گيرنده آنها در يك برج قرار دارد و نور خورشيد به وسیله آينه هاي بزرگي بنام هليوستات به آن منعكس مي شود. (دريافت كننده مركزي): نيروگاه ها با سيستم خورشيدي، پرتوهاي نور خورشيد را جذب و با استفاده از حرارت جذب شده توليد بخار نموده و سپس سيستمي انرژی جنبشی بخار توليد شده را به کمک توربين و ژنراتور هاي الكتريكي به انرژي الكتريسيته تبديل مي كند( بخار حاصل با فشار و دماي بالا وارد توربين ها شده و موجب به گردش در آمدن پره هاي توربين مي گردد چرخش اين پره ها و تبديل پتانسيل بخار، به انرژي جنبشي باعث دوران ژنراتورهاي الكتريكي و در نهايت توليد برق مي شود)

اولين نوع این نيروگاه خورشيدي ايران به وسیله سازمان انرژي هاي نو ايران و با كمك شركت هاي مشاور و سازنده داخلي با ظرفيت يك مگاوات و سيال عامل آب و بخار در طالقان جريان دارد  .

 

ج- نيروگاه هاي كه گيرنده آن ها بشقابي سهموي (ديش)است (شلجمي بشقابي): در اين

نيروگاه ها از منعكس كننده هاي شلجمي بشقابي جهت تمركز نقطه اي پرتوهاي خورشيد استفاده مي گردد و گيرنده هاي كه در كانون قرار مي گيرد به كمك سيال جاري در آن، انرژي گرمايي را جذب نموده و به كمك يك ماشين حرارتي و ژنراتور آن را به توان مكانيكي و الكتريكي تبديل مي نمايد  . 

 

مزاياي نيروگاه هاي خورشيدي

1- توليد برق بدون مصرف سوخت

2- عدم احتياج به آب زياد

3- عدم آلودگي محيط زيست

4- امكان تأمين شبكه هاي كوچك و ناحيه اي

5- استهلاك كم و عمر زياد

6- عدم احتياج به متخصص

 

2- كاربردهاي غيرنيروگاهي: کاربردهی غیر نیروگاهی انرژی خورشیدی شامل موارد متعددي است كه مهمترین آن ها عبارتند از: آبگرم كن و حمام خورشيدي، گرمايش و سرمايش ساختمان و تهويه مطبوع خورشيدي، آب شيرين كن خورشيدي، خشك كن خورشيدي، اجاق هاي خورشيدي، كوره خورشيدي، خانه هاي خورشيدي  .

تبديل مستقيم پرتوهاي خورشيد به الكتريسيته به وسيله تجهيزاتي به نام فتوولتائيك صورت مي گيرد كه عموماً تجهيزاتي جامد و بي حركت هستند (جز در مورد انواع مجهز به سيستم رديابي خورشيد.)

به پديده اي كه در اثر تابش نور بدون استفاده از مكانيزم هاي محرك، الكتريسيته توليد كند پديده فتوو لتائيك و به هر سيستمي كه از اين پديده استفاده كند سيستم فتوولتائيك گويند  . 

سيستم هاي فتولتائيك را مي توان به طور كلي به سه بخش اصلي تقسيم نمود  . 

الف – پنل هاي خورشيدي : به يك مجموعه از سلول هاي خورشيدي سري و موازي مي گويند كه عموماً از سلسيم تشكيل شده اند و سلسيم آنها از شن و ماسه تهيه مي گردد. اين بخش در واقع مبدل انرژي تابشي خورشيد به انرژي الكتريكي بدون واسطه هستند  . 

ب- توليد توان مطلوب يا پخش كنترل: وظيفه اين بخش كنترل همه مشخصات سيستم و توان ورودي پنل ها طبق نياز مصرف كننده است  .  سلول خورشیدی یا سلول فوتوولتاییک ابزاری است که انرژی خورشیدی را تحت اثرفوتوولتاییک به الکتریسیته مبدل می‌کند. فن‌آوری فوتوولتاییک شاخه‌ای ازفن‌آوری است

که به کاربرد سلول‌های خورشیدی می‌پردازد. گاهی اصطلاح «سلول خورشیدی» تنها برای ابزارهایی به کار می‌رود که مختص تبدیل انرژی نورخورشید هستند، در حالی که عبارت «سلول فوتوولتاییک» به صورتی عام‌تر بهکار می‌رود. سازه‌ای که از کنار هم چیدن سلول‌های خورشیدی به دست می‌آیدرا واحد خورشیدی گویند که خود این سازه‌ها را می‌توان به هم متصل ساخت تاآرایهٔ فوتوولتاییک به دست آید.  سلول‌های خورشیدی کاربرد بسیاری دارند. سلول‌های تکی برای فراهم کردن توان لازم دستگاه‌های کوچک‌تر مانندماشین حساب الکترونیکی به کار می‌روند. آرایه‌های فوتوولتاییک الکتریسیتهٔ بازیافت‌شدنی‌ای را تولید می‌کنند که عمدتاً در موارد عدم وجود سیستم انتقال و توزیع الکتریکی کاربرد دارد. برای مثال می‌توان به محل‌های دوراز دسترس، ماهواره‌های مدارگرد، کاوش‌گرهای فضایی و ساختمان‌های مخابراتی دور از دسترس اشاره کرد. علاوه بر این استفاده از این نوع انرژی امروزه درمحل‌هایی که شبکهٔ توزیع هم موجود است مرسوم شده‌است.

