تاپیک انواع منابع انرژی نو

[ریپورتر]

فصل اول



مقدمه



محیط زیست



1تاثیر انرژی بر محیط زیست

پاره اي از فعاليتهاي مرتبط با انرژي که باعث انتشار آلاينده هاي خطرناک مي گردند در زير ارائه شده است :
* هيدرو کربنها (مانند بنزين) که به سرعت از طريق فرآيندهاي صنعتي و استخراج گاز و نفت انتشار مي يابند . سهم هر يک از منابع آلاينده به طرز قابل ملاحضه اي در کشورهاي متفاوت، متغير است .
*استفاده از بنزين و گازوئيل در بخش حمل و نقل، باعث انتشار هيدروکربن ها (شامل هيدروکربن هاي آروماتيک چند حلقه اي يا pah) و دي اکسيد گرديده و به عنوان عمده ترين منبع توليد مواد آلايندۀ سمّي هوا در رابطه با فعاليت هاي مرتبط با انرژي محسوب مي شوند . سهم خودروها در انتشار سرب در ايالات متحده در سال 1980 حدود 87% درصد مي باشد که اين ميزان بيشتر به دليل ستفاده از بنزين سرب دار در وسايل نقليه قديمي مي باشد . که اين ميزان زيادي کاهش يابد و تا سال 1990 براساس قوانين وضع شده مبني بر استفاده از بنزين بدون سرب به چند درصد برسد . تلاشهاي مشابهي از طرف اغلب کشورهاي عضو، جهت کاهش يا حذف سرب از بنزين در دست اقدام است .
* مقادير کمي از آرسنيک، جيوه، بريليوم و مواد پرتوزا مي توانند در طي فرايند احتراق ذغال سنگ و نفت کوره در نيروگاه هاي برق و ديگهاي بخار صنايع، آزاد شوند . مواد ياد شده اجزاء کمياب ذغال سنگ و نفت کوره محسوب مي شوند که در طي فرايند احتراق، به صورت ذرات معلق در هوا انتشار مي يابند .
* جيوه، دي اکسيد کلردار و فوران فقط تعدادي از آلاينده هايي هستند که در اثر سوزاندن و تبديل به خاکستر کردن زائدات شهري در هوا انتشار مي يابند . لازم به ذکر است در سال هاي اخير مسأله زباله سوزي بيشتر مورد توجه گرفته است . مطالعاتي از طرف کشور هاي iea جهت تعيين ميزان آلودگي در اطراف تجهيزات خاکستر سازي زائدات آغاز شده است . تعيين و تشخيص اثرات سوء چنين تجهيزاتي بر سلامت انسان بسيار مشکل است .

[ریپورتر]

* در رابطه با آلودگي هوا آلاينده ها به دو دسته تقسيم شده اند :
* آن دسته از آلاينده ها که به صورت مستقيم وارد هوا مي شوند (مهمترين آنها عبارتند از: SOx، NO، PM[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182179#_ftn1)، VOC[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182179#_ftn2)، CO) .
* آن دسته از آلاينده ها که در اثر واکنش فتوشيميايي در جوّ شکل مي گيرند . از مهمترين تشعشعات ثانويه هوا مي توان VOC و NOx را نام برد که باعث تشکيل اُزن و پراُ کسي استيل نيترات [3] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182179#_ftn3) مي شوند . غلظت زياد آلاينده هاي مذکور و همچنين اُزن، داراي اثرات اکولوژيکي – ايمني بوده، همچنين سبب توليد بو و کاهش ديد مي شود . چنين اثراتي بيشتر در سطح محلي و گاهي اوقات در سطح منطقه اي محسوس است . کربن آلي فرّار و NOx به عنوان عوامل اصلي ايجاد دود مه فتو شيميايي تشخيص داده شده اند (مانند پديده اي که در لوس آنجلس صورت پذيرفت) .

رسوب اسيد
* انتشار 2SO و NOx عوامل اصلي در ايجاد رسوب اسيدي به شمار مي آيند . اين دو آلاينده در گذشته سبب بروز مشکلات محلي مي شدند (بيشتر از نقطه نظر سلامتتي و بهداشت ) . به دليل افزايش سطح آگاهي جامع در مورد ايجاد باران هاي اسيدي در بعد منطقه اي و برون مرزي، نه تنها توجه خاصي به اين دو آلاينده معطوف شده است بلکه ديگر آلاينده ها نظير VOC، کلريدها، ازن و عناصر کمياب که همراه با باران هاي اسيدي رسوب خواهند نمود . نيز مد نظر قرار گرفته اند . هر چند رسوب اسيد به عنوان عاملي مهم در تخريب محيط زيست شناخته شده اما رابطه دقيقي بين انتشار آلاينده ها و ميزان تخريب ارائه نشده است . اثرات سوء رسوبات اسيدي مي تواند از طريق انتقال به وسيله باد، مناطق وسيع تري را در بر بگيرد .
مهمترين اين اثرات سوء عبارتند از :
*اسيدي شدن درياچه ها، رودخانه ها و آب هاي زيرزميني که سبب تحديد حيات آبي و ماهيان خواهد شد .
*خسارت به جنگلها و در بعضي موارد محصولات کشاورزي .
*تخريب ساختارهاي انسانساخت مانند ساختمانها، بدنه هاي فلزي و ....
فعاليتهاي مرتبط با انرژي که به عنوان اصلي ترين عامل در ايجاد رسوبات اسيدي شناخته شده اند به شرح زير مي باشند :
*مراکز توليد برق، گرمايش خانگي و بخش صنايع، حدود 80% از کل انتشار SO2 را عهده دار مي باشند (ذغال سنگ به تنهايي 70% از اين ميزان را انتشار مي دهد) .از ديگر منابع توليد SO2 تجهيزات پالايش گاز ترش مي باشد . در طي اين فرايند گاز H2S توليد مي شود که در واکنشهاي بعدي به SO2 تبديل مي شود .


[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182179#_ftnref1)- Particulate Matter

[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182179#_ftnref2)- Volatile Organic Compound

[3] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182179#_ftnref3) -Peroxyacetylnitrate(PNA)

[ریپورتر]

*حمل و نقل از طريق جاده به عنوان مهمترين عامل انتشار NOx به شمار مي آيد . حدود 48% از کل NOx توليد شده در کشورهاي OECD از اين طريق منتشر مي شود . قسمت اعظم بخش باقيمانده از احتراق سوخت هاي فسيلي در مرکز ثابت ايجاد ميشود .
*VOC از منابع متعدد و متنوع انتشار مي يابد و داراي ترکيبات بسيار متفاوت نيز مي باشد .


کاهش ازن استراتوسفري
*يکي از معضلات زيست محيطي جهاني و همچنين منطقه اي، کاهش ازن استراتوسفري است که بطور عمده در اثر انتشار فريونها، هالونها و N2O ايجاد مي شود . کاهش ضخامت لايه ازن موجب نفوذ بيشتر تشعشعات فرا بنفش مي گردد که در نهايت باعث افزايش درصد ابتلاء به سرطان پوست و صدمات چشمي در جوامع بشري گرديده و خسارات شديد بيولوژکي را به دنبال خواهد داشت فعاليتهاي مرتبط به انژي فقط به صورت مقطعي در انتشار مواد کاهنده لايه ازن دخيل مي باشد . گرچه 65%الي 75% از کل اکسيد نيتروژن انسانساخت از طريق احتراق سوخت هاي فسيلي و زيست توده توليد مي شود اما نقش فريونها در تخريب لايه ازن به مراتب مهمتر است . اصلي ترين منابع آلاينده مرتبط با فعاليتهاي انرژي شامل فريونها موجود در يخچالهاي مخصوص در بخش حمل و نقل، بخش خانگي و کولرهاي گازي و صنعت اسفنج سازي مي باشد . مواد ياد شده حدود 60% از کل فريوندهاي مصرفي را در بر مي گيرند .

تغييرات جهاني آب و هوا
*تغييرات جهاني آب و هوا که در اثر تجمع بي رويه گازهاي گل خانه اي ايجاد شده است مهمترين مسأله زيست ميحطي در رابطه با بخش انرژي محسوب مي شود . در حال حاضر گازهايي نظير دي اکسيد کربن، متان، بخارآب، اکسيد نيتروژن، ازن، فريون و هالون در رده گازهاي گلخانه اي طبقه بندي شده اند. اين گاز ها در برابر تشعشعات ورودي (باطول موج کوتاه) شفاف[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182180#_ftn1) بوده و بالعکس در برابر تشعشات خروجي (با طول موج بلند) تيره[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182180#_ftn2) مي باشند. رشد بي رويه جمعيت و عوامل لنسانساخت روز به روز بر غلظت گاز دي اکسيد کربن و ديگر گازهاي کمياب مي افزايد. دانشمندان علم آب و هواشناسي اعلام نموده اند که تجمع چنين گازهايي باعث افزايش دماي جوّ شده، در نتيجه حرارت کره زمين افزايش يافته، افزايشات جوّي تغيير کرده و سرانجام سطح درياها نسبت به سطح فعلي بالاتر خواهد رفت . اين تغييرات به شدت، فعاليتهاي بشر را تحت تاثير قرار خواهند داد . در حال حاضر براورد شده است که 50% از کل اثرات گلخانه اي انسانساخت به وسيله دي اکسيد کربن ايجاد مي شود . دانش موجود درباره اثرات متنوع گازهاي گلخانه اي در جدول 2-2 ارائه شده است .


[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182180#_ftnref1) - Transparent

[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182180#_ftnref2) - Opaque

[ریپورتر]

*فعاليتهاي مرتبط با بخش انرژي نقش مهمي را در انتشار گازهاي گلخانه اي انسانساخت دارا مي باشد :
*احتراق سوختهاي فسيلي باعث آزاد شدن 75% از کل co2 انسانساخت مي شود ما بقي (25% باقيمانده) از جنگل زدايي و اکسايش خاک توليد مي شود .
*احتراق سوخت هاي فسيلي و زيست توده باعث انتشار 65الي 75% از کل n2o انسانساخت مي گردد.
*ازن، محصول واکنش آلاينده هاي سوختهاي فسيلي (بخصوص nox و voc) محسوب مي گردد . برخي از سوخت ها مانند متانول باعث کاهش آلودگي مونوکسيدکربن مي گردند اما انتشار آلدئيدها را افزايش مي دهند .
*تخمير مواد آلي دليل اصلي آزاد سازي متان به شمار مي آيد . توضيع و استفاده از انواع سوخت ها (بطور مشخص، گاز طبيعي) 10 الي 30% از کل انتشار متان را بر عهده دارد . در مورد به هدر رفتن گاز در مبدأ توليد تا زمان استفاده آمار کافي در دسترس نمي باشد . رقم 1/2% در سال 1987 براي کشورهاي iea به عنوان ميزان تلفات گاز از مبدأ توليد تا زمان مصرف ذکر شده است . به هر حال برآورد دقيق، به دليل شرايط محلي و لوله هاي گازرساني، بسيار متغير خواهد بود .علاوه بر موارد ياد شده، متان در خلال بهره برداري از معادن نيز آزاد مي شود .

[ریپورتر]

فصل دوم



انرژی خورشیدی



انرژی خورشیدی
تاریخچه
شناخت انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز می‌گردد. شاید به دوران سفالگری، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلائی صیقل داده شده و اشعه خورشید، آتشدانهای محرابها را روشن می‌کردند. یکی از فراعنه مصر معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب بسته می‌شد.
ولی مهم‌ترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می‌باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید گفته می‌شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه‌های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته‌است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده‌است. در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمان‌های قدیم بوده‌است.
با وجود آنکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستمهایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستمها شده بود تا اینکه افزایش قیمت نفت در سال ۱۹۷۳ باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله تولد انرژی از راههای دیگر (غیر از استفاده سوختهای فسیلی) توجه جدی‌تری نمایند.
خورشید راکتور هسته ای فاقد عناصر آلوده کننده است که از هر راکتوری که در زمین بتواند وجود داشته باشد عظیمتر است. این راکتور به شکل کره ای است از مواد
6
داغ گازی و متراکم با قطری معادل km 10 ×39/1 که به
8
طور متوسط حدود km 10× 5/1 از کرة زمین فاصله دارد. در صورتی که ازسطح زمین به خورشید نگریسته شود، حدوداً هر چهار هفته یک بار به دور خود می گردد، اما چرخش آن مانند چرخیدن یک جسم صلیب

[ریپورتر]

نیست، چراکه در هر چرخش، دایرة استوایی آن بعد از حدود 27 روز و نواحی قطبی آن بعد از حدود 30 روز یک دور می زند. دمای مؤثر سطح خورشید حدود k5762 است و دمای نواحی مرکزی
6 6
آن نیز در حدود k 10 ×8 تا k 10×40 تخمین زده می شود. چگالی آن حدود 80 تا 100 برابر آب است.
در واقع خورشید یک راکتور مداوم گداختی است. واکنش های گداخت که به نظر تأمین کنندة انرژی خورشید باشند، به چند دسته تقسیم می شوند که مهم ترین آن ها ترکیب اتم های هیدروژن (چهار پروتون) و تشکیل هلیم(دارای یک هسته) است. جرم هر هسته هلیم مقداری کم تر از مجموع چهار پروتون است و بنابراین تفاوت این جرم ها به انرژی تبدیل می شود. این انرژی در نواحی داخلی کرة خورشید و در دماهایی به بزرگی چندین میلیون درجه ایجاد شده، به سطح آمده و در فضا منتشر می شود.
انرژی خورشیدی در مقایسه با سایر شکل های انرژی مزایای بسیاری دارد . اولین مزیت آن لایزال بودن نسبی این منبع است که شاید این امتیاز چندان جلوه ای نداشته باشد زیرا فعلاً کشورهای جهان از نفت و گاز به مقدار مکفی و ارزان استفاده می کنند. لیکن باید دانست که انرژی خورشیدی دریافتی را که به مصرف نرسیده باشد نمی توان در آینده مصرف کرد، حال آن که انرژی فسیلی و هسته ای مصرف نشده نه تنها به صورت ذخیره برای آیندگان باقی می ماندبلکه به ارزش آن ها نیز به سبب توسعةموارد مصرف افزوده می شود. مزیت دیگر انرژی خورشیدی آلوده نکردن محیط زیست است. برخلاف سوخت های فسیلی و به ویژه هسته ای، استفاده از انرژی خورشیدی هیچ گونه خطری برای محیط زیست ندارد. از این نظر بر انرژی حاصل از دیگر سوخت ها برتری چشمگیری دارد. سومین مزیت انرژی خورشیدی، تأمین کلیة انرژی های مورد نیاز انسان هاست. به رغم آنکه انرژی هسته ای فقط برای تولید برق کاربرد دارد، از انرژی خورشیدی همانند نفت و گاز می توان برای کلیة امور روزمره زندگی استفاده کرد. کاربردهای مختلف انرژی خورشیدی در ادامه این فصل معرفی خواهد شد. در بسیاری از موارد، مصرف انرژی خورشیدی نیاز به شبکه های توزیع و انتقال ندارد. در اکثر موارد بیش از 50 درصد هزینة نفت و گاز و برقی که به دست مصرف کننده می رسد، به هزینه های انتقال و توزیع آن ها مربوط است. برای بسیاری از مصارف، از انرژی خورشیدی می توان در هر نقطه ای بدون احتیاج به سیستم های انتقال و توزیع پرهزینه استفاده کرد. از مزایای دیگر انرژی خورشیدی این است که تکونولوژی آن در مقایسه با انرژی هسته ای ساده تر بوده از این رو بهره برداری وسیع از آن راحت تر و سریعتر است.

[ریپورتر]

اولین و شاید تنها استفادة نظامی انرژی خورشیدی به کوشش ارشمیدس در شهر سیراکیوز در شرق جزیرة سیسیل که در تصرف یونانیان بود صورت پذیرفت. وی موفق شد به کمک چند آینه نور خورشید را روی بادبان کشتی ها منعکس کند و آن ها را به آتش بکشد و بدین ترتیب کشتی های جنگی رومیان راکه به جزیرة سیسیل حمله کرده بودند از کار بیندازد. پریستلی در سال 1774 م. توانست نور خورشید را روی ظروف حاوی اکسید جیوه متمرکز کرده گازی تولید کند که بعدها اکسیژن نام گرفت. در سال 1872 م. اولین واحد انرژی خورشیدی برای نمک زدایی آب دریا در شمال کشور شیلی ساخته شد. این واحد با سطحی معادل 5100 متر مربع می توانست روزانه حدود 24 مترمکعب آب شیرین تولید کند.
مقدار انرژی خورشیدی دریافتی یک صفحة افقی در ایران به طور متوسط برابر با 18 مگاژول بر متر مربع در روز یا 6570 مگاژول بر متر مربع در سال است. کل انرژی خورشیدی دریافتی کشور برابر با 10827 اکساژول
18
(یک اکسا زول برابر 10 ژول است)در سال یا بیش از 3800 برابر کل مصرف انرژی در سال 1367 هـ.ش است (این مقدار انرژی دریافتی بیش از 1600 برابر انرژی نفت صادراتی ایران در سال 1369 هـ.ش.(5/953 میلیون بشکه) و بیش از 8 برابر کل ذخایر نفت و گاز (حدود 100 میلیارد بشکه نفت و 7/16 تریلیون مترمکعب گاز) کشور است. این ارقام نشان می دهند که ایران سالانه بیش از 1000 برابر کل مصرف و صادرات انرژی خود، انرژی خورشیدی دریافت می کند. بنابراین می توانیم با به کارگیری کم تر از یک درصد از زمین های کشور و با بازده تبدیل متوسط 10 درصد، کلیة صادرات نفت و گاز و نیازهای خود را با استفاده از ارژی خورشیدی تأمین کنیم.
ایران از نظر تابش خورشیدی، به سه منطقه نقسیم شده است: منطقه هایی با تابش زیاد، متوسط و کم. تنها بخش کوچکی از مساحت ایران یعنی سواحل دریای خزر، سواحل جنوبی و خوزستان به علت ارتفاع کم از سطح دریا و بخشی از شمال خراسان و شمال آذربایجان به علت عرض جغرافیایی زیاد، در منطقه کم تابش قرار می گیرند. مناطق مرتفع غرب و جنوب ایران، جزء نواحی پرتابش و بقیة نواحی کشور مناطقی با تابش متوسط به شمار می روند.
سواحل دریای خزر کم تابش ترین منطقة ایران به شمار می رود؛ زیرا عرض جغرافیایی آن زیاد است، از سطح دریا مرتفعتر نیست و بیش ترین پوشش ابر را داراست؛ با وجود این، همین مناطق بیش از شهرهایی مثل

[ریپورتر]

بروکسل و توکیو انرژی خورشیدی دیافت می کنند. بسیاری از کشورهای صنعتی جهان به ویژه اروپای غربی و ژاپن به خاطر کوهستانی بودن، داشتن جنگل های فراوان و پایین بودن میزان انرژی خورشیدی دریافتی، عملاً از نظر بهره برداری از این انرژی فقیرند.. این موضوع، یکی از دلایل مهم در کم توجهی یا بی توجهی این کشورها به استفاده از انرژی خورشیدی برای تأمین نیازهای خود و روی آوری آن ها به انرژی اتمی برای تولید برق در کشورشان بوده است. ولی همان وطر که اعداد و ارقام مربوط به کشور ما نشان می دهد ، وضع ایران از این نظر کاملاً متفاوت است.
بر اساس کاربردهای مختفلف، تجهیزات خاصی طراحی و ساخته شده است. گروه اول مربوط به گردآورنده های خورشیدی است که برای مصارف گرمایشی و سرمایشی به کار می روند. در این سیستم ها، با استفاده از مجموعة بسیار زیادی از گردآورنده های خورشیدی، پرتوهای مستقیم خورشیدی متمرکز شده و انرژی گرمایی آن ها توسط یک سیال جاری در گردآورنده جذب می شود. گروه دوم سلول های خورشیدی اند که برای تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی از آن ها استفاده می شود. برای این کار از پدیدة فتوولتایی فتودیودها استفاده می شود.

خورشید به عنوان یک منبع بی پایان انرژی می تواند حلال مشکلات موجود در انرژی و محیط زیست باشد.
این انرژی که به زمین می تابد هزاران بار بیشتر از انچه که ما نیاز داریم و مصرف می کنیم ,می باشد.حتی نور کمی که از پنجره به اتاق میتابد دارای انرژی بیشتری از سیم برقی است که به داخل اتاق کشیده شده است.از انرژی خورشیدی می توان استفاده های مهم و کاملا مفید, به عنوان یک انرژی تمیز و قابل دسترس در همه جا استفاده کرد. اما از نور خورشید به طور مستقیم نمی توان به جای سوخت های فسیلی بهره برد بلکه باید دستگاههایی ساخته شود که بتوانند انرژی تابشی خورشید را به انرژی قابل استفاده نظیر انرژی مکانیکی, حرارتی الکتریسیته و ...تبدیل کنند.
انرژي خورشيدي بي خطر و بادوام و تميز است و نمي توان از آن پمپ ساخت و يا آن را قطع كرد يا به جاي ديگري برد و هيچ نوع آلودگي توليد نمي كند. به دلايل فوق اين انرژي بيشتر از تمام منابع انرژي ديگر توجه همگان را به خود جلب نموده است.
زندگي همه ي موجودات زنده به خورشيد وابسته است. بدون خورشيد هيچ جانداري بر روي زمين وجود نخواهد داشت و كره ي زمين بجاي تاريك و منجمدي تبديل خواهد شد.
تابش خورشيد منشاء اغلب انرژيهايي است كه در سطح زمين در اختيار ما قرار دارد. خورشيد به عنوان يك منبع بي پايان انرژي مي تواند حل كننده ي مشكلات موجود در زمينه ي انرژي و محيط زيست باشد

[ریپورتر]

خورشيد به مراتب از زمين بزرگتر است و حجم آن به اندازه اي است كه يك ميليون كره ي هم حجم زمين در آن جاي مي گيرد . قطر خورشيد حدود 110 برابر قطر زمين است. وزن آن نيز 300000 برابر وزن زمين مي باشد. درجه حرارت سطح خورشيد 5555 درجه سانتيگراد است. عمر خورشيد نيز حدود پنج ميليون سال ارزيابي شده است. خورشید (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AE%D9%88%D8%B1%D8%B4%DB%8C%D8%AF) نه تنها خود منبع عظیم انرژی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C) است، بلکه سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژیهای دیگر است. طبق برآوردهای علمی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B9%D9%84%D9%85%DB%8C) در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می‌گذرد و درهر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D8%B1%D9%85) خورشید به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد.قطر خورشید ۶۱۰ × ۳۹/۱ کیلومتر است و از گازهایی نظیر هیدروژن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%87%DB%8C%D8%AF%D8%B1%D9%88%DA%98%D9%86) (۸/۸۶ درصد) هلیوم (۳ درصد) و ۶۳ عنصر دیگر که مهم‌ترین آنها اکسیژن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%DA%A9%D8%B3%DB%8C%DA%98%D9%86) – کربن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%A9%D8%B1%D8%A8%D9%86) – نئون (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%A6%D9%88%D9%86) و نیتروژن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%DB%8C%D8%AA%D8%B1%D9%88%DA%98%D9%86) است تشکیل شده‌است.
میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می‌باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می‌شود.زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید حدود از کل انرژی تابشی آن می‌باشد.بدون شك زماني مي رسد كه ذخيره ي ئيدروژن خورشيد تمام مي شود و در نتيجه خورشيد تغيير شكل خواهد داد . مركز خورشيد احتمالاً به موازات تمام شدن ئيدورژن به مراتب گرمتر مي شود. سپس منبسط مي شود سرد مي گردد و به رنگ قرمز تابش مي كند آنگاه به گوي قرمز غول پيكري تبديل خواهد شده كه بسيار بزرگتر از اندازه ي فعلي است. در آن موقع حيات نيز بر روي زمين به پايان مي رسد. ولي اين امر به اين زوديها اتفاق نخواهد افتاد امروز خورشيد در حدود 5 ميليارد سال عمر دارد و آن قدر ئيدروژن دارد كه دست كم بتواند 8 ميليارد سال ديگر خود را گرم نگه دارد و همچنان نيز بتابد و زمين را به صورت جائي راحت براي زندگي جانوران محفوظ نگه دارد.
نور
فلاسفه ي يونان اعتقادداشتند همان گونه كه چوب دستي يك نابينا به مانعي بر خورد مي كند و آن را براي وي مشخص مي سازد. پرتوهاي نوري نيز از چشم خارج مي شود و به اجسام برخورد كرده به طرف چشم برمي گردد و در نتيجه ديده مي شوند اين نظريه تا پايان قرون وسطي مورد قبول بود ليكن امروزه مي دانيم نور نوعي انرژي است.
نور نوعي تابش است كه با سرعت بسيار زياد منتشر مي شود. نور از خورشيد لامپ و هر جسم داغ يا از سوختن اجسام يعني از شعله آتش حاصل مي آيد و از اجسام شفاف مانند شيشه و آب مي گذرد اما در برخورد با اجسام كدر بازتابش يا جذب مي شود. يك سطح صيقلي تقريباً همه ي نوري را كه بر آن تابيده است باز مي

[ریپورتر]

تاباند اما سطح كدر و ناهموار بيشتر نور را جذب مي كند و كمي از آن را باز مي تاباند . ذره هاي ريز نظير غبار و دود نور را در همه ي جهت ها مي پراكنند.

نور خورشيد
نور خورشيد كه حامل انرژي و نيروي غيرقابل تصوري است كره ي زمين را مورد تابش قرار مي دهد پرتوهاي زيان آور و كشنده آن پس از برخورد با نخستين لايه هاي جو زمين برگشت داده مي شود و قسمت زندگي بخش آن در دسترس ما قرار مي گيرد اين انرژي به انوع ديگر انرژي قابل تبديل است و حرارت حاصل از آن مي تواند بيشتر نيازهاي حرارتي ما را تأمين كند محاسبات علمي نشان مي دهد كه مقدار انرژي حاصل از تابش خورشيد بر يك متر مربع چنانچه به طور كامل به انرژي الكتريكي تبديل شود به طور متوسط براي روشن نگه داشتن 10 لامپ 60 واتي كافي است اما پژوهشهاي مربوط به اين زمينه هنوز مراحل اوليه خود را طي مي كند.
پرتو مادون قرمز خورشيد عامل ايجاد گرمايي است كه ما بر اثر تابش نور خورشيد حس مي كنيم.
پرتو ماوراء بنفش عامل برنز شدن پوست يا سوختگي آن بر اثر آفتاب است تابش نور خورشيد به سطح بدن انسان سبب ساخته شدن ويتامين (d ) مي شود كه يكي از ويتامينهاي لازم بدن است. همچنين نور خورشيد خاصيت ميكروب كشي دارد.

تقسيم بندي انرژي خورشيدي
در يك تقسيم بندي كلي انرژي خورشيد در روي زمين منشاء سه نوع انرژي است . انرژي شيميايي، حرارتي ، الكتريكي . در ادامه به بررسي اين سه نوع انرژي مي پردازيم البته بسيار مختصر و كوتاه:

انرژي شيميايي
اين انرژي مهمترين نوع آن است زير باعث رشد گياهان در جريان عملي به نام فتو سنتز يعني (نور ساخت) مي شود.
كلرونيل سبز در برگ گياهان از اين انرژي براي مخلوط كردن دي اكسيد كربن با آب استفاده مي كند تا شكر و اكسيژن توليد كند پس به طور مداوم انرژي به صورت غذا چوب براي سوختن و ... اكسيژن براي تداوم زندگي به ما مي رسد.

انرژي الكتريكي
به دو طريق مي توان انرژي خورشيدي را به انرژي الكتريكي تبديل كرد.
الف: تبديل حرارتي با ظرفيت بالا براي اين نيروگاه ها
ب: با استفاده از پديده ي فتوولتاييك.

[ریپورتر]

توليد الكتريسيته از انرژي خورشيدي
امروزه نور خورشيد يكي از منابع مهمي است كه براي تهيه ي الكتريسيته مورد استفاده قرار مي گيرد.
ساخت صفحات خورشيدي در سه مرحله ي اساسي انجام مي گيرد كه عبارتند از:
1. توليد و برش ويفر سيليسيومي
2. ساخت سلولهاي خورشيدي
3. مونتاژ سلولها به صورت صفحات خورشيدي

صفحات خورشيدي را با ابعاد و مشخصات بخصوصي مي سازند تا حداكثر انرژي را از خورشيد جذب كنند.

نيروگاه حرارتي
در بين منابع انرژي تجديد شونده انرژي خورشيدي بيشترين توجه را در دهه هاي اخير به خود معطوف داشته است و بسياري از بررسيها انرژي خورشيدي را مناسبترين جايگزين براي سوختهاي فسيلي و اتمي معرفي مي كنند اين انرژي با پتانسيل لازم براي تأمين انواع انرژي مورد نياز نظير انرژي الكتريكي ، حرارتي ، شيميايي، حمل و نقل و ... داراست.
پمپهاي خورشيدي:
آب يكي از مهمترين منابعي است كه زندگي انسان به آن وابسته است. دسترسي به آب آشاميدني يا كشاورزي همواره يكي از دشواريهاي موجود بر سر راه توسعه جوامع بشري خصوصاً جوامع روستايي بوده است در بسياري از اين مناطق آب در سفره هاي زيرزميني وجود داشته و خارج سازي آن توسط دست يا تلمبه هاي دستي يا موتورهاي ديزلي صورت مي گيرد اما در مناطق كويري يا كوهستاني كه مشكلات برق رساني وجود دارد و آب در عمق نسبتاً زياد از سطح زمين قرار دارد خارج كردن آب به روشهاي فوق ممكن نيست. در اين مناطق استفاده از پمپ هاي خورشيدي مي تواند مزاياي فراواني داشته باشد زيرا در اين پمپها تعداد اجزاء متحرك كم است لذا به مراقبت و تعميرات خيلي كمي نياز دارد و بازده آنها بسيار بالاست.



خودروي خورشيدي
يكي از كاربردهاي مهم انرژي خورشيدي استفاده از آن براي به حركت در آوردن خودروهاست

[ریپورتر]

استفاده از سيستم فتوولتايي براي تأمين انرژي مورد نياز خودروهاي خورشيدي يكي از جالبترين روشهايي است كه در سالهاي اخير به آن توجه شده است. زيرا مزيت بزرگ اين خودروها حداقل آلودگي و صرفه جويي در استفاده از ديگر منابع انرژي را بدنبال دارد.
از ديگر كاربردهاي انرژي خورشيدي مي توان آبگرمكنهاي خورشيدي يا كاربرد انرژي خورشيدي در مخابرات و سيستم روشنايي معابر عمومي را نام برد.
باشد كه با استفاده از منابع مهم انرژي در جلوگيري از آلودگي محيط زيست و ماندن ساير منابع انرژي تمام شدني براي نسلهاي آينده كوشا باشيم.
جالب است بدانید که سوختهای فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرژیهای باد و آبشار و امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید می‌باشد.خورشيد براي بيليونها سال انرژي را توليد كرده است . انرژي خورشيدي ، پرتوهاي خورشيد است كه به زمين مي رسد .
انرژي خورشيد براي حرارت آب ، براي استفاده ديناميكي ، حرارت فضايي ساختمانها ، خشك كردن توليدات كشاورزي و توليد انرژي الكتريسيته مورد استفاده قرار مي گيرد در سال 1830 شاره شناي انگلين به نام جون هر شل John Herschel يك جعبه جمع آوري خورشيدي را براي پختن غذا در طول يك سفر در افريقا استفاده كرد . هم اكنون مردم تلاش مي كنند انرژي خورشيدي را براي چيزهاي زيادي استفاده كنند .كاربردهاي الكتريكي فتوو لتايك ها را آزمايش مي كنند يك فرايند كه توسط آن انرژي نور خورشيد به طور مستقيم به الكتريسيته تبديل مي شود . الكتريسيته مي تواند به طور مستقيم از انرژي خورشيد توليد شود و ابزارهاي فتوولتايك استفاده كند يا به طور غير مستقيم از ژنراتورهاي بخار ذخاير حرارتي خورشيدي را براي گرما بخشيدن به يك سيال كاربردي مورد استفاده قرار مي دهند .
انرژي فتو ولتايك
انرژي فتو ولتايك . تبديل نور خورشيد به الكتريسيته از ميان يك سلول فتو ولتاتيك (pvs) مي باشد، كخ بطور معمول يك سلول خورشيدي ناميده مي شود. سلول خورشيدي يك ابزار غير مكانيكي است كه معمولاً از آلياز سيليكون ساخته شده است.
نور خورشيد از فتو نهي ،يا ذرات انرزي خورشيدي ساخته شده است اين فتو نهي مغادير متغير انرژي را شامل مي شود مشابه طول مولد هاي متفاوت اسپكتروم هاي نوري هستند .
وقتي فتو نهي به يك سلول فتو ولتاتيك بر خورد مي كند، ممكن است منعكس شوند ،مستفيم از ميان آن عبور كنند ،يا جذب شوند. فقط فتو نهي جذب شده انرژي را براي توليد الكتريسيته فراهم مي كنند .وقتي كه نور خورشيد كافي يا انرژي توسط جسم نيمه رسانا جذب شود ،الكترون از اتم هاي جسم جابجا مي شوند.رفتار خاصي سطح جسم در طول ساختن باعث مي شود سطح جلويي سلول كه براي الكترون هاي آزاد بيشتر پذيرش

[ریپورتر]

يابد .بنا براين الكترون ها بطور طبيعي به سطح مهاجرت مي كنند .زماني كه الكترون ها موقعيت n را ترك مي كنند و سوراخ هايي شكل مي گيرد .تعداد الكترونها زياد است ،هر كدام يك بار منفي را حمل مي كنند و به طرف جلو سطح سلول مي روند ،در نتيجه عدم توازون بار بين سلولهاي جلويي وسطوح عقبي يك پتانسيل ولتاژ .شبيه قطب هاي مثبت ومنفي يك باطري ايجاد مي شود.وقتي كه دو سطح از ميان يك راه داخلي مرتبط مي شود ،الكتريسيته جريان مي يابد .سلول فتو ولتاتيك قاعده بلوك ساختمان يك سيستم pv است.سلولهاي انفرادي مي توانند در اندازه هايي از حدود 1 cm تا 10 cmاز اين سو به آن سو متغير مي شود .
با اين وجود ،توان 1يا 2 وات توليد مي كند ،كه انرژي كافي براي بيشتر كار بردها نيست.براي اينكه بازده انرژي را افزايش دهيم ،سلولها بطور الكتريكي به داخل هواي بسته يك مدول سخت مرتبط مي شود .
مدولها مي توانند بيشتر براي شكل گيري يك آرايش مرتبط شوند.اصطلاح آرايش به كل صفحه انرژي اشاره مي كند ،اگر چه آن از يك يا چند هزار مدول ساخته شدهباشد ،آن تعداد مدولها ي مورد نياز مي توانند بهم مرتبط شوند براي اينكه اندازه آرايش مورد نياز (توليد انرژي) را تشكيل دهند.
اجراي يك آرايش فتو ولتاتيك به انرژي خورشيد وابسته است .
شرايط آب وهوايي (همانند ابر و مه )تاثير مهمي روي انرزي خورشيدي دريافت شده توسط يك آرايش pv و در عوض ،اجرايي آن دارد .بيشتر تكنولوژي مدول هاي فتو ولتاتيك در حدود 10 درصد موثر هستند در تبديل انرژيخورشيد با تحقيق بيشتر مرتبط شوند براي اينكه اين كار را به 20 درصدافزايش دهند.
سلولهاي pv كه در سال 1954 توسط تحقيقات تلفني بل bell كشف شد حساسيت يك آب سيليكوني حاضر به خورشيد را به طور خاصي آزمايش كرد .ابتدا در گذشته در دهه 1950،pvs براي تامين انرژي قمر هاي فضا در يك مورد استفاده قرار گرفتند.موفقيت pvs در فضا كار برد هاي تجاري براي تكنو لوژي pvs توليد كرد .ساده ترين سيستم هاي فتو ولتاتيك انرژي تعداد زيادي از ماشين حساب هاي كوچك و ساعتهاي مچي را هر روز استفاده كردند.بيشتر سيستم هاي پيچيده الكتريسيته را براي پمپاژ آب ،انرژي ابزارهاي ارتباطي ،وحتي فراهم كردن الكتريسيته براي خانه هايمان فراهم مي كنند .تبديل فتو ولتاتيك به چندين دليل مفيد است .تبديل نور خورشيدبه الكتريسيته مستقيم است ،بنابراين سيستم هاي توليد كننده مكانيكي به حجم زيادي لازم نيستند .خصوصيت مدولي انرژي فتو ولتاتيك اجازه مي دهد به طور سريع آرايش ها در هر اندازه مورد نياز يا اجازه داده شده نصب شوند .همچنين ،تاثير محيطي يك سيستم فتو ولتاتيك حد اقل است ،آب را براي سيستم نياز ندارد پختن و توليد محصول فرعي نيست .سلولهاي فتوولتاتيك ،همانند باتريها ،جريان مستقيم (dc)را توليد مي كنند كه به طور عمومي براي براي راههاي كوچكي مورد استفاده است (ابزار الكترونيك).وقتي كه جريان مستقيم از سلولهاي فتوولتاتيك براي كاربردهاي تجاري يا لحيم كردن كار برد هاي الكتريكي استفاده مي شود .شبكه هاي الكتريكي بايستي به جريان متناوب (AC)براي استفاده تبديل كننده ها تبديل شوند ،ابزارهاي حالت جامد

[ریپورتر]

كه جريان مستقيم را به جريان متناوب تبديل مي كنند . به طور تاريخي pvs در جاهاي دور براي توليد الكتريسيته بكار گرفته شده است .با اين وجود يك بازار براي توليد از pvs را توزيع كنند ممكن است با بي نظمي قيمتهاي تبديل و توزيع همزمان با بي نظمي الكتريكي توسعه داده شود .
جايگزين ژنراتو هاي كوچك مقياس عددي در تغذيه كنندهاي الكتريكي مي توانند اقتصاد واعتبار سيستم توزيع را بهبود بخشد.در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم‌های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره‌گیری می‌شود که عبارت‌اند از:
مزایای نیروگاههای خورشیدی
نیروگاه‌های خورشیدی که انرژی خورشید را به برق تبدیل می‌کنند امید است در آینده با مزایای قاطعی که در برابر نیروگاه‌های فسیلی و اتمی دارند به خصوص اینکه سازگار با محیط زیست می‌باشند، مشکل برق بخصوص در دوران انجام ذخائر نفت و گاز را حل نمایند. تأسیس و بکارگیری نیروگاه‌های خورشیدی آینده‌ای پر ثمر و زمینه‌ای گسترده را برای کمک به خودکفایی و قطع وابستگی کشور به صادرات نفت فراهم خواهد کرد. اکنون شایسته‌است که به ذکر چند مورد از مزایای این نیروگاه‌ها بپردازیم.
الف) تولید برق بدون مصرف سوخت
نیروگاه‌های خورشیدی نیاز به سوخت ندارند و برخلاف نیروگاه‌های فسیلی که قیمت برق تولیدی آنها تابع قیمت نفت بوده و همیشه در حال تغییر می‌باشد. در نیروگاه‌های خورشیدی این نوسان وجود نداشته و می‌توان بهای برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگهداشت. کامران هومن
ب) عدم احتیاج به آب زیاد
نیروگاه‌های خورشیدی بخصوص دودکشهای خورشیدی با هوای گرم احتیاج به آب ندارند لذا برای مناطق خشک مثل ایران بسیار حائز اهمیت می‌باشند. (نیروگاه‌های حرارتی سنتی هنگام فعالیت نیاز به آب مصرفی زیادی دارند).
پ) عدم آلودگی محیط زیست
نیروگاه‌های خورشیدی ضمن تولید برق هیچگونه آلودگی در هوا نداشته و مواد سمّی و مضر تولید نمی‌کنند در صورتی که نیروگاه‌های فسیلی هوا و محیط اطراف خود را با مصرف نفت – گاز و یا ذغال سنگ آلوده کرده و نیروگاه‌های اتمی با تولید زباله‌های هسته‌ای خود که بسیار خطرناک و رادیواکتیو هستند محیط زندگی را آلوده و مشکلات عظیمی را برای ساکنین کره زمین بوجود می‌آورند.

[ریپورتر]

ت) امکان تأمین شبکه‌های کوچک و ناحیه‌ای
نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند با تولید برق به شبکه سراسری برق نیرو برسانند و در عین امکان تأمین شبکه‌های کوچک ناحیه‌ای، احتیاج به تأسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال برق ندارند و نیاز به هزینه زیاد احداث شبکه‌های انتقال نمی‌باشد.
ث) استهلاک کم و عمر زیاد
نیروگاه‌های خورشیدی بدلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر طولانی می‌باشند در حالی که عمر نیروگاه‌های فسیلی بین ۱۵ تا ۳۰ سال محاسبه شده‌است.
ج) عدم احتیاج به متخصص
نیروگاه‌های خورشیدی احتیاج به متخصص عالی ندارند و می‌توان آنها را بطور اتوماتیک بکار انداخت، در صورتی که در نیروگاه‌های اتمی وجود متخصصین در سطح عالی ضروری بوده و این دستگاهها احتیاج به مراقبتهای دائمی و ویژه دارند.
کاربردهای غیر نیروگاهی
کابردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می‌باشد که اهم آنها عبارت‌اند از: آبگرمکن و حمام خورشیدی – سرمایش و گرمایش خورشیدی – آب شیرین کن خورشیدی – خشک کن خورشیدی – اجاق خورشیدی – کوره‌های خورشیدی و خانه‌های خورشیدی.
الف – آبگرمکن‌های خورشیدی و حمام خورشیدی
تولید آب گرم مصرفی ساختمانها اقتصادی‌ترین روشهای استفاده از انرژی خورشیدی است می‌توان از انرژی حرارتی خورشید جهت تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکانهایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد. چنانچه ظرفیت این سیستمها افزایش یابد می‌توان از آنها در حمامهای خورشیدی نیز استفاده نمود. تاکنون با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران تعداد زیادی آب گرمکن خورشیدی و چندین دستگاه حمام خورشیدی در نقاط مختلف کشور از جمله استان‌های خراسان – سیستان و بلوچستان و یزد نصب و راه اندازی شده‌است.
ب – گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی

[ریپورتر]

[[اولین خانه خورشیدی در سال ۱۹۳۹ساخته شد که در آن از مخزن گرمای فصلی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D8%AE%D8%B2%D9%86_%DA%AF%D8 %B1%D9%85%D8%A7%DB%8C_%D9%81%D8%B5%D9%84%DB%8C&action=edit&redlink=1) برای بکارگیری گرمای آن در طول سال استفاده شده است.]] گرمایش و سرمایش ساختمانها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه‌ای بود که در سالهای ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی رسید. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم‌های خورشیدی می‌توان علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم‌ها در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.
پ – آب شیرین کن خورشیدی
هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می‌ماند.
سپس با استفاده از روشهای مختلف می‌توان آب تبخیر شده را تنظیم کرده و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این روش می‌توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند مانند جزایر را تأمین کرد.
آب شیرین خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می‌شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می‌توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.
ت – خشک کن خورشیدی
خشک کردن مواد غذایی برای نگهداری آنها از زمانهای بسیار قدیم مرسوم بوده و انسان‌های نخستین خشک کردن را یک هنر می‌دانستند.
خشک کردن عبارت است از گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتریها می‌باشد. در خشک کن‌های خورشیدی بطور مستقیم و یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می‌شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می‌گردد. خشک کن‌های خورشیدی در اندازه‌ها و طرحهای مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون طراحی و ساخته می‌شوند.
ث – اجاقهای خورشیدی
دستگاههای خوراک پز خورشیدی اولین بار بوسیله شخصی بنام نیکلاس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق بندی شده با صفحه سیاهرنگی بود که قطعات شیشه‌ای درپوش آنرا تشکیل می‌داد اشعه خورشید با عبور از میان این شیشه‌ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می‌شد سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸

[ریپورتر]

درجه افزایش می‌داد. اصول کار اجاق خورشیدی جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می‌باشد. امروزه طرحهای متنوعی از این سیستم‌ها وجود دارد که این طرحها در مکانهای مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده‌اند. استفاده از این اجاقها به ویژه در مناطق شرقی کشور ایران که با مشکل کمبود سوخت مواجه می‌باشند بسیار مفید خواهد بود.
ج – کوره خورشیدی
در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد.
بسمر پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تأمین می‌کرد. متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه یکی تخت و دیگری کروی می‌باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می‌شود. طبق قوانین اپتیک هر گاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید در محل کانون متمرکز می‌شوند به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می‌شود که این نقطه به دماهای بالایی می‌رسد. امروزه پروژه‌های متعددی در زمینه کوره‌های خورشید در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می‌باشد.
چ – خانه‌های خورشیدی
ایرانیان باستان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه‌های خود در زمستان استفاده می‌کردند. آنان ساختمانها را به ترتیبی بنا می‌کردند که در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشیمن می‌تابید ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت. در اغلب فرهنگ‌های دیگر دنیا نیز می‌توان نمونه‌هایی از این قبیل طرحها را مشاهده نمود. در سالهای بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرحهای فراوانی در زمینه خانه‌های خورشیدی مطرح و آزمایش شد. از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت. حدود چند سالی است که معماران بطور جدی ساخت خانه‌های خورشیدی را آغاز کرده‌اند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی نیز دست یافته‌اند مثلاً در ایالات متحده در سال ۱۸۹۰ به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شده‌است. در این گونه خانه‌ها سعی می‌شود از انرژی خورشید برای روشنایی – تهیه آب گرم بهداشتی – سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با بکار بردن مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود.
در ایران نیز پروژه ساخت اولین ساختمان خورشیدی واقع در ضلع شمالی دانشگاه علم و صنعت و به منظور مطالعه و پژوهش در خصوص بهینه سازی مصرف انرژی و امکان بررسی روشهای استفاده از انواع انرژیهای تجدیدپذیر به ویژه انرژی خورشیدی اجرا گردیده‌است.

[ریپورتر]

در مورد پدايش خورشيد فرضيه اي که بيشتر مورد قبول واقع شده، اينست که منشاء ايجاد خورشيد توده هاي ابري شکل گازهايي هستند که تشکيل دهنده عمده آنها هيدروژن بوده است . در مرحله اول و در نتيجه نيروي جاذبه مرکزي، ذرات هيدروژن روي هم متراکم شده و در اثر تراکم، تصادم شديدي بين ذرات هيدروژن بوجود آمده و در نتيجه افزايش بيش از حد فشار و دما، تحولات هسته اي پديد آمده و حاصل آن آزاد شدن منابع عظيم انرژي بوده است .
گداخته شدن و تحولات هسته اي هيدروژن، اتمهاي جديد هليوم را پديد آورده که اين گداخته شدنها و واکنش هاي هسته اي در توده هاي ابري شکل گازها، تولد خورشيد را باعث شده است .
اگر در نظر بگيريم که طبق براورده هاي علمي، در حدود 6000 ميليون سال از زمان شروع به هيدروژن گدازي خورشيد مي گزد در هر ثانيه 2/4 ميليون تن از جرم خورشيد در تحولات هسته اي تبديل به انرژي مي شود شايد نگران تحليل رفتن سريع سوخت اين کوره هسته اي عظيم باشيم ولي اگر از ميزان جرم خورشيد که معادل 1026 2/2 تن مي باشد آگاه شويم متوجه خواهيم شد که نگراني ما حداقل براي هزاران ميليون سال آينده بي مورد است .
انرژي تشعشعي، در مرکز خورشيد که حرارت آن بين 10 تا 14 ميليون درجه سانتيگراد مي باشد توليد شده و سطح خورشيد که حرارت آن تقريباً معادل 5600 در جه سانتيگراد است بصورت امواج در فضا منتشر مي شود . طول اين امواج از مقادير زياد تا اندازه هاي بسيارکوچک مانند طول موج اشعه ايکس و گاما متفاوت بوده و با بار انرژي آنها رابطه معکوس دارد . به عبارت ديگر امواج پر انرژي تر داراي طول موج کوتاه تري هستند . هر چند که دامنه تنوع طول موج هاي منتشره از خورشيد بسيار وسيع است ولي قسمت اعظم انرژي آن، در طول موج هاي مشخص و محدودي منتشر مي شوند . نورهاي قابل رويت به وسيله چشم انسان معادل 46 درصد از کل انرژي صادره از خورشيد را تشکيل مي دهند . اين اشعه که دستگاه بينايي انسان نصبت به آن حساس است . در طول موج هايي از 35/0 تا 75/0 ميکرون پخش شده و شامل همه رنگهاي آشنا به چشم انسان از اشعه بنفش با طول موج 35/0 ميکرون تا آبي – سبز – زرد – نارنجي و قرمز با طول موج 75/0 ميکرون مي باشند . (ميکرون واحد اندازه گيري طول موج است که برابر ميليمتر مي باشد
در حدود 47 تا 49 درصد از تشعشعات خورشيدي در طول موج هاي مادون قرمز منتشر مي شوند . تشعشعاتي که ما از آنها احساس گرما مي کنيم در طول موج هاي بيشتر از طول موج رنگ قرمز (بيش از 75/0 ميکرون) پخش مي شوند و بقيه اشعه خورشيد در منطقه ماوراء بنفش و با طول موج کمتري از 35/0 ميکرون منتشر مي شوند اصطلاحاً طول موج زير 3/0 ميکرون را موج کوتاه و بالاتر از آن را طول موج بلند مي پيمايند .
تمام امواج الکترو مغناطيسي که از سطح خورشيد پخش مي شوند با سرعت حرکت نور يعني 300 هزار کيلومتر در ثانيه فضا را مي پيمايند . و زمين که در فصله 150 ميليون کيلومتر از خورشيد قرار گرفته است فقط يک جزء از 2000 ميليون جزء انرژي خورشيد را دريافت مي کند و همين سهم بسيار کوچک، منبع تأمين انرژي تمام تحولات جوي و حياتي بوده و گرداننده چرخهاي زندگي در روي کره زمين مي باشد .
در مجموع تشعشات خورشيد که بوسيله زمين و جو آن دريافت مي شود در حدود 35 درصد آن مجدداً به فضاي خارج از جو باز تاب مي گردد

[ریپورتر]

قسمت اعظم اين بازتابي در جو زمين و در برخورد اشعه خورشيد با ابرها و غبارهاي جوي انجام مي گيرد و بخش کمتري از آن، در سطح زمين در نتيجه انعکاس اشعه بوسيله آب ها- برفها و سنگريزه ها حادث مي شود . قسمتي از باقيمانده انرژي، در حين عبور از جو زمين، در اثر برخورد با ذرات هوا و غبار و بخار آب موجود در جو، بد فعات زياد تغيير مسير داده و پس از اين برخوردها، بصورت تشعشعات پراکنده به سطح زمين و يا فضاي خارج تابيده مي شود . همچنين در حدود 10الي 15 درصد انرژي تشعشي دريافت شده است خورشيد، به وسيله ذرات بخار آب – اکسيد دو کربن و ازون موجود در جو زمين، جذب مي شود شکل2-1
قابل توجه است که در طبقات فوقاني جو زمين، گاز ازون تقريباً تمام اشعه ماوراء بنفش را جذب مي کند و اين تصويه اشعه از نظر سلامت زندگي انسان ها حائز اهميت فوق العاده اي است زيرا که اشعه ماوراء بنفش در پوست و چشم انسان تاثيرات بسيار نامطلوب دارد . بخار آب و اکسيد دو کربن نيز در طبقات تحتاني جو زمين، اشعه مادون قرمز را جذب مي کنند .
کلکتورهاي تخت از نظر سيال عامل و ساختمان و طرز کارشان به سه دسته تقسيم مي شوند که عبارتند از :
1- کلکتور با آب چکه
2- کلکتور با هوا
3- کلکتور با مايع
کلکتور آب چکه از صفحات فلز سياه رنگ کنگره اي ساخته مي شود اولين بار در سال 1959 توسط دکتر Harry Tamason براي بام خانه اي در ميرلند ساخته و نصب شد . در اين نوع کلکتورها آب از لوله اي در قسمت فوقاني، بر روي شيارهاي صفحه کنگره اي مي چکد . آب در حين جريان با جذب حرارت از صفحه سياه رنگ کنگره اي، در پائين در يک ناوداني جمع و از آنجا آبگرم از لوله اي جهت مصرف و يا ذخيره خارج مي شود . براي جلوگيري از تلافات حرارتي، بيشتر اين مجموعه با صفحه شفاف يا شيشه اي پوشيده مي شود.
اين نوع کلکتورها در صورتي که با شرايط مناسبي ساخته شوند مي توانند درجه حرارت آب را تا oC110 يا کمتر افزايش دهند .

