دانلود تحقیق انرژی های تجدید پذیر

مقدمه:

در حال حاضرتولید انرژی الکتریکی در دنیا به مقدار زیادی بر ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی تکیه دارد. سوخت های فسیلی تجدید ناپذیرند، آنها بر منابع محدودی که رفته رفته به پایان  می رسند ، بنا شده اند.

در مقابل انرژیهای تجدید پذیر مانند باد و انرژی خورشیدی، پیوسته جایگزین می شود و هیچ گاه به پایان نمی رسند. اغلب انرژی های تجدید پذیر به دو صورت مستقیم یا غیر مستقیم از خورشید ناشی می شوند.

نور خورشید یا همان انرژی خورشیدی، می تواند برای گرم کردن و روشنایی خانه ها و سایر ساختمان ها، برای تولید الکتریسیته ، برای آب گرم کردن، گرم کن های خورشیدی و انواع کاربردهای اقتصادی و صنعتی مستقیماً استفاده  می شود.

همچنین گرمای خوشید موجب وزش باد می شود؛ همان انرژی ای که توسط توربین های بادی گرفته می شود؛ سپس بادها و گرمای خورشید باعث تبخیر آب می شوند. وقتی این بخار آب به باران یا برف تبدیل می شود و از سرازیرها به رودخانه ها و مسیرهای آب هدایت می شود، انرژی آن می تواند گرفته شده و از توان هیدرو الکتریکی آن استفاده شود.

همراه با باران و برف، نور خورشید باعث می شود گیاهان رشد کنند، ماده ای که آن گیاهان را می سازد، به عنوان توده زنده یا زیست توده می شناسیم.

بیومس می تواند به منظور تولید الکتریسیته، سوخت های حمل و نقل یا موارد شیمیایی استفاده شود. کاربرد بیومس برای هر یک از این اهداف، انرژی بیومس نامیده می شود.

هیدروژن نیز می تواند در بسیاری از ترکیبات اصلی، مثل آب، یافت شود. هیدروژن فراوان ترین عنصر روی زمین است، اما بصورت یک گاز طبیعی موجود نیست. هیدروژن همیشه با دیگر عناصر ترکیب شده است، مثل ترکیبش با اکسیژن برای ساخت آب. وقتی هیدروژن از عنصر ترکیبی اش جدا شود می تواند بعنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد.

تمام منابع انرژی تجدید پذیر از خورشید ناشی نمی شوند. انرژی زمین گرمایی دریچه گرمای درون زمین برای کاربردهای متنوع شامل: تولید توان الکتریکی و گرم و سرد کردن ساختمان هاست، و انرژی جزر و مد اقیانوس ها از نیروی کشش ماه و خورشید بر روی زمین ناشی می شود.

در حقیقت، انرژی اقیانوس از منابع متعددی ناشی می شود. علاوه بر انرژی جزر و مد، انرژی امواج اقیانوس بوسیله هر دو انرژی جزر و مد و باد، بوجود می آید. هم چنین خورشید بیش از آنکه عمق اقیانوس را گرم کند. سطح آنرا گرم می کند، ایجاد یک اختلاف دما می تواند بعنوان یک منبع انرژی بکار گرفته شود. تمامی اشکال انرژی اقیانوسی می تواند برای تولید الکتریسیته اعمال شود.

فصل اول

چرا انرژی تجدید پذیر مهم است؟

چرا انرژی تجدید پذیر مهم است؟

اهمیت انرژی تجدید پذیر به خاطر فواید آن است.

فایده های کلیدی آن عبارتند از:

فایده های محیطی: فن آوری های انرژی تجدید پذیر، منابعی پاک از انرژیهایی هستند که از صنایع انرژی های مرسوم، تماس و آلودگی محیطی بسیار کمتری دارند.

انرژی برای نسل های آینده ما: انرژی تجدید پذیر پایان نخواهد پذیرفت، هرگز. اما منابع دیگر انرژی محدودند و همین روزها ته می کشند.