 

مصارف و کاربردهای فتوولتائیک

 •مصارف فضانوردی و تأمین انرژی مورد نیاز ماهواره‌ها جهت ارسال پیام

 •روشنایی خورشیدی :

در حال حاضر روشنایی خورشیدی بالاترین میزان کاربرد سیستم‌های فتوولتائیک را در سراسر جهان دارد و سالانه دهها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می‌گردد، مانند برق جاده‌ها و تونلها بخصوص در مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارند، تأمین برق پاسگاههای مرزی که دور از شبکه برق هستند، تأمین برق مناطقی شکاربانی و مناطق حفاظت شده نظیر جزیره‌های دور افتاده که جنبه نظامی دارند  .

 •سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی :

انرژی مورد نیاز کلیه لوازم برقی منازل (شهری و روستایی) و مراکز تجاری را می‌توان با استفاده از پنلهای فتوولتائیک و سیستمهای ذخیره کننده و کنترل نسبتاً ساده، تأمین نمود  .

 •سیستم پمپاژ خورشیدی :

سیستم پمپهای فتوولتائیک قابلیت استحصال آب از چاهها، قنوات، چشمه‌ها، رودخانه‌ها و ….. را جهت مصارف متنوعی دارا می‌باشد  .

 •سیستم تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری :

اغلب ایستگاههای مخابراتی و یا زلزله نگاری در مکانهای فاقد شبکه سراسری و صعب العبور و یا در محلی که احداث پست فشار قوی به فشار ضعیف و تأمین توان الکتریکی ایستگاه مذکور صرفه اقتصادی و حفاظت الکتریکی ندارد نصب شده‌اند  .

 •ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و وسایل بازی کودکانه یا هر نوع وسیله‌ای که تاکنون با باطری خشک کار می‌کرده‌است یکی دیگر از کاربردهای این سیستم می‌باشد .

مثلاً ژاپن در سال ۱۹۸۳ حدود ۳۰ میلیون ماشین حساب خورشیدی تولید کرده‌است که سلولهای خورشیدی بکار گرفته در آنها مساحتی حدود ۰۰۰/۲۰ متر مربع و توان الکتریکی معادل ۵۰۰ کیلووات داشته‌اند  .

 •نیروگاههای فتوولتائیک :

هم‌زمان با استفاده از سیستم‌های فتوولتائیک در بخش انرژی الکتریکی مورد نیاز ساختمانها اطلاعات و تجربیات کافی جهت احداث واحدهای بزرگ‌تر حاصل گردید و همه اکنون در بسیاری از کشورهای جهان نیروگاه فتوولتائیک در واحدهای کوچک و بزرگ و به صورت اتصال به شبکه و یا مستقل از شبکه نصب و راه اندازی شده‌است ولی این تأسیسات دارای هزینه ساخت، راه اندازی و نگهداری بالایی می‌باشند که فعلاً مقرون به صرفه و اقتصادی نیست  .

 •یخچالهای خورشیدی :

از یخچالهای خورشیدی جهت سرویس دهی و ارائه خدمات بهداشتی و تغذیه‌ای در مناطق دور افتاده و صعب العبور استفاده می‌گردد. عملکرد مناسب یخچالهای خورشیدی تا حدی بوده‌است که در طی ۵ سال گذشته بیش از ۱۰۰۰۰ یخچال خورشیدی برای کاربردهای بهداشتی و درمانی در سراسر آفریقا راه اندازی شده‌است  .

 •سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل :

قابلیت حمل و نقل و سهولت در نصب و راه اندازی از جمله مزایای این سیستم‌ها می‌باشد بازده توان این سیستم‌ها از ۱۰۰ وات الی یک کیلو وات تعریف شده‌است. از جمله کاربردهای آن می‌توان به تأمین برق اضطراری در مواقع بروز حوادث غیر مترقبه، سیستم تغذیه کننده یک چادر عشایری و کمپ‌های جنگلی اشاره نمود  .

 

ماخذ : منابع معتبر وزارت نيرو و سازمان انرژي هاي تجديد پذير و پاك