[ریپورتر]

کلکتورهاي آب چکه مثل ساير گرد آورها، بايستي داراي حفاظهاي حرارتي مثل عايق در پشت صفهات جذب کننده باشند .
که اين نوع کلکتورها نمي توانند به فشار شبکه لوله کشي متصل باشند .
و اجزاء متشکله کلکتور آب چکه از : شيشه پوششي – صفحه جذب کننده با مسير جريان آب – عايق پشت صفحه، ساخته شده است

[ریپورتر]

کلکتورهاي تخت هوايي، يکي از ديگر از گردآورهايي هستند که در آنها از هوا يا گاز به عنوان سيال عامل حرارت استفاده مي شود .
نگهداري آسان و يخ نزدن هوا از مزاياي اين نوع کلکتورها نصبت به انواع مايعي آنها است . بعلاوه در اين نوع گرد آورها هواي گرم مستقيماً وارد ساختمان يا محوظه ذخيره مي شود .
اين کلکتورها معايبي نيز دارند که اهم آنها عبارتند از : مشکل گرم کردن آب مصرفي بوسيله هواي گرم تهيه شده – لروم ساخت و نصب کانال هايي با سطح مقطع مناسب که معمولاً فضاي زيادي از ساختمان را اشغال مي کند – احتياج به هوا رسان با قدرت الکتريکي لازم براي انتقال هواي گرم از کلکتور به محل ذخيره . در حال حاضر از اين نوع گردآورها کمتر از ساير انواع آنها استفاده مي شود ولي پيش بيني مي شود که ساخت و استفاده از آنها در آينده افزايش يابد .
دسته سوم از کلکتورها، از نوع مايعي و از معموليترين آنهاست . در اين نوع گردآور، سيال عامل يکنوع مايع مثل آب – روغن و يا مايعي با نقاط انجماد پائين انتخاب مي شود زيرا که يخ زدن آب در کلکتور و خورندگي و نشستي از مشکلات اساسي در اين نوع گردآورها است .
در اين نوع کلکتورها، سيال عامل از قسمت پائين وارد و هنگام عبور از گذرگاههاي صفحه جذب کننده، گرم شده و از قسمت فوقاني بطرف مخزن ذخيره جريان پيدا کرده و يا پمپ مي شود .
کلکتورهاي لوله اي غير متمرکز
يک نوع از کلکتور، از يک لوله شيشه اي که صفحه و لوله جذب کننده را در بر گرفته تشکيل شده و براي اينکه از تلفات حرارت بيشتر جلوگيري شود در داخل لوله شيشه اي ايجاد خلاء گرديده است گرديده است

[ریپورتر]

وجود خلاء براي حفظ خاصيت رنگ مخصوصي که روي صفحه جذب کننده را پوشانده ضروريست زيرا که رنگ selective در خلاء داراي ضريب جذب بالايي بوده ولي دراتمسفر اين خاصيت را از دست مي دهد . ساخت اين نوع کلکتورها بعلت وجود خلاء در داخل لوله ها، به تکنولژي پيشرفته اي نيازمند است

اشعه خورشيد پس از گذشتن از لوله شيشه اي و خلاء داخلي آن، به صفحه جذب کننده برخورد و انرژي حرارتي خود را از طريق اين صفحه به لوله و سپس به سيال داخلي آن که آب و يا سيال واسطه ديگري مي باشد، منتقل مي کند . سطح منعکس کننده مطابق شکل، اشعه هاي محيط لوله را از سمت پائين به داخل کلکتور منعکس کننده و با اين ترتيب درجه حرارت سيال داخلي را افزايش مي دهد . بعلت بالا بودن درجه حرارت در اين نوع کلکتورها، مي توان از آبگرم تهيه شده براي گرمايش و تبريد استفاده کرد

نوع ديگر از کلکتورهاي لوله اي غير متمرکز کننده که چند سالي است که طراحي و ساخته شده اند تقريباً از نظر ظاهر مشابه کلکتورهاي لوله اي خلائي مي باشند ولي داراي ساختمان و طرز کار متفاوتي بوده و بنام کلکتور غير متمرکز با لوله تخليه شده ناميده مي شوند

[ریپورتر]

کاربرد اين نوع کلکتورها نيز در جذب انرژي خورشيدي و ايجاد حرارت در دماهاي پائين مي باشد و در آنها نيز مي توان از آب و يا هوا، به عنوان سيال عامل انتقال حرارت استفاده کرد .
اين کلکتور خورشيدي، از دو لوله فلزي تو در تو و هم مرکز با قطرهاي متفاوت که در داخل يک لوله شيشه اي قرار گرفته اند تشکيل شده است . لوله کوچک مرکزي به عنوان لوله تغذيه عمل کرده و سيال انتقال حرارت را به داخل کلکتور هدايت مي کند . سيال هدايت شده در اين لوله ها، قبل از رسيدن به انتهاي مسير، کمي پيش گرم مي شود . در انتهاي لوله، سيال وارد محفظه بين دو لوله هم مرکز شده و در جهت مخالف اولي و داخل لوله جذب کننده حرارت جريان مي يابد و سيال در اين مسير است که بيشترين حرارت خود را از طريق لوله جاذب حرارت، دريافت کرده و پس از گرم شدن به داخل يک منيفولد مي ريزد تا از اين طريق وارد لوله تغذيه بعدي شده و همين عمل در لوله هاي بعدي نيز تکرار مي شود . با اين ترتيب دماي سيال در هر لوله افزايش مي يابد تا در انتها از کلکتور خارج شود . (شکل 6-2) مقطع اين نوع کلکتور را نشان مي دهد .
اگر قطر لوله شيشه اي خارجي 5 سانتيمتر و طول لوله در حدود يک متر ساخته شود، با ايجاد خلاء در داخل شيشه که به عنوان عايق حرارتي عمل مي کند، مي توان دماي سيال انتقال حرارت را به دماي بيشتر از کلکتورهاي تخت رساند . ميزان خلاء داخل لوله در حدود تور (کمتر از يک ميليونيم اتمسفر) تعيين شده تا از تلافات حرارتي هدايت و جابجايي کاملاً جلوگيري گردد . سطح خارجي لوله جذب کننده با ماده اي به نام سلکتيو پوشانده مي شود تا ضريب جذب حرارت را افزايش دهد

[ریپورتر]

يکي از مزاياي اين کلکتورها نصبت به نوع تخت در آن است که با به کار بردن صفحات منعکس کننده،تشعشع خورشيد از تمام جهات به لوله جذب حرارت مي رسد و لذا در صورتيکه مشخصات ذکر شده، در ساخت اين کلکتورها رعايت شود، دماي سيال گرم شده خروجي بخار 'F 190-'F 240 خواهد رسيد . معمولا 24 عدد از اين لوله هاي بقطر 2 اينچ و طول 40 اينچ را بصورت يک مدل رويهم نصب مي کنند و کلکتورهاي بابعاد 8 آيينه صيقل داده شده استفاده شود امکان زنگ زدکي، ميزان تشعشع صفحات منعکس کننده را کاهش مي دهد . ميزان دريافت شدت تابش خورشيدي در متمرکز کننده ها مي تواند در حدود 80-70 برابر نصبت به کلکتورهاي تخت باشد . درست است که از نظر ساخت ، شکل سهموي مشکلي را ايجاد مي کند ولي از نظر استحکام مقاومت آنها را بيشتر مي کند
با توجه به ايجاد درجات حرارت بالا امکان ذخيره سازي بيشتري را دارند، ميزان سيال جرياني کمتر بوده و در فصول سرد، به مايع ضد يخ کمتري نياز دارند در حالي که در کلکتورهاي تخت عايق بندي حائز اهميت است، در متمرکز کننده ها نيازي به آنها نبوده ولي در مقابل باد، تلفات بيشتري دارند و ميزان انرژي خورشيدي دريافتي بيشتري دارند .
توليد آبگرم مصرفي ساختمانها، از اقتصادي ترين روش هاي استفاده از انرژي خورشيدي است . بدون شک گرم کننده هاي ترموسيفوني بيشترين استفاده را در تهيه و طرح آبگرم کن هاي خورشيدي عهده دار مي باشند . ساده ترين سيستم آبگرم کن خورشيدي از يک گردآور تخت و يک مخزن ذخيره تشکيل شده که آب يا سيال عامل، بعلت اختلاف درجه حرارت به طور طبيعي و با استفاده از عمل ترموسيفون در آنها گردش مي کند . شرايط لازم در نصب اين آبگرم کن آنست که قسمت فوقاني گردآور پائين تر از قسمت تحتاني مخزن ذخيره قرار گيرد و حداقل درجه انحراف گردآور نصبت به سطح افق براي تحقق جريان ترموسيفون، در حدود 20 درجه روبه جنوب ضروريست . به منظور جلوگيري از تلافات حرارتي، گردآور و لوله هاي هادي کاملاً عايق بندي مي شوند . يک لوله عايق شده قسمت پائين مخزن را به هد پائين گردآور متصل کرده و لوله ديگري نيز هد بالايي را به قسمت فوقاني مخزن وصل مي کند . آبسرد تغذيه کننده از قسمت پائين به مخزن ذخيره هدايت شده و آبگرم مصرفي نيز از بالاترين نقطه مخزن به طرف شيرهاي مصرف لوله کشي مي شود . بعلت بسته بودن سيستم و جلوگيري از خطر انبساط حرارتي سيال، وجود يک مخزن انبساط و يا لوله انبساطي که بيک شير اطمينان مجهز باشد در سيستم هاي آبگرم کن خورشيدي ضروريست .
در پايان يک روز آفتابي، آزمايش روي آبگرمکن فوق نشانداده است که مخزن در زمستان داراي آب oC49 و در تابستان دماي آب به oC74 رسيده است . در صورتي که سطح گردآور برابر با 5/1 الي 2 متر مربع باشد و ظرفيت مخزن بين 40 تا 60 گالن انتخاب شود، اين آبگرم کن مي تواند جواب گوي نياز آبگرم

[ریپورتر]

در متمرکز کننده ها بعلت کاهش سطح جذب کننده ها، اتلاف حرارتي کاهش مي يابد و دماي بالاتر و حرارت بيشتري توليد مي شود . براي مناطق ابري مناسب نيستند .نيازي به پوشش شيشه اي ندارند، نصبت به کلکتورهاي تخت هزينه بيشتري لازم دارند . متمرکز کننده ها از نظر راندمان در دماهاي پائين از کلکتورهاي تخت ضعيف تر بوده در دماهاي بالا، داراي راندمان خوبي هستند، آسيب پذيري اين نوع کلکتورها کمتر است ولي اگر بجاي آيينه صيقل داده شده استفاده شود امکان زنگ زدکي، ميزان تشعشع صفحات منعکس کننده را کاهش مي دهد . ميزان دريافت شدت تابش خورشيدي در متمرکز کننده ها مي تواند در حدود 80-70 برابر نصبت به کلکتورهاي تخت باشد . درست است که از نظر ساخت ، شکل سهموي مشکلي را ايجاد مي کند ولي از نظر استحکام مقاومت آنها را بيشتر مي کند
با توجه به ايجاد درجات حرارت بالا امکان ذخيره سازي بيشتري را دارند، ميزان سيال جرياني کمتر بوده و در فصول سرد، به مايع ضد يخ کمتري نياز دارند در حالي که در کلکتورهاي تخت عايق بندي حائز اهميت است، در متمرکز کننده ها نيازي به آنها نبوده ولي در مقابل باد، تلفات بيشتري دارند و ميزان انرژي خورشيدي دريافتي بيشتري دارند .
توليد آبگرم مصرفي ساختمانها، از اقتصادي ترين روش هاي استفاده از انرژي خورشيدي است . بدون شک گرم کننده هاي ترموسيفوني بيشترين استفاده را در تهيه و طرح آبگرم کن هاي خورشيدي عهده دار مي باشند . ساده ترين سيستم آبگرم کن خورشيدي از يک گردآور تخت و يک مخزن ذخيره تشکيل شده که آب يا سيال عامل، بعلت اختلاف درجه حرارت به طور طبيعي و با استفاده از عمل ترموسيفون در آنها گردش مي کند . شرايط لازم در نصب اين آبگرم کن آنست که قسمت فوقاني گردآور پائين تر از قسمت تحتاني مخزن ذخيره قرار گيرد و حداقل درجه انحراف گردآور نصبت به سطح افق براي تحقق جريان ترموسيفون، در حدود 20 درجه روبه جنوب ضروريست . به منظور جلوگيري از تلافات حرارتي، گردآور و لوله هاي هادي کاملاً عايق بندي مي شوند . يک لوله عايق شده قسمت پائين مخزن را به هد پائين گردآور متصل کرده و لوله ديگري نيز هد بالايي را به قسمت فوقاني مخزن وصل مي کند . آبسرد تغذيه کننده از قسمت پائين به مخزن ذخيره هدايت شده و آبگرم مصرفي نيز از بالاترين نقطه مخزن به طرف شيرهاي مصرف لوله کشي مي شود . بعلت بسته بودن سيستم و جلوگيري از خطر انبساط حرارتي سيال، وجود يک مخزن انبساط و يا لوله انبساطي که بيک شير اطمينان مجهز باشد در سيستم هاي آبگرم کن خورشيدي ضروريست .
در پايان يک روز آفتابي، آزمايش روي آبگرمکن فوق نشانداده است که مخزن در زمستان داراي آب oC49 و در تابستان دماي آب به oC74 رسيده است . در صورتي که سطح گردآور برابر با 5/1 الي 2 متر مربع باشد و ظرفيت مخزن بين 40 تا 60 گالن انتخاب شود، اين آبگرم کن مي تواند جواب گوي نياز آبگرم

[ریپورتر]

مصرفي يک خانواده 3 الي 5 نفري باشد . در سيستم هاي ترموسفوني استفاده از لوله هاي به قطر کمتر از اينچ مجاز نمي باشد .
در آبگرم کن هاي خورشيدي از مخازن ذخيره آبگرم استفاده کرده و انرژي حرارتي را براي مصارف مختلف جمع آوري و ذخيره مي کنند .
مخازن ذخيره معمولاً براي ظرفيت يک تا دو روز مصرف آبگرم طراحي مي شوند .
معمولاً يک کويل الکتريکي براي مواقعي که انرژي خورشيدي به گردآور نمي رسد، جهت ايجاد حرارت در روي مخازن ذخيره آبگرم نصب مي گردد .
آبگرم کن خورشيدي در حالت ترموسيفون (جريان طبيعي)، اين محدوديت را دارد که مخزن ذخيره حتماً بايد بالاتر از گردآوري نصب شود . اما اگر بهر علت اين امر امکان پذير نباشد مي توان مخزن را در محل مناسب حتي پائين تر از گردآور نصب کرده و براي جريان دادن آب بين گردآور و مخزن ذخيره از يک پمپ جرياني (سيرکولاتور) استفاده کرد . در اين حالت سيستم آبگرم کن خورشيدي را سيستم اجباري مي گويند .
ساده ترين کنترل پمپ جرياني در اين آبگرم کنها، ترموستاني است که با افزايش دماي آب گردآور، پمپ را به کار انداخته و باعث جريان آب بين گردآور و مخزن ذخيره آبگرم کن خورشيدي مي گردد .معمولاً در سيستم هاي اجباري مخازن ذخيره آب گرم از نوع مخزن دو جداره و يا کويلي است که در شکل 7-2 يک آبگرم کن خورشيدي با مخزن دو جداره نشان داده شده است .
از مزاياي اين سيستم آن است که آب گرم کننده که در گردآور و جدار خارجي مخزن ذخيره گردش مي کند هرگز با آب گرم مصرفي مخلوط نمي شود و براحتي مي توان آب گرم کننده را آب ناخالص و يا سيال واسطه ديگري که دماي انجماد آن پائين بوده و گرماي ويژه بالايي دارند، انتخاب کرد
در بعضي از سيستم هاي آبگرم کن خورشيدي معمولاً از يک مخزن اضافي به نام مخزن اوليه (preheater) استفاده مي شود

[ریپورتر]

در اين آبگرم کن مخلوط ضد يخ و آب در مداري است که شامل جدار خارجي مخزن اوليه، پمپ، گردآور و منبع انبساط مي باشد . آبسرد به قسمت پائين مخزن اوليه وارد شده و آب گرم از قسمت بالا خارج مي شود


در قسمت خروجي آبگرم، شير کنترلي وجود دارد و در صورتي که درجه حرارتي آب گرم خروجي بالاتر ازoC50 باشد اين شير مقدار آبسرد به آن اضافه مي کند تا همواره آب ورودي به مخزن دوم oC50 باشد .
از مخزن ذخيره هم براي تهيه آب گرم مصرفي و هم براي گرمايش ساختمان مي توان استفاده کرد




در اين سيستم مخزن ذخيره بزرگي در فشار اتمسفر مورد استفاده قرار گرفته و از اين مخزن آب بوسيله پمپ P1 و با عملکرد ترموستات تفاضلي T1 به گردآور خورشيدي فرستاده مي شود . در اين سيستم از آب برگشتي سيستم براي جلوگيري از عمل انجماد آب در هواي سرد در گردآور استفاده شده و علت آن کاهش هزينه سيستم در ممانعت از کاربرد ضد يخ مي باشد .
آبگرم مصرفي ساختمان به وسيله کويل آبگرمي که در قسمت بالاي مخزن نصب شده و گرم ترين آب مخزن در آن محل جريان دارد، تأمين مي شود . يک کويل الکتريکي نيز براي افزايش درجه حرارت آبگرم مصرفي به ميزان احتياج، پيش بيني شده است . گرمايش ساختمان با درخواست ترموستات T2 که به درجه حرارت داخل ساختمان حساس است، انجام مي گيرد به اين ترتيب که ترموستات T2 با کاهش درجه حرارتي داخلي، پمپ P2 را به راه انداخته و گرماي مورد نياز کويل ذاخل ساختمان را بوسيله سيال جرياني در کويل زيرين مخزن ذخيره، تأمين مي کند .
با اضافه کردن يک سيستم تبريد جزبي، مي توان براي سرمايش ساختمان نيز از همان سيستم آبگرم خورشيدي بسادگي استفاده کرد .
در اين طرح سيستم تبريد جذبي از نوع محلول برومور ليتيوم و آب پيش بيني شده است .
براي چنين سيستمي در تابستان و روزهاي گرم که آب برگشتي از برج خنک کن از حدود 26 درجه سانتيگراد تجاوز مي کند، گردآورها و مخزن ذخيره اي بايد طراحي شود که قادر باشد آب گرمي با دماي oC3/93 (در حدود 200 درجه فار نهايت) تهيه نمايد .
کنترل هاي قسمت هاي جمع کننده انرژي در سرمايش و گرمايش در چنين سيستمي کاملاً از هم جدا بوده و پمپ جرياني P1 بنا بدر خواست ترموستان T1 ، آب گرم شده در گردآورها را به داخل مخزن هدايت مي کند .
سيستم گرمايش با درخواست ترموستان T2 که در داخل ساختمان نصب گرديده است عمل مي کند . باين ترتيب، زمانيکه ترموستان T2 درخواست حرارت مي نمايد شيرهاي سه راهه V1 و V2 در مسير افقي باز شده و آب گرم مخزن ذخيره بوسيله پمپ P2 در داخل کويل سيستم گرمايش به جريان مي افتد و هواي عبوري از روي کويل حرارتي گرم شده و بوسيله وانتيلاتور F2 به داخل فضاي مورد نظر ارسال مي گردد .
زماني که ترموستات T2 درخواست سرما مي کند (فصل تابستان)، شيره هاي V1و V2 در مسيرهاي عمودي باز شده و آب داغ مخزن ذخيره بوسيله شير V1 به داخل ژنراتور سيستم جذبي هدايت شده و پس از گرم و تبخير کردن محلول برومور ليتيوم و آب موجود در ژنراتور، بوسيله شير سه راهي V2 و با

[ریپورتر]

کمک پمپ جرياني P2، براي گرم شده مجدد، به داخل مخزن ذخيره بر مي گردد . پمپ P3 آب گرم شده در کندانسور و مدار جذب کننده سيستم تبريد را براي سرد شدن به طرف برج خنک کن هدايت کرده و پمپ P4 نيز آب سرد شده در داخل سيستم جذبي را به داخل کويل سرمايي واقع در مسير هواي جرياني که بوسيله وانيلاتور F2 ايجاد مي شود هدايت مي کند . واضح است که اين دفعه، هواي ورودي به فضاي مورد نظر سرد خواهد شد


سيستم هاي ذخيره گرما
از لحاظ کمي دو نوع ذخيره سازي گرما امکان پذير است که عبارتند از ذخيره نمودن به روش گرماي ويژه اي، که با استفاده از آب و يا سنگ مرسوم بوده و يا ذخيره کردن به روش گرماي نهان ذوب مي باشد .
در ذخيره سازي روش اول هيچ تغيير شيميايي انجام نمي گيرد و از آب يا سنگ و قلوه سنگ، براي گرم کردن و ذخيره کردن حرارت استفاده مي شود . اين گونه ذخيره سازي، سيستم خورشيدي را کاملاً بازگشت پذير مي سازد و همچنين بعلت فراواني و در دسترس بودن آب و سنگ، هزينه سيستم نيز کاهش مي يابد .
آب توانايي ذخيره کردن حدود 3 برابر گرما نصبت به سنگ براي حجم معيني است اين دو ماده دارا مي باشد . سنگ ها نيز داراي مزايايي هستند که از عمده ترين آنها عبارت است از :
1- غير قابل تجزيه ، فاسد شدن و خرده شدن هستند .
2- غير قابل انجماد و يا جوشش و تبخير هستند .
از آنجايي که سنگ ها سطوح تبادل حرارت ارزاني را به ميزان وسيعي ايجاد مي کنند امروزه به عنوان ذخيره سازي در سيستم هاي خورشيدي با هوا، مورد استفاده قرار مي گيرند .
در سيستم هائيکه از آب بعنوان ذخيره کننده حرارت استفاده مي شود، مخازن آب بکار برده مي شوند .
مخازن پلاستيکي (فايبر گلاس) در حال حاضر براي استفاده جهت ذخيره آب در دماي حدود oC94 و در فشار اتمسفر در دسترس مي باشند . اين مخازن در مقابل خوردگي مصون بوده و وزن آنها نصبت به نوع فولادي در حدود مي باشد .
در گرمايش، سنگ هاي متبلور که مشهورترين آنها نمک گلوبر مي باشد مي توانند پتانسيل مفيدي داشته باشند . به عنوان نمونه سولفات سديم متبلور NA2SO4-10H2O در درجه حرارتي در حدود oC8/37 ذوب ويا منجمد مي شود گرماي نهان ذوب سولفات دو سود KJ/KG252 و نقطه ذوب آن oC2/32 و وزن مخصوص آن در حالت مايع KG/M31120 و در حالت جامد KG/M31632مي باشد بنابراين

[ریپورتر]

ميزان پتانسيل حرارتي ذخيره شده در هر متر مکعب از اين ماده در حالت جامد kj/m3411622مي باشد .



روش هاي موجود در گرمايش خورشيدي انفعالي
روش هاي متعددي در زمينه استفاده ازانرژي خورشيدي به صورت غير فعال وجود دارد که متداول ترين آنها عبارتند از :
1- روش دريافت مستقيم
2- ديوار تراومب و ديوار آبي
3- روش گلخانه اي (گرمخانه)
4- استخر يا حوضچه روي بام
5- هواکش حرارتي (برج هوا)
در روش دريافت مستقيم
پنجره ها – گلخانه ها – نورگير سقفي که معمولاً جزي از اجزاي يک ساختمان محسوب مي شوند، در طرح يک خانه خورشيدي کمک هاي موثري مي نمايند . پنجرهايي که روبه آفتاب هستند انرژي حرارتي خورشيد را به داخل ساختمان هدايت، و از خروج آن در مواقع تابش آفتاب جلوگيري مي کند در صورتي که همين پنجره ها در روزهاي ابري و شب ها، بيشتر از آن مقدار گرمايي را که کسب کرده اند، از دست مي دهند . جهت جلوگير از هدر رفتن حرارت در شب، مي توان از عايق هاي حرارتي استفاده کرد .
بنابراين اگر آنها را به وسيله پرده و کرکره مجهز نمايند به عمل عايق کرد شيشه ها و جلوگير از تلفات حرارتي در ساعات بدون خورشيد، کمک خواهد شد .
يکي از روشهاي جلوگيري از تلفات حرارتي پنجره ها، استفاده از سيستم beadvall است . در اين سيستم پنجره تشکيل شده از دو لايه شيشه يا پلاستيک اين دو لايه در حدود 7 سانتيمتر از هم فاصله دارند . زماني که حرارت خورشيد از روي پنجره سپري مي شود دانه هاي پلاستيکي کم وزن به طور اتوماتيک به داخل فضاي دو لايه شيشه ريخته مي شوند . وقتي که فضاي خالي دوشيشه با اين دانه هاي يونوليتي پر شود، يک پنجره عايق دار مناسب بوجود مي آيد و از تلفات حرارتي ساختمان جلوگيري مي شود . براي برگرداندن يونوليتها در ساعات آفتابي که احتياج به دريافت و ذخيره انرژي حرارتي داريم مي توان از يک کمپرسور مکنده و يک محفظه مناسب استفاده کرد . اين سيستم را مي توان در پنجره هاي عمودي و پنجره هاي که با افق تا 40 درجه زاويه دارند، اجرا نمود .
بعلاوه گلخانه يک گردآور زنده است که فضاي زندگي گلها و گياهان محافظت مي کند و علاوه بر تهيه هواي گرم در زمستان، هواي تازه، رتوبت و خنکي لازم در تابستان را نيز تامين مي نمايد . نور گرفتگي سقفي (skylight) يا سقفهاي شکسته که براي ايجاد نور و تهويه در ساختمان بکار مي روند مي توانند تابش خورشيدي و انرژي حرارتي حاصله را در زمستان به تمامي سطوح داخلي ساختمان راه دهند و در تابستان نيز به تهويه هواي ساختمان و خنک کردن هوا کمک کنند . چون هواي گرم هميشه در سطح فوقاني و نزديک سقف قرار مي گيرد، مي توان با استفاده از نورگيرها که در سقف قرار دارند هواي گرم ساختمان را به بيرون رانده و جريان هوا را در ساختمان بوجود آورد .
نمونه هائي از مصالح ساختماني که به عنوان وجمع آوري و دخيره کننده حرارت به کار مي روند شامل پنجره با ديوار آجري يا بتوني و يا ديوار آبي يا ظروف آبي است و در سيستم (sky therm) ظروف يا منابع حاوي آب به صورت آشکار يا پوشيده، در معرض اشعه خورشيد قرار مي گيرند . با استفاده از اين روش ها، مي توان به نصبت فصول و ايام روز و شب و با استفاده از يک نوع مواد و مصالح ساختماني فضاي داخلي را گرم و يا خنک کرد و هيچکونه عمليات مکانيکي لازم نمي باشد .

[ریپورتر]

يک ديوار از مصالح ساختماني که با رنگ تيره رنگ شده و از قسمت خارجي بوسيله شيشه يا پلاستيک پوشيده شده باشد، مي توان به عنوان جمع آوري و ذخيره کننده گرماي خورشيدي در يک ساختمان مورد استفاده قرار گيرد .
در صورتي که ديوار ذخيره کننده حرارت، داراي دريچه هائي در بالا و پائين باشد در ايام روز هواي گرم بين پنجره و ديوار با استفاده از حالت ترموسيفون از دريچه بالا وارد اطاق شده و هواي سرد اطاق از دريچه پائين براي گرم شدن بطرف فضاي گرم حرکت مي کند . در شب نيز تبادل حرارت بين ديوار گرم و هواي اطاق برقرار مي گردد .
توجه داشته باشيد وقتي از ديوار ترومب براي گرمايش ساختمان استفاده مي شود بکار بردن عايق حرارتي در شب ضروري است . در غير اين صورت هواي گرم اطاق از طريق دريچه ها به بيرون رانده شده و هواي سرد وارد اطاق خواهد شد

[ریپورتر]

از معايب ديوارهاي ترومب اين است که معمولاً اين ديوارهاي در جبهه آفتاب گير ساختمان که محل گلخانه و پنجره و بالکن مي باشد نصب مي شوند و جلوي نور و ديد اصلي را مي گيرند که درطرح معماري ساختمان اين اصول نبايد فراموش شود .
ديوارهاي ترومب بر حسب ضخامتشان و ميزان دريافت و ذخيره انرژي حرارتي خورشيد در خود، در افزايش و نگهداري درجه حرارت داخلي ساختمان تاثير بسزائي دارند دياگرام 1-2 تغييرات دماي هواي داخل ساختمان را نسبت به دماي خارج وضخامت ديوار نشان مي دهد . مشاهد مي شود که ديواري با ضخامت 20 اينچ، در تمامي ساعات شب و روز دماي ساختمان را در شرايط مطلوب و يکنواخت نگهداري مي کند .

[ریپورتر]

ديوارهاي آبي يا منابع آب براي گرمايش ساختمان ها
اين نوع روش گرمايش که به نام (DURM WALL) مي باشد به اين ترتيب است که در يک جهت روبه آفتاب ساختمان و در گلخانه از تعدادي از بشکه هاي خالي نفت بعنوان منابع ذخيره آب و حرارت استفاده مي شود . بشکه هائيکه در معرض تابش خورشيد قرار گرفته اند براي جذب بيشتر حرارت به رنگ تيره در آمده و در کنار هم يک ديوار آبي تشکيل داده اند از از محسنات اين روش رسيدن نور کافي به ساختمان از ميان بشکه هاي آب، و ديد کافي از طرف ساختمان به بيرون را مي توان نام برد .
ديوار آبي با حجم 3 فوت مکعب آب، و با تغييرات دماي خارج ،بين 27 تا 50 درجه فارنهايت، در يک شبانه روز زمستاني، درماي هواي داخل ساختمان که از انرژي حرارتي خورشيدي بهره گرفته است بين oF68 در شب و oF80 در ساعت 4 بعد از ظهر،تغيير يافته است که براي يک خانه خورشيدي ايده آل حرارت مطلوبي مي باشد .


استفاده از حوضچه يا استخر پشت بام براي گرمايش يا سرمايش ساختمان ها يک از روش هاي ساده و ارزان مي باشد . در اين سيستم در روي پشت بام خانه خورشيدي، يک کيسه پلاستيکي پر از آب بضخامت تقريباً 20 سانتيمتر قرار داده مي شود که بر روي فلز سياه رنگي در پشت بام تعبيه مي گردد و باين ترتيب يک سيستم ترکيبي از گرمايش براي زمستان و سرمايش براي تابستان بوجود مي آيد .
در اين سيستم از روش هاي طبيعي، براي گرم کردن و سرد کردن ساختمان استفاده مي شود . اين سيستم براي شرايط اقليمي گرم و خشک بسيار مناسب بوده بنابراين مسئله خنک کردن ساختمان در تابستان، خواسته اصلي طرح مي باشد .
از وسايل ضروري اين سيستم وجود صفحات عايق حرارتي است که در روي ريلي در بالاي کيسه آب و در پشت بام نصب شده است . در زمستان در روزهاي آفتابي صفحات عايق کنار زده مي شوند و کيسه آب در مقابل اشعه خورشيد قرار گرفته و با دريافت حرارت خورشيد، در طي روز آب داخل کيسه گرم مي شود . گرماي دريافت شد ه به سقف ساختمان منتقل شده و از طريق سقف، هواي داخلي ساختمان گرم مي شود . شب هنگام براي جلوگيري از تلفات حرارتي سقف، صفحات عايق سطح حوضچه آب و پشت بام را مي پوشانند و حرارت ذخيره شده در آب و سقف ساختمان، باعث گرم شدن هواي داخل ساختمان مي گردد .
در تابستان در ايام روز، صفحات عايق بسته شده و از گرم شده کيسه آب و سقف بوسيله خورشيد جلوگيري مي کند ولي در شب صفحات عايق کنار رفته و حوضچه پشت بام در مقابل هواي آزاد قرار مي گيرد و اين حوضچه حرارت خود را بوسيله خنکي شب از دست مي دهد، و با سرد شدن سقف، گرماي ساختمان باين به خارج منتقل و ساختمان خنک مي شود .
گردآور چنان انتخاب شود که بهترين جاذب طول موج هاي کوتاه و بدترين دافع براي طول موج هاي بلند باشد .
گردآور مي تواند بصورت مسطح و يا متمرکز کننده ها تابش مستقيم خورشيدي را جذب مي کنند و لذا هميشه مي بايستي خورشيد را تغيب کنند و يا هر ساعت معادل 15 درجه در جهت حرکت خورشيد چرخش داشته باشند . از طرفي اگر درجه حرارت مورد نياز براي گرم کردن آب يا هوا از 100 درجه سانتيگراد تجاوز نکند گردآورهاي مسطح جوابگو بوده و براي دماهاي بالاتر، از متمرکز کننده ها استفاده مي شود .
با اضافه کردن 15 درجه به عرض جغرافيائي يک محل، مناسب ترين شيب براي گردآور ثابت جهت جذب حرارت بيشتر، بدست مي آيد . بطور مثال در عرض جغرافيائي 45 درجه بهترين زاويه شيب گردآور، 60 درجه خواهد بود

[ریپورتر]

سيستمهاي تهيه آب شيرين خورشيدي و دستگاه هاي تقطير
کم بود آب يکي از مهمترين عوامل محدود کننده محيط زندگي و کشاوزي و عدم توسعه صنايع مي باشد و در حقيقت بدون آب زندگي و پيشرفت ممکن نيست . اقيانوس ها يکي از بزرگترين منابع ذخيره آب بوده ولي با داشتن حدود 5/3% فاصله وزني از املاح مختلف در آب، استفاده مستقيم از اين آبها در بيشتر موارد دچار اشکال مي گردد .
آب آشاميدني نبايد بيش از 1000 ميليگرم در ليتر املاح داشته باشد و يا آبي که در کشاورزي مصرف مي شود حداکثر املاح مجاز آن 5000 ميليگرم در ليت است .
آب اقيانوس ها و درياها با داشتن 35 گرم در ليتر از مواد محلول به هيچ عنوان نمي توانند مستقيماً در صنعت و کشاورزي و شرب مورد استفاده قرار گيرند . از مهممترين املاحي که از آب اقيانوس هاي براي شيرين کردن آنها بايد استفاده شود کلرور سديم است که به (salinity) معروف بوده و مقدار متوسط آن 34 گرم در ليتر مي باشد . همچنين مقاديري از املاح کلسيم و منيزيم نيز ممکن است در اين آبها موجود باشند که بايد حذف شوند .
مقدار انرژي لازم براي تهيه هر متر مکعب آب شيرين در حدود يک کيلووات ساعت است .
آب شيرين را از طريق انجماد آب شور نيز مي توان بدست آورد زيرا که موقع يخ بستن آب شور، نمکي از آب جدا شده و پس از ذوب يخها آب شيرين حاصل مي شود .
روشهاي تهيه آب شيرين
مهمترين و مرسومترين روش هاي تهينه آب شيرين عبارتند از :
1- روش تقطيري که خود به انواع، تقطير ساده (يک مرحله اي) تقطير چند مرحله اي – تقطير ناگهاني – تقطير فشاري – تقطير بروش متراکم گريز از مرکز و ... تقسم بندي مي شود .
2- روش الکترودياليز
3- روش مبادله کننده هاي يوني
4- روش تبريد و انجماد
5- روش استفاده از حلالها
6- روش تراوش معکوس (reverse osmosis) يا روش (osmions) که از دو لغت osmose و ions تشکيل شده است .
7- روش تصفيه دقيق يا فراپالايش (ultra filteration)
8- روش تقطير در فشار بحراني
9- روش انجماد در خلاء (vacume freezing)
نکته مهم ديگر اين است که يکي از مهمترين و پر دردسرترين اشکالات در دستگاهاي تهيه آب شيرين تشکيل رسوبات در جدار داخلي تاسيسات مي باشد .
پيشنهادات مهم براي احتراز از تشکيل رسوب در تاسيسات تهيه آب شيرين به قرار زيرند :
1- خارج ساختن املاحي که ايجاد رسوبات مي کنند قبل از ورود آب خام به دستگاه ها
2- طرح دستگاه و انتخاب مواد متشکله آن، به طوري که رسوبات مجال تشکيل شدن را نداشته باشند .
3- افزودن اسيد به محيط عمل براي پايداري آب نسبت به رسوبات در دماهاي بالا
4- افزودن موادي که مانع ايجاد رسوبات سخت شود مثل ترکيبات مختلف فسفات – نشاسته
5- کم کردن زمان توقف آب در سيستم، يعني افزايش عمل سيرکولاسيون در سيستم

تهيه آب شيرين با استفاده از روش تقطير
درسيستم هاي تقطيري خورشيدي، آب دريا را به ظروف کم عمقي که کاملاً آببندي شده است و با هواي خارج ارتباطي ندارد، وارد مي کنند . پوشش شفافي مانند شيشه و يا پلاستيک، سطح
فوقاني ظروف مربوطه را مي پوشاند . انرژي خورشيدي با طول موجهايي ازشيشه گذشته و تابش خورشيد با آب داخل ظرف برخورد نموده و آب را گرم مي کند . شيشه شفاف مانع خروج اشعه هاي بازتاب خورشيدي از محفظه شده و علاوه باعث مي شود که افت حرارتي از طريق جابجايي به مقدار زيادي کاهش يابد . به اين ترتيب انرژي حرارتي خورشيدي در دستگاه آب شيرين کن، محصور شده و موجب افزايش

[ریپورتر]

درجه حرارت آب، و توليد و بالا رفتن ميزان بخار آب در محفظه مي گردد و در نتيجه نمک موجود در آب دريا در محفظه رسوب مي کند . بتدريج که رطوبت نسبي در محفظه افزايش مي يابد . بخار آب در اثر دفع حرارت از شيشه، روي سطح داخلي شيشه تقطير شده و آب شيرين حاصله، بطرف محل جمع آوري در انتهاي پوشش حرکت مي کند و باين ترتيب با استفاده از انرژي خورشيدي و عمل تقطير، آۀب شيرين تهيه مي شود . آب نمک غليظ شده نيز بطور دائم يا متناوب، از دستگاه خارج و به آب دريا وارد مي شود


آب شيرين کنهاي يک مرحله داراي انواع مختلفي هستند که از معروفترين آنها آب شيرين کن چند حوضچه اي و کف پله اي را مي توان نام برد . عنوان يک مرحله اي باين معني است که در اين دستگاه ها آب شيرين در يک مرحله تهيه و توليد مي شود

[ریپورتر]

اشکالاتي که در آب شيرين کنهاي يک حوضچه اي وجود دارد طراحان و پژوهشگران را براي طراحي و ساخت آب شيرين کنهاي چند حوضچه اي و پله اي و طرح هاي مشابه ديگر، هدايت کرده است . از جمله اشکالات موجود، افقي بودن سطح آب داخل حوضچه است که با اشعه هاي خورشيدي برخوردي کمتري دارد، بعلاوه ظرفيت زياد آب شور داخل حوضچه، ميزان افزايش دما که در نتيجه ميزان توليد آب شيرين را محدود مي کند . آب شيرين کنهاي چند حوضچه اي و پله اي، نمونه خوبي از آب شيرين کنهاي مايل هستند، در اين دستگاه ها ميزان توليد آب شيرين در طول روز و زماني که اشعه خورشيد بر زمين مي رسد بيشتر است ولي توليد شبانه آنها تقريباً صفر است .
در آب شيرين کن يک حوضچه اي با عمق آبي در حدود 5/4 سانتيمتر، ظرفيت حرارتي بالايي وجود دارد و در نتيجه انرژي خورشيدي درجه حرارت آب را حداکثر تا 40 درجه سانتيگراد مي رساند . در اين حرارت کم عمل تبخير و تقطير به آرامي انجام مي گيرد ولي بعلت بالا بودن حجم آب، در هنگام شب درجه حرارت آب کاهش کمي پيدا مي کند ولي توليد شبانه آن سهم قابل توجه اي از توليد آب شيرين را دارد . در مقابل در يک آب شيرين کن مايل مثل کف پله اي با عمق آب شور کمتر از 3/1 سانتيمتر، درجه حرارت آب در هنگام روز oC66 هم مي رسد .



آب شيرين کن تقطيري چند مرحله اي
در اين سيستم، انرژي خورشيدي که معمولاً بوسيله گردآورهاي متمرکز کننده دريافت مي شود، در يک مبدل حرارتي آب دريا را تا حالت سوپر هيت گرم مي کند . آب شور داغ (در دماي بيش از 100 درجه سانتيگراد) به اولين محفظه تبخير پاشيده شده و قسمتي ار آن تبخير مي شود . بخار حاصله در اثر تماس با لوله هاي حامل آب دريا که بطرف مبدل حرارتي جريان دارد، تقطير شده و در عين حال باعث گرم شدن آب شور مي گردد . آب شور محفظه اول به کمک شير کنترل وارد محفظه دوم شده و قسمتي از آن تبخير مي شود . فرآيند محفظه اول به ترتيب در محفظه دوم سوم و آخري تکرار مي شود و به ترتيب در هر محفظه آب شورتر شده و به مقدار آب شيرين در هر محفظه افزوده مي شود . براي اين که عمل تبخير در دماي پائين در محفظه هاي بعدي انجام گيرد مجموعه سيستم که شامل محفظه هاي مختلف مي باشد بوسيله يک پمپ خلاء در فشار پائين تر از جو نگهداري مي شود
آب شيرين کنهاي چند مرحله اي تقطيري ساخته شده که با انرژي خورشيدي کار مي کنند قادرند تا ميزان 400 ليتر در ساعت آب شيرين توليد کنند

[ریپورتر]

آب شيرين کن خورشيدي يک فيتيله اي
اين نوع آب شيرين کن در مقياس کوچک که ماکزيمم سطح آن حدود 3/2 متر باشد بصورت نمونه هاي آزمايشي ساخته شده است . در اين دستگاه فيتيله پر منفذي از جنس نوعي پارچه سياه وجود دارد که آب شور به آرامي از روي آن عبور داده مي شود . انرژي خورشيدي که از شيشه عبور کرده است باعث گرم شدن پارچه شده و عمل تبخير شروع مي شود . بخار آب با برخورد باشيشه يا پلاستيک پوشش دستگاه، تقطير شده و در کانالي که در گوشه پائيني پوشش قرار دارد. جمع مي شود و آبهاي شور تقطير نشده نيز از

انتهاي فيتيله به بيرون آب شيرين کن ريخته مي شود شکل 20-2 اين دستگاه بعلت قرار گيري مناسب در مقابل اشعه خورشيدي، همچنين بدليل داشتن ظرفيت حرارتي کمتر، داراي ميزان توليد زيادي بازاء هر متر مربع از سطح مي باشد ولي در مقابل داراي معايبي است که عبارتند از :
الف- مشکل جريان يک نواخت آب شور از دستگاه
ب- پوسيدگي سريع فيتيله بعلت خشک شدنهاي مکرر، اين دستگاه از نظر اقتصادي با صرفه نمي باشد .

آب شيرين کن با دستگاه تقطير خورشيدي از نوع ريزشي
قسمت اصلي اين دستگاه از صفحات موازي که در يک جعبه حاوي گاز بي اثر مثل هيدروژن نصب شده اند تشکيل شده است . آب شور دريا از قسمت فوقاني صفحات به داخل محفظه وارد شده و از روي صفحات عبور داده مي شود . سطح ديگر اين صفحات بوسيله آب گرم توليد شده توسط گردآور خورشيدي متعلق به دستگاه، گرم شده و تبخير مي گردد، بخار حاصله در اثر تماس با سطح صفحه مقابل تقطير، و بطرف کانال تجمع آب شيرين سرازير مي شود و حرارت ناشي از تقطير هر صفحه، به عنوان منبع حرارتي صفحه مقابل عمل مي کند . در اين دستگاه آب شور تبخير نشده که غلظت آن افزايش يافته است، در قسمت تحتاني جعبه جمع و از دستگاه خارج مي شود

[ریپورتر]

آب شيرين کن خورشيدي از نوع دودکشي
اين دستگاه با شيشه پوشانده شده و داراي صفحه سياه رنگي است که آب شور روي سطح اين صفحه در اثر تابش خورشيدي تبخير مي شود . بخار حاصله بعلت جابجايي وارد دودکش شده و در اثر برخورد با يک مبدل حرارتي که از داخل لوله هاي آن آب شور سرد جريان دارد تقطير مي گردد . در اثر عمل تقطير و دفع حرارت، آب شور ورودي به دستگاه پيش گرم شده و آب شيرين تهيه شده و در قسمت پايين دودکش جمع و از آنجا براي مصرف برداشت مي شود .



آب شيرين کن خورشيدي از نوع پيشاني گرم
در اين دستگاه بعلت مجاورت جريان آب شور و آب شيرين، درجه حرارت آب هاي خروجي معادل با درجه حرارت آب شور ورودي مي باشد . تبخير کننده از سه صفحه تشکيل شده است . آب شور ورودي در لوله هاي متصل به صفحه دوم در سطح بالا جريان يافته و آب شيرين در سمت پائين صفحه دوم بطرف پايين جريان مي يابد . آب شور پس از عبور از محل گردآور خورشيدي گرم شده و روي صفحه سوم جريان مي يابد. بمنظور کاهش سرعت جريان آب شور، و براي جذب بيشتر حرارت و جلوگيري از ريزش آب شيرين، صفحه سوم و سمت پايين صفحه دوم، مجهز به شبکه اي از تور سيمي مي باشد . عمل تقطير در زير صفحه آب شور ورودي، و در روي شبکه تور سيمي انجام مي گردد و حرارت حاصله بعنوان پيش گرم کن آب شور ورودي به دستگاه را گرم مي کند . آب شيرين تهيه شده و آب شور غليظ از محل هاي تعيين شده از دستگاه خارج مي شود .

[ریپورتر]

آب شيرين کن سه مرحله اي (دستگاه تقطير خورشيدي سه اثره)
اين دستگاه شامل صفحات موازي فاصله دار و مايلي است که در فضاي بين هر دو صفحه يک مرحله عمل تقطير را تشکيل مي دهد .
در اين آب شيرين کن، هر صفحه نقش تبخير کننده براي يک مرحله، و تقطير کننده براي مرحله بعدي را بازي مي کند به جز اولين و آخرين صفحه که به ترتيب و فقط بعنوان تبخيرکننده وتقطير کننده آخري عمل مي کنند .
طرز عمل دراين دستگاه باين ترتيب است که اشعه خورشيدي از شيشه گذشته و در صفحه جذب کننده، توليد حرارت مي کند و صفحه بعدي (صفحه تقطير کننده) نيز در اثر عبور جريان آب شور، سرد مي شود . هنگام عبور آب شور از سطح زيرين صفحه جذب کننده، آب تبخير شده و روي سطح بالايي صفحه ديگر، تقطير مي گردد . در اين عمليات حرارت دفع شده در اثر تقطير، نقش پيش گرم کن براي مرحله بعدي را دارد . باين ترتيب آبهاي تقطير شده از طريق سه صفحه و آب شور تبخير نشده بوسيله سه سطح ديگر جريان يافته و متابق شکل از دستگاه خارج مي شوند .



آب شيرين کن خورشيدي دولنگه
اين دستگاه مشابه آب شيرين کن حوضچه ايست با اين تفاوت که وجود يک شيشه شفاف بين پوشش شيشه اي اصلي و کف سياه حوضچه، آنرا بيک آب شيرين کن دو طبقه تبديل کرده است . اين صفحه شفاف بعنوان کف براي لگن بالائي است

انرژي خورشيدي از پوشش اصلي و آب شور از لگن بالائي و سطح شفاف گذشته و بوسيله صفحه سياه جذب کننده لگن پائيني جذب مي شود . هر چند که آب داخل لگن بالائي، انرژي خورشيدي دريافتي بوسيله جذب کننده را کاهش مي دهد ولي امکان تبخير آب در لگن بالائي و تقطير آن بوسيله پوشش شيشه اي را فراهم مي سازد . مسئله جالب توجهي که در اين طرح وجود دارد اينست که : اولاً حرارتنهان بقطير آب در سطح زيرين پوشش شيشه اي، براي گرم کردن لايه نازکي از آب در لگن بالائي بکار برده مي شود ثانياً بعلت قرار گرفتن دو حوضچه در روي هم، سطح لازم براي دستگاه آب شيرين کن کاهش مي يابد . عايق زيرين دستگاه بمنظور جلوگيري از تلفات حرارتي بکار برده شده است .

[ریپورتر]

آب شيرين کن خورشيدي با پوشش نازک
اصول کار اين دستگاه بر اساس آب شيرين کنهاي حوضچه اي مي باشد . شکل 28-2 اين دستگاه و قطعات مربوطه را نشان مي دهد . در مدل هاي جديد اين آب شيرين کن که از صفحات پلي اتيلن بعنوان پوشش شفاف استفاده مي شود . مي توان کارآيي دستگاه را با پاشيدن گردهاي مخصوصي به نام تجارتي (صافي خورشيدي) بر روي پوشش آنها، افزايش داد .
يکي از معايب اين دستگاهها خرابي زود رس پوشش آنها است که با استفاده از صافي خورشيدي مي توان عمر آنها را افزايش داد .



آب شيرين کن خورشيدي کره اي با خشک کن
ساختمان اين دستگاه مشابه آب شيرين کنهاي نوع قايقي است با اين تفاوت که بجاي لايه متخلخل در اين دستگاه از حوضچه فلزي سياه رنگي استفاده شده است بعلاوه به قسمت بالائی پوشش شفاف نيز يک الکتروموتور متصل گرديده است






اين خشک کن قطرات آب تقطير شده در زير سطح نيمکره بالائی را جاروب کرده و از طريق شکاف هايي به نيمکره پاييني هدايت مي کند .
عمل خشک کن باعث مي شود که از ريزش آب هاي تقطير شده بداخل حوضچه آب شور جلوگيري شده و بدين ترتيب ميزان توليد و جمع آوري آب شيرين تا حدود 25 درصد افزايش مي يابد

[ریپورتر]

آب شيرين کن خورشيدي لوله اي هم مرکز
اين دستگاه از دو لوله متحدالمرکز تشکيل شده که لوله بزرگتر از پلاستيک شفاف قابل انعطاف که يک طرف آن بسته شده ساخته شده و لوله کوچکتر نيز که داخل لوله بزرگتر قرار گرفته از فلز سياه رنگي ساخته شده و بعنوان صفحه جذب کننده عمل مي کند . دو طرف اين لوله باز مي باشد . آب شور بوسيله لوله اي که دور لوله کوچکتر پيچيده شده به داخل دستگاه جريان مي يابد و از طريق سوراخهائي که روي لوله تعبيه شده به بيرون تراوش مي کند .
مکانيزم عمل در اين آب شيرين کن باين ترتيب مي باشد که هوا با درجه حرارت و رطوبت محيط به فضاي حلقوي بين دو لوله فرستاده مي شود . تابش خورشيدي که بوسيله سطح خارجي و سياه رنگ لوله کوچک لوله کوچک جذب شده است باعث افزايش دما و رطوبت هوا بعلت تبخير آب شور گرديده و هواي مرطوب جديد وارد قسمت داخلي لوله کوچکتر مي شود .
رطوبت هوا روي سطح داخلي لوله کوچک تقطير شده و جمع آوري مي گردد و هواي خشک نيز به محيط فرستاده مي شود .
در اين عمليات حرارت نهان تقطير بعنوان يک پيش گرم کن، براي آب شور جرياني در لوله سوراخدار عمل مي کند


آب شيرين کن خورشيدي قالب پلاستيکي
طرح ساده اين نوع دستگاه با فيتيله سياه براي تبخير و سرد کردن است . تابش خورشيدي پس از عبور از پلاستيک شفاف، آب درون فيتيله سياه را گرم مي کند در نتيجه اين عمل، آب تبخيره شده در قسمت ديگر ديواره دستگاه پس از دفع حرارت، تقطير مي شود و در قسمت دوم کف دستگاه که توسط ديواره اي از حوضچه آب شور جدا شده است
جمع آوري مي گردد .
در اين دستگاه حرارت نهان حاصل از تقطير بوسيله آبي که در سطح ديواره تقطير جريان دارد به هواي محيط منتقل مي شود .

[ریپورتر]

سيستم هاي گرمايش آب خورشيدي
بخش اصلي سيستم گرمايش آب خورشيدي رديف هايي از کلکتورها است که تشعشع خورشيدي راجذب نموده و به گرما تبديل مي کنداين گرما توسط سيال عامل انتقال حرارت جذب مي شود، سپس قابليت استفاده مستقيم با ذخيره سازي را خواهد داشت. براي محافظت در برابر يخ زدگي و گرم شدن بيش از حد در طول دوره تقاضاي کم انرژي به علت درجه ايزولاسيون بالا قسمتي از سيستم انرژي خورشيدي در معرض هواي محيط قرار مي گيرد.
درسيستم گرمايش آب خورشيدي، آب يا مي تواند مستقيماً در کلکتورها گرم شود (سيستم مستقيم) و يا اينکه توسط سيال عامل انتقال حرارت که در کلکتورها گرم مي شود، گرم شود. اين سيال عامل از ميان مبدل هاي انتقال حرارت عبور کرده و گرما به آب مصرفي مي دهد. (سيستم غير مستقيم)، سيال عامل انتقال حرارت يا به صورت طبيعي ( سيستم انفعالي يا غير فعال) و يا توسط نيروي گردش اجباري (سيستم فعال) به گردش در مي آيد . گردش طبيعي توسط جابجايي طبيعي انجام مي پذيرد (پديده سيفون حرارتي) و در مقابل در گردش اجباري مجبور به استفاده از پمپ ها و يا فن ها هستيم . به استثناي سيستم طبيعي و سيستم هاي يکپارچه کلکتوري ذخيره ساز[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182225#_ftn1) که نيازي به کنترل ندارند، آبهاي خانگي و مصرفي توسط ترموستات هاي مختلف کنترل مي شوند .
پنج نوع سيستم انرژي خورشيدي مي تواند براي گرم کردن آب آشاميدني و يا مصرفي مورد استفاده قرار گيرد : الف)سيفون حرارتي،ب) سيستم هاي يکپارچه کلکتوري ذخيره ساز،ج) سيستم هاي گردش مستقيم،ح) سيستم هاي گردش غيرمستقيم و خ) سيستم هاي هوايي .
سه سيستم اول انفعالي ناميده مي شوند چرا که از هيچ پمپي براي به گردش در آوردن سيال استفاده نمي شوند در حالي که به علت استفاده نمودن از پمپ يا فن براي به گردش در آوردن سيال کلکتور سيستم هاي ديگر فعال ناميده مي شوند .
براي محافظت در برابر يخ زدگي از سيستم باز گردشي و تخليه از پايين[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182225#_ftn2) براي سيستم هاي گرمايش آب خورشيدي مستقيم و تخليه از پشت[3] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182225#_ftn3) براي سيستم هاي گرمايش آب خورشيدي غير مستقيم استفاده مي شود .
تمامي اين سيستم ها مزاياي اقتصادي قابل ملاحضه اي با زمان برگشت سرمايه از 4 سال (الکتريسيته) تا 7 (نفت) بسته نوع سوختي که جايگزين آن مي شوند، در بر دارند . البته اين مدت هاي برگشت سرمايه بستگي به شاخص هاي اقتصادي مانند نرخ تورم و قيمت سوخت در کشور مربوطه دارد .


سيستم هاي سيفون حرارتي[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182225#_ftn1) (انفعالي)
آب آشاميدني و يا سيال عامل انتقال حرارت را به وسيله جابجايي طبيعي گرم مي کنند . آب در کلکتورها به صورت پيوسته به وسيله گرماي خورشيدي گرم و منبسط گشته و در نتيجه از چگالي آن کاسته مي شود و از طريق کلکتور به طرف انتهاي بالايي مخزن ذخيره سازي روانه مي شود و در آن جا با آب سرد کننده که در کف تانک ته نشين شده جايگزين مي شود و از آن جا به طرف کلکتورها جريان مي يابد .
تا زماني که انرژي خورشيدي وجود دارد اين چرخه ادامه خواهد داشت

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182225#_ftnref1) - Thermosyphon




[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182225#_ftnref1) -ICS:Integrated Collector Stroje

[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182225#_ftnref2) - Drain-down

[3] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182225#_ftnref3) - Drain-back

[ریپورتر]

از انجايي که نيروي محرک فقط يک اختلاف کوچک چگالي مي باشد، براي به حداقل رساندن اصطکاک، لوله هاي بزرگتري نسبت به لوله هاي معمولي مورد استفاده قرار مي گيرد . خطوط اتصالي بايد خوب عايق بندي شوند، تا از اتلاف حرارت جلوگیری به عمل آید وهمچنین داراری شیب مناسب باشد تا از شکل گیری حباب هوایی متوقف کننده چرخه ممانعت شود .
عيب اساسي سيستم هاي سيفون حرارتي، واحدهاي نسبتاً بلند آنها مي باشد که آنها را از لحاظ زيبايي، زياد جذاب نمي نمايد، معمولاً يک واحد سيلندر مخزن آب روي کلکتورها براي تأمين آب گرم و سرد مورد نياز خانه نصب مي شود و در نتيجه اين مخزن واحد کلکتور را بلندتر و غير جذابتر مي کند .به علاوه مايع هاي سخت و يا اسيدي که مي توانند باعث تشکيل توده شوند موجب خورده شدن يا مسدود گرديدن معبر سيال مي شوند .
براي سيستم مستقيم، سوپاپ کاهش فشار در مواقع استفاده مستقيم از آب شهر (اگر مخزن ذخيره آب سرد وجود نداشته باشد) و فشار آب شهري بزرگتر از فشار کاري کلکتورها باشد، مورد نياز است

[ریپورتر]

سيستم گردش مستقيم (فعال)
در سيستم هاي گردشي مستقيم ازپمپ براي به گردش در آوردن آب استفاده مي شود . اين پمپ آب را از مخزن به طرف کلکتورها به گردش در مي آورد



.

در آنجا در مدت زمان کافي، انرژي خورشيدي دماي آن را افزايش داده وسپس آب گرم شده به مخزن ذخيره سازي بر مي گردد و تا زمان مورد نياز در مخزن ذخيره مي شود .
پمپ کلکتور مي تواند در پايين يا بالاي مخزن قرار گيرد . نرخ جريان براي چنين واحدهايي 015/0از سطح کلکتور مي باشد .
سيستم گرمايش مستقيم در مکان هايي قابل استفاده است که يخ زدگي مکرراً اتفاق نمي افتد . در شرايط سخت،معمولاً محافظت در برابر يخ زدگي بوسيله باز گردش آب گرم از مخزن ذخيره انجام مي گيرد .
سيستم هاي گردش مستقيم معمولاً از يک تک مخزن مجهز به دستگاه گرمايش جانبی آب استفاده مي کنند . همجنين سيستم هاي دو مخزني نيز قابل استفاده هستند .
سيستم گردش مستقيم مي تواند آب مورد نياز را هم از مخزن ذخيره آب سرد تأمين کند و هم اينکه به منبع اصلي آب شهر متصل گردد .
با اين وجود سوپاپ هاي کاهش فشار وقتي که فشار آب شهر بزرگتر از فشار کاري کلکتورها باشد، مورد نياز است . در مکان هايي که آب بسيار سخت و اسيدي است، سيستم گرمايش مستقيم نبايد مورد استفاده قرار گيرد، زيرا پوسته رسوبات ممکن است کلکتورها را مسدود نموده و يا موجب خوردگي شود .

[ریپورتر]

سيستم گرمايش غير مستقيم آب (فعال)
. سيستم هاي تخليه از پشت عموماً سيستم هاي گرمايش غير مستقيمي هستند که در آنها آب از طريق مدار بسته به طرف مبدل حرارتي گردش پيدا کرده و در آنجا گرماي آب به آب آشاميدني منتقل مي شود و اين چرخه تا زماني که انرژي در دسترس است ادامه پيدا مي کند .
وقتي پمپ متوقف مي شود سيال به وسيله نيروي جاذبه به طرف تانک تخليه از پشت کشيده مي شود . ا گر سيستم در فشار اتمسفر عمل نکند در هنگام عملکرد سيستم مخزن به عنوان يک مخزن انبساط انجام وظيفه مي کند و بايد توسط سوپاپ هاي اطمينان حرارتي و فشار محافظت گردد در سيستم هاي اتمسفریک تانک رو باز بوده و با اتمسفر در ارتباط است به علت جدا بودن آب آشاميدني از مدار گردش کلکتور براي آب

[ریپورتر]

کشي، عدم وجود سوپاپ مسأله اي ايجاد نمي کند . به هر حال رديف هاي کلکتور و لوله کشي هاي خارجي بايد به شکل مناسبي شيب داده شوند



سيستم هاي هوايي
مزيت اصلي سيستم هايي هوايي اين است که هوا نيازي به محافظت در برابر جوشش و يا يخ زدگي ندارد، خورنده نيست و رايگان است . عيب آنها اين است که تجهيزات گردش هوا (داکت ها، فن ها و ...) به فضاي بيشتري نسبت لوله ها و پمپ ها نياز دارند، شناسايي منافذ هوايي سخت است و پرتي مصرف انگلي آن عموماً



بيشتر از مواد مشابه در سيستم مايع است . سيستم هاي هوايي، سيستم هاي گرمايش آب غير مستقيم هستند که هوا را از ميان کلکتور به طرف مبدل حرارتي از نوع هوا- مايع (دو فازي) به گردش در مي آورند .در مبدل هاي حرارتي، گرما به آب آشاميدني منتقل شده که در ميان مبدل حرارتي به گردش در مي آيد و سپس به مخزن حرارتي باز مي گردد . . اين نوع از سيستم ها به علت اينکه سيستم هاي هوايي بيشتري براي پيش گرمايش آب داغ مصرفي خانگي مورد استفاده قرار مي دهند، مورد استعمال بيشتري دارند، به همين دليل از وسايل گرمايش جانببي فقط در يک مخزن استفاده شده است

[ریپورتر]

سرمايش و گرمايش فضاي خورشيدي
سيستم گرمايش خورشيدي فعال فضا از کلکتورها براي گرم کردن سيال، واحد ذخيره سازي براي نگهداري انرژي خورشيدي تا زمان مورد نياز واقع شدن و از تجهيزات توزيع براي فراهم ساختن انرژي خورشيدي به شکل کنترل شده براي فضاي گرم شده، استفاده مي کنند . يک سيستم کامل شامل پمپ يا فن اضافي با انرژي تجديد ناپذير (معمولاً به شکل الکتريسيته) براي انتقال از مخزن به ساختمان يا بر عکس که مستلزم در دسترس بودن پيوسته انرژي است، مي شود. سيستم هاي انرژي فعال مي توانند با پمپ هاي حرارتي براي گرم کردن فضا يا گرم کردن آب ترکيب شوند .
در گرمايش فضاي مسکوني، سيستم خورشيدي قابليت استفاده موازي با يک پمپ حرارتي که منبع جانبی انرژي را وقتی که انرژي خورشيدي موجود نيست و تأمين مي کند، دارد. به علاوه براي سيستم هاي آبي خانگي که نياز به دماي بالاتري دارند، امکان قرار گرفتن پمپ حرارتي با مخزن به شکل سري وجود دارد.
در طول روز سيستم خورشيدي انرژي را به صورت تشعشع جذب نموده و آن را به وسيله سيال مناسب به مخزن ذخيره سازي حمل مي نمايد و در زماني که ساختمان نياز به حرارت دارد آن را از مخزن مي گيرد . کنترل سيستم خورشيدي به وسيله کنترل گر تفاضلي دما فعال مي شود يعني وقتي کنترل گر دماي کلکتور و مخزن را مقايسه نمايد و تفاضل دماي آن از مقدار معيني بيشتر باشد (7-10 oC) پمپ خورشيدي روشن مي شود .
در مکان هايي که امکان يخ زدگي وجود دارد بر روي کلکتور يک حسگر دما پايين نصب مي شود که دماي کلکتور را وقتي به دماي از پيش تعيين شده اي برسد، کنترل مي کند . اين فرآيند مقداري از انرژي ذخيره شده را به هدر مي دهد ولي از آسيب رسيدن پر هزينه به سيستم خورشيدي جلوگيري مي کند .
سيستم هاي سرمايش خورشيدي يک ايدة جذاب هستند چرا که بارهاي سرمايشي و دسترسي به انرژي خورشيدي هماهنگ مي باشند . به علاوه ترکيب سيستم هاي سرمايش و گرمايش خورشيدي، استفاده از فاکتور کلکتورها را نسبت به تک سيستم گرمايش افزايش مي دهد . دستگاه هاي تهويه مطبوع خورشيدي مي توانند توسط سه نوع سيستم به اجرا در آيند : چرخه جذبي، چرخه جذب سطحي (خشک کننده) و فرآينده هاي مکانيکي خورشيدي . برخي از اين چرخه در سيستم سرمايش خورشيدي نيز کاربرد دارند .
گرمايش فضا و آب داغ مصرفي
بسته به نوع شرايط سيستم در زمان خاص پنج حالت اساسي سيستم هاي گرمايش خورشيدي،مفيد واقع خواهند شد .
1- اگر انرژي خورشيدي موجود باشد و گرما در ساختمان مورد نياز نباشد انرژي اکتسابي از کلکتورها درمخزن ذخيره مي شود .
2- اگر انرژي خورشيدي موجود باشد و گرما در ساختمان مورد نياز باشد، انرژي اکتسابي گرماي ساختمان را تأمين مي کند .
3- اگر انرژي خورشيدي موجود نباشد و گرما در ساختمان مورد نياز باشد و در مخزن هنوز انرژي باقي مانده باشد، انرژي ذخيره شده براي تأمين نياز ساختمان مورد استفاده قرارخواهد گرفت

[ریپورتر]

4- اگر انرژي خورشيدي موجود نباشد و گرما درساختمان مورد نياز باشد و واحدهاي ذخيره سازي از انرژي تهي باشد، انرژي جانبی براي تأمين نياز ساختمان مورد استفاده قرارمي گيرد.
5- منبع انرژي کاملاً گرم شده باشد و ديگر نيازي به انرژي نباشد کلکتورها انرژي را جذب مي کنند .
وقتي که حالت اخير اتفاق مي افتد راهي براي ذخيره سازي انرژي جمع آوري شده، وجود ندارد و اين انرژي اضافي بايد دور انداخته شود .از طريق عمليات سوپاپ هاي اطمينان فشار به اين حالت مي رسيم و يا اين حالت وقتي اتفاق مي افتد که دماي سکون براي مواد کلکتورها مضر نباشد . در اين حالت، جريان سيال قطع شده در نتيجه دماي کلکتورها تا زمان شروع پراکنده شدن انرژي جذب شده به وسيله تلفات حرارتي افزايش مي يابد . اين حالت براي کلکتورهاي خورشيدي هوايي مناسب تر است . حالت هاي اضافه مانند فراهم سازي آب داغ مصرفي نيز مي توانند مورد استفاده قرار گيرند . همچنين امکان ترکيب حالت ها (يعني عملکرد در زمان واحد در بيش از يک حالت) وجود دارد .
علاوه بر اين در بسياري از سيستم ها اجازه گرمايش مستقيم از کلکتورها به ساختمان داده نمي شود بلکه در مواقع مورد نياز وقتي که گرما موجود باشد از کلکتور به مخزن و از مخزن به ساختمان منتقل مي شود .
در سيستم هاي گرمايش در اروپا، سيستم هاي مرکب آب و هوا به سيستم هاي کامبی سيستم[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182232#_ftn1) مشهور هستند .

