دوره‌های مختلف تمدن انسان بر اساس كشفیات و اختراعات و بهره‌گیری از منابع انرژی‌های گوناگون شكل گرفته‌اند به طوری كه انرژی را می‌توان به‌عنوان بنیاد و اساس زندگی اجتماعی معرفی كرد. پس از افزایش قیمت نفت در سال 1973 كشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله انرژی جدی‌تر بنگرند و این دید پس از افزایش مجدد قیمت نفت بعد از انقلاب اسلامی ایران، وسعت بیشتری یافت.

این مسئله به عنوان بحران انرژی یا بحران احتراق نام گرفت و سرآغاز تحقیقاتی در زمینه صرفه‌جویی یا بهینه‌سازی مصرف انرژی شد. مهمترین نكته‌ای كه برای افراد در مورد صرفه‌جویی در انرژی مطرح می‌شود، این است كه این صرفه‌جویی تأثیری در استاندارد زندگی نداشته و باعث پایین آمدن سطح آسایش آنها نخواهد شد، زیرا این عمل باعث می‌شود كه ضمن حفظ استاندارد زندگی و سطح تولید ناخالص ملی، میزان انرژی مصرفی كاهش یابد. در واقع می‌توان از این موضوع به‌عنوان هر چه بهتر و با راندمان بیشتر از انرژی مصرف كردن نام برد كه همان بهینه‌سازی مصرف انرژی است.

رئیس انجمن انرژی خورشیدی معتقد است سوخت‌های فسیلی ارزان مانع توجه به انرژی خورشیدی شده است. اگرچه 150 پروژه تحقیقاتی در زمینه انرژی خورشیدی در دانشگاه‌های كشور در حال اجراست، اما انرژی‌های فسیلی ارزان، مانع توجه به انرژی‌های نو از جمله انرژی خورشیدی شده است. كشورهایی مثل تركیه، قبرس و ژاپن به علت نداشتن منابع غنی نفت و گاز، به دنبال به دست آوردن انرژی‌های نو و تجدید پذیر هستند به همین دلیل در این زمینه پیشرفت‌های چشمگیری داشته‌اند.

اما متأسفانه به دلیل وجود انرژی‌های فسیلی ارزان در كشور ما كمتر به انرژی‌های نو از جمله انرژی خورشیدی توجه شده است و می‌توان گفت علت اصلی عقب ماندگی ما نسبت به برخی از كشورها وجود نفت و گاز ارزان است. طی چند سال اخیر،‌ دولت نیز برای بهره‌گیری هرچه بهتر و بیشتر و نیز برای جبران این عقب‌ ماندگی،‌گام‌هایی برداشته و 3 نیروگاه خورشیدی یك مگا واتی در شیراز، یزد و طالقان احداث كرده است.

نگاهی به انرژی های نو و کارکردها

نیاز گسترده انسان به منابع انرژی همواره از مسائل اساسی در زندگی بشر بوده و تلاش برای دستیابی به یك منبع تمام نشدنی انرژی از آرزوهای دیرینه انسان محسوب می شود.انسان همواره در تصورات خود نیروی تمام نشدنی را جستجو می كرد كه در هر زمان و مكان در دسترس او باشد .

با پیشرفت تمدن بشری، گیاهان به ویژه درختان(چوب) و پس ازآن زغال سنگ، نفت و گاز وارد بازار انرژی شد، اما به دلایلی چون: نیاز روز افزون به انرژی، محدودیت منابع فسیلی و آلودگی های زیست محیطی ناشی از سوزاندن و متصاعد شدن گازهای سمی حاصل ازآن( كه موجب مشكلات تنفسی، افزایش دمای هوا و تغییرات گسترده آب و هوایی می گردد) صاحبنظران و كارشناسان بر آن شدند كه با استفاده از انرژی های پاك نظیر انرژی خورشیدی، بادی، زمین گرمایی، هیدروژنی و... به جای انرژی های محدود فسیلی،از خطرات و چالش های ایجاد شده ممانعت كنند. این امر سبب شده است كه كشورهای توسعه یافته با جدیت هرچه تمام تر استفاده از سایر انرژی های موجود در طبیعت، به خصوص انرژی های تجدید شونده را مورد توجه قرار دهند .

