امیر ناجی
Contact me
My Profile
Previous Months Home Archive More ...
      مقاله (انواع مقالات (اجتماعی.ورزشی.علمی.فرهنگی و....))
نویسنده: امیر ناجی - شنبه ۱۳٩٠/۸/٧

مقدمه

از زمانی که انسانهای اولیه شروع به استفاده از انرژی کرده‌اند تا حال ، انرژی به انرژیهای قدیمی و انرژیهای نو تقسیم بندی می‌شود.

  • انرژیهای قدیمی شامل: چوب ، زغال سنگ ، انرژی باد (برای کشتیهای بادی) ، نفت و ... می‌باشند.
  • انرژیهای نو شامل: انرژی خورشید ، باد (برای ماشینهای بادی امروزی) ، هیدروژن ، اتم ، انرژی هسته‌ای و ... هستند.

    این روزها همه صحبت از صرفه جویی در مصرف انرژی است و دانشمندان بیشترین تلاش خود را صرف پیدا کردن راههایی برای بدست آوردن انرژی بیشتر و ارزانتر می‌کنند و از باد ، خورشید ، جزر و مد دریاها و انرژی موجود در اتمها نیز مدد می‌جویند. اما جالب است بدانید که همین دانشمندان هم به سختی می‌توانند، تعریف دقیقی از انرژی ارائه کنند.

    در حقیقت اگر انرژی را به صورت "کار ذخیره شده" یا "توانایی انجام کار" تعریف کنیم، توانسته‌ایم تا حدود زیادی تعریفی از انرژی ارائه نمائیم. هر چند که این تعریف چندان جامع و کامل نیست. در حقیقت وجود ما و دنیای اطراف ما بدون وجود انرژی و حتی تبدیل آن به صورتهای گوناگون امری محال است. لذا انرژی نه از بین می‌رود ونه به وجود می‌آید!

    در تعریف انرژی می‌توانیم بگوییم که: انرژی توانایی انجام کار است. یعنی تمامی موجودات برای انجام کار باید غذا مصرف کنند تا این غذا بصورت انرژی در ماهیچه‌های آنها ذخیره شود که در موقع لازم بتوانند از آن استفاده کنند. با پیشرفت و انقلاب تکنولوژیک تمامی دستگاهها و ماشینها به نوعی از انرژیهای مختلف استفاده می‌کنند. مثلا ماشین بنزین مصرف نکند برای ما نمی‌تواند کار انجام دهد یا یخچال انرژی الکتریکی مصرف نکند، نمی‌تواند عمل سرمایشی انجام دهد.

    در حقیقت انرژی همواره از صورتی به صورت دیگر تبدیل می‌شود و همین امر کارها را به سرانجام می‌رساند. برای نمونه انرژی موجود در دریاچه‌های پشت سدها ، انرژی ارتفاعی است. خودورهای در حال حرکت ، مثل بسیاری از اشیا متحرک دیگر ، دارای انرژی حرکتی هستند. در کمان تیراندازی انرژی کششی نهفته است و در ابرهای باران زا نیز می‌توانیم انرژی الکتریکی را بیابیم. اما این انرژی کار آمد و مهم را چگونه اندازه گیری می‌کنند!؟

موقعیت جهانی انرژی

  • سرنوشت انسانها بر این روال است که در مقابل خطر متحد می‌شوند. ولی بر عکس در مورد مراکز هسته‌ای عقاید بسیار متفاوت است. زیرا بعضی از ملتها از دیگری می‌ترسند. در چنین شرایطی ، قانون طبیعی اتحاد به علت استفاده نادرست توسط قانون دیگر طبیعت به نام عدم اعتماد جایگزین می‌شود.
  • بخشی از مردم به انرژی توجه بیشتری دارند و تنها راه حل را در افزایش مصرف انرژی الکتریکی که از انرژی اتمی تولید می‌شود، می‌دانند و تصور می‌کنند که افزایش تکنیک ، سبب کاهش خطر به میزان قابل توجه برای همه خواهد بود. آنان در اتم ، در ادامه آنچه که در شیمی ، در هواپیمایی ، در پزشکی و در تحقیقات فضایی انجام یافته ، پیشرفت حتمی را می‌بینند.
  • بعضی دیگر از انرژی اتمی بیمناک هستند آنها بمب اتمی را بخاطر می‌آورند که به توسط مواد رادیواکتیو تشعشعات هسته‌ای نامرئی را بوجود می‌آورند، که برای محیط زیست بسیار زیان بار است.
  • طرفداران استفاده از انرژیهای غیر هسته‌ای ، اجتماع طبیعت و علم را جویا هستند تا روشهای دیگری را برای تولید انرژی و برای انرژی گیری بوجود می‌آورند.

اندازه گیری انرژی

بدون تردید اندازه گیری انرژی با توجه به اهمیت زیاد آن ، باید بسیار دقیق باشد، آن هم با ارزش روز افزون انرژی ، که دنیا را دگرگون ساخته است. برای اندازه گیری انرژی واحدهایی وجود دارند که معروفترین آنها "کیلو وات - ساعت" (KWh) است. میزان مصرف برق هر وسیله برقی خانگی را با همین واحد اندازه گیری می‌کنند.

منابع انرژی

ما برای تأمین انرژی مورد نیاز خود سه گروه انرژی را در اختیار داریم. گروه اول مواد سوختی سنگواره‌ای ، از قبیل زغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی هستند که بازمانده گیاهان وجانورانی می‌باشند که میلیونها سال قبل می‌زیسته‌اند. جالب اینکه ، این منابع بسیار مهم انرژی ، که می‌توان از آنها دارو و بسیاری از مواد مصنوعی ارزشمند دیگر را تهیه کرد، در حجم وسیعی سوزانده می‌شوند.

گروه دوم منابع انرژی تجدید شدنی است. مانند خورشید ، باد ، جزر و مد ، نیروی آب و گرمای محیط ، که بدون دخالت انسان خود به خود تجدید می‌شوند و به محیط زیست نیز صدمه نمی‌زنند. متأسفانه استفاده چندانی از اینگونه انرژیها به عمل نمی‌آید. گروه سوم نیز "مواد سوختنی هسته‌ای" مانند "اورانیوم" و "پلوتونیوم" هستند که انرژی عظیم و شگفت آوری را برای ما به ارمغان می‌آورند و این انرژی از هسته اتم به عمل می‌آید. جالب است بدانید که از سوختن یک کیلوگرم زغال سنگ تقریبا هشت کیلو وات ساعت حرارت بدست می‌آید، در صورتی که از یک کیلوگرم اورانیم 23000000 کیلو وات ساعت حرارت حاصل می‌شود. البته این انرژی در صورت استفاده نادرست خطرات غیر قابل باوری را به همراه می‌آورد.

انرژی را به صورت دیگر نیز دسته بندی می‌کنند. برای نمونه آن را به دو دسته انرژی اولیه و ثانویه تقسیم بندی می‌کنند. "انرژی اولیه" انرژی بدست آمده از موادی است که بطور طبیعی وجود دارند، که از جمله می‌توان از نفت خام ، گاز و زغال سنگ نام برد. در حالی که "انرژی ثانویه" آن دسته از انرژیهایی هستند که از ناقلان انرژی اولیه بدست می‌آیند. مانند جریان الکتریکی ، بنزین و مواد سوختنی گرمازا. متأسفانه ، هنوز علم انسان آنقدر پیشرفت نکرده است که از قسمت اعظم انرژی استفاده کند، زیرا تنها قسمت بسیار کوچکی از آن بصورت مفید به مصرف می‌رسد که از این مقدار کم ، بیشترین سهم به مصرف در لوازم خانگی اختصاص دارد و صنایع در ردیف دوم قرار دارند و وسایل نقلیه عمومی در ردیف کم مصرف‌ترین وسایل قرار دارند.

 

 

چشم انداز

نیاز جهانی به انرژی اولیه در حال حاضر حدود 12 میلیارد تن SKE (واحد زغال سنگ) در سال است و مسلما این مقدار انرژی مورد نیاز ، پیوسته بیشتر و بیشتر هم خواهد شد و این در حالی است که اگر انسانها با صرفه جویی زیاد هم انرژی را مصرف کنند، تا یکصد سال دیگر موادی مثل نفت خام و گاز پایان می‌رسند و زغال سنگ نیز حداکثر تا دو قرن دیگر پاسخگوی بخشی از نیاز شدید انسان به انرژی خواهد بود. ذخایر اورانیوم قابل استخراج زمین نیز توانایی تولید 153 میلیارد تن SKE انرژی را دارند.

این مقدار در نگاه نخست ناچیز به نظر می‌رسد، ولی با توجه به دستیابی انسان به فن‌آوریهای جدید می‌تواند چندین قرن مسأله انرژی را حل کند، اما برای آینده دور ناچیز است! به هر حال احتمال یافتن انرژیهای نو در قرنهای آینده هم غیر ممکن نیست و می‌توان آن را بدست آورد، مشروط بر اینکه آلودگی ناشی از مصرف انرژی طبق روند کنونی پیش نرود و محیط زیست انسان و سایر جانداران را به مخاطره نیندازد.

در حقیقت ما به اندازه مواد موجود انرژی داریم. سنگ ، ساعت و انسان همه یک وجه اشتراک دارند که همان جرم آنهاست که وزن مخصوص است. هر چیزی که جرم دارد ماده است. البته ناقلان انرژی بدون جرم نیز وجود دارند. برای نمونه امواج نوری جزو این دسته هستند. تا آغاز قرن کنونی چنین فرض می‌شد که جرم و انرژی دو چیز متفاوت هستند و هرگز به یکدیگر تبدیل نمی‌شوند. اما در اوایل قرن حاضر "آلبرت انیشتین" ثابت کرد که ماده فقط یکی از شکلهای متعدد قابل تصور انرژی است. او با فرمول معروف خود E = mc2 که رابطه بین سرعت ، جرم و انرژی را بیان می‌کند، سخن از تبدیل ماده به انرژی را به میان آورد و دنیای علم را دگرگون ساخت و واکنشگرهای (رآکتورها) اتمی را برای بشر به ارمغان آورد.

هر چند که همچون همیشه ، بمبهای اتمی و در پی آنها بمبهای هیدروژنی نیز روانه بازار پر رونق سلاحهای جنگی مخوف شدند و در اولین قدم شهر هیروشیمای ژاپن را به تلی از خاک بدل کردند. به هر حال مطالعات و تحقیقات دانشمندان در مورد دستیابی به انواع ساده‌تر و ارزانتر انرژی در هر دو جهت مثبت و منفی کاربردهای فراوانی داشته است و در این میان شاید سهم ما بیشتر از هر چیزی درک آن حقیقت مهم و اساسی باشد که مصرف انرژی توسط فرد فرد ما می‌تواند مشخص کننده (کاهش یا افزایش) سرعت حرکت کشور در مسیر توسعه باشد.

همه می‌دانند که انرژی کمبودش بحران ایجاد می‌کند. وجود بحران انرژی به معنای ایجاد صف اتومبیل در جایگاههای فروش بنزین ، تعطیل شدن مدارس در زمستان به دلیل فقدان سوخت ، دست دادن حالت خفگی به کارکنان آسمانخراشها به سبب از کار افتادن تهویه مطبوع است. کمبود سوخت یعنی زمین گیر شدن هواپیماها از کار افتادن تدریجی کارخانجات است. این بحران یعنی اینکه ، بر اثر کمبود کودهای شیمیایی ، حشره‌کشها ، علف کشها و از کار افتادن تلمبه‌های آبیاری و خوابیدن وسایل حمل و نقل برای رساندن محصولات به بازار ، تولید غذا با خطر روبه‌رو خواهد شد.

انرژی های نو

 

 

انرژیها به دو دسته تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم میشوند، انرژیهای تجدید شونده مانند باد ،برق آبی و خورشیدی چون فاقد آلودگی ناشی از گازهای گلخانه ای است و به محیط زیست صدمه ای نمیزند مورد توجه جهانیان قرار گرفته و بسرعت در حال گسترش است به ویژه آنکه سرمایه گذاری در آنها نیز به دلیل پایان ناپذیر بودن منابع ، منطقی تر به نظر میرسد امروزه مردم جهان بسرعت در حال گرویدن بسوی بهره وری از انرژیهای تجدید شونده هستند و ما متاسفانه غافلیم زیرا فقط 5/1% از انرژی کشور از انرژیهای برق آبی تامین میشودو سایر انرژیهای تجدید شونده حتی به این حد و میزان هم نرسیده  است . 

 

       

 

هر چند دسترسی به منابع گوناگون انرژی در ایران کاملا ساده و عملی است ، غیر از نفت و گاز و ذغال سنگ و انرژی هسته ای که هر چهار مورد در زمره انرژیهای تجدید ناپذیر هستند  ما میتوانیم از انرژی باد، برق آبی اعم از آبشارها و یا امواج دریا،خورشیدی و گرمایش زمین، بهره مند شویم و با تنوع بخشیدن به منابع گوناگون ، از امنیت تامین انرژی برخوردار شویم . بهره برداری از منابع نفت و گاز و صادر کردن آنها در حجم عظیم و به شکل خام فاقد ارزش افزوده بوده و در دراز مدت شدیدا به اقتصاد کشور و به محیط زیست  لطمه میزند .

 

       

 

 

شهر خورشیدی چین
شهر ریزهاو، به معنی شهر آفتاب در زبان چینی، ارتباط ویژه ای با خورشید برقرار کرده است. 99 % خانه‌ها در محدوده مرکزی شهر و30%در حومه، از آبگرمکن‌های خورشیدی استفاده می‌کنند و بیش از 6000 خانوار امکانات پخت و پز خورشیدی دارند .

اکثر چراغهای راهنمایی ورانندگی و چراغهای پارک‌ها و خیابانها توسط سلولهای خورشیدی فتو ولتیک کار می‌کنند.
 