سيستم هاي هوايي
شکل شماتيکي از سيستم گرمايش خورشيدي به وسيله هوا به عنوان سيال عامل انتقال حرارت و واحد ذخيره سازي بستر سنگ ريزه اي و منبع گرمايش جانبي در شکل 36-2 نشان داده شده است . حالت هاي مختلف عملکرد به وسيله جايگذاري مناسب دمپرها قابل دستيابي است .
در بيشتر سيستم ها، ترکيب نمودن دو حالت برداشت و اضافه نمودن انرژي از منبع در زمان واحد عملي نمي باشد . انرژي جانبی مي تواند با انرژي تأمين شده از کلکتورها براي بالا بردن دما به منظور پوشش دادن بارهاي ساختمان ترکيب شود .
امکان اتصال کوتاه نمودن کلکتور و منبع ذخيره کننده هنگام استفاده انفرادي وسيله جانبی از گرما وجود دارد .
.

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182232#_ftnref1) - Combisystem

[ریپورتر]

سيستم هاي آبي
سيستم هاي بسيار متفاوتي بر هر دو سيستم گرمايش فضاي خورشيدي و آب مصرفي مورد استفاده قرار مي گيرد شکل اساسي آنها شبيه سيستم گرمايش آب خورشيدي توضيح داده شده در بخش هاي قبلي مي باشد . هنگامي که براي هر دو عمل گرمايش فضا و توليد آب داغ مورد استفاده قرار مي گيرند، اين سيستم اجازه کنترل مستقيم چرخه مخزن خورشيدي و چرخه مخزن جانبی بار را مي دهد چرا که در همان زماني که امکان اضافه شدن آب گرم شده توسط خورشيد به مخزن وجود دارد، آب گرم شده و از مخزن براي تأمين بارهاي ساختماني برداشت مي شود . معمولاً يک مدار انشعاب فرعي در اطراف منبع ذخيره براي پيشگيري از گرم شدن مخزن تعبيه مي شود که به همراه منبع انرژي جانبی مي تواند داراي اندازۀ قابل ملاحظه اي باشد .




سيستم هاي پمپ حرارتي
پمپ هاي حرارتي براي انتقال انرژي حرارتي از منبع با دماي کمتر به يک منبع حرارتي با دماي بالاتر از انرژي مکانيکي استفاده مي کنند . سيستم هايي که بوسيله نيروي پمپ حرارتي به کار انداخته مي شوند داراي 2 مزيت نسبت به سيستم هاي مشابه مقاومت الکتريکي يا سيستم هاي گران قيمت سوختي هستند . براي بدست آوردن 11تا 15 مگاژول انرژي از هر کيلووات ساعت انرژي ورودي به کمپرسور، پمپ هاي حرارتي به اندازه اي بزرگ هستند که در خريداري صرفه جويي مي نمايند و براي تحويه مطبوع تابستاني مناسب هستند .
پمپ هاي حرارتي آبي – هوايي که از آب گرم شده توسط انرژي خورشيدي و از منبع ذخيره به عنوان منبع انرژي تبخير کننده استفاده مي کنند، يک منبع جانبی انرژي اختياري محسوب مي شوند . استفاده نمودن از آب، مشکلات يخ زدگي را در بر دارد که بايد مد نظر قرار گيرد . سيستم هاي گرمايش خورشيدي با استفاده از مايع در دماي کمتري از سيستم هاي مرسوم هيدرونيک[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182226#_ftn1) کار مي کنند . و مساحت هيتر ديواري بيشتري براي انتفال حرارت به ساختمان مورد نياز است .
سرمايش خورشيدي
استفاده از سيستم هاي خورشيدي براي سرمايش در فرآيندهاي زير به کار برده مي شود .
1- سرما زايي براي حفاظت و نگهداري مواد دارويي و غذايي
2:ايجاد شرايط آسايش با خنک کردن و سرمايش هوا در فضاي مسکوني و تجاري

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182226#_ftnref1) - Hydronic

[ریپورتر]

سيستم هاي سرمايش خورشيدي معمولاً در دوره ها و سيکل هاي متناوب عمل مي کنند و دماي هوا بسيار پايين تر از دماي فراهم شده در سيستم و شرايط تهويه مطبوع هوا را توليد مي کنند که از مزاياي اين سيستم مي باشد .
اين سيستم زماني که مسيرهايي مشابه در سرمايش فضاي مورد استفاده قرار مي دهد در سيکل هاي پيوسته عمل مي کنند .
عمدتاً دو سيکل عملکرد در سرمايش خورشيدي به کار گرفته مي شود که شامل انواع زير مي باشند .
1- سيکل جذبي
2- سيکل جذب سطحي يا رطوبت زدايي به روش جذب سطحي
در طي عملکرد سيکل، ماده مبرد[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182226#_ftn1) يا سرد کن تبخير شده و دوباره جذب مي شود . در اين سيستم ها ماده جذب کننده و ژنراتور هر يک داراي يک مسير جداگانه مي باشند . ژنراتور بخش متصل به کلکتور مي باشد . ماده مبرد و جذب کننده در لوله هاي کلکتور به وسيله يک سيستم ترموسيفوني و پمپ بالا بر بخار[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182226#_ftn2) گردش و جريان مي يابند .
گزينه هاي مختلفي براي انتخاب روش اتصال و ارتباط سيستم هاي انرژي خورشيدي با فرايند توليد سرما در دسترس مي باشد .
سرمايش خورشيدي با استفاده از يک منبع انرژي خورشيدي فراهم شده از يک کلکتور خورشيدي و يا از برق توليد شده از سيستم فتوولتائيک[3] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182226#_ftn3) انجام مي شود . اين امکان با استفاده از واحدهاي جذب حرارتي و يا واحدهاي جذب سطحي توان توليد شده و يا از تجهيزات سرمايش مرسوم از سيستم فتوولتائيک انجام مي گيرد . سرمايش خورشيدي به روش هاي جذب و جذب سطحي عمدتاً براي سرد کردن ذخاير واکسن در فضاي فاقد شبکه برقي و سرمايش فضاي خورشيدي به کار برده مي شود . سرمايش فتوولتائيک، اگر چه به دليل به کار گيري از تجهيزات استاندارد داراي مزيت مي باشد اما به دليل راندمان کم و هزينه بالاي سلول هاي فتوولتائيک استفاده گسترده اي ندارد.
گرمايش فرآيند صنعتي

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182226#_ftnref1) - Refrigerent

[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182226#_ftnref2) - Steam lift pump

[3] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182226#_ftnref3) - Photovoitaic

[ریپورتر]

زمينه هاي کاري مختلف از اين انرژي براي تأمين حرارت و گرما در سطوح دماي متوسط و بالا وجود دارد (c240-80) يکي از مهمترين اين زمينه ها توليد گرما براي فرايندهاي صنعتي مي باشد .
در مطالعات انجام گرفته روی تقاضای صنعتی در صنایع تعدادی از بخشهای صنعتی که دارای شرایط مساعد و مطلوب برای به کار گیری انرژی خورشیدی می باشند مشخص شده اند از جمله:
1. استریلیزه کردن
2. پاستوریزه کردن
3. خشک کردن
4. هیدرولیز کردن
5. تقطیر و تبخیر
6. شستشو و تمیز کردن
7. پلیمریزه کردن
کاربرد انرژی خورشیدی برای گرمایش فرآیند صنعتی در مقیاس بزرگ سودمند می باشد.به این ترتیب هزینه های سرمایه گذاری بطور قابل رقابتی پایین می آیدحتی اگر هزینه های کلکتور بالا باشند می توان از انرزی خورشیدی بدون ذخیره گرما استفاده کرد.
در این نمونه نرخ حداکثر انرژی تحویلی سیستم نباید از نرخ انرژی مورد نیاز بزرگتر باشد .
از معایب این سیستم عدم کار آمدی در ساعات ابتدای و انتهایی روز و در طول ساعات شب می باشد
سیستم های آب و هوای خورشیدی در کاربرد های صنعتی:
دو نوع از کاربرد های کلکتورهای هوایی خورشیدی در سیستمهای مدار باز و جریان برگشتی است .
نوع مدار باز در بخشهایی از صنعت که به دلیل آلودگی ها برگشت جریان هوا امکان پذیر نیست مورد استفادهقرار میگیرد .مانند رنگ پاشی و بیمارستانها
در سیستمهای هوای با جریان برگشتی یک مخلوط از هوای برگشتی از خشک کن و هوای محیط برای کلکتورهای خورشیدی فراهم میشود .

فتوولتائيک

[ریپورتر]

به پدیده‌ای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیزم‌های محرک، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده‌ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. سیستم‌های فتوولتائیک یکی از پر مصرف‌ترین کاربرد انرژی‌های نو می‌باشند و تاکنون سیستم‌های گوناگونی با ظرفیت‌های مختلف (۵/۰ وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده‌است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم‌ها هر روزه بر تعداد متقاضیان آنها افزوده می‌شود. از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی می‌توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلولهای سری و موازی شده پنل فتوولتائیک می‌گویند امروزه اینگونه سلولها عموماً از ماده سیلیسیم تهیه می‌شود و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می‌شود که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت می‌گردد. بنابراین از نظر تأمین ماده اولیه این سلولها هیچگونه کمبودی در ایران وجود ندارد.
سلولهای خورشیدی معمولاً از مواد نیمه‌رسانا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%DB%8C%D9%85%D9%87%E2%80%8C%D8%B1%D8%B3%D8%A 7%D9%86%D8%A7)، مخصوصاً سیلیسیم (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B3%DB%8C%D9%84%DB%8C%D8%B3%DB%8C%D9%85)، تشکیل شده‌است. هر اتم سیلیسیم با چهار اتم دیگر پیوند تشکیل می‌دهد و بدین صورت، شکل کریستالی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%A9%D8%B1%DB%8C%D8%B3%D8%AA%D8%A7%D9%84) آن پدید می‌آید. در سلولهای خورشیدی به سیلیسیم مقداری جزئی ناخالصی اضافه می‌کنند. اگر اتم ناخالص ۵ ظرفیتی باشد (اتم سیلیسیم ۴ ظرفیتی است) آنگاه در ارتباط با چهار اتم سیلیسیم یک لایهٔ آن بدون پیوند باقی می‌ماند (یک تک الکترون (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%86)). به همین دلیل چون بار نسبی منفی پیدا می‌کند به آن سیلیسیم نوع N) Negative) می‌گویند. و همین طور اگر اتم ناخالص دارای ظرفیت ۳ باشد آنگاه یک حفرهٔ اضافی ایجاد می‌شود. حفره را به گونه‌ای می‌توان گفت که جای خالی الکترون است، با بار مثبت (به اندازهٔ الکترون) و جرمی برابر با جرم الکترون. که این امر هم باعث مثبت شدن نسبی ماده می‌شود و به آن سیلیسیم نوع P) Positive) می‌گویند . هر سلولهای خورشیدی از ۶ لایه تشکیل شده که هر لایه را ماده‌ای خاص تشکیل می‌دهد که در شکل مشخص شده‌است.
عملکرد سلولهای خورشیدی
با اتصال یک نیمه هادی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%DB%8C%D9%85%D9%87_%D9%87%D8%A7%D8%AF%DB%8C) نوع p به یک نیمه هادی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%DB%8C%D9%85%D9%87_%D9%87%D8%A7%D8%AF%DB%8C) نوع n، الکترون‌ها (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%86) از ناحیه n به ناحیه p و حفره‌ها (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AD%D9%81%D8%B1%D9%87) از ناحیه p به ناحیه n منتقل می‌شوند. با انتقال هر الکترون به ناحیه p، یک یون مثبت در ناحیه n و با انتقال هر حفره به ناحیه n، یک یون منفی در ناحیه p باقی می¬ماند. یون‌های مثبت ومنفی میدان الکتریکی داخلی ایجاد می‌کنند که جهت آن از ناحیه n به ناحیه p است. این میدان با انتقال بیشتر باربرها (الکترون‌ها و حفره‌ها)، قوی تر و قوی تر شده تا جایی که انتقال خالص باربرها به صفر می‌رسد. در این شرایط ترازهای فرمی دو ناحیه با یکدیگر هم سطح شده‌اند و یک میدان الکتریکی داخلی نیز شکل گرفته‌است. اگر در چنین شرایطی، نور خورشید به پیوند بتابد، فوتون‌هایی که انرژی آنها از انرژی شکاف نیمه هادی بیشتر است، زوج الکترون-حفره تولید کرده و

[ریپورتر]

زوج‌هایی که در ناحیه تهی یا حوالی آن تولید شده‌اند شانس زیادی دارند که قبل از بازترکیب، توسط میدان داخلی پیوند از هم جدا شوند(). میدان الکتریکی، الکترون‌ها را به ناحیه n و حفره‌ها را به ناحیه p سوق می‌دهد. به این ترتیب تراکم بار منفی در ناحیه n و تراکم بار مثبت در ناحیه p زیاد می‌شود. این تراکم بار، به شکل ولتاژی در دو سر پیوند قابل اندازه گیری است. اگر دو سر پیوند با یک سیم، به یکدیگر اتصال کوتاه شود، الکترون‌های اضافی ناحیه n، از طریق سیم به ناحیه p رفته و جریان اتصال کوتاهی را شکل می‌دهند. اگر به جای سیم از یک مصرف کننده استفاده شود، عبور جریان از مصرف کننده، به آن انرژی می‌دهد. به این ترتیب انرژی فوتون‌های نور خورشید به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. هر چه میدان الکتریکی درون پیوند قوی تر باشد، ولتاژ مدار باز بزرگتری بدست می‌آید. برای دست یافتن به یک میدان الکتریکی بزرگ، باید اختلاف ترازهای فرمی دو ماده p و n از یکدیگر زیاد باشد. برای این منظور باید انرژی شکاف نیمه هادی بزرگ انتخاب شود. بنابراین ولتاژ مدار باز یک سلول خورشیدی با انرژی شکاف آن افزایش می‌یابد. اما افزایش انرژی شکاف سبب می‌شود، فوتون‌های کمتری توانایی تولید زوج الکترون-حفره داشته باشند و بنابراین جریان اتصال کوتاه کمتری نیز تولید شود. بنابراین افزایش انرژی شکاف، روی ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه سلول دو اثر متفاوت دارد.
فناوری‌های ساخت سلول‌های خورشیدی
در حال حاضر دو فناوری در ساخت سلولهای خورشیدی غالب است: فناوری نسل اول و نسل دوم. فناوری نسل اول بر پایه ویفرهای سیلیکونی با ضخامت ۴۰۰-۳۰۰ میکرومتر است که ساختاری بلوری یا چند بلوری دارند که یا از بریدن شمش بدست میآیند یا از روش EFG و با کمک خاصیت مویینگی رشد داده می‌شوند. تکنولوژی نسل دوم یا تکنولوژی لایه نازک ، براساس لایه نشانی نیمهه هادی روی بسترهای شیشه‌ای، فلزی یا پلیمری، در ضخامت¬های ۵-۳ است هزینه مواد اولیه در تکنولوژی نسل دوم، پایین¬تر است و از آن گذشته، اندازه سلول تا ۱۰۰ برابر بزرگتر از اندازه سلول ساخته شده با تکنولوژی نسل اول است که مزیتی برای تولید انبوه آن محسوب می‌شود. در عوض بازدهی سلول‌های نسل اول، که اغلب سلول‌های بازار را تشکیل می‌دهند، به دلیل کیفیت بالاتر مواد، از بازدهی سلول‌های نسل دوم بیشتر است. انتظار می‌رود اختلاف بازدهی میان سلول‌های دو نسل با گذشت زمان کمتر شده و تکنولوژی نسل دوم جایگزین نسل اول شود در سال 1961، Shockley و Queisser با در نظر گرفتن یک سلول خورشیدی پیوندی به شکل یک جسم سیاه با دمای 300 کلوین نشان دادند که بیشترین بازدهی یک سلول خورشیدی صرف نظر از نوع تکنولوژی بکار رفته در آن، 30% است که در انرژی شکاف eV1.4 یعنی انرژی شکاف گالیم آرسناید بدست می‌آید بنابراین بازدهی سلول های خورشید نسل اول و دوم حتی در بهترین حالت نمی‌تواند از حوالی 30% بیشتر شود. این در حالی است که حد کارنو برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی 95% است و این مقدار تقریباً سه برابر بیشتر از بازدهی نهایی سلولهای نسل اول و دوم است. بنابراین دستیابی به سلول هایی با بازدهی هایی دو تا سه برابر

[ریپورتر]

بازدهی های کنونی، امکان پذیر است. سلول های خورشیدی که دارای چنین بازدهی هایی باشند، نسل سوم سلول های خورشیدی نامیده می‌شوند. سلول های متوالی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D9%84%D9%88%D9%84_%D9%87%D8 %A7%DB%8C_%D9%85%D8%AA%D9%88%D8%A7%D9%84%DB%8C&action=edit&redlink=1) ، سلول های خورشیدی چاه کوانتومی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D9%84%D9%88%D9%84_%D9%87%D8 %A7%DB%8C_%D8%AE%D9%88%D8%B1%D8%B4%DB%8C%D8%AF%DB% 8C_%DA%86%D8%A7%D9%87_%DA%A9%D9%88%D8%A7%D9%86%D8% AA%D9%88%D9%85%DB%8C&action=edit&redlink=1) ، سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D9%84%D9%88%D9%84_%D9%87%D8 %A7%DB%8C_%D8%AE%D9%88%D8%B1%D8%B4%DB%8C%D8%AF%DB% 8C_%D9%86%D9%82%D8%B7%D9%87_%DA%A9%D9%88%D8%A7%D9% 86%D8%AA%D9%88%D9%85%DB%8C&action=edit&redlink=1) ، سلول های حامل داغ (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D9%84%D9%88%D9%84_%D9%87%D8 %A7%DB%8C_%D8%AD%D8%A7%D9%85%D9%84_%D8%AF%D8%A7%D8 %BA&action=edit&redlink=1) ، نسل سوم سلول های خورشیدی را تشکیل می‌دهند.
ساخت سلول‌های خورشیدی با استفاده از مواد آلی
سلولهای خورشیدی ساخته شده از مواد آلی در مقایسه با همتایان سیلیکونی خود بازده بسیار کمتری دارند. اما به دلیل هزینه ساخت پایین و همچنین قابلیت هایی مانند انعطاف پذیری برای مصارف غیرصنعتی مناسب هستند. شارژر موبایل قابل حمل٫ کار گذاشتن باطری ها در سطوح دارای انحناء مانند بدنه ماشین ها و حتی استفاده از آنها در لباس ها از مصارفی است که برای سلولهای خورشیدی آلی (ارگانیک) پیش بینی می‌شود. خصوصیت دیگر آنها انعطاف پذیری در طول موجی است که در آن بیشترین جذب را دارند. در نتیجه اگر برای مثال ماده آلی با جذب درناحیه زیر قرمز استفاده شود از سلول خورشیدی آلی می‌توان در شیشه‌های اتومبیل٫ شیشه‌های خانه‌ها و هر مکان دیگری که باید شفاف باشد٫ استفاده کرد. ساخت سلولهای خورشیدی آلی از دهه ۷۰ میلادی مورد تحقیق و بررسی علمی قرار گرفته است ولی هنوز نمونه بازاری آن ساخته نشده است. از موادی که آینده روشنی در این صنعت برای آن پیش بینی می‌شود کریستالهای مایع ستونی (http://fa.wikipedia.org/wiki/کریستالهای_مایع_ستونی) هستند.سلول خورشیدی یا سلول فوتوولتاییک ابزاری است که انرژی خورشیدی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D8%AE%D9%88%D8%B1% D8%B4%DB%8C%D8%AF%DB%8C) را تحت اثر فوتوولتاییک (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D8%AB%D8%B1_%D9%81%D9%88%D8 %AA%D9%88%D9%88%D9%84%D8%AA%D8%A7%DB%8C%DB%8C%DA%A 9&action=edit&redlink=1) به الکتریسیته (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%D8%B3%DB%8C%D 8%AA%D9%87) مبدل می‌کند. فن‌آوری فوتوولتاییک (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%81%D9%86%E2%80%8C%D8%A2%D9%88% D8%B1%DB%8C_%D9%81%D9%88%D8%AA%D9%88%D9%88%D9%84%D 8%AA%D8%A7%DB%8C%DB%8C%DA%A9&action=edit&redlink=1) شاخه‌ای از فن‌آوری است که به کاربرد سلول‌های خورشیدی می‌پردازد. گاهی اصطلاح «سلول خورشیدی» تنها برای ابزارهایی به کار می‌رود که مختص تبدیل انرژی نور خورشید هستند، در حالی که عبارت «سلول فوتوولتاییک» به صورتی عام‌تر به کار می‌رود. سازه‌ای که از کنار هم چیدن سلول‌های خورشیدی به دست می‌آید را واحد خورشیدی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%88%D8%A7%D8%AD%D8%AF_%D8%AE%D9 %88%D8%B1%D8%B4%DB%8C%D8%AF%DB%8C&action=edit&redlink=1) گویند که خود این سازه‌ها را می‌توان به هم متصل ساخت تا آرایهٔ فوتوولتاییک (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A2%D8%B1%D8%A7%DB%8C%D9%87_%D9 %81%D9%88%D8%AA%D9%88%D9%88%D9%84%D8%AA%D8%A7%DB%8 C%DB%8C%DA%A9&action=edit&redlink=1) به دست آید.
سلول‌های خورشیدی کاربرد بسیاری دارند. سلول‌های تکی برای فراهم کردن توان لازم دستگاه‌های کوچک‌تر مانند ماشین حساب الکترونیکی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D8%A7%D8%B4%DB%8C%D9%86_%D8 %AD%D8%B3%D8%A7%D8%A8_%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8% B1%D9%88%D9%86%DB%8C%DA%A9%DB%8C&action=edit&redlink=1) به کار می‌روند. آرایه‌های فوتوولتاییک الکتریسیتهٔ بازیافت‌شدنی‌ای را تولید می‌کنند که عمدتاً در موارد عدم وجود سیستم انتقال وتوزیع الکتریکی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%82%D8%A7%D9% 84_%D9%88_%D8%AA%D9%88%D8%B2%DB%8C%D8%B9_%D8%A7%D9 %84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C&action=edit&redlink=1) کاربرد دارد. برای مثال می‌توان به محل‌های دور از دسترس، ماهواره‌های مدارگرد (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D8%A7%D9%87%D9%88%D8%A7%D8% B1%D9%87%E2%80%8C%D9%87%D8%A7%DB%8C_%D9%85%D8%AF%D 8%A7%D8%B1%DA%AF%D8%B1%D8%AF&action=edit&redlink=1)، کاوش‌گرهای فضایی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%DA%A9%D8%A7%D9%88%D8%B4%E2%80%8C% DA%AF%D8%B1_%D9%81%D8%B6%D8%A7%DB%8C%DB%8C&action=edit&redlink=1) و ساختمان‌های مخابراتی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D8%AE%D8%A7%D8%A8%D8%B1%D8%A7%D8%AA) دور از دسترس اشاره کرد. علاوه بر این استفاده از این نوع انرژی امروزه در محل‌هایی که شبکهٔ توزیع هم موجود است مرسوم شده‌است. مصرف انرژی در سال ۲۰۵۰ یعنی سال ۱۴۲۹ ه. شی ۵۰ تا ۳۰۰ درصد بیشتر از مصرف امروزی آن خواهد بود. با اینحال اگر فقط ۰٫۱ درصد از سطح زمین با مبدلهای انرژی خورشیدی پوشیده شوند و تنها ۱۰ ٪ بازده داشته باشند برای تأمین انرژی مورد نیاز بشر کافی است.در مرکز خورشید هر ثانیه ۷۰۰ تن هیدروژن به

[ریپورتر]

انرژی تبدیل می‌شود ( به صورت فوتون یا نوترینو). دمای خورشید در مرکز آن ۱۵ میلیون و در سطح آن ۶ میلیون درجه سانتیگراد است. انرژی تولید شده در سطح خورشید بعد از ۸ دقیقه به سطح زمین می‌رسد. نور خورشید که به زمین می‌رسد شامل طول موجهای زیر است:۴۷ درصد زیرقرمز (http://fa.wikipedia.org/wiki/فروسرخ) ,۴۶ درصد نور مرئی (http://fa.wikipedia.org/wiki/طیف_مرئی) , ۷ درصد فرابنفش (http://fa.wikipedia.org/wiki/فرابنفش). از این رو سلولهای خورشیدی باید در ناحیه زیرقرمز (http://fa.wikipedia.org/wiki/فروسرخ) و نور مرئی (http://fa.wikipedia.org/wiki/طیف_مرئی) جذب بالایی داشته باشند
فتوولتائيک از دو کلمه فوتو که در زبان يوناني به معناي نور مي باشد و کلمه ولتائيک به معناي الکتريسيته از نام الکساندور ولتا (1827-1745) که از پيشگامان مطاله الکتريسيته بوده، گرفته شده است . پس فتوولتائيک به معناي الکتريسيته نوري مي باشد . اين سلولها به سلولهاي خورشيدي نيز معروف هستند و نقش مهمي را در زندگي ما ايفا مي کنند . اين سلولهاي ابتدا به طور عمده در فضا استفاده مي شدند ولي استفاده از آنها روي زمين روز به روز معمول تر شده است .
امروزه اين سلول هاي همه جا به چشم مي خورند، مي توان اين سلول ها را در ماشين حسابهاي نوري و ساعت هاي مچي مشاهده نمود . سيستم هاي پيچيده تر مي تواند برق مورد نياز براي پمپ کردن آب، تجهيزات ارتباطي، روشنايي خانه ها و وسايل برقي را تأمين کنند . در اين فصل به نهوه عملکرد اين سلول ها مي پردازيم و خواهيم ديد که چگونه پديده فتوولتائيک در بعضي مواد خاص باعث ايجاد الکتريسيته مي شود سلول هاي فتوولتائيک از مواد خاص موسوم به نيمه رساناها ساخته مي شوند که در حال حاضر سيليکون مهمترين ماده مورد استفاده در اين زمينه مي باشد . ولي سعي بر اين است که جايي گزينهاي بهتري براي آن يافت شود .
کربن، سيليکون و ژرمانيوم هر سه نيمه رسانا بوده و يک خاصيت يکسان در ساختار خود دارند . اين مواد در لايه آخر خود داراي 4 الکترون مي باشند که اين 4 الکترون در باند کووالانسي با 4 الکترون مجاور خود تشکيل پيوند کووالانسي داده و يک شبکه منظم کيريستالي به وجود مي آورند . در کربن اين شبکه منجربه پيدايش الماس مي شود .
مصارف و کاربردهای فتوولتائیک
· مصارف فضانوردی و تأمین انرژی مورد نیاز ماهواره‌ها جهت ارسال پیام
· روشنایی خورشیدی:
در حال حاضر روشنایی خورشیدی بالاترین میزان کاربرد سیستم‌های فتوولتائیک را در سراسر جهان دارد و سالانه دهها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می‌گردد، مانند برق جاده‌ها و تونلها

[ریپورتر]

بخصوص در مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارند، تأمین برق پاسگاههای مرزی که دور از شبکه برق هستند، تأمین برق مناطقی شکاربانی و مناطق حفاظت شده نظیر جزیره‌های دور افتاده که جنبه نظامی دارند.

سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی:
انرژی مورد نیاز کلیه لوازم برقی منازل (شهری و روستایی) و مراکز تجاری را می‌توان با استفاده از پنلهای فتوولتائیک و سیستمهای ذخیره کننده و کنترل نسبتاً ساده، تأمین نمود.

سیستم پمپاژ خورشیدی:
سیستم پمپهای فتوولتائیک قابلیت استحصال آب از چاهها، قنوات، چشمه‌ها، رودخانه‌ها و ….. را جهت مصارف متنوعی دارا می‌باشد.

سیستم تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری:
اغلب ایستگاههای مخابراتی و یا زلزله نگاری در مکانهای فاقد شبکه سراسری و صعب العبور و یا در محلی که احداث پست فشار قوی به فشار ضعیف و تأمین توان الکتریکی ایستگاه مذکور صرفه اقتصادی و حفاظت الکتریکی ندارد نصب شده‌اند.

ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و وسایل بازی کودکانه یا هر نوع وسیله‌ای که تاکنون با باطری خشک کار می‌کرده‌است یکی دیگر از کاربردهای این سیستم می‌باشد.
مثلاً ژاپن در سال ۱۹۸۳ حدود ۳۰ میلیون ماشین حساب خورشیدی تولید کرده‌است که سلولهای خورشیدی بکار گرفته در آنها مساحتی حدود ۰۰۰/۲۰ متر مربع و توان الکتریکی معادل ۵۰۰ کیلووات داشته‌اند.

نیروگاههای فتوولتائیک:
هم‌زمان با استفاده از سیستم‌های فتوولتائیک در بخش انرژی الکتریکی مورد نیاز ساختمانها اطلاعات و تجربیات کافی جهت احداث واحدهای بزرگتر حاصل گردید و همه اکنون در بسیاری از کشورهای جهان نیروگاه فتوولتائیک در واحدهای کوچک و بزرگ و به صورت اتصال به شبکه و یا مستقل از شبکه نصب و راه اندازی شده‌است ولی این تأسیسات دارای هزینه ساخت، راه اندازی و نگهداری بالایی می‌باشند که فعلاً مقرون به صرفه و اقتصادی نیست.

یخچالهای خورشیدی:

[ریپورتر]

از یخچالهای خورشیدی جهت سرویس دهی و ارائه خدمات بهداشتی و تغذیه‌ای در مناطق دور افتاده و صعب العبور استفاده می‌گردد. عملکرد مناسب یخچالهای خورشیدی تا حدی بوده‌است که در طی ۵ سال گذشته بیش از ۱۰۰۰۰ یخچال خورشیدی برای کاربردهای بهداشتی و درمانی در سراسر آفریقا راه اندازی شده‌است.

سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل:
قابلیت حمل و نقل و سهولت در نصب و راه اندازی از جمله مزایای این سیستم‌ها می‌باشد بازده توان این سیستم‌ها از ۱۰۰ وات الی یک کیلو وات تعریف شده‌است. از جمله کاربردهای آن می‌توان به تأمین برق اضطراری در مواقع بروز حوادث غیر مترقبه، سیستم تغذیه کننده یک چادر عشایری و کمپ‌های جنگلی اشاره نمود.
در حال حاضر آرایه های خورشیدی به طور گسترده در ایستگاه های مخابراتی، حفاظت لوله های نفت و گاز و چراغ ها و علائم هشداردهنده در جاده ها به کار می روند و تقاضا برای بکارگیری این سیستم ها به عنوان منبع تولید انرژی به منظور مصارف خاص و عمومی رو به گسترش می باشد. بهینه سازی این سیستم ها و کاهش هزینه تمام ش ده باعث گسترش بیشتر برق خورشیدی خواهد شد.
در این بخش روش تعیین بهترین زاویه نصب آرایه های خورشیدی برای دریافت بیشترین مقدار تابش در نقاط مختلف کشور به روش تجربی توجیه و نتایج با مقادیر تئوری موجود در شرکت تولید فیبر نوری ایران مقایسه شد. همچنین دو کاربرد آرایه های خورشیدی به منظور تأمین روشنائی و منبع تغذیه بدون انقطاع ارائه خواهد شد.
در کاربرد اول آرایه خورشیدی به عنوان پرکننده ی باطری جهت تأمین روشنائی تشریح می گردد. در این سیستم تدابیر لازم جهت حفاظت باطری پیش بینی شده است. مدار کنترل از ولتاژ آرایه به عنوان یک فتوسل استفاده می کنند و قادر است خودکار، به هنگام تاریکی محیط لامپ را تغذیه نماید.
سیستم دوم یک منبع تغذیه بدون انقطاع با استفاده از آرایه های خورشیدی است. این سیستم مجهز به یک ردیاب نقطه کار با حداکثر توان می باشد. بدین ترتیب از حداکثر انرژی قابل تحویل توسط آرایه استفاده می گردد.

[ریپورتر]

در این سیستم از یک ردیاب نقطه کار با حداکثر توان (mppt) استفاده شده است که باعث تطبیق بهتر بار با آرایه می گردد. بکارگیری mppt خود باعث اتلاف انرژی اضافی خواهد شد. اما مطالعات تجربی نشان می دهند که بکارگیری یک mppt با بازده 85% باعث افزایش 17% در انرژی دریافتی روزانه خواهد شد.
برای هر نقطه از کشور استفادة بهینه از مدولهای برق خورشیدی مستلزم تعیین اندازه مقدار مدولهای مورد نیاز با مصرف همراه با زاویه شیب بهینه و همچنین تعیین اندازه باطری ذخیره با توجه به روزهای ابری میباشد.
برای تعیین شیب بهینه یک سیستم خورشیدی متشکل از پنج مدول تحت زوایای 7/50، 7/45، 7/40، 7/35، 7/30 ساخته شده است. سیستم فوق همراه با یک سنسور درجه حرارت به یک سیستم پردازش اطلاعات و سپس برای ذخیره به یک کامپیوتر متصل میباشد. با استفاده از اطلاعات جمع آوری شده در طول فصول مختلف سال و نقاط مختلف کشور میزان زاویه بهینه را برای نقاط با عرض جغرافیائی و ارتفاع مختلف تعیین نمود



ماژول های خورشیدی
سلولهای خورشیدی که وظیفه تبدیل نور به الکتریسیته را به عهده دارند از مواد نیمه هادی ساخته میشوند 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

[ریپورتر]

1. سلول خورشیدی از مواد غیر سیلیکونی
مهمترین فاکتوری که در این سلولها مطرح است بازده تبدیل انرژی نورانی به انرژی الکتریکی میباشد که نوع سیلیکونی تک کریستال است حدوداً 18-17 در صد و نوع چند کریستال حدوداً 15 در صد و نوع بی شکل و غیر سیلیکونی حدود 10 در صد دارند ولی سلولهای خورشیدی سیلیکونی پایدارتر از نوع بی شکل است و از نظر اقتصادی قیمت تمام شده با زای هر واحد که بر حسب وات پیک بیان میشود برلی نوع چند کریستالی فعلاً اقتصادی ترین میباشد.
سلولهای خورشیدی بدلیل شکنندگی و ظرافتی که دارند تحمل شرایط محیطی را نداشته و نمیتوان آنها را مستقیماً مورد استفاده قرار داد. از طرف دیگر توان الکتریکی کمی را تولید میکنند و ولتاژ و آمپر آن نیز مناسب با توان آن کوچک است و متناسب با هر مصرفی نیست بنابراین برای بکارگیری آن در شرایط مختلف آب و هوایی و دسترسی به ولتاژ و توان مورد نیاز و افزایش مقاومت مکانیکی و کاهش تغییرات مشخصات الکتریکی سلول خورشیدی در طولانی مدت که معمولاً بر اثر عوامل مختلف حادث میشود، سلولها را بصورت یک مجموعه بین دو شیشه شفاف درون یک قاب فلزی قرار میدهند که ماژول و یا صفحه خورشیدی نامیده میشود.

باطری
سیستمهای نور ولتی فقط در صورتیکه در معرض نور قرار گیرند انرژی الکتریکی تولید میکنند و به همین سبب در هنگام شب و روزهای ابری که شدت تابش نور ناچیز است از باطری استفاده میشود که باطریها در زمانیکه شدت تابش مناسب است توسط صفحات خورشیدی شارژمیگردند.

شارژ کنترولر
جهت حفاظت باطریها، باید ولتاژ و مقدار شارژ و دشارژ باطری کنترل شود که این عمل توسط دستگاه الکترونیکی شارژ کنترولر انجام میگردد.
مبدل dcبهac
ولتاژ تولید شده توسط صفحات خورشیدی از نوع جریان مستقیم است و در صورتیکه مصرف کننده به جریان متناوب نیاز داشته باشد باید از مبدل جریان مستقیم به متناوب استفاده نمود.

[ریپورتر]

افزایش بازده سلولهای خورشیدی سیلیکانی بوسیله فرایندهای نوین
از تاریخ ساخت اولین سلول خورشیدی چهل سال گذشته و در این مدت بازده سلول به بیش از 24% برای تک بلور و 8/17% در چندین بلوری افزایش داشته است. در صورتیکه بالاترین مقدار قابل حصول تحت شرایطam 1.5 در درجه حرارت c28 در حدود 30% پیش بینی شده است فعالیت های گسترده بمنظور افزایش بازده و کاهش قیمت تولید الکتریسیته بوسیله بهبود کیفیت زیر لایه (مخصوصً از نوع چندین بلوری) و طراحی ساختاری سلول ادامه دارد. آخرین گزارشات نشان میدهد که حتی امکان دست یابی به راندمان بیش از مقداری که قبلاً پیش بینی شده بود نیز وجود خواهد داشت، زیرا که محاسبات قبلی بازده کوانتمی داخلی یک استوار بود( به ازاء یک فوتون یک جفت الکترون- حفره تولید میشود) در حالی که امکان دست یابی به بازده کوانتمی بیشتر از یک و همچنین حرکت سیکلی فوتون در داخل سلول خورشیدی وجود دارد. بازده سلول توسط معادله زیر بدست می آید.
=a.jsc.voc.ff/po بازده
که در آن a،jsc ،voc،ff ،p0 به ترتیب مساحت سلول، شدت جریان مدار کوتاه، ولتاژ مدار باز، عامل پرکنندگی و قدرت نور ورودی به سلول می باشند.
به طور خلاصه روشهایی که توسط آن ها بازده سلولهای خورشیدی افزایش می یابد، عبارتند از:
الف-)جمع کردن( ناخالصی های مزاحم در زیر لایه و یا به تله انداختن آنها در مکانهای غیرفعال و سپس خارج کردن آنها توسط خورندگی شیمیائی. ناخالصی هایی که معمولاً در سیلیکان حضور پیدا میکنند مانند آهن- نیکل- مس- اکسیژن- کربن باعث افزایش نرخ ترکیب الکترون- حفره و شدت جریان نشری میشوند. فسفر و آلومینیوم عناصری هستند که بعنوان"جمع کننده" در سیلیکان عمل میکنند. شرایط انجام این فرایند بستگی به نوع سیلیکان ساخته شده دارد ولی معمولاً در درجه حرارت c1100-900 به مدت 30دقیقه در محیط گاز نادر انجام میشود. نتایج نشان میدهند که طول نفوذ حاملها بعد از این مرحله به بیش از 200 میکرون افزایش یافته اند.یکی دیگر از راههای افزایش طول نفوذ حاملها غیر فعال کردن نقایص بلوری است که بوسیله کاشت یونی h+ بدست می آید.

[ریپورتر]

ب-)غیر فعال کردن سطوح( بمنظور کاهش نرخ ترکیب در دو سطح سلول صورت می گیرد. با افزایش دانستیه ناخالصی در لایه امیتر(بالاتر از3-cm 18 10) پهنای گاف انرژی کاهش یافت و نرخ ترکیب الکترون – حفره(از نوع اوجر) بصورت فزاینده ای زیاد میشود. در چنین شرایطی شدت جریان نشری مربوط به امیتر نیز افزایش مییابد. و باعث کاهش ولتاژ مدار باز میشود.
همچنین نرخ ترکیب بسیار زیاد در محل اتصال فلز- نیمه هادی باعث کاهش دانسیته حاملهای اقلیت میشود
درسال 1984 گرین موفق شد تاVoc را به 641 میلی وات افزایش دهد که نمونه ای از این سلول در شکل زیر دیده میشود.

[ریپورتر]

تفاوت میان این سلول با انواع قبلی یکی استفاده از لایه sio2 به ضخامت 50انگسترم در سطح جهت کاهش نرخ ترکیب الکترون- حفره و دیگری انتخاب دانسیته بار الکتریکی بصورت شکل b2 میباشد. همانطوریکه در این شکل
20
پیداست تغییرات ناخالصی در سطح در حدود 3-cm10*2
19
میباشد ولی در فاصله کوتاهی از سطح یکباره 3-cm10*2 کاهش می یابد که در واقع ضخامت "لایه مرده" به حداقل می رسد. با کاهش ضخامت لایه +n مقاومت سطحی افزایش چشمگیری می یابد و در نتیجه از شبکه فلزی با مقاومت الکتریکی کم استفاده شده است.
سیر صعودی افزایش بازده ادامه یافت تا اینکه در سال1990 بالاترین آنها با 24%=n ساخته شد. تفاوتهایی که میان این سلول با انواع قبلی آن مشاهده میشود عبارت است از:
استفاده از ناهمواری از نوع هرم معکوس جهت دریافت بیشتر نور تابشی- پوشش دو لایهsio2 در دو طرف سلول- کاهش سطح تماس فلز و نیمه هادی- استفاده از میدانBSF(field surface Back) در طرف زیرین سلول- استفاده از اتصال فلز و نیمه هادی از طریق حفره های منقطع.
در حقیقت فلز مانند یک "چاهک" عمل میکند.) بهمین سبب از لایه عایق sio2 به عنوان کنترل کننده نرخ ترکیب در هر دو سمت سلول استفاده می شود. با توجه به اینکه ضریب شکست sio2 کمتر از si می باشد نور جذب شده در داخل زیر لایه (si) محصور خواهد شد و علاوه بر اینکه Voc به دلیل کاهش نرخ ترکیب افزایش یافته Jsc نیز به خاطر جذب بیشتر نور در داخل سیلیکان زیاد می شود.
ج- )انعکاس حاملهای اقلیت( بوسیله ایجاد میدان BSF در پشت سلول. زیر لایه P-Si با افزایش ناخالصی پذیرنده تبدیل به p+ می شود و در محل اتصال P+/P میدان الکتریکی بوجود می آید. این میدان الکتریکی بعنوان منعکس کننده حاملهای اقلیت عمل کرده و بارهای الکتریکی را که در نزدیکی اتصال فلز- نیمه های تولید می شوند به طرف اتصال n+/P هدایت می کند. آلومینیوم با ضخامت 5/1 میکرون توسط تبخیر حرارتی به روی P-Si لایه گذاری می شود و سپس در درجه حرارت حدود c1000-800(بستگی به نوع زیرلایه دارد) در مجاورت گاز نادر حرارت داده می شود تا لایه P+ بوجود آید. بوسیله روش خورندگی شیمیائی آلومینیوم و مقداری از زیرلایه برداشته می شود و سپس لایه گذاری مجددی با آلومینیوم انجام می شود تا اتصال اهمی بوجود آید. آلومینیوم بعنوان منعکس کننده امواج IR که به سطح زیرین سلول می رسند نیز عمل می کند.

د-) بهینه سازی لایه امیتر( به منظور کاهش نرخ ترکیب و افزایش Voc و Jsc. یکی از مهمترین عوامل در افزایش بازده سلول مربوط به لایه امیتر می باشد، زیرا که بهینه سازی دانسیته بار الکتریکی و ضخامت این لایه و

[ریپورتر]

همچنین چگونگی تغییرات بار الکتریکی از سطح تا محل اتصال n+/p اثرات زیادی در Voc، Jsc،FF باقی می گذارد. بهینه سازی لایه امیتر معمولاً برای عمق اتصال 2/0 میکرون همراه با دانسیته سطحی 3-cm20 10 و حذف "لایه مرده" مطابق با شکل b امکان پذیر خواهد بود. کاهش ضخامت لایه n+ باعث افزایش بازده در طول موج آبی و در نتیجه افزایش Vocخواهد شد. از طرف دیگر مقاومت الکتریکی سطحی با کاهش ضخامت امیتر بصورت چشمگیری افزایش می یابد. برای برطرف کردن این مشکل از شبکه فلزی که دارای مقاومت الکتریکی کمی است استفاده می شود.
هـ- جذب و محصور کردن نور سبب افزایش Jsc و Voc می شود و روشهایی بسیار متنوعی برای این کار وجود دارد که شامل: استفاده از لایه های ضدبازتاب به تله انداختن نور(53) ناهمواری در سطح بوسیله سادگی عمل و مخارج کم آن مخصوصاً برای زیر لایه چندین بلوری پیشنهاد شده است. استفاده از دو لایه ضد بازتاب ZnS و MgF هر کدام به ضخامت 6/0 میکرون روش بسیار ساده و مؤثری می باشد.

ساخت سلول های خورشیدی با استفاده از زیر لایه چندین بلوری در چند سال اخیر بدلیل بهبود در کیفیت رشد آنها و افزایش بازده مورد توجه فراوان قرار گرفته است. بهمین دلیل مطالعات فراوانی جهت بررسی اثرات ناشی از دانه بندی در عملکرد سلول خورشیدی بعمل آمده است مانند: اثرات ناشی از اندازه و شکل دانه بندی، حضور انواع نقایص درون دانه ای و برون دانه ای بر روی Jsc و Voc کاملاً مورد بررسی قرار گرفته است. روشهای متنوعی برای تهیه سیلیکان چندین بلوری اخیراً ابداع شده اند برای ارتقاء کیفیت آنها از هیدروژن بعنوان "غیرفعال کننده" و به تله انداختن نقایص بلوری استفاده می شود.
به طور خلاصه می توان نتیجه گرفت که عواملی که اثرات آنها در افزایش بازده مسلم شده اند عبارتند از: "جمع کردن "-"غیرفعال کردن"-"انعکاس حاملهای اقلیت"-"بهینه سازی لایه امیتر" و "جذب و محصور کردن نور" که برای سلول های خورشیدی با زیر لایه تک بلوری در صورتی که از روش های جدید استفاده شود بازده به میزان بیش از 30% افزایش خواهد یافت.

[ریپورتر]

صور مختلف سیستمهای قدرت نور ولتائی:
سیستمهای زمینی نور ولتائی می توانند در 3 دسته بر حسب انواع کاربردها به شرح ذیل می باشند: stand-alone (مستقل) Hybrid (مرکب) Grid-connected (قابل نصب به شبکه) در توانهای از حد چند میلی وات (در ساعت ها و ماشین های حساب) تا نیروگاه های چند مگاواتی مورد استفاده قرار می گیرند.
1. سیستم مستقل (Stand-alone) معمولاً همراه با باطری بطور مستقل در مناطق دور و نزدیک که فاقد برق شبکه ای هستند و یا بدون برق شبکه قابل تغذیه می باشند بکار گرفته می شوند.
2. سیستم مرکب (Hybrid ) معمولاً مشتمل است بر :
یک سیستم نور ولتائی با یک یا چند منبع کمکی همچون بادی یا دیزل ژنراتور لذا نیازمند یک سیستم پیچیده تری کنترلی نسبت به سیستم مستقل می باشد، و به دلیل این سیستم درصد بزرگتری (از نظر میزان قدرت، وسعت، و کیفیت برق دهی) نسبت به سیستم مستقل می باشد.
3. سیستم قابل نصب به شبکه (Grid-connected) بر حسب مصارفش در مواقعی که به شبکه متصل است باطری نداردو اینورتر سیستم دارای ظرفیت لازم برای اتصال به شبکه همراه با مشخصات شبکه می باشد، که در این حالت الکتریسیته تولید شده توسط این سیستم در کل شبکه وارد می شود، آسان ترین مدار این سیستم دارای؛ پانلهای چیده شده خورشیدی، یک اینورتر همانند آنکه برای مصارف ولتاژ ضعیف در منازل می باشد، و برای ولتاژهای بالاتر جهت اتصال به شبکه نیاز به ترانسفور ماتور تبدیل کننده همراه با کلیدهای قدرت و بخشهای حفاظت کننده مربوطه دارد، و این حالت اصلاح کننده ضریب قدرت و فیلترکننده هارمونیکهای تولید از جمله این لوازمات می باشد. بنابراین کاربرد آنها در حد وسیعتر برای مصارف داخلی با امکانات موردنیاز می باشد.
از عمده ترین فاکتورهای عام موثر در طراحی نورولتائی در هر موقعیت سرزمینی عبارتند از:
+ وضعیت تابش نور خورشید در آن موقعیت
+ درجه حرارت محیط و شرایط حرارتی به ویژه سلهای خورشیدی
+ میزان تمیزی یا گردوغبار و یا آلودگی محیط موثر در بازدهی خورشید روی سلهای خورشیدی
+ انواع کاربردها و مشخصات الکتریکی بارهای مصرفی
+ انواع سیستمهای قدرت نورولتائی
+ آرایه های مختلف ماژولها همراه با زوایای مختلف

[ریپورتر]

+ وضعیت مواد اولیه در سازه های سلها و ماژولها
+ میزان ذخائر باطریها و مولدهای کمکی در شرایط اضطرار با مشخصه های مطلوب برای هر طرح
+ سیستمهای کنترل، حفاظت، اندازه گیری و اعلام، و سایر سیستمهای کمکی دیگر.
+ کابل، سیم کشی، و دیگر تاسیسات الکتریکی و مکانیکی قابل کاربرد در طرح.
+ تطبیق پذیری با سایر منابع قدرت.
هر کدام از طرح ها و پروژه های مربوط به سیستم برق نورولتائی در یک موقعیت سرزمینی از لحاظ (مشروحه ذیل) می باشد که در همه این سیستمها برای محاسبات مهم می باشد که بایستی به دقت جهت برآورد انرژی تابش خورشیدی( در فصول چهارگانه و در عرض 24 ساعته روز) مشخص شود.
موقعیتهای ثابت:از لحاظ: کوهستانی، دشت و فلات، جنگلی، شوره زار، قابل کشت و زرع.
از لحاظ دما: گرمیسیری، سردسیری، معتدله.
از لحاظ رطوبتی: خشک، ملایم، مرطوب، شرجی، بارانی، با ریزش متوسط باران.
از لحاظ مدنیت: در محیط شهری( بزرگ، متوسط، کوچک) ، روستائی، عشایری، مناطق دور و پرت.
از لحاظ سکونت: قابل سکونت دائم، سکونت مقطعی، غیرقابل سکونت.
از لحاظ تجهیزات و امکانات: محیط تاسیسات و تجهیزاتی، محیط مسکونی، ترکیبی از مسکونی و تاسیساتی.
از لحاظ موقعیت جغرافیایی: شمالی، جنوبی، غربی، شرقی، و مابین آن ها با درجه بندی زاویه ای و طول و عرض و ارتفاع آنها.
از لحاظ نمای بیرونی: مرتعی و جنگلی، کشاورزی، زمین رهاشده و غیرقابل کشت و زرع، معادن.
موقعیت های متحرک: این موقعیت با حرکت ماژولها حاصل می شود.

آرایه ها:ماژولها بطور مجموعه بهم پیوسته مطابق اشکال زیر در وضعیت های ثابت و متحرک قرار گرفته اند و بر حسب نوع و میزان و تداوم و تضمین به کیفیت آنها اتصالات و ارتباطات الکتریکی ماژولها طراحی میگردند

[ریپورتر]

خلاصه ای از روش های طراحی و مهندسی
: مشخص نمودن نقاط لازم برای اجرای طرح.
: اعیین کردن اطلاعات لازم برای بار مصرفی، مقدار برق مورد نیاز، نوع برق، زمان تداوم مصرف.
: انتخاب زاویه شیب صفحات ماژولهای (پانلها) نورولتائی با توجه به تابش و مشخصات خورشید در جریان روزانه فصول مختلف و در دوره های پریودیک خود.
: تخمین حدود بالا و پائین ماژولهابر حسب حداقل یا متوسط خورشیدی روی ماژولهای موجود در سطح شیب دار.
: پیدا کردن میزان(اندازه) تهیه شده ماژولها با حفظ کردن باطری های طرح به میزان درصد معقولی از شارژ(بارگیری) و شارژ (تخلیه کردن) در سرتاسر تغییرات تابش خورشید بر اساس اوضاع جغرافیائی و اقلیمی.
: انتخاب سیستم مناسب برای بار مصرفی و اوضاع و احوال تابش خورشید در آن مکان جغرافیائی.
: تطبیق پذیر کردن مطلوب با سیستم برحسب تعداد ماژول ها، زاویه شیب صفحات، انتخاب باطری های مناسب.
: برآورد و تعیین باطری ها، ظرفیت ذخیره ها، وضعیت شارژ و دشارژه آن در زمان عمر برآوردی آنها.
: مشخص شدن ولتاژ ماژول ها بر حسب تعداد آنها در حداکثر درجه حرارت بهره برداری در هر کدام که آن ها بایستی بار مورد تقاضا (بر حسب w وات ، A آمپر، V ولت مورد نیاز) تغذیه نمایند.
: مشخص نمودن سیستم کنترل و حفاظت، سیستم اعلام کنندگی خبر، و اقدام کننده در شرایط بحران بویژه بطور اتوماتیک.
: اتصال زمینی و حفاظت در مقابل رعد و برق و برق گرفتگی.
: رعایت اصول در بهره برداری و نگهداری و سرویس و تعمیرات بطور ساده و با بهترین کارآیی ممکنه.
باطریها:
سیستمهای نورولتائی که آن را باقیهای فعلی قابل رقابت با دیگران می نمایند، به علت درجه بالای موفقیت آمیز بودن آنها و قیمت پائین نگهداری آنها می باشند، و بای نائل شدن بدانها، مشخصات این سیستم ها طوری طراحی می شود که انباره وسیع و کافی که بتواند جوابگوی تقاضاها در بدترین حالات قابل تصور در دوره فعالیتی خود باشد بهمراه و در مجموعه قرارداده باشند، و نگهداریباطریها در اصول از عمده تلاشهای موثر در ضمن نگهداری و بهره برداری از سیستم نورولتائی با آرایه مداری Stand-Alone می باشد.
این انباره وسیع و کافی باطریها، برای یک سیکل شارژ(پر کردن) و دشارژ(تخلیه کردن) تحمیلی به خاطر تغییرات ناشی از وضعیت تابش خورشید در دوره فصول مختلف سال می باشد. به طوری که استعداد پر کردن عموماً در تابستان و تخلیه آن ها در زمستان می باشد، و در همین فصول زمانهای بسیاری می باشند که روزانه درصد کمی از آن زمان (روز) عمل شارژ(پر کردن) و درصد زیادتری از آن زمان(هوای بدون خورشید و نور و یا در شب) عمل دشارژ(تخلیه کردن) بر اثر وضعیت تابش خورشید انجام می پذیرد.
باطری های اسید سربی:
از بیشترین مصارف مشترک برای سیستمهای خورشیدی، باطری های اسید سربی می باشند، زیرا انواع یاطری های سرب آنیمتوان ها مصرف مشترک عمدتاً در اتومبیلها دارند که عملاً مناسب برای سیستمهای خورشیدی نمی باشند. چون آن ها دارای میزان بالای شارژ خودبخودی (بالاتر از 30 درصد ظرفیت در هر ماه)، و عمرشان هم کم می باشد. از بیشترین انواع باطری های تجارتی که مناسب برای سیستم قدرت خورشیدی Stand-Alone می باشد، باطری هائی هستند که بیشتر از ایستگاه ها و شناورهای آبی و دریائی استفاده می شوندو

[ریپورتر]

کاربردی برای خدمات در وضعیت اضطراری و بدون قطع قدرت برق به طور مستمر دارند، به طوری که باطری ها در حالت عادی کاملاً (و حتی کمی بیشتر از میزان) شارژ می باشند و به محض قطع برق اصلی از بارشان برداشته و نتیجتاً تخلیه می شوند، و این باطری ها معمولاً در حد 8 تا 10 ساعت تخلیه می شود و آن ها دارای صفحات سربی خالصتر وسرب کلسیم دار می باشند، و اخیراً هم این نوع باطری ها با مشخصات موردنیاز نورولتائی توسعه داده شده اند.
باطریهای نیکل و کادمیوم:
باطری های نیکل- کادمیوم از نوع Pocket-Plate هم در سیستم های خورشید به کار گرفته می شود و مزایای عمده آن ها به شرح ذیل می باشند.
: دارای قابلیت به طور فوق العاده پر شدن(شارژ ) بدون لطمه و آسیبی می باشد.
: دارای قابلیت مصرف برای دوره های طولانی با پرشدن (شارژ) ملایم هست.
: دارای استحکام خوب مکانیکی، ساخته شده برای قابل حمل و نقل شدن.
: دارای قابلیت مقاومت بالا در برابر برودت (یخ زدگی) بدون لطمه و آسیبی می باشد.
و عمده مهایب آن ها عبارتند از:
: بالا بودن قیمت.
: کم بهره بودن پرشدن (شارژ) انباره (55 تا 60 درصد در ضمن بهره وری خورشیدی)
: به مفهومی دیگر : ظرفیت کمتر افزایش در موقع تخلیه (دشارژ) آرام برای مصارف خورشیدی می باشد. در نکته اخیر مزایای آن ها بیشتر از معایبشان در کاربردهای خورشیدی نیست.
تکنولوژی ذخیره سازی انرژی
همان طور که قبلاً ذکر شد انرژی تابشی خورشید به کمک سیستم های مختلف دریافت و به انرژی الکتریکی تبدیل می گردند. اما شدت تابش خورشید بسته به ساعات مختلف در طول شبانه روز، شرایط جوی و در طی فصول مختلف مرتبا در نوسان بوده و در نتیجه میزان انرژی دریافتی نیروگاه نیز متعاقباً تغییر می کند. لذا می بایست جهت رفع این نوع نوسانات و جلوگیری از اتلاف انرژی دریافتی مازاد، در ساعات آشنائی جهت کمبود انرژی در ساعات دیگر بهره گرفت. این مهم توسط سیستم های ذخیره سازی انرژی امکان پذیر می باشد.

[ریپورتر]

سیستم های ذخیره سازی انرژی از نظر نحوه زخیره انرژی در داخل یا خارج از سیکل نیروگاه به دو گروه اصلی سیستم های ذخیره سازی داخلی و سیستم های ذخیره سازی خارجی تقسیم می شوند.
الف- سیستم ذخیره سازی داخلی: در این سیستم انرژی دریافتی مازاد به صورت انرژی حرارتی در مواد واسطه مختلف و یا به صورت انرژی شیمیائی در واکنش های برگشت پذیر ذخیره می گردد. از این انرژی ذخیره شده برای تامین حرارت موردنیاز سیکل تولید بخار نیروگاه در ساعات پیک مصرف استفاده می شود. این نوع ذخیره سازی در نیروگاه های حرارتی خورشیدی توصیه می شود.
ب- سیستم ذخیره سازی خارجی: در این سیستم کلیه انرژی های دریافتی به انرژی الکتریکی تبدیل شده سپس مقدار انرژی الکتریکی مازاد بر مصرف به صورت های مختلف نظیر شارژ باطری، یا به صورت انرژی پتانسیل در آب، هوا و سیالات دیگر ذخیره می شود. سیستم های ذخیره سازی خارجی غالباً در نیروگاه های فتوولتائیک به کار می روند.

عوامل مؤثر در بازدهی یک جمع کننده خورشیدی مسطح:

1. افزایش میزان عبور نور از جداره شیشه بالای جمع کننده:
حدود 4% نور از سطح شیشه بالای جمع کننده بازتاب پیدا می کند. البته کاهش این میزان با استفاده از یک لایه ضد بازتاب امکان پذیر است، ولی شاید با توجه ملاحظات اقتصادی و درصد نسبتا کم انرژی تلف شده، استفاده از این نوع لایه ها مطلوب نباشد.
میزان جذب انرژی تابشی توسط شیشه بستگی به تمرکز اکسیدآهن در شیشه دارد. هر چه این تمرکز کمتر باشد، میزان جذب نور نیز کمتر خواهد بود.
طیف عبوری یک شیشه متداول در ایران نشان می دهد که میزان متوسط عبور نور از یک جداره 4 میلی متری شیشه در حدود 80% می باشد.
بدیهی است که انتخاب شیشه ای که حاوی مقدار کمتری اکسیدآهن باشد، می تواند نقش قابل ملاحظه ای را در افزایش بازدهی داشته باشد.