منابع انرژی در جهان به دو دسته اصلی تقسیم می شوند :

1- انرژی های تجدید ناپذیر : منابع هیدرو كربنی؛ الف: زنده (گیاهان)، ب: غیر زنده (مواد معدنی مثل زغال سنگ، نفت، گاز و...) كه به سوخت های فسیلی معروفند .

2- انرژی های تجدید پذیر: انرژی خورشید، باد، انرژی زمین گرمایی، انرژی هیدروژنی و پیل های سوختی، بیوگاز،امواج و.... كه در منابع مختلف تحت عنوان انرژی های نو از آن ها یاد می شود .

 

1- انرژی های تجدید ناپذیر

سوخت های فسیلی همچون زغال سنگ و نفت از بقایای گیاهان و جانورانی كه در زیر دریاها در زمانهای قدیم مدفون شده اند به وجود می آیند و به طور طبیعی، بصورت مواد جامد، مایع و گاز یا مخلوطی از آن ها در معادن یافت می شوند .

1- منابع هیدروكربنی زنده: شامل بقایای گیاهان درختان، بوته ها و سایر رستنی هاست كه به عنوان سوخت در موارد مختلف كاربرد دارد .

2-منابع هیدروكربنی غیره زنده :

1- زغال سنگ :

زغال سنگ یكی از منابع تولید انرژی های فسیلی است كه اغلب در معادن زیر زمینی یافت می شود. بهره برداری از زغال سنگ در شرایط فعلی با صرف هزینه زیاد و كار طاقت فرسا میسر است. به دلیل تولید حرارتی بالا، زغال سنگ در كوره های حرارتی، كشتیهای باری و كارخانجات فولاد سازی کاربرد بیشتری دارد .

2- نفت :

نفت مایعی سیاه رنگ و غلیظ است كه با حفر چاههای عمیق از زیر زمین استخراج می شود. چون استخراج، ذخیره و پالایش آن نسبت به سایر سوخت ها آسانتر است، بیشتر مورد توجه است .

3- گاز :

گاز یكی دیگر ازاشكال منابع هیدروكربنی است كه با تكنیك های ویژه ای بدست

می آید .

الف- گاز طبیعی: مخلوطی از گازهای متان، اتان و پروپان است. این گاز از دو منبع گاز مستقل و گاز همراه با نفت بدست می آید .

ب- گازمایع: این نوع گاز كه به دلیل تبدیل راحت از حالت گاز به مایع از پركاربردترین گازهای مصرفی است،در كپسول های خانگی مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع از گازها مخلوطی از گازهای پروپان، بوتان، پروپیلن و بوتیلن و در حقیقت مخلوطی از بخش های پالایش شده نفت خام است .

نفت و گاز كاربردهای وسیعی در صنعت، حمل و نقل، كشاورزی و مصارف بهداشتی دارد .

 

2- انرژی های تجدیدپذیر

 

انرژی باد :

انرژی باد نظیر سایر منابع انرژی تجدیدپذیر از نظر جغرافیایی گسترده و عین حال به صورت پراكنده و غیر متمركز محسوب می شود که تقریباً همیشه در دسترس است .

 

انرژی زمین گرمایی

مركز زمین (به عمق تقریبی 6400 كیلومتر) که در حدود 4000 درجه سانتی گراد حرارت دارد، به عنوان یك منبع حرارتی عمل نموده و موجب تشكیل و پیدایش مواد مذاب با درجه حرارت 650 تا 1200 درجه سانتی گراد در اعماق 80 تا 100 كیلومتری از سطح زمین می گردد. طبق محاسبه ها، مشخص شده است كه انرژی حرارتی ذخیره شده در 11 كیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر كل انرژی به دست آمده از منابع نفت و گاز شناخته شده امروز جهان است. البته عمق مخزن زمین گرمایی نباید بیش از سه هزار متر باشد زیرا بهره برداری از انرژی آن با فناوری كنونی بشر توجیه اقتصادی ندارد. با افزایش عمق زمین درجه حرارت افزایش می یابد. این افزایش حرارت را شیب حرارتی می نامند. تمام منابع انرژی زمین گرمایی در نقاطی واقع شده اند كه از شیب حرارتی بالایی برخوردارند .

