دانلود مقاله انرژی خورشیدی

مقدمه:

در شرایط کنونی، تلاش در جهت خودکفایی و رفع وابستگی های تکنولوژی کشورمان، یکی از مبرمترین وظایف آحاد ملت ایران است و هرکس بنابه موقعیت خویش بایستی در این راستا گام بردارد. یکی از صنایع کشور که پیشرفت دیگر صنایع در گرو پیشرفت و توسعه آن است، صنعت برق می باشد. نیروگاههای موجود تولید برق از تکنولوژی بسیار بالایی برخوردارند، به طوری که در حال حاضر طراحی و ساخت آنها در انحصار چند کشور خاص می باشد. با توجه به اینکه رسیدن به این تکنولوژی در آینده نزدیک برای مان مقدور نیست، این سؤال پیش می آید که برای تأمین انرژی بدون نیاز به تکنولوژی وارداتی چه باید کرد؟ برج نیرو پاسخ مناسبی است به این سؤال چرا که از یک سو بحران انرژی را حل کرده و از سوی دیگر با داشتن تکنولوژی ساده و در عین حال مناسب برای شرایط اقلیمی کشورمان می تواند ما را در تأمین انرژی موردنیاز یاری نماید.

در ابتدا پیش گفتاری در مورد بحران انرژی در جهان آورده شده و در ادامه آن مقایسه ای اجمالی بین انواع انرژیهای موجود و لزوم استفاده از انرژی خورشید مورد بررسی قرار گرفته است.

در فصل اول پس از آشنایی مقدماتی با برج نیرو، مختصری در مورد کیفیت ساختمانی اجزاء برج و عملکرد آنها بیان شده و نهایتاً امکانات بهره برداری اضافی و افزایش راندمان در برجهای نیرو مطرح شده است.

فصل دوم به تئوری تشعشع خورشید اختصاص داده شده. در این قسمت با توجه به نیازی که مشاهده گردید ابتدا مکانیزم پدیده تشعشع و قوانین مربوط به آن به طور خیلی مختصر گفته شده است. در ادامه مطلب، تشعشع خورشید و عواملی که برروی شدت تشعشع آن اثر می گذارند و نهایتاً پوشش ها بررسی شده اند.

فصل سوم شامل محاسبات دودکش است. در این فصل فشار رانش دودکش، دمای هوای خروجی از دودکش، تلفات دودکش و بالاخره راندمان دودکش مطرح شده است.

در فصل چهارم به بررسی تئوریک توربین پرداخته شده است. ابتدا با داشتن افت فشار در دوطرف پروانه قدرت ماکزیمم توربین محاسبه شده و سپس با داشتن قدرت ماکزیمم، فاکتور بتز، برای این نوع توربین خاص بدست آمده است. نهایتاً توان واقعی و نیروی وارد بر پره ها، مورد بررسی قرار گرفته اند.

فصل پنجم شامل اطلاعات مختصری در مورد کلکتور است. در این فصل به بررسی بالانس انرژی در کلکتور، پرداخته شده است. همچنین مقایسه ای بین بالانس انرژی برجهای نیرو و سایر نیروگاههای خورشیدی انجام شده است.

فصل ششم به ارزیابی اقتصادی برج های نیرو اختصاص داده شده. در این قسمت ابتدا، هزینه مخصوص اجزاء مختلف (دودکش، توربین، کلکتور) و سپس هزینه مخصوص کل پروژه برای دو نوع پوشش شیشه ای و پلاستیکی مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه برخی از مزیتهای برج نیرو نسبت به سایر نیروگاهها، بیان شده است.

در فصل آخر مشخصات و نتایج حاصل از اولین برج نیروی آزمایشی که در مانزانارس اسپانیا احداث گردیده آورده شده است.