مشاغل و اقتصاد: سرمایه گذاری ها بر روی انرژی تجدید پذیر اغلب صرف تهیه مواد خام (لوازم و کالا) و مصرفی و ساختاری برای ساخت و نگهداری وسایل می شود، تا سرمایه گذاری بر روی واردات پر خرج انرژی. این بدان معناست که پولی که شما بابت انرژی می پردازید، به جای اینکه وارد اقتصاد کشوری بیگانه شود، در کشور خودمان باقی مانده، اشتغال زایی کرده و موجب صرفه جویی اقتصادی در مصرف سوخت می شود.

1- فایده های محیطی:

فن آوری های انرژی قابل تجدید از صنایع انرژی مرسوم که بر سوخت فسیلی تکیه دارد، با محیط اطرافش بسیار دوستانه تر عمل می کند.

سوخت های فسیلی در بسیاری از مشکلات زیست محیطی که ما امروزه با آنها مواجه هستیم، سهم قابل توجهی دارند- گازهای گلخانه ای، آلودگی هوا و آلودگی آب و خاک- در صورتیکه متابع انرژی تجدید پذیر در این امر سهم بسیار اندکی داشته یا هیچ نقشی ندارند.

گازهای گلخانه ای، دی اکسید کربن، متان، اکسید نیتروژن، هیدروکربن ها و کلروفلوئورکربن ها، جو زمین را مثل یک پتوی گرم و شفاف احاطه کرده اند، به اشعه های گرم خورشید اجازه داخل شدن می دهند و گرما را در نزدیک سطح زمین به دام می اندازند (نگه می دارند).

اثرات این گلخانه طبیعی، دمای متوسط سطح زمین را حدود 60 درجه فارنهایت
(33 درجه سانتیگراد) نگه می دارد. اما افزایش مصرف سوخت های فسیلی، بطور قابل توجهی انتشار (تولید) گازهای گلخانه ای را زیاد کرده است، مخصوصاً دی اکسید کربن، به وجود آورنده افزایش اثر گازهای گلخانه ای که به عنوان گرمای محسوس و یکپارچه زمین شناخته می شود. مطابق نظر آژانس حفاظت محیط زیست ایالات متحده، سهم دی اکسید کربن عهده دار 2/1 تا 3/2 افزایش عمومی دماست.

با این وجود، فن آوری های انرژی قابل تجدیدپذیر، گرما و الکتریسیته را با انتشار (تولید) مقدار ناچیز یا صفر دی اکسید کربن، تولید می کند. هم چنین استفاده از انرژی سوخت های فسیلی، منبع مهمی برای آلودگی هوا، آب و خاک می باشد.

آلاینده ها نظیر منوکسید کربن، دی اکسید گوگرد، دی اکسید نیتروژن، ذرات معلق و سرب- باج غم انگیزی از محیط گرداگرد ما می گیرند!

به عبارت دیگر، اغلب فن آوری های انرژی قابل تجدید، آلودگی ناچیز یا صفر تولید می کنند.

آلودگی و گرمای زمین هر دو، احتمال حتمی خطر بزرگ سلامتی نسل بشر را مطرح می کنند.

مطابق با رای انجمن ریه (آمریکا) آلودگی هوا در امراض ریه، نظیر: تنگی نفس، سرطان ریه و عفونت های نواحی تنفسی، سهیم است و سالانه قریب به 335000 نفر در آمریکا به این علل فوت می کنند.

ضمناً ممکن است اثرات طولانی مدت مرتبط با گرمای زمین، مخرب تر نیز باشد. عوارض مرگ و میر با هوای بسیار گرم امکان دارد و هنگامی که دما بالا
می رود، امراض می توانند انرژی نهان قوی تری برای پیشرفت داشته باشند.

نهایتاً، فن آوری های انرژی قابل تجدید، می توانند به ما برای تغییر الگوهای مرسوم مصرف انرژی، برای ارتقاء کیفیت محیط پیرامون مان، کمک کنند.

 2- انرژی برای نسل های آینده ما:

مصرف انرژی جهان، در آینده به کدام انرژی متمایل خواهد بود؟

بله، ما به خوبی می توانیم ثابت کنیم که مصرف الکتریسیته، رشدی جهانی خواهد داشت. آژانس بین المللی انرژی مطرح می کند که ظرفیت تولید الکتریسیته جهان تا سال 2020، تقریباً به 8/5 میلیون مگاوات، افزایش خواهد یافت. که حدود 3/3 میلیون مگاوات، بیش از سال 2000 است.