 

هیدروژن و پیل سوختی انرژی

هیدروژن یكی از عناصری است كه در سطح زمین به وفور یافت می شود. این عنصر در طبیعت به صورت خالص وجود ندارد ولی آنرا می توان به روش های مختلف از سایر عناصر بدست آورد. هیدروژن عمده ترین گزینه مطرح بعنوان حامل جدید انرژی است. این ماده در مقایسه با سایر سوخت ها می تواند با راندمانی بالاتر و احتراق بسیار پاك به سایر اشكال انرژی تبدیل شود .

 

بیوگاز

به مجموعه گاز هایی كه در اثر تخمیر مواد آلی (فضولات انسانی، حیوانی و گیاهی) در یك دامنه دمای معین و PH مشخص در نتیجه فقدان اكسیژن و فعالیت باكتری های غیر هوازی خصوصاً باكتری های متان زا در محفظه تخمیر تولید می شود، بیوگاز گفته می شود .

این گاز به صورت طبیعی در باتلاق ها و مرداب ها و یا مكان های دفع زباله های شهری مشاهده می شود .

این گاز نوعی از سوخت نیز به حساب می آید دارای 60 درصد متان و 30 درصد دی اكسید كربن و 10 درصد مخلوطی از هیدروژن، اكسیژن و منو اكسید كربن است ولی تركیب اصلی بیوگاز، گاز متان است كه این گاز در زمره گازهای قابل اشتغال محسوب می شود. متان، گازی است بی رنگ و بی بو كه اگر یك فوت مكعب آن بسوزد، 250 كیلو كالری انرژی حرارتی تولید می شود .

 

انرژی امواج

دریاها و اقیانوس ها با عوامل مختلف فیزیكی، انرژی را دریافت و ذخیره نموده و سپس آن را از دست می دهند. این انرژی به صورت موج، جزر و مد، اختلاف درجه حرارت آب است كه می توان از هر یك از آنها بهره برداری كرد .

انرژی امواج دریاها و اقیانوس ها: در اثر انتقال انرژی مكانیكی باد به دریا امواج به وجود می آیند. میزان انتقال این انرژی بستگی به سرعت باد و مسافتی كه باد در طول دریا طی كرده دارد.امواج به خاطر جرم آبی كه نسبت به سطح متوسط دریا جابه جا شده، انرژی پتانسیل و به خاطر سرعت ذرات آب، انرژی جنبشی را با خود حمل می كنند. انرژی ا مواج حاصله در مناطق ساحلی در حدود 2 تا 3 میلیون مگاوات برآورد می شود. موج های بزرگ در آب های عمیق انرژی خود را آهسته از دست می دهند در نتیجه سیستم های امواج بسیار پیچیده هستند و اغلب از باد های محلی و طوفانهایی كه روزها قبل در دوردست اتفاق افتاده اند سرچشمه می گیرند .

انرژی خورشیدی ( Solar Energy):

خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلكه سرآغاز حیات و منشا تمام انرژی های دیگر است. طبق برآوردهای علمی، حدود 600 میلیون سال از تولد این منبع عظیم می گذرد و در هر ثانیه 2/4 میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می شود. با توجه به وزن خورشید كه حدود 333 هزار برابر وزن زمین است این كره نورانی را می توان به عنوان منبع عظیم انرژی تا 5 میلیارد سال آینده به حساب آورد .