این نکته که شهر ریزهاو، یک شهر کوچک و معمولی چینی و با درآمد متوسط و پائین تر از بسیاری از شهرهای دیگر است، موضوع را جالب تر می‌کند. دست یابی به چنین سیستمی‌در شهر نتیجه سه فاکتور کلیدی بوده است: سیاست دولت درتشویق مردم به استفاده از انرژی خورشیدی و حمایت‌های مالی توسعه این پروسه، صنعت تولید پانل‌های خورشیدی در منطقه که شانس پیشرفت را بالا برده است، و تمایل شدید شورای شهر برای تحقق این امر.
در واقع به جای پرداخت یارانه به کاربران نهایی، دولت در زمینه تحقیق و توسعه فعالیتها در صنعت آبگرمکن‌های خورشیدی سرمایه گذاری می‌کند، به گفته یکی از مسوولان شهری: «به جای پرداخت یارانه به مردم، هزینه آن را صرف سرمایه گذاری در صنعت برای رسیدن به پیشرفت تکنولوژیکی می‌کنیم به گونه ای که منجر به کاهش هزینه نهایی کاربران می‌شود.»
قیمت یک آبگرمکن خورشیدی تا حد یک آبگرمکن الکتریکی معمولی پائین آمده و به حدود 190 دلار رسیده است که 4تا5 درصد درآمد سالانه یک خانواده متوسط در شهر و 8 تا10 درصد درآمد یک خانواده روستایی است .همچنین این پانل‌های خورشیدی به راحتی روی بنا نصب می‌شوند و استفاده از آنها منجر به کاهش هزینه‌ها و پس انداز بیشتر کاربران می‌شود.

 

 

 اپل برقی استفاده ای دیگر از انرژیهای  نو  !

 

 



تعاریف و اصطلاحات انرژی

انرژی را از روی منابع تولید و نیز مکانیزم کلی تولیدشان به صورت زیر تقسیم بندی می‌کنند. بعضی از این انرژیها تجدید پذیر (انرژیهای برگشت پذیر) بوده و بعضی دیگر تجدید ناپذیر (انرژیهای برگشت ناپذیر) هستند که تعاریف آنها را نیز در زیر می‌آوریم.

 

انرژی خورشید

در داخل خورشید انرژی پتانسیل گرانشی باعث افزایش دما می‌شود، تا آنجا که شرایط دمایی برای انجام همجوشی هسته‌ای فراهم شود. بر اثر این واکنش ، ماده به انرژی تبدیل می‌شود. که این انرژی بصورت تابش است و به اندازه‌ای است که هم خورشید را داغ نگه می‌دارد و هم گرمای منظومه شمسی و زمین را تأمین می‌کند. می‌توان در سطح زمین ، با تبدیل این انرژی به صورتهای دیگر از آن منبع عظیم استفاده بهینه کرد.

انرژی باد

دید کلی

باد یکی از مظاهر انرژی خورشیدی و همان هوای متحرک است و پیوسته جزء کوچکی از تابش خورشید که از خارج به اتمسفر می‌رسد، به انرژی باد تبدیل می‌شود. گرم شدن زمین و جو آن بطور نامساوی سبب تولید جریانهای همرفت (جابجایی) می‌شود و نیز حرکت نسبی جو نسبت به زمین سبب تولید باد است.

با توجه به اینکه مواد قابل احتراق فسیلی در زمین رو به کاهش است، اخیرا پیشرفتهای زیادی در مورد استفاده از انرژی باد حاصل شده است. انرژی باد اغلب در دسترس بوده و هیچ نوع آلودگی بر جای نمی‌گذارد و می‌تواند از نظر اقتصادی نیز در دراز مدت قابل مقایسه با سایر منابع انرژی شود. در سالهای اخیر کوشش فراوانی برای استفاده از انرژی باد بکار رفته و تولید انرژی از باد با استفاده از تکنولوژی پیشرفته در ابعاد بزرگ لازم و ضروری جلوه کرده است.

 

 

تاریخچه

احتمالا نخستین ماشین بادی به توسط ایرانیان باستان ساخته شده است و یونانیان برای خرد کردن دانه‌ها و مصریها ، رومی‌ها و چینی‌ها برای قایقرانی و آبیاری از انرژی باد استفاده کرده‌اند. بعدها استفاده ار توربینهای بادی با محور قائم سراسر کشورهای اسلامی معمول شده و سپس دستگاههای بادی با محور قائم با میله‌های چوبی توسعه یافت و امروزه نیز ممکن است در برخی از کشورهای خاورمیانه چنین دستگاههایی یافت شوند.

در قرن 13 این نوع توربینها به توسط سربازان صلیبی به اروپا برده شد و هلندیها فعالیت زیادی در توسعه دستگاههای بادی مبذول داشتند، بطوری که در اواسط قرن نوزدهم در حدوود 9 هزاز ماشین بادی به منظورهای گوناگون مورد استفاده قرار می‌گرفته است. در زمان انقلاب صنعتی در اروپا استقاده از ماشینهای بادی رو به کاهش گذاشت. استفاده از انرژی باد در ایالات متحده از سال 1854 شروع شد. از این ماشینها بیشتر برای بالا کشیدن آب از چاههای آب و بعدها برای تولید الکتریسیته استفاده شد.

بزرگترین ماشین بادی در زمان جنگ جهانی دوم توسط آمریکائیها ساخته شد. در شوروی سابق در سال 1931 ماشینی بادی با محور افقی بکار انداختند که انتظار می‌رفت 100 کیلو وات برق به شبکه بدهد. ارتفاع برج 23 متر و قطر پره‌ها 30.5 متر بود.

 

 

باد مخرب است یا مفید؟

گهگاه توفانها و گردبادهای سهمگینی در گوشه و کنار جهان پدیدار می‌شود که اگر نیروی آنها بطور صحیح بکار گرفته شود، می‌تواند به جای مخرب بودن ، مفید باشد. اصول بهره برداری از انرژی باد از نخستین کوششهای انسان تا کنون تغییر نکرده است. با وزش باد ، قایقها و کشتیها به حرکت در می‌آیند و یا پره آسیاب بادی از طریق دنده‌ها گردانده می‌شود. امروزه مولدهای الکتریسیته بادی به نحوی طراحی شده‌اند که از حداکثر نیروی باد بهره برداری شود و انرژی باد بجای آسیاب کردن غلات ، بوسیله یک ژنراتور توربینی تبدیل به الکتریسیته می‌شود.

مزایای انرژی بادی

یکی از مزایای انرژی باد آن است که وزش باد در زمستانها سریعتر است و هنگامی که نیاز بیشتری به برق داریم، الکتریسیته بیشتری تولید می‌شود. این انرژی بدون ایجاد آلودگی ، دارای منبع انرژی پایان ناپذیر و فن آوری آزموده شده است. پیشرفتهای اخیر در صنعت ، همواره سبب کاهش هزینه الکتریسیته تولید شده توسط مولدهای بادی می‌باشد؛ این مبلغ کمتر از هزینه الکتریسیته تولید شده توسط زغال سنگ و شکافت هسته‌ای است و از نظر اقتصادی قابل رقابت با سایر موارد می‌باشد.

همچنین مانند دیگر انرژیهای قابل تجدید و ادامه دار مخالفان زیادی ندارد. بریتانیا دارای موقعیتهای خوبی از نظر منبع باد در اروپا است. دانمارک در مقایسه با انگلستان که فقط 25% درصد الکتریسیته مورد نیاز خود را از نیروی باد تأمین می‌کند، 3.7 درصد (600 میلیون وات) الکتریسیته مورد نیاز را از انرژی باد تهیه می‌کند؛ در صورتی که منبع باد انگلستان 28 برابر بیش از دانمارک است.

ناکار آمدیهای انرژی بادی

گفته می‌شود که یکی از بزرگترین موانع بهره برداری از نیروی باد در بریتانیا ، مسأله تأثیر زیست محیطی آن است. بسیاری از مردم می‌گویند مولدهای بادی از نظر ظاهری ناخوشایند بوده و پر سر و صدا می‌باشند؛ بخصوص چون در نواحی زیبای خارج از مناطق شهری قرار دارند. اما باید گفت مولدی که سوخت آن زغال سنگ است، مسلما پر سر و صداتر و زشت تر از دکلهای آسیاب بادی خواهد بود. صدای متوالی توربینهای دکلهای آسیاب بادی برای کسانی که در نزدیکی آنها می‌باشند، یک موضوع مهم به شمار می‌رود. اکنون صدای این مولدها به کمک فناوری چرخ دنده‌ها و توربینهای سه تیغه‌ای قابل کنترل می‌باشد.

 

 

نیروگاه ساحلی

یک راه پیشگیری از شکایات مذکور ، بنا کردن مجموعه دکلهای بادی در پایگاههای ساحلی است که هیچ کس نه آنها را می‌بیند و نه صدایشان را می‌شنود؛ همچنین در آنجا اغلب وزش باد دو برابر خشکی می‌باشد. با اینکه هوای دریا طبیعتی تباه کننده دارد و سبب کاهش عمر مولدها می‌گردد، اما در عوض احتمال تخریب و خرابکاری در آنها کاسته می‌شود.

نیروگاههای جدید بادی

امروزه ارتفاع برجهای مخصوص انرژی باد به 70 متر می‌رسد، می‌توانند 1.5 مگاوات برق تولید کنند. اما نصب روتورهای (چرخنده‌ها) قویتر در این تأسیسات می‌تواند بهای الکتریسته حاصل از این منبع غیر سنگواره‌ای را تا حد قابل ملاحظه‌ای کاهش دهد. در حال حاضر یک شرکت آلمانی در صدد است تا با تولید نسل جدیدی از تأسیسات بادی هزینه این منبع انرژی جایگزین را تا حد الکتریسیته هسته‌ای کاهش دهد. برج جدید که 90 متر ارتفاع دارد، قادر است 5 مگاوات الکتریسیته تولید کند، از آنجا که مجموعه چرخ دنده‌ها و مواد در یک واحد جای دارند، بخش محرک بسیار سبکتر از نمونه‌های قبلی است. این ویژگی امکان استفاده از این تأسیسات را در دریاهای آزاد که در آنها بادهای قویتری می‌وزد، آسانتر می‌سازد.

از اطلاعات مربوط به صنعت هواپیمایی ، آیرودینامیک ، الکترونیک و ... در ساخت این ماشینها بهره گیری می‌شود. به این ترتیب پروانه‌هایی ساخته می‌شود که برای بادهای تند بطور سریع کار می‌کند. ماشینهای دیگر غیر از پروانه نیز مورد نظر بوده و در حال توسعه است. دو درصد از انرژی خورشید که به زمین می‌رسد به باد تبدیل می‌گردد، 35 درصد انرژی باد در ضخامت یک کیلومتری از سطح زمین موجود است. محاسبات نشان می‌دهد که برای تمام سیاره زمین این انرژی 20 برابر انرژی مصرفی دنیا است.

نیروگاه بادی در آسمان

بهره‌گیری از نیروی باد به عنوان یکی از منابع انرژی نو روز به روز بیشتر می‌شود. توان کنونی جهان ، حدود 50 هزار مگاوات است؛ یعنی چیزی در حدود توان 50 نیروگاه هسته‌ای. اما هنوز مشکلاتی بر سر راه بهره‌برداری از این الکتریسیته‌ سبز وجود دارد. توربینهای چرخان باعث تداخل در دریافت تلویزیونی می‌شوند و به نظر می‌رسد وقتی باد نمی‌وزد، منظره‌‌ ناخوشایندی از چیزهایی بی‌مصرف را به نمایش می‌گذارند.

اما برایان رابرت ، مهندس استرالیایی ، راه حل جالبی برای این کار دارد: به جای برافراشتن توربینها روی زمین ، آنها را در جریان تند باد در ارتفاع 15 تا 45 هزار پایی شناور می‌سازیم. او با همکاری سه مهندس دیگر دستگاهی را ساخته‌اند که ژنراتور الکتریکی پرنده (FEG) نام گرفته است. این دستگاه مانند بادبادک در هوا شناور می‌ماند و بادهایی با سرعت 200 مایل بر ساعت ، پره‌های آن را می‌چرخانند. جریان الکتریکی تولید شده از راه رشته‌ بسیار محکمی به ایستگاه زمینی فرستاده می‌شود. به نظر این مهندس استرالیایی می‌توان 600 عدد از این دستگاهها را در هوا داشت که هر کدام 20 مگاوات برق تولید می‌کنند.

محاسبه سرعت میانگین باد

بادها از یک قانون کلی تبعیت می‌کنند، ولی از لحاظ شدت روزانه و مدت وزش در هر نقطه از زمین بطور قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌کند. سرعت باد نسبت به ارتفاع از سطح دریا تغییر می‌کند. با آزمایشهایی که انجام یافته ، نسبت توان تولیدی در ارتفاع 1500 متری به توان تولیدی در ارتفاع 50 متری برابر 25 و در ارتفاع 300 متری این نسبت برابر 10 می‌باشد.