پیش گفتار:

چرا انرژی خورشیدی؟

مصرف انرژی در جهان به طور سرسام آوری رو به ازدیاد است. بالارفتن سطح زندگی مردم که با جانشین شدن انرژی مکانیکی بجای انرژیهای انسانی و حیوانی همراه بوده است از یکسو و ازدیاد جمعیت از سوی دیگر باعث بالارفتن میزان مصرف انرژی شده اند. بشر مترقی امروز برای تولید آب آشامیدنی، برای تولید مواد غذایی و برای کلیه کارهای روزمره خود نیازمند استفاده از انرژی می باشد. بطوریکه بدون انرژی زندگی او کلاً مختل می گردد.

طبق برآوردهایی که دانشمندان نموده اند، از ابتدای خلقت تا سال 1852 میلادی، بشر معادل 1.2×1015 کیلووات ساعت و در فاصله 1852 تا 1952 نیز معادل 1.2×1015 کیلووات ساعت انرژی مصرف نموده است. پیش بینی می شود که در فاصله 1952 تا 2052 مصرف انرژی بشر به 30×1015 تا 120×1015 کیلووات ساعت برسد.

امروزه بین تقاضای انرژی و انرژیهای در دسترس و قابل مهار هماهنگی وجود ندارد و دنیای امروز با این بحران بزرگ روبروست. آنچه مسلم است منابع شناخته شده انرژی مورد استفاده بشر (نظیر ذغال سنگ، نفت، گاز و غیره) در صورتیکه صددرصد نیزقابل مهار و استخراج باشند نمی توانند پاسخگوی نیازهای آتی بشر باشند و دیری نخواهد پائید که این منابع نیز به اتمام خواهند رسید. در ضمن نگهداری و حفظ بعضی از منابع جهت کاربردهای فوق العاده ویژه نظیر تغذیه و داروسازی ضرورت دارد از سوی دیگر استفاده از اینگونه انرژیها با مشکلاتی توأم می باشد. مثلاً در مورد سوختهای هسته ای، امکان تبدیل آنها محدود بوده و همچنین استفاده از آنها تکنولوژی پیشرفته ای لازم دارد. بعلاوه از بین بردن فضولات آن نیز مشکلاتی ایجاد می کند.

در مورد سوختهای فسیلی نیز استفاده مداوم از هریک از آنها در درازمدت ضمن داشتن مخاطره های محیط زیست هزینه های اقتصادی فزاینده ای را به دنبال دارد.

منابع شناخته شده انرژی عبارتند از:

سوختهای فسیلی (شیمیایی) نظیر زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی

چوب، فضولات گیاهی، حیوانی و انسانی (بیوماس)

مواد غذایی (انرژی مصرفی انسان و حیوان)

جریان آبهای سطحی مانند رودخانه ها و آبشارها

باد

امواج دریا

جزر و مد

حرارت زیر پوسته زمین (ژئوترمال)

حرارت آب سطح دریاها

واکنشهای هسته ای

انرژی خورشید.

در این قسمت منابع مختلف انرژی بطور مختصر با یکدیگر مقایسه می شوند.

1- سوختهای فسیلی: سوختهای فسیلی مرسومترین منبع انرژی مورداستفاده بشر است. بشر برای اینکه از منابع سوختهای فسیلی استفاده کند مجبور است که آنها را سوزانده بصورت انرژی گرمایی درآورد تا هم برای مصارف گرمایی و هم برای تبدیل به سایر انرژیها مثل الکتریکی و مکانیکی مناسب باشد. مشهورترین اثر نامطلوب استفاده از سوختهای فسیلی، آلودگی محیط زیست می باشد، بخصوص سوختن زغال سنگ باعث تولید گازهای اکسید گوگرد، اکسید ازت، دی اکسید کربن و نیز ریزش بارانهای اسیدی می‌گردد. در ضمن گازکربنیک بصورت مانعی در مقابل تشعشع حرارتی زمین به آسمان عمل می کند و در درازمدت موجب افزایش دمای کره زمین می گردد که خود اثرات نامطلوبی برروی محیط زیست می گذارد. مشخصه دیگر سوختهای فسیلی محدود بودن منابع آن است و بشر فقط تا چند سال دیگر قادر خواهد بود که احتیاجات خود را از این منابع تأمین نماید. بدین ترتیب منابعی را که طبیعت در مدت چهار میلیون سال بوجود آورده، بشر در مدتی کمتر از چهارصد سال بکلی مصرف خواهد نمود.

