انرژی خورشیدی
مقدمه مقاله
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 برجهای 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 مقاله
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 ۱۸۵۲ میلادی، بشر معادل ۱٫۲×۱۰۱۵ کیلووات ساعت و در فاصله ۱۸۵۲ تا ۱۹۵۲ نیز معادل ۱٫۲×۱۰۱۵ کیلووات ساعت انرژی مصرف نموده است. پیش بینی می شود که در فاصله ۱۹۵۲ تا ۲۰۵۲ مصرف انرژی بشر به ۳۰×۱۰۱۵ تا ۱۲۰×۱۰۱۵ 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.
۱٫ 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.
۲٫ 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.
۳٫ 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 ۱۹۳۹ 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 ۲۳۵ ، 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 ۱۹۸۲ جمعاً ۲۷۷ نیروگاه هسته ای در ۲۴ کشور جهان با ظرفیت تولیدی ۱۶۰,۰۰۰ مگاوات قدرت الکتریکی وجود داشته که تقریباً ۱۵% 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.
فهرست مطالب
مقدمه: ۱
پیش گفتار: ۳
چرا انرژی خورشیدی؟. ۳
الف- واکنش هسته ای فیژن: ۶
ب- واکنش هسته ای فیوژن: ۸
انرژی خورشید: ۹
فصل اول. ۱۲
آشنایی با برج نیرو. ۱۲
مقدمه: ۱۳
اجزاء برج نیرو: ۱۴
۱- دودکش: ۱۴
۲- توربین و ژنراتور: ۱۵
۳- کلکتور: ۱۶
امکانات بهره برداری اضافی: ۱۸
فصل دوم. ۱۹
انتقال انرژی از طریق تشعشع٫ ۱۹
مقدمه: ۲۰
خواص تشعشعی: ۲۱
قانون پلانک: ۲۲
قانون جابجایی وین: ۲۲
قانون استفان- بولتزمن: ۲۲
قانون کیرشهف: ۲۳
قانون کسینوسی لامبرت: ۲۳
قانون جذب لامبرت: ۲۳
تشعشع خورشید: ۲۴
اثر فاصله زمین از خورشید: ۲۵
تأثیر زاویه میل: ۲۶
صفحات پوششی: ۲۹
اثر صفحات پوششی برروی تشعشع خورشید: ۲۹
قابلیت انعکاس پوشش: ۲۹
قابلیت عبوردهی پوشش: ۳۰
قابلیت جذب پوشش: ۳۰
جنس پوشش: ۳۰
اثر رنگ برروی جذب انرژی تشعشعی: ۳۲
فصل سوم. ۳۳
محاسبات دودکش…. ۳۳
فشار رانش: ۳۴
راندمان دودکش: ۳۷
تلفات اصطکاکی: ۳۸
فصل چهارم. ۳۹
محاسبات توربین.. ۳۹
توان کلی: ۴۰
توان ماکزیمم: ۴۰
توان واقعی: ۴۴
نیروهای وارد بر پره ها: ۴۴
فصل پنجم.. ۴۷
مختصری در مورد کلکتور. ۴۷
بالانس انرژی: ۴۸
فصل ششم.. ۵۱
ارزیابی اقتصادی برجهای نیرو. ۵۱
بررسی هزینه مخصوص: ۵۲
مقایسه برج نیرو با سایر نیروگاهها: ۵۸
۱- تولید برق بدون مصرف سوخت: ۵۸
۲- بدون مصرف آب: ۵۹
۳- بدون آلودگی محیط زیست: ۵۹
۴- عمر زیاد: ۵۹
۵- بهره برداری کم: ۵۹
۶- احتیاج کم به لوازم یدکی : ۵۹
فصل هفتم.. ۶۱
برج آزمایشی مانزانارس… ۶۱
و نتایج حاصل از آن. ۶۱
مقدمه: ۶۲
مشخصات برج آزمایشی: ۶۲
مدهای بهره برداری توربین: ۶۴
مراجع: ۷۰
مراجع:
- نشریه امور انرژی، سال دوم، شماره ۱ فروردین ۱۳۶۳
- پدیده های جوی، مهندس مهدی بازرگان. ۱۳۶۵
- Solar and wind technology magazin (Feburary 1984)
- International Journal solar Energy (vol.2,1983)
- مقاله ارائه شده توسط دکتر سایق sayigh استاد دانشگاه ریاد Reyad در کنفرانس جهانی انرژی در دسامبر ۱۹۸۰٫