میانگین سرعت باد و چگالی توان باد در دراز مدت

نام شهر

سرعت باد

چگالی توان باد

خوی

13

29

دزفول

21

89

رامسر

10

15

رشت

11

16

ارومیه

7

5

زابل

22

131

زاهدان

19

91

زنجان

13

26

سبزوار

20

107

سقز

17

61

سمنان

13

29

سنندج

24

35

ششاهرود

11

19

شهر کرد

14

38

شیراز

12

23

طبس

10

15

قزوین

10

12

کرمان

23

162

کرمانشاه

16

57

گلستان

12

26

مشهد

14

36

همدان

16

59

یزد

15

46

بندر لنگه

17

66

بندر عباس

18

56

بوشهر

13

28

بیرجند

10

13

تبریز

18

79

تربت حیدریه

13

31

تهران

15

42

چاه بهار

13

25

خرم آباد

10

48

آبادان

15

47

اراک

15

41

اصفهان

13

28

اهواز

27

271

ایرانشهر

13

31

بم

10

13

انزلی

10

14

بابلسر

8

6

 

مسائل اقتصادی ماشینهای بادی

امروزه تکنولوژی استفاده از انرژی باد در بسیاری از کشورها در دسترس بوده و ارزانترین راه برای تهیه الکتریسیته از مشتقات انرژی خورشیدی تشخیص داده شده است. بهای انرژی تولید شده به عوامل محیطی و عملی و نیز نوع ماشین بکار گرفته شده بستگی دارد. با بررسیهای مختلفی که در زمینه قیمت استفاده از انرژی باد انجام گرفته است، نشان می‌دهد که گر چه هزینه ماشینهای بادی با بزرگی و نیز ازدیاد توان تخمینی آنها افزایش می‌یابد، ولی بهای هر کیلو وات انرژی آنها کاهش پیدا می‌کند.

وقتی کاربردهای جمعی ماشینهای بادی مورد نظر باشد، هزینه‌های کاربردهای جمعی ماشینها در ابعاد کوچک است. لازم به یاد آوری است که در انتخاب دستگاههای بزرگ محدودیتهایی وجود دارد. مثلا اگر سرعت انتهایی پره ماشین بادی به حد سرعت صوت و یا بیشتر برسد تولید موج ضربه کرده و سبب گرم شدن و فرسودگی و از کار افتادن سریع ماشین می‌شود.

علاوه بر اینکه باید سعی شود تا ماشینهای بادی هزینه اصلی (هزینه ساخت روتور ، دکل و ..) کمتری داشته باشند و بایستی در محلهایی نیز که باد قابل ملاحظه‌ای دارند نصب شوند و ماشین برای سرعت باد عملی تنظیم شده باشد. تهیه ماشینی که برای تمام سرعتهای باد کار کند، گرانتر تمام می‌شود. ماشینهای معمولی بادی اصولا برای جلوگیری از مصرف سوختهای دیگر در ایام وزش باد بکار می‌روند و همراه با سایر دستگاههای تولید انرژی نیز ار آنها استفاده می‌شود.

اگر از ماشین بادی بصورت تنها منبع انزژی استفاده شود، باید دستگاههای ذخیره انرژی در کنار ماشینهای بادی نظیر انباره‌ها ، ذخیره هیدروژن به توسط الکتریسیته ، دستگاههای ذخیزه حرارتی ، دستگاههای ذخیره انرژی جنبشی (چرخ طیار ، دستگاههای الکترومغناطیسی فوق هادی) ، دستگاههای ذخیره انرژی پتانسیل (نظیر دستگاههای سیالی پمپی با دستگاههای ذخیره فشاری) بکار گرفته شوند. با اضافه کردن دستگاههای دخیره ، بهای برق تولیدی ممکن است به مراتب افزایش یابد.

اختلاف دمای آزمایشهای مربوط به هوا باعث ایجاد اختلاف فشار می‌شود و این اختلافها سبب حرکت لایه‌های مختلف آزمایشهای مربوط به هوا ، برای رسیدن به تعادل می‌شوند. حرکت لایه‌های آزمایشهای مربوط به هوا را باد می‌گویند. که از حرکت نسبی اتمسفر زمین هم ناشی می‌شود. باد به سبب سرعت خود انرژی جنبشی دارد. که آن را انرژی باد می‌گویند. با بکار گیری ابزارها و دستگاههای مناسب می‌توان از این منبع طبیعی انرژی هم استفاده کرد.

 

 

انرژی آب

آب هم مانند باد و خورشید از منابع طبیعی انرژی می‌باشد. انرژی آب به علت حرکت و سرعت آن می‌باشد. با بستن سد در مقابل آب رودخانه‌ها می‌توان انرژی جنبشی را بصورت انرژی پتانسیل ذخیره کرد و به مصارف مختلف رساند. آبشارها نیز ، به علت ارتفاع از سطح زمین و هم به علت سرعت زیاد آب ، منبع عظیمی از انرژی آب می‌باشند.

آسیابهای آبی شاید از 3 هزار سال پیش مورد استفاده بوده است. آسیابهای قدیمی دارای چرخهایی قدیمی بوده که روی میله قائم سوار می‌شده‌اند. رومیها از آسیابهایی با چرخهای قائم استفاده کرده‌اند در قرن شانزدهم انرژی آب بصورت صنعتی در آمد، تکنولوژی پیشرفته تولید انرژی الکتریکی از آب در ابعاد بزرگ در قرن نوزدهم بوجود آمد. انرژی آب یک منبع قابل تجدید (انرژی برگشت پذیر) و وابسته به انرژی خورشیدی است.

اصول فیزیکی لازم برای استفاده از انرژی آب

  • انرژی ناشی از آب در کاربردهای قراردادی توان هیدرو الکتریکی مجموع انرژی پتاسیل که وضعیت یا ارتفاع مشخص می‌شود.
  • انرژی جنبشی که با سرعت جریان آب مشخص می‌شود، انرژی پتاسیل آبهای ساکن با جریان یا سقوط آب به یک توربین هیدرولیکی به آسانی به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. تعریف ارتفاع انرژی: ارتفاع مربوط به انرژی مفید در هر نقطه از جریان آب با تخلیه ثابت را ارتفاع انرژی گویند و آن را با he نشان می‌دهند.

 

 

 

  • ارتفاع انرژی برای واحد جرم بصورت زیر معین می‌شود. he = Z + v2/2g که در این فرمول Z ارتفاع سطح آزاد آب و v سرعت متوسط جریان آب و g شتاب گرانشی می‌باشد. چرخهایی که در توربین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

    ارتفاع انرژی به ارتفاع آب سقوط نیز بستگی دارد. برای ارتفاع زیاد اغلب چرخ پلتون نصب می‌شود، برای ارتفاع متوسط حدود 100 متر بهتر است توربین فرامیس انتخاب شود و برای ارتفاع کمتر توربین کاپلان ترجیح داده می‌شود.

 

انرژیهای فسیلی

فسیل بقایای گیاهان و جانورانی است که در گذشته در زمین مدفون شده‌اند. این بقایای پوسیده می‌توانند در تولید سوختها و انرژی فسیلی مورد استفاده قرار بگیرند. این سوختها بطور طبیعی بصورت مواد جامد ، مایع ، گاز یا مخلوطی از آنها در معادن استخراج می‌شوند.

انرژی جزر و مد

جزر و مدها به بالا آمدن و پائین رفتن سطح آب اقیانوسها مربوط هستند، جزر یعنی پائین رفتن آب و مد یعنی بالا آمدن سطح آب.

 

 

 

تاریخچه

در قرن یازدهم از انرژی جزر و مد در ساحل اقیانوس اطلس در فرانسه ، انگلستان و اسپانیا با قراردادن دستگاههایی استفاده شد. استفاده عملی از انرژی جزر و مد در ابعاد تجربی بزرگ در قرن نوزدهم ادامه داده شد. تآسیسات استفاده از انرژی جزر و مد در انگلستان ، آلمان ، ایتالیا ، شوروی سابق و آمریکا بکار گرفته شد.

ماشینهای جزرومدی قدیمی قسمت کوچکی از انرژی جزر و مد موجود را برای تولید انرژی مکانیکی فراهم می‌کردند. توان مکانیکی چنین ماشینهایی بین 30 تا 100 کیلو وات بوده است. استفاده از انرژی جزر و مد برای تولید الکتریسته اخیرا پیشنهاد شده است. تکنولوژی نو و مهندسی پیشرفته در ساختن سدهای آب و توربینها و بالا رفتن قیمت دیگر منابع انرژی سبب توسعه بیشتر استفاده از انرژی جزر و مد شده است.

 

 

منشأ جزر و مد

اساسا جزر و مد بر اثر نیروهای برهمکنش جاذبه‌ای و سینماتیکی دستگاه زمین ـ ماه ـ خورشید بوجود می‌آید. تأثیرات خورشید و ماه بر روی زمین ، تئوری تعادلی جزر و مد را مشخص می‌کند. نیروی مولد جزر و مدی سایر اجسام سماوی به علت دوری فاصله یا کوچکی جرم قابل چشم پوشی هستند. جزر و مدها اثر قابل ملاحظه‌ای در پارامتر های مداری دستگاه زمین ـ ماه را دارند. حرکت ماه را در بررسی دقیق جزر و مد دخیل می‌دانند. کل نیروهای مولد جزر و مد کوچک است. نیروی اساسی مولد جزر و مد مربوط به ماه است.

انرژی جزر و مد و انتخاب محل

کل انرژی جزر و مدی توزیع شده روی زمین حدود 3x106 Mw است. مهمترین عامل تخمین انرژی جزر و مدی عبارتست از ارتفاع جزر و مد و سطح حوضه جزر و مدی است. ماکزیمم انرژی که می‌توان به هنگام دوره جزر و مد تولید کرد، عبارت است از Emax= d g s h2 در این فرمول h ارتفاع جزر و مد و S سطح محصور و d جرم مخصوص آب و g شتاب گرانش زمین است.

اولین طرح بزرگ انرژی الکتریکی از جزر و مد در فرانسه در سال 1966 شروع به کار کرد. در این واحد ضریب توان ، تبدیل انرژی جزر و مد به الکتریسته در حدود 18 تا 25 در صد است. انرژی جزر و مد آلوده کننده نیست و برای موجودات دریایی نیز اثرات کمی دارد.

 

 

تکنیکهای استفاده از انرژی جزر و مد

یکی از روشهای ساده و قدیمی استفاده از انرژی جزر و مد ایجاد یک حوض تنها است. این تکنیک فقط یک حوض را با مسدود کردن خلیج حاصله از مصب رود یا خلیج اصلی توسط یک سد مورد استفاده قرار می‌دهد. در طول دوره تناوب یا بالا آمدن آب از دریچه‌های راههای کانالی حوض را پر می‌کند. وقتی که سطح آب در حوض بالاتر از سطح آب دریا هست، انرژی پتاسیل آب مسدود شده حوض با گذشتن از توربین مولد الکتریسته انرژی تولید می کند. در این طرح حدود 5 ساعت تولید و 6 تا 7 ساعت پرکردن مجدد و توقف مشخص می‌شود. تکنیک انرژی خروجی یک راهه حوض تنها با قرار دادن توربین ، مولدی که می‌تواند موتور پمپ کمکی به هنگام عملیات پر کردن مجدد مورد استفاده قرار گیرد، اصلاح می‌شود.

طرح دیگر عبارت از یک حوض با دو راه است. که تولید انرژی بر اثر حرکت آب از طرف دریا به حوض و از طرف حوض به دریا صورت می‌گیرد. با بکار بردن چنین دستگاهی انرژی بیشتری نسبت به طرح قبلی تولید می‌شود. با وجود این انرژی تولید شده در این طرح مانند طرح یک راهه آن چنان زیاد نیست، بنابراین توربینهای طرح دو راهه بسیار بزرگ و گران قیمت هستند. انرژی خروجی تکنیک مولد یک دو راهه نیز باید با پمپ کمکی اصلاح شود، توسعه طرح انرژی جزر و مد لارانس برای دو راه عملیات حوض تنها با پمپ بوده است.

جزر و مدها به بالا آمدن و پائین رفتن سطح آب اقیانوسها مربوط هستند جزر یعنی پائین رفتن آب و مد یعنی بالا آمدن سطح آب. تأثیرات خورشید و ماه بر روی زمین ، تئوری تعادلی جزر و مد را مشخص می‌کند. این انرژی هم در ایجاد انرژی موج نقش دارد و هم مکانیزم تولید الکتریسیته در توربین پره‌ای است.

انرژی ماهیچه‌ای

ماهیچه‌های بدن با دریافت فرمان از مغز و به کمک استخوانها و سایر اجزاء ، می‌توانند منقبض و منبسط شوند. و در این باز و بسته شدن انرژی را ذخیره و منتقل کنند. ماهیچه منقبض دارای ذخیره انرژی ماهیچه‌ای می‌باشد که وقتی باز شد، می‌تواند این انرژی را به بیرون انتقال دهد و به کار یا صورتهای دیگر انرژی تبدیل نماید.

انرژی نورانی

نور صورتی از انرژی است که در بسته‌هایی موسوم به فوتون منتشر می‌شود. انرژی نورانی طبق رابطه E = hv با فرکانس نور بستگی مستقیم دارد. در این رابطه E انرژی نورانی فوتون ، h ثابت پلانک و v فرکانس فوتون می‌باشد. انرژی نورانی آن دسته از بسامدهایی را شامل می‌شود که در ناحیه مرئی طیف الکترومغناطیسی قرار دارند.

انرژی گرمایی

گرما انرژی است که در اثر اختلاف دمای بین دو جسم (سیستم) که باهم در تماسند، مبادله می‌گردد. به این انرژی فقط زمانی نام انرژی گرمایی اطلاق می‌شود که در اثر اختلاف دما جریان داشته باشد. اختلاف دما در یک سیستم منفرد نیز انرژی گرمایی بوجود می‌آورد که با رابطه (Q = mc (T2 - T1 بدست می‌آید. که در آن T ها معرف دما بوده ، Q انرژی گرمایی ، m جرم جسمی که تبادل آزمایشهای مربوط به گرما را صورت می‌دهد و c ظرفیت گرمایی ویژه می‌باشد.

انرژی صوتی

صوت یک موج مکانیکی طولی است که می‌تواند در محیطهای مادی منتشر شود. بسامدهای این امواج در محدوده 20 هرتز تا 20000 هرتز قرار دارد که گستره شنیده شدنی نامیده می‌شود. امواج با بسامد کمتر از این محدوده را امواج فرو صوتی و امواج با بسامد بیشتر را امواج فراصوتی می‌نامند. E = hv انرژی صوتی حاصل از بسامدهای مربوط به صوت می‌باشد.

