چرخه انرژی

در حال حاضر حدود 83 درصد از انرژی مصرفی جهان با سوخت های فسیلی تامین می شود که علاوه بر محدود بودن این منابع دارای مخاطرات جدی زیست محیطی نیز هستند.

منابع انرژی تجدیدپذیر که اهمیت بهره برداری از آنها روبه رشد است، به جهت تنوع وضعیت جغرافیایی در نقاط مختلف کشورمان، می‌تواند به عنوان یکی از مهم ترین گزینه ­های توسعه پایدار مورد توجه قرار گیرد. منابع انرژی تجدید پذیر تمام نمی شوند و پس از مصرف شدن دوباره جایگزین شده و می توانند در زنجیره ی انرژی مورد استفاده قرار بگیرند و معمولا آلودگی به وجود نمی آورند.

در حال حاضر درصد کمی (حدود 15 درصد) از انرژی مصرفی در جهان از منابع تجدید پذیر تأمین می شود که انتظار می­‌رود با پیشرفت های فناوری در سال های آتی رشد چشمگیری داشته باشد.

در زیر برخی از منابع انرژی های تجدید پذیر را به اختصار توضیح می دهیم.

انرژی خورشیدی:

خورشید کره عظیمی از گازهای بسیار داغ است، که طی یک واکنش هسته ای (همجوشی هسته ای) به طور مداوم هیدروژن به هلیم، تبدیل می‌­شود. این تبدیل همراه با كاهش جرم و تولید انرژی به صورت گرما و نور است. میانگین انرژی­‌ای که در هر شبانه روز سطحی با مساحت یک متر مربع زمین از تابش نور خورشید دریافت می‌­کند، حدود 4کیلو وات ساعت است. حدود نیمی از انرژی خورشید صرف گرم شدن خاک و آب و هوای زمین می شود و حدود 30 درصد از انرژی تابشی خورشید بازتاب می شود و درصدی از انرژی خورشید طی عمل فتوسنتز به صورت انرژی شیمیایی در گیاهان ذخیره می شود. می‌توان گفت تقریباً منشأ تمامی انرژی­ های مورد نیاز بشر، انرژی خورشیدی است.

در حال حاضر یکی از فراگیرترین انرژی های تجدیدپذیر در بیشتر کشورهای دنیا و حتی بیرون اتمسفر زمین، انرژی خورشیدی است.

انرژی خورشیدی با توجه به ظرفیت بالای انرژی و پیشرفت های فناوری می تواند ضمن کاهش آلودگی های زیست محیطی به توسعه انرژی پایدار کمک کند.

به دو روش می توان از انرژی خورشید برای تولید انرژی بهره برد:

1. استفاده از انرژی گرمایی خورشید برای مصارف (خانگی، صنعتی و نیروگاه ها)
2. تبدیل مستقیم انرژی تابشی خورشید به الکتریسیته با سلول های خورشیدی (فتوولتاییک)

فتوولتائیک:

عبارت فتوولتائیک «Photovoltaic» ترکیبی از واژه یونانی «Photos» (نور) و «Volt» (ولتاژ) است که به معنای تولید الکتریسیته از نور است.

سلول فتوولتائیک (pv) در اصل از پیوند بین دو لایه نازک از مواد نیمه رسانای غیر مشابه تشکیل شده اند که به عنوان نیمه رسانای نوع n و نوع p شناخته می شوند. این نیمه رساناها اغلب از سیلیکون ساخته می شوند.

با اتصال دو نیمه رسانای غیر مشابه n و p یک میدان الکتریکی در محل پیوند ایجاد می شود. هرگاه فوتون های نور با طول موج مناسب به محل پیوند در قلب سلول خورشیدی برخورد کند، زوج الکترون و حفره ایجاد می شود. الکترون به سمت مثبت و حفره به سمت منفی حرکت می کند و همین امر باعث ایجاد اختلاف پتانسل الکتریکی شده و منجر به برقراری جریان الکتریکی می شود

هر سلول خورشیدی معمولا ابعاد کوچکی داشته و می تواند 1 یا 2 وات برق تولید کند. از سری و موازی کردن سلول‌های خورشیدی می توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. به یک مجموعه از سلول‌های سری و موازی شده پنل فتوولتائیک می گویند.