در این حال، ذخایر سوخت های فسیلی کره زمین منبع اصلی کنونی انرژی مان، طبق نظر بهترین تجزیه و تحلیل گران صنعت نفت، از سال ها 2020 الی 2060 شروع به اتمام رسیدن  خواهند کرد.

ما چگونه احتیاجمان به آن مقدار انرژی را بر طرف خواهیم کرد؟

انرژی تجدید پذیر می تواند بهترین پاسخ ما باشد.

کمپانی بین المللی شل، پیش بینی می کند که در سال 2060، انرژی تجدید پذیر، 60% انرژی جهان را تأمین خواهد کرد.

بانک جهانی تضمین میکند که نرخ داد و ستد برای انرژی خورشیدی (الکتریسیته) طی 30 سال، به طور مقطوع به چهار تریلیون دلار خواهد رسید.

همچنین سوخت های بیومس (زیست توده ای) می توانند جانشین گازوئیل شوند. و بر عکس سوخت های فسیلی، منابع انرژی تجدید پذیر، قابل نگهداری می باشند و هیچ وقت تمام نمی شوند عملکرد امروز ما برای مرسوم نمودن فن آوری های انرژی قابل تجدید، نه تنها به نفع حال ماست، بلکه موجب تولید منافع زیادی نیز خواهد شد.

3- شغل ها و اقتصاد:

قشر گسترده ای از ایالات متحده مجبور به واردات سوخت های فسیلی مانند نفت و گاز طبیعی، برای تولید برق، گرما و سوخت، هستند. هزینه این سوخت های فسیلی می تواند بالغ بر میلیون ها دلار شود و هر دلاری که صرف واردات انرژی شود، یک دلار از اقتصاد محلی کسر می شود.

در این حال، منابع انرژی تجدید پذیر، بطور موضعی (محلی) گسترش یافته، هزینه صرف شده برای انرژی از کشور خارج نمی شود، اشتغال زایی نموده و موجب تقویت اقتصاد می شود. کسر فن آوری های انرژی قابل تجدید، زحمتی سخت می طلبد.

شغل ها به زودی از ساخت و ساز، طراحی، نصب، سرویس و فروش محصولات انرژی تجدید پذیر، به پایان می رسند.

اشتغال هم چنین بطور غیر مستقیم از شغل هایی که کمپانی های انرژی تجدید پذیر را با مواد خام، حمل و نقل، اسباب و لوازم و خدمات تخصصی نظیر محاسبات و خدمات اداری تغذیه می کنند، فراهم خواهد شد.

در نتیجه، دستمزد و حقوق حاصل از شغل هابر درآمد افزوده در اقتصاد محل را موجب می شود. از این گذشته درآمد حاصل از انرژی تجدید پذیر، چیزی بیشتر ازاین اقتصاد محلی را رشد می دهد، یعنی مزایایی برای کل کشور.

بطور مثال در سال 2001، ایالات متحده حدود 103 بیلیون دلار صرف واردات نفت از خارج کرده است. اما به عنوان یکی از سازندگان بزرگ سیستم های انرژی قابل تجدید جهان، می تواند با افزایش مصرف انرژی تجدید پذیر در سراسر دنیا، سرمایه بیشتری را به کشورش وارد کند. در حال حاضر سازندگان سیستم های فتوولتایی ایالات متحده حدود 3/2 کل سازندگان جهان هستند. و حدود 10% صادرات این سیستم های PV بیشتر صرف توسعه شده که منجر به فروش سالیانه بیش از 300 میلیون دلار می شود.