 

 

انرژی هسته‌ای

هسته با وجود جرم بسیار کم ، امروزه از منابع بسیار قوی انرژی محسوب می‌شود. که طبق رابطه انیشتن E = mc2 با تبدیل جرم به انرژی ، انرژی هسته‌ای را بوجود می‌آورد. انرژی هسته‌ای به دو روش شکافت و همجوشی حاصل می‌شود. در شکافت هسته‌ای ، یک هسته سنگین طی واکنشی به دو هسته با جرم کمتر تبدیل شده و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند. در همجوشی هسته‌ای ، دو هسته سبک باهم ترکیب شده و یک هسته سنگین ایجاد می‌کنند، که این واکنش هم با آزاد سازی انرژی همراه است.

انرژی الکتریکی

وقتی دو ذره باردار را که بار همنام دارند، با سرعت ثابت به هم نزدیک می‌کنیم، یا زمانی که دو ذره ناهمنام را با سرعت ثابت از هم دور می‌کنیم، برای غلبه بر نیروهای کولنی بین ذرات ، باید کار انجام دهیم. کار انجام شده بصورت انرژی الکتریکی در بارهای الکتریکی ذخیره می‌شود. این مسئله را در حالت کلی می‌توان به توزیعهای پیوسته و گسسته‌ای از بار نیز تعمیم داد. چگالی انرژی الکتریکی u(E) = (E.D)/2 می‌باشد. که اگر از آن روی حجم منطقه انتگرال بگیریم کل انرژی الکتریکی بدست می‌آید، که در رابطه اخیر E میدان الکتریکی و D اندوکسیون الکتریکی می‌باشد.

انرژی مغناطیسی

اگر بار Q که با سرعت V حرکت می‌کند، تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار گیرد، انرژی مغناطیسی مربوطه عبارت خواهد بود از کاری که بوسیله میدان برای حرکت بار ، در فاصله مشخصی صورت می‌گیرد. مقدار انرژی مغناطیسی ذخیره شده در واحد حجم (چگالی انرژی مغناطیسی) از رابطه u(B) = (B.H)/2 بدست می‌آید. که در آن B اندکسیون مغناطیسی و H میدان مغناطیسی می‌باشند.

انرژی الکترومغناطیسی

مجموع انرژیهای الکتریکی و مغناطیسی در کنار هم انرژی الکترومغناطیسی نامیده می‌شود. که در مدارهای LC وRLC این ترکیب فراهم می‌شود. و انرژی در خازن و القاگر ذخیره می‌گردد. چگالی انرژی الکترومغناطیسی از رابطه u = (B.H + E.D)/2 محاسبه می‌شود.

انرژی موج

امواج در اقیانوس باز بر اثر عمل باد روی سطح اقیانوس تولید می‌شوند. کل انرژی موج توزیع شده در زمین در حدود 2.5x106 Mw تخمین زده می‌شود که در حدود انرژی کلی توزیعی جزر و مد است. انرژی موج منبع تجدید شونده است (انرژی برگشت پذیر) و معمولا نسبت به انرژی باد بیشتر قابل تولید است. انرژیی که از امواج استخراج می‌شود، دوباره به سرعت توسط برهمکنش با دو سطح اقیانوس پر می‌شود.

 

 

روشهای استفاده از انرژی امواج

برای استفاده از انرژی امواج از سه طرح از انرژی آن بهره برداری می‌شود:

استفاده از استوانه های شناور

استوانه‌ها را طوری می‌سازند که بیشترین وزن آنها در ته باشد و در قسمت پائین یک دریچه دارند. وقتی امواج می‌آید فشار آب دریچه (2) بسته می‌شود و هوای متوسط دریچه (1) تخلیه می‌شود، دریچه (3) نیز بسته است و هوا از طریق دریچه (4) خارج شده و موجب چرخش پره‌ها می‌گردد. وقتی موج پایین می‌رود، یک حالت مکش ایجاد می‌شود. لذا دریچه (1و2) بسته شده دریچه (3و4) باز می‌شود و هوا ضمن ورود به استوانه موجب چرخش پره‌ها می‌گردد. چرخش پره‌ها باعث چرخش توربینها و ژنراتورها برای تولید الکتریسته استفاده می‌شود.

استفاده از بادامکهای شناور

وقتی موج می‌آید بادامکها را می‌چرخاند و این حرکت چرخشی را به ژنراتور وصل می‌کنند. در واقع تعداد زیادی از این بادامکها را توسط میله‌ای بهم وصل می‌کنند و مجموعه را در نزدیکی ساحل روی امواج می‌گذارند، این سیستمها برای امواج سنگین کاربرد دارد.

استفاده از جزایر طبلک

سیستم طبلکی: چیزی شبیه تیوپ اتومبیل می‌باشد که دیواره‌های آن قابل ارتجاع می‌باشد. قسمتهای داخلی تقسیم بندی ، توربین جاگذاری کرده‌اند. این سیستم را بصورت شناور روی آب می‌اندازند و موج به آنها ضربه وارد می‌کند. این ضربه به بدنه تیوپ وارد می‌شود و موجب فرو رفتگی آن می‌شود. فرو رفتگی باعث فشرده شدن هوای داخل آن شده ، در نتیجه هوای فشرده از یک محفظه وارد محفظه دیگر می‌شود و باعث چرخش توربینها می‌گردد.

مباحث مرتبط با عنوان

 

موج در سطح دریا عبارت است از حرکت ذرات آب به بالا و پایین و آنچه ادامه می‌یابد تا به ساحل می‌رسد، تنها همین حرکت است نه اینکه ذرات آب. نیرویی که باعث این حرکت می‌شود، از وزش باد تأمین می‌شود. ذرات آب در موج حرکت دایره وار دارند و انرژی موج ، انرژی برگشت پذیر است که دوباره در اثر برهمکنش باد و سطح آب ایجاد می‌شود.

انرژی شیمیایی

در جریان یک واکنش شیمیایی ، انرژی آزاد یا جذب می‌شود، که به این انرژی که حاصل از واکنشهای شیمیایی است، انرژی شیمیایی می‌گویند. این انرژی بسته به نوع واکنش ممکن است انرژی پیوندی ، انرژی یونش ، انرژی فعالسازی و ... باشد.

انرژی مکانیکی

طبق قانون پایستگی انرژی ، مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل برای سیستمی که فقط نیروهای پایستار به آن اثر می‌کند، مقداری ثابت است. این مقدار ثابت انرژی مکانیکی نامیده می‌شود (E = K + U). که در این رابطه E انرژی مکانیکی ، K انرژی جنبشی و U انرژی پتانسیل می‌باشد.

انرژی پتانسیل

هر جسم بسته به موقعیت خود ، دارای انرژی پتانسیل می‌باشد که این موقعیت از یک مبدا فرضی سنجیده می‌شود. این انرژی در جسم ذخیره می‌شود و طبق قانون پایستگی انرژی مکانیکی ، می‌تواند با تغییر موقعیت ، به انرژی جنبشی تبدیل شده و کار انجام دهد. انرژی پتانسیل فقط برای نیروهای پایستار معنی دارد و در انواع انرژی پتانسیل گرانشی ، انرژی پتانسیل کشسانی و ... وجود دارد.

انرژی جنبشی

هر جسم متحرکی می‌تواند در برخورد به اجسام دیگر و با کم شدن سرعتش به آنها ضربه بزند، پس به هر جسم در حال حرکت می‌توان انرژیی نسبت داد که به انرژی جنبشی موسوم است و از رابطه K = mv2/2 بدست می‌آید. طبق قضیه کار و انرژی ، انرژی جنبشی یک جسم متحرک ، برابر است با کاری که می‌تواند انجام دهد، تا به سکون برسد.

انرژی داخلی

انرژی داخلی یک ماده برابر مجموع انرژیهای مولکولهای تشکیل دهنده آن ماده است، به عبارت دیگر ، انرژی داخلی با مجموع انرژیهای جنبشی و پتانسیل مولکولهای آن ماده برابر است. تغییر این انرژی ، موضوع قانون اول ترمودینامیک می‌باشد. انرژی درونی یک سیستم تنها تابعی از دمای مطلق آن می‌باشد.

انرژیهای برگشت پذیر

اگر سیستمی چنان متحول شود که پس از پایان تحول دوباره به حالت اولیه برگردد و در این برگشت هیچ تغییری در سیستم و محیطهای اطراف مشاهده نشود، چنین تحولی را تحول برگشت پذیر گویند. انرژی که در این تحول دوباره به حالت اولیه بازگشت ، انرژی برگشت پذیر می‌باشد.

انرژیهای برگشت ناپذیر

اگر سیستمی پس از پایان تحول ، دوباره به حالت اولیه بازنگردد، چنین تحولی را تحول برگشت ناپذیر می‌گویند. در طبیعت وجود عوامل اتلافی باعث می‌شود که همیشه مقداری از انرژی به شکل گرما ظاهر و بدون استفاده تلف شود. لذا دیگر این انرژی تلف شده به حالت اولیه بر نمی‌گردد. چنین انرژی را ، انرژی برگشت ناپذیر گویند.

 

جهان و بحران انرژی

 

بحران انرژی در عرصه سیاست

همه می‌دانند که انرژی کمبودش بحران ایجاد می‌کند. وجود بحران انرژی به معنای ایجاد صف اتومبیل در جایگاههای فروش بنزین ، تعطیل شدن مدارس در زمستان به دلیل فقدان سوخت ، دست دادن حالت خفگی به کارکنان آسمانخراشها به سبب از کار افتادن تهویه مطبوع است. کمبود سوخت یعنی زمین گیر شدن هواپیماها از کار افتادن تدریجی کارخانجات است. این بحران یعنی اینکه ، بر اثر کمبود کودهای شیمیایی ، حشره‌کشها ، علف کشها و از کار افتادن تلمبه‌های آبیاری و خوابیدن وسایل حمل و نقل برای رساندن محصولات به بازار ، تولید غذا با خطر روبرو خواهد شد.

بحران انرژی در عرصه سیاست

در قلمرو قدرت سیاسی ، بحران انرژی از نظر کشورهای صادر کننده نفت ، (اوپک) مهم است. به دلیل وجود 3.5 وجود ذخایر شناخته شده نفت در خاورمیانه ، شرکتهای نفتی تأمین کننده نفت کشورهای صنعتی ، برای توسعه این مناطق به سرمایه گذاریهای هنگفتی مبادرت کرده‌اند. در ابتدا تولید نفت ارزان تمام می‌شد و شیوخ نفت روزگار خوشی داستند. شش درصد جمعیت جهان که در ایالت متحده زندگی می‌کند، 30 درصد از انرژی جهان را به مصرف می‌رساند و از آنجا که مدتها بود که مصرف نفت آمریکا از تولید داخلی آن تجاوز می‌کرد، این کشور می‌توانست نفت را با بهای ارزان وارد کند و به مصرف برساند. اما سرانجام کشورهای غرب توانستند سر رشته کارها را بدست خود بگیرند، لذا از آن تاریخ به بعد جریان نفت تابع قیمتی بود که اوپک تعیین می‌کرد.

در جنگهای داخلی کشورها نفت به اسلحه تبدیل می‌شود. به عنوان مثال در زمان قیام مردم ایران علیه شاه ، اعتصاب کارکنان نفت ، تقریبا باعث توقف کامل تولید و تصفیه نفت شد. در کشوری که 12 درصد از نیاز نفتی کشورهای غربی را تأمین می‌کرد، به اندازه رفع نیازهای داخلی خودش هم نفت یافت نمی‌شد.

سوختهای فسیلی

از آنجا که کاربردهای نفت و گاز گسترده‌تر و مصرف آنها راحتر است، در چندین دهه اخیر از این دو ماده استفاده بیشتری به عمل آمده و زغال سنگ ، سومین سوخت فسیلی ، کمتر مصرف شده و ذخایر آن مدت نسبتا زیادی دوام خواهد آورد، می‌توان روی زغال سنگ به عنوان سوختی جامد تا 400 سال دیگر حساب کرد. البته این امکان وجود دارد که زغال سنگ به صورت گاز مایع به مصرف برسد. حتی در اعماق زمین هم می‌توان با مصرف هزینه هنگفتی زغال سنگ را به سوخت مایع تبدیل کرد.

باید توجه داشت که حفظ زغال سنگ (یا هر سوخت دیگر) تنها به معنای عدم استفاده از آن نیست، بلکه به معنای استفاده بهتر از آن است. مهندسان انرژی ، راههای استحصال انرژی حاصل از سوختن زغال سنگ را تا حد زیادی بهبود بخشیده‌اند، روشهای جدید ، حتی نوید استفاده بهتری می‌دهد. با کاربر اصول حاکم بر فیزیک پلاسما و مغناطیس هیدرودینامیک (Magnetohyrodynamics) ، می‌توان از خود شعله و هم برق تولید کرد.

منابع جایگزین انرژی

روز به روز تقاضای جهانی انرژی افزایش پیدا می‌کند و هر دو سال دو برابر می‌شود، که تلاش برای یافتن انرژِی جدید را الزامی می‌کند. در سال 1961 ، کنفراسی درباره منابع جدید انرژی در سازمان ملل متحد برگزار شد. این کنفراس به کشورهای جهان سوم و به اینکه این کشورها چگونه می‌توانند به پیشرفت و شکوفایی دست پیدا کنند، مربوط می‌شد. نگرانی کشورهای پیشرفته بی‌مورد نبود. آنان پی بردند که ذخایر نفت تجدید ناپذیرند و سرانجام به پایان خواهد رسید.