البته کشور ما خوشبختانه بخاطر بهره از منابع عظیم نفت و گاز نسبت به بسیاری از کشورهای جهان، وضعیت خوبی دارد، ولی ناچار به جستجوی راههای مطمئن تر و پایدار تر برای تولید انرژی مصرفی در سالهای آتی هستیم. بخصوص که در وضعیت فعلی، مقدار زیادی از نفت استخراجی کشور در بازارهای جهانی به فروش می رسد.

2- چوب، فضولات گیاهی، حیوانی و انسانی: این مواد که قابل تبدیل به انرژی هستند کلاً به نام بیوماس نامیده می شوند. روش تبدیل این مواد به انرژی به دو صورت زیر می‌باشد:

مواد گیاهی، حیوانی یا انسانی فوق الذکر را یا از طریق سوزاندن مستقیماً به حرارت تبدیل می کنند و یا اینکه تحت شرایط خاصی آنها را تخمیر کرده و با تولید بیوگاز، قسمتی از انرژی موردنیاز را تأمین می کنند.

اشکال روش فوق تکنولوژی نسبتاً پییچده آن است که استفاده از آن را در محیطهای روستایی با توجه به نیروی انسانی متخصص، محدود می کند.

مسأله قابل توجه این است که این گونه انرژیها نیز محدود بوده و نمی تواند به عنوان یک منبع انرژی مطمئن برای بشر محسوب گردند.

3- دیگر انرژیها: مانند انرژی جریان آبهای سطحی، رودخانه ها و آبشارها، انرژی باد، انرژی جزر و مد دریاها (که بدلیل جاذبه ماه ایجاد می شود) انرژی ژئوترمال ( که استفاده از آن محدود به نواحی است که به این انرژی دسترسی دارند). این انرژیها تا حدودی می‌توانند نیازهای انرژی جهان را برطرف کنند، لکن هیچیک از این انرژیها تکیه گاه مطمئنی برای انرژی بشر محسوب نمی گردد.

تنها انرژیهایی که می توانند به عنوان تأمین کننده نیازهای انرژی بشر در آینده موردبحث قرار گیرند، انرژی خورشید و انرژی واکنشهای هسته ای آن هم از نوع فیوژن می باشد.

در این مقاله با اینکه بر آن هستیم که کاربرد انرژی خورشیدی را مطرح کنیم، اما با توجه به اینکه پیش بینی می شود واکنشهای هسته ای فیوژن اهمیت زیادی در تأمین انرژی آتی بشر دارد، لازم می دانیم که تاحدودی نیز در این باره بحث گردد.

واکنشهای هسته ای: واکنشهای هسته ای که بشر می تواند از آنها کسب انرژی نماید عموماً بر دو نوع زیر می باشند.

الف- واکنش هسته ای فیژن:

واکنش هسته ای فیژن عبارتست از شکست هسته اتمهای سنگین و بهره برداری از انرژی حاصل از شکست هسته (فیژن). این کار در واقع در سال 1939 توسط گروهی به سرپرستی فرمی، آغاز شد. مسأله مبتنی بر فرمول معروف اینشتین یعنی E=mc2 بود. بدین ترتیب که وقتی هسته یک اتم سنگین مثل اورانیوم 235 ، بمباران نوترونی شود، اورانیوم به اتمهای سبکتری شکسته می شود بطوریکه مجموع جرم آنها (اتمهای سبک ایجاد شده و نوترونهای آزاد شده) از مجموع جرم اورانیوم و نوترون بمباران کننده کمتر خواهد بود. برطبق فرمول اینشتین این کاهش جرم بصورت انرژی آزاد می گردد. چنانچه این تبدیل جرم به انرژی بصورت زنجیره ای انجام گیرد، انرژی فوق العاده ای ایجاد می شود که قابل استفاده خواهد بود.