چرا بهینه سازی انرژی اهمیت دارد؟

بهینه سازی یعنی انرژی کمتری برای انجام یک عمل واحد، صرف کنیم. بهینه سازی مصرف انرژی در کشور، در صرف پول کمتر برای انرژی توسط صاحبان مسکن، مدارس، ادارات دولتی، کارخانه ها و صنایع است. پولی که باید صرف انرژی شود، در عوض می تواند صرف مایحتاج مصرف کنندگان، تحصیلات، خدمات و تولیدات شود. یک اقتصاد بهینه انرژی، می تواند بدون مصرف انرژی اضافی، رشد کند. اقتصادی که کمتر انرژی مصرف کند، کمتر هم آلودگی تولید
کند، چون این دو (مصرف انرژی و آلودگی) بدقت به هم گره خورده اند.

- برای منازل: برای خانه یا مشاغل کوچک و برای سایر ساختارها(کارآیی)یا بهینه سازی انرژی، مصرف کمتر انرژی برای گرم کردن، سرد کردن و روشنایی ساختمان معنا میدهد. و هم چنین خرید وسایل کم مصرف از قبیل کامپیوترها و سایر لوازم منزل می باشد. برای مالکان خانه و صاحبان مشاغل، مصرف کمتر انرژی، ذخیره مالی محسوب می شود.

- برای ماشین ها: برای ماشین شما و دیگر وسایل نقلیه، بهینه سازی انرژی به معنای ساخت ترن های جدید و دیگر تکنولوژی های وسایل نقلیه است.

ماشین های مجهز به موتورهای دو گانه (دو سوختی) بنزین – الکتریکی یا مجهز به سلول های سوختی، دو مثال از بهینه نمودن انرژی در وسایل نقلیه است.

- برای شرکت های برق: برای شرکت برق و سایر تهیه کنندگان الکتریسیته (برق) بهینه سازی انرژی، اغلب بدن معناست که به مشتریان شان کمک کنند تا انرژی را در خانه ها و مغازه هایشان ذخیره کنند. البته هم چنین به معنای رساندن و ذخیره موثرتر و بهتر برق نیز هست.

- برای صنایع محلی: برای صنایع محلی (صنایع محدود و کوچک)، بهینه سازی انرژی به معنای یافتن راه کارهائی است که کار یکسانی را با انرژی کمتر، انجام دهند. مثلاً ریخته گری پیوسته، در صنایع فولاد، پیشرفتی در راه کارآیی (بهینه نمودن) انرژی است. بهینه سازی انرژی هم چنین به معنای استفاده بهتر از موتورها، سیستم های بخار، سیستم های فشرده سازی هوا و سایر ابزار و وسایل صنعتی می باشد.

انرژی نو:

در این جا انرژی های تجدید پذیر را به منظور بررسی، به عنوان های زیر دسته بندی نموده در زیر، به شرح یکی ازآنها می پردازیم:

— انرژی زنده یا انرژی زیست توده

— سوخت زنده

— انرژی باد

— انرژی خورشید

— انرژی زمین گرمایی

— انرژی هیدروالکتریک

— انرژی هیدروژن

— انرژی اقیانوسی

جایگاه انرژی خورشیدی در تأمین الکتریسیته

از جمله سؤال های که در رابطه با انرژی با آن موجه هستیم این است که وضعیت انرژی در چند دهه آینده چگونه خواهد شد اقتصادی ترین منبع انرژی کدام است و آیا خورشید می توان به عنوان منبع انرژی با حرفه اقتصادی مطرح شود. نیاز به انرژی به وضوح بر همگان آشکار است و این نیاز به مرور با افزایش پیشرفت های تکنولوژیکی و جمعیت جهان بیشتر مشهود است آمارهای موجود نشان دهنده این ایست که مصرف انرژی در دنیا به نحوی است که به ازای هر 14 سال میزان تقاضا  دو برابر می گردد و تا کنون فقط برای انرژی الکتریکی در هر 10 سال تقریباً تقاضا دو برابر شده و این رشد میزان تقاضا در کشورهای در حال توسعه با شتاب بیشتری همراه بوده و تقریباً به ازای هر 7 سال دو برابر شده است. به طور مثال در اواخر دهه 1980 واردات نفت کشور آمریکا به حدود 7 میلیون بشکه در روز رسید که تقریباً دو برابر (3/1 میلیون بشکه در روز) واردات آنها در سال 1980 بود این در حالی است که مقدار نفت مصرفی برای تولید الکتریسیته در آمریکا حدود 4% اکثریت مصرفی در آمریکا را در بر می گیرد و 52% انرژی الکتریکی در آمریکا از ذغال سنگ تولید می شود. با اینکه اکثریت منابع تأمین الکتریسیته در آمریکا از ذغال سنگ استفاده می گردد اما قوانین مصوب در رابطه با محیط زیست به جهت ریزش باران های اسیدی ناشی از آلودگی سوزاندن ذغال سنگ و گرم شدن سطح زمین، آلودگی آب های سطح زمین
و ... مشکلاتی را در صنعت ذغال سنگ آمریکا به وجود آورده است و به همین سبب انتظار می رود که مصرف نفت و گاز طبیعی که نسبت به ذغال سنگ نسبتاً تمیزتر می‌باشد افزایش یابد ولی سوزاندن این مواد نیز سبب ایجاد آلودگی‌های کربنی
سولفوری می گردد افزایش روزافزون جمعیت و پیشرفت های تکنولوژی که سبب ارتقاء سطح زندگی گردیده است عاملی است که سبب افزایش تقاضا برای الکتریسیته خواهد شد. اگر نگاهی به میزان تقاضای تأمین الکتریسیته از منابع موجود در دنیا از سال 1960تا 1990 مورد بهره برداری قرار گرفته است بیاندازیم مشاهده می کنیم که موارد بهره برداری از منابع مختلف در تأمین انرژی الکتریکی در جهتی است که بیشتر از منافع فسیلی استفاده شده است.

جدول زیر نشان دهنده بعد این مطلب است که نفت و گاز سهم بسزایی در تامین الکتریسیته دارند و آمارهای موجود از سال 1974 مقدار انرژی حاصل از منابع فسیلی کشف شده و به ثبت رسیده اعم از زغال سنگ، نفت و گاز را 15 10×1/7 کیلو وات ساعت برآورده نموده است.

جدول 1-1- بهره برداری از منابع انرژی مختلف برای تأمین انرژی الکتریکی در سال های مختلف (واحد 1. B. BTV)

اگر نرخ اثر تقاضای الکتریسیته را با توجه به جدول فوق 5 درصد در نظر بگیریم مقدار نیاز به انرژی که در سال 1987 تقریباً 14 10×2/1 کیلو وات ساعت بود در سال 2001 میلادی به دو برابر یعنی 14 10×4/2 رسیده است.

بدیهی است که با توجه به این کارها به این منابع چندان هم نمی توان متکی بود و از طرف دیگر از نظر اقتصادی هم استفاده از آنها به صرفه نخواهد بود در حالیکه در همین آمار گیری مقدار انرژی تشعشعی قابل جذب خورشید را تقریباً 100 برابر انرژی حاصل از منافع فسیلی موجود برآورد نموده است. بنابراین باید توجه بیشتری به انرژی خورشیدی در تأمین الکتریسیته شود حال با توجه به این نیازها منابع انرژی و مشکلات محیطی ناشی از سوخت های فسیلی جدیت بیشتری برای یافتن منابع انرژی کم خطرتر را می طلبند هم اکنون در دنیا مراکز تحقیقاتی بزرگی جهت دسترسی به انرژی های مطلوب تر در حال تحقیق و بررسی می باشد مطالعات و بررسی های انجام شده منجر به استراتژی های کوتاه مدت و بلند مدت برای تأمین الکتریسیته شده است که در این استراتژی ها انرژی خورشیدی نقش بسیار مهمی را ایفا می کند زیرا انرژی خورشیدی عملاً بدون محدودیت و آلودگی قابل دسترسی است و سطح زمین به مقدار 27 10×7 کیلو وات ساعت از انرژی خورشیدی را در سال دریافت می کنداین مطلب که مصرف سوخت های فسیلی جهت تأمین انرژی الکتریکی کاهش و منابع تأمین انرژی الکتریکی با استفاده از انرژی خورشیدی افزایش می یابد که این منابع عبارتند از:

انرژی حرارتی خورشید، فتوولتائیک (نورولتی)، ژئوترمال (زمین گرمایی) انرژی
بیوگاز و ... .