انرژی هسته‌ای یکی از منابع جدید انرژی است که می‌تواند جایگزین منابع تجدیدناپذیر طبیعی باشد. اما در غیاب راکتورهای هسته‌ای کوچک با قیمت مناسب ، دسترسی به انرژی هسته‌ای مقدور نمی‌باشد. نیروگاه‌های هسته‌ای گرانقیمت با تولید برق در مقیاس مگاوات هنگامی در خور توجه خواهد بود که شبکه توزیع با مجتمعهای صنعتی وجود داشته باشد.

از جمله منابع دیگر انرژی که می‌تواند جایگزین مناسب منابع تجدید ناپذیر طبیعی باشد، می‌توان به خورشید ، باد ، امواج جذر و مد ، آب جاری ، انرژی زیستی ، انرژی زمین گرمایی و گرمای حاصل از پوسته زمین اشاره کرد. البته شایان ذکر است که استفاده از این منابع جدید ، تکنولوژیهای جدید و پیشرفته‌ای را می‌طلبد که این تکنولوژی را در اختیار اکثر کشورهای جهان سوم که تولید کنندگان اصلی منابع تجدید ناپذیر طبیعی هستند، قرار ندارد.

ضرورت توسعه منابع جایگزین انرژی

با توجه بر فراز و نشیبهای اجتماعی و اقتصادی فعلی ، توسعه منابع انرژِی جانشین امری الزامی ، مبرم و اجتناب ناپذیر است، حتی مصرف زغال سنگ به جای نفت ، یا تبدیل زغال سنگ به نفت ، برای رفع نیازهای فراوان موتورهای احتراق داخلی (درون سوز) ، خود به معنای اختصاص یافتن منابع عظیم سرمایه گزاری خواهد بود.

به هر حال باید این مسئله را به عنوان یک واقعیت تلخ بپذیریم که منابع سوخت فسیلی روزی به پایان خواهد رسید و این مسئله به صورت یک زنگ خطر است که از همین امروز باید به فکر توسعه و ایجاد منابع جدید انرژی باشیم. این وظیفه به عهده دولتمردان و دانش پژوهان قرار دارد که در این زمینه تحقیقات وسیع و دامنه داری را انجام دهند.در کنار این تلاش‌ها باید در مصرف منابع فعلی انرژی نیز حداکثر صرفه جویی را نموده و از مصرف بی‌رویه انرژی خودداری کنیم.

انرژی بالا

رشد صنعت و کیفیت زندگی جوامع در تمام ادوار تاریخ ، با چگونگی مصرف و تولید انرژی رابطه مستقیمی ‌داشته است. از طرفی منابع انرژی همچون نفت ، زغال ‌سنگ و منابع انرژیهای فسیلی تجدید ناپذیر هستند و سرانجام روزی به پایان خواهند رسید. از طرف دیگر ، زندگی بشر با تولید انرژی نسبت مستقیم دارد. بنابراین ادامه حیات در روی زمین ایجاب می‌کند که باید به فکر منابع جدید و قابل تجدید انرژی بود. نحوه تولید و استفاده از این منابع جدید انرژی علم و دانش خاص خود را می‌طلبد و چون اغلب فرایندهای مربوط به این منابع جدید انرژی ، در علم فیزیک مورد مطالعه قرار می‌گیرند، لذا در علم فیزیک شاخه‌ای تحت عنوان فیزیک انرژی‌های بالا ایجاد شده است که بطور مفصل ، مسائل مربوط به این منابع جدید را مورد بحث قرار می‌دهد.

 

 

منابع جدید انرژی و کشورهای در حال توسعه

منابع جدید انرژی که قابل تجدید می‌باشند، تقریبا بسیار متنوع و زیاد هستند. انرژی باد ، بیوانرژی ، انرژی امواج ، انرژی گرادیان حرارتی دریاها ، ژئوترمال ، انرژی فیوژن و انرژی آب چند نمونه از این منابع جدید انرژی هستند. البته لازم به ذکر است که تمام این منابع انرژی از زمانهای قبل نیز وجود داشتند، ولی رشد و توسعه علم و تکنولوژی بشر را قادر به مهار کردن این انرژیها نموده است. در میان منابع فوق انرژی فیوژن و انرژی خورشید جزو منابع غنی انرژی هستند که بشر در مهار کردن آنها با مشکلاتی مواجه است.

البته شکی نیست که به خاطر جوان بودن رشته فیزیک انرژی‌های بالا ، مشکلات تکنولوژی زیادی وجود دارند که باید بر آنها غالب شد. در حال حاضر تقریبا چند کشور از ممالک در حال توسعه دارای تکنولوژی استفاده از این منابع هستند. جدا از تکنولوژی فیوژن ، بهره‌گیری از منابع جدید و قابل تجدید انرژی احتیاج به یک دقت نظر و برنامه‌ریزی دقیق دارد که باید از طرف متولیان امر انرژی در این کشورها اعمال شود.

غیر متمرکز بودن جمعیت در کشورهای در حال توسعه یکی از مزایای این کشورها در استفاده از منابع جدید و قابل تجدید انرژی است. چون قسمت اعظم جمعیت این کشورها در روستاها و مناطق دور افتاده زندگی می‌کنند، جایی که شبکه برق ‌رسانی و حمل و نقل یا هنوز به آنها نرسیده و یا به صورت محدود و ابتدایی در این مناطق توسعه یافته است. همچنین این کشورها در مراحل مختلف توسعه هستند و لذا وقت کافی برای تشکیل نمونه مصرفی ، که با منابع جدید و قابل تجدید انرژی هماهنگ باشد، را دارا هستند.

مراحل استفاده از سیستمهای خورشیدی

  • مرحله اول در استفاده از سیستمهای خورشیدی ، مسائل تکنولوژیکی و علمی ‌است که از مسائل اصلی و ضروری هستند که باید بیشتر مورد توجه قرار گیرند. در این مرحله ، بر حسب نوع آب و هوا و نوع ساختمان و شرایط محیطی راه حلهای مختلفی ارائه می‌گردد.
  • مرحله دوم تلفیق و هماهنگی این سیستمها با سیستمهای موجود است که این امر از جمله مسائلی است که باید در شهرها مورد توجه قرار گیرد. معمولا یک طرح خورشیدی بهینه باید حدود 60 تا 80 درصد از انرژی مصرفی خود را توسط خورشید تامین کند و بقیه را توسط یک سیستم کمکی بدست آورد.

    طراحی یک سیستم خورشیدی برای تامین صد درصد انرژی تقریبا غیر اقتصادی و شاید غیر عملی باشد. بنابراین ، استفاده از یک سیستم کمکی که معمولا از شبکه‌های برق و گاز تامین خواهد شد، غیرقابل اجتناب است. این مسئله باعث بروز مشکلاتی در تنظیم و کنترل بار شبکه خواهد شد. بنابراین استفاده انبوه از این سیستمها در شهرها ، موضوعی است که باید به دقت بررسی شود.

 

 

 

ارتباط فیزیک انرژی بالا با سایر علوم

اصول رشته فیزیک انرژی بالا بر اساس چندین رشته مختلف از علوم مانند فیزیک ، شیمی ، ریاضیات ، اقتصاد ، مهندسی مکانیک ، مهندسی الکترونیک و مهندسی شیمی ‌بنا نهاده شده است. بنابراین ، برای اشراف کامل یافتن بر موضوع نیاز به آگاهیهای وسیعی از موضوعات مختلف وجود دارد. تنوع و گستردگی موضوع از یک طرف و تازه و جوان و نوپا بودن علم فیزیک انرژی‌های بالا سبب شده است که تعداد افراد متخصص در این رشته در مقایسه با سایر رشته‌ها کمتر باشد.

همچنین چون انرژی هسته‌ای و فرایندهای هسته‌ای به صورت گسترده و وسیع در فیزیک هسته‌ای مورد بحث قرار می‌گیرند، لذا این علم با فیزیک هسته‌ای ارتباطی تنگاتنگ دارد. البته شاخه‌های مختلف علم فیزیک مانند ترمودینامیک ، فیزیک راکتور ، فیزیک فضا و سایر شاخه‌های فیزیک نیز با این علم مرتبط هستند.

چند نمونه از مصارف انرژی خورشیدی در جامعه

آبگرمکن خورشیدی

مساعدترین بخش برای کاربرد انرژی خورشیدی ، بخش خانگی است. قسمت اعظم آب گرم مصرفی در این بخش می‌تواند توسط انرژی خورشیدی تأمین شود، اما در پاره‌ای از موارد استفاده از انرژی برای تامین آب گرم مصرفی مناسب نخواهد بود. از جمله این موارد آپارتمانهای بلند ، مناطق جنگلی ، خانه‌هایی که در جهت نامناسب قرار دارند و مناطق با تشعشعات خورشیدی کم است. در هر حال ، می‌توان بیشتر از 60 درصد آب گرم خانگی را از طریق خورشیدی تامین نمود. امروزه تکنولوژی آبگرمکن‌های خورشیدی کاملا توسعه پیدا کرده و به درجه بالایی از رشد و پیشرفت رسیده است.

گرم کردن فضا

گرم کردن فضا خصوصا در مناطق سرد احتیاج به انرژی قابل ملاحظه‌ای دارد و شاید یکی از اقلام مهمی‌ باشد که می‌تواند با تکنولوژی موجود توسط انرژی خورشیدی تامین شود. البته این کار چندان ساده نیست و اکثر ساختمانهای موجود برای این کار مساعد نیستند. برخلاف سیستم آب گرم خانگی ، در این زمینه طرحهای مختلفی وجود دارد که به عنوان مثال می‌توان به سیستمهای هوا ، سیستمهای آبی ، سیستمهای پسیو و غیره اشاره کرد.

تولید بخار صنعتی

معمولا بخار در محدوده 300 _ 500 درجه فارنهایت در بیشتر صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد. متمرکز کننده‌ها می‌توانند چنین درجه حرارتی را تامین کنند. روشهای مختلفی در این زمینه وجود دارد، ولی معلوم نیست که کدام روش بهترین است. ذخیره انرژی یکی از مسائل اصلی این سیستمهاست. هیچگونه سیستم ارزان قیمت و ساده‌ای برای ذخیره حرارت در این محدوده وجود ندارد.

تولید الکتریسته توسط سلولهای خورشیدی

سلول خورشیدی وسیله‌ای است که می‌تواند با استفاده از انرژی خورشیدی جریان الکتریسیته تولید کند. این سلولها می‌توانند در یک ماهواره مصنوعی خارج از جو زمین ، در محلی که بیشتر اوقات خارج از سایه زمین قرار دارد، نصب شوند. انرژی حاصل از خورشید توسط این سلولها به امواج ماکروویو تبدیل شده و به زمین ارسال می‌گردد. سپس طی فرایندهایی امواج ماکروویو به انرژی الکتریسیته تبدیل می‌گردند.

تولید الکتریسیته توسط تبدیل حرارتی

بخار ایجاد شده توسط انرژی خورشیدی می‌تواند یک توربین مولد الکتریسته را به حرکت در آورد و جریان الکتریسته ایجاد نماید. البته این کار می‌تواند به روشهای مختلف صورت گیرد.

تولید هیدروژن در راکتور هسته‌ای

مشکل ذخیره انرژی یکی از مشکلات اساسی بر سر راه توسعه و کاربرد انرژی خورشیدی در درجه حرارت بالا است. هدف نهایی تجزیه آب توسط انرژی خورشیدی و تولید هیدروژن است. این کار می‌تواند با استفاده از کاتالیزورها در راکتورها و در درجه حرارت بالا و یا بوسیله عمل الکترولیز انجام شود. هیدروژن تولید شده می‌تواند برای مدت طولانی ذخیره شده و یا بوسیله لوله انتقال پیدا کند. سلولهای سوختی می‌توانند با بازده بالایی هیدروژن را به الکتریسیته تبدیل کنند.

چکیده

آنچه اشاره شد، نمونه بسیار کوچکی از کاربردهای انرژی خورشیدی در زندگی مردم جامعه است که نمونه عملی از فیزیک انرژی بالاست. البته لازم به ذکر است که همانگونه که اشاره شد در میان انرژی‌های جدید که قابل تجدید هستند، انرژی فیوژن و انرژی خورشیدی بیشتر مورد توجه است. البته انرژی‌های دیگر نیز مورد توجه بوده و مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال از انرژی آب در حرکت دادن توربین‌ها استفاده می‌شود

لزوم ذخیره کردن

مسئله ذخیره کردن مواد قابل احتراق موجود بوسیله مراکز کلاسیکی به آسانی حل شده است. وقتی یک دستگاه برقی خانگی به عنوان مثال 3.5 کیلو واتی بکار انداخته می‌شود، بلافاصله توان مصرفی مرکز به اندازه 3.5 کیلو وات افزایش می‌یابد، که سبب مصرف بیشتر زغال سنگ ، مواد نفتی ، آب یا اورانیوم می‌باشد. در مورد انرژی خورشیدی ، باد یا حتی جزر و مد چنین موردی وجود ندارد. در این موارد انرژی را وقتی که در دسترس است باید اخذ کرد و اگر در این لحظه مورد نیاز نباشد لازم است ذخیره شود.