ولتاژ خروجی پنل های خورشیدی از نوع DC (مستقیم) می ­باشد. این ولتاژ پس از تقویت توسط مبدل MPPT با استفاده از اینورتر به برق AC تبدیل می شود. لذا نیروگاه های فتوولتائیک بر اساس ظرفیت اسمی شامل یک یا چند اینورتر می ­باشند. برق تولیدی اینورترها با استفاده از ترانسفورماتور به شبکه برق سراسری تزریق می ­شود.

فتوولتاییک (pv) امروزه می‌تواند در ساختمان‌های موجود و جدید استفاده شود. کاربرد آن در پوشش ساختمان بسیار متنوع بوده و راه‌های جدیدی به سوی طراحان خلاق می‌گشاید.

انرژی بادی:

اتمسفر زمین درصد کمی از تابش خورشید را که به زمین می‌­رسد، جذب می‌­کند و گرم شدن ناموزون هوا باعث چرخش های بزرگ مقیاس آن شده و باد بوجود می‌آید که انرژی زیادی دارد. البته همه این انرژی برای کاربرد ما در دسترس نیست.

پیش از انقلاب صنعتی انرژی باد به میزان زیادی مورد استفاده قرار می گرفت از جمله تلمبه بادی برای استخراج آب از درون چاه‌ها، آسیاب های بادی برای آرد کردن گندم، نمونه هایی از کاربرد انرژی باد در گذشته محسوب می شود. از سال 1980 تاکنون استفاده از انرژی باد با احداث نیروگاه ها و نصب توربین های بادی به منظور تولید برق در جهان پیشرفت چشمگیری داشته است.

آسیاب های بادی در اشکال مختلفی وجود دارد اما اساس کار در همه آنها اینگونه است که انرژی باد پره ها یا بادبان ها را به حرکت در می آورد و محور آنها به چرخش در آمده و این انرژی به ماشین هایی که پره ها باید آن ها را به کار بیندازند منتقل می شود.

آسیاب های بادی عظیم که توربین بادی نیز نامیده می شود با دو یا سه پره­ به طول 30 متر و حتی بیشتر، مولدهای برق را بکار می اندازند. در هر نیروگاه بادی حدود 20 تا 100 توربین وجود دارد که به فاصله 400 متر از هم قرار گرفته اند. مجموعه توربین های بادی را مزرعه باد (wind Farm) می نامند.

انرژی برق آبی (هیدرو الکتریک):

بشر قرن های متمادی است که از انرژی آب های در حال ریزش از بلندی، ابتدا در شکل مکانیکی (چرخاندن سنگ آسیاب برای آرد کردن گندم) و سپس از اواخر قرن نوزدهم با تبدیل آن به انرژی الکتریکی استفاده کرده است.

نیروگاه­های برق آبی با بازده بیش از 90درصد یکی از بهترین انواع نیروگاه ­های تولید انرژی الکتریکی هستند.

درحال حاضر دومین منبع تولید انرژی بعد از سوخت های فسیلی در جهان انرژی برق آبی (در حدود 6.5 درصد) می باشد.

در اغلب نیروگاه های برق آبی سدی وجود دارد که مانع عبور آب می شود و مخزن بزرگی ایجاد می کند وقتی دریچه سد باز می شود آب تحت نیروی جاذبه گرانشی از طریق تونل به پایین جریان پیدا می کند (انرژی پتانسل گرانشی آب به جنبشی تبدیل می شود) و با برخورد به پره های توربین موجب چرخش آهنرباهای غول پیکر در ژنراتور شده و جریان الکتریکی ایجاد می کنند( انرژی جنبشی به الکتریکی تبدیل می شود).

ظرفیت تولید توان الکتریکی یک نیروگاه برق آبی به عوامل مختلفی بستگی دارد از جمله می توان به (بازده کلی نیروگاه- نوع نیروگاه- ارتفاع موثر آب نگهداری شده و جریان جرمی آب عبوری از توربین) اشاره کرد.

سوخت های زیستی (Biomass):

هر سال از طریق فتوسنتز، معادل چندین برابر مصرف انرژی سالانه جهانی، انرژی خورشیدی در برگ ها، تنه و شاخه های درختان ذخیره می شود؛ بنابراین، درمیان منابع انرژی تجدیدپذیر، سوخت های زیستی از جهت ذخیره‌ی انرژی خورشیدی منحصر به فرد است. افزون بر این، سوخت های زیستی تنها منبع تجدیدپذیر کربن هستند و می توانند به سوخت های جامد، مایع و گازی مناسب تبدیل شوند. شکل جامد سوخت های زیستی زغال چوب است؛ از تخمیر بقایای محصولات کشاورزی مثل نیشکر و ذرت و.. سوخت مایع (اتانول) بدست می آید. این سوخت پاک می­‌تواند جایگزین بنزین شود اما انرژی حاصل از سوخت گیاهی مایع در حدود 50 درصد بنزین می باشد.