البته تمام انرژی آزاد شده توسط فیژن قابل استفاده و بهره برداری نیست و قسمتی از آن به صورت تشعشع در می آید، ولی بیشتر آن که قابل بهره برداری است، بصورت انرژی جنبشی توسط نوترونهای ساطع شده و ذرات حاصل از فیژن حمل می شود.

در عمل می توان توسط دستگاهی به نام رآکتور این انرژی را به سیالی مانند آب داده و از انرژی بخار آن بهره برداری کرد. طبق آمار سال 1982 جمعاً 277 نیروگاه هسته ای در 24 کشور جهان با ظرفیت تولیدی 160,000 مگاوات قدرت الکتریکی وجود داشته که تقریباً 15% از مصرف برق جهان را در این سال تأمین نموده است. با اینکه با کشف امکان استفاده از واکنش هسته ای فیژن برای تولید انرژی در سطح بسیار گسترده، به یک منبع جدید از انرژی متمرکز دست یافته شده، ولی این منبع نیز بخاطر محدودبودن منابع اورانیوم، نمی تواند نگرانی بشر را برای سالهای پربحران آینده که همچنان سیر صعودی افزایش مصرف ادامه خواهد داشت، رفع کند.

ب- واکنش هسته ای فیوژن:

واکنش هسته ای فیوژن عبارتست از در هم رفتن هسته ای اتمهای سبک. این روش تولید انرژی همان طریقی است که در طبیعت انرژی تولید می شود. بدین معنا که در خورشید و سایر ستارگان، اتمهای هیدروژن درهم رفته و تبدیل به اتمهای هلیوم می شوند. در نتیجه این عمل مقدار زیادی انرژی تولید می گردد. این روش تولید انرژی در کره زمین نیز در ساخت بمبهای هیدروژنی بکار گرفته شده است. بدین ترتیب که در اطراف مخزنی از اتم دوتریم که ایزوتوپی از هیدروژن است یک بمب منفجر می کنند و در نتیجه در هم رفتن هسته انجام می شود که انرژی فوق العاده تولید می نماید. اما تولید کنترل شده انرژی به روش درهم رفتن هسته ای، مسأله مهندسی دشواری است که در دهه های اخیر مورد مطالعه قرار گرفته است. دوتریم را می توان از آب دریا بدست آورد. با توجه به اینکه در 6500 اتم هیدروژن در آب یک اتم دوتریم وجود دارد، محاسبه نشان می دهد که در هر لیتر آب دریا معادل 200 لیتر بنزین، انرژی حرارتی وجود دارد.

برای تولید انرژی درهم رفتن هسته ای لازم است که یک سری فعل و انفعالات هسته ای رخ دهد. این فعل و انفعالات همان فعل و انفعالات انجام شده در خورشید و دیگر ستارگان است که در خورشید در درجه حرارت 15 میلیون درجه کلوین انجام می شود و اگر بخواهیم این فعل و انفعالات در روی زمین انجام گیرد، نیاز به درجه حرارتی در حدود 20 میلیون درجه کلوین می باشد.

دیده می شود که این اعمال در خورشید در درجه حرارت پایین تری انجام می شود و این به علت فشار زیاد و در دسترس بودن مقدار زیادی اتم هیدروژن است.

می دانیم که ماده در طبیعت به صورت جامد، مایع و گاز وجود دارد . اما در درجات خیلی بالا ماده به وضع جدیدی در می آید که به آن پلاسما می گویند و حالت چهارم ماده است. در این حالت انرژی بقدری بالا است که الکترونها هسته های خود را ترک می کنند و ماده به صورت گاز یونیزه شده ای در می آید که مخلوطی از هسته های مثبت و الکترونهای منفی می باشد. البته پلاسما دارای بار الکتریکی نبوده و خنثی می باشد و خواص آن کاملاً با گاز طبیعی فرق دارد.