در این سیستم ها نورولتی یکی از بهترین روش های انرژی تجدید شونده است که هم در نقاط با شرایط آب و هوایی مختلف قابل استفاده هستند. این سیستم ها قابل استفاده در بیابان جنگل های بارانی و در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه می باشد سیستم های نورولتی به سیستم هایی اطلاق می شود که نور را
مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کنند. این سیستم ها هم اکنون اکثراً به صورت مستقل از شبکه برق سراسری مورد استفاده قرار می گیرند ولی برای کاربردهایی که دور از منابع برق می باشند و به سبب نیاز و حداقل نگهداری توانایی بالا، عدم نیاز به سوخت و عدم ایجاد آلودگی قابل گسترش و نصب در هر نقطه کارآیی بسیار بالایی دارند و تقریباً 97% از سیستم های نورولتی که در سال 1990 به فروش رفته است برای کاربردهای خارج از شبکه تهیه شده اند. یک سیستم نورلتی عبارتند از:

1- ماژول های خورشیدی

2- باطری

3- شارژ الکترولر

4- مصرف کننده ها

ماژول های خورشیدی

ماژول ها یا صفحات خورشیدی که اصلی ترین قدرت یک سیستم نورلتی را تشکیل می دهند وظیفه تبدیل نور به الکتریسیته را دارند صفحات خورشیدی از اتصال یک سری سلول خورشیدی که به صورت موازی و سری به هم متصل می شوند شکل
می گیرد. سلول های خورشیدی که وظیفه تبدیل نور به الکتریسیته را به عهده دارند.

 که از مواد نیمه هادی ساخته می شوند و انواع مختلف آن عبارتند از:

1- سلول خورشیدی از مواد سیلیکونی تک کریستال

2- سلول خورشیدی از مواد سیلیکونی چند کریستال

3- سلول خورشیدی از مواد سیلیکونی بی شکل

4- سلول خورشیدی از مواد سیلیکونی

در اینجا سلول خورشیدی از مواد سیلیکونی چند کریستال مورد نظر می باشد.

یک صفحه خورشیدی از نوع MA 36/45 که در آن 36 سلول خورشیدی با هم سری شده اند و دارای مشخصات زیر می باشند نشان داده شده است.

راندمان 5/11 درصد

جریان 7/2 آمپر

ابعاد 5/0 × 1 متر مربع

ولتاژ 16 ولت

توان 5/4 وات پیک در شرایط تست استاندارد

وزن 5/5 کیلو گرم

برای مصارف با ولتاژهای مختلف  ماژول ها را می توان به صورت سری و موازی به هم متصل نمود.

باطری

سیستم های نورولتی فقط در صورتی که در معرض نور قرار گیرند انرژی الکتریکی تولید می کنند و به همین سبب در هنگام شب و روزهای ابری که شدت تابش نور خورشید ناچیز است از باطری استفاده می شود و باطری ها در زمانی که شدت تابش مناسب است توسط صفحات خورشیدی شارژ می گردند.

شارژ کنترولر

جهت حفاظت باطری ها باید ولتاژ و مقدار شارژ باطری کنترل شود که این عمل توسط دستگاه الکترونیکی شارژ کنترولر انجام می گردد.

مبدل DC‌ به AC

ولتاژ تولید شده توسط صفحات خورشیدی از نوع جریان مستقیم است و در صورتی که مصرف کننده به جریان متناوب نیاز داشته باشد باید از مبدل جریان مستقیم استفاده نمود. همانطوری که قبلا هم اشاره شد مزایای بالای این گونه سیستم ها و کارآیی فراوان آن سبب شده است که مصرف این گونه سیستم ها مورد توجه قرار گیرد.

جدول2-1-رشد فروش سیستم‌های برق خورشیدی از سال 1985تا1990 نشان داده شده است.

جدول 2-1

برآورد هزینه تأمین الکتریسیته خورشیدی (فتوولتائیک)

هزینه مورد نیاز برای تأمین الکتریسیته خورشیدی (فتوولتائیک) به میزان وات تولیدی وابسته است برای روشن شدن مطلب هزینه مورد نیاز برای سه وات تولیدی مختلف 225 وات و 450 وات و 900 وات به صورت جداولی آورده شده است