 

كاربرد انرژی خورشیدی

1- كاربرد نیروگاهی: تأسیساتی كه با استفاده ازآن ها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الكتریسیته تبدیل می شود. این تأسیسات بر اساس نوع متمركز كننده ها به شرح زیرند :

الف – نیروگاهی كه گیرنده آنها آینه های سهموی(رجوع به پاورقی) ناودانی هستند(شلجمی باز): در این نیروگاه ها یك سیستم ردیاب خورشید وجود دارد كه به وسیله آن آینه های شلجمی دائماً خورشید را دنبال می كنند و پرتو های آن را روی لوله دریافت كننده متمركز می نمایند.

 

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 ایران یك نیروگاه که از این روش استفاده می کند با ظرفیت 250 كیلو وات به وسیله (سازمان انرژی های نو ایران ) در شیراز احداث گردیده است .

 

ب – نیروگاهی كه گیرنده آنها در یك برج قرار دارد و نور خورشید به وسیله آینه های بزرگی بنام هلیوستات به آن منعكس می شود. (دریافت كننده مركزی): نیروگاه ها با سیستم خورشیدی، پرتوهای نور خورشید را جذب و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار نموده و سپس سیستمی انرژی جنبشی بخار تولید شده را به کمک توربین و ژنراتور های الكتریكی به انرژی الكتریسیته تبدیل می كند( بخار حاصل با فشار و دمای بالا وارد توربین ها شده و موجب به گردش در آمدن پره های توربین می گردد چرخش این پره ها و تبدیل پتانسیل بخار، به انرژی جنبشی باعث دوران ژنراتورهای الكتریكی و در نهایت تولید برق می شود)

اولین نوع این نیروگاه خورشیدی ایران به وسیله سازمان انرژی های نو ایران و با كمك شركت های مشاور و سازنده داخلی با ظرفیت یك مگاوات و سیال عامل آب و بخار در طالقان جریان دارد .

 

ج- نیروگاه های كه گیرنده آن ها بشقابی سهموی (دیش)است (شلجمی بشقابی): در این

نیروگاه ها از منعكس كننده های شلجمی بشقابی جهت تمركز نقطه ای پرتوهای خورشید استفاده می گردد و گیرنده های كه در كانون قرار می گیرد به كمك سیال جاری در آن، انرژی گرمایی را جذب نموده و به كمك یك ماشین حرارتی و ژنراتور آن را به توان مكانیكی و الكتریكی تبدیل می نماید .

 

مزایای نیروگاه های خورشیدی

1- تولید برق بدون مصرف سوخت

2- عدم احتیاج به آب زیاد

3- عدم آلودگی محیط زیست

4- امكان تأمین شبكه های كوچك و ناحیه ای

5- استهلاك كم و عمر زیاد

6- عدم احتیاج به متخصص

 

2- كاربردهای غیرنیروگاهی: کاربردهی غیر نیروگاهی انرژی خورشیدی شامل موارد متعددی است كه مهمترین آن ها عبارتند از: آبگرم كن و حمام خورشیدی، گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی، آب شیرین كن خورشیدی، خشك كن خورشیدی، اجاق های خورشیدی، كوره خورشیدی، خانه های خورشیدی .

تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الكتریسیته به وسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیك صورت می گیرد كه عموماً تجهیزاتی جامد و بی حركت هستند (جز در مورد انواع مجهز به سیستم ردیابی خورشید.)

به پدیده ای كه در اثر تابش نور بدون استفاده از مكانیزم های محرك، الكتریسیته تولید كند پدیده فتوو لتائیك و به هر سیستمی كه از این پدیده استفاده كند سیستم فتوولتائیك گویند .

سیستم های فتولتائیك را می توان به طور كلی به سه بخش اصلی تقسیم نمود .

الف – پنل های خورشیدی : به یك مجموعه از سلول های خورشیدی سری و موازی می گویند كه عموماً از سلسیم تشكیل شده اند و سلسیم آنها از شن و ماسه تهیه می گردد. این بخش در واقع مبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الكتریكی بدون واسطه هستند .

ب- تولید توان مطلوب یا پخش كنترل: وظیفه این بخش كنترل همه مشخصات سیستم و توان ورودی پنل ها طبق نیاز 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 نیرو و سازمان انرژی های تجدید پذیر و پاك