[ریپورتر]

گرچه درصد عبور نور از ورقه های پلاستیکی نازک بیشتر از شیشه است،
ولی این مواد اولاً به علت هدایت بیشتر حرارت و ثانیا به واسطه عمر نسبتا کوتاه (شکننده شدند در اثر پلیمریزاسیون ناشی از تابش نور UV مطلوب نمی باشد)
1. کاهش اتلاف حرارت از طریق هدایت:
بسته به دمای سطح جذب کننده و جنس جعبه نگهدارنده، قسمت نسبتاً قابل ملاحظه ای از انرژی جذب شده به وسیله هدایت به بیرون منتقل می شود. برای کاهش این اتلاف انرژی می توان از یک جعبه دوجداره چوبی با عایق پشم شیشه در بین دوجداره استفاده کرد.
2. کاهش اتلاف انرژی از طریق جابجائی:
مؤثرترین روشی که برای این کار مورد استفاده قرار گرفته است، ساخت یک سیستم کاملا بسته و ایجاد خلاء در فضای داخل جمع کننده می باشد؛ اما این کار مشکلات اجرایی متعددی را در بردارد. اولاً ایجاد خلاء در داخل جمع کننده های با سطوح بزرگ امکان پذیر نمی باشد (شیشه های بزرگ و مسطح نیروی وارد از طرف هوای بیرون را نمی توانند تحمل کنند)؛ در ثانی بستن جعبه جمع کننده برای جلوگیری از نفوذ هوا مشکلات اجرایی را به دنبال دارد؛ گذشته از این، به علت گاز پس دهی سطوح مختلف، حفظ این خلاء کار مشکلی خواهد بود.
راه ساده تری که در پروژه حاضر مورد بررسی قرار گرفته است، جایگزینی شیشه بالای جمع کننده با یک مجموعه شیشه ای دوجداره می باشد. برای جلوگیری از شکستن شیشه ها می توان در فواصل معینی بین آن ها یک فاصله نگه دار (از جنس شیشه و به پهنای حدود یک سانتی متر) قرار داد، و سپس در بین دوجداره خلاء ایجاد کرده و یا این فضا را با گازی که هدایت حرارتی پائینی دارد (مانند آرگون) پر نمود.
3. کاهش فرار حرارت از سطح جذب کننده با استفاده از یک سطح گزیننده طول موج:
یک "جسم سیاه" ایده آل در تمام گستره طول موج ها، جذب کننده و در عین حال پخش کننده کاملی می باشد. رنگ سیاه مات(که معمولاً برای رنگ کردن سطوح جذب کننده در جمع کننده های خورشیدی معمولی مورد استفاده قرار می گیرد) مانند یک جسم سیاه رفتار کرده و تقریباً تمامی امواج طیف نور خورشید را جذب کرده ، و پس از بالا رفتن دمای سطح جذب کننده ، تقریباً تمامی اشعه حرارتی فروسرخ (مربوط به دمای سطح جذب کننده را) گسیل می کند. قسمت اعظم این اشعه فروسرخ از طریق شیشه بالای جمع کننده به فضای بیرون تشعشع می شود؛ در نتیجه از این طریق، بخش قابل ملاحظه ای از انرژی فرودی مجددا به فضای خارج برگشته و از دست می رود.
یکی از راه های جلوگیری از فرار حرارت به طریق تشعشع، استفاده از سطوح گزیننده طول موج (Wavelength Selective Surfaces) می باشد. یک سطح گزیننده طول موج خوب در گستره طول موج

[ریپورتر]

های طیف خورشید مانند یک جسم سیاه رفتار کرده و جذب کننده خوبی می باشد؛ اما در گستره طول موج های بلند (امواج فروسرخ) مانند یک جسم به اصطلاح "سفید" رفتار کرده و دارای ضریب گسیل پائینی می باشد.
لایه های نازک از موادی مانند نیکل سیاه، مس سیاه، کروم سیاه، و چند ماده دیگر که مورد بررسی قرار گرفته اند، تا حدود زیادی در جلوگیری از فرار حرارت به طریق تشعشع از سطح جذب کننده موفق بوده اند.
لایه های گزیننده طول موج معمولا به روش های شیمیایی و یا الکتروشیمیایی در روی زیرلایه های فلزی جایگذاری می شوند.
1. کاهش فرار حرارت از جمع کننده با استفاده از لایه آیینه حرارتی:
لایه های آیینه حرارتی (Heat-Mirror Coatings) نیز به صورتی "گزیننده طول موج" هستند؛ این لایه ها قسمت عمده گستره طول موجهای نور خورشید را از خود عبور می دهند؛ اما در مقابل طول موجهای فروسرخ (که ا سطح جذب کننده داغ تشعشع می شوند) نقش آینه را بازی کرده و آن ها را منعکس می کنند .
لایه آیینه حرارتی با استفاده از مواد"هادی شفاف" (برای مثال اکسید ایندیوم- قلع) در روی شیشه بالای جمع کننده جایگذاری می شود. به علت شفافیت بالا در گستره طول موجهای نور خورشید، این امواج از لایه عبور کرده و وارد جمع کننده می شوند؛ اما تشعشعات فروسرخی که از سطح جذب کننده گسیل می شود. در نتیجه ، این لایه ها می توانند نقش مهمی را در جلوگیری از فرار انرژی به طرق تشعشع از یک جمع کننده خورشیدی بازی کنند.
2. افزایش ضریب انتقال حرارت از سطح جذب کننده به سیال مورد نظر:
با توجه به طول متوسط مسیری که حرارت باید از طریق هدایت به آب داخل لوله ها منتقل شود (نوعاً در حدود چند سانتی متر )، بازدهی این فرایند نسبتا پایین می باشد.
یک ورقه به صورت کرکره درآورده شده و در چند نقطه به یک ورقه مسطح دیگر جوش داده می شود . در انتهای دو طرف بالا و پایین این مجموعه، مسیرهای آب خروجی و ورودی ساخته شده اند. در این طرح در تمامی نقاط سطح جذب کننده مسیر انتقال حرارت از سطح به سیال مورد نظر فقط به اندازه ضخامت ورقه فلزی (حدود میلی متر) بوده، و در نتیجه بازدهی انتقال حرارت بالاتر می باشد.

اندازه سلول های خورشیدی
يک سلول فتوولتائيک واحد اصلي در يک سيستم فتوولتائيک است . سلول ها معمولاً ابعادي بين 1cm تا 10cm دارند (4/1 تا 4 اينچ) . يک سلول به تنهايي مي تواند تواني حدود 1 تا 2 وات و ولتاژ 4/0 تا 5/0 وات توليد کند که اين توان براي بيشتر کاربردها کافي نمي باشد . مي توان با اتصال سلول ها به صورت الکتريکي توان را افزايش داد که واحدهاي بزرگتري به نام مدول بوجود مي آيند و مدول ها نيز مي توانند به نوبه خود به هم متصل شده و با تشکيل واحدهاي بزرگتري به نام آرايه توان بسيار بالاتري را بوجود آورند . واژه آرايه براي کل سيستم به کار مي رود . يک آرايه براي تأمين توان مورد نياز مي تواند از 1 مدول تا چند هزار مدول تشکيل شده باشد .يک مدول معمولاً از 36 سلول ساخته مي شود که به صورت سري و موازي در رديف ها و ستون هاي مختلف قرار مي گيرند .
سلول هايي که به صورت سري قرار مي گيرند باعث افزايش ولتاژ و سلول هايي که به صورت موازي قرار مي گيرند باعث افزايش جريان مي شوند . سلول ها معمولاً در يک محفظه شفاف استات اتيل وينيل جاسازي مي شوند و يک قاب آلومينيمي و يا فولاد زد زنگ دور آنها و يک شيشه شفاف روي کل مدول قرار مي گيرند

[ریپورتر]

خاصيت مدولي و آرايه اي بدون يکي از خواص بسيار مهم سيستم هاي فتوولتائيک مي باشد . چون واحد اصلي که شناخته مي شود سلول ها هستند و با اتصال آنها مي توان هر توان دل خواهي را بدون توجه به بزرگي يا کوچکي آن بدست آورد . موادي مانند سيليکون آمورف و کادميم تولرايد که به صورت فيلم نازک ساخته مي شوند، مي توانند مستقيماً به صورت مدول ساخته شوند . اين مدول ها قادرند تواني حدود w50 را توليد کنند . با استفاده از يک باطري ذخيره کننده 12 ولتي هر کدام از يک مدول ها مي توانند توان لازم براي چراغ هاي خيابان را به وجود آورند . از اتصال اين مدول ها، آرايه ها بوجود مي آيند . در عمل آرايه هاي بسيار بزرگ چند مگاواتي وجود دارد .
مدول ها و آرايه ها به تنهايي يک سيستم سلول هاي فتوولتائيک را تشکيل نمي دهند، بلکه بايد ساختاري وجود داشته باشد تا مدول ها و آرايه ها بر روي آن نصب شده و روبه آفتاب قرار گيرند . علاوه بر آن جريان توليد شده به صورت مستقيم يا DC مي باشد و بايد دستگاهايي وجود داشته باشند تا اين جريان را به صورت قابل استفاده در مصرف کننده ها در بياورند . مثلاً جريان بايد به صورت AC بوده و ولتاژ و جريان متابق با استانداردهاي مصرف کننده ها باشد علاوه بر اين ها باطري ها و ژنراتورهايي نيز استفاده مي شوند تا توان اضافي را ذخيره و هنگامي که مورد نياز است آن را عرضه کنند (مثلاً هنگام شب و يا در مواقع ابري) . به اين تجهيزات و ساختارها، بالانس سيستم[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182264#_ftn1) گفته مي شود .

بالانس سيستم : ساختارهاي نصب
آرايه هاي فتوولتائيک بايد بر روي يک ساختار پايدار و با دوام قرار گيرند تا بتوانند در وزش باد، باران، طوفان و ديگر ناسازگاري هاي محيط مقاومت کنند. به علاوه موقيعت آنها بايد به گونه اي باشد که بتوانند به بهترين شکل درمعرض تابش مستقيم نور خورشيد قرار گرفته و بالاترين جذب انرژي را در هنگام تابش مستقيم نور خورشيد داشته باشند .
اين پايه ها به دو شکل ثابت و متحرک ساخته مي شوند (شکل2-5) پايه هاي ثابت معمولاً ساختار ساده تري داشته و هزينه ساخت و نصب آنها کمتر است. اين ساختارها داراي زاويه خاصي هستند که اين زاويه ها با توجه به عرض جغرافيايي محل مورد نظر، شيب محل و زماني هايي که نور خورشيد بيشتر است و نيز با توجه به توان مورد نياز مصرف کننده به دست مي آيد . به طور کلي ماکزيمم جذب براي هر جسمي در هنگام ظهور خورشيد است. اگر جسم با زاويه عرض جغرافياي محلي که در آن قرار دارد، در مقابل خورشيد قرار گيرد، زاويه تابش خورشيد به جسم به صورت عمودي خواهد بودو ماکزيمم جذب را در طول سال در اين حالت خواهيم داشت . بنابراين زاويه آرايه هاي فتوولتائيک نيز بايد با عرض جغرافيايي محل مورد نظر برابر بوده و جهت آن ها روبه خورشيد باشد مثلاً در نيمکره شمالي بايد رو به جنوب قرار گيرند . در اين حالت ماکزيمم جذب خورشيد را خواهيم داشت و بيشترين جذب هنگام ظهر خورشيدي خواهد بود.

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182264#_ftnref1)- Balance of system

[ریپورتر]

اگر محل مورد نصب داراي شيب باشد زاويه بايد با توجه شيب در نظر گرفته شود . مثلاً اگر شيب محل مورد نظر 25 رجه و زاويه عرض جغرافياي محل مورد نظر 50 رجه باشد پايه بايد با زاويه اي برابر با تواضل اين دو مقدار يعني 25=25-50 درجه ساخته شود . عامل موثر ديگر عامل توان مصرفي مي باشد . گاهي ممکن است در ساعت خاصي از روز مثلاً بعد از ظهر و يا قبل از ظهر و يا در فصل خاصي مقلاً زمستان يا تابستان توان مصرفي بسيار بالاتر باشد و بخواهيم پيک سيستم در آن هنگام باشد در اين حالت زاويه و جهت پايه بايد با توجه به آن حالت خاص طوري طراحي شود که نور در آن ساعت به طور عمودي بر آن بتابد تا ماکزيمم جذب را در آن ساعت روز داشته باشيم . در اين حالت راندمان مقداري پايين تر مي آيد چون همان گونه که گفته شد پيک ماکسيمم در هنگام ظهر خورشيدي رخ مي دهد .
بايد توجه کرد که هر چه محل نسب به محل مصرف نزديکتر باشد، بهتر است چون اتلاف کمتري در سيم کشي خواهيم داشت . يکي از متداولترين پايه هاي ثابت، پايه هاي قفسه اي هستند و داراي تنوع بسيار و قبليت حرکت در چند جهت مي باشند، همچنين به راحتي بر روي زمين مسطح و بامها قابل نصب هستند .
پايه هاي متحرک و يا ردياب نوع ديگر ي از پايه ها هستند که داراي ماکسيمم متحرک بوده و نور خورشيد را تعقيب مي کنند . اين پايه ها به صورت تک محوره و دو محوره ساخته مي شوند که راندمان را بالاتر مي برد، ولي به دليل ماکزيمم پيچيده تر، قيمت آنها بالاتر است .
يکي ديگر از جاهايي که آرايه هاي سلول هاي فتوولتائيک نصب مي شوند، بر روي سقف شيب دار خانه ها مي باشند . زاويه شيب سقف بايد طوري طراحي شود که براي سلول ها منا سب باشد و يا اگر خانه هاي ساخته شده را در نظر بگيريم مي توان سيستم را با زاويه مناسبي نصب کرد بايد توجه کرد که مدول ها در قسمتي از سقف که سايه روي آن وجود دارد، نصب نشوند .چون سقف خانه ها داراي فضاي وسعي است، نصب آرايه بر روي آن راحت است و محدوديت مکان را نداريم همچنين با نصب سيستم روي سقف خطرات احتمالي به دليل عدم دسترسي کاهش مي يابد . جهت نصب آرايه بايد روبه جنوب باشد .اگر سقف جهت مورد نظر را دارا نباشد، سلول ها مي توانند بر روي ديوار جنوبي نصب شوند و از همان ساختار استفاده کنند .
مدول ها مي توانند حتي هنگامي که تابش مستقيم خورشيد وجود ندارد الکتريسيته توليد کند . تابش آسمان آبي ابري حدود 50/، پيک خورشيد است و در يک آسمان ابري همراه با باران حدود10 الي20 درصد پيک خورشيد خواهد بود (پيک خورشيد ماکسيمم تابش خورشيد در طول روز است و ساعات پيک خورشيد ساعاتي از روز هستند که مقدار تابش بزرکتر يا مساوي پيک خورشيد – معمولاً 1000 وات بر متر مربع مي باشد) .

[ریپورتر]

سايه نيز عامل بسيار مهمي در پايين آمدن راندمان سيستم مي باشد . آرايه ها نبايد در جايي که سايه درختان و يا ساختمان ها وجود دارد، نصب شوند . مهم است که بدانيم حتي اگر يک سلول در سايه قرار گيرد، خروجي کل مدول تحت تاثير قرار مي گيرد و به ميزان چشم گيري کاهش مي يابد . تنها راه حل اين است که از تک مدول ها (سيليکن آمورف و کادميم تولرايد) استفاده کنيم که سايه در قسمتي از آنها بر کل راندمان تاثير زيادي ندارد . بهتر است تا حد امکان از قرار دادم سيستم در سايه اجتناب کرد .
دما
تصور نادرست رايجي که وجود دارد اين است که براي توليد الکتريسيته توسط يک سلول خورشيدي گرما لازم است . افزايش دما باعث افزايش مقاومت و کاهش ولتاژ در سلول هاي سيليکني و همچنين کاهش قدرت جذب سلول و در نتيجه کاهش جريان توليد و در نهايت کاهش راندمان مي شود . آب و هواهاي گرم نسبت آب و هواي سرد به مدول هاي سلول هاي فتوولتائيک با ولتاژ ماکسيمم بالاتري نياز دارند . در آب و هواي سرد مقاومت کاهش يافته و ولتاژ افزايش مي يابد .
جريان باد
تمام پايه هاي مدول هاي سلول هاي فتوولتائيک به نحوي باشد که جريان هوا در اطراف مدول ها وجود داشته باشد .گردش هوا و جريان باد باعث خنک شدن مدول به صورت طبيعي و در نتيجه عمل کردن مدول در دماي پايين تر و افزايش راندمان خواهد شد اگر منطقه مورد نظر داراي موقعتي است که بادهاي شديد در آن مي وزند بايد توجه شود که پشت مدول به صورت بدون پوشش نباشد .
بادهاي شديد و نيز بادهاي شمالي در طول زمستان باعث به وجود آمدن نيروي بالابرنده در پشت مدول مي شوند که اين نيروها مي توانند به اندازه کافي قوي باشند تا باعث آسيب جدي مدول شوند .اگر مدول ها به فاصله چند اينچ از يک ديگر نسب شوند آسيب هاي احتمالي ناشي از باد مي تواند تا مقدار زيادي کاهش يابد .
انتخاب مدول ها
انتخاب مدول ها با توجه به توان مورد نياز تصميم مهمي است . ولتاژ هر سلول فتوولتائيک حدود 4/0 تا 5/0 ولت در توان مجاز مي باشد و اين بدان معناست که يک مدول با 36 سلول حدوداً 16 ولت را در توان مجاز دارا خواهد بود . مدول هاي سلول هاي فتوولتائيک بر اساس تعداد سلول هاي بکار رفته در آنها و يا بر اساس ولتاژ در توان پيک (پيک خورشيدي) vpp به سه دسته تقسيم مي شوند :
1- مدول ها با ولتاژ پايين

[ریپورتر]

1- مدول ها با ولتاژ متوسط
2- مدول ها با ولتاژ بالا
که هر کدام براي استفاده در موارد خواصي مناسب هستند .
مدول ها با ولتاژ پايين
اين مدول ها با ولتاژي در حدود 5/14 ولت توليد مي کند و گاهي به نام مدول هاي خود به خود تنظيم شونده نيز خوانده مي شوند چون احتياج به رگولاتور تنظيم کننده ندارند . اين مدول ها براي استفاده در طول سال در نواحي با آب و هواي سرد و تميز که بيشترين توان در ماهاي سرد زمستان مورد نياز است (مانند کانادا) بسيار ايده آل هستند . اين مدول ها براي استفاده در سيستم هايي مانند کابين ها و يا وسايلرفاهي که احتياج به تنظيم کننده ( رکولاتور ) ندارند مناسب هستند . اين سيستم ها در آب و هواي گرم قادر به شارژ کامل باتري نيستند.
مدول ها با ولتاژ متوسط
اين مدول ها ولتاژي در حدود14 ولت توليد مي کنند و براي استفاده در طول سال مناسب هستند . در تابستان که دماي سلول بالا مي رود ولتاژ به اندازه کافي براي شارژ کامل باتري بالا است.
اين سلولها براي استفاده در سيستم هاي بزرگتر که احتياج به سيم کشي هاي طولاني دارند، انتخا مناسبي هستند.( در سيم کشي هاي طولاني مقذاري افت ولتاژ داريم که با توجه به ولتاژ نسبتاً بالاي سيستم عمل مي کند).

مدول ها با ولتاژ بالا
اين مدول ها ولتاژي حدود5/17 ولت و يا حتي بالاتر توليد مي کنند و براي استفاده در نواحي گرم و شارژ باتري و يا اتصال نستقيم به موتور مصرف کننده ( مثل اتصال به موتور پمپ هاي آب) مناسب هستند اين مدول ها براي جاهاي که سيم کشي طولاني و يا فاصله طولاني وجود دارد و در سيستم هاي که احتياج به تشديد کننده دارند نيز مناسب هستند .
معايب و مزاياي سلول هاي فتوولتائيک
تکنولوژي فتوولتائيک يک منبع بي خطر براي توليد انرژي برق مي باشداين تکنولوژي مزاياي بسياري نسبت به روش فعلي توليد برق دارد که در زير به آن مي پردازيم .

[ریپورتر]

1- انرژي خورشيدي مهم ترين منبع قابل تجديد انرژي بر روي کره زمين است . نگراني هايي که در مورد سوخت هاي فسيلي و هسته اي وجود دارد . در مورد اين منبع انرژي بي معنا است اين انرژي مانند سوخت هاي فسيلي تمام نمي شود و يا مانند سوختهاي هسته اي داراي ضايعات اتمي نمي باشد.
2- سيستم هاي خورشيدي معمولاً داراي ضريب ايمني بسيار بالا مي باشند .
3- توان فتوولتائيک مي تواند در هر نقطه از کره زمين بوسيله خورشيد توليد شوند (مناطق گرم استوايي، مناطق با آب و هواي معتدل يا حتي سرد، شهرها و روستاها علي خصوص مناطق دور افتاده از شبکه برق رساني) .
4- سلول هاي فتوولتائيک منبعي از انرژي هستد که به سوخت احتياج ندارند در نتيجه آلودگي ناشي از سوخت هاي فسيلي مانند دي اکسيد کربن منوکسيد کربن و همچنين آلودگي هاي مضر ناشي از سوخت هاي هسته اي و غيره را نيز ندارند .بطور کلي سلول هاي فتوولتائيک هيچ کونه آلودگي محيط زيستي را در بر ندارند و به عنوان تميزترين و سالمترين نوع انرژي شناخته شده اند به عنوان مثال درکشور انگلستان به ازاي هر کيلو وات الکتريسيته توليد شده توسط فتوولتائيک در يک سال توضيع دي اکسيد کربن 1 تن کاهش مي يابد
5- تکنولژي فتوولتائيک به دليل خاصيت مدولي بودن قابل ساخت در اندازه هاي مختلف و قابل گسترش تا انداره هاي بسيار بزرگ مي باشد فتوولتائيک تنها منبع انرژي است که مي تواند توان مورد نياز را مقياسي در حدود ميلي وات تا مگا وات به راحتي و با هزينه اقتصادي مناسبي تهيه کنند يک سلول فتوولتائيک در پيک تابش خورشيد تواني حدود 1/5wp توليد مي کند که جريان به صورت dc مي باشد . يک مدول فتوولتائيک مي تواند 50wp را توليد کند .بزرگترين شبکه فتوولتائيک جهان با مدول هاي متعدد در نيروگاهي در ايتاليا واقع است که تواني حدود 3/3mwp را توليد مي کند (منظور از wp توان توليد شده بر حسب وات در پيک خورشيد مي باشد) .
6- حجم ماده بکار رفته در اين سلول ها کم بوده آنها نسبتاً آسان است .
7- سلول ها و مدولهاي فتوولتائيک داراي هيچ قسمت متحرکي نيستند پس هيچگونه اتلافي در اثر اضطحکاک دا آنها وجود ندارد.
8- هيچ گونه ضايعاتي را بوجود نمي آورد و ماده مورد استفاده در آنها بي خطر و غير سمي مي باشند و در ضمن هيچ تشعشعي از خود صادر نم کنند.

[ریپورتر]

1- بسيار آرام و ساکت کار مي کنند و در حين کار هيچ صدايي توليد نمي کنند پس آلودگي صوتي که در اکثر مکانيزم هاي مکانيکي و الکتريکي وجود دارد در اين سيستم ها وجود ندارد .
2- مانند ساير دستگاه ها که در دماي نسبتاً بالا کار مي کنند احتياج به آب خنک کننده ندارند .
3- اين سلول ها داراي قابليت اعتماد بالاي بوده و به آساني قابل استفاده هستند نصب آنها ساده است و اگر درست نصب شوند به هيچگونه تجهيزات اضافي و يا خدمات بعدي احتياج ندارند.
4- اين سلول ها عمر زيادي دارند اکثر سلول هاي خورشيدي تجاري به مدت 25 سال گارانتي دارد اغلب وسايل اضافي مانند باتري هاي که براي ذخيره انرژي بکار مي روند عمر کوتاهتري دارند و ممکن است نياز به تعويض و يا سرويس داشته باشد..
5- اين سلول ها نماي نامناسب خارجي ندارند و حتي اگر به اندکي دقت طراحي شوند مي توانند از نظر معماري به زيبايي نماي ساختمان هم کمک کنند .
معايب سلول هاي خورشيدي
بطور کلي سه اشکال در اين سلول ها وجود دارد .
1- تفاوت و تغيير نور خورشيد در فصول مختلف سال انرژي خورشيدي در طول شب بي معنا است و متأسفانه تجهيزات ارزان قيمت و روش هاي کارآمدي براي ذخيره انرژي الکتريکي وجود ندارد که اين يکي از عواملي است که اغلب که باعث توقف در رشد و گسترش اين سيستم ها مي شود براي کاربردهاي جداگانه را معمولاً نچندان بزرگ باتري هاي قابل شارژ تنها وسايل عملي براي ذخيره انرژي برق مي باشند در اين رابطه بايد پيشرفت هاي در زمينه الکترونيک براي انتقال و ذخيرهانرژي الکتريکي صورت گيرد .
مشخصه ديگرناشي از تغيير خورشيد در فصول مختلف سال که گاهي به عنوان يک مشکل نيز در نظر گرفته مي شود، چگال پايين توان است. تواني که توسط سطح زمين جذب مي شود بطور متوسط بين شب و روز و تابستان و زمستان 100 در يک منطقه معتدل 300 در خط استوا تغيير مي کند . بنابراين همه تکنولوژي هاي خورشيدي احتياج به تبديل کننده هاي خورشيدي و يا متمرکز کنندهاي اپتيکي دارند تا مقدار توان را به مقدار قابل را به مقدار قابل توجهي بالاتر ببرند. به عنوان مثال جنوب کشور انگلستان حدود 1 (1 تن وات ساعت بر کيلومترمربع در سال) انرژي دريافت مي کند. بنابراين براي تأمين

[ریپورتر]

برق مصرفي اين کشور که حدوداً 350 است به منطقه اي با مساحت 2500 نياز داريم تا با مدول هاي فتوولتائيک با راندمان حدود 15 درصد پوشانده شود . يکي از روش هاي مناسب اين است که مدول ها بر روي سقف خانه ها نصب شوند. هنگام نصب بايد توجه شود که مدول در سايه نباشد .
2- قيمت بالاي سلول هاي فتوولتائيک، مشکل عمده اين سيستم ها است. سازندگان اين سلولها از يک عملکرد پيچيده استفاده مي کنند که رشد دقيق کريستال و درجه خلوص بالا و فرآيند متعددي مورد نياز مي باشد. تمام اين فرآيند ها باعث مي شود قيمت سلولها بالا رود . البته با رشد بازار و توليد بيشتر اين سلولها، قيمت آنها نسبت به 20 سال گذشته 5 ال 6 برابر و نسبت به اولين سلول ها به کار رفته در فضا 15 الي 20 برابر کاهش يافته است .
3- سومين مشکل که سيستم فتوولتائيک با آن مواجه است، ناديده گرفتن آن توسط تکنولوژي فعلي و مردم است . حتي اگر مصرف کنندگان از مزاياي سيستم فتوولتائيک مطلع شوند به ندرت مي توانند يک سيستم (Plug & Play) را بر روي سقف خانه خود نصب کنند . تکنولوژي فتوولتائيک بر سر دو راهي قرار گرفته است . اين تکنولوژي از نظر سرعت رشد دومين تکنولوژي در جهان مي باشد ولي هنوز براي برخي ناآشنا و از نظر آنها حتي امتحان نشده است .
کاربردهای انرژی خورشید
1. استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی.
2. تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک.
استفاده از انرژی حرارتی خورشید
این بخش از کاربردهای انرژی خورشید شامل دو گروه نیروگاهی و غیر نیروگاهی می‌باشد.
نيروگاه هاي حرارتي خورشيدي
کره زمين تنها بخش بسيار کمي از پرتوهاي خورشيد را دريافت مي دارد . ميزان انرژي خورشيدي دريافتي در سطح کره زمين حدود 104 48/5 ژول در سال است . که اين رقم حدوداً 15000 بار بيشتر از انرژي سالانه جهان است]1[ . شدت پرتوهاي خورشيدي در خارج از اتمسفر زمين بسيار کم و حدود

[ریپورتر]

37/1 است تابش خورشيدي[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftn1) به دو مؤلفه پرتو مستقيم و پرتو پراکنده[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftn2) تقسيم مي شود. مي توان با متمرکز نمودن پرتوهاي مستقيم متفرق نشده شار تابشي بالاتري بدست آورد .
وضعيت خورشيد در آسمان که هندسه آن نسبت به يک نقطه در روي سطح زمين است، در طول روز و سال دائماً با زمان تغيير مي کند، در نتيجه اين تعييرات تابش نيز تغيير کرده و موجب تغييرمقدار انرژي خورشيد دريافتي در نقاط مختلف کره زمين مي گردد . به علاوه، شرايط آب و هوايي اثر بسيار محسوسي بر کل انرژي قابل دسترس در يک منطقه دارد . ابرها متراکم نيز موجب کاهش تابش کلي شده و باعث مي شود که تنها مؤلفه پراکنده تابش در سطح زمين دريافت گردد .
اساساً توليد الکتريسته از انرژي خورشيدي به دو روش مستقيم و غير مستقيم صورت مي گيرد . در روش مستقيم، انرژي خورشيدي مستقيناً توسط سلول هاي خورشيدي به الکتريسيته تبديل مي شود که به آن سيستم فتوولتائيک مي گويند . در روش غير مستقيم ابتدا انرژي خورشيد به انرژي حرارتي تبديل شده و سپس از طريق يک سيکل ترموديناميکي، انرژي حرارتي به انرژي الکتريکي تبديل مي گردد که به آن سيستم حرارتي خورشيدي گفته مي شود .
توليد الکتريسته در نيروگاه هاي حرارتي خورشيدي در مقايسه با سيستم هاي فتوولتائيک اقتصادي تر است . مهمترين اين نيروگاه ها عبارتند از :
- نيروگاه سهمومي خطي[3] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftn3)
- نيروگاه دريافت کننده مرکزي[4] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftn4)
- نيروگاه دودکش خورشيدي[5] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftn5)
- بشقابک استرلينگ[6] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftn6)
- استخر خورشيدي[7] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftn7)

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftnref1)- Solar Insulation

[/URL]-[2] Diffuse

[U][3] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftnref2) - Parabolic Trough

[4] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftnref4) - Central receiver

[5] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftnref5) - Solar Chimney

[6] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftnref6) - Dish Stirling

[7] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftnref7) - Solar pond

[ریپورتر]

در چهار نوع اول اين نيروگاه ها، ابتدا پرتوهاي مستقيم خورشيد با استفاده از سطوح انعکاسي روي يک دريافت کننده متمرکز شده و سپس انرژي گرمايي دريافت شده توسط سيال عامل موجود در دريافت کننده جذب و سرانجام به کمک تجهيزات وسيستم هاي تبديل کننده گرما به الکتريسيته تبديل شده و از طريق فرآيندهاي ترموديناميکي برق توليد مي شود . در نوع پنجم از انرژي گرمايي ذخيره شده در موارد و عملکرد گرمايشي آن استفاده مي شود .
احداث نيروگاه هاي حرارتي خورشيدي[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftn1) بسيار خوب مناسب است . مشخصه اين نواحي، تابش سالانه خورشيدي حداقل 1700مي باشد .
کليات نيروگاه هاي حرارتي خورشيدي از نوع سهموي خطي
در نيروگاه هاي سهموي خطي، توليد الکتريسيته شبيه نيروگاه هاي معمولي فسيلي است که با سيکل هاي ترموديناميکي رايج مثل سيکل رانکين کار مي کنند، امل به جاي استفاده از سوخت فسيلي، از يک سيستم خورشيدي جهت توليد بخار استفاده مي شود . ميدان کلکتورهاي خورشيدي همراه با سيستم کنترل، مولد بخار و سوپرهيتر خورشيدي اجزاي اصلي بخش خورشيدي است . کلکتورهاي مجهز به سيستم رديابي مي باشند که حرارت خورشيد را رديابي کرده، در جهت دريافت حداکثر اشعه تابشي خورشيدي قرار مي گيرند

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182266#_ftnref1) -Solar Themah Power Plants(STPP)

[ریپورتر]

کلکتورهاي سهمومي خطي به دو نوع استوانه اي و کروي تقسيم مي شوند . در نوع استوانه اي کلکتور با ردگيري تک محوري، تشعشع مستقيم خورشيد را روي خط کانوني متمرکز کرده و سپس حرارت به سيال انتقال دهنده حرارت[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182536#_ftn1)(مثلاً روغن) که در لوله جاذب واقع در خط کانوني کلکتور در جريان است، منتقل مي شود و از طريق آن انرژي به تجهيزات توليد بخار ارسال مي گردد . در اين نيروگاها با توجه به اين که سطح موثر کلکتور چندين برابر سطح لوله جذب کننده انرژي خورشيد است، شار انرژي تشعشعي بر واحد سطح چندين برابر افزايش مي يابد و مي توان در لوله جذب کننده به دماي بالاتري در مقايسه با شار عادي تشعشع خورشيد، دست يافت . در صنعت خورشيد اين نوع کلکتور يک سيستم دماي متوسط محسوب مي شود و تا نسبت تمرکز 100 از دماي oC450 قابل حصول است . در نوع کروي،تابش خورشيد از دو محور ردگيري شده و رد نتيجه روي نقطه اي به نام نقطه کانوني متمرکز مي گردد و سپس بطور مشابه سيال انتقال دهنده حرارت و پس از آن به تجهيز توليد بخار ارسال مي گردد .
در شکل 43-2 ملاحضه مي شود که يک تانک ذخيره روغن در سيکل خورشيدي قرار دارد که هدف از بکار گيري آن، ذخيره انرژي در مواردي است که انرژي خورشيد کم است يا وجود ندارد . مثلاً در مواقع ابري يا پس از غروب آفتاب . ميزان ذخيره انرژي با توجه به ملاحظات اقتصادي و شرايط آب و هوايي تعيين مي گردد . در بسياري از موارد به جاي تانک ذخيره از منبع انرژي فسيلي همراه با سيستم خورشيدي

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182536#_ftnref1) - Heat transfer fluid

[ریپورتر]

استفاده مي شود، که در اين حالت سيستم اصطلاً تلفيقي يا هيبريد ناميده مي شود و بسته با پارامترهاي مختلف، عمداً اقتصادي، مي توان انرژي فسيلي را از طريق بويلر کمکي فسيلي ،سوپرهيتر فسيلي يا حتي گرمکن روغن فسيلي تأمين نمود .
اجزاءنيروگاهاي سهموي خطي
يک نيروگاه خورشيدي از نوع سهموي خطي از اين تجهيزات و سيستم ها تشکيل يافته است :
الف- اجزاء مجموعه کلکتورهاي سهموي خطي
1) منعکس کننده از نوع آيينه هاي سهموي
2) مجموعه از دريافت کننده تابش خورشيدي که پرتوهاي منعکس شده را جذب کرده،موجب گرمايش سيال انتفال دهنده گرما مي گردد . معمولاً گيرنده، يک لوله فلزي با جذب کنندگي بالا و ضريت صدور تشعشعي پايين مي باشد که در داخل يک لوله شيشه اي کوارتز تقريباً خلاء مسدود گرديده است . سطح خارجي لوله معمولاً توسط موادي که داراي ضريب تشعشعي پايين مي باشند پوشش داده شده و بدين طريق اتلاف گرما از طريق تشعشع تا حد امکان کاهش مي يابد . لوله هاي شيشه اي نيز به منظور جلوگيري از اتلاف گرما از طريق جابجايي مورد استفاده قرار مي گيرند لوله هاي فلزي جذاب گرما بايد داراي اتصالات انتهايي انعتاف پذيري باشند به گونه اي که قابليت حرکت آنها در طول سيکل رد گيري خورشيد حفظ گردد . سيال انتقال دهنده گرما معمولاً از نوع روغن هاي گرمايي[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182537#_ftn1)(پايه دار تا دماي 300 درجه سانتي گراد) و يا روغن مصنوعي[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182537#_ftn2) (پايه دار تا دماي 400 درجه سانتي گراد ولي بسيار گران تر، در حدود 10 برابر قيمت روغن هاي گرمايي) انتخاب مي گردد . استفاده از آب/بخار به عنوان سيال انتقال دهنده گرما نيز موضوع تحقيقاتي کنوني است .
از مزاياي استفاده از روغن به عنوان سيال اصلي انتقال دهنده گرما پايين بودن فشار بخار آن مي باشد که البته مي توان تجهيزات و سيستم هاي مربوطه را در فشارهاي پايين تر از 5 بار طراحي و مورد بهره برداري قرار دارند .
3) مکانيزم حرکت دهنده (تک محوري) کلکتورهاي سهمويي به منظور رديابي خورشيد و کنترل کننده ها .
4) اسکلت فلزي نگهدارنده و فونداسيون

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182537#_ftnref1) - Themo-oil

[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182537#_ftnref2) - Synthetic-oil

[ریپورتر]

کلکتورهاي سهمويي خطي را مي توان در جهت شرقي–غربي و يا در جهت شمالي – جنوبي قرار داد . چنانچه در جهت شمالي – جنوبي قرار داده شوند معمولاً انرژي سالانه کمي بيشتري را تأمين مي کنند اما در فصل زمستان گرماي بسيار پاييني را تأمين خواهند کرد قرار دادن کلکتورها در جهت شرقي – قربي انرژي نسباً ثابتي را در طول سال تأمين مي نمايد .
ب- اجزاء سيستم هاي مربوط به توليد قدرت الکتريکي
1) تجهيزات مربوط به انتقال گرما که سيال انتقال دهنده گرما را درون کلکتورها به گردش در مي آورد و انرژي گرمايي گرد آمده را براي توليد الکتريسيته به محل مرکزي انتقال مي دهند .
2) تجهيزات مربوط به ذخيره سازي انزژي گرمايي که انرژي گرد آمده را به عنوان گرماي مفيد ذخيره مي سازد .
3) تجهيزات مربوط به توليد الکتريسيته و دفع گرمايي تاف شده به محيط خارج
نیروگاه های خورشیدی segs بر اساس استفاده از انرژی گرمایی پرتوهای خورشیدی بعنوان منبع اصلی تامین کننده انرژی مورد نیاز آنها و بکار گیری سیستم های سیکل بخار باز گرمایش رانکین نیروگاه های متداول فسیلی طراحی و ساخته شده اند یک نیروگاه segsاساسا شامل یک مزرعه خورشیدی و یک سیستم تولید بخار و ژنراتور می باشد.

[ریپورتر]

مزرعه خورشيدي
مزرعه خورشيدي از تعداد زيادي از مدارهاي موازي کلکتور انرژي خورشيدي که مستقل است يکديگر مي باشند، تشکيل يافته است . هر يک از مدارها بصورت مدور از مجموعه کلکتورهاي خورشيدي ساخته شده اند که متشکل از تعدادي آيينه و لوله جاذب گرما در محور کانوني بوده و تمامي ساختمان آنها بر روي يک اسکلت فلزي قرار داده شده که چرخش آن را حول محور افقي اش فراهم مي سازد و ردگيري حرکت خورشيد به وسيله سنسورهاي الکتريکي مناسب انجام مي شود .
منعکس کننده هاي سهموي خطي
منعکس کننده هاي سهموي از قطعات آيينه هاي شيشه اي ساخته شده اند . بطوري که حدود 94 درصد پرتوهاي خورشيدي تابيده شده را بر روي محور کانوني متمرکز مي سازند .
جرء کلکتور گرما
گرما به عنوان قلب مزارع خورشيدي نيروگاه هاي segs بوده و اهميت به سزايي در عملکرد کلکتورهاي سهمويي خطي دارند هر يک از اين جزءها يک لوله مدولار بوده که متشکل از يک لوله فلزي جاذب گرما، يک لوله شيشه اي کوارتز به عنوان لفاف لوله فلزي و اجزاي آبندي طرفين لوله مي باشد، با انتخاب پوشش مناسب براي لوله هاي جاذب گرما تا 97 درصد مؤلف هاي مستقيم پرتوهاي خورشيدي جذب مي شود

[ریپورتر]

تجهيزات کنترل و رديابي خورشيدي
سيستم کنترل با تشخيص موقعت کلکتور نسبت به خورشيد شامل سه قسمت مي باشد : تجهيزات کنترل کننده تمامي مزرعه، تجهيزات کنترل کننده محلي براي هر يک ازمجموعه کلکتورها و تجهيزات محلي مشخص کننده وضعيت کلکتورها تجهيزات کنترل کننده تمامي مزرعه به طور اتوماتيک وضيعت پرتوهاي خورشيدي را کنترل کرده و دستور بهره برداري و يا خاموشي کلي و يا جزئي نيروگاه را صادر مي کند . اين کنترل توسط يک کامپيوتر مرکزي است که از طريق ارتباط با کنترل کننده هاي محلي انجام مي گيرد به علاوه اين کامپيوتر به عنوان ابزار مديريت انرژي نيز براي بهره بردار به شمار مي آيد .کنترل کننده هاي محلي که براي هر يک از مجموعه کلکتورها، يک واحد از آن در نظر گرفته شده است، پس از دريافت دستور از کامپيوتر مرکزي، وضعيت مجموعه کلکتور مربوطه را مشخص کرده و دستور رديابي خورشيد را صادر مي کند . به علاوه مقادير مجاز دماي جريان سيال انتقال دهنده گرما از نظر ايمني، توسط کنترل کننده هاي محلي کنترل مي گردد.
اين تجهيزات براي قرار دادن کلکتورها در وضعيت مطلوب، خورشيد را دريک محور، رديابي کرده و باعث مي شوند پرتوهاي مستقيم بر روي جزء کلکتور گرما متمرکز کردند . اين سيستم از يک دستگاه حساس خورشيدي و دستگاه ساده حرکت دهنده هيدروليکي تشکيل يافته است و مي تواند کلکتورها را با دقت 1/0 درجه در جهت مستقيم پرتوهاي خورشيدي قرار دهد . سطح کل آيينه ها در اين نيروگاه در حدود 480000 متر مربع مي باشد . هر يک از مدارها مستقل بوده و به موازات ديگر مدارها، سيال انتقال دهنده گرما را گرم و آن را در مبدل ها به گردش در مي آورند .
سيستم توليد بخار و توليد قدرت
فرآيند توليد بخار شامل پيش گرم کردن آب تغذيه، توليد بخار و سوپرهيت کردن آن، درسه مبدل حرارتي مجزا صورت مي گيرد . دماي نهايي بخار 371 درجه سانتي گراد و فشار آن 100 برابر مي باشد، پس از عبور بخار از توربين فشار قوي به مبدل حرارتي چهارم (باز گرمکن) هدايت مي گردد و مجدداً سوپرهيت شده و به توربين فشار ضعيف فرستاده مي شود . دماي بخار خروجي از باز گرمکن برابر همان دماي بخار اصلي يعني 371 درجه سانتي گراد مي باشد . بخار خروجي از توربين فشار ضعيف پس از عبور از کندانسور مجدداً وارد سيکل مي شود .
در نيروگاهاي اوليه segs يک ديگ بخار کمي با سوخت گاز، در نظر گرفته شده بود تا در مواقعي که مزرعه خورشيدي قادر به تأمين بخار مورد نياز توربين بخار نباشد، بخار مزبور را تهيه نماييد

[ریپورتر]

تلفيق نيروگاهاي سيکل ترکيبي و خورشيدي
با به کار گيري مزاع خورشيدي نيروگاهاي segs در نيروگاهاي سيکل ترتيبي، مي توان راندمان کليه سيکل نيروگاه را افزايش داده و از انعطاف پذيري بسيار خوبي در زمينه بهره برداري نيروگاه تلفيقي بهره مند گرديد در نيروگاه تلفيقي، سيکل توربين گاز تغييري نکرده و بخار عموماً با استفاده از مزارع خورشيدي و با جا نشين شدن آن (ديگ بخار کمکي) توليد مي گردد . دود خروجي از توربين باز که در يک بخار بازياب جريان پيدا مي کند تنها به منظور پيش گرم کردن آب تغذيه خروجي از کندانسور سيکل بخار و سوپرهيت نمودن بخار توليدي در اپراتور مي باشد .

نظر به اين که سوپرهيت کردن بخار توليدي توسط سيستم هاي خورشيدي انجام نمي گيرد .
بنابراين دما و فشار بخار توليدي در اپراتور مي تواند به نهوه چشم گيري در مقايسه با سيکل ترکيبي منفرد و يا سيستم خورشيدي منفرد، افزايش داده مي شود که به نوبه خود موجب افزايش راندمان نيروگاه مي گردد .
نيروگاهاي تلفيقي از انعطاف پذيري بسيار خوبي برخوردار بوده بطوري که مي توان از انرژي خورشيدي تنها يا انرژي سوخت فسيلي تنها و يا توربين گاز تنها، دربهره برداري نيروگاه استفاده نمود که اين امر موجب افزايش ظرفيت و ميزان کارآيي نيروگاه خواهد بود

[ریپورتر]

تکنولژي ذخيره سازي انرژي
همان طور که قبلاً ذکر شد انرژي تابشي خورشيد به کمک سيستم هاي مختلف دريافت و به انرژي الکتريکي تبديل مي گردند اما شدت تابش خورشيد بسته به ساعات مختلف در طول شبانه روز، شرايط جويي و در طول فسول مختلف مرتباً در نوسان بوده و در نتيجه ميزان انرژي دريافتي نيروگاه نيز متعاقباً تغيير مي کند لذا مي بايست جهت رفع اين نوع نوسانات و جلوگيري از اتلاف انرژي دريافتي مازاد، از ساعات آفتابي جهت کم بود انرژي در ساعات ديگر بهره گرفت . اين مهم، توسط سيستم هاي ذخيره سازي انرژي امکان پذير مي باشد . سيستم هاي ذخيره سازي انرژي از نظر نحوه ذخيره انرژي در داخل يا خارج سيکل نيروگاه به دو گروه اصلي سيستم هاي ذخيره سازي داخلي و سيستم هاي ذخيره سازي خارجي تقسيم مي شوند .
سيستم هاي ذخيره سازي داخلي
در اين سيستم متابق با شکل زير انرژي دريافتي مازاد به صورت انرژي حرارتي در موارد واسطه مختلف و يا به صورت انرژي شيميايي در واکنش هاي برگشت پذير ذخيره مي گردد . از اين انرژي ذخيره شده براي تأمين حرارت مورد نياز سيکل توليد بخار نيروگاه در ساعات پيک مصرف استفاده مي شود . اين نوع ذخيره سازي در نيروگاهاي حرارتي خورشيدي توسعه مي شود .

[ریپورتر]

سيستم ذخيره سازي خارجي
در اين سيستم مطابق با شکل زير کليه انرژي هاي دريافتي به انرژي الکتريکي تبديل شده، سپس مقدار انرژي الکتريکي مازاد بر مصرف به صورت هاي مختلف نظير شارژ باطري يا به صورت انرژي پتانسيل در آب، هوا و سيالات ديگر ذخيره مي شود . سيستم هاي ذخيره سازي خارجي قالباً در نيروگاهاي قتوولاتائيک بکار مي روند



کليات نيروگاهاي حرارتي خورشيدي از نوع در يافت کننده مرکزي
در اين نيروگاها، پرتوهاي خورشيدي توسط مزرعه اي متشکل از تعداد زيادي منعکس کننده بر روي ديگر دريافت کننده که در بالاي برج نسبتاً بلندي استقرار يافته، متمرکز مي گردد . اين منعکس کننده هاي هليوستات [1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182543#_ftn1) خوانده مي شود . انرژي گرمايي متمرکز شده در دريافت کننده توسط سيال جاري آن جذب شده و به کمک مبدل هاي حرارتي به سيستم آب و بخار متداول در نيروگاهاي بخار منتقل مي گردد و توسط توربين بخار ژنراتور به توان الکتريکي تبديل مي شود .
در نيروگاهاي حرارتي خورشيدي با دريافت کننده مرکزي، پرتوهاي نور خورشيد توسط هليوستات به صورت متمرکز بر روي يک مبدل يا دريافت کننده مرکزي نصب شده بر روي يک برج بلند تابانيده مي شود.

تجهيزات عمده نيروگاهاي دريافت کننده مرکزي
تجهيزات اصلي تشکيل دهنده نيروگاهاي حرارتي خورشيدي از نوع دريافت کننده مرکزي بدين شرح مي باشند :
-سيستم کلکتور پرتوهاي خورشيدي شامل مزرعه از هليوستات ها
-دريافت کننده مرکزي که گرماي پرتوهاي خورشيدي را جذب و قابل استفاده مي نمايد .
- دريافت کننده ها يا از نوع جذب کننده بيروني و يا از نوع حفره اي مي باشند که در نوع اول تمرکز پرتوهاي خورشيدي مستقيماً بر روي سطوح لوله هاي دريافت کننده مي باشد ولي در نوع حفره اي سطوح لوله هاي گيرنده در داخل محفظه اي محصور بوده و پرتوهاي خورشيدي از طريق حفره اي که در سطح محفظه پيش بيني مي شود به داخل محفظه راه مي يابند معمولاً دريافت کننده ها در ارتفاع نسبت به زمين اطراف خود نصب مي شوند و بدين منظور نياز به ساخت برج و سازه هاي نگه دارنده بتوني و يا فولادي وجود دارد .
- سيستم انتقال انرژي گرمايي که گرماي وارد به گيرنده را جذب نموده و به گردش وامي دارد در طرح هاي اوليه از آب و بخار به عنوان سيال جذب کننده و انتقال دهنده انرژي گرمايي استفاده مي شد ولي در طرح هاي توسعه يافته تر از سيالاتي چون نمک هاي سديم و پتاسيم مذاب استفاده مي گردد .
- سيستم تبديل قدرت که انرژي گرمايي را از سيستم دريافت نموده و آن را شبيه به آنچه که در نيروگاهاي حرارتي متعارف انجام مي شود به قدرت الکتريکي تبديل مي نمايد .
- سيستم ذخيره انرژي که بخشي از انرژي حرارتي خورشيد را به صورت نهان و محسوس در مخلوطي از روغن وسنگ و يا نمک هاي مذاب يا مواد مناسب ديگر ذخيره مي نمايد .
- سيستم کنترل اصلي که هماهنگي بين عملکرد سيستم هاي ديگر را فراهم مي سازد .

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182543#_ftnref1) - Heloistat

[ریپورتر]

در اين نيروگاها سيستم کنترل کامپيوتري وظيفه تنظيم هليوستات ها را جهت انعکاس متمرکز نور خورشيد بر روي دريافت کننده مرکزي بر عهده دارد . هليوستات ها در اين ميدان ممکن است برج نگه دارند دريافت کننده مرکزي را احاطه کرده و يا در يک طرف آن قرار گيرند . در حالت دوم هليوستات ها در قسمت شمالي اين ميدان (شمال برج نگه دارنده دريافت کننده) قرار مي گيرند .
انرژي تابشي نور، گرماي خود را به سيال درون لوله ها يا کانال هاي هواي دريافت کننده مرکزي انتقال مي دهد . اين سيال مي تواند آب و بخار، سديم، نمک نيترات مذاب يا هوا باشند . اگر سيال درون دريافت کننده مرکزي آب و بخار باشد، بخار توليد شده مستقيماً به توربوژنراتور ارسال مي گردد و اگر سيال ديگري در دريافت کننده مرکزي استفاده گردد، انرژي سيال درون دريافت کننده توسط يک مبدل حرارتي به آب انتفال داده شده و بدين وسيله بخار توليد شده براي گردش توربوژنراتور و توليد برق استفاده مي گردد . يک مورد مهم در نيروگاه خورشيدي از نوع دريافت کننده مرکزي، قابليت موثر انرژي حرارتي مازاد مي باشد . ذخيره انرژي در ساعت تابش روزانه خورشيد امکان بهره برداري از نيروگاه را در زمان عدم وجود خورشيد در آسمان فراهم مي سازد .
سيستم کنترل نيروگاهاي خورشيدي بسيار پيچيده تر از نيروگاهاي حرارتي مي باشد . اين سيستم علاوه بر کنترل توربوژنراتور، ساير سيستم ها نظير ميدان کلکتور، سيستم ذخيره انرژي حرارتي و دريافت کننده مرکزي را نيز بايد تحت کنترل قرار دهد .

انواع نيروگاهاي دريافت کننده مرکزي بر اساس سيال عامل
اصولاً پنج گزينه اصلي بر اساس سيال دريافت کننده و منبع ذخيره جهت نوع نيروگاه خورشيدي حرارتي با دريافت کننده مرکزي وجود دارد چهار گزينه اصلي دريافت کننده عبارت از : آب و بخار، نمک نيترات مذاب، سديم مايع و هوا مي باشد و در گزينه پنجم سديم مايع در دريافت کننده و نمک مذاب در منبع ذخيره استفاده مي شود که در ادامه شرح کلي هر پنج گزينه ارائه شده است .
سيستم نيروگاه دريافت کننده مرکزي با سيال آب و بخار
شکل 6-9 نمودار جرياني اين سيستم را نشان مي دهد همان طور که در شکل ملاحضه مي شود، در اين طرح از يک دريافت کننده مرکزي يا سيال عامل آب و بخار استفاده گرديده است .اين دريافت کننده، انرژي تابشي دريافتي از ميدان هليوستات ها را به آب داخل آن انتقال مي دهد، به طوري که آب به بخار سوپرهيت

[ریپورتر]

در درجه حرارت هاي حدود 490 الي 525 درجه سانتي گراد تبديل شود . از اين بخار مي توان مستقيماً براي به حرکت در آوردن توربين استفاده کرد . به علاوه بخشي يا برخي مواقع تمامي بخار توليدي مي تواند جهت گرمايش سيستم ذخيره انرژي به کار برده شود
.
اکثر نيروگاهاي خورشيدي با دريافت کننده مرکزي ساخته شده تا کنون از جمله نيروگاه 10 مگاواتي Solar1 آمريکا، نمونه هايي از طرح هاي آزمايشي نيروگاه حرارتي خورشيدي با دريافت کننده مرکزي سيال آب و بخار مي باشند . در اين نيروگاها از بخار توليد شده در دريافت کننده مرکزي مستقيماً براي به حرکت در آوردن توربين استفاده مي شود
تفاوت عمده اين نوع نيروگاها، با ساير طرح ها عمدتاً در دريافت کننده مرکزي و سيستم ذخيره توربوژنراتور آنها مي باشد . از آنجايي که دماي سيال ذخيره انرژي درون مخزن ذخيره در اين سيستم با توجه به پايين بودن راندمان سيستم ذخيره انرژي در حد پاييني قرار دارد، استفاده از سيستم ذخيره انرژي براي تداوم کار نيروگاه (توليد بخار) باعث پايين آمدن راندمان نيروگاه مي شود . به عنوان مثال در طرح Solar1 حداکثر دماي ذخيره کننده انرژي درون مخزن ذخيره 315 درجه سانتي گراد بوده است و هربار از اين سيال جهت توليد بخار استفاده مي گرديد دماي بخار توليدي آن در مقابل دماي 510 دجه سانتي گراد بخار توليدي دريافت کننده مرکزي در حد پاييني قرار مي گرفت که باعث کاهش راندمان توربين از 24 درصد 28 درصد مي شد . به علاوه اين نيروگاها نياز به توربوژنراتورها دارند که توانايي کار و بهره برداري در شرايط بخار ورودي را داشته باشند .

[ریپورتر]

در کل استفاده از اين ايده در نيروگاه خورشيدي Solar1 و ديگر نيروگاهاي ساخته شده نشان داده است که اين روش عملاً از لحاظ اقتصادي نتايج بهتري در مقايسه با طرح هاي ديگر ندارند . پايين بودن دماي سيستم ذخيره در اين روش باعث شده است که پيشنهاداتي در مورد کاربرد ساير طرح هايي که داراي راندمان بهتري هستند،نظير طرح استفاده از سديم، نمک مذاب يا هوا به عنوان سيال عامل دريافت کننده مرکزي ارائه شود .
سيستم نيروگاه در يافت کننده مرکزي باسيال عامل نمک مذاب
شکل 48-2 نمودار جريان اين سيستم را نشان مي دهد .اين روش يک دريافت کننده مرکزي با سيال عامل نمک مذاب بر روي يک برج نصب شده و دماي نمک مذاب در اثر دريافت انرژي تابشي هليوستات ها توسط در يافت کننده مرکزي به 540 الي 565 درجه سانتي گراد مي رسد . نمک مذاب پس از کسب دماي لازم به سيستم مخزن نمک داغ هدايت شده و از آنجا جهت توليد بخار به مولد بخار انتقال مي يابد سپس به مخزن ذخيره نمک سرد و مجدداً به دريافت کننده مرکزي پمپ مي شود . اين روش در نيروگاه تميس فرانسه و Solar2 آمريکا مورد استفاده قرار گرفته است .
مزيت استفاده از نمک مذاب درنيروگاهاي خورشيدي با دريافت کننده مرکزي در سيستم ذخيره انرژي آنها است . اغلب در ساعاتي که تشعشع به مي زان کافي وجود دارد، مخزن ذخيره داغ است نمک مذاب با دماي بالا پر مي شود سپس از آن براي مواقعي که ميزان تشعشع کم باشد جهت توليد بخار استفاده شده و اين مسأله سبب افزايش زمان و ميزان تداوم بهره برداري نيروگاه مي شود .ترکيب واقعي اين نمک ها بر اساس دماي فرايند مورد نظر و بهاي مخلوط نمک، مشخص مي گردد . به طور معمول انواع نمک ها داراي نقطه انجماد بين 220 الي 280 درجه سانتي گراد هستند . به همين دليل که تجهيزاتي که حاوي اين سيال هستند بايد هميشه بالاتر از اين درجات گرم نگه داشته شده و جهت اطمينان از عدم انجماد آنها در داخل تجهيزات، بايستي محلي جهت تخليه نمک مذاب در مواقع کاهش دما داشته باشند . نمک هاي مذاب سمي نيستند و اگر به درستي مورد استفاده قرار گيرند در مقابل دماي بسيار بالا[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182546#_ftn1) مقاوم بوده داراي ترکيب شيميايي ثابتي دربلند مدت مي باشند اين نمک ها داراي فشار بخار پايين در دماي بالا هستند و نسبت به آب واکنش شيميايي ندارند .

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182546#_ftnref1) - Over heating

[ریپورتر]

خصوصيات مذکور به علاوه هزينه نسبتاً پايين و قابليت استفاده تجاري از اين نمک باعث شده که اين سيال در دريافت کننده مرکزي مخصوصاً براي سيستم هايي که احتياج به ذخيره انرژي زيادي دارند، استفاده شود . نمونه ساخته شده اين نواع سيستم علاوه بر نيروگاه تميس در فرانسه، Solar2 در کاليفرنياي آمريکا مي باشد که در سال 1996 راه اندازي شده است .
سيستم نيروگاه دريافت کننده مرکزي با سيال عامل سديم مايع
سيستم دريافت کننده مرکزي با سيال عامل سديم مذاب تقريباً معادل سيستم با سيال عامل نمک مي باشد .شکل نمودار جرياني سيستم دريافت کننده مرکزي با سيال عامل سديم مذاب را نشان مي دهد . همان طور که مشاهد مي گردد، اين طرح داراي يک دريافت کننده مرکزي با سيال سديم مذاب مي باشد که بر روي يک برج نصب گرديده است، سديم پس از کسب حرارت لازم در دريافت کننده، به مخزن سديم داغ انتقال مي يابد و از آن جا به سمت مولد بخار ارسال شده و پس از توليد بخار با فشار و دماي طراحي شده و از دست دادن مقداري حرارت به سمت مخزن ذخيره سديم سرد انتقال يافته و از آنجا دوباره به سمت دريافت کننده مرکزي پمپ مي شود .