 

 

ذخیره الکتریسته

  • یک انباره الکتریکی فقط یک دستگاه است که به موقع پر کردن انرژی را دریافت می‌کند و به هنگام تخلیه الکتریکی آن را پس می‌دهد. این یک دستگاه ذخیره سنگین است. زیرا یک کیلو انباره سربی را در بر دارد.
  • امتیاز بزرگ آن امکان جمع آوری ساده انرژی مکانیکی با بازده خوب است از این رو روش ذخیره کردن در اتومبیلها و در ماشینهای بادی الکتریکی بسیار مورد استفاده است. ولی آن نمی‌تواند اسبابهای الکتریکی خانگی را بدون گذشتن از یک نوسانگر ، تغذیه کند. چنین ذخیره‌ای برای مصرف عمومی غیر ممکن است، ذخیره مازاد الکتریسته حاصل از یک نیروگاه برق در یک انبار بزرگ مشکل به نظر می‌آید.
  • گونه‌های دیگر باتری نیز وجود دارد:
  • پیل کادیوم ـ نیکل
  • پیل نقره ـ روی
  • پیل سدیم ـ گوگرد

این باتریها خیلی گرانتر هستند و انرژی ویژه آنها فقط سه یا چهار برابر انرژی یک انباره سربی است.

ذخیره انرژی جنبشی

استفاده از چرخ لنگر برای ذخیره انرژی جنبشی بسیار قدیمی است، در حال حاضر دستگاههایی برای ذخیره انرژی جنبشی ساخته شده است. ولی قیمت ذخیره هنوز بسیار بالا است.

 




 

 

ذخیره هیدروژن

هیدروژن یکی از جالبترین مواد قابل احتراق است، که ظرفیت گرمایی آن 34000 کیلو کالری بر کیلوگرم امکان استفاده در توانهای بسیار بالا سهولت نسبی کاربرد و بازده بسیار خوب است. تولید هیدروژن با الکترولیز به توسط جریان الکتریکی یا جریان برق آسان است. مخصوصاً انرژی ماشینهای بادی و انرژی جزر و مد برای تولید هیدروژن استفاده کرد. برای ذخیره کردن هیدروژن دو مسئله وجود دارد:

  • تبخیر اجتناب ناپذیر هیدروژن مایع (253- درجه سیلسیوس) در حدود یک در صد هر ساعت هر روز یا هر ماه برحسب اندازه مخزن است و در ذخیره کردن دراز مدت آن محدودیتی پدید می‌آید، از این جهت ذخیره کردن فقط در کوتاه مدت ممکن است.
  • چگالی کم مایع و گاز آن سبب می‌شود که مخازنی با حجم بزرگ ساخته شوند، برای ذخیره هیدروژن مخازن کروی فوق العاده عایق صورت گیرد.

بیو گاز Bio - Gass

از تبخیر فضولات حیوانی و گیاهی گاز متان می‌شود. این روش در چین و هند و ... رایج است. یکی از تکنیکها به این شکل است که چاهی درست می‌کنند و فضولات گاوی در آن جمع می‌کنند. و مقداری باکتریها را به آن اضافه می‌کنند. این باکتریها تکثیر شده و تولید گاز سوختنی متان می‌شود

دید کلی

وقتی که صحبت از مفهوم انرژی به میان می‌آید، نمونه‌های آشنای انرژی مثل انرژی گرمایی ، نور و یا انرژی مکانیکی و الکتریکی در شهودمان مرور می‌شود. اگر ما انرژی هسته‌ای و امکاناتی که این انرژی در اختیارش قرار می‌دهد، آشنا ‌شویم، شیفته آن خواهیم شد.

 

 

آیا می‌دانید که

  • انرژی گرمایی تولید شده از واکنشهای هسته‌ای در مقایسه با گرمای حاصل از سوختن زغال سنگ در چه مرتبه بزرگی قرار دارد؟
  • منابع تولید انرژی هسته‌ای که بر اثر سیلابها و رودخانه از صخره شسته شده و به بستر دریا می‌رود، چقدر برق می‌تواند تولید کند؟
  • کشورهایی که بیشترین استفاده را از انرژی هسته‌ای را می‌برند، کدامند؟ و ... .

نحوه آزاد شدن انرژی هسته‌ای

می‌دانیم که هسته از پروتون (با بار مثبت) و نوترون (بدون بار الکتریکی) تشکیل شده است. بنابراین بار الکتریکی آن مثبت است. اگر بتوانیم هسته را به طریقی به دو تکه تقسیم کنیم، تکه‌ها در اثر نیروی دافعه الکتریکی خیلی سریع از هم فاصله گرفته و انرژی جنبشی فوق العاده‌ای پیدا می‌کنند. در کنار این تکه‌ها ذرات دیگری مثل نوترون و اشعه‌های گاما و بتا نیز تولید می‌شود. انرژی جنبشی تکه‌ها و انرژی ذرات و پرتوهای بوجود آمده ، در اثر برهمکنش ذرات با مواد اطراف ، سرانجام به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. مثلا در واکنش هسته‌ای که در طی آن 235U به دو تکه تبدیل می‌شود، انرژی کلی معادل با 200MeV را آزاد می‌کند. این مقدار انرژی می‌تواند حدود 20 میلیارد کیلوگالری گرما را در ازای هر کیلوگرم سوخت تولید کند. این مقدار گرما 2800000 بار برگتر از حدود 7000 کیلوگالری گرمایی است که از سوختن هر کیلوگرم زغال سنگ حاصل می‌شود.

 

 

کاربرد حرارتی انرژی هسته‌ای

گرمای حاصل از واکنش هسته‌ای در محیط راکتور هسته‌ای تولید و پرداخته می‌شود. بعبارتی در طی مراحلی در راکتور این گرما پس از مهارشدن انرژی آزاد شده واکنش هسته‌ای تولید و پس از خنک سازی کافی با آهنگ مناسبی به خارج منتقل می‌شود. گرمای حاصله آبی را که در مرحله خنک سازی بعنوان خنک کننده بکار می‌رود را به بخار آب تبدیل می‌کند. بخار آب تولید شده ، همانند آنچه در تولید برق از زعال سنگ ، نفت یا گاز متداول است، بسوی توربین فرستاده می‌شود تا با راه اندازی مولد ، توان الکتریکی مورد نیاز را تولید کند. در واقع ، راکتور همراه با مولد بخار ، جانشین دیگ بخار در نیروگاه‌های معمولی شده است.

سوخت راکتورهای هسته‌ای

ماده‌ای که به عنوان سوخت در راکتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد باید شکاف پذیر باشد یا به طریقی شکاف پذیر شود.235U شکاف پذیر است ولی اکثر هسته‌های اورانیوم در سوخت از انواع 238U است. این اورانیوم بر اثر واکنشهایی که به ترتیب با تولید پرتوهای گاما و بتا به 239Pu تبدیل می‌شود. پلوتونیوم هم مثل 235U شکافت پذیر است. به علت پلوتونیوم اضافی که در سطح جهان وجود دارد نخستین مخلوطهای مورد استفاده آنهایی هستند که مصرف در آنها منحصر به پلوتونیوم است.

میزان اورانیومی که از صخره‌ها شسته می‌شود و از طریق رودخانه‌ها به دریا حمل می‌شود، به اندازه‌ای است که می‌تواند 25 برابر کل مصرف برق کنونی جهان را تأمین کند. با استفاده از این نوع موضوع ، راکتورهای زاینده‌ای که بر اساس استخراج اورانیوم از آب دریاها راه اندازی شوند قادر خواهند بود تمام انرژی مورد نیاز بشر را برای همیشه تأمین کنند، بی آنکه قیمت برق به علت هزینه سوخت خام آن حتی به اندازه یک درصد هم افزایش یابد.

مزیتهای انرژی هسته‌ای بر سایر انرژیها

 




بر خلاف آنچه که رسانه‌های گروهی در مورد خطرات مربوط به حوادث راکتورها و دفن پسماندهای پرتوزا مطرح می‌کند از نظر آماری مرگ ناشی ازخطرات تکنولوژی هسته‌ای از 1 درصد مرگهای ناشی از سوختن زغال سنگ جهت تولید برق کمتر است. در سرتاسر جهان تعداد نیروگاههای هسته‌ای فعال بیش از 419 می‌باشد که قادر به تولید بیش از 322 هزار مگاوات توان الکتریکی هستند. بالای 70 درصد این نیروگاه‌ها در کشور فرانسه و بالای 20 درصد آنها در کشور آمریکا قرار دارد.

 

انرژی های نو

   
 

 

طبق آمارهای به ثبت رسیده طی 30 سال گذشته احتیاجات انرژی جهان به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش یافته است. در سال 1960 مصرف انرژی جهان معادل 3/3Gtoe  بوده است.در سال 1990 این رقم به 8/8Gtoe بالغ گردید ، که دارای رشد متوسط سالانه 3/3 درصد می باشد و در مجموع 166 در صد افزایش نشان می دهد و در حال حاضر مصرف انرژی جهان 10Gtoe/Year  بوده و پیش بینی می شود این رقم در سالهای 2010 و 2020 به 12 و 14 Gtoe/Year افزایش یابد . این ارقام نشان می دهند که میزان مصرف انرژی جهان در قرن آینده بالا می باشد و بالطبع این سوال مهم مطرح می باشد که آیا منابع انرژی های فسیلی در قرنهای آینده، جوابگوی نیاز انرژی جهان برای بقا، تکامل و توسعه خواهند بودیا خیر؟
حداقل به دو دلیل عمده پاسخ این سوال منفی است و باید منابع جدید انرژی را جایگزین این منابع نمود. این دلایل عبارتند از:
محدودیت و در عین حال مرغوبیت انرژی های فسیلی چرا که این سوختها از نوع انرژی شیمیایی متمرکز بوده و مسلماً کاربردهای بهتر از احتراق دارند.
مسایل و مشکلات زیست محیطی بطوری که امروزه حفظ سلامت اتمسفر از مهمترین پیش شرطهای توسعه اقتصادی پایدار جهانی به شمار می آید. از این رو است که دهه های آینده بعنوان سالهای تلاش مشترک جامعه انسانی برای کنترل انتشار کربن، کنترل محیط زیست و در واقع تلاش برای تداوم انسان بر روی کره زمین خواهد بود
بنابراین استفاده از منابع جدید انرژی به جای منابع فسیلی امری الزامی است. سیستمهای جدید انرژی در آینده باید متکی به تغییرات ساختاری و بنیادی باشد که در آن منابع انرژی بدون کربن نظیر انرژی خورشیدی و بادی و زمین گرمایی و کربن خنثی مانند انرژی بیوماس مورد استفاده قرار می گیرند. بدون تردید انرژی های تجدیدپذیر با توجه به سادگی فن آوریشان در مقابل فن آوری انرژی هسته ای از یک طرف و نیز بدلیل عدم ایجاد مشکلاتی نظیر زباله های اتمی از طرف دیگر نقش مهمی در سیستمهای جدید انرژی در جهان ایفا می کنند. در هر حال باید اذعان داشت که در عمل عوامل متعددی بویژه هزینه اولیه و قیمت تمام شده بالا، عدم سرمایه گذاری کافی برای بومی نمودن و بهبود کارآیی تکنولوژیهای مربوطه ، به حساب نیامدن هزینه های خارجی در معادلات اقتصادی، نبود سیاستهای حمایتی در سطح جهانی، منطقه ای و محلی، نفوذ و توسعه انرژی های نو را بسیار کند و محدود ساخته است. ولی پژوهشگران و صنعتگران همواره تلاش خود را جهت رفع این مشکلات مبذول می دارند.
بطور کلی عمده فعالیتهای مربوط به احداث پایلوتهای سازگار با محیط زیست با بکار بردن منابع انرژی های تجدیدپذیر و اجرای پروژه های مهندسی و انجام خدمات مشاوره ای و مدیریت بر طرحها، در چهار بخش ذیل متمرکز شده است:
• انرژی های خورشیدی
• انرژی باد و امواج
• انرژی زمین گرمایی
• فن آوری هیدروژن، پیل سوختی و زیست توده
که در اینجا به توضیح اجمالی هر یک می پردازیم:

1- انرژی خورشیدی
جالب است بدانید که تابش خورشید بزرگترین منبع تجدید پذیر انرژی روی کره زمین می باشد و اگر فقط یک درصد از صحراهای جهان با نیروگاه های حرارتی خورشیدی به کار گرفته شوند، همین مقدار برای تولید برق سالانه مورد تقاضای جهان کافی خواهد بود.
برای سود جستن از انرژی خورشیدی دو راه وجود دارد :
استفاده مستقیم از نور خورشیدو تبدیل آن به الکتریسیته از طریق سلولهای فتوولتائیک
استفاده مستقیم از انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انواع انرژی های دیگر و یا استفاده مستقیم از آن (کاربردهای نیروگاهی و غیر نیروگاهی خورشیدی)
یک نیروگاه خورشیدی شامل تاسیساتی است که انرژی تابشی خورشید را جمع کرده و با متمرکز کردن آن، درجه حرارتهای بالا ایجاد می کند. انرژی جمع آوری شده از طریق مبدلهای حرارتی، توربین ژنراتورها و یا موتورهای بخار به انرژی الکتریکی تبدیل خواهد شد. نیروگاه های خورشیدی بر اساس نوع متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند:
نیروگاه سهموی خطی (Parabolic Trough Collectors)
نیروگاه دریافت کننده مرکزی(C.R.S)
نیروگاه دیش استرلینگ( این تکنولوژی در نیروگاه های خورشیدی مورد استفاده کمتری دارد و در کاربردهای غیر نیروگاهی بیشتر استفاده می شوند.)

 

 

 

نیروگاه سهموی خطی 250 کیلووات شیراز

 


از انرژی حرارتی خورشید علاوه بر استفاده نیروگاهی، می توان در زمینه های زیر بصورت صنعتی، تجاری و خانگی استفاده کرد:
گرمایش آب مصرفی( آب گرمکنهای خورشیدی برای منارل، ساختمانها، کارخانجات و استخرها)
گرمایش فضای داخلی ساختمانها
سرمایش فضای داخلی ساختمانها و یخچالهای خورشیدی
آب شیرین کنهای خورشیدی (در اندازه های خانگی و صنعتی)
خشک کنهای خورشیدی ( برای خشک کردن مواد غذایی و محصولات کشاورزی)
خوراک پزهای خورشیدی
خورشید زمین را گرم و روشن می‌کند. گیاهان و جانوران نیز انرژی خورشیدی را لازم دارند تا زنده بمانند. اگر خورشید نبود یا از زمین خیلی دورتر بود و گرمای کمتر به ما می‌رسید، سطح زمین خیلی سرد و تاریک می‌شد و هیچ موجودی نمی‌توانست روی آن زندگی کند. همه ما به انرژی نیاز داریم، انرژی مانند نیرویی نامرئی در بدن ما وجود دارد و آن را بکار می‌اندازد. اگر انرژی به بدن نرسد، توانایی انجام کار را از دست می‌دهیم و پس از مدتی می‌میریم.