انرژی تولیدشده در اثر درهم رفتن هسته ای یک گرم دوتریم 2.352×108 کیلوژول می باشد و یک گالن آب دریا در حدود گرم دوتریم دارد که معادل 2.94×107 کیلوژول انرژی تولید می کند مقدار کل دوتریم موجود در آب اقیانوسها، 4.5×1019 گرم است که ارزش حرارتی آن 3×1024 کیلووات ساعت می باشد و این مقدارا نرژی می تواند میلیاردها سال انرژی لازم بشر را تأمین کند. البته بایستی توجه داشت که دست یافتن به این تکنولوژی بسیار مشکل است، زیرا ایجاد حالت پلاسما برای ماده نیاز به درجه حرارت بسیار بالایی دارد که در این درجه حرارت تمام فلزات بصورت مذاب می باشند و به همین دلیل دست یافتن به این تکنولوژی در آینده نزدیک مقدور نمی باشد. هرچند که اگر بشر به چنین تکنولوژی دست یابد، در واقع انرژی آینده خویش را تأمین کرده است.

انرژی خورشید:

منشأ بسیاری از انرژیهای یادشده انرژی خورشید می باشد. به عنوان مثال: خورشید باعث تبخیر آب و در نتیجه سبب افزایش انرژی پتانسیل آن می شود که این خود منبع نیروی برق آبی است و یا تولید باد که به علت گرمایش سطح زمین در اثر تابش خورشید بوجود می آید و خود باد باعث بوجود آمدن امواج دریا می شود.

همچنین انرژی که گیاهان سبز تولید می کنند و انرژی فسیلی که ناشی از انباشته شدن آنها می باشد، نیز منشأ خورشیدی دارد و خلاصه با کمی تأمل دیده می شود که تقریباً منشأ اکثر انرژیها، انرژی خورشید می باشد. امروز بیش از 99.9 درصد از مجموع انرژیهایی که به زمین منتقل می گردد از خورشید منشأ می گیرد که مقدار آن 1.8×105 تراوات است (Tera=1012) انرژی حاصل از تابش خورشید که در هر روز به زمین می رسد 100,000 برابر مقدار انرژی تولیدشده توسط کلیه نیروگاههای جهان است.

بنابراین با توجه به تابش خورشید که به میزان 1.8×105 تراوات بوده کمبود بالقوه انرژی در جهان وجود ندارد و انرژی خورشید با مقداری معادل 20,000 برابر مصرف کنونی بشر، بنظر می رسد که منبع مناسبی برای تأمین احتیاجات او باشد، بخصوص اینکه استفاده از آن هیچ گونه آلودگی محیطی و حتی آلودگی حرارتی بوجود نمی آورد.

کاربرد انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی برای مصارف بزرگ از امیدهای آینده است. اشکال بزرگ در کاربرد انرژی خورشیدی، متمرکز نبودن، تناوبی بودن و ثابت نبودن مقدار تشعشع می باشد که اگر بتوانیم وسیله ای جهت متمرکز کردن آن بسازیم، بطوریکه نوسانات آن تأثیر زیادی برروی آن نگذارد به یک منبع انرژی بسیار بزرگ دست یافته ایم که تا قرنها می تواند تأمین کننده نیاز انرژی بشر باشد. با توجه به وضع انرژی در جهان و رشد جمعیت و مصرف در جهان، اگر بطور هوشمندانه رفتار کنیم خواهیم دید که خورشید تنها منبع انرژی است که انرژی آن بوفور و بصورت رایگان و در همه ادوار در اختیار می باشد. بعلاوه اینکه در تبدیل انرژی خورشید مسائلی نظیر آلوده کردن محیط زیست وجود ندارد. همان طور که قبلاً ذکر شد انرژی خورشید که در زمین می تواند مورد استفاده قرار گیرد، حدود بیست هزار برابر کل انرژی موردمصرف فعلی بشر می باشد. اگر راندمان تبدیل انرژی خورشید به انرژی موردنیاز بشر را تنها 1% در نظر بگیریم، 0.5% سطح کره زمین برای تقاضای کل انرژی بشر کافی خواهد بود.