علت استفاده از سديم در طرح نيروگاهاي حرارتي خورشيدي با دريافت کننده مرکز، بالا بودن ضريب هدايت حرارتي آن است که امکان افزايش جذب شار حرارتي توسط دريافت کننده مرکزي را فراهم مي آورد . به طور کلي مقدار حداکثر شار حرارتي جذب شده در دريافت کننده هاي سديمي بيش از 5/1 مگاواتي بر متر مربع مي باشد که در مقايسه با ساير انواع دريافت کننده ها مقدار قابل ملاحضه اي است . مقدار حداکثر شار حرارتي جذب شده توسط دريافت کننده مرکزي با سيال عامل آب و بخار 3/0 تا 6/0 براي دريافت کننده مرکزي با سيال نمک 6/0 تا 8/0 و براي دريافت کننده با سيال عامل هوا 8/0 الي 1 مگاوات بر متر مربع مي باشد . زياد بودن اين ضريب هدايت حرارتي سبب حداقل شدن اختلاف درجه حرارت جلو و پشت لوله دريافت کننده خواهد شد، در نتيجه شار حرارتي بيشتري به اين نوع دريافت کننده مي رسد .
از مزاياي دريافت کننده مرکزي با سيال عامل سديم، کاهش اندازه آن به علت قابليت شار حرارتي بيشتر بسبت به ساير دريافت کننده ها مي باشد . به عبارت ديگر اين نوع دريافت کننده ها به ازاي يک قدرت مشخص اندازه کوچکتري نسبت به ساير دريافت کننده ها خواهند داشت که عامل مهمي در کاهش قيمت دريافت کننده سديمي مي باشد .
براي استفاده از سديم به کاربرد تجهيزات مقاوم تر در معرض سيستم هاي واکنش زا نياز خواهد بود و اين تجهيزات شامل پمپ ها، شيرها، خطوط انتقال سيال و سيستم مولد بخار مي باشند . از ديگر موارد مهم حائز اهميت، واکنش طبيعي و انفجار بين سديم و آب مي باشد که ايمني اين نيروگاه ها را پايين مي آورد . اين

[ریپورتر]

موضوع از فاکتورهاي تعيين کننده در طرح هاي تجهيزات حاوي سديم مخصوصاً در طراحي مولد بخار است .بنابراين در نيروگاهاي حرارتي خورشيدي دريافت کننده مرگزي حاوي سيال سديم، طراحي و تجهيزات آب بندي بسيار مهم مي باشد .
شرح سيستم نيروگاه دريافت کننده مرکزي باسيال عامل هوا
در اين سيستم از هوا به عنوان سيال درون دريافت کننده استفاده مي شود شکل 50-2 نمودار جرياني اين سيستم را نشان مي دهد . حداکثر شار حرارتي جذب شده دريافت کننده اين نوع سيستم 8/0 الي 1 و مقدار متوسط آن 5/0 الي 6/0 مگاوات بر متر مربع مي باشد و درجه حرارت هايي تا حدود 700 الي 800 درجه سانتي گراد براي هواي خروجي آن قابل دسترسي است

از مهمترين مزاياي اين طرح سمي نبودن هوا، نداشتن خطرات واکنش با آب و يا انفجار و توليد گاز، فراواني، ارزاني و سهولت دسترسي به آن مي باشد. علاوه بر اين دريافت کننده هاي مرکزي طراحي شده با سيال عامل هوا نشان داده اند که عملکرد آنها در شرايط تقريباً ابري نسبت به تغييرات سريع دما و تغييرات تشعشع نور خورشيد مطلوب بوده و تغييرات چنداني در توليد نيرو نداشته اند . با توجه به شکل 50-2 مشاهده مي گردد که اين نيروگاها نيز داراي سيستم ذخيره انرژي هستند ولي اين سيستم کارايي چنداني ندارد و فقط براي مدت محدودي قادر به توليد بخار خواهند بود . بنابراين مهمترين ضعف اين طرح در ذخيره انرژي مي باشد که براي رفع آن مي توان سيستم ذخيره انرژي را حذف کرد . حذف ذخيره کننده انرژي در يک واحد نيروگاه خورشيدي باعث کوچک شدن ميدان هيليوستاست ها، مجراي هوا و قدرت فن

[ریپورتر]

و در نتيجه کاهش قيمت نيروگاه مي گردد . البته با حذف سيستم ذخيره نمي توان از نيروگاه به طور دائم بهره برداري کرد . براي رفع اين مشکل مي توان از سيستم هاي ترکيبي استفاده نمود . به عنوان مثال مي توان در مسرهاي هوايي خروجي از دريافت کننده مرکزي، مشعل هايي با سوخت فسيلي پيش بيني کرد تا در صورت افت دماي هواي خروجي از دريافت کننده مرکزي، مشعل روشن شده و از انرژي گرمايي توليدي آن جهت رفع کاهش دماي هوا استفاده گردد.از مزاياي اين سيستم مي توان بدين موارد اشاره کرد :
- افزايش قابليت اطمينان توليد انرژي نيروگاه
- امکان حداکثر استفاده از انرژي نور خورشيد (در موقع کاهش تشعشع و افت هاي هواي خروجي از دريافت کننده مرکزي از مشعل گازي استفاده مي شود)
- کاهش تاثير تغيير شرايط جويي بر روي انرژي توليدي واحد
- راندمان نيروگاهاي خورشيدي با سيال عامل هوا که سيستم توليد برق سنتي آن يک توربين بخاري است نسبتاً بالا بوده و برابر نيروگاهاي خورشيدي با سيال عامل نمک مذاب مي باشد .
- کاهش ايجاد پديده خستگي براي سيستم در حالت هاي نا پايه دار به علت کاهش تغييرات بار
سيستم نيروگاه دريافت کننده مرکزي ترکيبي سديم و نمک مذاب
همان طور که در بخش قبل توضيح داده شده، استفاده ازسديم هم از نظر شدت واکنش با آب که مسائل ايمني را به دنبال دارد و هم استفاده از آن براي ذخيره انرژي در مخزن ذخيره، هزينه بسيار بالايي در بر دارد ولي با توجه به اين که داراي ضريب هدايت حرارتي بالايي است مي تواند از آن به عنوان سيال عامل دريافت کننده مرکزي استفاده کرد و حرارت جذب شده توسط آن را از طريق يک مبدل حرارتي به نمک مذاب انتقال داده و از نمک مذاب به عنوان سيال در سيستم ذخيره انرژي استفاده نمود . اين سيستم، سيستم ترکيبي خوانده مي شود
نمک و سديم مذاب هر دو از مايعات جاذب حرارت بوده و داراي ضرايب انتقال حرارت بالايي مي باشد . دريافت کننده مرکزي احتياج به سيالي دارد که با ضريب انتقال حرارت بالا قادر باشد بيشترين انرژي خورشيدي را که توسط آيينه ها به آن مي رسد، جذب نموده و از اتلاف آن جلوگيري کند و سديم مذاب، سيال مناسبي است . از نمک مذاب با توجه به ظرفيت حرارتي بالا و بهاي پايين آن (نسبت به سديم) مي توان در سيستم ذخيره انرژي و توليد بخار استفاده نمود . به علاوه نمک هيچ گونه واکنشي نسبت به آب ندارد و خطرات احتمالي از اين نظر به مقدار زيادي کاهش يافته و ايمني سيستم افزايش مي يابد . از ديگر ويژگي هاي سيستم ترکيبي نمک و سديم، استفاده از پمپ داراي هد زياد در اين طرح مي باشد .

[ریپورتر]

نيروگاهاي ترکيبي خورشيدي – فسيلي
در يک نيروگاه خورشيدي با دريافت کننده مرکزي، جهت جبران نمودن عدم تابش دائمي پرتوهاي خورشيدي و استفاده بيشتر از نيروگاه، ممکن است از سوخت فسيلي به عنوان کمک استفاده گردد که در اين حالت نيروگاه مزبور به عنوان نيروگاه ترکيبي فسيلي شناخته مي شود . براي حالت ترکيبي خورشيدي – فسيلي در نيروگاهاي حرارتي خورشيدي دو طرح توصيه شده است که در اينجا توضيح داده مي شود .
اولين طرح که در شکل 51-2 نشان داده شده است شامل يک مولد بخار سوخت فسيلي مي باشد که به طور موازي با مولد بخار خورشيدي بهره برداري مي شود . اين طرح به دو روش مي تواند انجام پذيرد :
1- به نيرگاه سوخت فسيلي موجود، تجهيزات يک نيروگاه حرارتي خورشيدي اضافه شود .
2- يک نيروگاه خورشيدي که شامل نيروگاه سوخت فسيلي و نيروگاه حرارتي خورشيدي مي باشد به طور همزمان ساخته شود .
از ميان دو روش فوق، روش عمل توسط گروه انرژي[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182550#_ftn1) در آمريکا مورد برسي قرار گرفت و در نقاطي که ميزان هزينه توليد انرژي با استفاده از نيروگاهاي حرارتي خورشيدي کمتر از نيروگاهاي حرارتي فسيلي باشد به عنوان يک روش مناسب و مفيد تشخيص داده شد .
دومين نوع نيروگاه ترکيبي،طرحي است که در شکل 52-2 نشان داده شده و شامل سوخت فسيلي و يک گرمکن واسطه انتقال حرارت مي باشد . که به صورت موازي با دريافت کننده مرکزي خورشيدي قرار داده شده است . در واقع اين طرح با قرار دادن يک سيستم جانبي در اطراف تجهيزات دريافت کننده مرکزي خورشيدي بوجود مي آيد و گرماي اين سيستم جانبي توسط سوخت فسيلي تأمين مي شود .در اين حالت نهوه کنترل شيرها و لوله ها بايد چنان باشد که جريان کامل و يا جزئي بتواند در مواقع لازم از گرمکن واسطه و يا دريافت کننده مرکزي عبور کند

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182550#_ftnref1) - DOE : Department Of Enregy

[ریپورتر]

در طرح مذکورسيال انتقال دهنده حرارت بعد از ترک کردن دريافت کننده مرکزي يا گرمکن، در مولد بخار خورشيدي يا سيستم ذخيره انرژي مورد استفاده قرار مي گيرد . اگر چه در شکل سيال انتقال دهنده حرارت در دريافت کننده مرکزي و سيستم ذخيره يکسان مي باشند ولي مي توان از سيالات غيرهمسان نيز به عنوان سيال عامل دريافت کننده مرکزي و سيال ذخيره کننده حرارت استفاده نمود .
در نيروگاه طرح اول، مولد بخار سوخت فسيلي يک سيستم سيال دو فاز فشار بالا مي باشد که احتياج به کنترل و نظارت دقيق دارد . بهره برداري قابل اعتماد يک نيروگاه بخار سوخت فسيلي نياز به کنترل دائم دبي آب تغذيه، دبي بخار، درجه حرارت و فشار بخار و دبي فشار سوخت دارد . اين پارامترها همچنين بايد با ميزان بار وارده به توربين ژنراتور هماهنگ شود . اين کنترل زماني پيچيده تر مي شود که دو مولد بخار مربوط به سوخت فسيلي و مربوط به نيروگاه خورشيدي بطور هماهنگ و موازي هم کار کنند .در مقابل، در طرح دوم، گرمکن واسطه انتقال حرارت داراي يک سيال تک فاز و فشار پايين مي باشد که احتياج به کنترل دقيق نداشته و سيستم هاي کنترل نسبتاً ساده اي در آن به کار مي رود .
استفاده از روش ترکيبي در نيروگاه هاي خورشيدي باعث مي شود تا از سيستم ذخيره حرارتي به عنوان يک سپر حرارتي استفاده شود . در اين نيروگاها، در صورتي که سيستم سوخت فسيلي کاملاًمناسب باشد مي توان از سيستم ذخيره حرارتي صرفه نظر کرده و آن را از مجموعه نيروگاه حذف نمود . در مواقعي که کوچکتر شدن مجموعه، سيکل سوخت فسيلي و استفاده از تجهيزات کمتر مورد نظر باشد، مي توان ظرفيت ذخيره حرارتي را افزايش و معادل آن، مجموعه سيستم سوخت فسيلي را کاهش داد . البته اين عمل مقدار برق توليد شده را در مدت زمان طولاني، در مواقعي ابري که ميزان تابش کم است و يا در شب ها که تابش وجود ندارد، محدود خواهد کرد .

[ریپورتر]

مقايسه انواع نيروگاه دريافت کننده مرکزي از نظر سيال عامل
در اکثر نيروگاه هاي خورشيدي دريافت کننده مرکزي ساخته شده، سيال، آب و بخار مورد استفاده قرار گرفته است که Solar1 واقع در کاليفرنياي آمريکا با ظرفيت 10 مگاوات بزرگترين آنها مي باشد .
يکي از مسأئل اين نوع نيروگاها نياز به داشتن آب با کيفيت بالا براي تغذيه دريافت کننده است .
کيفيت اين آب شبيه آب مورد نياز بويلرهاي نيروگاه بخاري است . همچنين اين نوع نيروگاه براساس سيستم دو فازي آب و بخار کار کرده و فشاربخار آن زياد حدود 10000 کيلو پاسکال (100 بار) مي باشد .
در طرح نيروگاه هاي خورشيدي که از نمک مذاب (نيترات پتاسيم و سديم) استفاده مي کنند، به علت بالا بودن ظرفيت حرارتي حجمي، از اين سيال به عنوان سيال ذخيره کننده انرژي نيز بهره مي گيرند .
به اين ترتيب در اين سيستم نياز به شارژو تخليه مبدل هاي حرارتي سيستم ذخيره نبوده و تلافات مربوط به آنها حذف مي گردند .
با اين سيستم هزينه بخش ذخيره انرژي نسبتاً کمتر و راندمان بخش ذخيره انرژي بسيار بالا مي باشد .
دريافت کننده هاي با نمک مذاب در مقايسه با دريافت کننده هاي که از آب و بخار استفاده مي کننده ابعاد کوچکتري دارند .
از آنجا که نمک مذاب در يک فاز مايع کار مي کند فشار بخار آن در دريافت کننده و لوله ها نسبت به آب و بخار بسيارکم مي باشد و در نتيجه ضخامت لوله ها کم بوده و همچنين سيستم کنترل ساده تري دارند . به همين دليل شرايط بخار و همچنين دبي سيال بيشتر تحت کنترل بوده و عملکرد توربين نيروگاه سنتي با بازده بيشتري صورت مي گيرد .
راندمان حرارتي اين نوع دريافت کننده نيز نسبت به نوع آب و بخار بالاترمي باشد . اين ويژگي ها باعث شده است که اين نيروگاه در نسل دوم نيروگاه هاي خورشيدي مورد استفاده قرار گيرد .
دو نيروگاه خورشيدي از نوع دريافت کننده مرکزي ساخته شده تا کنون از اين نوع مي باشند .
دريافت کننده هايي که با سديم مايع کار مي کنند، به علت بالا بودن ضريب هدايت و خواص انتقال حرارتي سديم، داراي ابعاد کوچکتري خواهند بود و شار حرارتي مجاز براي آنها نيز بالا مي باشد .
ولي در مقابل خطر سمي بودن شديد و واکنش آن با آب و هوا، ايمني اين نوع سيستم را کاهش و خطرات احتمالي را افزايش مي دهد . به علاوه کم بودن چگالي و ظرفيت حرارتي سديم در مقايسه با آب و نمک مذاب، باعث مي شود، براي ذخيره انرژي ضعيف تر از اين سيال باشد . هزينه تأمين سديم نيز بالاتر از ديگر سيال عامل ها مي باشد . تنها يک نيروگاه خورشيدي از اين نوع در جهان ساخته شده است که ظاهراً تجربه موفقي نبوده است .
سيال عامل ديگر به کار رفته در سيستم، دريافت کننده هوا مي باشد .
در اين سيستم هواي محيط توسط دريافت کننده تا دمايي حدودد 800 درجه سانتي گراد گرم شده، سپس وارد توربين شده و انرژي توليد مي کند .
به علت پايين بودن چگالي و ضريب هدايت هوا نياز به سطح جذب کننده بزرگي مي باشد، به علاوه چون در مقايسه با سيکل هاي توربين گازي سنتي دماي ورودي توربين پايين تر است، راندمان اين طرح چنانچه از توربين گاز براي توليد برق استفاده شود پايين تر از سيکل توربين هاي گازي سنتي مي باشد .

[ریپورتر]

هزينه ذخيره انرژي در اين سيستم نيز بالا است . در نهايت در مقايسه با سيکل هايي که از نمک مذاب استفاده مي کنند، هزينه سرمايه گذاري بالاتري دارد
در اين نوع از سيستم هاي هوايي که به عنوان نسل دوم نيروگاه هاي خورشيدي دريافت کننده مرکزي در کنار طرح سيال نمک مذاب مورد برسي و آزمايش قرار گرفتند، هوا پس از گرم شدن وارد مولد بخار مي شود و در حقيقت انتقال حرارت جهت توليد بخار توسط هوا صورت مي گيرد .
نتايج مقايسه چند طرح از اين نوع با طرح هايي که از نمک مذاب استفاده مي کنند نشان داده شده است که در توليد انرژي، راندمان سيستم هاي هوايي ونمک مذاب تفاوت زيادي نسبت به يکديگر ندارد ولي به هر حال چون اين سيستم ها از سيال هوا بهره مي گيرند،
در مقايسه با سيستم هاي سديم و يا نمک مذاب ساده تر مي باشد و مسأئل خوردگي، سمي بودن سيال و واکنش هاي خطرناک و نيز پيچيدگي تجهيزات به کار رفته را ندارد همچنين پايين بودن چگالي هوا باعث مي شود که اينرسي حرارتي سيستم کمتر شده و در زمان کوتاهتري به حالت پايه دار و بهينه برسد .
در مقابل به علت سبک بودن هوا و کم بودن ضريب انتقال حرارت آن، انتقال حرارت اين سيستم ها راندمان کمتري دارد.
براي رفع اين مشکل بايد سطوح انتقال حرارت بزرگتر باشدکه اين امر ، موجب بروز تلفات حرارتي بيشتري مي شود .
سيستم ذخيره اين نوع نيروگاه نيز راندمان کمتري نسبت به نوع نمک يا آب و يا بخار دارد

[ریپورتر]

مخازن ذخيره در نيروگاه هاي دريافت کننده مرکزي
سيستم ذخيره حرارتي، انرژي حاصله در دريافت کننده مرکزي را ذخيره و سپس در مواقع لزوم به سيستم مولد بخار منتقل مي کند . ذخيره انرژي حرارتي جهت تأمين شرايط زير در يک نيروگاه خورشيدي بکارمي رود :
- تداوم و پيوستگي بهره برداري از نيروگاه در شرايط تغييرات تابش خورشيد
- ادامه بهره برداري از نيروگاه تا زمان غروب خورشيد
- جلوگيري از تغييرات مقطعي زيان آور در توليد برق به علت تغييرات ناگهاني تابش خورشيد
- فزايش قابليت دست رسي واحد در شرايط اضطراري
- تأمين برق مورد نياز بر اساس منحني تقاظا و نه بر حسب ميزان تابش خورشيد (که معمولاً منطبق بر هم نمي باشد) .
انواع مخازن ذخيره
در طرح نيروگاه هاي خورشيدي تا کنون سه نوع مخزي ذخيره انرژي زير با توجه به نوع ذخيره انرژي حرارتي مورد توجه قرار گرفته است .
الف- مخازن ذخيره حرارتي محسوس[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182554#_ftn1)
ب- مخازن ذخيره حرارتي گرماي نهان [2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182554#_ftn2)
ج- مخازن ذخيره حرارتي انرژي ترموشيميايي[3] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182554#_ftn3)
در مخازن ذخيره حرارتي محسوس، انرژي به صورت انرژي گرمايي در يک ماره يا سيال ذخيره ميرگردد . اين ماده يا سيال دذ محدوده تغييرات دماي ناشي از فرآيند ذخيره سازي انرژي و مصرف آن هيچگونه تغيير فازي نخواهد داشت .
مواد مختلفي جهت مخزن حرارتي محسوس در نيروگاه هاي خورشيدي مورد آزمايش قرار گرفته اند . با توجه به ميزان دماي دريافت کننده مرکزي، روغن هاي انتقال حرارت، مخلوط نمک هاي مذاب، فلزات مايع و مواد جامدي نظير سنگ ، شن، بلوک هاي سراميکي و گوي هاي فلزي مورد توجه قرار داشته اند . قدرت ذخيره سازي انرژي حرارتي در يک حجم مشخص ماده به حاصلضرب چگالي ماده و گرماي ويژه آن بستگي دارد . انتخاب ماده مورد نظر، با مقدار و هزينه آن مستلزم بررسي فني اقتصادي با توجه به کاربرد آن، محل نيروگاه و نيازهاي مصرف کننده نهايي انرژي مي باشد .گرماي نهان که به هنگام تغيير فاز مواد پديدار مي گردد، روش ديگري جهت ذخيره سازي حرارت است . تغيير فاز از حالت جامد به مايع، مستلزم گرماي نهان ذوب است که در محدوده نسبتاً کوچکي از دما رخ مي دهد . دماي تغيير فاز بايدبا دماي مورد نياز سيستم داراي مخزن ذخيره انرژي، سازگار باشد . در ذخيره سازي انرژي به روش گرماي نهان (همراه

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182554#_ftnref1) - Sensible heat

[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182554#_ftnref2) - Latent heat

[3] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182554#_ftnref3) - ThermoChemical energy

[ریپورتر]

تغيير فاز) دو عيب عمده از نظر هزينه وجود دارد . اولاً هزينه مواد خالص مورد استفاده در آن در مقايسه با موادي که در منبع ذخيره حرارتي محسوس مورد استفاده قرار مي گيرند بيشتر است و ثانياً جهت تبادل حرارت از ماده مورد نظر به سطح گران قيمت و نسبتاً زيادي براي انتقال حرارت در حين انجماد نياز مي باشد .
ذخيره انرژي حرارتي به طريق ترموشيميايي درواقع ذخيره سازي انرژي حرارتي در طي واکنش هاي شيميايي (تجزيه يا ترکيب) برگشت پذير مي باشد در اين ميان تعداد بسياري از واکنش هاي شيميايي (کاتاليستي و غير کاتاليستي) وجود دارد که مي توانند مورد استفاده قرار گيرند . آنچه اين روش را جذاب تر است روش هاي ديگر نشان مي دهد قابليت و توان ذخيره سازي و انتقال مواد تشکيل دهنده اين واکنشهاي شيميايي در دماي محيط مي باشد .ذخيره سازي انرژي براي مدت هاي طولاني و حتي کاربردهاي فصلي نيز با توجه به اين جنبه ذخيره سازي ترموشيميايي به علت امکان ذخيره سازي مقدار زيادي از انرژي حرارتي در دماي محيط به طور مفهومي جذاب مي باشد، ايکن فقط تعداد کمي از ترکيبات شيميايي هستند که به لحاظ قيمت مي توانند مورد توجه قرار گيرند و در قالب موارد در طي واکنش هاي با درجه حرارت بالا، گازهاي مختلف توليد مي گردند .
جهت ذخيره سازي انرژي حرارتي امکان به کار گيري ترکيبي از انرژي حرارتي روش هاي محسوس و ترموشيميايي و يا انرژي حرارتي محسوس و گرماي نحان وجود دارد . اقتصادي بودن هر يک از اين ترکيب ها به کاربرد و استراتژي يکسان کنترل عمليات بستگي خواهد داشت . ذخيره سازي انرژي حرارتي به صورت محسوس در يک نيروگاه خورشيدي مي تواند به دو صورت زير انجام گيرد :
الف- ذخيره سازي مستقيم که در آن سيال عامل دريافت کننده مرکزي مشابه با سيال سيستم مخزن ذخيره مي باشد .
ب- ذخيره سازي غير مستقيم که در آن از سيالات متفاوتي در دريافت کننده مرکزي و مخزن ذخيره انرژي استفاده مي شود .
در سيستم هاي ذخيره انرژي مستقيم، دماي انرژي حرارتي سيال خروجي از مخزن ذخيره يا از دريافت کننده مرکزي مي تواند تقريباً به يکديگر نزديک باشند . در سيستم غير مستقيم از يک مبدل حرارتي واسط براي شارژ کردن مخزن ذخيره استفاده مي شود . در اين مورد بايد اختلاف دماي لازم جهت انتقال حرارت بين دريافت کننده و مخزن ذخيره فراهم گردد . و در نتيجه دريافت کننده مرکزي بايد در دماي بالاتري از دماي لازم جهت توليد برق کار کند تا امکان شارژ مخزن ذخيره فراهم شود .

[ریپورتر]

مواد مورد استفاده در مخزن ذخيره
نمک نيترات مذاب و سديم مذاب هر يک مي توانند به عنوان سيال عامل مخزن ذخيره انرژي و دريافت کننده مرکزي به کار گرفته شوند . اين مواد مي تواند به ترتيب تا دماي 565 و 595 درجه سانتي گراد مورد استفاده قرار گيرند . روغن هاي انتقال حرارت نظير کالوريا[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182556#_ftn1) نسبت به نمک نيترات مذاب و يا سديم مايع از ظرفيت حرارتي ويژه بالا و هدايت حرارتي کمتري برخوردار هستند ايکن حد دماي کاربرد آنها 315 دجه سانتي گراد مي باشد .
محدوديت دماي فوق،کاربرد روغن هاي مخصوص انتقال حرارت را به عنوان سيال مخزن ذخيره انرژي دريافت کننده مرکزي با سيال عامل آب و بخار محدود مي سازد . بخار ايجاد شده را در چنين منابع ذخيره اي به لحاظ فشار و دماي نسبتاً پايين، فقط براي ناحيه توربين هاي فشار متوسط قابل استفاده است . هزينه نسبتاً بالاي روغن هاي مخصوص انتقال حرارت را مي توان با کاربرد سنگ در مخرن ذخيره انرژي تبديل نمود . براي اين منظور سنگ هاي ارزان قيمت به عنواني بخشي از سيستم ذخيره انرژي در داخل مخزن ذخيره استفاده مي شود اين سنگ ها وظيفه ذخيره قسمتي از انرژي حرارتي در منبع ذخيره را بر عهده دارند و بدين ترتيب از حجم روغن مورد نياز جهت ذخيره انرژي کاسته خواهد شد .
روش ذخيره سازي انرژي با استفاده از هوا و مواد جامد نيز وجود دارد که در آن انرژي حرارتي در بستري وسيع از خورده سنگ يا آجرهاي نسوز ذخيره مي شود . انتقال حرارت از بستر و بلعکس و با استفاده از هوا صورت مي گيرد . هوا توسط دمنده هاي بزرگ بين بستر و يک سري مبدل حرارتي در گردش مي باشد . بدين ترتيب در اين روش، نياز به مخازن ذخيره سيال حذف شده و مواد جامد (سنگ ها) جايگزين سيال هاي گران قيمت مي شوند، با اين حال انتخاب هوا به عنوان سيال عامل ذخيره سازي انرژي به علت نياز به کانال ها، کمپورسورها و دونده هاي بزرگ که هزينه زيادي را به همراه دارد، گزينش مناسبي نمي باشد. هزينه مخزن ذخيره حرارتي با سيال عامل هوا در شرايط يکسان (از نظر ظرفيت) حدود دو برابر هزينه مخزن ذخيره حرارتي با سيال نمک مي باشد . دليل عمده اين اختلاف هزينه ابعاد نسبتاً وسيع مخزن ذخيره با سيال هوا است که نتيجه راندمان پايين انتقال حرارت بين هوا و مواد بستر مخزن و بلعکس است . براي رفع و جبران اين نقيصه، تلاش هاي فراواني صورت گرفته است . مثلاً سعي شده با ايجاد سوراخ هاي فراوان در

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182556#_ftnref1) - Caloria

[ریپورتر]

آجرهاي سراميکي بستر مواد، نسبت سطح به حجم اين مواد را افزايش داده تا در نهايت از ابعاد و هزينه آن کاسته گردد .همچنين در طراحي هاي پيشرفته سعي شده است تا با استفاده از سراميک هاي کروي و حلقوي شکل، مشخصات انتقال حرارتي و نيز هيدروديناميکي مواد بستر بهبود داده شود .

آرايش مخازن ذخيره انرژي
براي آرايش مخازن انرژي دو گزينه عمده وجود دارد :
الف- آرايش مجزاي مخازن ذخيره سرد وگرم
ب- آرايش منفرد مخزن با لايه بندي حرارتي[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182557#_ftn1)
آرايش مجزاي مخازن ذخيره انرژي سرد و گرم از دو يا چند مخزن تشکيل يافته که دماي سيال داخل آنها به صورت يکنواخت مي باشد . شارژ و تخليه مداوم انرژي حرارتي اين مخازن در طول عمليات بهره برداري از آنها باعث تغيير چشم گير سطح سيال در درون اين مخازن مي شود عملکرد مخازن ذخيره سرد و گرم بر اساس لايه هاي حرارتي متناوبسيال يا ماده داخل آن استوار است . در اين مخزن ها در واقع هر لايه اي ازسيال يا ماده مخزن دماي متفاوتي نسبت به ديگر لايه ها داشته و تغيير دماي سيال در طول ارتفاع تانک از شيب ويژه اي برخوردار است . آنچه اين لايه بندي حرارتي را امکان پذير مي سازد چگالي سيال است که تابعي از دماي آن مي باشد . در طول بهره برداري از اين مخازن، سطح سيال در داخل آن نسبتاً ثابت باقي مي ماند درحالي که لايه هاي گراديان حرارتي بين نواحي با دماي پايين و بالا مداوماً در حال حرکت به بالا و پايين مي باشد .

انواع دريافت کننده مرکزي
دريافت کننده مرکزي يکي از اجزاء مهم اين نوع نيروگاه حرارتي خورشيدي مي باشد که تعيين کننده نوع سيستم و چگونگي عملکرد برخي از زير سيستم هاي ديگر نيروگاه هاي حرارتي خورشيدي از نوع دريافت کننده مرکزي است در نتيجه، مطالعه، بررسي و در نهايت انتخاب دريافت کننده از حساسيت زيادي برخوردار است .

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182557#_ftnref1) - Thermoocline

[ریپورتر]

دريافت کننده ها از نظر شکل به دو نوع حفره اي و خارجي و از نوع سيال عامل داخل آنها نيز به دو گروه اصلي دريافت کننده با سيال عامل مايع و دريافت کننده با سيال عامل هوا تقسيم مي گردند که در داخل هر گروه تقسيمات جزئي تري بر اساس سيال وجود دارد . همچنين دريافت کننده ها از نظر چگونگي جذب حرارت توسط سيال عامل آنها نيز به دو گروه دريافت کننده با جذب مستقيم تابش و دريافت کننده جذب غير مستقيمتابش رده بندي مي گردند .


دريافت کننده هاي خارجي اغلب به دو صورت با سطح تخت و يا با سطح محدب نسبت به ميدان آيينه ها طراحي و ساخته مي شوند . در نيروگاه هاي بزرگ خورشيدي نوعاً دريافت کننده به صورت خارجي و به شکل يک استوانه کامل مي باشند که از تعدادي پانل لوله در کنار يکديگر تشکيل شده اند . در اين طرح آيينه ها به صورت احاطه شده در اطراف آن قرار مي گيرند . اين طرح سبب سهولت کار ساخت، نصب و تعميرات و نگهداري در طول بهره برادري مي شود . نسبت ارتفاع به قطر اين استوانه ها از 1:1 تا 2:1 متغير است .
نيروگاه هاي خورشيدي کوچکتر با دريافت کننده نوع خارجي معمولاً از ميدان آيينه هاي شمالي همراه با دريافت کننده با سطح تخت و يا بصورت قاچي از يک استوانه (با حذف پانل هاي سمت جنوبي ميدان) استفاده مي نمايند. در دريافت کننده هاي حفره اي، پرتوهاي نور بازتابيده شده توسط هليوستات هاي ميدان قبل از برخوردبا سطوح انتقال حرارت دريافت کننده، از دريچه اي عبور نموده و وارد سازه اي شبيه جعبه مي شوند . اين سازه جعبه اي شکل به همراه دريچه، حفره ناميده مي شود . در يک دريافت کننده حفره اي ممکن است بيش از يک حفره وجود داشته باشد که هر حفره در مقابل قطاع يا بخشي از هليوستات هاي

[ریپورتر]

ميدان قرار دارد . البته تحقيقات اخير نشان داده است که دريافت کننده هاي تک حفره اي به سمت شمال ميدان براي نيروگاه هاي خورشيدي واقع در نيمکره شمالي مناسب تر مي باشند . سطوح جاذب حرارت دريافت کننده هاي تک حفره اي از پانل هايي شبيه پانل هاي مورد استفاده در دريافت کننده هاي نوع خارجي تشکيل شده است با اين تفاوت که پانل ها در داخل حفره دريافت کننده قرار داده شده اند .
بسيار سطوح داخل حفره مانند سطوح جانبي، سقف و کف آن معمولاً نقش عمده اي در جذب انرژي براي انتقال حرارت به سيال عامل ندارند . اين سطوح جهت به حداقل رساندن تلفات حرارتي و محافظت سازه، هدرها و لوله هاي ارتباطي دريافت کننده در مقابل حرارت ناگهاني بايد کاملاً عايق کاري شوند . اگر چه اين سطوح در معرض تشعشع مستقيم پرتوهاي خورشيد قرار ندارد ليکن در معرض تشعشع پانل هاي داغ جذب کننده حرارت دريافت کننده قرار دارند . سطوح مذکور معمولاً خنک نمي شود در نتيجه دماي آنها ممکن است از دماي پانل هاي سطوح جاذب حرارتي دريافت کننده نيز بيشتر گردد .
سطوح حرارتي فعال و غير فعال داخل دريافت کننده حفره اي هر کدام معمولاً دو تا سه برابر سطح دهانه يا دريچه دريافت کننده مي باشند . اندازه، ابعاد و شکل هندسي دريچه يا دهانه ورودي پرتوهاي نوردريافت کننده به صورتي انتخاب مي شوند که مجموع تلفات حرارتي و افت هاي ناشي از پراکنش نور به حداقل برسد . دريچه هاي عمودي مستطيل و مثلثي شکل نمونه اي از آنها مي باشند . چند عامل وجود دارد که عملکرد دريافت کننده هاي خارجي و حفره اي را از يکديگر متمايزمي سازد . معمولاً تشعشع در دريافت کننده ها از نوع خارجي بيشتر از نوع حفره اي مي باشد . زيرا سطوح جاذب حرارت ( پانل هاي داغ دريافت کننده) بيشتر در معرض دماي خنک تر محيط قرار دارند، در حاليکه سطوح جاذب انرژي در دريافت کننده حفره اي تا حدودي محافظت شده و ديد کمتري از طريق دريچه آن به محيط دارد . به همين ترتيب تلفات بازتابش پرتوهاي نور نيز در دريافت کننده هاي خارجي بيشتر است ليکن در دريافت کننده هاي نوع حفره اي، تلفات ناشي از پراکنش پرتوهاي نور رسيده به دريافت کننده بيشتر از نوع خارجي آن است . زيرا در نوع دريافت کننده حفره اي پرتوهاي نور انعکاس يافته از ميدان هليوستات ها بايد وارد دريچه يا دهانه ورودي نسبتاً کوچک آن گردد و همچنين افت هاي ناشي از انتقال حرارت از طريق جابجايي در دريافت کننده حفره اي ممکن است به علت سطوح جاذب حرارت بزرگ ( سطوح فعال و غير فعال حرارتي ) بيشتر گردد .
سطوح جاذب حرارت مورد نياز در دريافت کننده حفره اي در شرايط يکسان ظرفيت حرارتي، ماکزيمم شار حرارتي و مقدار تغييرات مجاز شار حرارتي بطور تقريبي حدود 25 درصد بزرگتر از مقدار مورد نياز دريافت

[ریپورتر]

کننده خارجي مي باشد . اين مسأله ناشي از مشکلات بيشتر در يک نواختي تابش پرتوهاي نور بر روي سطوح جاذب حرارت دريافت کننده حفره اي به علت وجود دهانه و دريچه حفره مي باشد . دريافت کننده هاي نوع حفرهاي داراي وزن و تعداد اجزاء بيشتر و عموماً قيمت بالاتر و مشکلات فني بيشتري نسبت به دريافت کننده هاي نوع خارجي با سطح جاذب حرارت يکسان هستند . اما از طرفي ديگر دريافت کننده حفره اي قابليت استفاده از اين جرم بيشتر در تبادل حرارت را داراست .
به عبارت ديگر افزايش جرم باعث افزايش اينرسي حرارتي دريافت کننده شده و تغييرات دما بر اثر تغييرات ناگهاني شرايط جوي (عبور موقت ابر و ايجاد سايه) کم مي شود و نهايتاً سيستم پاسخ کندتري در مقابل تغييرات شرايط جوي داده و کنترل آن ساده تر است . وجود دريچه در محل دهانه ورودي پرتوهاي خورشيد در دريافت کننده حفره اي در مواقعي که مقدار تابش پايين است جهت کاهش افت هاي حرارتي و سهولت در راه اندازي واحد، امکان بستن دهانه رافراهم مي سازد به عبارت ديگر با بسته شدن دريچه، خنک شدن سطوح فعال جاذب حرارت خيلي کندتر صورت گرفته و تنش هاي حرارتي کمتر ايجاد مي شود و هنگام راه اندازي مجدد، چون سطوح مذکور کاملاً خنک نشده اند راه اندازي ساده تر و سريعتر صورت مي گيرد .
اصول کلي دريافت کننده ها
دريافت کننده ها مرکزي، انرژي تابشي خورشيد را که توسط آيينه ها منعکس شده و تا حدود صدها برابر شدت يافته است دريافت کرده و آن را به سيال عامل منتقل مي سازد از پارامترهاي مهم مؤثر در تعيين نوع دريافت کننده مي توان بدين موارد اشاره کرد :
- بازده حرارتي
بازده حرارتي در يک دريافت کننده عامل مهمي در انتخاب و ارزيابي آن است . بازده حرارتي يک دريافت کننده نسبت انرژي جذبيي توسط سيال عامل به انرژي ارسالي توسط ميدان آيينه ها است . اختلاف بين اين دو انرژي، ناشي از تلفات حرارتي در دريافت کننده مي باشد . تلفات حرارتي در يک دريافت کننده ممکن است به علت افت هاي ناشي از عوامل پراکنشي پرتوهاي نور رسيده از ميدان، تشعشع، باز تابش، انتقال حرارت بر اثر جابجايي و انتقال حرارت توسط هدايت انجام گيرد .
- تلفات ناشي از پراکنشي[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182560#_ftn1) پرتوهاي نور رسيده از ميدان

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182560#_ftnref1) - Spillage

[ریپورتر]

انرژي منعکس شده توسط ميدان آيينه ها با احتساب تلفات ناشي ازجذب توسط اتمسفر در فاصله بين آيينه ها تا دريافت کننده، کاملاً به دريافت کننده برخورد نمي نمايد . اين افت مي تواند به عنوان افت مستقيم جمع کننده (آيينه ها) و يا به عنوان افت دريافت کننده محسوب گردد . اين پديده مي تواند در اثر عدم ديده شدن کامل دريافت کننده توسط پرتوهاي نور و يا واقع شدن آنها در خارج دهانه دريافت کننده حفره اي رخ دهد . اين مسائل ناشي از اندازه دريافت کننده يا خطاهاي هدف گيري هليوستات ها مي باشد . دريافت کننده ها معمولاً به گونه اي طراحي مي شوند تا پراکنش پرتوهاي نور رسيده به آنها کمتر از 5 درصد باشد .
- تلفات حرارتي ناشي از تابش
تلفات حرارتي ناشي از تابش قسمتي از انرژي نوراني ارسال از طرف هيلوستات ها است که با توجه به ضريب جذب پوشش دريافت کننده از آن ساطع مي شود . براي کاهش اين انعکاس ها پوشش رنگ با ضريب جذب بالا بر روي سطوح جاذب حرارت دريافت کننده استفاده نمود . اتلاف حرارتي ناشي از بازتابش عموماً براي سطوحي که به تازگي رنگ آميزي شده باشند حدود پنج درصد يا کمتر است، ولي بايد در نظر داشت که هر چه از بهره برداري واحد و در نتيجه طول عمر رنگ گذشته باشد اين اتلاف به علت کاهش کيفيت پوشش رنگ افزايش مي يابد .
- تلفات حرارتي ناشي از انتقال حرارت جابجايي
در اثر انتقال حرارت به هواي مجاور دريافت کننده از طريق جابجايي بخشي از انرژي رسيده به دريافت کننده هدر مي رود . اين اتلاف انرژي ترکيبي از اتلاف حرارت در اثر جابجايي آزاد (انتقال حرارت بر اثر وزش باد) مي باشد . مؤلفه اتلاف حرارت در اثر جابجايي آزاد معمولاً بزرگتر است . مقدار اين اتلاف حرارت بايد به صورت تحليلي براي هر طرح، محاسبه شده و با توجه به شرايط محيط مورد ارزيابي قرار گيرد . واضح است که اين تلفات در دريافت کننده هاي خارجي بيشتر از دريافت کننده هاي حفره اي است و در دريافت کننده هاي حفره اي با بزرگ تر شدن دهانه، اين بلفات بيشتر مي شود .
- تلفات حرارتي ناشي از تشعشع
تلفات انرژي حرارتي در اثر تشعشع و انتشار امواج نوراني تابعي از دماي دريافت کننده است هر دو تلفات انرژي ناشي از انتقال حرارت جابجايي و تشعشع، تابعي از دما وشکل دريافت کننده (حفره اي يا خارجي) مي باشند . معمولاً مجموع اين تلفات حرارت با توجه به شرايط محيط بين 5 تا 15 درصد مي باشد .
- تلفات حرارتي ناشي از هدايت

[ریپورتر]

مقداري از انرژي دريافت کننده در اثر انتقال حرارت به طريق هدايت از عايق ها و اتصالات و اجزء سازه دريافت کننده تلف مي گردد . مقدار اين تلفات حرارتي براي حالتي که عايقکاري به خوبي صورت گرفته باشد، کمتر از يک درصد است .

میدان هیلوستات
شکل ميدان
ميدان هليوستات ها در دو شکل کلي وجود دارند : ميدان شمالي و ميدان احاطه شده در ميدان احاطه شده
هليوستات ها اطراف يک برج مرکزي قرار گرفته و برج معمولاً به منظور بهينه کردن راندمان در نيم دايرۀ جنوبي ميدان قرار دارد . د
در ميدان شمالي تمامي هليوستات ها در شمال برج قرار دارند . انتخاب شکل ميدان به چگونگي سيستم دريافت کننده بستگي دارد

عملکرد ميدان
عملکرد ميدان هليوستات ها به مفهوم راندمان نوري آنها بوده که معادل با نسبت قدرت خالص دريافتي توسط دريافت کننده به مقدار کل تابش مستقيم دريافتي توسط آيينه ها است . راندمان نوري شامل تأثيرات کسينوسي، سايه اندازي هليوستات ها، بلوکه کردن، قابليت انعکاس آيينه ها، انتقال نور در اتمسفر و تلفات دريافت کننده مي باشند . چندين عامل تلافات نوري در شکل55-2 نشان داده شده است .

تلفات انرژي در ميدان هليوستات ها شامل اين موارد مي باشد

- تلفات کسينوسي که به زاويه تابش و بازتابش روي آيينه ها و تلفات انعکاسي که به کيفيت آيينه ها و پاکيزگي آنها بستگي دارد .
- خطاهاي اشعه که به بزرگنمايي تصوير منعکس شده خورشيد بستگي داشته و خود از کيفيت نوري هليوستات ها و مقدار انحناي آنها ناشي مي شود .
- خطاهاي حرکتي که از کنترل دو محور نتيجه مي گردد.
- اثر بلومه کردن و سايه اندازي که همان اثرات قرارگيري هليوستات ها در ميدان مي باشد.
مقدار اشعه منعکس شده توسط هليوستات ها متناسب با مقدار نور دريافت شده مي باشد . انرژي نور منعکس شده با کسينوس زاويه (تأثير کسينوسي) بين راستاي عمود بر سطح آيينه هليوستات و امتداد نور خورشيد ورودي به اين سطح متناسب است . اگر خورشيد در موقعيت جنوب آسمان (در فصل زمستان)،

[ریپورتر]

هليوستات ها در شمال برج قرار داشته و تقريباً عمود بر نور خورشيد خواهند بود، بنابراين از بيشترين تأثير کسينوسي (که معادل يک است) برخوردار مي شوند . در همين زمان هليوستات هايي که در جنوب برج قرار دارند داراي کمترين راندمان کسينوسي مي باشند . بيشترين راندمان کسينوسي وقتي است که خورشيد در جنوبي ترين نقطه آسمان قرار گيرد، در نتيجه مي بايست هليوستات ها براي ميدان هاي يکطرفه در نيمکره شمالي کره زمين، در بخش شمالي برج نصب شوند . بدين ترتيب در همان فصل در نيمکره جنوبي کره زمين هليوستات ها در بخش جنوبي برج نصب مي گردند .

تمام نوري که توسط هليوستات ها منعکس مي گردد، به علت پراکندگي و جذب توسط اتمسفر، به دريافت کننده نمي رسد که اين تأثيرات به افت اتمسفري موسوم است . در يک روز آفتابي و مساعد اين افت کمتر بوده و چنانچه بخار آب و ذرات معلق موجود در هوا افزايش يابد، اتمسفري نيز زياد مي شود . اندازه تصويرتشکيل شده توسط هليوستات ها بر روي دريافت کننده تابعي از قابليت تمرکز آيينه ها، زاويه و اندازه هليوستات ها، اندازه خورشيد (زيرا اشعه هايي که از مرکز و کناره هاي خورشيد ارسال مي گردند کاملاً با يکديگر موازي نبوده و باعث انحراف تصوير مي شوند)، عدم صافي سطح هليوستات ها و عدم تمرکز اشعه هاي خارجي از مرکز مي باشد . اگر دريافت کننده به حد کافي براي جذب تصوير نور ارسالي از هليوستات ها بزرگ نباشد، مقدار انرژي ارسال شده در اطراف دريافت کننده به هدر خواهد رفت . اين اتلاف، با بزرگ کردن اندازه دريافت کننده جبران مي گرددکه البته در بعضي موارد، افزايش اندازه دريافت کننده موجب افزايش بهاي دريافت کننده از بهاي انرژي اضافي جذب شده مي شود، بنابراين در چنين حالتي افزايش سايز اثر مثبتي نخواهد داشت .

[ریپورتر]

نحوه قرارگيري هليوستات ها
استقرار هليوستات ها در هر نقطه از ميدان، بر اساس پارامترهاي قيمت و عملکرد تعيين مي گردد. پارامتر قيمت شامل بهاي هليوستات ها زمين لازم و طول سيم هاي رابط مي باشد . چنانچه هليوستات ها در کنار هم نصب شوند، افت بلوکه کردن[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182564#_ftn1) و سايه اندازي[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182564#_ftn2) افزايش يافته ولي هزينه زمين مورد نياز و طول سيم هاي رابط کاهش مي يابد . اگر هليوستات ها در فاصله شعاعي بزرگي از برج نصب گردند دريافت کننده را بهتر خواهند ديد .
تا کنون دو ترتيب قرارگيري براي هليوستات ها معرفي شده که عبارتند از: ترتيب مزرعه اي و ترتيب شعاعي . در ترتيب مزرعه اي هليوستات ها در خطوط مستقيم پشت سر هم نصب شده و در کل نسبت به هم شکل يک مستطيل را مي سازند . در ترتيب شعاعي که توسط دانشگاه هستون امريکا ارائه گرديده، هليوستات ها روي دواير هم مرکزي قرار دارند که برج در مرکز قرار دارد . در اين ترتيب هليوستات ها در جلوي يکديگر قرار نمي گيرند و تأثيرات بلوکه کردن کاهش مي يابد . مطالعات انجام شده نشان مي دهد که ترتيب شعاعي بهترين روش براي نصب هليوستات ها است، زيرا داراي راندمان بالا بوده و زمين مورد نياز و افت اتمسفر، افت هاي بلوکه و سايه اندازي را کاهش مي دهد .

هليوستات ها
هليوستات ها در لغت يوناني به معناي خورشيد بوده و اصطلاحاً به آيينه اي که روي محور دوار نصب گشته و با حرکت خود قادر است نور خورشيد را بطور پايدار به نقطه اي ثابت انعکاس دهد، اطلاق مي شود . هليوستات اصلي ترين جزء سيستم جمع کننده بوده و مستقل از دريافت کننده و سيال عامل کار مي کند . در نتيجه طراحي آن ارتباط زيادي با اجزاي ديگر نيروگاه و همچنين نحوه استفاده نهايي از انرژي حرارتي توليدي ندارد . اين مزيت، توليد انبوه هليوستات ها را از نظر طراحي نيروگاه مستقل نموده و در نتيجه باعث کاهش بهاي واحد هر هليوستات مي شود . بخش عمده هزينه هر نيروگاه خورشيدي هليوستات ها اختصاص دارد . هر هليوستات ها شامل يک سطح انعکاسي يا آيينه، سازه نگهدارنده آيينه فونداسيون

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182564#_ftnref1) - Bloking

[2] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182564#_ftnref2) - Shadowing

[ریپورتر]

سيستم کنترل و محرک هليوستات مي باشد . هليوستات هاي شيشه اي و هليوستات هاي غشايي[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182565#_ftn1) از مهمترين انواع هليوستات هاي موجود کنوني هستند .

- هليوستات هاي شيشه اي
در اين نوع از هليوستات ها آيينه از شيشه نقره اندود ساخته شده و يک سازه فلزي نسبتاً محکم براي تحمل بار آيينه ها و مقاومت در برابر وزش باد در نظر گرفته شده است .

-هليوستات هاي غشايي
اين هليوستات ها از يک حلقه فلزي به قطر بسيار بزرگ ، غشاها و يک سيستم کنترل متمرکز کننده تشکيل يافته اند . بر روي غشاها جلويي که تابش خورشيدي را منعکس مي کنند . لايه نازکي از پليمر نقره پوشش داده مي شود . شعاع انحناي آيينه را مي توان به نحوي تنظيم کرد که پرتوهاي خورشيد دقيقاً روي دريافت کننده متمرکز شوند . ايجاد کمي خلاء در فضاي بين دو غشا و کنترل مؤثر آن موجب مي شود سطح غشا مقعر گرديده و پرتوها روي دريافت کننده متمرکز مي شوند . در مواقع اضطراري با برقراري فشار کمي بيش از فشار اتمسفر در فضاي بين دو غشاء حالت متمرکز کنندگي هليوستات از بين مي رود

[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182565#_ftnref1) - Membrane heliostat

[ریپورتر]

کليات نيروگاه حرارتي خورشيدي از نوع دودکش خورشيدي
شکل ذیل يک نيروگاه دودکش خورشيدي را نشان مي دهد . روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از برج نیرو یا دودکش‌های خورشیدی می‌باشد در این سیستم از خاصیت دودکش‌ها استفاده می‌شود به این صورت که با استفاده از یک برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانه‌های خورشیدی که در اطراف آن است هوای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدی در یک گرمخانه تولید می‌شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه‌ها قرار دارد، هدایت می‌شود.
این هوای گرم بعلت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و با عث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده‌است می‌گردد و بوسیله این ژنراتور برق تولید می‌شود هم اکنون یک نمونه از این سیستم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر می‌رسد.
اجزاء اصلي يک دودکش خورشيدي عبارتند از:
- سقف نيمه شفاف (مثلاً شيشه اي) که در ارتفاع چند متري زمين نصب مي گردد .
- دودکش مرتفع که در مرکز سقف شيشه اي قرار مي گيرد
- توربين هاي بادي که در پايۀ دودکش قرار مي گيرند .
- زمين که با روکش مناسبي پوشانده مي شود .
سقف شيشه اي که بوسيله قاب بندي و ستون هاي مناسب در ارتفاع مناسب نصب مي گردد، همراه با زمين يک کلکتور مسطح تشکيل مي دهند، بدين معني که زمين نقش سطح جذب کننده انرژي خورشيد و سقف اثر گلخانه اي را در جلوگيري از تلفات تشعشعي زمين ايفا مي کنند و لذا سطح زمين زير سقف به دماي بالاتري مي رسد و بخشي از انرژي خود را به هواي مجود بين سقف و زمين منتقل مي کند و بخشي نيز در عمق نزديکي از سطح زمين ذخيره مي گردد . هواي دريافت کننده انرژي حرارتي، گرم و سبک شده و از دودکش به سمت بالا حرکت مي کند و نهايتاً به علت اختلاف فشار دو ستون هواي گرم و سرد موجود در دودکش و بيرون، جريان هوا برقرار شده و با نصب توربين هاي بادي (افقي يا عمودي) در محل ورود هوا به دودکش، بخشي از انرژي جنبشي هوا تبديل به کار و نهايتاً توسط ژنراتور به انرژي الکتريکي تبديل مي گردد . توربينهاي بکار رفته در دودکش خورشيدي با توربين هاي بادي جريان آزاد متفاوت بوده و به صورت يک توربين داخل محفظه است که بر مبناي اختلاف فشار عمل مي نمايد، توان چنين توربين هايي در مقايسه با توربين هاي بادي جريان آزاد با همان ابعاد مي توان تا هشت برابر بيشتر باشد . بسته به نوع

[ریپورتر]

طراحي و تکنولوژي موجود و مسائل اقتصادي از يک يا چند توربين عمودي يا افقي استفاده مي شود . توربين هاي با محور عمودي مستحکم تر بوده و صداي کمتري ايجاد مي کنند. توربين هاي بادي اين سيستم در معرض بارهاي بحراني ناشي از نوسانات شديد جريان که در مبدل هاي بادي با جريان آزاد وجود دارد، قرار ندارند لذا ساختمان اجزاء آن ساده تر بوده و ارزان تر تمام مي شوند و از عمر طولاني تري نيز برخوردار خواهند بود . در اين نيروگاه، به سيستم اضافي جهت ذخيره کردن انرژي نياز نمي باشد، زيرا زمين وظيفه ذخيره کردن انرژي را انجام مي دهد و در موقع کمبود يا فقدان انرژي خورشيد سبب ادامه جريان مي گردد و در عين حال به عنوان يک تبديل کننده و يکنواخت کننده جريان عمل مي نمايد . به لحاظ درجه حرارت، دودکش خورشيدي يک تکنولوژي دماي پايين است و دماي هوا حداکثر حدودoC 35 بيش از دماي محيط مي گردد .




.

روش هاي عملکرد و روابط حاکم بر نيروگاه هاي دودکش خورشيدي
همانطور که ذکر شد در اين نيروگاه ها مکانيزم عملکرد بر اساس تبديل انرژي حرارتي به انرژي فشار روي پره ها توربين مي باشد و در حالت کلي چنين تبديل انرژي نمي تواند با راندمان بالايي صورت گيرد . به همين علت راندمان اين نيروگاه ها زياد نيست . رابطۀ راندمان با ارتفاع برج يک رابطۀ تقريباً خطي است ؛ يعني با افزايش ارتفاع برج، راندمان نيز افزايش خواهد يافت زيرا جريان بوجود آمده در داخل برج بر اثر اختلاف چگالي هواي داخل برج و فضاي بيرون مي باشد و مقدار اين جريان نيز با ارتفاع برج رابطۀ مستقيم دارد . به همين دلايل بايد بتوان با بکار گيري روش هاي مختلف مانند استفاده از کلکتور ارزان قيمت با دوام

[ریپورتر]

بيشتر، بالا بردن ظرفيت ذخيره سازي انرژي حرارتي در داخل زمين و کوچک کردن فضاها بکار گرفته شده، راندمان را در اين نيروگاه ها افزايش داد .
اختلاف اساسي که بين نيروگاه هاي مجهز به برج هواي گرم و ديگر نيروگاه هاي خورشيدي که با استفاده از سيستم هاي متمرکز کننده عمل مي کنند وجود دارد، اين است که نيروگاه هاي مجهز به برج گرم نيازي به دريافت تشعشع مستقيم ندارد و در مواقعي که لکه هاي ابر در آسمان بوده و يا تشعشعات خورشيدي پراکندگي پيدا کرده باشند نيز جريان در داخل برج وجود خواهد داشت، زيرا پرتوهاي مادون قرمز در تعادل کلي انرژي در برج هاي نيرو نقش اساسي را ايفا مي کنند و اين در حالي است که تابش اين اشعه در متمرکز کننده هاي خورشيدي و يا مولدهاي فتوولتائيک تاثير اندکي دارند .
تعيين محل احداث نيروگاه از لحاظ شرايط اقليمي و جغرافيايي بر روي راندمان کلکتور و کل سيستم تاثير قابل ملاحضه اي خواهد داشت . هر چه دماي هواي آزاد (بيرون برج) ورودي به کلکتور کمتر باشد، راندمان بيشتر خواهد بود . خواص و مشخصات خاک و يا بستر کلکتور از لحاظ جذب تشعشع، نوع دانه بندي و درجه زبري، هدايت حرارتي، حرارت مخصوص و غيره نيز بر روي راندمان بسيار تاثير خواهد داشت اين خصوصيات تعيين کننده ميزان انرژي انتقال يافته به سيال عامل (هوا) و همچنين مقدار انرژي ذخيره شده در داخل بستر مي باشد . جهت وشدت وزش باد به عنوان يک عامل مهم در مقدار انتقال حرارت جابه جايي بين پوشش فوقاني کلکتور و محيط مي باشد که يکي از مهمترين عوامل اتلاف انرژي حرارتي در سيستم است . همچنين شکل گيري طبقات حرارتي در اتمسفر نيز بر شررايط هوايي خروجي از برج بسيار موثر خواهد بود که مي تواند با توجه به فشار کاري برج اثر مطلوب و يا نامطلوبي بر عملکرد سيستم داشته باشد . عامل موثر ديگر بر عملکرد سيستم حجم گرد و خاک موجود در هواي اطراف نيروگاه است که بر مقدار تشعشع رسيده به کلکتور موثر مي باشد افزايش مقدار گرد و غبار موجب کاهش ضريب عبور پوشش کلکتور خواهد شد و به اين ترتيب کارآيي نيروگاه کاهش مي يابد . با اين وجود تاثير مقدار گرد و خاک بر اين سيستم در مقايسه با سيستم هاي نيروگاه هاي خورشيدي مجهز به آيينه کمتر است .

[ریپورتر]

نيروگاه بشقابک استرلينگ


در سيستم بشقابک استرلينگ، با استفاده از تابش مستقيم خورشيدي برق توليد مي شود . ظرفيت يک واحد از اين سيستم ها نوعاً بين 5 تا 50 کيلووات است اين سيستم به علت امکان پذيري در سايزهاي مختلف و مدولار بودن مواد کاربرد متعددي به صورت واحدهاي مستقل يا متصل به شبکه دارد . همان طور که در شکل 58-2 نشان داده شده است، اين سيستم از قسمت هاي زير تشکيل شده است :
- کلکتور سهموي کانون نقطه اي موسوم به بشقابک
- سيستم رديابي دو محوره[1] (http://www.njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182570#_ftn1)
- دريافت کننده
- موتور استرلينگ و ژنراتور



تابش خورشيدي ورودي از متمرکز کننده سهموي به دريافت کننده خلاء واقع در نقطه کانوني متمرکز کننده ارسال شده و با جذب در دريافت کننده، سيال عامل موتور استرلينگ که معمولاً گاز هليوم و هيدروژن است، تا دماي حدود 650 درجهسانتي گراد گرم مي شود . سپس اين حرارت در موتور استرلينگ، يک موتور گازي با پيستون رفت و برگشتي است که گاز آن به طور خارجي گرم شده و در يک سيکل ترموديناميکي باز يافت چهار مرحله اي عمل مي کند . به منظور بهره برداري دائمي از تابش مستقيم خورشيدي، سيستم مجهز به ردياب دو محوره است . ميزان برق توليدي به سايز متمرکز کننده و خواص نوري آن و هميچنين راندمان موتور استرلينگ و ژنراتور بستگي دارد .
متمرکز کننده سهموي
در سيستم هاي موتور استرلينگ دماهاي بالاتر معطلوبتر هستند، لذا متمرکز کننده هايي که تابش خورشيدي را با دقت بيشتري در نقطه کانوني خود متمرکز کنند، از اهميت بيشتري برخوردارند . اين متمرکز کننده ها از سطوح بازتابي از جنس آلومينيم با پوشش شيشه يا پلاستيک ساخته مي شوند . تا کنون، مقاوم ترين نوع آنها، آيينه هاي شيشه اي / نقره اي بوده اند به علت حساسيت تعبيه نقطه کانوني در اين بشقابک ها، براي شکل دادن انحناي مورد نظر، آيينه هاي شيشه اي بسيار نازک با ضخامت حدود يک ميليمتر مورد نياز است . همچنين جهت افزايش خواص باز تابندگي، محتواي آهن شيشه مورد استفاده بايد کم باشد . ضريب باز تابش خورشيدي آيينه هاي نقره اندود بين 90 تا 94 درصد است .