ما انرژی را از غذایی که می‌خوریم یدست می‌آوریم. با هر حرکت و کاری که انجام می‌دهیم، بخشی از انرژی موجود در بدن صرف می‌شود. حتی برای خواندن این مطلب هم مقداری انرژی لازم است. برای همین باید هر روز غذاهای کافی و مناسبی را بخوریم. گیاهان و جانوران نیز برای زنده ماندن و رشد و حرکت ، به انرژی نیاز دارند، که منشأ همه اینها از خورشید می‌باشد.

 





تمام دستگاهها و ماشینهای ساخته شده بدست انسان نیز با استفاده از انرژی کار می‌کنند. بسیاری از این ماشینها برقی هستند. حتما شما هم از دستگاههایی مثل رادیو ، تلویزیون ، اطو ، یخچال و ... استفاده می‌کنید. اگر به هر دلیلی برق خانه قطع شود، تمام این دستگاهها از کار می‌افتند و بدون استفاده می‌شوند. اما آیا می‌دانید برق چطور تولید می‌شود؟ برای تولید برق ، سوختهایی مثل زغال سنگ ، نفت و گاز را می‌سوزانیم. این نوع سوختها را سوخت فسیلی می‌نامند.

سوختهای فسیلی از باقی مانده گیاهان و جانورانی بوجود آمده‌اند که میلیونها میلیون سال قبل روی زمین زندگی می‌کردند. وقتی این جانوران و گیاهان مردند و از بین رفتند، سالهای زیادی زیر فشار لایه‌های زمین ماندند تا به زغال سنگ و نفت و گاز تبدیل شدند و می‌بینیم که همه انواع مختلف انرژی که قبل تبدیل به یکدیگر نیز هستند از یک منبع به نام خورشید ناشی شده و یا به آن مربوط می‌شود. تابش خورشید منشأ اغلب انرژیهایی است که در سطح زمین در اختیار ما قرار دارد.

  • باد : ناشی از اختلاف دمای هوا و حرکت نسبی اتمسفر زمین است.
  • آبشار : ناشی از تبخیر و بارانی که از آن نتیجه می‌شود.
  • چوب ، زغال سنگ ، نفت و ... که منشا گیاهی دارند به کمک کلروفیل و خورشید ساخته شده‌اند.

خورشید چیست؟

خورشید یک راکتور هسته‌ای طبیعی بسیار عظیم است. که ماده در آن جا بر اثر همجوشی هسته‌ای به انرژی تبدیل می‌شود و هر روز حدود 350 میلیارد تن از جرمش به تابش تبدیل می‌شود، دمای داخلی آن حدود 15 میلیون درجه سانتیگراد است. انرژیی که بدین ترتیب به شکل نور مرئی ، فرو سرخ و فرابنفش به ما می‌رسد 1 کیلو وات بر متر مربع است. خورشید به توپ بزرگ آتشین شباهت دارد که صد بار بزرگتر از زمین است.

این ستاره‌ها از گازهای هیدروژن و هلیوم تشکیل شده است. گازها انفجارهای بزرگی را بوجود می‌آورند و پرتوهای قوی گرما و نور را تولید می‌کنند. این پرتوها از خورشید بسوی زمین می‌آیند در طول راه ، یک سوم آنها در فضا پخش می‌شوند و بقیه بصورت انرژی گرما و نور به زمین می‌رسند. می‌دانیم که سرعت نور 300000 کیلومتر در ثانیه است. از سوی دیگر ، 8 دقیقه طول می‌کشد که نور خورشید به زمین برسد. بنابراین می‌توان فاصله خورشید تا زمین را حساب کرد. در این مسیر طولانی ، مقدار زیادی از نور و گرمای خورشید از دست می‌رود، اما همان اندازه‌ای که به زمین می‌رسد، کافی است تا شرایط مناسبی برای زندگی ما و جانوران و گیاهان بوجود آید.

 

 

منبع انرژی خورشیدی

  • با اندازه گیری شار خورشیدی تابشی در بالای جو زمین می‌توان قدرت دریافتی کل انرژی از خورشید را محاسبه کرد. که حدود 1.8x1011 مگا وات است. البته تمام این انرژی به سطح زمین نمی‌رسد مقداری از آن جذب لایه‌های اتمسفر می‌شود.
  • ماده در عالم اساساً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده که قسمت اعظم آن بین ستارهها و کهکشانها توزیع شده است. نیروی جاذبه متقابل بین ذرات سبب تراکم گاز و گرد غبار شده و این تراکم احتراما ابر ستاره‌ای را بوجود می آورند.
  • انرژی پتاسیل گرانشی سبب ازدیاد دمای داخل ستاره شده و آن هم باعث افزایش چگالی ستاره شده در نتیجه دمای داخل آن افزایش می‌یابد تا یک حالت پلاسمای خورشیدی بخود بگیرد.
  • در یک چنین محیطی شرایط برای همجوشی هسته‌ای مهیا می‌شود. با ترکیب دوترویم و تریتیوم مقداری انرژی آزاد می‌شود (17.6 Mev). بنابراین همانطوری که گفته شد، مقدار انرژیی که از خورشید به زمین می‌رسد، بوسیله جمع کننده‌های خورشیدی کنترل کرده و برای مصارف خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.


2- انرژی باد و امواج
به منظور شناخت دقیق محدودیتها، موانع و امکانات موجود در جهت استفاده از منابع انرژی در کشور، ضرورری است .میزان بهره برداری از پتانسیلهای موجود انرژی و روند تحولات حاملهای انرژیهای تجدیدپذیر در کشور نیز به روش علمی و دقیق محاسبه و ارزیابی گردد.
کشور ایران از لحاظ منابع مختلف انرژی یکی از غنی ترین کشورهای جهان محسوب می گردد، چرا که از یک سو دارای منابع گسترده سوختهای فسیلی و تجدید ناپذیر نظیر نفت و گاز است و از سوی دیگر دارای پتانسیل فراوان انرژیهای تجدید پذیر از جمله باد می باشد.
با توسعه نگرشهای زیست محیطی وراهبردهای صرفه جویانه در بهره برداری از منابع انرژیهای تجدید ناپذیر، استفاده از انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مطرح در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است. استفاده از تکنولوژی توربینهای بادی به دلایل زیر می تواندیک انتخاب مناسب در مقایسه با سایر منابع انرژی تجدید پذیر باشد.
قیمت پایین توربینهای برق بادی در مقایسه با دیگر صور انرژیهای نو
کمک در جهت ایجاد اشتغال در کشور
عدم آلودگی محیط زیست در کشورهای پیشرفته نظیر آلمان، دانمارک، آمریکا،اسپانیا، انگلستان، و بسیاری کشورهای دیگر، توربینهای بادی بزرگ و کوچک ساخته شده است و برنامه هایی نیز جهت ادامه پژوهشها و استفاده بیشتر از انرژی باد جهت تولید برق در واحدهایی با توان چند مگاواتی مورد مطالعه می باشد.
در ایران نیز با توجه به وجود مناطق بادخیز طراحی و ساخت آسیابهای بادی از 2000 سال پیش از میلاد مسیح رایج بوده و هم اکنون نیز بستر مناسبی جهت گسترش بهره برداری از توربینهای بادی فراهم می باشد.مولدهای برق بادی می تواند جایگزین مناسبی برای نیروگاه های گازی و بخاری باشند. مطالعات و محاسبات انجام شده در زمینه تخمین پتانسیل انرژی باد در ایران نشان داده اند که تنها در 26 منطقه از کشور( شامل بیش از 45 سایت مناسب) میزان ظرفیت اسمی سایتها، با در نظر گرفتن یک راندمان کلی 33%، در حدود 6500 مگاوات می باشد و این در شرایطی است که ظرفیت اسمی کل نیروگاه های برق کشور، (در حال حاضر) 34000 مگاوات می باشد. در توربینهای بادی، انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد.
استفاده فنی از انرژی باد وقتی ممکن است که متوسط سرعت باد در محدوده 5/ الی 25/ باشد. پتانسیل قابل بهره برداری انرژی باد در جهان 110 اگاژول (هر اگاژول معادی 1018ژول) برآورد گردیده است که از این مقدار 40 مگاوات ظرفیت نصب شده تا اواخر سال 2003 میلادی(1382 ه.ش.) در جهان می باشد.
از مزایای استفاده از این انرژی عدم نیاز توربین بادی به سوخت، تامین بخشی از تقاضاهای انرژی برق، کمتر بودن نسبی انرژی باد نسبت به انرژی فسیلی در بلند مدت، تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی، قدرت مانور زیاد در بهره برداری( از چند وات تا چندین مگاوات) ، عدم نیاز به آب و نداشتن آلودگی محیط زیست می باشد.

 


 


توربین 600 کیلو وات واقع در روستای بابائیان منجیل

 

 


توربینهای بادی کوچک
از توربینهای بادی کوچک جهت تامین برق جزیره های مصرف و یا مناطقی که تامین برق از طریق شبکه سراسری برق مشکل می باشد استفاده می شود. این توربینها تا قدرت 10 کیلووات توان تولید برق را دارا می باشند.

توربینهای بادی متوسط
عموماً تولید این توربینها بین 250-10 کیلووات است. از این توربینها جهت تامین مصارف مسکونی، تجاری، صنعتی و کشاورزی استفاده می شود.

توربینهای بادی بزرگ( مزارع بادی)

این نوع توربینها معمولاً شامل چند توربین بادی متمرکز با توان تولیدی 250 کیلووات به بالا می باشند که به صورت متصل به شبکه و یا جدا از شبکه طراحی می گردند.

3- انرژی زمین گرمایی

مرکز زمین( به عمق تقریبی 6400 کیلومتر)که در حدود 4000 درجه سانتیگراد حرارت دارد، به عنوان یک منبع حرارتی عمل نموده و موجب تشکیل و پیدایش مواد مذاب با درجه حرارت 650 تا 1200 درجه سانتیگراد در اعماق 80 تا 100 کیلومتری از سطح زمین می گردد. بطورمیانگین میزان انتشار این حرارت از سطح زمین که فرایندی مستمر است معادل 82 میلی وات در واحد سطح است که با در نظر گرفتن مساحت کل سطح زمین(10*1/5 متر مربع) ، مجموع کل اتلاف حرارت از سطح آن، برابر با 42 ملیون مگاوات است. در واقع این میزان حرارت غیر عادی، عامل اصلی پدیده های زمین شناسی از جمله فعالیتهای آتشفشانی، ایجاد زمین لرزه ها، پیدایش رشته کوه ها( فعالیتهای کوه زایی) و همچنین جابجایی صفحات تکتونیکی می باشد که کره زمین را به یک سیستم دینامیک تبدیل نموده و پیوسته آن را تحت تغییرات گوناگون قرار می دهد.
امروزه با بهره گیری از فنآوریهای موجود، تنها بخش کوچکی از این منبع سرشار مهار شده و بطور اقتصادی قابل بهره برداری است.
بنابراین انرژی زمین گرمایی، همان انرژی حرارتی قابل استحصال از پوسته جامد زمین است. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژی های تجدیدپذیر منشاء یک انرژی پایدار با فاکتور دسترسی 100% است که بطور شبانه روزی در طول سال قابل بهره برداری است.

 



خروج بخار از یک چاه زمین گرمایی

 


از انرژی زمین گرمایی در دو بخش کاربردهای نیروگاهی( غیر مستقیم) و غیر نیروگاهی ( مستقیم) استفاده می شود. تولید برق از منابع زمین گرمایی هم اکنون در22 کشور جهان صورت میگیرد که مجموع قدرت اسمی کل نیروگاههای تولید برق از این انرژی بیش از 8000 مگاوات می باشد. این در حالی است که بیش از 64 کشور جهان نیز با مجموع ظرفیت نصب شده بیش از 15000 مگاوات حرارتی از این منبع انرژی در کاربردهای غیر نیروگاهی بهره برداری می نمایند.

نیروگاه زمین گرمایی تبخیر آنی

در این نیروگاه ها سیالی که معمولاً به حالت دوفاز مایع و بخار از اعماق زمین واز طریق چاه های زمین گرمایی استخراج می شود به مخزن جدا کننده هدایت شده و بدینوسیله فاز بخار از فاز مایع جدا می شود.بخار جدا شده وارد توربین شده و باعث چرخش پره های توربین می شود.پره ها نیز به نوبه خود محور توربین و در نتیجه محور ژنراتور رابه حرکت وا می دارند که باعث بوجود آمدن قطبهای مثبت و منفی در ژنراتور شده و در نتیجه برق تولید می شود.

نیروگاه زمین گرمایی با چرخه دو مداره(باینری)

در این نوع نیروگاه ها نیاز به مخزن جداکننده در تجهیزات نیروگاه وجود ندارد زیراآب گرم استخراج شده وارد مبدل حرارتی شده و حرارت خود را به سیال عامل دیگری که معمولاً ایزوپنتان می باشد و نقطه جوش پایینتری نسبت به آب دارد منتقل میکند. در این فرآیند ایزوپنتان به بخار تبدیل شده و به توربین منتقل می شود که در اینجا توربین و ژنراتور طبق توضیحات فوق می توانند برق تولید کنند.
از کاربردهای مستقیم انرژی زمین گرمایی میتوان به مواردی همچون احداث مراکز آب درمانی و تفریحی-توریستی ، گرمایش انواع گلخانه، احداث مراکز پرورش آبزیان و طیور، پیش گیری از یخ زدگی معابر در فصل سرما، تامین گرمایش و سرمایش ساختمانها توسط پمپهای حرارتی زمین گرمایی اشاره نمود.