با اعمال مجموعه ای از فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و زیست محیطی بر روی منابع مختلف (پسماند های محصولات کشاورزی، غذایی، فاضلاب ها و....) مانند تجزیه، تخمیر و .....در یک محفظه بسته، گازی حاصل می شود که زیست گاز نامیده می شود. پس از طی فرآیندهای تصفیه‌ای و زیست محیطی استاندارد این گاز به یک حامل انرژی تبدیل می شود که مصارف خانگی و صنعتی دارد.

اغلب اوقات، ضایعات آلی کارخانه ها، برای حیوانات و انسانها به عنوان یک دردسر تلقی می‌­شود؛ اما این ضایعات، به صورت بالقوه حاوی مقدار کافی انرژی جهت تأمین انرژی مناطق زیادی به خصوص مناطق روستایی در کشورهای در حال توسعه است. همچنین فضولات حیوانی، فاضلاب های شهری و زائدات جنگلی، کشاورزی، باغداری و صنایع غذایی همگی دارای مواد آلی هستند که توانایی سوختن دارند و از منابع مهم سوخت های زیستی محسوب می شوند.

 خوب است بدانید: سوختهای گیاهی چهارمین منبع بزرگ انرژی جهان هستند.

انرژی امواج دریا:

تابش خورشید به جو و سطح زمین سبب تولید باد می شود و حرکت باد بر روی سطح دریاها و اقیانوس ها موج ایجاد می کند. با نصب توربین های مخصوص از انرژی حاصل از امواج می توان برای تولید برق استفاده کرد.

از عوامل موثر در استفاده از انرژی امواج، توزیع آماری ارتفاع و دوره ای امواج است که به شرایط آب و هوایی محل بستگی دارد. از انرژی امواج دریا در مقیاس کوچک استفاده می شود و برای ساکنین ساحل دریا و جزایر، منبع انرژی با ارزشی می باشد.

در کشور ما سواحل چابهار به عنوان مناسب ترین محل برای استفاده از انرژی امواج تشخیص داده شده است.

نحوه کار با شبیه ساز

در بالای صفحه شبیه ساز شما دوگزینه حالت اطلاعات و حالت مسیر را مشاهده می کنید.

حالت اطلاعات: با کلیک بر روی هر تصویر اطلاعاتی درباره آن و نحوه دریافت و تولید انرژی را خواهید دید.

حالت مسیر: با انتخاب مسیر می توانید مسیر تبدیلات انرژی را در سمت چپ شبیه ساز مشاهده کنید. برای این منظور ابتدا روی تصویر خورشید و سپس منابع انرژی دیگر را کلیک نمایید تا به یک مصرف کننده ختم شود.

برای مثال در انرژی بادی شما باید به ترتیب مسیر زیر را بپیمایید:

خورشید -------> باد -------> توربین بادی -------> ( یک وسیله برقی)

وقتی مسیر کامل شد برای شروع یک مسیر جدید روی بازنشانی کلیک کنید.

پس از کار با شبیه ساز، به سوالات زیر پاسخ دهید:

1- تحقیق کنید چه نقاطی از ایران برای استفاده انرژی خورشیدی دارای شرایط بهتری هستند.

2- در باد چه نوع انرژی وجود دارد و منشا این انرژی چیست؟

3- یک منبع انرژی تجدید پذیر که منشا اصلی آن خورشید نباشد نام ببرید.

4- تحقیق کنید چرا برخی از طرفداران محیط زیست با احداث نیروگاههای بادی (مزرعه بادی) مخالف هستند؟

5- چه نوع تبدیل انرژی در نیروگاههای برق آبی صورت می­‌گیرد؟

6- استفاده کردن از سوخت های گیاهی مایع بجای بنزین چه محاسن و چه معایبی دارد؟

7- پسر بچه ای با خوردن تخم مرغ انرژی کسب می‌­کند. توضیح دهید چگونه خورشید منبع اصلی این انرژی است.