1- Two-axis tracking

[ریپورتر]

در سيستم هاي بشقابک استرلينگ، از کلکتورهاي غشايي نيز استفاده مي شود . خواص نوري و طراحي متمرکز کننده تعيين کننده مقدار نسبت تمرکز است . نسبت تمرکز به صورت نسبت شار خورشيدي متوسط دريافتي در دهانه متمرکز کننده به کل تابش مستقيم خورشيدي است که نوعاً مقدار آن بيش از 2000 است .
سيستم رديابي
از آنجا که متمرکز کننده بايد همواره در راستاي تابش مستقيم خورشيدي قرار گيرد در اين سيستم ها از ردياب دو محوره استفاده مي شود . رديابي دو محوره ممکن است به دو صورت انجام شود :
- رديابي افقي – عمودي
- رديابي قطبي
در نوع اول، چرخش بشقابک در يک صفحه موازي زمين و صفحه ديگري عمود بر آن صورت گرفته است. کلکتور با حرکات چرخشي بالا / پايين و چپ / راست تنظيم مي شود . ميزان چرخش در ساعات مختلف متفاوت اما به آساني قابل محاسبه است . در اکثر واحدهاي بزرگ از اين نوع رديابي استفاده مي شود . در رديابي قطبي، چرخش بشقابک حول محوري موازي محور چرخش زمين انجام مي شود . محور ديگر چرخش، محور شيب کلکتور، عمود بر محور قطبي است . حرکت حول اين محور به آرامي انجام شده و سالانه درجه است . اين روش اکثراً در سيستم هاي موتور استرلينگ کوچک به کار رفته مي شود .
استخر خورشيدي
استخر خورشيدي گراديان نمک، معمولاً مخزن بزرگي از آب است که سطح تحتاني آن سياه رنگ مي باشد . تابش مستقيم و غير مستقيم خورشيدي در اين سطح سياه جذب شده و باعث گرم شدن آب استخر مي شود . سطح اين استخرها به عنوان کلکتور تابش خورشيدي عمل کرده و اين انرژي دريافتي در محلول نمک استخر ذخيره شده و از آن در کاربردهاي مورد نظر از جمله در سيکل رانگين از ارگانيک بهره برداري مي شود . تجربيات موجود نشان داده است که استخرهاي خورشيدي منابع تامين گرماي قابل اطميناني براي تأمين دماهاي حدود 90-50 درجه سانتي گراد مي باشند .

کاربرد انرژی خورشیدی در کشور
بهره برداری از حمام خورشیدی در دودوشه روستای باباچشمة اسفراین در استان خراسان با سطح

[ریپورتر]

1. جاذب نور حدود 36 متر مربع در سال 1362 هـ.ش.
2. آب شیرین کن های خورشیدی روستای باباچشمة اسفراین در استان خراسان متشکل از هشتاد واحد به مساحت کل 1000 مترمربع و با ظرفیت تهیة 2 تا 3 مترمکعب آب قابل شرب در روز، در سال 1362 هـ.ش.
3. دو حمام عمومی خورشیدی زنانه و مردانه، هر کدام دارای چهاردوش، در روستای پیربز(شمس) واقع در شمال شهرستان بجنورد استان خراسان با سطح جاذب نور 250 مترمربع، در سال 1367 هـ.ش.
4. تأمین الکتریسیتة روستای دربید یزدبا استفاده از سلول های فتوولیتایی به ظرفیت 5 کیلووات (قابل افزایش تا 25 کیلووات)، در سال 1372 هـ.ش.
5. حمام خورشیدی منطقة بشاگرد استان هرمزگان متشکل از 80 عدد آبگرمکن خورشیدی، هر یک به مساحت 2 مترمربع و منابع ذخیرة آب گرم، مجموعاً به ظرفیت 12000 لیتر، در سال 1373 هـ.ش.
6. طرح و اجرای دو حمام خورشیدی در روستاهای هلوش و بحره در استان لرستان، در سال 1366 هـ.ش.
علاوه بر موارد فوق در حال حاضر، طرح احداث یک نیروگاه 100 مگاواتی حرارتی خورشیدی در یزد، یک نیروگاه 25 مگاواتی خورشیدی دیگر و 30 نیروگاه خورشیدی پایلوت در دستور کار وزارت نیرو قرار دارد.

ذخیره سازی سرمای زمستان
از منابع سرمایش طبیعی به روش های مختلفی می توان استفاده کرده و آسایش و راحتی ساکنان ساختمان ها را با حداقل مصرف انرژی الکتریکی، در مقایسه با دستگاه های متداول تبرید و تهویه مطبوع، تأمین کرد . یکی از این روش ها استفاده از هوای خنک تر شب های تابستان و برقراری جریان هوا و ذخیره سازی سرما در دیوارهای ساختمان با قلوه سنگ است. از سرمای ذخیره شده می توان در روز استفاده کرد. برقراری جریان هوا در شب ممکن است طبیعی باشد و یا به وسیلة بادرسان انجام شود. از روش های دیگر، سرد کردن آب تا دماهای نزدیک به صفر درجه در زمستان و ذخیرة آن در مخازن طبیعی یا سفره های آب زیرزمینی است. با استفاده از دو چاه عمیق که به فاصلة چندین متر از یکدیگر حفر شده و به سفرة آب زیرزمینی راه دارند می توان آب را از این سفره ها خارج و به وسیلة برج های خنک کن در طول زمستان سرد کرد و دو مرتبه از طریق چاه دیگری به مخزن وارد کرد. می توان از آب سرد ذخیره شده در این سفره ها برای خنک کردن ساختمان در تابستان استفاده کرد، بدین ترتیب که آب سرد از طریق یکی از چاه ها از سفره خارج می شود و پس از عبور از

[ریپورتر]

کویل های برودتی و خنک کردن هوای مورد نظر دوباره از طریق چاه دیگری به داخل سفره هدایت می شود. البته فقط از سفره های آب زیرزمینی که جریان آب در آن ها بسیار کم است برای این ذخیره سازی می توان استفاده کرد و گرنه آب سرد وارد شده به سفرة زیرزمینی در محل مورد نظر باقی نخواهد ماند تا در تابستان مورد استفاده قرار گیرد.
(د) تولید گاز متان از فضولات حیوانی و کشاورزی
گیاهان از نور خورشید استفاده کرده و رشد می کنند. حیوانات گیاهان را مصرف کرده و از انرژی ذخیره شده در آن ها بهره می گیرند. بنابراین فضولات حیوانی و گیاهی حاوی مقادیر معتنابهی انرژی قابل بازیافت است.
تولید گاز متان از فضولات حیوانی و کشاورزی در محیط های سریستة غیرهوازی به مقدار زیادی در کشورهای چین و هندوستان استفاده می شود. مواد آلی موجود در فضولات به کمک باکتری های غیرهوازی تخمیر شده و گازی تولید می کنند که شامل گازکربنیک، متان و مقداری هیدروژن است . این گاز را می توان در اجاق های گازسوز سوزاند و از گرمای حاصل برای پخت غذا استفاده کرد. لجن باقی مانده در ته دستگاه بیوگاز، کود بسیار با ارزشی به حساب می آید که می توان از آن در کشاورزی استفاده كرد

[ریپورتر]

فصل سوم



انرژی هسته ای





انرژی هسته ای

انرژی هسته ای نخستین بار در سال 1945 م.در جریان بمباران هسته ای شهرهای هیروشیما و ناکازاکی ژاپن به کار گرفته شد. از اواسط دهة 50 م. این انرژی در جهت مقاصد صلح طلبانه نیز مورد استفاده قرار گرفت. شکافت کنترل شدة برخی عناصر سنگین مانند اورانیم 233،اورانیم235و پلوتونیوم239 تحول عظیمی در تولید انرژی به وجود آورد. این عناصر، سوخت هسته ای محسوب می شوند. از این سه عنصر، فقط اورانیوم235 در طبیعت موجود است. پلوتونیم239و اورانیم233 به ترتیب از طریق استحاله اورانیم238و توریم232 تولید می شود. عناصر سنگین همچون اورانیم و پلوتونیم میتوانند به اتم های سبکتر تبدیل شوند. دراین تحول هستة اتم سنگین شکافته می شود و هسته های کوچکتری به وجود می آورد؛ به طوری که مجموع انرژی هسته های کوچک حاصل از انرژی هستة سنگین اولیه کم تر است. مجموع جرم هسته های کوچک حاصل نیز از جرم هستة سنگین اولیه کم تر است. همچنین برای هسته های کوچک در شرایط مناسب این امکان وجود دارد که در اثر ترکیب و تبدیل شدن به اتم بزرگ تر مقادیر زیادی انرژی آزاد شود. اتم بزرگ تر دارای جرم کم تری از مجموع اتم های کوچک اولیه است. رابطة بین انرژی آزاد شده و کاهش جرم را با معادله انشتین بیان میکنند. با وجود این که انرژی بسیار زیادی آزاد می شود، تغییر جرم کوچک تر از آن است که بتوان آن را اندازه گرفت. از تلاشی کامل یک گرم اورانیم، حدود kwh000/21 انرژی تولید می شود که معادل سوختن 5 تن نفت است.
واکنش های هسته ای
واکنش های هسته ای را می توان به دو دستة کلی تقسیم کرد. دسته اول سبب به وجود آمدن هسته های سبک تر از طریق شکافت هستة سنگین می شوند. و دستة دوم باعث تشکیل هسته سنگین از طریق گداخت یا جوش هسته های سبک تر می شود.
واکنش شکافت هسته ای
در شرایط خاص هستة ناپایدار یک اتم بزرگ نظیر اورانیم یا پلوتونیم را می توان شکافته و به اتم

[ریپورتر]

های کوچک تر تجزیه کرد. اتم های سبکتر حاصل پایدارتر بوده و انرژی کم تری خواهند داشت. تغییر در انرژی در این فرایند به مراتب بزرگ تر از تغییر انرژی در واکنش های شیمیایی است. عملیات مورد نظر به شکافت هسته ای مشهور است. نحوة عمل بدین ترتیب است که اگر ذرة بدون باری مانند نوترون را به هستة بزرگ و ناپایداری نزدیک کنیم و آن هستة بزرگ، نوترون را جذب کند، هسته ناپایدارتر می شود و در نتیجه شکافت هسته ای به وجود می آید.
هسته هایی که نسبت نوترون به پروتون آن ها خارج از فاصلة پایداری است، تغییرات هستة خود را تا آنجا ادامه می دهند که به هستة پایدار تبدیل شوند. به عنوان مثال، حدود 50 ایزوتوپ طبیعی سنگین تر از تالیم ناپایدار( و به اصطلاح رادیواکتیو) هستند. تاکنون حدود800 هسته ناپایدار به طور مصنوعی از طریق بمباران هسته با ذرات انرژی دار ایجاد شده است. به علاوه، ذرات بتا(B1-) و هسته عناصر سبک مثل هیدروژن(H 1)، دوتریم(D 1)و هلیم(He42) نیز از این طریق ایجاد شده اند.
به هسته های 238U و 232Th که قادرند در اثر جذب نوتروتی، پس از مدتی، به هسته های شکاف پذیر تبدیل شوند، هسته های بارور گفته می شود. سوخت راکتورهای هسته ای معمولاً، از ترکیب یک هسته شکافت پذیر و یک هسته بارور با غنای مناسب تشکیل می شود

[ریپورتر]

وقتی که یک مادة رادیواکتیو تحت بمباران نوترونی قرار گیرد، قسمتی از اشعه جذب و قسمتی پخش می شود و بخشی عبور می کند. تأثیرات متقابل نوترون و هسته اتم را می توان به این صورت تقسیم کرد:
- برخورد الاستیک؛ که در آن اندازه حرکت و انرژی جنبشی اشعه حفظ می شود.
- برخورد غیر الاستیک؛ که در آن قسمتی از انرژی باعث تحریک هستة هدف و سپس به صورت اشعة گاما صادر می شود.
- به دام افتادن اشعه؛ که از بین رفتن خاصیت رادیواکتیویته را در پی دارد. در این عمل نوترون توسط هسته جذب می شود و انرژی اضافه به صورت اشعه گاما صادر می شود.
- شکافت؛ که در اثر آن نوترون با هستة سنگینی مثل 235U، به طور متوسط دو هستة کوچک تر( پاره های شکافت)، پرتوهای گاما و 2 تا3 نوترون اضافی به همراه حدود MeV 200 انرژی به دست می دهد. برقراری واکنش زنجیره ای، تنها از طریق نوترون های اضافی میسر است.
نوترون های حاصل از شکافت، پر انرژی یا سریع اند ( یاانرژی متوسطMeV 2) و احتمال یا میل واکنش هسته های مختلف با نوترون ها در این طیف انرژی، عموماً بسیار کم است.نمودار1-4 بیانگر این مطلب میباشد.
مطابق نمودار 1،اگر انرژی نوترون ها گرفته شود، احتمال اینکه آن ها واکنش شکافت انجام دهند بیش تر از احتمال جذب در 238 U خواهد بود و امکان برقراری واکنش زنجیره ای یا اورانیم طبیعی در این ناحیه تنها در اثر این فعل و انفعال فراهم می شود.
در صورتیکه نوترون ها کند شوند و انرژی آنها برابر انرژی حرارتی هسته های محیط پخش گردد، سرعت آنها در دمای اتاق cm/sec 10 5*2/2 خواهد بود. به این نوترون ها، نوترون های حرارتی می گویند. عمل شکافت هسته از طریق ایجاد این نوترون ها به بهترین نحو انجام می پذیرد

[ریپورتر]

واکنش گداخت هسته
دو هستة کوچک با هم ترکیب شوند که نسبت به حالت مجزا (در فاصلة بی نهایت) پایدارتر شوند. برای مثال هستة هیدروژن که یک تک پروتون است وقتی با پروتونی دیگر برای تشکیل یک هستة بزرگ تر ترکیب شود، پایدارتر خواهد شد.


MeV 05/27+4 He2 e2 +1H1×4
29-
واکنش فوق کاهش جرم معادل kg 10×815/4 را سبب می شود
12
که معادل J 10×3334/4 یا MeV 05/27 انرژی است. عمل مورد بحث به گداخت یا جوش هسته ای مشهور است. تابش مداوم خورشید ناشی از این واکنش است. در اثر این

[ریپورتر]

واکنش، خورشید در عرض 10×5 سال حدود 1 جرم خود را
3000
از دست می دهد. در صورتی که بتوان واکنش پیشگفته را روی زمین انجام داد، منبع انرژی بسیار عظیمی برای بشر تأمین خواهد شد. اما مشکل اصلی این است که سرعت واکنش فوق بسیار کم است و بنابراین برعکس خورشید، در یک نیروگاه زمینی، انرژی یادشده آزاد نخواهد شد.
اگر از ایزوتوپ های هیدروژن به نام های دوتریم(2D1) و تریتیم (3T1) برای واکنش پیشگفته استفاده شود، سرعت واکنش افزایش خواهد یافت.
نسبت جرمی هیدروژن موجود در زمین به دوتریم 1 است.
16
اگر یک انسان در طول عمر خود حدوداً معادل J 10×2 انرژی مصرف کند، این انرژی را می توان از یک وان پر از آب سنگین (حاوی یک تن O2D) با استفاده از واکنش گداخت هسته ای به دست آورد. یک قوطی روغن پر از آب سنگین، انرژی لازم برای حرکت یک ماشین در طول عمر
17
مفیدش را تأمین می کند. همچنین دوتریم موجود در 10 متر
30
مکعب از آب های روی زمین می تواند حدود J 10×9/7 انرژی گداخت تولید کند و این انرژی برای رفع
10
احتیاجات حدود 10 سال انسان ها کافی خواهد بود. البته تکنولوژی کنونی به علت کوچک بودن سطح مقطع واکنش، قادر به استحصال انرژی های پیش گفته نیست.

اجزای تشکیل دهنده راکتور های هسته ای
هر راکتور هسته ای از قسمت هایی به شرح زیر تشکیل یافته است.
الف) مادة کندکننده. برای شکافت هستة اورانیم 235، باید ذرات نوترون انرژی کمی در حدود Ev02/0 و به سرعت sec/m 200 داشته باشند. اما در اثر شکافت هسته ای، نوترون هایی به وجود می آیند که انرژی سرشاری در
7
حدود MeV2 دارند و سرعت آن ها به sec/m 10 بالغ می شود. بنابراین لازم است به نحوی از سرعت زیاد نوترون های پرقدرت پیشگفته کاسته شود، تا فرایند شکافت به طور مداوم و کنترل شده انجام پذیرد. در راکتورهای هسته ای، همین انرژی اضافی مبنای تولید حرارت فوق العاده زیادی است که مادة کندکننده آن را جذب می کند. مادة کندکننده باید باید ضمن آنکه انرژی سینتیک نوترون را می گیرد، آن را جذب نکند و باعث اتلاف آن نشود. موادی که به عنوان کندکننده در راکتورهایی با نوترون حرارتی به کار می روند، عبارتند از: 1. آب سبک (O2H)،2.آب سنگین (O2D)، و 3.گرافیت (C).نسبت حجم کندکنندة مورد نیاز به حجم سوخت (نسبت کندکنندگی) برای این مواد به ترتیب معادل 5/2، 25 و 50 است. نوترون های سرسع در اثر برخورد با ذرات آب، انرژی جنبشی خود را به ذرات آب می دهند و ضمن گرم کردن آب، تبدیل به نوترون حرارتی می شوند. گرم شدن آب باعث دور شدن ذرات آن از یکدیگر می شود و از تکرار پی در پی تصادم ها می کاهد. از این رو، برای جلوگیری از این عیب باید کندکننده بدون وقفه خنک شود. در راکتورهای سریع و زاینده از مواد کندکننده استفاده نمی شود.
ب) مادة خنک کننده. برای جلوگیری از کاهش کارآیی مادة کندکننده در حین عملیات، باید آن را خنک کرد. مواد خنک کننده، حرارت حاصل از شکافت هسته ای را از قلب رآکتور جذب و به سیکل ترمودیناکی سیستم (به طور مستقیم یا غیرمستقیم)، انتقال می دهند. امروزه در راکتورهای هسته ای معمولاً از این سیالات استفاده می شود:1- سیالات گازی شامل 2CO و هلیم، 2.آب

[ریپورتر]

سبک،3. آب سنگین، و4. فلزات مذاب (نظیر سدیم و پتاسیم). اگر مادة کندکننده به شکل مایع باشد، اغلب از خودش برای خنک کردن راکتور نیز استفاده می شود. بنابراین، آب سبک و آب سنگین، نقش دوگانة کندکنندگی و خنک کنندگی را انجام می دهند.
ج) سوخت راکتور. سوخت هایی که در راکتورهای هسته ای به کار می روند باید هم غلظت مناسبی از مواد رادیواکتیو داشته باشند و هم در مقابل مواد خورنده و شیب شدید دما مقاوم باشندو هم استحکام مکانیکی کافی داشته باشند. اغلب از ترکیب هستة شکافت پذیر (مثل 235u) و هستة بارورکننده (نظیر 238 u) برای سوخت راکتورها استفاده می شود. مادة شکافت پذیری که در راکتور تولید می شود می تواند پس از بازپروری سوخت مصرف شده، دوباره به همان راکتور یا راکتورهای دیگر بازگردانده شود.
نسبت تعداد هسته های شکافت پذیری که در راکتور تولید شده به هسته های شکافت پذیر مصرف شده،
ضریب تبدیل نام دارد؛ این ضریب یکی از مشخصه های مهم راکتورهای هسته ا ی است که در راکتورهای حرارتی عموماً کوچک تر از واحد است؛ ولی در مواردی مثل راکتورهای زاینده می تواند از یک نیز بیش تر شود.
سوخت راکتورهای قدرت،معمولاً اورانیم است و بسته به روش ممکن است از ترکیبات مختلفی تشکیل شده باشد. البته مادة شروع کننده در تمام راکتورها، اورانیم غنی شده است. سوخت می تواند جامد باشد و به صورت میله، تسمه، گلوله یا شبکه به کار رود. همچنین می توان سوخت را در آب، فلز مایع یا نمک معمولی حل کرد یا به صورت ذرات معلق در محیط شناور ساخت. در راکتورهای همگن که سوخت و کندکننده یک واحد را تشکیل می دهند، همواره از اورانیم غنی شده به شکل محلول 4so2uo استفاده می شود.

د) میله های تنظیم کننده. در اثر شکافت هر هسته، به طور متوسط5/2 نوترون جدید به وجود

[ریپورتر]

می آید . اگر هر کدام از این نوترون ها یک واکنش دیگر انجام دهند، در مدت زمان اندکی، انفجار هسته ای روی خواهد داد. بنابراین، برای جذب نوترون های اضافی و تنظیم نوترون ها به تعداد لازم برای واکنش بعدی، از میله های تنظیم کننده استفاده می شود. این میله ها از جنس مادة جذب نوترون (نظیر کادمیم و بور) هستند. با تغییر مقداری که این میله ها در هستة راکتور وارد می شوند، شدت جریان نوترون ها را تنظیم می کنند.در شکل 1-4 (الف) نحوه انجام واکنش زنجیر های کنترل نشده و (ب) در حالت کنترل شده را نشان میدهد.
برای خاموش کردن راکتور، میله های تنظیم کادمیمی را تا انتها در هسته فرو می کنند. در اوقات اضطراری نیز از این روش استفاده می شود. میلة کادمیم نوترون ها را جذب کرده و واکنش ها را متوقف می سازد.

هـ) مادة منعکس کننده. در راکتورها، تعدادی از نوترون ها به دلایل مختلف از محل عملیات یعنی هستة مرکزی راکتور، بیرون می آیند و به اطراف پراکنده می شوند. پراکندگی این نوترون ها، نوعی اتلاف به شمار می رود و بازدهی سیستم را کاهش می دهد.از این رو، با استفاده از آیینه هایی از جنس گرافیت و برلیم ، آن ها را به هستة مرکزی راکتور منعکس می کنند. در راکتورهایی که از خنک کنندة مایع استفاده می شود، وظیفة منعکس کننده را مایع خنک کننده به عهده دارد.
و) جدار حفاظ. در اثر فعل و انفعالات هسته ای، ذرات فعال نوترونی با قدرت نفوذ فوق العاده تولید می شوند. این ذرات در سر راه خود به هر چیزی که برسند، خاصیت رادیواکتیو به آن می

[ریپورتر]

دهند. این خاصیت خطرات بسیار زیادی به همراه دارد و از این رو برای جلوگیری از هر گونه تشعشع به خارج از سیستم، برای هر راکتور یک زره حفاظتی در نظر گرفته می شود. این حفاظ از دو قسمت حرارتی و زیست شناختی ساخته می شود. پوستة داخلی که از چند لایه فولاد آبگرد تشکیل یافته، به عنوان حفاظ حرارتی عمل می کند. قسمت زیادی از نوترون ها و تشعشعات از طریق حفاظ حرارتی و بقیه نیز با حفاظ زیست شناختی جذب می شوند.
تقسیم بندی راکتور های هسته ای
راکتورهای هسته ای را از جنبه های مختلف می توان تقسیم بندی کرد. از نظر مکانیزم فیزیکی فرایند هسته ای، راکتورها به دو گروه راکتورهای دارای نوترون حرارتی و راکتورهای سریع تقسیم می شوند. در گروه اول که اکثریت راکتورهای تجاری را تشکیل می دهند، برای برقراری واکنش زنجیره ای از مواد کندکنندة نوترون استفاده به عمل می آید. با توجه به وجود تفاوت های زیاد بین خواص کندکنندگی مواد کندکنندة مختلف، نوع کندکننده در طرح و مشخصات فنی راکتور نقش کلیدی دارد. به عنوان مثال تنها از نظر ابعاد، حجم قلب یک راکتور آب سنگین، حدود 10 برابر و قلب یک راکتور گرافیتی حدد 20 برابر قلب یک راکتور آب سبک با همان قدرت است. بر این اساس راکتور های حرارتی را به سه دسته راکتورهای آب سبک، آب سنگین و گرافیتی تقسیم می کنند.
معیار دیگر در تقسیم بندی راکتورها، انتخاب سیال خنک کننده است. برخی از راکتورها از سیال های گازی و برخی از سیال های مایع استفاده می کنند. از ترکیب کندکننده های مختلف و سیال های خنک کنندة متفاوت، طرح های متنوعی از راکتورها به دست می آید که نمونه های متداول آن ها در جدول 2-4آمده است. در این جدول، همچنین نوع سوختی که در راکتورها استفاده می شود از نظر فرم شیمیایی (اکسید، کاربید و فلز) و نیز درصد آن آمده است.
البته از جنبه های دیگر نیز راکتورها را دسته بندی می کنند. به عنوان مثال اگر سوخت راکتور، جامد و مادة کندکننده، مایع باشد، راکتور را غیرهمگن، و اگر سوخت و کندکننده در یکدیگر حل شده باشند (مثل آلیاژ یا مخلوط کاملاً یکنواخت)، راکتور را همگن می نامند.

[ریپورتر]

(الف) راکتورهای آب سبک
راکتورهای آب سبک (LWR)، حدود 75 درصد راکتورهای کنونی جهان را تشکیل می دهند و دارای بیش ترین تجربة بهره برداری یعنی بالغ بر 500/4 راکتور-سال، هستند . در این راکتورها از آب سبک (O2H) به عنوان کندکننده و خنک کنندة هم زمان استفاده می شود. با توجه به قدرت کندکنندگی زیاد آب سبک (کم ترین نسبت کندکنندگی)، قلب این راکتورها در مقایسه با دیگر راکتورها فشردگی بیش تر یا قدرت ویژة (3m/MW) بیش تری دارد. به عبارت دیگر، برای تولید قدرت مساوی، این راکتورها در مقایسه با سایر خانواده های راکتورهای حرارتی، ابعاد کوچک تری دارند، که این امر مستقیماً روی هزینة سرمایه گذاری نیروگاه مؤثر است. آب سبک، علاوه بر این که ارزان و فراوان است، یک سیال شناخته شدة صنعتی است که ظرفیت برداشت حرارت خوب و راحتی دارد. البته این سیستم ها دو اشکال عمده دارند: نخست، جذب نوترونی زیاد اب سبک نسبت به سایر کندکننده ها، حدود 10 برابر گرافیت و 600 برابر آب سنگین، موجب می شود که بازدهی نوترونی در این راکتورها پایین ترین مقدار را داشته و استفاده از اورانیم غنی شده (3 تا 4 درصد) را الزام آور سازد. دوم، آب، اعم از سبک یا سنگین، نقطة جوش نسبتاً بالایی دارد که در نتیجه در مقایسه با سیال های گازی از مشخصة ترمودینامیکی مناسبی برخوردار نیست. به ویژه چون نیروگاه های آبی غالباً با بخار اشباع کار می کنند، بازدهی ترمودینامیکی آن ها بسیار پایین (حدود 32 تا 33 درصد) است.
راکتور های با آب تحت فشار :(PWR)در این راکتورها، که حدود 85 درصد راکتورهای آب سبک را تشکیل می دهند، آب به عنوان کندکننده و سال خنک کننده، در یک مدار بسته و تحت فشار (حدود 155 اتمسفر)، به نام مدار اولیه یا مدار خنک کننده، گردش می کند و حرارتی که از راکتور برداشت می شود از طریق یک مبدل حرارتی (مولد بخار)، به سیکل ترمودینامیکی (مدار ثانویه) منتقل می شود. قلب راکتور شامل قابی دارای میله های سوختی از جنس دی اکسید اورانیم غنی شده تا 3 درصد است. سوخت داخل میله های محکمی از جنس آلیاژ زیرکونیم و تحت خلاء قرار می گیرد

[ریپورتر]

امتیاز عمدة این طرح، حفظ چگالی فیزیکی و قدرت کندکنندگی آب است، که همواره در فاز زیر اشباع، باقی می ماند و موجب برداشت مناسب حرارت از قلب راکتور و رسیدن به بالاترین قدرت ویژه (حدود 3m/MW100) می شود. افزوده بر این، مدار بستة اولیه در این راکتور، خود به عنوان یک حصار ایمنی اضافی در مقابل نشت مواد رادیواکتیو به محیط عمل می کند و از امتیازات دیگری از قبیل کنترل بهتر راکتور و کنترل مستقل شیمی آب بهره مند است. این راکتورها همچنین، به دلیل استفاده از آب زیر اشباع و منفی بودن کلیة عکس العمل های حرارتی، از پایداری و ایمنی ذاتی خوبی برخوردارند. راکتورهای PWR تا امروز، در اندازه های مختلف از 300 تا MW1400 ساخته شده اند. سوخت گیری این راکتورها، در حال توقف و به میزان سالانه حدود یک سوم سوخت اولیه صورت می گیرد.
راکتورهای دارای آب جوشان: راکتورهای دارای آب جوشان (BWR) با توجه به یکسان بودن سیال خنک کنندة راکتور و سیال سیکل ترمودینامیکی یعنی آب سبک، مدارهای اولیه و ثانویه با هم تلفیق می شوند و بخار اشباع تولید شده در راکتور، مستقیماً به درون توربین راه پیدا می کند حذف اجزای مدار اولیه در راکتور BWR، در مقایسه با راکتورهایPWR، موجب سادگی استثنایی طرح راکتور و همچنین ساختمان نیروگاه می شود. در مقابل این مزیت، ورود کمی بخار رادیواکتیو به توربین و سیکل ترمودینامیکی، رعایت ملاحظات حفاظت در برابر اشعة شدیدی را در بخش کلاسیک نیروگاه ایجاب می نماید. این راکتورها ابتدا در امریکا ساخته شدند، ولی پس از آن در سوئد، ژاپن و دیگر کشورها توسعه یافتند.

(ب) راکتورهای آب سنگین
راکتورهای آب سنگین(HWR)، پس از راکتورهای آب سبک، دومین خانوادة راکتورهای دارای نوترون حرارتی هستند که از تکنولوژی مطمئنی بهره مندند و تجربة بهره برداری زیادی دارند. در حال حاضر، حدود 7 در صد نیروگاه های هسته ای از راکتورهای HWR استفاده می کنند. این راکتورها، بیش تر در کانادا، آلمان، هند و آرژانتین توسعة کاملتری یافته اند.
در این راکتورها از آب سنگین به عنوان کند کننده و همچنین سیال خنک کننده(در اغلب طرح ها) استفاده به عمل می آید و همین امر باعث می شود که جذب نوترون توسط سیستم بسیار کم باشد و بهترین استفاده از سوخت اورانیم طبیعی در یک چرخة سوخت یک بار گذرا ممکن شود

[ریپورتر]

بدون آنکه نیاز به عملیات باز فرابری سوخت مصرف شده بعد از راکتور در میان باشد. این ویژگی همچنین اجازه می دهد که این راکتور، علاوه بر چرخة سوخت اورانیم طبیعی ، قابلیت انعطاف منحصر به فردی در استفاده از انواع چرخه های سوخت های هسته ای دیگر را داشته باشد؛ به طوری که سوخت هایی نظیر اورانیم کمی غنی شده یا اورانیمی که در سایر نیروگاه ها مصرف شده است را نیز می تواند به کار برد. همچنین چرخة U/Pu با بازگردانی Pu در راکتور و به ویژه چرخة توریم زاینده را نیز بتواند به کار برد. سوخت گیری در حال کار این راکتور موجب می شود که علاوه بر کنترل بهتر توزیع قدرت در راکتور و امکان تعویض سوخت های معیوب، این راکتور در مقایسه با سایر راکتورها از ضریب ظرفیت بسیار بزرگی( بیش تر از 90درصد) نیز برخوردار باشد. در طرح این راکتورها دو تکنولوژی متفاوت راکتورهای دارای لوله های تحت فشار (CANDU) در کانادا و هند و راکتورهای دارای دیگ تحت فشار در آلمان و آرژانتین به کار گرفته شده اند. بازدهی ترمودینامیکی این راکتورها بسیار پایین(حدود30درصد) است.
(ج) راکتورهای گرافیت-گاز
در راکتورهای گرافیت-گاز(GCR)، گرافیت به عنوان کند کننده و گازCO یا هلیم به عنوان سیال خنک کننده، به کار می رود. وجه مشترک این راکتورها در مقایسه با سایر راکتورهای حرارتی، ابعاد بزرگ قلب راکتور یا قدرت ویژة بسیار کم است، که از کاربرد گرافیت به عنوان کند کننده ناشی می شود. استفاده از سیال خنک کنندة گازی در این راکتورها موجب می شود که بتوان در این راکتورها به دمای زیاد با فشار نسبتاً کم دست یافت که در نتیجه راکتور بازدهی ترمودینامیکی بیشتری خواهد داشت. این راکتورها از نظر ایمنی هسته ای نیز مشخصه های بهتری نسبت به راکتور های آبی دارند که دلایل عمدة آنها، چگالی قدرت بسیار پایین، اینرسی حرارتی گرافیت و نیز عدم تغییر فاز سیال گازی در صورت بروز حادثه است. راکتورهای گرافیت-گاز تجارتی در سه طرح مختلف ساخته شده اند که در این مبحث معرفی می شوند.
راکتورهای گرافیت- گاز با اورانیم طبیعی. در این راکتور که نسل اول راکتورهای گرافیتی و

[ریپورتر]

بلکه راکتورهای هسته ای به شمار می رود و تاریخچة ساخت آن به دهة 1940 م. بر می گردد، بیش ترین استفاده از مواد طبیعی و به ویژه سوخت اورانیوم طبیعی مدنظر بوده است. برای این کار از سوخت فلزی با قطر زیاد( تقریباً 3 سانتی متر) همراه با غلاف منیزیم به مظور محدود کردن جذب نوترونی در سازة سوخت و امکان برقراری واکنش زنجیره ای با اورانیم طبیعی استفاده شده است. عناصر سوخت در این راکتور، در کانال های تعبیه شده در بلوک های گرافیتی قرار می گیرد و سیال خنک کننده- گاز 2co-نیز با عبور از کانال های سوخت، حرارت آن را می گیرد. محدودیت های حرارتی سوخت فلزی، تغییر فاز در دمای بیش تر از c660، و مسائل ناشی از واکنش شیمیایی سوخت با 2CO در صورت ترک غلاف در این راکتورها، موجب می شود که به رغم استفاده از سیال گازی، دمای خروجی سیال کوجک- حدود c140- باشد و در نتیجه بازدهی ترمودینامیکی نیروگاه کم- حدود 31 درصد- باشد. این راکتورها در دهه های 50 و 60 م. بیش از همه جا در انگلستان و فرانسه توسعه یافتند؛ اما امروزه به دلیل محدودیت های فنی و مقرون به صرفه نبون از نظر رقابت اقتصادی، عملاً در برنامه های توسعة نیروگاه های هسته ای قرار ندارند. با این حال، این راکتور، به دلیل عدم وابستگی به اورانیم غنی شده، یکی از انتخاب های مهم برای تولید انرژی الکتریکی در مقیاس محدود (حدود MWe300) و با تکنولوژی مطمئن، محسوب می شود.
راکتورهای گازی پیشرفته. راکتورهای گازی پیشرفته (AGR) نسل بعدی و تکامل یافتة راکتوهای ماگنوکس به شمار می آید و بیش تر در انگلستان توسعه یافته اند. در طرح این راکتور، محدودیت های حرارتی راکتور ماگنوکس که در درجة نخست از به کارگیری سوخت فلزی ناشی می باشد، با انتخاب سوخت سرامیکی (اکسید اورانیم 2UO) با قطر کمتر و غلاف فولادی، برطرف شده است و در نتیجه دمای خروجی سیال تا C560 را فراهم می آورد که در نتیجه، سیکل ترمودینامیکی این نیروگاه با بازدهی بزرگ (بیش تر از 40 درصد)، با بهترین نیروگاه های کلاسیک برابری می کند. این مزیت علاوه بر سایر مزایا از قبیل ایمنی و قابلیت اعتماد زیاد و سوخت گیری در حال کار، موجب شده که این راکتور از کارآمدترین مولدهای هسته ای برق باشد. البته استفاده از سوخت اکسید و

[ریپورتر]

غلاف فولادی، مستلزم به کارگیری اورانیم کمی غنی شده (تا 2/2 درصد) و از دست دادن مزیت اصلی راکتور ماگنوکس است. به رغم اینکه ساخت این راکتورها تا دهة 80 م. نیز ادامه داشته و آخرین نیروگاه از این نوع در سال 1988 م. در انگلستان وارد شبکه شده است، در حال حاضر، برنامة توسعه ای برای آن پیش بینی نمی شود.
راکتوهای پردما. راکتورهای پردما (htr) پیشرفته ترین نوع راکتورهای گرافیت- گاز هستند. این راکتورها با استفاده از سوخت ذره ای تمام سرامیک، کلیة محدودیت های حرارتی راکتورهای ماگنوکس و agr را کنار گذاشته و حداکثر استفادة مهندسی از مزایای راکتورهای گرافیت- گاز را ارائه می دهند. با استفاده از هلیم به عنوان سیال خنک کننده، مشکلات ناشی از خوردگی فلزات و گرافیت به کمک 2co حذف شده و امکان دست یابی به دماهای بالا (تا c1000) و نیز شار نوترونی و چگالی قدرت بیش تر، فراهم آمده است. عنصر سوخت در این راکتورها، به صورت ذرات اکسید یا کاربید اورانیم یا توریم، با چند لایه محافظ از کربن و سیلیسیم است که دارای ابعاد 3/0 تا7/0 میلی متر است. این ذرات با پخش شدن در یک زمینة گرافیتی، به اضافة کند کنندة ترکیبی، فازی همگن به وجود می آورند. غنای مورد نیاز برای برقراری واکنش زنجیره ای در این ترکیب، حدود 7 تا10 در صد است. دو طرح مختلف برای عنصر سوخت و ساختمان قلب راکتور توسعه یافته اند

[ریپورتر]

در راکتور HTR امریکایی- انگلیسی(شکل 4-4)، که نوع مدولار نیز خوانده می شود، عناصر سوخت به صورت بلوک های گرافیتی منشوری هستند که در یک محفظة فلزی روی هم انباشته می شوند و گاز هلیم از بین آنها عبور می کند. در نوع آلمانی(شکل 5-4)از سوخت گلوله ای شکل به قطرmm 60 استفاده می شود. این راکتورها در مقایسه با سایر راکتورهای گرافیت-گاز و نیز سایر راکتورهای هسته ای دارای امتیازات استثنایی به این شرح هستند:
- بازدهی ترمودینامیکی بزرگ( بیش تر از 40در صد) در تولید قدرت.
- امکان استفاده از هلیم خروجی راکتور در سیکل مستقیم توربین گازی یا سیکل ترکیبی با بازدهی بسیار بزرگ(حدود50درصد).
- ضریب تبدیل بزرگ و امکان دست یابی به زایندگی با استفاده از سوخت توریم.
- امکان استفاده از ترکیب های مختلف سوخت در چرخه های مختلف و به ویژه چرخة توریم، بدون نیاز به تغییر طرح راکتور.
- چگالی قدرت بیش تر نسبت به سایر راکتورهای گرافیتی.
- ایمنی ذاتی استثنایی به دلیل پایی بودن چگالی قدرت سوخت، اینرسی حرارتی و هدایت خوب گرافیت، منفی بودن عکس العمل های حرارتی و عدم تغییر فاز هلیم بر اثر افت فشار در صورت بروز حادثه.
- توسة کاربردها به تولید برق و حرارت.
راکتورهای HTR به رغم وجود امتیازات متعدد( در درجة نخست دمای زیاد، کاربردهای دوگانه، زایندگی و ایمنی ذاتی بالا) از دهة پنجاه میلادی تاکنون گسترش چشمگیری پیدا نکرده اند و فقط در حد چند نمونة نیمه صنعتی باقی مانده اند. این راکتورها در آینده در ردیف راکتورهای پیشرو خواهند بود زیرا بازدهی آن ها تنها با راکتورهای زایندة سریع قابل مقایسه است.

[ریپورتر]

(د) راکتورهای زایندة سریع (fbr): راکتورهای زایندة سریع واکنش زنجیره ای شکافت در طیف نوترون های پرشتابحاصل از شکافت هسته برقرار می شود. این امر مستلزم سوختی با غنای 15 تا 20 درصد است زیرا احتمال واکنش شکافت هسته ای در این ناحیه کم است؛ ولی این راکتورها نسبت به راکتورهای نوترون حرارتی امتیازات مهمی دارند که اهم آن ها عبارتند از: نیاز نداشتن به مادة کندکنندة نوترون و در نتیجه، کاهش قابل ملاحظة حجم راکتور (افزایش قدرت ویژه)، افزایش بازدهی نوترونی و ضریب تبدیل (به دلیل جذب نشدن نوترون ها در کندکننده) و شکافت پذیر بودن تعداد بیش تری از هسته ها در ناحیة سریع. سوخت ایده آلی که در این راکتورها استفاده می شود، پلوتونیم 239 است، چون بیش ترین بازدهی شکافت را در ناحیة نوترون های سریع دارد. این سوخت با ترکیبی از اورانیوم 238، قلب راکتور را تشکیل می دهد. به علاوه، در اطراف قلب راکتور، نواحی پوششی شعاعی و محوری با ضخامت زیاد از اورانیم 238 قرار می دهند که نقش عمدة آن، تولید پلوتونیم 239 اضافی در اثر جذب نوترون اورانیم 238 و ایجاد خاصیت زایندگی در راکتور است. ضریب تبدیل در این راکتورها که ضریب زایندگی نامیده می شود، بیش تر از یک است. در یک راکتور زاینده، مقدار هسته های شکافت پذیر تولید شده در درازمدت، بیش از هسته های اولیه است. به عبارت دیگر، پس از حدود 10 تا 30 سال که پریود نامیده می شود ، راکتور از نظر سوخت شکافت پذیر ، خود گردان می شود و می تواند مازاد تولید نیز داشته باشند. راکتورهای htr با چرخة توریم، در میان راکتورهای حرارتی و راکتورهای زایندة سریع، از این نوع اند

[ریپورتر]

عمل خودگردان شدن موجب می شود که در راکتورهای زایندة سریع در مقایسه با راکتورهای حرارتی، از ذخایر هسته ای به میزان 50 تا 60 برابر بیش تر استفادة انرژتیک شود. از این رو توسعة تجارتی این راکتورها در قرون آینده، به عنوان یکی از راه حل های اساسی جایگزینی منابع سوخت فسیلی مطرح است.
انرژی ذخایر 235U موجود در دنیا از انرژی منابع زغال سنگ کم تراست، ولی از طریق بارور کردن 238U و 232Th، منابع اورانیم به 25 تا 50 برابر منابع زغال سنگ افزایش می یابد.
از آنجا که این راکتورها بیش ترین چگالی قدرت (در حدود 450 تا 3m/MW600) را در بین راکتورهای دیگر دارند، برای برداشت حرارت از قلب راکتور، باید از سیال های خاصی استفاده کرد. در راکتورهای FBR فعلی از سدیم و پتاسیم مذاب استفاده می شودکه در کنار مشخصه های ترموهیدرولیکی خوبی نظیر سیال بودن، هدایت حرارتی بالا و به ویژه امکان استفاده در فشار اتمسفری، مشکلاتی را نیز در بردارند. از جملة این مشکلات می توان به واکنش شدید با آبی(به صورت انفجار)، اشتعال با هوا و اکتیو شدن اشاره کرد. بنابراین، لازم است از یک مدار واسطه ای سدیم، بین مدار اولیه و سیکل ترمودینامیکی استفاده به عمل آید

[ریپورتر]

مقایسة مشخصات انواع راکتور های قدرت:برخی از مشخصات فنی راکتورهای تجارتی قدرت در جدول 3-4 آمده است.

مشخصات فنی راکتور
UnGG
AGR
HTR
CANDU
BWR
PWR

FBR
غنای سوخت%
ضریب تبدیل زایندگی
قدرت ویژه
NW th/m3
حدفرسایش متوسط سوخت
GWD/T
فشار سیال خنک کننده at
دمای خروجی
بازدهی %
طبیعی
85.

1

5-4



30

410
32
2.2-1.7
8.

2

18



40

700
42
10-7
1.2-85.
8


100




50

1000
45
طبیعی
85.

12-9

7.5



110

310
29
2.5
65.

55

28



70

285
32

3.5
65.

100

33



155

330
32
20-10
1.2

3000-6000

80:100




اتمسفر


600
42




این مشخصات را می توان از چند جنبه مورد مقایسه قرار داد.
(الف) سوخت راکتور. از نظر استفاده از مواد طبیعی و به ویژه سوخت، تنها دو راکتور گرافیت- گاز ماگنوکس (UnGG) و راکتور آب سنگین، قادر به استفاده از اورانیم طبیعی هستند و سایر راکتورها، به اورانیم غنی شده و خدمات غنی سازی نیازمندند. تکنولوژی تهیة آب سنگین نیز در جهان، در اختیار کشورهای معدودی قرار دارد و مشمول محدودیت های سیاسی بین المللی است.
(ب) بازدهی. راکتورهای گازی نسبت به راکتورهای آبی، اعم از آب سبک یا سنگین، از بازدهی ترمودینامیکی بالاتری برخوردارند. از جملة راکتورهای گازی می توان به راکتورهای AGR و به ویژه نوع HTR اشاره کرد.
(ج) ضریب تبدیل. در میان راکتورهای حرارتی، راکتورهای HTR دارای بیش ترین ضریب تبدیل است و همراه با چرخة توریم، امکان زایندگی در ناحیة حرارتی وجود دارد. این خاصیت با راکتورهای FBR قابل مقایسه است که دارای ضریب تبدیل بیش تر از واحد در ناحیة سریع می باشند. در راکتورهای آب سنگین نیز امکان استفاده از توریم در یک چرخة خودگردان وجود دارد. این مشخصه، در استفاده از ذخایر سوخت هسته ای در درازمدت نقش اساسی دارد.
(د) ایمنی هسته ای. اگرچه تمامی انواع راکتورهای تجاری متداول، امروزه از درجة ایمنی بسیار زیادی برخوردارند. ولی در مجموع، راکتورهای گرافیت- گاز، به دلیل چگالی قدرت کم، اینرسی حرارتی گرافیت و پایداری فاز سیال خنک کننده، از قابلیت اطمینان بیش تری برخوردارند و در این میان نیز راکتورهای HTR در رأس راکتورهای دارای ایمنی ذاتی قرار دارند.
(هـ) کاربرد. نیروگاه های هسته ای از نظر کاربردی، علاوه بر تولید برق، در تأمین حرارت صنعتی در گستره های مختلف دما نیز می توانند به کار روند. از این نظر پیش بینی می شود که راکتورهای HTR بیش ترین باردهی را در آینده داشته باشند.
ذخایر مواد رادیو اکتیو:
کانه اورانیوم:در پوستة زمین ppm4-3 اورانیم وجود دارد که از ذخایر طلا، پلاتین، نقره، جیوه و کادمیم فراوانتر است. اما اورانیم در مناطق وسیعی توزیع شده و تقریباً در تمام انواع تخته سنگ ها، آب های طبیعی و آب دریا موجود است. مقدار اورانیم موجود در معادن دنیا حدود kg10 10× 5/2 تخمین زده می شود. اورانیم در آب دریا با غلظت ppm003/0 وجود دارد که مقدار کل آن حدود kg12 10×4/4 و یا 200 برابر مقدار موجود در معادن است. اگر فنون جمع آوری اورانیم از آب دریا ابداع شود، استفاده از انرژی شکافت هسته ای، برای مدتی طولانی میسر خواهد شد.

[ریپورتر]

اورانیم معمولاً به حالت ترکیب با سایر عناصر فلزی همراه است. حدود 100 کانی دارای اورانیم تاکنون شناخته شده است. سنگ معدن اورانیم دارای 719/0 درصد 235u و بقیه 238U است که ناشکستنی می باشد. ذخایری که محتوی 5/0 درصد یا بیشتر اورانیم باشند، پرعیار خوانده می شود. معدودی از منابع این چنین اند. اکثر ذخایر از نوع کم عیارند. مقدار اورانیم در این ذخایر تنها چند هزارم درصد است. استخراج و تغلیظ اورانیم به صورت محصول جنبی از ذخایری که حدود 01/0 درصد اورانیم دارند در وضعیت حاضر، اقتصادی است.
غنی ترین و بزرگترین ذخیرة اورانیم دنیا در کنگو یافت می شود. ذخایر افریقای جنوبی در هر تن حدود 225 گرم اورانیم دارد که کم عیار محسوب می شود. اما به لحاظ آنکه محصول جنبی طلا به حساب می آید ، کاملاً اقتصادی است. ذخایر پراکنده ای با عیار متوسط در استرالیا و یک ذخیرة بسیار غنی در الدورادو کانادا نیز موجود است. در سایر کشورهای جهان مانند چک، اسلواکی، شوروی سابق و امریکا نیز ذخایر پراکنده ای وجود دارد.
در حال حاضر سه معدن اورانیم در منطقة ساغند استان یزد کشف و شناخته شده است که ذخیرة آن به حدود 2800 تن بالغ می شود. همچنین طبق برآوردهای کنونی، کل ذخایر اورانیم کشور بالغ بر 18 تا 20 هزار تن است که بیش تر در بخش های مرکزی کشور شناسایی شده است.
ذخایر توریوم:حدود ppm 12-10 توریم در پوستة زمین موجود است. اگر چه این مقدار حدود 3 تا 4 برابر مقدار اورانیم است، اما بازیابی اقتصادی توریم به لحاظ خواص شیمیایی، کم تر از بازیابی اورانیم است.
اکثر توریم تجارتی از کانی مونازیت که به رنگ های زرد، قهوه ای و قهوه ای متمایل به قرمز و محتوی 8O3U است، به دست می آید. این کانی در امتداد سواحل رودخانه ها و دریاها یافت می شود. مادة سنگی اصلی در کانة محتوی توریم، کوارتز است.
توریم موارد مصرف دیگری به غیر از سوخت هسته ای نیز دارد. در چراغ های گازی از آن استفاده می شود؛ زیرا نقش کاتالیزور را در احتراق سوخت بازی می کند و باعث افزایش نور چراغ

[ریپورتر]

می شود. وجود 2 تا 3 درصد توریم در آلیاژهای به خصوصی از منیزیم، خواص مکانیکی آلیاژها را در دماهای عادی و زیاد بهبود می بخشد. توریم در صنعت شیمیایی نیز استفاده می شود و به عنوان کاتالیزور برای شکستن نفت و برای اکسیداسیون آمونیاک و تبدیل به اسید نیتریک به کار می رود. در صنایع الکتریکی نیز برای کنترل اندازة دانه های تنگستن در رشتة لامپ ها از آن استفاده می شود.
ذخایر لیتیم:معادن لیتیم دنیا بیش تر در امریکا، کانادا و چند کشور افریقایی شناسایی شده است. کل
9
لیتیم موجود در معادن جهان حدود kg 10×9 برآورد شده

24
که قادر است از طریق واکنش گداخت، انرژی J 10×15/3 ایجاد کند. همچنین آب دریا شامل دوتریم با غلظت ppm158 و لیتیم با غلظت ppm17/0 است. انرژی گداخت حاصل از کل لیتیم دریاها حدود J27 10×3/6 است. جداسازی لیتیم از عناصر مشابهی چون Na ،K،Ca،Mg وBe موجود در آب دریاها نیز چندان مشکل نیست.
وضعیت انرژی هسته ای در جهان و ایران
در سالهای اخیر بیش ترین سرمایه گذاری کشورهای صنعتی در بین انواع انرژی، در زمینة انرژی هسته ای صورت گرفته و از این رو مهم ترین پیشرفت ها و دستاوردها نیز در این بخش بوده است. و با تمام نگرانی هایی که ظاهراً در محافل غربی و کشورهای صنعتی در رابطه با ایمنی نیروگاه های هسته ای، راکتورهای آزمایشی و دیگر تأسیسات هسته ای در این کشورها افزوده می شودو هزینه های گزافی برای توسعه آن ها، صرف می شود . بخش های صلح جویانة تکنولوژی هسته ای به عنوان یک تکنولوژی جدید، تقریباً در تمام جنبه های زندگی امروزی اعم از کشاورزی، دامپروری، پزشکی و صنعت به کار می رود. در سال 1994 بالغ بر 480 نیروگاه هسته ای در 31 کشور جهان در

[ریپورتر]

دست بهره برداری یا ساخت بوده است. سهم کشورهای عضو سازمان همکاری اقتصادی اروپا (oecd) با احتساب gw265، برابر 5/81% ظرفیت جهانی در سال 1990، و سهم کشورهای عضو مجمع حمایت های اقتصادی دو جانبه (cmea)، معادل gw42 یعنی حدود 13% ظرفیت کل بوده است و این در صورتی است که سهم کشورهای در حال رشد، gw18 یعنی فقط 6/5% ظرفیت است. در سال 1994 بیش ترین سهم در کل ظرفیت نیروگاه های نصب شدة هسته ای جهان به ترتیب به کشورهای ایالات متحده امریکا (29%)، فرانسه(17%)، ژاپن(11%)، آلمان(7/6%)، روسیه(8/5%)، کانادا(6/4%)، اوکراین(7/3%)، انگلیس(4/3%) و سوئد (3%) تعلق داشته است.
امروزه برق هسته ای بخش قابل توجهی از الکتریسیتة تولید شده در جهان را تشکیل می دهد. در فاصلة زمانی پس از نخستین بحران نفت در سال 1973م. تولید برق هسته ای به شش برابر افزایش یافت.
با وجود اینکه حادثة چرنوبیل در برنامة توسعة انرژی هسته ای تعدادی از کشورها و به ویژه شوروی سابق، قویاً اثر گذاشته است، اما از زمان وقوع این حادثه تاکنون، بیش از gw98 برقهسته ای در سراسر جهان وارد شبکة تولید شده که در مقابل، تنها حدود gw24 از شبکه خارج شده است.
در حال حاضر تأسیسات عمدة هسته ای در ایران شامل یک راکتور تحقیقاتی به قدرت mw5 در تهران، چند راکتور تجربی و آزمایشی در اصفهان، مرکز تابش گاما برای استرلیزه کردن مواد یکبار مصرف و مواد غذایی در تهران و بناب و آزمایشگاه های تولید رادیوایزوتوپ های مختلف در تهران، سیکلوترون در کرج و آزمایشگاه های تحقیقاتی متعددی در زمینه های مختلف انتقال تکنولوژی هسته ای می باشد.
تاکنون انرژی هسته ای در ایران محدود به استفاده برای کارهای تحقیقات بنیادی و ماربردی در زمینة انتقال تکنولوژی هسته ای و تولید رادیوایزوتوپ های مختلف برای کاربردهای صنعتی، کشاورزی و پزشکی و همچنین استفاده از اشعه برای استرلیزه کردن مواد مختلف بوده است، اما در زمینة تولید برق هنوز از انرژی هسته ای در ایران استفاده یه عمل نیامده است. در سال های قبل از

[ریپورتر]

انقلاب، قرارداد ایجاد 4 نیروگاه هسته ای (دو نیروگاه mw1200 در بوشهر و 2 نیروگاه mw900 در دارخویین خوزستان) منعقد شد ولی عملیات اجرایی این قرارداد، پس از پیروزی انقلاب اسلامی به حالت تعلیق درآمد. در برنامة اول عمرانی کشور، اقدامات جدی برای تکمیل یک واحد از دو واحد نیروگاه نیمه تمام بوشهر که حدود 80% از عملیات ساختمانی و 60% از عملیات مکانیکی و الکترونیکی آن انجام یافته است، صورت گرفت و در نهایت پس از مدت ها مذاکره به علت عدم همکاری کشور آلمان که طرف قرارداد اصلی عملیات ساختمانی این نیروگاه بود، قرارداد تکمیل این نیروگاه با طرف های روس به امضاء رسید و عملیات اجرایی آن در طی برنامة دوم عمرانی انجام خواهد شد.
طبق قراردادهای جدید ظرفیت نصب شدة این نیروگاه به حدود mw1000 بالغ می شود. علاوه بر این عملیات، قرارداد 2 واحد کوچک mw300 نیز با مقامات چینی منعقد شده است که انتظار می رود مورد بهره برداری قرار گیرد. به هر صورت با توجه به وضعیت نظام فعلی عرضة انرژی در کشور، ایجاد تنوع در منابع عرضه و رهایی از وابستگی صرف به منابع فسیلی نفتی، تکمیل نیروگاه های نیمه تمام ضرورت تام دارد.

[ریپورتر]

حادثه چرنوبیل



(http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%BE%D8%B1%D9%88%D9%86%D8%AF%D9%87:Chernobylreac tor_1.jpg)

[/URL]نیروگاه چرنوبیل پس از حادثه

حادثه اتمی چرنوبیل بدترین حادثه اتمی غیرنظامی تاریخ جهان است که در رآکتور شماره ۴ نیروگاه چرنوبیل [U]اکراین (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%BE%D8%B1%D9%88%D9%86%D8%AF%D9%87:Chernobylreac tor_1.jpg) در ۲۶ آوریل (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DB%B2%DB%B6_%D8%A2%D9%88%D8%B1%DB%8C%D9%84) ۱۹۸۶ (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DB%B1%DB%B9%DB%B8%DB%B6_(%D9%85%DB%8C%D9%84%D8%A7 %D8%AF%DB%8C)) اتفاق افتاد. این راکتور از رآکتورهای RBMK (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B1%D8%A2%DA%A9%D8%AA%D9%88%D8% B1_RBMK&action=edit&redlink=1) بود.
حادثه


در ۲۵ و ۲۶ آوریل ۱۹۸۶ متصدیان راکتور برای انجام آزمایشی سیستم ایمنی راکتور را غیر فعال کردند (کندکننده‌های نوترون را از آن خارج کردند).
نتیجه آن راکتوری بدون کندکننده مناسب و از کنترل خارج شدن آن بود. بدون توانایی در کنترل رآکتور، دمای آن به حدی رسید که بیشتر از حرارت خروجی طرح ریزی شده بود. حادثه زمانی آغاز شد که در ۱۰:۱۱ شب ۲۵ آوریل ۱۹۸۶نیروگاه چرنوبیل دستور کاهش میزان قدرت رآکتوربرای تست را دریافت نمود و نیروگاه شروع به کاهش قدرت رآکتور شماره چهار تا ۳۰ درصد نمود.دو اشتباه واقعه مهلک چرنوبیل را رقم زد اولین اشتباه زمانی بود که کنترل کننده رآکتور به اشتباه و بر اثر عدم تنظیم کردن میله‌های جذب نوترون نیروی راکتور را تا یک درصد کاهش داد و رآکتور بیش از پیش افت قدرت پیدا کرد. در اینجا بود که پرسنل دومین اشتباه خود را انجام دادند و تقریبا تمامی میله‌های کنترل را از داخل رآکتوربیرون کشیدند. این همانند زمانی است که اتومبیلی را در آن واحد هم گاز داد و هم ترمز گرفت.در این زمان و با وجود نبود میله‌های کنترل کننده قدرت در داخل منطقه فعال نیروی رآکتور به ۷ درصد افزایش پیدا نمود.