4- فن آوری هیدروژن، پیل سوختی و زیست توده
مصرف گسترده و کلان انرژی حاصل از سوختهای فسیلی اگرچه رشد سریع اقتصادی جوامع پیشرفته صنعتی را به همراه داشته است اما بواسطه انتشار مواد آلاینده حاصل از احتراق و افزایش دی اکسید کربن در جو و پیامدهای آن، جهان را با تغییرات روز افزونی آماده ساخته است که افزایش دمای زمین، تغییرات آب و هوایی، بالا آمدن سطح آب دریاها و در نهایت تشدید منازعات بین المللی از جمله این پیامدها محسوب می شوند. از سوی دیگر اتمام قریب الوقوع منابع فسیلی و پیش بینی افزایش قیمتها بیش از پیش بر اهمیت و لزوم جایگزینی سیستم انرژی فعلی اهمیت دارد.
در سال 1997 میلادی کنوانسیون تغییرات آب و هوایی با هدف تثبیت غلظت گازهای گلخانه ای در اتمسفر، پروتکل کیوتو را مطرح نمود که به موجب این پروتکل کشورهای صنعتی ملزم به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای شده اند و هدف اصلی از این کنوانسیون دستیابی به تثبیت غلظت گازهای گلخانه ای در اتمسفر تا سطحی است که مانع تداخل خطرناک فعالیتهای بشری با سیستم آب و هوایی گردد و چنین سطحی در چهارچوب زمانی مناسب قابل اجرا خواهد بود تا اکوسیستمها بطور طبیعی خود را با تغیییر آب و هوایی تطبیق دهند و اطمینان حاصل شود که امنیت غذایی تهدید نمی شود و توسعه اقتصادی بطور پایدار ایجاد می گردد. از سوی دیگر مجموعه انرژیهای تجدید پذیر روز به روز سهم بیشتری را در سیستم تامین انرژی جهان بعهده می گیرد؛ لذا در برنامه ها و سیاستهای بین المللی، نقش مهمی به منابع تجدید پذیر انرژی محول گردیده است.

 

 


اما سازگار نمودن این منابع با سیستم فعلی مصرف انرژی جهانی هنوز با مشکلاتی همراه است که بررسی و حل آنها حجم وسیعی از تحقیقات علمی جهان را در دهه های اخیر به خود اختصاص داده است.
تقریباً همه منابع انرژی تجدید پذیر بصورت تناوبی در دسترس هستند و بخودی خود قابل حمل یا ذخیره سازی نیستند و به همین دلیل نمی توانند بصورت سوخت به ویژه در حمل و نقل مورد استفاده قرار گیرند.
سوختهای پاک دارای خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که آنها را پاکتر از بنزین با ساختار و ترکیب فعلی در عمل احتراق می نمایند. این سوختها در حین احتراق مواد آلاینده کمتری تولید می کنند، در ضمن استفاده از این سوختها شدت افزایش و انباشته شدن دی اکسید کربن که موجب گرم شدن زمین می گردد را نیز کاهش می دهد. هیدروژن بعنوان یک سوخت پاک می تواند جایگزین مناسبی برای سایر سوختهای متداول گردد و در آینده بعنوان یک حامل انرژی مطرح گردد. فراوانی سهولت تولید از آب، مصرف تقریباً منحصر بفرد و سودمندی زیست محیطی ذاتی هیدروژن از جمله ویژگیهایی است که آنرا در مقایسه با سایر گزینه های مطرح سوختی متمایز می کند. هیدروژن را می توان با استفاده از انواع منابع انرژی اولیه تولید کرد و در تمام موارد و کاربردهای سوختهای فسیلی مورد استفاده قرار داد. هیدروژن به ویژه منابع تجدید پذیر انرژی را تکمیل می کند و آنها را در هر محل و هر زمان، بصورت مناسبی در دسترس قرار داده و در اختیار مصرف کننده می گذارد. سیستم انرژی هیدروژنی بدلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دائمی، پایدار، فنا ناپذیر، فراگیر و تجدید پذیر می باشد. از اینرو پیش بینی می شود که در آینده ای نه چندان دور، تولید و مصرف هیدروژن به عنوان حامل انرژی به سراسر اقتصاد جهانی سرایت کرده و اقتصاد هیدروژن تثبیت شود.
معرفی سوختهای جایگزین و مطالعه در خصوص امکان استفاده و بهره برداری از آنها با توجه به ملاحظات فنی-اقتصادی و منابع گسترده موجود در ایران، همچنین بدلیل روند رو به رشد مصرف سوختهای مایع هیدروکربوری در کشور که هر ساله موجب ضرر و زیان هنگفت به بودجه عمومی و محیط زیست کشور می شود، از اهمیت قابل توجهی برخوردار گردیده است.

 

مجموع انرژیهای جنبشی و پتانسیل کلیه ذره‌های یک جسم را انرژی درونی یا داخلی آن جسم می‌نامند.

 

نگاه اجمالی

اگر دستهای خود را به هم بمالید، مشاهده می‌کنید که دستهای شما گرم تر شده است. در این حالت انرژی جنبشی دستها کجا رفته است؟ چون دستها گرم تر شده‌اند، می‌توان نتیجه گرفت که انرژی درونی آنها افزایش یافته است. در نتیجه می‌توان گفت که در اثر مالش انرژی جنبشی دستها به انرژی درونی آنها تبدیل شده است.

انرژی داخلی V و آنتروپی S ، دو تابع اساسی ، برای توصیف سیستمهای ترمودینامیکی در حالت تعادل‌اند، هر سیستم ماکروسکوپیکی که متشکل از انبوه اتم و مولکولهاست، از قانون بقای انرژی تبعیت می‌کند. حرکت بزرگ مقیاس سیستم از قانون بقای انرژی مکانیکی تبعیت می‌کند و در غیاب میدانهای الکترومغناطیسی ، انرژی باقی مانده در سیستمی که منزوی است پایسته می‌ماند، این کمیت همان انرژی داخلی است.

سیر تحولی و رشد

از لحاظ تاریخی ، تشخیص اینکه کمیتی پایسته بصورت تابع تومودینامیکی انرژی (یعنی تابعی که از قانون پایستگی تبعیت می‌کند) وجود دارد، پیش از ظهور دیدگاه اتمی ماده حاصل شد. پس این مفهوم می‌بایستی منحصرا از طریق تجربیات ماکروسکوپیکی شکل گرفته باشد. آزمایشها و حدسیات اولیه بنجامین تامسون (کنت رامفورد) درباره ماهیت گرما او را به این نتیجه رساند که گرما نوعی حرکت است. کارهای تجربی بعدی جیمز پرسکارت ذول در تعیین معادل مکانیکی گرما و نظریه پرفلزی ویلیام تامسون (لرد کلوین) بطور قطع نشان دادند که انرژی سیستم ماکروسکوپیکی منزوی با به حساب آوردن گرما پایسته است. این همان قانون اول ترمودینامیک است و تابع پایسته نیز انرژی داخلی است.

مفهوم انرژی داخلی یا درونی

بنابر نظریه جنبشی مولکولی ، هر ماده از ذرات ریزی تشکیل شده است که با سرعتها و در نتیجه انرژیهای متفاوت در حرکت و جنبش هستند. علاوه بر این مانند مدل ارتعاش یک جسم جامد ، ذره‌های جسم دارای انرژی پتانسیل نیز هستند. این انرژی به فنری که در مدل ارتعاشی اتمها را به هم متصل می‌کرد، مربوط است. مجموع انرژیهای جنبشی همه اتمها و مولکولهای تشکیل دهنده جسم یا دستگاه و انرژی پتانسیل مربوط به برهمکنشهای آنها ، بدون انرژیهای جنبشی و پتانسیل جسم یا دستگاه نسبت به بیرون خود یا انرژیهای هسته درون اتمهای آن.

ارتباط انرژی درونی با دما

انرژی درونی چای یک فنجان که مدتی مانده و سرد شده است، کمتر از وقتی است که چای داغ بوده است. چای یخ کرده دمای پایین تری دارد و چای داغ دمایش بالاتر است. به این ترتیب هر چه دمای جسمی بالاتر باشد، انرژی درونی آن بیشتر است. یعنی ذره‌های آن دارای انرژی جنبشی و پتانسیل بیشتری هستند.

ارتباط انرژی جنبشی با دما

اگر انرژی جنبشی ذرات یک جسم را بر تعداد ذرات تشکیل دهنده جسم تقسیم کنیم، انرژی جنبشی متوسط یک ذره بدست می‌آید. انرژی جنبشی متوسط ذرات چای داغ که دمای بالاتری دارد، بیشتر از انرژی جنبشی متوسط ذره‌های چای سرد شده است که دمای پایین تری دارد. لذا نتیجه می‌گیریم که دمای جسم با انرژی جنبشی متوسط ذره‌های تشکیل دهنده آن متناسب است.

این امر در ابعاد اتمی یا ابعاد میکروسکوپی بسیار مهم و مورد توجه است. به عنوان مثال در مباحث ترمودینامیک و مکانیک آماری با استفاده از روابط خاصی این انرژی در موارد مختلف محاسبه شده و با توجه به به مقدار آن در مورد وضعیت سیستم بحث می گردد. بنابر این می‌توان گفت که هر چه دمای جسم بالاتر رود ، انرژی جنبشی متوسط ذره‌های آن نیز افزایش خواهد یافت.

انرژی جنبشی متوسط ذره‌های دو جسم متفاوت که دمای یکسانی دارند، با هم برابر است. به عنوان یک مورد ملموس و قابل مشاهده می‌توان به این مورد اشاره کرد که انرژی جنبشی متوسط ذره‌های آبی که بوسیله یک لیوان از استخری برداشته شده است، با انرژی جنبشی متوسط ذره‌های آب استخر برابر است. ولی به دلیل تفاوت تعداد ذره‌های آب لیوان و آب استخر، انرژی جنبشی و در نتیجه انرژی درونی یکسانی ندارند. بلکه انرژی درونی آب لیوان به مراتب کمتر از انرژی درونی آب استخر است.

اختلاف انرژی داخلی

بطور مفهومی ، تفاوت انرژی داخلی بین دو حالت را می‌توان به صورت کار مکانیکی انجام شده‌ای در نظر گرفت که سیستمی بی‌ دررو (یعنی سیستمی با انزوای گرمایی) را از حالت (A) به حالت نهایی (B) می‌برد. اگر نتوان فرآیندی بی دررو A B یافت (یعنی اگر فرآیند برگشت ناپذیر باشد)، فرآیند B A وجود دارد. بنابراین به روش مکانیکی می‌توان تفاوت انرژی داخلی بین دو حالت را اندازه گیری کرده مشروط بر آنکه ماده از سیستم خارج یا به آن وارد نشود. طبیعتا فقط تفاوت انرژی داخلی است که کمیت در خور توجهی است و مقدار مطلق انرژی داخلی به خودی خود دارای معنی فیزیکی نیست.

بیان ریاضی انرژی داخلی

هر افزایش جزئی انرژی داخلی سیستم ، du برابر است با مجموع کار انجام شده روی سیستم đw و گرمای وارد شده đφ ، به سیستم (یعنی قانون اول ترمودینامیک) که به صورت du = đw + đφ نشان داده می‌شود. در این جا خط تیره کوچکی که روی نماد دیفرانسیل d که شکل đ وجود دارد، دیفرانسیل غیرحقیقی را نشان می‌دهد. ضرورت این انحرافات ریاضیاتی ، برای نشان دادن این واقعیت است که w و φ تابعهای حالت نیستند.

به عبارت دیگر ، کمیت گرما و کار جذب شده در سیستم بستگی به سیری دارد که سیستم می‌پیماید تا از حالت اولیه به حالت کنونی‌اش (یعنی حالت نهایی) برسد. در اکثر موارد حالت سیستمهای تک مؤلفه‌ای مانند گاز را می‌توان با دستگاه مختصاتی دکارتی نشان داد که در آن یکی از محورها فشار P و دیگری حجم V را نشان می‌دهد. در نتیجه می‌توان فرآیند را با سیری در نمودار P V توصیف کرد.

 

Recent Posts آفریقا اضطراب اشنایی با شغل معماری اسهال چیست؟ اسم قابل شمارش و غیر قابل شمارش در زبان انگلیسی استیل کولین استاد شهریار احترام به پدر و مادر از دیدگاه قرآن احترام چیست؟ اب
My Tags اجتماعی (۳۱) مدارس (۳٠) تحقیقات ودانش (۳٠) دینی ومذهبی (۱٩) ورزشی (۱٩) تاریخی (۱۸) ادبیات (۱۸) پزشکی (۱٤) جغرافی (۱۳) انواع انرژی (۸) دانشمندان وبزرگان (۸) طرح ها و مشاغل (٧) انشا (٦) تجربی (٦) نجوم (٤) اقتصادی (٤) گروههای خبری (۳) موسیقی (٢) اب و هوا (٢) کامپیوتر (۱) کشاورزی (۱)
My Friends سیستم جامع کسب درامد از طریق وبلاگ و وبسایت اپلود عکس وفایل وب سایت کودکانه رکورد کتابهای گینس سایت کتابخانه مجازی ایران دریافت کتب درسی به صورت pdf اخرین اخبار فن اوری اطلاعات درج اگهی رایگان دیکشنری انلاین سایت پزشکی