[ریپورتر]

انفجار اولیه


در ۱:۲۴ صبح یک انفجار اولیه پوشش ۱۰۰۰ تنی بالای رآکتور را بلند و راه را برای خروج مقدار زیادی بخار آب داغ هموار کرد. و این مقدمه‌ای بود بر انفجار دوم ناشی از هیدروژن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%87%DB%8C%D8%AF%D8%B1%D9%88%DA%98%D9%86)، که ممکن است حاصل ترکیب بخار آب لوله‌های پاره شده و زیرکونیوم (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B2%DB%8C%D8%B1%DA%A9%D9%88%D9%86%DB%8C%D9%88%D 9%85) و یا حتی گرافیت (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%AF%D8%B1%D8%A7%D9%81%DB%8C%D8%AA) هسته رآکتور بوده باشد.
انفجار دوم


انفجار دوم سقف رآکتوررا پاره کرد و ۲۵ درصد از تأسیسات هسته رآکتور را از بین برد. گرافیت (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%AF%D8%B1%D8%A7%D9%81%DB%8C%D8%AA) (کندکننده) سوزان و مواد داغ هسته که در اثر انفجار بیرون ریخته بود، باعث ایجاد حدود ۳۰ آتش سوزی جدید شد، واین شامل سقف قیر اندود و قابل اشتعال واحد ۳ نیز می‌شد که مجاور واحد ۴ واقع شده بود.
عواقب

تعداد زیادی از کارکنان تأسیسات در عرض چند ساعت نشانه‌های دریافت تشعشع رادیو اکتیو (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%AA%D8%B4%D8%B9%D8%B4%D8%B9_%D8 %B1%D8%A7%D8%AF%DB%8C%D9%88_%D8%A7%DA%A9%D8%AA%DB% 8C%D9%88&action=edit&redlink=1) را نشان دادند. عده زیادی کارمند و آتش نشان که بدون محافظ مشغول به کار بودند، بیشتر بخاطر شروع آتش سوزی در سقف واحد ۳ بود که پیش بینی‌های ایمنی را نادیده گرفتند. عده افرادی که در بیمارستانها بستری شدند، تا ساعت ۶ صبح به ۱۰۸ و تا پایان روز اول به ۱۳۲ نفر رسید. پس از انفجار ابتدا محیط اطراف تاسیسات به امواج رادیواکتیو آلوده گشت و بعد به تدریج ابرهای آلوده به نواحی دورتر سرکشیدند و بارش باران سبب شد که بخش‌های وسیعی از اروپا به مواد رادیواکتیو آلوده شود.در اثر انفجار در راکتور بلوک چهار تاسیسات اتمی چرنوبیل، مواد رادیواکتیو برای ساختن حدود ۱۰۰ بمب اتمی آزاد شدند. اگرچه در آن سال مقامات اتحاد شوروی سابق در آن زمان، پخش هر گونه خبری را در مورد این فاجعه به شدت ممنوع ساختند اما در مقایسه جوامع بشری، فاجعه چرنوبیل وحشت ناک ترین فاجعه تکنوژنیک انسانی در تمام تاریخ به شمار می‌آید در اثر فاجعه چرنوبیل قریب به۵ میلیون نفر آسیب دیدند، حدود ۵ هزار مرکز مسکونی در جمهوری روسیه، سفید اوکراین و فدراسیون روسیه با ذرات رادیو اکتیو آلوده شدند. از میان آنها، ۲۲۱۸ شهر و روستا با جمعیت حدود ۲/۴ میلیون نفر در محدوده اوکراین قرار داشتند، فاجعه چرنوبیل جمعیت کشورهای مذکور را تحت الشعاع قرار داد. غیر از اوکراین، جمهوری روسیه سفید و فدراسیون روسیه، کشورهای فنلاند، سوئد، نروژ، لهستان، بریتانیای کبیر و برخی کشورهای دیگر نیز اثرات فاجعه را

[ریپورتر]

احساس کردند.عوامل اصلی فاجعه انجام آزمایش بدون فراهم بودن شرایط، سطح پایین دانش امنیت هسته‌ای دانشمندان شوروی، سطح ناکافی ایمنی در راکتور، اشتباهات پرسنل اعلام شد.عملیات امحا» نتایج فاجعه در نیروگاه چرنوبیل از تاریخ ۲۶ آوریل ۱۹۸۶ تحت ریاست کمیسیون دولتی شوروی آغاز شد. این عملیات از نیمه دوم روز ۲۶ آوریل شروع شد و تا سال ۱۹۹۱ ادامه یافت.در اولین گام یک منطقه انزوا در محدوده ۳۰ کیلومتری اطراف نیروگاه چرنوبیل تعیین شد. از ۲۷ آوریل سال ۱۹۸۶ حکومت اوکراین ساکنین شهرهای پریپیتت و چرنوبیل، و روستاهای داخل منطقه ۳۰ کیلومتری (حدود ۱۰۰ هزار نفر) را به خارج این محدوده انتقال داد.پنهان کردن اطلاعات مربوط به فاجعه چرنوبیل باعث شکل گیری و گسترش شایعات باور نکردنی پیرامون نتایج فاجعه شد. ریاست شوروی از پذیرش همکاری بین المللی برای انجام عملیات امحا» نتایج فاجعه هسته‌ای امتناع کرد. تنها در سال ۱۹۸۹ بود که حکومت شوروی از آژانس انرژی اتمی به منظور ارزیابی کارشناسی عملیات امحا»، درخواست کمک کرد.فاجعه چرنوبیل وضعیت تشعشع در محدوده‌های بسیاری از کشورهای اروپایی را به شدت تغییر داد. در ماه می‌سال ۱۹۸۶ در تمامی کشورهای نیمکره جنوبی، در اقیانوسهای آرام، اتلانتیک و منجمد شمالی ملاحظه می‌شدند.

[ریپورتر]

فصل چهارم



انرژی باد





















انرژی باد


یکی از دیرینه ترین منابع انرژی که از دیرباز به کار گرفته شده باد است. بخش کوچکی (حدود 2%) از انرژی حاصل از نور خورشید که به سطح زمین می تابد، به انرژی باد تبدیل می شود. علت اصلی ایجاد باد که در واقع همان هوای متحرک است، گرم شدن نابرابر زمین و جو آن و حرکت جو نسبت به زمین است. سرعت وزش باد در طول روز، ماه و سال تغییر می کند؛ از این رو، برای بیان سرعت وزش باد در هر نقطه از کرة زمین ، مقادیر متوسط سالانه به کار گرفته می شود. بررسی ها نشان داده که حدود 35% از انرژی باد در ارتفاع یک کیلومتری از سطح زمین اعمال می شود. از این انرژی می توان برای انجام دادن کار مکانیکی و تولید انرژی الکتریکی بهره گرفت. با وجود پیشرفت هایی که در طراحی و ساخت ماشین های بادی صورت گرفته است، نمی توان بیش از حدود 2% از انرژی باد را به خدمت گرفت. بر پایة محاسبات، معلوم شده است که
14
انرژی باد برای کل سیارة زمین در حدود 10 ×3/1 وات است که معادل 20 برابر توان مصرفی دنیاست.
طبق بررسی های به عمل آمده، ایرانیان اولین کسانی بودند که در حدود 200 سال پیش از میلاد مسیح (ع) از آسیاب های بادی عمودی برای خرد کردن دانه های غلات استفاده می کردند . مصریان، رومیان و چینیان قدیم نیز از انرژی باد در قایقرانی و آبیاری بهره می جستند. بعدها استفاده از توربین های بادی با محور قائم و میله های چوبی توسعه یافت. همچنین برای نخستین بار، ایرانیان موفق شدند با استفاده از نیروی باد، دلو (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AF%D9%84%D9%88) (دولاب) یا چرخ چاه (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%86%D8%A7%D9%87) را به گردش درآورده و از چاه‌های آب خود، آب را به سطح مزارع برسانند.
بررسی های تاریخی نشان می دهد که اروپائیان، خود مبتکر آسیاب بادی نبوده اند؛ بلکه در زمان حضرت عیسی مسیح (ع) بازرگانانی که از منطقة سیستان ایران عبور می کردند، آسیاب های بادی سادة آن روزگار را مشاهده کردند و طرح آن ها را با خود به اروپا انتقال دادند.
با اختراع موتورهای احتراقی و شروع استفاده از تیروی بخار، پس از انقلاب صنعتی در اروپا، استفاده از ماشین های بادی رو به کاهش نهاد. البته در چند دهة اخیر دانشمندان متوجه شده اند که در اوایل قرن 21 م. جهان با کمیابی یا نایابی سوخت های فسیلی مواجه خواهد شد و از این رو، اکنون بار دیگر، به انرژی های تجدید شونده و از جمله انرژی باد توجه می شود.
کاربرد مجدد آسیاب های بادی در ایران به کم تر از 30 سال پیش بازمی گردد. در سال 1348 هـ.ش.، خریداری و نصب تعدادی آسیاب بادی دارای محور افقی چند پره، در طرح اصلاح مراتع به منظور تأمین آب آشامیدنی دام ها در مراتع و جایگاه های حیات وحش در چراگاه ها و جنگل های

[ریپورتر]

کشور پیش بینی شد. اولین آسیاب بادی در سال 1349 هـ.ش. به کمک یک تکنسین انگلیسی با همکاری کادر فنی مرتعی در منطقة زرند ساوه نصب شد. تا سال 1354 هـ.ش. تعداد 31 دستگاه و از آن سال تاکنون مجموعاً 200 دستگاه(50 دستگاه و 150 دستگاه بعد از انقلاب اسلامی) در استان های مختلف کشور نصب و بهره برداری شده است.
در حال حاضر در کشور امریکا حدود 16000 توربین بادی وجود دارد که ظرفیتی حدود 1400 مگاوات دارند و تقریباً 1% کل میزان برق موردنیاز آن کشور را تأمین می کنند.
منظور از توان بادی تبدیل انرژی باد به نوعی مفید از انرژی مانند انرژی الکتریکی است که این کار به وسیله توربین‌های بادی صورت می‌گیرد
انرژی بادی، مانند سایر منابع انرژی تجدید پذیر به طور پراکنده روی کره زمین وجود دارد

از انرژي هاي بادي جهت توليد الكتريسيته و نيز پمپاژ آب از چاهها و رودخانه ها، آرد كردن غلات، كوبيدن گندم، گرمايش خانه و مواردي نظير اينها مي توان استفاده نمود. استفاده از انرژي بادي در توربين هاي بادي كه به منظور توليد الكتريسته بكار گرفته مي شوند از نوع توربين هاي سريع محور افقي مي باشند. هزينه ساخت يك توربين بادي با قطر مشخص، در صورت افزايش تعداد پره ها زياد مي شود. انرژی بادی در مقادیر زیاد در مزارع بادی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D8%B2%D8%B1%D8%B9%D9%87_%D8 %A8%D8%A7%D8%AF%DB%8C&action=edit&redlink=1) تولید و به شبکه الکتریکی متصل می‌شود. از توربین‌ها در تعداد کم معمولاً فقط برای تامین برق در مناطق دور افتاده استفاده می‌شود.
اما از جمله دلایل تمایل کشورها برای افزایش ظرفیت تولید برق بادی مزایا بسیار زیاد این روش تولید انرژی الکتریکی است چراکه انرژی بادی فراوان، تجدیدپذیر (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C%E2% 80%8C%D9%87%D8%A7%DB%8C_%D8%AA%D8%AC%D8%AF%DB%8C%D 8%AF%D9%BE%D8%B0%DB%8C%D8%B1&action=edit&redlink=1) و پاک است و همچنین در مقایسه با استفاده از انرژی سوخت‌های فسیلی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B3%D9%88%D8%AE%D8%AA_%D9%81%D8%B3%DB%8C%D9%84% DB%8C) میزان کمتری گاز گلخانه‌ای (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%AF%D8%A7%D8%B2%D9%87%D8%A7%DB%8C_%DA%AF%D9%84% D8%AE%D8%A7%D9%86%D9%87%E2%80%8C%D8%A7%DB%8C) منتشر می‌کند.
در سالهای اخیر مشکلات زیست محیطی و مسئله تغییر آب و هوای کره زمین، به سبب استفاده زیاد از حد انرژی های فسیلی، استفاده از انرژی بادی را افزایش داده است. از سال 1975 میلادی پیشرفت های زیادی، در زمینه توربین های بادی مولد برق بدست آمده است. در سال 1980 با اتصال توربین های بادی مولد برق به شبکه، اولین بازار چند مگاواتی انرژی بادی در کالیفرنیا بوجود آمد. در پایان سال 1990، ظرفیت توربین های بادی مولد برق متصل به شبکه در جهان به حدود، MW2000 با

[ریپورتر]

تولید سالانه GWh 3200 رسید، که تماما ًمربوط به آمریکا و دانمارک بوده است. در این زمان کشورهای هلند ، آلمان ، انگلستان ، ایتالیا و هندوستان برنامه ملی خود را برای استفاده از انرژی بادی آغاز کردند. به تدریج با پیشرفت فناوری، هزینه تولید انرژی با توربین های بادی کاهش یافته است، با این همه استفاده همه جانبه از سیستم های مولد برق بادی هنوز آغاز نشده است. یکی از کاربردهای انرژی بادی پمپ کردن آب است. در دهه 60-1950 که پمپ های موتوری به بازار عرضه شده، به سبب کاهش قیمت انرژی های فسیلی، کاهش ناگهانی در مورد استفاده از پمپ های بادی به وجود آمد. در حال حاضر پمپ های بادی به طور عمده در چین، آفریقای جنوبی، آرژانتین و آمریکا به کار مشغولند. پمپ های آب بادی به وسیله توربین های پُرپره کلاسیک با دور کم و ترک بالا کار می کنند. به طور کلی در مورد استفاده از انرژی بادی، تأکید بر توربین های بادی مولد برق برای اتصال به شبکه خواهد بود، زیرا این کاربرد انرژی بادی می تواند، سهم مهمی در تأمین برق مصرفی جهان داشته باشد. تخمین زده می شود در سال 2020 میلادی سهم انرژی جهان با قدرت مجموع، توربین های بادیGW 180 حدود TWh375 در سال باشد. در قالب ضرورت های زیست محیطی، این سهم ممکن است در سال 2020 به حدود TWh 900 با قدرت، مجموع توربین های بادی GW 470 افزایش یابد. استعداد نهایی انرژی بادی به عنوان یک منبع انرژی درازمدت، تقریباً دو برابر مصرف انرژی فعلی جهان تخمین زده می شود. . در انتهای سال ۲۰۰۶ (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DB%B2%DB%B0%DB%B0%DB%B6) میزان ظرفیت تولیدی برق بادی در سراسر جهان برابر ۷۳٫۹ گیگاوات بود. گرچه این میزان چیزی در حدود یک درصد از کل انرژی الکتریکی تولیدی در جهان محسوب می‌شد اما در طول بازه زمانی بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۶ تقریباً چهار برابر شده‌است. در این میان کشورهای دانمارک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AF%D8%A7%D9%86%D9%85%D8%A7%D8%B1%DA%A9) با ۲۰ درصد، اسپانیا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B3%D9%BE%D8%A7%D9%86%DB%8C%D8%A7) و پرتغال (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%BE%D8%B1%D8%AA%D8%BA%D8%A7%D9%84) با ۹ درصد و آلمان (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D9%84%D9%85%D8%A7%D9%86) با ۷ درصد از نظر درصد تولید برق بادی از کل تولید انرژی الکتریکی در جایگاه‌های نخست قرار دارند.
منبع انرژی بادی
تابش نور خورشید، در عرض های مختلف کره زمین موجب تغییراتی در فشار و دمای هوا شده و باد به وجود می آید
در مناطق گرمسیر، تابش نور خورشید سبب افزایش حرارت محیط می گردد، و در مناطق قطبی افت درجه حرارت به وجود می آید. اتمسفر کره به وسیله چرخش زمین حول محور خود که از قطبین

[ریپورتر]

زمین عبور می کند، گرما را از مناطق گرمسیر به مناطق قطبی انتقال می دهد. در مقیاس جهانی، این جریانات اتمسفری به صورت یک عامل مهم انتقال گرما عمل می نماید. همچنین درخشکی‌ها تغییرات دما با سرعت بیشتری انجام می‌پذیرد و بنابراین خشکی‌ها زمین نسبت به دریاها زودتر گرم و زودتر سرد می‌شوند. این تفاوت دمای جهانی موجب به وجود آمدن یک سیستم جهانی تبادل حرارتی خواهد شد که از سطح زمین تا هوا کره، که مانند یک سقف مصنوعی عمل می‌کند، ادامه دارد. بیشتر انرژی که در حرکت باد وجود دارد را می‌توان در سطوح بالای جو پیدا کرد جایی که سرعت مداوم باد به بیش از ۱۶۰ کیلومتر در ساعت می‌رسد و سرانجام باد انرژی خود را در اثر اصطکاک با سطح زمین و جو از دست می‌دهد.یک برآورد کلی اینگونه می‌گوید که ۷۲ تراوات (tw) انرژی باد بر روی زمین وجود دارد که پتانسیل تبدیل به انرژی الکتریکی را دارد و این مقدار قابل ترقی نیز هست.
علاوه بر عوامل فوق، عوامل دیگری مانند مشخصات توپوگرافی محل و تغییرات فصلی دما، توزیع انرژی باد را تغییر می دهند. برای مثال اختلاف ظرفیت گرمایی بین زمین و آب دریا در ساحل، ایجاد نسیم دریایی می کند و در دره ها، و کوهستان ها فرآیند مشابهی منجر به ایجاد بادهای محلی می شود.
ذخیره کردن انرژی
در مولدهای بادی، باید روشی ابداع شود که انرژی تولید شده را در فواصلی از زمان که باد نمی وزد ذخیره کند، به عبارت دیگر جریان متغییر باد را به یک منبع ثابت و مداوم انرژی مبدل سازد. در وضع فعلی، ذخیره کردن انرژی بادی از طریق استفاده از باتری های مخصوصی، که به تعداد زیاد به هم اتصال داده شده اند صورت می گیرد. روش دیگر این است که نیروی برق تولید شده به وسیله آسیاب بادی، برای تجزیه آب الکتریکی به دو جزء اکسیژن و هیدروژن و انبار کردن آنها به کار می رود. مخلوطی از این دو گاز یک منبع انرژی هنگام احتراق است، که می توان در هر موقع از آن استفاده کرد. سرانجام ممکن است برق به دست آمده از نیروی باد را در مواقعی که مازاد بر مصرف باشد، برای گرم کردن آب شوفاژ و یا حمام منازل به کار گرفت.

[ریپورتر]

انتخاب توربین های بادی،
برای انتخاب توربین بادی، در یک ناحیه لازم است مشخصات باد حداقل برای مدت 5 سال متوالی، در دست باشد. البته داشتن این اطلاعات برای سازنده آن به دلیل سرمایه زیاد راه اندازی، مهم است. برای انتخاب یک توربین بادی باید نکاتی مد نظر باشد، از جمله: برآورد مقدماتی قدرت توربین بادی مورد نیاز با دقت کافی، برآورد انرژی مورد نیاز و برآورد نهایی قیمت و نصب
اجزای اصلی توربین های بادی،
چنانکه می دانیم، هر دو نوع توربین های بادی با محور افقی(hawt) و توربین های بادی با محور عمودی(vawt) نوع داریوس، با نیروی برای آیرودینامیکی به حرکت درآمده وتولید انرژی می کنند. توربین های بادی با محور افقی معمولی ترین واحدهایی هستند که ساخته می شوند. توربین های بادی با محور عمودی از نوع آسیاب های بادی قدیم برای آرد کردن غلات، اولین بار توسط ایرانیان (در حدود200 سال قبل از میلاد مسیح) ساخته شده است. دو نوع توربین های بادی فوق، از قسمت های زیر تشکیل شده است:
1 ، روتور یا قسمت گردان شامل مجموع پره ها، شافت و توپی،
2 ، سیستم محرکه شامل جعبه دنده،ژنراتور برق و مکانیزم ترمز،
3 ، برج نگاهدارنده سیستم موتور،
4 ، سیستم های کنترل و ایمنی،
5 ، سایر قسمت ها شامل اتصال های برقی ، سازه ای و خدماتی

[ریپورتر]

امروزه توربین های بادی، با توان kw 500-250 با قطر 35- 25 متر به طور تجاری، در دسترس است. توربین های بادی با محور افقی رو به جهت با د، برای تولید برق اغلب 2 یا 3 پره ای هستند. توربین های با محور عمودی اغلب با دو پره ساخته می شوند. پره ها را می توان از فایبر گلاس تقویت شده با پلی استر،چوب چند لایه، آلومینیم یا فولاد ساخت. پره های از نوع فایبر گلاس تقویت شده با پلی استر سبک بوده، و نیروی وزن کمتری را بر یاتاقان ها وارد می کنند. پره های چوبی چندلایه، به سبب مقاومت خوب چوب در مقابل خستگی امتحان خوبی داده اند. بیشتر سازندگان توربین های بادی، با محور عمودی از پره های آلومینیومی تقویت شده استفاده می کنند.


توربين هاي بادي انرژي جنبشي باد را به توان مكانيكي تبديل مي نمايند و اين توان مكانيكي از طريق شفت به ژنراتور انتقال پيدا كرده و در نهايت انرژي الكتريكي توليد مي شود. توربين هاي بادي بر اساس يك اصل ساده كار مي كنند. انرژي باد دو يا سه پره اي را كه بدور روتور توربين بادي قرار گرفته اند را بچرخش در مي آورد. روتور به يك شفت مركزي متصل مي باشد كه با چرخش آن ژنراتور نيز به چرخش در آمده و الكتريسيته توليد مي شودتوربين هاي بادي بر روي برج هاي بلندي نصب شده اند تا بيشترين انرژي ممكن را دريافت كنند بلندي اين برج ها به 30 تا 40 متر بالاتر از سطح زمين مي رسند. توربين هاي بادي در باد هايي با سرعت كم يا زياد و در طوفان ها كاملا مفيد مي باشند
مي‌توان از توربينهاي بادي با كاركردهاي مستقل استفاده نمود، و يا مي‌توان آنها را به يك ” شبكه قدرت تسهيلاتي “ وصل كرد يا حتي مي‌توان با يك سيستم سلول خورشيدي يا فتوولتائيك تركيب كرد. عموماً از توربينهاي مستقل براي پمپاژ آب يا ارتباطات استفاده مي‌كنند ، هرچند كه در مناطق بادخيز مالكين خانه‌ها و كشاورزان نيز مي‌توانند از توربينها براي توليد برق استفاده نمايند مقياس كاربردي انرژي باد، معمولا ً‌تعداد زيادي توربين را نزديك به يكديگر مي‌سازند كه بدين ترتيب يك مزرعه بادگير را تشكيل مي‌دهند.

[ریپورتر]

داخل توربين بادي به چه صورت مي باشد:



- باد سنج (Anemometer): اين وسيله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آنرا به كنترل كننده ها انتقال مي دهد.
2- پره ها (Blades) : بيشتر توربين ها داراي دو يا سه پره مي باشند. وزش باد بر روي پره ها باعث بلند كردن و چرخش پره ها مي شود.
3- ترمز (Brake) : از اين وسيله براي توقف روتور در مواقع اضطراري استفاده مي شود. عمل ترمز كردن مي تواند بصورت مكانيكي ٬ الكتريكي يا هيدروليكي انجام گيرد.
4- كنترولر (Controller) : كنترولر ها وقتي كه سرعت باد به 8 تا 16 mph ميرسد ما شين را٬ راه اندازي مي كنند و وقتي سرعت از 65 mph بيشتر مي شود دستور خاموش شدن ماشين را مي دهند. اين عمل از آن جهت صورت ميگيرد كه توربين ها قادر نيستند زماني كه سرعت باد به 65 mph مي رسد حركت كنند زيرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسيار بالايي خواهد رسيد.
5- گيربكس (Gear box) : چرخ دنده ها به شفت سرعت پايين متصل هستند و آنها از طرف ديگر همانطور كه در شكل مشخص شده به شفت با سرعت بالا متصل مي باشند و افزايش سرعت چرخش از 30 تا 60 rpm به سرعتي حدود 1200 تا 1500 rpm را ايجاد مي كنند. اين افزايش سرعت براي توليد برق توسط ژنراتور الزاميست. هزينه ساخت گيربكس ها بالاست درضمن گير بكس ها بسيار سنگين هستند. مهندسان در حال انجام تحقيقات گسترده اي مي باشند تا درايو هاي مستقيمي كشف نمايد و ژنراتورها را با سرعت كمتري به چرخش درآورند تا نيازي به گيربكس نداشته باشند.
6- ژنراتور (Generator) : كه وظيفه آن توليد برق متناوب مي باشد.
7- شفت با سرعت بالا (High-speed shaft) : كه وظيفه آن به حركت در اوردن ژنراتور مي باشد.
8- شفت با سرعت پايين (Low-speed shaft) : رتور حول اين محور چرخيده و سرعت چرخش آن 30 تا 60 دور در دقيقه مي باشد.
9- روتور (Rotor) : بال ها و هاب به روتور متصل هستند.
10- برج (Tower) : برج ها از فولاد هايي كه به شكل لوله درآمده اند ساخته مي شوند. توربين هايي كه بر روي برج هايي با ارتفاع بيشتر نصب شده اند انرژي بيشتري دريافت مي كنند.
11- جهت باد (Wind direction) : توربين هايي كه از اين فن آوري استفاده مي كنند در خلاف جهت باد نيز كار مي كنند در حالي كه توربين هاي معمولي فقط جهت وزش باد به پره هاي آن بايد از روبرو باشد.
12- باد نما (Wind vane) : وسيله اي است كه جهت وزش باد را اندازه گيري مي كند و كمك مي كند تا جهت توربين نسبت به باد در وضعيت مناسبي قرار داشته باشد.

[ریپورتر]

توربينهاي بادي چگونه كار مي كنند ؟
توربين هاي بادي انرژي جنبشي باد را به توان مكانيكي تبديل مي نمايند و اين توان مكانيكي از طريق شفت به ژنراتور انتقال پيدا كرده و در نهايت انرژي الكتريكي توليد مي شود. توربين هاي بادي بر اساس يك اصل ساده كار مي كنند. انرژي باد دو يا سه پره اي را كه بدور روتور توربين بادي قرار گرفته اند را بچرخش در مي آورد. روتور به يك شفت مركزي متصل مي باشد كه با چرخش آن ژنراتور نيز به چرخش در آمده و الكتريسيته توليد مي شودتوربين هاي بادي بر روي برج هاي بلندي نصب شده اند تا بيشترين انرژي ممكن را دريافت كنند بلندي اين برج ها به 30 تا 40 متر بالاتر از سطح زمين مي رسند. توربين هاي بادي در باد هايي با سرعت كم يا زياد و در طوفان ها كاملا مفيد مي باشند
مي‌توان از توربينهاي بادي با كاركردهاي مستقل استفاده نمود، و يا مي‌توان آنها را به يك ” شبكه قدرت تسهيلاتي “ وصل كرد يا حتي مي‌توان با يك سيستم سلول خورشيدي يا فتوولتائيك تركيب كرد. عموماً از توربينهاي مستقل براي پمپاژ آب يا ارتباطات استفاده مي‌كنند ، هرچند كه در مناطق بادخيز مالكين خانه‌ها و كشاورزان نيز مي‌توانند از توربينها براي توليد برق استفاده نمايند مقياس كاربردي انرژي باد، معمولا ً‌تعداد زيادي توربين را نزديك به يكديگر مي‌سازند كه بدين ترتيب يك مزرعه بادگير را تشكيل مي‌دهند.



شکل 2-3 این نوع توربین‌های سه پره از پرکاربردترین طراحی‌ها برای توربین‌های بادی هستند.



داخل توربين بادي به چه صورت مي باشد:

شکل 3-3


1- باد سنج (Anemometer): اين وسيله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آنرا به كنترل كننده ها انتقال مي دهد.
2- پره ها (Blades) : بيشتر توربين ها داراي دو يا سه پره مي باشند. وزش باد بر روي پره ها باعث بلند كردن و چرخش پره ها مي شود.
3- ترمز (Brake) : از اين وسيله براي توقف روتور در مواقع اضطراري استفاده مي شود. عمل ترمز كردن مي تواند بصورت مكانيكي ٬ الكتريكي يا هيدروليكي انجام گيرد.
4- كنترولر (Controller) : كنترولر ها وقتي كه سرعت باد به 8 تا 16 mph ميرسد ما شين را٬ راه اندازي مي كنند و وقتي سرعت از 65 mph بيشتر مي شود دستور خاموش شدن ماشين را مي دهند. اين عمل از آن جهت صورت ميگيرد كه توربين ها قادر نيستند زماني كه سرعت باد به 65 mph مي رسد حركت كنند زيرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسيار بالايي خواهد رسيد.
5- گيربكس (Gear box) : چرخ دنده ها به شفت سرعت پايين متصل هستند و آنها از طرف ديگر همانطور كه در شكل مشخص شده به شفت با سرعت بالا متصل مي باشند و افزايش سرعت چرخش از 30 تا 60 rpm به سرعتي حدود 1200 تا 1500 rpm را ايجاد مي كنند. اين افزايش سرعت براي توليد برق توسط ژنراتور الزاميست. هزينه ساخت گيربكس ها بالاست درضمن گير بكس ها بسيار سنگين هستند. مهندسان در حال انجام تحقيقات گسترده اي مي باشند تا درايو هاي مستقيمي كشف نمايد و ژنراتورها را با سرعت كمتري به چرخش درآورند تا نيازي به گيربكس نداشته باشند.
6- ژنراتور (Generator) : كه وظيفه آن توليد برق متناوب مي باشد.
7- شفت با سرعت بالا (High-speed shaft) : كه وظيفه آن به حركت در اوردن ژنراتور مي باشد.
8- شفت با سرعت پايين (Low-speed shaft) : رتور حول اين محور چرخيده و سرعت چرخش آن 30 تا 60 دور در دقيقه مي باشد.
9- روتور (Rotor) : بال ها و هاب به روتور متصل هستند.
10- برج (Tower) : برج ها از فولاد هايي كه به شكل لوله درآمده اند ساخته مي شوند. توربين هايي كه بر روي برج هايي با ارتفاع بيشتر نصب شده اند انرژي بيشتري دريافت مي كنند.
11- جهت باد (Wind direction) : توربين هايي كه از اين فن آوري استفاده مي كنند در خلاف جهت باد نيز كار مي كنند در حالي كه توربين هاي معمولي فقط جهت وزش باد به پره هاي آن بايد از روبرو باشد.
12- باد نما (Wind vane) : وسيله اي است كه جهت وزش باد را اندازه گيري مي كند و كمك مي كند تا جهت توربين نسبت به باد در وضعيت مناسبي قرار داشته باشد.
13- درايو انحراف (Yaw drive) : وسيله ايست كه وضعيت توربين را هنگاميكه باد در خلاف جهت مي وزد كنترول مي كند و زماني استفاده مي شود كه قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گيرد اما زماني كه باد در جهت توربين مي وزد نيازي به استفاده از اين وسيله نمي باشد.
14- موتور انحراف (Yaw motor) : براي به حركت در آوردن درايو انحراف مورد استفاده قرار مي گيرد.


توان پتانسیل توربین


انرژی موجود در باد را می‌توان با عبور آن از داخل پره‌های و سپس انتقال گشتاور پره‌ها به روتور یک ژنراتور استخراج کرد. در این حالت میزان توان تبدیلی با تراکم باد, مساحت ناحیه جاروب شده توسط پره و مکعب سرعت باد بستگی دارد. به این ترتیب میزان توان قابل تبدیل در باد را می‌توان به این ترتیب به دست آورد: :
که در این فرمول P توان تبدیلی به وات، α ضریب بهره‌وری (که به طراحی توربین وابسته‌است)، ρ تراکم باد بر حسب کیلوگرم بر مترمکعب، r شعاع پره‌های توربین برحسب متر و v سرعت باد برحسب متر بر ثانیه‌است.
زمانی که توربین انرژی باد را می‌گیرد سرعت باد کم خواهد شد که این خود باعث جدا شدن باد می‌شود. آلبرت بتز (Albert Betz) فیزیکدان آلمانی در ۱۹۱۹ اثبات کرد که یک توربین حداکثر می‌تواند ۵۹ درصد از انرژی بادی را که در مسیر آن می‌وزد را استخراج کند و به این ترتیب α در معادله بالا هرگز بیشتر از ۰٫۵۹ نخواهد شد.
از ترکیب این قانون با معادله بالا می‌توان اینگونه نتیجه گرفت:
حجم هوایی که از منطقه جاروب شده توسط پره‌ها عبور می‌کند به میزان سرعت باد و چگالی هوا وابسته‌است. برای مثال در روزی سرد با دمای ۱۵ درجه سانتی‌گراد (۵۹ درجه فارنهایت) در سطح دریا، چگالی هوا برابر ۱٫۲۲۵ کیلوگرم بر متر مکعب است. در این حالت عبور بادی با سرعت ۸ متر

[ریپورتر]

بر ثانیه در روتوری به شعاع ۱۰۰ متر تقریباً موجب عبور ۷۷٬۰۰۰ کیلوگرم باد در منطقه جاروب شده توسط پره‌ها خواهد شد.
انرژی جنبشی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D8%AC%D9%86%D8%A8% D8%B4%DB%8C) حجم مشخصی هوا به مجذور سرعت آن وابسته‌است و از آنجایی که حجم هوای عبور از توربین به صورت خطی با سرعت رابطه دارد، میزان توان قابل دسترسی در یک توربین با مکعب سرعت نسبت مستقیم دارد. مجموع توان در مثال بالا در توربینی با شعاع جاروب ۱۰۰ متر برابر ۲٫۵ مگاوات است که بر طبق قانون بتز بیشترین میزان انرژی استخراج شده از آن تقریباً برابر ۱٫۵ مگاوات خواهد بود.





توزیع سرعت باد

میزان باد دائما تغییر می‌کند میزان متوسط مشخص شده برای یک منطقه خاص صرفاً نمی‌تواند میزان تولید توریبن بادی نصب شده در آن منطقه را مشخص کند. برای مشخص کردن فراوانی سرعت باد در یک منطقه معمولاً از یک ضریب توزیع در اطلاعات جمع‌آوری شده مربوط به منطقه استفاده می‌کنند. مناطق مختلف دارای مشخصه توزیع سرعت متفاوتی هستند. مدل رایلی (Rayleigh model) به طور دقیقی میزان ضریب توزیع سرعت در بسیاری مناطق را منعکس می‌کند.

[ریپورتر]

از آنجاییکه بیشتر توان تولیدی در سرعت بالای باد تولید می‌شود, بیشتر انرژی تولیدی در بازه‌های زمانی کوتاه تولید می‌شود. بر طبق الگوی لی رنچ نیمی از انرژی تولیدی تنها در ۱۵٪ از زمان کارکرد توربین تولید می‌شود و در نتیجه نیروگاه‌های بادی مانند نیروگاه‌های سوختی دارای تولید انرژی پایداری نیستند. تاسیساتی که از برق بادی استفاده می‌کنند باید از ژنراتورهای پشتیبانی برای مدتی که تولید انرژی در توربین بادی پایین است استفاده کنند.
ضریب ظرفیت


تا زمانی که سرعت باد ثابت نباشد تولید سالیانه انرژی الکتریکی توسط نیروگاه بادی هرگز برابر حاصل ضرب توان تولیدی نامی در مجموع ساعت کار آن در یک سال نخواهد شد. نسبت میزان توان حقیقی تولید شده توسط نیروگاه و ماکزیمم ظرفیت تولیدی نیروگاه را ضریب ظرفیت می‌نامند. یک نیروگاه بادی نصب شده در یک محل مناسب در ساحل ضریب ظرفیتی سالیانه‌ای در حدود ۳۵٪ دارد. برعکس نیروگاه‌های سوختی ضریب ظرفیت در یک نیروگاه بادی به شدت به خصوصیات ذاتی باد وابسته‌است. ضریب ظرفیت در انواع دیگر نیروگاه‌ها معمولا به بهای سوخت و زمان مورد نیاز برای انجام عملیات تعمیر بستگی دارد. از آنجایی که نیروگاه‌های هسته‌ای دارای هزینه سوخت نسبتاً پایینی هستند بنابراین محدویت‌های مربوط به تامین سوخت این نیروگاه‌ها نسبتاً پایین است که این خود ضریب ظرفیت این نیروگاه‌ها را به حدود ۹۰٪ می‌رساند. نیروگاه‌هایی که از توربین‌های گاز طبیعی برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند به علت پر هزینه بودن تامین سوخت معمولاً تنها در زمان اوج مصرف به تولید می‌پردازند. به همین دلیل ضریب ظرفیت این توربین‌ها پایین بوده و معمولا بین ۵-۲۵٪ می‌باشد.
بنا به یک تحقیق در دانشگاه استندورد که در نشریه کاربردی هواشناسی و اقلیم شناسی نیز به چاپ رسیده در صورت ساخت بیش از ده مزرعه بادی در مناطق مناسب و به طور پراکنده می‌توان تقریباً از ۳/۱ انرژی تولیدی آنها برای تغذیه مصرف کننده‌های دائمی استفاده کرد.
محدودیت‌های ادواری و نفوذ

میزان انرژی الکتریکی تولیدی توسط نیروگاه‌های بادی می‌تواند به شدت به چهار مقیاس زمانی ساعت به ساعت, روزانه و فصلی وابسته باشد. این میزان به تحولات آب و هوایی سالیانه نیز وابسته‌است اما

[ریپورتر]

تغییرات در این مقیاس زیاد محسوس نیستند. از آنجایی که برای ایجاد ثبات در شبکه, میزان انرژی الکتریکی تامین شده و میزان مصرف باید در تعادل باشند از این جهت تغییرات دائم در میزان تولید این ضرورت را به وجود می‌آورد که از تعداد بیشتری نیروگاه بادی برای تولیدی متعادل‌تر در شبکه استفاده شود. از طرفی ادواری بودن طبیعی تولید انرژی باد موجب افزایش هزینه‌های تنظیم و راه اندازی می‌شود و (در سطوح بالا) ممکن است نیازمند اصول مدیریت تقاضای انرژی یا ذخیره‌سازی انرژی باشد.
از ذخیره‌سازی با استفاده از نیروگاه‌های آب تلمبه‌ای (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%DB%8C%D8%B1%D9%88%DA%AF%D8%A7%D9%87_%D8%A8% D8%B1%D9%82_%D8%A2%D8%A8%DB%8C) یا دیگر روش‌ها ذخیره سازی برق در شبکه می‌توانند برای به وجود آوردن تعادل در میزان تولید نیروگاه‌های بادی استفاده کرد اما در مقابل استفاده از این روش‌ها موجب افزایش ۲۵٪ هزینه‌های دائم اجرای چنین طرح‌هایی می‌شوند. ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی موجب به وجود آمدن تعادل بین دو بازه زمانی کم مصرف و پر مصرف خواهد شد و از این جهت میزان صرفه‌جویی عاید از ذخیره‌سازی انرژی هزینه‌های اجرای آن را جبران می‌کند. یکی دیگر از راهکارهای ایجاد تعادل در تولید و مصرف سازگار کردن میزان مصرف با میزان تولید با استفاده از ایجاد تعرفه‌های متفاوت زمانی برای مصرف‌کننده‌هاست.
پیش‌بینی پذیری

با توجه به تغییرات باد قابلیت پیش‌بینی محدودی (ساعتی یا روزانه) برای خروجی نیروگاه‌های بادی وجود دارد. مانند دیگر منابع انرژی تولید باد نیز باید از قابلیت برنامه ریزی برخوردار باشد اما طبیعت باد این پدیده را ذاتا متغیر می‌کند. گرچه از روش‌هایی برای پیش‌بینی تولید توان این نیروگاه‌ها استفاده می‌شود اما در کل قابلیت پیش‌بینی پذیری این نیروگاه‌ها پایین است. این عیب این گونه نیروگاه‌ها معمولا باستفاده از روش‌های ذخیره سازی انرژی مانند استفاده از نیروگاه‌های آب تلمبه‌ای تا حدودی بر طرف می‌شود.
جاگذاری توربین

انتخاب مکان مناسب برای نصب نیروگاه بادی و جهت نصب توربین‌ها در محل از نکات حیاتی برای توسعه اقتصادی این گونه نیروگاه‌هاست. گذشته از دسترسی باد مناسب در محل مورد بحث, عوامل مهم دیگری مانند دسترسی به خطوط انتقال, قیمت زمین مورد استفاده, ملاحظات استفاده از زمین و

[ریپورتر]

مسائل زیست محیطی ساخت و بهره‌برداری نیز در انتخاب یک محل برای نصب نیروگاه‌ها موثر است. از این رو استفاده از نیروگاه‌های بادی در مناطق دور از ساحل ممکن است هزینه‌های مربوط به ساخت یا ضریب ظرفیت را با استفاده از کاهش هزینه‌های تولید برق جبران کنند.



در جهان هزاران توربین بادی در حال بهره‌برداری وجود دارد که ظرفیت تولیدی آنها به ۷۳٫۹۰۴ مگاوات می‌رسد و در این میان اتحادیه اروپا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%AA%D8%AD%D8%A7%D8%AF%DB%8C%D9%87_%D8%A7% D8%B1%D9%88%D9%BE%D8%A7) ۶۵٪ از کل توان بادی جهان را تولید می‌کند. تولید برق بادی در میان دیگر روش‌های تولید انرژی الکتریکی دارای بیشتری شتاب رشد در قرن ۲۱ بوده‌است به طوری که تولید توان بادی جهان در بین سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۶ چهار برابر شده‌است. در دانمارک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AF%D8%A7%D9%86%D9%85%D8%A7%D8%B1%DA%A9) و اسپانیا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B3%D9%BE%D8%A7%D9%86%DB%8C%D8%A7) برق بادی حدود ۱۰٪ یا بیشتر ازکل تولید انرژی الکتریکی را تشکیل می‌دهد. گرچه ۸۱٪ از توان بادی تولید شده در جهان به ایالات متحده و اتحادیه اروپا تعلق دارد اما سهم پنج کشور اول تولید کننده برق بادی از ۷۱٪ در سال ۲۰۰۴ به ۵۵٪ در سال ۲۰۰۵ کاهش یافته‌است.
انجمن جهانی انرژی بادی پیش‌بینی کرده در سال ۲۰۱۰ ضرفیت تولیدی برق بادی به ۱۶۰ گیگاوات برسد. با توجه به میزان تولید کنونی ۷۳٫۹ مگاوات این رقم پیش‌بینی یک رشد ۲۱٪ را در هر سال نشان می‌دهد.
از جمله کشورهایی که سرمایه گذلری زیادی در این زمینه انجام داده‌اند می‌توان به آلمان (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D9%84%D9%85%D8%A7%D9%86), اسپانیا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B3%D9%BE%D8%A7%D9%86%DB%8C%D8%A7), ایالات متحده (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%DB%8C%D8%A7%D9%84%D8%A7%D8%AA_%D9%85%D8%AA% D8%AD%D8%AF%D9%87),هند (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%87%D9%86%D8%AF) و دانمارک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AF%D8%A7%D9%86%D9%85%D8%A7%D8%B1%DA%A9) اشاره کرد. کشور دانمارک یکی از کشورهای برجسته در تولید تجهیزات و استفاده از توان بادی است. دولت دانمارک در دهه ۱۹۷۰ ملزم شد تا تولید انرژی الکتریکی از انرژی باد را به ۵۰٪ کل تولید برق برساند و تا به امروز برق بادی ۲۰٪ (بیشترین میزان تولید برق بادی از

[ریپورتر]

نظر درصد تولید) از کل تولید انرژی الکتریکی در این کشور را تشکیل می‌دهد؛ این کشور هچنین پنجمین تولید کننده بزرگ برق بادی محسوب می‌شود (در حالی که دانمارک از نظر میزان مصرف در جهان (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%A9%D8%B4%D9%88%D8%B1%D9%87%D8%A7%DB%8C_%D8%AC% D9%87%D8%A7%D9%86_%D8%A8%D8%B1_%D8%AD%D8%B3%D8%A8_ %D9%85%DB%8C%D8%B2%D8%A7%D9%86_%D9%85%D8%B5%D8%B1% D9%81_%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C) رتبه ۵۶ را دراست). آلمان و دانمارک دو کشور پیشتاز در زمینه صادرات توربین‌های بزرگ (۰٫۶۶ تا ۵ مگاوات) به حساب می‌آیند.
آلمان یکی از کشورهای پیشتاز در زمینه تولید برق بادی بوده‌است به طوری که در سال ۲۰۰۶ این کشور ۲۸٪ از کل توان بادی تولید شده در جهان (۷٫۳٪ در آلمان) را به خود اختصاص داده‌است. این در حالی است که آلمان برنامه دارد تا سال ۲۰۱۰ ۱۲٫۵٪ از کل توان تولیدی خود را از منابع تجدیدپذیر تامین نماید. کشور آلمان دارای حدود ۱۸۶۰۰ توربین بادی است که بیشتر آنها در شمال آلمان نصب شده‌اند که در این میان سه توربین از بزرگترین توربین‌های جهان نیز وجود دارند.
در سال ۲۰۰۵ دولت اسپانیا قانونی را تصویب کرد که بر طبق آن نصب ۲۰۰۰۰ مگاوات ظرفیت بادی تا سال ۲۰۱۲ در برنامه دولت قرار گرفت. البته در سال ۲۰۰۶ یارانه‌ها و پشتیبانی دولت از ساخت این ظرفیت‌ها به ناگهان قطع شد. قابل ذکر است که در سال ۲۰۰۵ در هر دو کشور آلمان و اسپانیا تولید انرژی الکتریکی از راه استفاده از نیروگاه‌های بادی از تولید انرژی الکتریکی به وسیله نیروگاه‌های برق آبی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%87%DB%8C%D8%AF%D8%B1%D9%88%D8%A7%D9%84%DA%A9%D 8%AA%D8%B1%DB%8C%D8%B3%DB%8C%D8%AA%D9%87) بیشتر بود.
در سال‌های اخیر ایالات متحده از هر کشور دیگری بیشتر توربین بادی به شبکه برق خود افزوده‌است. تولید برق بادی در ایالات متحده در بازه زمانی بین فوریه ۲۰۰۶ تا فوریه ۲۰۰۷ ۳۱٫۸٪ رشد را نشان می‌دهد. ایالت تگزاس (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%DA%AF%D8%B2%D8%A7%D8%B3) با پیشی گرفتن از کالیفرنیا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%A9%D8%A7%D9%84%DB%8C%D9%81%D8%B1%D9%86%DB%8C%D 8%A7) اکنون بیشترین تولید برق بادی را دربین ایالت‌های مختلف این کشور دارد. تگزاس (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%DA%AF%D8%B2%D8%A7%D8%B3) در سال ۲۰۰۹ نزدیک به ۱۷٪ برق خود را از باد بدست آورد[۳] (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D8%A8%D8%A7%D8%AF% DB%8C#cite_note-2#cite_note-2)، و تگزاس اکنون بزرگترین مزرعه بادی جهان را با ۷۸۲ مگاوات ظرفیت در روستایی بنام راسکو در اختیار دارد.[۴] (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D8%A8%D8%A7%D8%AF% DB%8C#cite_note-3#cite_note-3)
برق بادی در مقیاس‌های کوچک

تجهیزات تولید برق بادی در مقیاس کوچک (۱۰۰ کیلووات یا کمتر) معمولا برای تغذیه منازل, زمین‌های کشاورزی یا مراکز تجاری کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد. در برخی از مکان‌های دور افتاده که مجبور به استفاده از ژنراتورهای دیزلی هستند مالکان محل ترجیح می‌دهند که از توربین‌های

[ریپورتر]

بادی استفاده کنند تا از ضرورت سوزاندن سوخت‌ها جلوگیری شود. در برخی موارد نیز برای کاهش هزینه‌های خرید برق یا برای استفاده برق پاک از این توربین‌ها استفاده می‌شود.
برای تغذیه منازل دورافتاده از توربین‌های بادی با اتصال به باتری استفاده می‌شود. در ایالات متحده استفاده از توربین‌های بادی متصل به شبکه در رنج‌های ۱ تا ۱۰ کیلووات برای تغذیه منازل به طور فزاینده‌ای در حال گسترش است. توربین‌های متصل به شبکه در هنگام کار نیاز به استفاده از برق شبکه را از بین می‌برند. در سیستم‌های جدا از شبکه یا باید از برق به صورت دوره‌ای استفاده کرد و یا از باتری برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده کرد.
در مناطق شهری که امکان استفاده از باد در مقیاس‌های زیاد وجود ندارد نیز ممکن است از انرژی بادی در کاربردهای خاصی مانند پارک مترها یا درگاه‌های بی‌سیم اینترنت با استفاده از یک باتری یا یک باتری خورشیدی استفاده شود تا ضرورت اتصال به شبکه از بین برود.
آثار زیست محیطی

انتشار CO۲ و آلودگی


توربین‌ها بادی برای راه‌اندازی و بهره‌برداری نیاز به هیچ گونه سوختی ندارند و بنابراین در قبال انرژی الکتریکی تولید آلودگی مستقیمی ایجاد نمی‌کنند. بهره‌برداری از این توربین‌ها دی‌اکسید کربن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AF%DB%8C%E2%80%8C%D8%A7%DA%A9%D8%B3%DB%8C%D8%A F_%DA%A9%D8%B1%D8%A8%D9%86), دی‌اکسید گوگرد (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%AF%DB%8C%E2%80%8C%D8%A7%DA%A9% D8%B3%DB%8C%D8%AF_%DA%AF%D9%88%DA%AF%D8%B1%D8%AF&action=edit&redlink=1), جیوه (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%DB%8C%D9%88%D9%87), ذرات معلق یا هیچ گونه عامل آلوده کننده هوا تولید نمی‌کند. اما توربین‌ها بادی در مراحل ساخت از منابع مختلفی استفاده می‌کنند. در طول ساخت نیروگاه‌های بادی باید از موادی مانند فولاد (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%81%D9%88%D9%84%D8%A7%D8%AF), بتن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D8%AA%D9%86),آلمینیوم (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D9%84%D9%85%DB%8C%D9%86%DB%8C%D9%88%D9%85) و... استفاده کرد که تولید و انتقال آنها نیازمند مصرف انواع سوخت‌هاست. دی‌اکسید کربن تولید شده در این مراحل پس از حدود ۹ ماه کار کردن نیروگاه جبران خواهد شد.
نیروگاه‌های سوخت فسیلی که برای تنظیم برق تولیدی در نیروگاه‌های بادی مورد استفاده قرار می‌گیرند موجب ایجاد آلودگی خواهند شد: بعضی از اوقات به این نکته اشاره می‌شود که نیروگاه‌های بادی نمی‌توانند میزان دی‌اکسید کربن تولیدی را کاهش دهند چراکه برق تولیدی از طریق نیروگاه بادی به دلیل نامنظم بودن همیشه باید به وسیله یک نیروگاه سوخت فسیلی پشتیبانی شود. نیروگاه‌های بادی

[ریپورتر]

نمی‌توانند به طور کامل جایگزین نیروگاه‌های سوخت فسیلی شوند اما با تولید انرژی الکتریکی مبنای تولیدی نیروگاه‌های حرارتی را کاهش داده و از تولید آنها می‌کاهند که به این ترتیب میزان انتشار دی‌اکسید کربن کاهش می‌یابد.
تاثیرات بوم شناختی


برخلاف نیروگاه‌های هسته‌ای (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%DB%8C%D8%B1%D9%88%DA%AF%D8%A7%D9%87_%D9%87% D8%B3%D8%AA%D9%87%E2%80%8C%D8%A7%DB%8C) و نیروگاه‌های سوخت فسیلی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%DB%8C%D8%B1%D9%88%DA%AF%D8%A7%D9%87_%D8%B3% D9%88%D8%AE%D8%AA_%D9%81%D8%B3%DB%8C%D9%84%DB%8C) که مقدار زیادی آب را برای خنک کردن منتشر می‌کنند, نیروگاه‌های بادی نیازی به آب برای تولید انرژی الکتریکی ندارند.درباره نشت روغن یا آب سیالی که در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد حوادث متعددی گزارش شده. در برخی موارد سیال وارد آب شرب مناطق اطراف نیز می‌شود که خسارت‌هایی را بر جای خواهد گذاشت. این سیال‌های معمولا در اثر حرکت در پره توربین موادی را در خود حل کرده و سپس در محیط پراکنده می‌کنند.
استفاده از زمین
توربین‌های بادی باید ده برابر قطرشان در راستای باد غالب و پنج برابر قطرشان در راستای عمودی از هم فاصله داشته باشند تا کمترین تلفات حاصل شود.
در نتیجه توربین‌های بادی تقریباً به ۰٫۱ کیلومترمربع مکان خالی به ازای هر مگاوات توان نامی تولیدی نیازمند هستند.
معمولا برای نصب این توربین‌ها نیازی به پاکسازی درختان منطقه نیست. کشاورزان می‌توانند برای ساخت این توربین‌ها زمین‌های خود را به شرکت‌های سازنده اجاره می‌دهند. در ایالات متحده کشاورزان حدود ۲ تا ۵ هزار دلار به ازای هر توربین در هر سال دریافت می‌کنند. زمین‌ها مورد استفاده قرار گرفته برای توربین‌ها بادی همچنان می‌توانند برای کشاورزی و چرای دام مورد استفاده قرار بگیرند چراکه تنها ۱٪ از زمین برای ساخت پی توربین و راه دسترسی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به عبارت دیگر ۹۹٪ زمین هنوز قابل استفاده‌است.

[ریپورتر]

توربین‌های بادی عموما در مناطق شهری نصب نمی‌شوند چراکه ساختمان‌ها جلوی وزش باد را سد می‌کنند و قیمت زمین نیز معمولا زیاد است. با این حال پروژه نمایشی تورنتو اثبات کرد که نصب توربین‌های بادی در چنین مکان‌هایی نیز ممکن است.
آثار بر روی حیات وحش
برخی از توربین‌های بادی موجب کشته شدن پرنده‌ها به ویژه پرنده‌های شکاری می‌شوند البته مطالعات نشان می‌دهد که تعداد پرنده‌های کشته شده توسط توربین‌های بادی در مقابل عوامل انسانی دیگر کشته شدن پرندگان مانند خطوط برق, ترافیک, شکار, ساختمان‌های بلند و به ویژه استفاده از منابع آلوده انرژی تعداد بسیار ناچیزی است؛ برای مثال در انگلستان که در آن چندین هزار توربین گازی وجود دارد تقریباً در هر سال تنها یک پرنده در هر توربین کشته می‌شود در حالی که تنها در اثر آثار مخرب استفاده از خودروها هر سال در حدود ۱۰ میلیون پرنده کشته می‌شوند. در ایالات متحده توربین‌ها هر سال در حدود ۷۰٬۰۰۰ پرنده را می‌کشند که در مقابل ۵۷ میلیون پرنده کشته شده در اثر استفاده از خودروها یا ۹۷٫۵ میلیون پرنده کشته شده در اثر برخورد با شیشه‌ها مقدار اندکی است. مقاله‌ای در رابطه با طبیعت (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B7%D8%A8%DB%8C%D8%B9%D8%AA) اظهار داشته که هر توربین به طور متوسط هر سال ۰٫۰۳پرنده یا به عبارتی ۱ پرنده در طول ۳۰ سال می‌کشد
بزرگترین توربین بادی جهان
بزرگترین توربین بادی جهان درحال حاضر در دریای شمال (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AF%D8%B1%DB%8C%D8%A7%DB%8C_%D8%B4%D9%85%D8%A7% D9%84) در فاصله ۲۴ کیلومتری سواحل اسکاتلند (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B3%DA%A9%D8%A7%D8%AA%D9%84%D9%86%D8%AF) نصب شده و در حال آزمایش است. این نخستین باری است که توربین‌هایی به این ابعاد در دریا آزمایش می‌شوند. ژنراتور توربین‌ها در عمق ۴۴ متری سطح دریا کار گذاشته شده‌است که در نوع خود رکورد جدیدی است. [۵] (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D8%A8%D8%A7%D8%AF% DB%8C#cite_note-4#cite_note-4) توربین‌هایی در این ابعاد برای نصب در دریا و دور از ساحل مناسب هستند تا از وزش پیوسته و بدون تلاطم باد بهره‌گیری کنند. انتظار می‌رود این توربین‌ها ۹۶ درصد اوقات شبانه‌روز (۸۴۴۰ ساعت در سال) در حال کار باشند.
تقسیم بندی ماشین های بادی
ماشین های بادی را می توان از دیدگاه های مختلف تقسیم بندی کرد. به طور قراردادی ماشین های

[ریپورتر]

با ظرفیت تولید صفر تا 9 کیلووات را کوچک، 10 تا 99 کیلووات را متوسط و 100 تا 300 کیلووات را بزرگ منظور می کنند. اساساً برای ماشین های باظرفیت مختلف، وضعیت محور روتور نسبت به جهت وزش باد می تواند افقی یا عمودی باشد .
روتورهای با محور افقی بیش تر به منظور استفاده در اعمال نیروهای بالابر و مقاوم ساخته می شوند. تعداد پره ها از یک تا 50 عدد متغیر است. شکل 5-3 نشان دهندة انواع مختلف روتورهایی است که محور افقی دارند . در صورتی که محور دوران افقی روتور عمود بر جهت وزش باد باشد، روتور با محور افقی و متقاطع باد خواهد بود. این روتورها نیز مانند روتورهایی با محور افقی باید همواره در جهت باد چرخانده شوند. بازدهی این ماشین ها کم است و نسبت به روتورهایی که محور افقی و قائم دارند، مزیت عمده ای ندارند.
در روتورهای با محور قائم، محور دوران عمود بر افق و امتداد وزش باد است. این روتورها نسبت به انواع با محور افقی ارجحیت دارند، زیرا با تغییر جهت وزش باد احتیاجی به دوران ندارند . از این رو، این دستگاه ها پیچیدگی کمتری دارند و نیز نیروهای چرخشی ناشی از دوران که بر بلبرینگ ها و دیگر مؤلفه های آن ها وارد می شود، کم تر است

[ریپورتر]

در صورتی که قطر روتور دستگاه های بادی از حد معمول، یعنی حدود 65 متر ، بزرگتر انتخاب شود، هزینة ساخت نسبتاً بیش تر و تکنولوژی نیز پیچیده تر و از این رو استفاده از آن ها کاهش می یابد. برای اجتناب از بروز مشکلات تکنیکی و هزینة سنگین روتور خیلی بزرگ، از نیم قرن پیش، مطالعة ماشین های بادی کانالی شروع شد . این ماشین ها مجهز به کانال های متراکم کننده (همگرا) و پخش کننده(واگرا) ثابت یا چرخان هستند. بازدهی این ماشین ها حدود 5/1 تا 2 بابر یک ماشین با محور افقی و با همان قطر روتور است. کاهش فشار هوا در پشت روتور واقع در کانال نسبت به روتور آزاد بیش تر است و سرعت باد در امتداد روتور افزایش می یباد و به این جهت این ماشین ها توان بیش تری نسبت به ماشین های آزاد دارند.
ماشین های بادی بزرگ
نتایج حاصل از پروژة ساخت توربین بادی اسمیت- پاتنام متضمن اطلاعات کامل در زمینة به کارگیری انرژی باد برای تولید برق در مقیاس بزرگ است. این پروژه به کوشش شرکت مورگان اسمیت امریکا و بین سال های 1941 تا 1945 م. عملی شده و در نتیجه یک توربین بادی با توان Kw1250 ساخته شده است

[ریپورتر]

این توربین یک پروانة دوپره ای دارد که وزن هر کدام به 8 تن می رسد. پوستة پره ها از جنس فولاد زنگ نزن و سطح مقطع ایرفویل آن ها دارای قوس ثابتی است. این سیستم به تجهیزات کنترل سرعت چرخش مجهز بوده و می تواند آزادانه و مستقل در امتداد زاویة مخروطی، به موازات جهت باد حرکت کند؛ و بدین طریق ممان خمشی ایجاد شده در ریشة خود را کاهش دهد. حداکثر سرعت طراحی شدة این توربین rpm29 است. روتور این دستگاه، یک محور اصلی متصل به جعبه دنده به طول حدود cm60 را می چرخاند. در جعبه دنده، سرعت چرخش به rpm600 تبدیل می شود و یک ژنراتور Kva1250 و V2400 را به حرکت درمی آورد. روتور، ژنراتور و تجهیزات جنبی، همگی در اتاقکی بالای یک برج فولادی به ارتفاع حدود 33 متر قراردارند.
در بین سال های 1958 تا 1960 م. بزرگترین ژنراتور بادی فرانسه با توان حدود Kw800 ساخته شد. این ژنراتور دارای یک پروانة سه پره ای انعطاف پذیر بود و قطری معادل 32 متر داشت. سرعت چرخش آن به rpm47 بالغ می شد. حداکثر توان حاصل از این ژنراتور MW2/1 بود. این ژنراتور پس از 18 ماه کار، در اثر تعویض پره ها با نوع ثابت و شکستن آن ها، دچار ضایعه شد و دیگر مورد استفاده قرار نگرفت.
از بزرگترین پروژه های ادارة انرژی انگلیس در زمینة ساخت ژنراتورهای بادی، به پروژة اورکنی می توان اشاره کرد که در آن توربینی MW3 در برگر هیل شهر اورکنی ساخته شد.
مراحل ساخت برج سیمانی این ژنراتور در اواخر سال 1985 م. به اتمام رسید. این پروژه در اواخر سال 1986 م. به بهره برداری رسید.

[ریپورتر]

در ژانویة 1986 م. شرکت توربین های بادی عمودی انگلیس پروژة دیگری به نام کارمارتن بی را شروع کرد که هدف آن ساخت یک ژنراتور توربین بادی با توان Kw135 و قطر 25 متر بود. شکل 8-3 جزئیات این توربین عمودی را نشان می دهد.



در همین تاریخ پروژه ای نیز نخست، یا ساخت یک توربین بادی افقی با توان MW1 و قطر روتور 55 متر در شهر ریچ بارو انگلیس شروع شد. این ماشین دارای روتور سه پره ای بود که بر یک برج فولادی به ارتفاع 45 متر نصب شد. این سیستم در اواخر سال 1988 م. به بهره برداری رسید. در کالیفرنیای شمالی یک مزرعة بادی وجود دارد که شامل 75 ماشین بادی با توان Kw330 و قطر روتور m31 است. ارزش اقتصادی این مزرعه در سال 1986 م. معادل 48 میلیون دلار برآورد شد.
بازدهی یک سیستم قدرت بادی تابع سرعت باد است. از آنجا که عموماً تغییرات سرعت باد، همخوانی مشخصی با تغییرات توان سیستم ندارد، از این رو، اجباراً باید هر سیستم قدرت بادی مقیاس بزرگ، مجهز به تجهیزات ذخیرة انرژی باشد. سه نوع سیستم ذخیرة انرژی زیر با سیستم های بادی متجانس است: مخزن پمپاژ هیدرولیکی، مخزن هوا یفشرده و مخزن سوخت مصنوعی. هرونیموس اذعان دارد که استفاده از مخزن هیدرولیکی یا مخزن هوای فشرده، هیچکدام، برای سیستم های بادی مقیاس بزرگ ممکن نیست . برای این موارد می توان از تولید هیدروژن به روش هیدرولیز و جمع آوری و ذخیرة گاز هیدروژن استفاده کرد. این روش برای سیستم های قدرت بادی مفید است، زیرا هیدروژن تولیدی را می توان به راحتی در سلول های سوختی به الکتریسیته تبدیل کرد.
خصوصیات عمومی انرژی باد
میزان دسترسی به بادهای طبیعی تا حد زیادی تابع مکان و زمان است. عموماً در نواحی هموار و ساحل دریاها، بادهایی می وزد که سرعت آن ها با ارتفاع نسبت مستقیم دارد به گونه ای که سرعت باد در ارتفاع 150 متری از سطح در حدود 35/1 تا 45/1 برابر سرعت آن در ارتفاع 15 متری است . در نواحی کوهستانی و خصوصاً در ارتفاعات، در مقایسه با مناطق هموار و دریایی، به طور متوسط بادهای سطحی قویتری می وزد. بر اساس مطالعات گسترده ای که در مناطق کوهستانی انجام شده است، مشخص شده که در ارتفاعات، گرادیان سرعت باد منفی است و سرعت باد در ارتفاع چندصدمتری کم نر از سرعت باد در ارتفاع صد متری است .
الگوی وزش باد روزانه نیز بسیار متغیر است. سرعت و جهت وزش باد در طول روز تغییر می کند

[ریپورتر]

و هر روز با روز دیگر تفاوت دارد. با وجود این، جهت و سرعت متوسط ماهانه برای هر منطقة خاص قابل پیش بینی است. این مقدار متوسط در طول سال یا در سال های مختلف دستخوش تغییرات اندکی میشود. اغلب سرعت متوسط ماهانه حدود 15% سرعت متوسط سالانه است . همان طور که قابل پیش بینی است، سرعت متوسط باد در هر سال از مقادیر سرعت در هر ماه پایدارتر است. به طوری که سرعت متوسط سالانة هر منطقه به ندرت بیش از 10 تا 15 درصد تغییر می کند. پایداری الگوهای متوسط ماهانه و سالانة سرعت باد، برای استفاده در توربین های بادی اهمیت زیادی دارد، به طوری که قابلیت اعتماد سیستم های قدرت بادی مستقیماً تابع پایداری الگوی سرعت باد است.
پتانسیل انرژی باد در ایران
فلات ایران با وسعتی حدود 866، 621، 1 کیلومتر مربع بین دو عرض شمالی 3، 35 و 47، 39 و و بین دو طول شرقی 57، 44 و 18، 63 قرار گرفته است. مطالعات و بررسی هایی که دربارة بادهای ایران صورت گرفته، به بررسی بادهای دشت قزوین در سال 1349 هـ.ش. و مطالعة بادهای درة منجیل در سال 1359 هـ.ش. منحصر می شود. اطلاعات 8 ایستگاه هواشناسی در منطقة منجیل نشان می دهد که دو ایستگاه منجیل و یا رودبار (شرق منجیل)، محل های مناسبی برای استفاده از انرژی باد در فصل های گرم و سرد هستند. جدول 1-3 نشان دهندة نتایج آماری سرعت میانگین باد طی حدود 20 سال گذشته در شهرهای مختلف کشور است

[ریپورتر]

برای شناسایی مناطق مستعد ایران از نظر پتانسیل انرژی باد اخیراً پژوهشی انجام گرفته و در آن سرعت متوسط سالانة باد برای حداقل 5 سال متوالی از 93 ایستگاه هواشناسی موجود در کشور جمع آوری شده است . در این تحقیق شش شهر و ناحیه به عنوان نمونه، انتخاب شده است که عبارتند از: زاهدان، زابل، کرمان، کیش و بندر لنگه و اردبیل. اطلاعات خام هواشناسی این شهرها با اطلاعات تهران و آبعلی مقایسه، شده است. از نتایج حاصل مشخص می شود که منطقة زابل دارای پتانسیل مناسب باد برای نصب مزارع بادی و تولید برق است. شهر زابل با موقعیت عرض جغرافیایی 13، 31 و طول جغرافیایی 29، 61 دارای سرعت متوسط سالانه sec/m58/5 است. از این رو، متوسط انرژی باد در این منطقه 567 وات بر مترمربع برآورد شده است و سرعت نامی آن برابر sec/m8/14 است. چنانچه سرعت به کار انداختن برای یک توربین بین 3 تا 4 متر بر ثانیه باشد، نزدیک 60% سال، سرعتی بیش از sec/m3 خواهیم داشت که این خود بیانگر عملکرد مناسب توربین بادی در این منطقه خواهد بود.
در تحقیق دیگری که اخیراً انجام یافته دو نوع توربین بادی با ظرفیت اسمی 300 و 500 کیلووات بای مناطقی که در سطح کشور بررسی شده اند، مناسب به نظر می رسند. نتایج محاسبات نشان داده است که با استفاده از 800، 11 توربین با ظرفیت های پیش گفته، ظرفیت اسمی کل معادل MW4،785 را می توان به دست آورد.
اطلاعات آماری ایستگاه های هواشناسی کشور نشان می دهد که میانگین سرعت متوسط سالانة باد در استان های کرمان، سیستان و بلوچستان، گسلان و آذربایجان شرقی از دیگر استان های کشور بیش تر است. توجه به این نکته ضروری است که ایستگاه های هواشناسی پیش گفته در شهرها یا در کنار فرودگاه ها واقع شده اند و سرعت وزش باد در این مناطق معمولاً کم است. از این رو، باید انرژی باد مورد مطالعة بیش تری قرار گیرد و مناطق بااستعداد شناسایی شوند. هم اکنون سهم انرژی باد برای تولید برق کشور ناچیز است. با درنظر گرفتن 8 تا 10 درصد افزایش تقاضای سالانة برق، میزان برق مورد تقاضا در سال 2000م. حدودMW27000 خواهد بود . برای آن که 1% از این مقدار به انرژی باد اختصاص یابد، لازم است که توربین های بادی با ظرفیت کل MW270 نصب شوند. علاوه بر تولید برق، انرژی باد برای تلمبه کردن آب و آبیاری مزارع، آسیاب کردن غلات و نظایر آن نیز به کار می رود.

[ریپورتر]

فصل پنجم



انرژی بیو گاز



انرژی از یاد رفته




امروزه گازهای گوناگون و مفیدی برای سوخت، وجود دارند که بیش از سه نوع آن در جهان استفاده می شود. این سه نوع عبارتند از: گاز مایع (ال.پی.جی) که مخلوطی از بخش‌های پالایش شده نفت خام از قبیل پروپان، بوتان، پروپیلن و بوتیلن است. این گاز به این دلیل که به آسانی به مایع تبدیل می شود، از آن برای سوخت سیلندر استفاده می شود. نوع دوم، گاز طبیعی است که از دو منبع عمده منابع گاز مستقل و گاز همراه (گاز حاصل از تفکیک نفت خام) تامین می شود و نوع سوم بیوگاز است که با آن بیشتر آشنا می شویم.درسال های اخیر به دلیل مشکلات ناشی از وابستگی گسترده به نفت و محدودیت منابع تجاری انرژی، به استفاده از بیوگاز بیشتر توجه شده است. بیوگاز بر اثر واکنش های تجزیه ای بی هوازی میکروارگانیسم های زنده در محیطی که مواد آلی وجود دارد، تولید می شود. از این قبیل محیط ها می توان به باتلاق ها و مرداب ها اشاره کرد و گازی که در این محیط ها تولید می شود، به گاز مرداب معروف است. دلیل نام گذاری این گاز به بیوگاز این است که بر اثر تجزیه بی هوازی مواد آلی و بیولوژیک به وسیله میکروارگانیسم های زنده تولید می شود. بیوگاز مخلوطی از سه ترکیب به نام های متان، دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن است. ترکیب عمده و قابل اشتعال بیوگاز، متان است که سهم بیشتر این گاز یعنی ۶۰ تا۷۰ درصد آن را شامل می شود. گاز متان، گازی است بی رنگ و بی بو که اگر یک فوت مکعب آن بسوزد، ۲۵۲ کیلوکالری انرژی حرارتی تولید می کندکه در قیاس با سایر مواد سوختی، رقم قابل توجهی است. دو ترکیب دیگر به ویژه سولفید هیدروژن که سهم آن ناچیز است، جزء ترکیب های سمی هستند. از مزیت های مهم متان به دیگر سوخت ها این است که هنگام سوختن، گاز سمی و خطرناک منواکسید کربن تولید نمی کند؛ بنابراین از آن می توان به عنوان سوخت ایمن و سالم در محیط خانه استفاده کرد. همان طور که گفته شد، ۶۰ تا۷۰ درصد بیوگاز را گاز متان تشکیل می دهد، این درصد بالای متان، بیوگاز را به عنوان منبع عالی و ممتاز انرژی های تجدیدپذیر برای جانشینی گاز طبیعی و دیگر سوخت های فسیلی قرار داده است. امروزه از بیوگاز در گرم کردن دیگ های بخار کارخانه ها، موتور ژنراتورها برای تولید برق،گرم کردن خانه ها و پخت و پز استفاده می شود. استفاده از فناوری تولید بیوگاز در ایران، تاکنون کاربرد عمومی نیافته است و در مرحله آزمایشگاهی است؛ درحالی که در کشورهای اروپای غربی، جنوب شرقی آسیا و به ویژه چین و هندوستان این فناوری بسیار قابل توجه است و این کشورها با بهره گیری از این فناوری نیاز خود را به سوخت برطرف کرده اند.
سوئد، یکی از بهترین مصرف کنندگان بیوگاز در صنعت حمل و نقل است و برنامه ریزی شده است تا سال ۲۰۵۰ میلادی ۴۰ درصد از نیاز این کشور در بخش حمل و نقل از طریق بیوگاز تامین شود. براساس این گزارش، هزینه تولید بیوگاز در سوئد از تولید بنزین با صرفه تر است، زیرا تولید یک مترمکعب بیوگاز که شامل تولید، اصلاح و متراکم سازی است، ۵/۳ تا ۵/۴ کرون سوئد است که این مقدار، حدود ۷۰ درصد هزینه های جاری بنزین در سوئد است. بررسی ها نشان می دهد درصورت استفاده از بیوگاز در صنعت حمل و نقل، میزان آلاینده دی اکسیدکربن که سبب افزایش گاز گلخانه ای جهان می شود تا حدود ۶۵ تا ۸۵ درصد کاهش می یابد.
باکتری های ویژه ای واکنش های تجزیه ای و بی هوازی مواد آلی را به منظور تولید بیوگاز انجام می

[ریپورتر]

دهند. این گروه باکتری ها قادر به شکستن و تجزیه مواد آلی پیچیده و ساده هستند که سرانجام به تولید بیوگاز منجرمی شود. این باکتری ها از باکتری های مزوفیل و تا حدودی گرما دوست، هستند و در دمای ۷۵ تا ۱۰۰ درجه فارنهایت می توانند زندگی کنند. تحقیقات نشان می دهد که بهترین دما برای رشد این گونه باکتری ها ۹۵ درجه فارنهایت است که در این دما باکتری ها بیشترین فعالیت آنزیمی را برای تجزیه موادآلی و تولید بیوگاز دارند. با توجه به این موضوع در فصل زمستان که هوا سرد است، تولید بیوگاز در مرداب ها و باتلاق ها متوقف می شود. از شرایط مطلوب دیگر برای تولید بیوگاز، قلیایی بودن (ph=7-8) محیط واکنش است.
تجزیه و تبدیل فضولات و مواد گندیده آلی که می تواند محصول حیوانات اهلی و یا گیاهان باشد، به وسیله باکتری ها در دو مرحله به بیوگاز و بیوماس تبدیل می شود. از بیوگاز استفاده های فراوانی می توان کرد و از بیوماس هم به عنوان کود آلی می توان بهره برد. در مرحله نخست این واکنش بیولوژیک، باکتری های بی هوازی مواد آلی گندیده را به اسید های آلی تبدیل می کنند. در مرحله دوم، گروه دیگری از باکتری ها اسید های آلی به وجود آمده را تجزیه می کنند که در نتیجه آن بیوگاز که بخش عمده آن متان است، تولید می شود.
برای تولید بیوگاز در مناطق روستایی و مجتمع های کشاورزی و دامپروری می توان اقدام به ساخت دستگاه بیوگاز کرد که ساخت آن بسیار آسان و از بخش های زیر تشکیل شده است:
- تانک تخمیر:
تانک تخمیر، بخش اصلی دستگاه بیوگاز است که معمولاً به شکل استوانه و از جنس آجر و یا بتون ساخته می شود. این تانک را می توان یا به صورت کامل درون زمین و یا بخشی از آن را در روی زمین ساخت. مواد زاید آلی پس از ورود به تانک به مدت یک تا دو ماه در آن نگهداری می شوند. در طول این مدت، مواد زاید آلی درشرایط بی هوازی و براثر فعالیت باکتری ها تجزیه می شوند. نتیجه این تجزیه، تولید بیوگاز و مقداری بیوماس است که با تخلیه مرتب بیوماس و و اضافه کردن مواد زاید جدید در تمام روزهای سال می تواند ادامه داشته باشد.
- محفظه گاز:
این محفظه به صورت سرپوشی شناور یا ثابت از جنس فلزی یا بتونی در روی بخش فوقانی تانک تخمیر قرار می گیرد. گازهای تولیدی در تانک تخمیر در بخش زیر این سرپوش جمع می شود که از

[ریپورتر]

امروزه گازهای گوناگون و مفیدی برای سوخت، وجود دارند که بیش از سه نوع آن در جهان استفاده می شود. این سه نوع عبارتند از: گاز مایع (ال.پی.جی) که مخلوطی از بخش‌های پالایش شده نفت خام از قبیل پروپان، بوتان، پروپیلن و بوتیلن است. این گاز به این دلیل که به آسانی به مایع تبدیل می شود، از آن برای سوخت سیلندر استفاده می شود. نوع دوم، گاز طبیعی است که از دو منبع عمده منابع گاز مستقل و گاز همراه (گاز حاصل از تفکیک نفت خام) تامین می شود و نوع سوم بیوگاز است که با آن بیشتر آشنا می شویم.درسال های اخیر به دلیل مشکلات ناشی از وابستگی گسترده به نفت و محدودیت منابع تجاری انرژی، به استفاده از بیوگاز بیشتر توجه شده است. بیوگاز بر اثر واکنش های تجزیه ای بی هوازی میکروارگانیسم های زنده در محیطی که مواد آلی وجود دارد، تولید می شود. از این قبیل محیط ها می توان به باتلاق ها و مرداب ها اشاره کرد و گازی که در این محیط ها تولید می شود، به گاز مرداب معروف است. دلیل نام گذاری این گاز به بیوگاز این است که بر اثر تجزیه بی هوازی مواد آلی و بیولوژیک به وسیله میکروارگانیسم های زنده تولید می شود. بیوگاز مخلوطی از سه ترکیب به نام های متان، دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن است. ترکیب عمده و قابل اشتعال بیوگاز، متان است که سهم بیشتر این گاز یعنی ۶۰ تا۷۰ درصد آن را شامل می شود. گاز متان، گازی است بی رنگ و بی بو که اگر یک فوت مکعب آن بسوزد، ۲۵۲ کیلوکالری انرژی حرارتی تولید می کندکه در قیاس با سایر مواد سوختی، رقم قابل توجهی است. دو ترکیب دیگر به ویژه سولفید هیدروژن که سهم آن ناچیز است، جزء ترکیب های سمی هستند. از مزیت های مهم متان به دیگر سوخت ها این است که هنگام سوختن، گاز سمی و خطرناک منواکسید کربن تولید نمی کند؛ بنابراین از آن می توان به عنوان سوخت ایمن و سالم در محیط خانه استفاده کرد. همان طور که گفته شد، ۶۰ تا۷۰ درصد بیوگاز را گاز متان تشکیل می دهد، این درصد بالای متان، بیوگاز را به عنوان منبع عالی و ممتاز انرژی های تجدیدپذیر برای جانشینی گاز طبیعی و دیگر سوخت های فسیلی قرار داده است. امروزه از بیوگاز در گرم کردن دیگ های بخار کارخانه ها، موتور ژنراتورها برای تولید برق،گرم کردن خانه ها و پخت و پز استفاده می شود. استفاده از فناوری تولید بیوگاز در ایران، تاکنون کاربرد عمومی نیافته است و در مرحله آزمایشگاهی است؛ درحالی که در کشورهای اروپای غربی، جنوب شرقی آسیا و به ویژه چین و هندوستان این فناوری بسیار قابل توجه است و این کشورها با بهره گیری از این فناوری نیاز خود را به سوخت برطرف کرده اند.
سوئد، یکی از بهترین مصرف کنندگان بیوگاز در صنعت حمل و نقل است و برنامه ریزی شده است تا سال ۲۰۵۰ میلادی ۴۰ درصد از نیاز این کشور در بخش حمل و نقل از طریق بیوگاز تامین شود. براساس این گزارش، هزینه تولید بیوگاز در سوئد از تولید بنزین با صرفه تر است، زیرا تولید یک مترمکعب بیوگاز که شامل تولید، اصلاح و متراکم سازی است، ۵/۳ تا ۵/۴ کرون سوئد است که این مقدار، حدود ۷۰ درصد هزینه های جاری بنزین در سوئد است. بررسی ها نشان می دهد درصورت استفاده از بیوگاز در صنعت حمل و نقل، میزان آلاینده دی اکسیدکربن که سبب افزایش گاز گلخانه ای جهان می شود تا حدود ۶۵ تا ۸۵ درصد کاهش می یابد.
باکتری های ویژه ای واکنش های تجزیه ای و بی هوازی مواد آلی را به منظور تولید بیوگاز انجام می دهند. این گروه باکتری ها قادر به شکستن و تجزیه مواد آلی پیچیده و ساده هستند که سرانجام به تولید بیوگاز منجرمی شود. این باکتری ها از باکتری های مزوفیل و تا حدودی گرما دوست، هستند و در دمای ۷۵ تا ۱۰۰ درجه فارنهایت می توانند زندگی کنند. تحقیقات نشان می دهد که بهترین دما برای رشد این گونه باکتری ها ۹۵ درجه فارنهایت است که در این دما باکتری ها بیشترین فعالیت آنزیمی را برای تجزیه موادآلی و تولید بیوگاز دارند. با توجه به این موضوع در فصل زمستان که هوا سرد است، تولید بیوگاز در مرداب ها و باتلاق ها متوقف می شود. از شرایط مطلوب دیگر برای تولید بیوگاز، قلیایی بودن (ph=7-8) محیط واکنش است.
تجزیه و تبدیل فضولات و مواد گندیده آلی که می تواند محصول حیوانات اهلی و یا گیاهان باشد، به وسیله باکتری ها در دو مرحله به بیوگاز و بیوماس تبدیل می شود. از بیوگاز استفاده های فراوانی می توان کرد و از بیوماس هم به عنوان کود آلی می توان بهره برد. در مرحله نخست این واکنش بیولوژیک، باکتری های بی هوازی مواد آلی گندیده را به اسید های آلی تبدیل می کنند. در مرحله دوم، گروه دیگری از باکتری ها اسید های آلی به وجود آمده را تجزیه می کنند که در نتیجه آن بیوگاز که بخش عمده آن متان است، تولید می شود.
برای تولید بیوگاز در مناطق روستایی و مجتمع های کشاورزی و دامپروری می توان اقدام به ساخت دستگاه بیوگاز کرد که ساخت آن بسیار آسان و از بخش های زیر تشکیل شده است:
- تانک تخمیر:
تانک تخمیر، بخش اصلی دستگاه بیوگاز است که معمولاً به شکل استوانه و از جنس آجر و یا بتون ساخته می شود. این تانک را می توان یا به صورت کامل درون زمین و یا بخشی از آن را در روی زمین ساخت. مواد زاید آلی پس از ورود به تانک به مدت یک تا دو ماه در آن نگهداری می شوند. در طول این مدت، مواد زاید آلی درشرایط بی هوازی و براثر فعالیت باکتری ها تجزیه می شوند. نتیجه این تجزیه، تولید بیوگاز و مقداری بیوماس است که با تخلیه مرتب بیوماس و و اضافه کردن مواد زاید جدید در تمام روزهای سال می تواند ادامه داشته باشد.
- محفظه گاز:
این محفظه به صورت سرپوشی شناور یا ثابت از جنس فلزی یا بتونی در روی بخش فوقانی تانک تخمیر قرار می گیرد. گازهای تولیدی در تانک تخمیر در بخش زیر این سرپوش جمع می شود که از طریق لوله کشی می توان آن را به نقطه مصرف انتقال داد. نکته مهم در باره این محفظه این است که از افزایش فشار گاز در این محفظه جلوگیری شود؛ بنابراین با نصب فشار سنج در این محفظه می توان فشار گاز را کنترل کرد. - لوله های ورودی و خروجی: هدف از لوله های ورودی و خروجی در دستگاه بیوگاز، ورود مواد خام و تخلیه بیوماس از تانک تخمیر است. جنس لوله ها را می توان از نوع پلاستیکی یا بتونی انتخاب کرد. در مناطق روستایی هر خانوار می تواند به طور انفرادی یک دستگاه بیوگاز داشته باشد و یا چند خانوار ساکن در کنار هم می توانند به طور اشتراکی یک دستگاه بیوگاز بسازند. براساس محاسبات انجام شده، کود حاصل از سه راس گاو و یا چند راس گوسفند پاسخ گوی تولید گاز مصرفی هر خانوار در طول سال است. که این میزان تولید گاز، حدود ۵۰۰ لیتر به ازای هر کیلوگرم فضولات تجزیه شده است. بهره برداری و نگهداری از دستگاه بیوگاز به مهارت خاصی نیاز ندارد و هرکس به راحتی می تواند از آن استفاده کند. با توجه به موارد یادشده، لزوم برنامه ریزی برای گسترش منابع انرژی غیرنفتی و استفاده از انرژی های نو در کشورمان به خوبی احساس می شود. با انجام مطالعات و تحقیقات و مشارکت در ساخت دستگاه های بیوگاز در مناطق روستایی می توان در مصرف سوخت های نفتی به شدت صرفه جویی کرد.
در یک نتیجه گیری کلی استفاده از بیوگاز در زندگی روزمره می تواند فایده های زیر را به دنبال داشته باشد:
- بیوگاز به عنوان یک منبع انرژی محلی و تجدید شونده؛
- بهبود وضعیت ایمنی صنعتی و خانگی، همچنین سودآور بودن آن؛
- بهبود وضعیت کیفیت هوا و کاهش بوهای نامطبوع؛
- کاهش انتشارگازهای گلخانه ای دشمن لایه ازون؛
- رشد اقتصادی و تضمین منبع انرژی؛
- جمع آوری مواد زاید و حیوانی در یک نقطه و جلوگیری از پراکندگی آنها در محیط اطراف؛
- استفاده از بیوماس تولیدی به عنوان کود سالم و مطمئن در کشاورزی

مزاياي استفاده از بيوگاز:
1-گاز متان براي مصارف سوختي- روشنايي – مكانيكي و الكتريكي بكار برده مي‌شود.
2-كود مايع و لجن بيوگاز مي تواند بعنوان تامين كننده مواد آلي خاك بكار برده شود.
3-استفاده از كود بيوگاز بجاي كود آلي و انساني بيماريهاي شايع عفوني و انگلي را كاهش مي دهد

[ریپورتر]

4-با توليد بيوگاز حشرات موذي و حيوانات موذي از محيط انساني زدوده مي شود.
5-با توليد بيوگاز صدمه اي به ارزش كود وارد نمي شود چون با از بين رفتن تخم علفهاي هرز و انگلها كود بهسازي شده بدست مي آيد .
6-از آلودگي آبها جلوگيري كرده و مانع آزاد شدن گازهاي سمي شده و باعث ازدياد اكسيژن محلول در آب مي شود.
توليد وبهره وري از بيوگاز مي تواند مواد زائد مصرف انساني را دربزرگترين ظرفيت ممكن به مواد و وسايل ارزنده تبديل نمايد.
ايرانيان از اولين استفاده كنندگان بيوگاز بوده انددر خرابه‌اي تخت جمشيد آثار كانالهاي فاضلاب به چشم مي خورد كه نشان از فرهنگ غني معماري ايران دارد.شيخ بهايي با هدايت فاضلابهاي اصطبل شاهي به داخل يك مخزن سرپوشيده از گازهاي حاصل از فعل و انفعالات بي هوازي براي گرم شدن حمام مجاور آن استفاده نمود
تولید بیوگاز در کشور چین،از اوایل سالهای دهه 1930آغاز گشته و با موفقیت ادامه یافته است. در سال 1936 پروفسور " ژوپییسوآن" یکی از دانشمندان معروف چین، مولد تحلیل برنده و تخمیر کننده تولید بیوگاز را به منظور استفاده در مصرف های روشنایی شهر محل زندگی اش- استان" جیانگ سو" طراحی کرد و ساخت.
اکنون بیش از هفت میلیون واحد عمومی تولید بیوگاز با ظرفیت 8 تا 10 متر مکعب در مناطق روشتایی، حدود 30 میلیون کشاورز را بهره مند می سازد.کشاورزان، از بیوگاز برای راه اندازی موتورهای احتراق داخلی به منظور استفاده در امر آبرسانی و آیاری مزرعه های گندم، دروکردن علوفه،خشک کردن فراوردهای کشاورزی و تولید نیروی برق استفاده می کنند.
در کنار این کوششها،تاسیسات ضروری نیز برپاگشته تا محتویات فاضلابهای شهری که در برگیرنده آبهای گل‌آلود ناشی برف و باران،زواید و پسمانهای انسانی است را ، به مولدهای بیوگازی با خاصیت تحلیل و تخمیر ، بدون نیاز به اکسیژن و هوا در شهرهای استان های " گوانداگ"، " شاندوگ" " شانکی" ، " جیانگ سو" انتقال دهد. در حقیقت 800 میلیون روستایی چینی 80 % انرژی مورد نیاز روزانه خود را باید از منابع زیستی به دست آورد.
چین به راه حلی عملی برای توزیع نوین سوخت به مناطق روستایی دست یافته است و آن استفاده عملی ار انرژی زیستی ار طریق تولید بیوگاز ار فضولات دامی و شاخ و برگهای و پسمان فراوردهای کشاورزی است که خود توسط کشاورزی و دامداری به دست می اید. در گذشته هنگامی که محتویات فاضلابها مستقیما به "عنوان کود مصرف می شد، دمای موجود در آنهامورد استفاده قرار نمی گرفت. شاخ و برگها نیز مستقیما می سوخت" و تنها از خاکستر باقیمانده آنها به عنوان کود موادآلی استفاده می شد. اینک با گسترش فراوردهای بیوگاز، محتویات فاضلابها و شاخ و برگها و زواید فراوردهای کشاورزی برای تولید سوخت و کود هر دو به کار می رود. بنابراین، منابع طبیعی ارزش فزاینده یافته است.همزمان، انرژی حرارتی ناشی از سوختن بیوگاز تولید شده از منابع پیشگفته، در مقایسه با سوزاندن مستقیم آنها ، 30 تا 40 % افزایش نشان می دهد.

1. انرژی زیستی
این انرژی که در اندام های زنده ذخیره می شود، از طریق انرژی تابش آفتاب بر گیاهان شبز مطابق قانون قتوسنتز(=ترکیب مواد به کمک نور) به وجود می آید؛ هنگامی که این انرژی به هر صورت ممکن مورد استفاده قرار گرفت، آن را می توان دوباره باز یابی کرد.بهره گیری از بیوگاز بهترین و بخردانه ترین روش بازیابی انرژی زیستی مصرف شده به حساب می آید. اعمال چنین روشی منبعی تمام نشدنی از انرژی را به وجود می آورد.
2. منابع مواد اولیه مورد نیاز برای تولید بیوگاز
مواد اولیه آن فراوان بوده و تقریبا همه جا گسترده است ، مانند فضولات دامی، شاخ و برگهای ناشی از حرس درختان ، علفهای هرز، اضافه های مواد آلی، محتویات فاضلابها، پسمانهای فراوردهای کشاورزی وغیره که می توان آنها را به راحتی جمع آوری کرده و در مولد های بیوگاز ریخت.
3.تولید و بهره برداری از بیوگاز
از ویژگیهای مهم مولدهای بیوگاز در چنین آسانی بسیار در بنای آنها ست. تاسیسات مولدها در زیر زمین قرار دارد، به نحوی که اداره کردن آنها به آسانی توسط روستاییان امکانپذیر است. از آنجا که در ساختمان این مولد ها آهن کمتر به کار می رود، مصالح ساختمانی ذخیره شده و قیمت تمام شده مولدها بسیار ارزان تمام می شود. زیرزمین بودن مولودها ، همچنین موجب ذخیره و حفظ دمای مورد نیاز برای تولید بیوگاز در فصل زمستان می شود. ساختمان یک دستگاه مولد 10 متر مکعبی، با آجر، تنها20 روز طول می کشد. بهره مندانی که مولد خود را در شرایط خوبی نگهداری کنند قادر خواهند بود کلیه هزینه های ساخت مولد را از محل هزینه هایی که باید برای تولید سوخت در طول یک سال بپردازد، تامین کند.
4.آب برف و باران آمیخته با خاک
در مولد های بیوگاز ، آب برف و باران آمیخته با خاک عامل موثری در تولید کود با کیفیت عالی و ارزنده برای مزرعه ها، پرورش ماهی و کشت قارچهای خوراکی است.به عقیده همگان، می توان گفت که این کود میزان فراورده ها را تا 10 % بیشتر از کود های دیگر افزایش داده و کیفیت آنها را نیز بهتر می کند. مصرف طولانی این نوع کود به دست آمده از

[ریپورتر]

مولد های بیوگاز اثر اثر بسیار خوبی در تقویت خاک و افزایش ضریب حاصلخیزی آن خواهد داشت.
5.بیوگاز ،یک انرژی بدون آلودگی، بهداشتی و بدون فساد
بیوگاز به هنگام سوختن، کاملا بی بو و بدون دود بوده و کوچکترین اثر سوئی در آلودگی محیط زیست ندارد. افزون براین، پراکندگی پسمان های دامی و زواید مواد آلی که خود می تواند پرورشگاه تخم و حشرات موذی ناقل بیماری های مختلف ئ انگلهای مولد بیماریهای خطرناک باشد، بدین صورت از محیط زسیت انسان ردوده می شود و در اثر تخمیر در مولدهای بیوگاز و نابودی آنها بهبود چشمگیری در بهداشتی کردن محیط زیست به وجود می آورد و با افزودن مقدار کمی آهک و امونیاک به کود های حاصل در مولد به هنگام تخلیه آن ، باقیمانده تخم و نوزاد و حشرات و انگلها به کلی نابود شده و مزرعه ها را از آفت زدگی محافظت می کند و بدین گونه از انتشار بیماری ها به طور موثری پیشگیری شده و مناطق روستایی ایمنی بیشتری می یابند.
در حال حاضر در چین، مولد های بزرگ بیوگاز به شکل مدور( یا استوانه ای) یا درپوشی گنبدی شکل که همه یا بخشی از آنها در زمین ساخته شده اند، وجود دارد. بنا به تجربه و با توجه به شکل ساختمان ، مدیریت، بهره برداری و نگهداری، قابلیت انعطلف بیشتری در گروهی ساختن مولدها مشاهده شده است. در بیشتر موارد، عمل تخمیر در داخل مولدها تحت دمای محیط و هوا امکانپذیر است.از هنگامی که ذخیره سازی بیوگاز مورد توجه قرار گرفت، ساخت مولدهای بزرگ" تیپ فشار هیدرولیکی " طرفداران بیشتری پیدا کرد.
از نظر ساختمانی، مولدهای بیوگاز ساخته شده در چین به سه شکل مختلف زیرند:
الف)مدور(یااستوانه ای) ب)قوسی؛ج)چهارگوش،

الف) مولد بیوگاز به شکل مدور.ساخته شده در زیر زمین، از نظر توزیع متناسب فشار، آسانبودن عملیات اجرایی و نیازمندی کم به نیروی انسانی، مواد اولیه و سرمایه با صرفه است، ولی از نظر پیشگیری از نفوذ آبهای سطحی به اطراف مولدهایی که در چنین سطوحی ساخته می شود خود دشواری بزرگی است.

[ریپورتر]

ب) مولدهای قویس شکل. مقاومت نسبتا خوبی در مقابل فشار داشته و از نظر ساختمانی در مناطقی که سفره های زیر زمینی آب در سطح بالایی قرار دارند آسانتر بوده و گاز بیشتری نسبت به دیگر مولدها که دمای بیشتری برای تولید گاز نیاز دارند،توولید می کند



ج) مولدهای مکعبی شکل.از نظر توزیع فشار،وضعیت نسبتا خوبی نداشته و مصالح ساختمانی زیادی نیاز دارد.، ولی از نظر عملیات ساختمانی آسانتر است



تجربه های زیر در رابطه با پوشش شناور با فشار هیدرولیکی و ابزار ویزه ذخیره سازی گاز به شکل کیسه گاز به دست آمده است:
1)مولد با فشار هیدرولیکی. از نظر ساختمانی ساده و کم خرج است، ولی فضای لازم در اختیار نبوده و فشار گاز ثابت نیست.
2) مولد با درپوش شناور. دارای فشار گاز ثابت بوده و گاز بیشتری تولید می کند، اما درپوش گرانتر به دست آمده و از نظر تعمیرات و نگهداری دارای دشواریهای فراوانی است.
3) کیسه گاز. پایداری کافی نداشته و از نر محافت در برابر خطر آتش سوزی، نیازمند پیش بینیهای دقیق و پیچیده است. از آنجا که اتاقهای ویژه ای برای نگهداری این کیسه ها مورد نیاز است، هزینه تاسیسات فراوانی دارد.

مولد های زیر زمین دارای ویژگیهای سودمند زیرند:
1- از زمین کمتری استفاده می شود؛ به عبارت دیگر، زمین زراعی کمتری را اشغال می کند.
2- فشار زمین در برگیرنده دیوارها و پایه ها، از ضخامت آنها جلوگیری کرده و در نتیجه هزینه های ساختمانی را کاهش می دهد.
3- مولدها را در مقابل سرما حفاظت می کند
4- در هنگام ساختمان الوار و چوب کمتری به کار میرود
5- پرو خالی کردن مولدها ار مواد اولیه و تخمیر شده به سادگی امکانپذیر است.
از سوی دیگر ساختن مولدها در زیر زمین دارای مشکلاتی نیز هست که از جمله می توان نیاز به جلوگیری از نفوذ آبهای سطحی به اطراف مولدها را نام برد که این عمل نیازمند انجام کارهای زیادی در زمین محل ساختمان مولد است. مولدهایی که با حرارت داخلی و محیطی خود کار می کنند، در مقابل نفوذ آبهای سطحی بسیار آسیب پذیرند. زیرا این عمل موجب کاهش شدید دمای درونی مولد را فراهم می اورد. از این رو در ساختمان چنین مولدهایی باید دقت بیشتری به کار برد.
ویژگی های فنی
بنابر مشخصه های تکنولوژی تخمیر در طراحی مولدهای بزرگ بیوگاز ویژگیهای زیر مورد نظر هستند.
الف)فشار پیش بینی شده بیوگاز: 06/0 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع.
ب)ظرفیت تولیدی طراحی شده بیوگاز:15/0 متر مکعب به ازای هر متر مکعب از ظرفیت مولد در دمای معمولی ، یک متر مکعب به ازای هر متر مکعب از ظرفیت مولد در دمای متوسط.( یعنی بین 35 تا37 درجه سانتیگراد) و205 متر مکعب به ازای هر متر مکعب ظرفیت مولد در دمای بالا( یعنی بین 47 تا 55 درجه سانتیگراد)
ج) ظرفیت ذخیره سازی طراحی شدهبیوگاز: 50% گاز تولیدی روزانه.
د) میزان تخمیر مولدها: با سبکی بتون به کار رفته و شرایط چون مواد خام ومواد اولیه استفاده شده و شیوه ذخیره سازی گاز در ارتباط بوده و با توجه به مراتب پیشگفته محسبه و معین می شود.

[ریپورتر]

معرفی بیوگاز: مخلوطی است از گازهای گوناگون که گازمتان عنصر اطلی تشکیل دهنده آن است. بنابر تجزیه و اندازه گیرههایی که توسط موسسه شیمی و آکادمی علوم" چنگ-دو" به عمل آمده است،61.9% از ترکیبهای بیوگاز، گاز متان، 35.77% دی اکسید کربن و درصد بسیار ناچیزی گازهای ازت و هیدروژن سولفوره و غیره است. گاز متان گازی است شفاف، بی بو و بی طعم، در حالی که بیوگاز بوی سیر و بوی تخم مرغ گندیده دارد.سوختن یک متر مکعب از بیوگاز ، تولید 5500 تا 6500 کیلوکالری حرارت می کند که این حرارت برای راه اندازی یک موتور احتراق داخلی به توان یک اسب بخار، به مدت دو ساعت و یا تولید 25/1 کیلووات نیروی برق و یا تولید 2/5 کیلوگرم تتراکلرید کربن کافی است. یک متر مکعب از بیوگاز معادل 4/0 کیلوگرمسوخت دیزل، 6/0 کیلوگرم نفت و یا 8/0 کیلوگرم زغال سنگ است. بیوگاز منبع فناناپذیر ی از انرژی است.انرژی خورشید ذخیره شده در گیاهان در طریق فتوسنتز، به وسیله فعالیت باکتریها، دوباره به انرژی به صورت بیوگاز بازیابی می شود.

بدین ترتیب، انرژی بیوگاز همواره و تا زمانی که خورشید می درخشد، پایدار خواهد بود. به هنگام سوزاندن بیوگاز به عنوان یک سوخت،خاکستر، بو و یا سم تولید نمی شود و خطری نیز برای ایجاد آلودگی و فساد محیط زیست ندارد. بدین گونه است که بیوگاز منبع تمام نشدنی ارزان و تمیز به شمار می رود.
بیوگاز به طور مصنوعی، در محیط کاملا بسته وغیر قابا نفوذ ، توسط باکتریهایی که در اثررشد و تکثیر موجب تجزیه و انهدام موادآلی شده و گاز متان تولید می کند، به وجود می اید. که این البته باید نسبت معین و مشخصی از ازت و کربن، حرارت،غلظت،خاصیت اسیدی و قلیایی مواد اولیه برای تخمیر وجود داشته باشد.
نسبت ازت و کربن: ازت و کربن، تغذیه کننده اصلی باکتریها است که بدون هوا و اکسیژن زندگی می کنند؛ در حالی که خاصیت تغذیه کربن 25 تا 30 برابر سریعتر از ازت است. به طور کلی پسمانهای تازه گاو، گوسفند و انسان دارای نسبت بالایی از کربن و حرارت است

[ریپورتر]

دما:
عمل تخمیر ممکن است در دمای بالا(47-55 درجه سانتیگراد) دمای متوسط(35-37 درجه سانتیگراد) و دمای محیطی( 15-35 درجه سانتیگراد ) انجام پذیرد. نسبت تولید گاز ممکن است به طور تقریبی تا 250% در دمای بالا، 100% در دمای متوسط و تنها 15% در دمای محیطی به دست آید.
خاصیت اسیدی و قلیلیی(ph)
بهترین مقدار ph بین 7 تا 8 است. معمولا مقدار ph نیازی به تنظیم ندارد زیرا باکتری ها در مواد تخمیر شده با تعادلی که در حرکت خود به خودی دارند، میزانph را تحمل میکنند.تنظیم میزان ph تنها زمانی مورد نیاز است که مقدار زیادی از اسید های فرار به دلیل آمیختگی مواد اولیه ناخالص در اثر اعمال مدیریت نادرست مولد جمع شده باشد. سوختن بیوگاز به میزان کافی از اکسیژن نیازمند است.
بیوگاز برای مصرفهای زیر قابل استفاده است:
الف) پخت و پز و روشنایی: ظرفیت مولد به نسبت بزرگی و کوچکی خانوارها طراحی شده است. در چین چهار اندازه مناسب برای مولدها ساخته شده است:6 ، 8 ، 10 ، 12 متر مکعبی. یک خانوار پنج نفره ، برای پختن سه وعده غذا در روز به حدود یک متر مکعب گاز نیاز دارد. برای تولید این مقدار بیوگاز، یک مولد 8 متر مکعبی باید ساخته شود و برای تهیه مواد اولیه مورد نیاز، باید یک یا دو رأس خوک با وزن مجموع 100 تا 150 کیلوگرم در خوکدانی نگهداری شوند. یک اجاق یک شعله 15 تا 20 دقیقه زمان و 61 لیتر بیوگاز برای جوشاندن 5/2 لستر آب از دمای 18 تا 19 تا 98 درجه سانتیگراد در دمای اتق 19 درجه سانتیگراد نیازمند است.
لامپ بیوگاز ترکیبی است از یک ورودی گاز، یک ورودی هوا، یک تنظیم کننده هوا و یک کانال مخلوط کن گازو هوا. هنگام که اختلاف فشار بیوگاز از 80 سانتیمتر از فشار ستون آب است، جهش گاز، قوی بوده و نور خوبی را تولید می کند و زمانی که فشار از 40 سانتیمتر فشلر ستون آب کمتر شود، نور حاصل ضعیف خواهد بود. یک متر مکعب بیوگاز، می تواند یک لامپ بیوگازی را به مدت 6 ساعت با توانی بین 60 تا 100 وات لامپ الکتریکی روشن نگهدارد.
ب) سوخت دوتایی برای موتورهای احتراق داخلی مورد استفاده در مزرعه: فنون تبدیل موتورهای دیزل گازوئیل سوز به موتورهای بیوگازی گازوئیلی به ترتیب زیر است: به هنگام تغییر سیستم سوخت موتورهای احتراق داخلی،سیستم سوخت اصلی موتور را نگهداشته و یک مخلوط بیوگاز و هوا را بین فیلتر هوا و ورودی سوخت موتور نصب می کنیم؛ در حال حاضر ، هر دو سیستم ورودی سوخت مستقیم و ابزار مخلوط کننده بیوگاز و گازوئیل، به طور وسیعی در استان سیچوان مورد استفاده است. 70 تا 90% از سوخت گازوئیل بعد از تعبیه سیستم جدید، مصرف نشدنی باقی مانده است. بنابر گزارش موسسه ماشینهای کشاورزی سیچوان در 14اکتبر 1979 ، آزمایشها روی موتورهای تیپ 1105 ( با محفظه احتراق جداگانه) صرفه جویی سوخت مایع برابر با 15 کیلو بر اسب بخاردر ساعت را نشان داد. گاز طبیعی دارای 300 تا 700 میلیگرم هیدروژن سولفوره در هر متر مکعب بیوگاز حاوی 50 تا 300 میلیگرم هیدروژن سولفوره در هر متر مکعب است. در حال حاضر موتورهای دیزلی-بیوگازی، بیش از 3000 ساعت بدون کوچکترین خرابی بعدی کار میکنند.این تجربه ها نشان می دهد که هیدروژن سولفوره موجود در بیوگاز، اثر نامطلوب اساسی در جریان کار طولانی موتور باقی نمی گذارد.
ج) تولید نیروی برق: استفاده از نیروی برق حاصل از سوخت بیوگاز، بسیار اقتصادی تر از سوزاندن مستقیم بیوگاز برای تامین روشنایی است. زیرا برق تولید شده با مصرف 75/0 متر مکعب بیوگاز می تواند به مدت یک ساعت ، یک لامپ 24 تا 40 وات را روشن نماید. در حالی که همین مقدار گاز تنها می تواند 7 لامپ بیوگازی را به مدت یک ساعت روشن نگه دارد. نیروگاه های کوچک بیوگازی می توانند با سرمایه گذاری اندکی در مناطق روستایی تاسیس شوند. به گونه ای که در مدت کوتاهی سرمایه مصرف شده، بازگشت داده می شود. یکصد هزار نیروگاه کوچک بیوگازی هر یک به قدرت 705 کیلووات(12 اسب بخار) در سرتاسر کشور به وجود می آیند که مجموع نیروی برق تولیدی آنها برابر 1100 میلیون کیلووات ساعت می شود.
د) خشک کردن فراورده های کشاورزی و کوره خشک کن آجروسفال: در مناطق که به دلیل کمبود و گرانی، به دست آوردن سوخت مشکل است، در فصلهای بارانی و مرطوب، بیوگاز بهترین سوخت برای راه اندازی دستگاه های خشک کن فراورده های کشاورزی است. بدیت وسیله فراورده های کشاورزی تولیدی کشاورزان از کپک زدگی و فساد حفاظت شده و از این طریق سوخت نیروی انسانی و پول پس انداز می شود.
مزایای بیوگاز نسبت به زغال سنگ:

[ریپورتر]

1-کاهش هزینه های جاری به میزان 5/1 برابر 2- کنترل درجه حرارت و کیفیت تهیه محصول 3- کاهش شدید نیروی انسانی 4- کنترل شعله و دما توسط شیرهای مخصوص 5- عدم ایجاد بو و دوده و...... سوختن آن
6-نیاز به زمان کمتر و افزایش ضریب بهره برداری
بیوگاز همچنین به شکل گسترده ای، هر چه بیشتر و بیشتر در بخاریهای ویژه فرو سرخ، برای مصرف هایی مانند گرم کردن خانه و آب گرم به منظور افزایش تولید ماهی استفاده می شود.
ه- بیوگاز، مواد اولیه صنعتی بسیار مهم: بیوگاز دارای 60% متان و 35 % دی اکسید است که این عنصر ها می توانند به عنوان مواد اولیه فراورده های شیمیایی به کار روند. به هنگامی که متان تحت درجه حرارت بالا با کلرین آمیخته می شود، اتمهای هیدروژندر متان جای خود را به اتمهای کلرین می دهد. بر اساس این که چه تعداد از اتمها جا به جا شوند، کلرومتانهای مختلفی همراه با تولید جنبی شان که کلرید هیدروژن است، شکل می گیرند. بعد از تغلیظ و گسترش کلرومتان ، فراورده های زیر بدست می آید: منوکلرومتان( ماده اولیه اصلی برای ساختن سیلیکاتهای آلی ، حل کننده های مختلف ، خنک کننده ها و حشره کش ها)؛ دی کلرومتان ( ماده اولیه برای تولید مواد پاک کننده چربیها ، موادی با قابلیت نفوذ زیاد، خنک کننده ها و نیز ماده اولیه برای ساختن فیلم های عکاسی و سینمایی) ؛ تری کلرومتان ( ماده اولیه برای تولید پلاستیک "چلی تترافلوروراتیلن " و آنتی بیوتیک ها و حل کننده ها) و تتراکلرید کربن ( ماده اولیه ساخت مواد ضد حریق و فلورینهای دارای پلاستیک. متان ، همچنین مواد اولیه تهیه استیلن، الکل متانول، آمونیک ، کود و دیگر فراورده های شیمیایی است. ویتامین 12b نیز می توان از تغلیظ آن بدست آید. از دی اکسید کربن که در بیوگاز وجود دارد ، می توان کود و نیز یخ خشک تولید کرد. از هر متر مکعب دی اکسید کربن ، می توان یک کیلوگرم یخ خشک ساخت. از یخ خشک برای ایجاد باران مصنوعی استفاده می شود . 3/0 تن از یخ خشک می تواند سه میلیمتر باران را در سطحی برابر با 60 کیلو متر مربع بباراند. یخ خشک برای ساخت و تولید مواد منفجره شرایط بی خطر و ایمن را ایجاد می کند. این یخ ، خنک کننده بسیار خوبی استو زیرا از حالت جامد مستقیما به گاز تبدیل می شود . بدین گونه سه برابر یخ معمولی سرما ایجاد میکند.
افزایش تولید فراورده های کشاورزی مسئله است که می توان با بهبودی خاصیت حاصلخیزی خاک زراعی حل شود.در این راه باید تلاشهای چندی در راستای بهبودی حاصلخیزی خای زراعی از طریقافزودن مواد آلی به خاک و یا به عبارت دیگر ، استفاده گسترده و پیوسته از کود های مواد آلی انجام پذیرد. بیشترین مقدار مواد آلی در دسترس و قابل استفاده مانند علفهای خشک و پسمان های فراورده های کشاورزی و غیره ، در حال حاضر به طور مستقیم برای ساختن نیازمندیهای سوختی در روستاها سوزانده می شود. این امر نشان دهدنده فوق العاده زیاد مواد آلی با ضریب بهره کم و کاهنده ظرفیت منابع مواد آلی است. همچنین این مواد در زمره مواد غذایی دامها قرار داشته و به همین دلیل همواره در استفاده از این مواد برای سوخت و یا غذای دامها و کود سازی ، بین روستاییان رقابت وجود داشته است. چنین شرایطی از انحصار

[ریپورتر]

مواد آلی در استفاده از آن به عنوان سوخت ، تمایل بیشتر به دستیابی کودهای شیمیایی را به تدریج افزایش می دهد. چون بازگرداندن مواد آلی به خاک زراعی کاهش می یابد ، از خاصیت حاصلخیزی خاک کاسته شده و در نتیجه ، از میزان تولید فراورده های کشاورزی کاسته می شود. فراگیری کردن مصرف بیوگاز به عنوان کلیدی در حل ایم مسئله کمک اساسی می کند. بهره گیری از بیوگاز ، هماهنگی کاملی در نیازمندیهای بالا به سوخت ، خوراک دام و کود را به وجود می آورد.

موادهای بیوگاز، ضمن تولید گاز ، کودهایحاوی مواد آلی را نیز می سازند. این عمل با استفاده از پسمانهای انسانی و دامی و گیاهان خشک شده و پسمان های فراورده های کشاورزی انجام می پذیرد. به هنگام آزاد شدن گاز ها متان و دی اکسید کربن ، هیدروژن ، کربن و اکسیژن مواد آلی به تدریج کاهش پیدا می کند. دیگر ترکیبهای مواد آلی در مایع باقی می ماند( بجز مقدار ناچیزی مواد از دست رفته) . برخی به صورت محلول و برخی به شکل حل نشده. بنابراین آشکار است که هیچ نوع تغییری در مقدار مواد مغذی کود حاصل از تخمیر مواد آلی موجو ندارد .این شرایط در کود سازی سنتی هرگز دیده نشده است. در شرایط تخمیر در محیط بدون اکسیژن مواد بیوگاز ، از کاهش و تراوش مواد مغذی کود حاصل جلوگیری می ود و از آنجا امونیک آزاد شده در مراحل تخمیر ، در واقع توسط اسید های تولید شده به شکل مغذی در می آید، عمل تبخیر در حالت ph خنثی ادامه می یابد. این حالت از تولید بیوگاز که به وسیله نآایاثقفا



آن آمونیاک تهیه می شود، یک خاصیت پر ارزش به شمار می رود. در مقایسه با روش سنتی تولید کود، تولید کود بیوگاز از طریق تخمیر نابودی مواد آلی را به شدت کاهش می دهد. تجربه مواد آلی در شرایط تخمیر بدون اکسیژن به وسیله جا به جا شدن یون های هیدروژن که موجب کوچکتر شدن ملکولهای بزرگ مواد آلی به ملکولهای کوچکتر می شود، به انجام می رسد. این سیستمی موثر در انتقال انرژی با کاهش ناچیزی در تولید گاز نسبت به آنچه در تولید کود با روش سنتی صورت می پذیرد.
مرحله تولید اسید در عمل تخمیر در مولد بیوگاز از فرّار شدن آمونیاک پیشگیری کرده و مجب افزایش میزان ازت موجو می گردد. همچنین مشخص شد که وجود اسید های آلی موجب سریعتر شدن عمل انحلال مواد کانی می شود. این عمل در ضمن به میزان مواد مغذی در مایعات فاضلاب موجود در مولد می افزاید. آبهای جاری سطحی گل آلود ، مخلوطی از مواد مغذی و مواد آلی را به صورت های محلول و جذب شده در سطح مواد آلی دارا هستند.
معمولا کود به منظور افزایش تولید پلانکتونها برای تامین غذای ماهی به استخر های ویژه پرورش آبزیان ریخته می شود. به طور کلی ، نژادهای مختلف ماهیهای از پلانکتون های تغذیه می کنند. بدین ترتیب افزودن کود به استخرهای پرورش ماهی در افزایش تولید انواع ماهی ، روش مناسبی و اقتصادی است و با فراگیر شدن تولید بیوگاز در مناطق روستایی ، اکثر گروههای تولید کننده و پرورش دهندگان ماهی از کود بیوگازی برای این منظور

استفاده می کنند. افزودن کود بیوگازی ، مواد مغذی فراوانتری را نسبت به کود معمولی و یا پسمان دامها به استخرهای پرورش ماهی وارد می کند. به هنگامی که پسمان های دامی و انسانی به طور مستقیم و به عنوان کود یه استخر های پرورش ماهی افزوده می شود به دلیل وجود مواد آلی تجزیه نشده، مقدار کمی مواد مغذی قابل حل به محیط وارد می شود و این مسئلهموجب می شود که فعالیت های باکتری ها برای تجزیه این مواد شدت یابد. این موضوع موجب آزاد شدن گازهای سمس مانند اسید سولفریک شده که با عث کاهش میزان اکسیژن محلول در آب می شود و شرایط محیطی برای پرورش ماهی را بسیار زیانبخش می سازد. از سوی دیگر کود

[ریپورتر]

موادهای بیوگاز، ضمن تولید گاز ، کودهایحاوی مواد آلی را نیز می سازند. این عمل با استفاده از پسمانهای انسانی و دامی و گیاهان خشک شده و پسمان های فراورده های کشاورزی انجام می پذیرد. به هنگام آزاد شدن گاز ها متان و دی اکسید کربن ، هیدروژن ، کربن و اکسیژن مواد آلی به تدریج کاهش پیدا می کند. دیگر ترکیبهای مواد آلی در مایع باقی می ماند( بجز مقدار ناچیزی مواد از دست رفته) . برخی به صورت محلول و برخی به شکل حل نشده. بنابراین آشکار است که هیچ نوع تغییری در مقدار مواد مغذی کود حاصل از تخمیر مواد آلی موجو ندارد .این شرایط در کود سازی سنتی هرگز دیده نشده است. در شرایط تخمیر در محیط بدون اکسیژن مواد بیوگاز ، از کاهش و تراوش مواد مغذی کود حاصل جلوگیری می ود و از آنجا امونیک آزاد شده در مراحل تخمیر ، در واقع توسط اسید های تولید شده به شکل مغذی در می آید، عمل تبخیر در حالت ph خنثی ادامه می یابد. این حالت از تولید بیوگاز که به وسیله نآایاثقفا



آن آمونیاک تهیه می شود، یک خاصیت پر ارزش به شمار می رود. در مقایسه با روش سنتی تولید کود، تولید کود بیوگاز از طریق تخمیر نابودی مواد آلی را به شدت کاهش می دهد. تجربه مواد آلی در شرایط تخمیر بدون اکسیژن به وسیله جا به جا شدن یون های هیدروژن که موجب کوچکتر شدن ملکولهای بزرگ مواد آلی به ملکولهای کوچکتر می شود، به انجام می رسد. این سیستمی موثر در انتقال انرژی با کاهش ناچیزی در تولید گاز نسبت به آنچه در تولید کود با روش سنتی صورت می پذیرد.
مرحله تولید اسید در عمل تخمیر در مولد بیوگاز از فرّار شدن آمونیاک پیشگیری کرده و مجب افزایش میزان ازت موجو می گردد. همچنین مشخص شد که وجود اسید های آلی موجب سریعتر شدن عمل انحلال مواد کانی می شود. این عمل در ضمن به میزان مواد مغذی در مایعات فاضلاب موجود در مولد می افزاید. آبهای جاری سطحی گل آلود ، مخلوطی از مواد مغذی و مواد آلی را به صورت های محلول و جذب شده در سطح مواد آلی دارا هستند.
معمولا کود به منظور افزایش تولید پلانکتونها برای تامین غذای ماهی به استخر های ویژه پرورش آبزیان ریخته می شود. به طور کلی ، نژادهای مختلف ماهیهای از پلانکتون های تغذیه می کنند. بدین ترتیب افزودن کود به استخرهای پرورش ماهی در افزایش تولید انواع ماهی ، روش مناسبی و اقتصادی است و با فراگیر شدن تولید بیوگاز در مناطق روستایی ، اکثر گروههای تولید کننده و پرورش دهندگان ماهی از کود بیوگازی برای این منظور

استفاده می کنند. افزودن کود بیوگازی ، مواد مغذی فراوانتری را نسبت به کود معمولی و یا پسمان دامها به استخرهای پرورش ماهی وارد می کند. به هنگامی که پسمان های دامی و انسانی به طور مستقیم و به عنوان کود یه استخر های پرورش ماهی افزوده می شود به دلیل وجود مواد آلی تجزیه نشده، مقدار کمی مواد مغذی قابل حل به محیط وارد می شود و این مسئلهموجب می شود که فعالیت های باکتری ها برای تجزیه این مواد شدت یابد. این موضوع موجب آزاد شدن گازهای سمس مانند اسید سولفریک شده که با عث کاهش میزان اکسیژن محلول در آب می شود و شرایط محیطی برای پرورش ماهی را بسیار زیانبخش می سازد. از سوی دیگر کود

[ریپورتر]

بیوگازی، مایعی روش بوده و هیچ گونه ماده آلیسمان ندارد و بدین روی ، این کود علاوه بر تامین مواد غذایی فراوان، بای لفزایش تولید پلانکتونها محیط سالم و مناسبی را برای و تکثیر ماهی و در نتیجه افزایش تولید مواد غذایی ایجاد می کند.
کاهش بیماریها و شرایط بهبود یافته تندرستی کارگران: بنا بر داده های آماری ارائه شده توسط موسسه پژوهشی برای پیشگیری از توسعه بیماریهای انگلی و درمان آنها در استان سیچوان 95% از تخم انگلهای موجود در مدفوع انسان و دام در مولد های بیوگاز نابود می شوند. انگلهایی مانند کرم جگر ، کرم روده ، کرم گوشت و دیگر انگلها و باسیلها یا به طور کامل و یا تقریبا کامل کشته شده و از بین می روند و در نتیجه استفاده از کود بیوگازی به جای کود دامی و انسانی امکان آلودگی و بیماری کارگران را در مرکزهای تکثیر و تولید ماهی به شدت کاهش داده و از طریق به وجود آوردن محیط سالم ، نسبت تولید را افزایش می دهد

[ریپورتر]

فصل ششم

انرژی زمین گرمایی







انرژی زمین‌گرمایی
انرژی زمین‌گرمایی انرژی حرارتی موجود در پوسته جامد زمین می‌باشد. این انرژی در امتداد مرزهای صفحات تکتونیکی، در نواحی شناخته شده آتشفشانی و زلزله‌خیز که دارای شکستگیها و گسلهای فراوانی هستند، از تمرکز بیشتری برخوردار است.
مرکز زمین منبع عظیمی از انرژی حرارتی است که به شکل های گوناگون از جمله فوران های آتشفشانی، آب های گرم و یا بواسطه خاصیت رسانایی به سطح آن هدایت می شوند. بر اساس تحقیقات انجام شده، زمین توده ای آتشین بوده که بیش از 4 میلیارد سال پیش شکل گرفته و به تدریج به انجماد و سردی گرائیده است و این سردی همچنان ادامه دارد. بشر مدتهاست که از منابع انرژی زمین گرمایی با درجه حرارت پایین ( چشمه های آبگرم ) جهت استحمام و همچنین مصارف درمانی استفاده می کند. اخیراٌ نیز از این انرژی در تأمین گرمایش فضا ، گرمایش گلخانه ها، حوضچه های پرورش ماهی، استخرهای تفریحی، پیشگیری از یخ زدگی معابر در فصل سرما و غیره استفاده می شده است. انرژی زمین گرمایی سومین نوع از انرژی های نو می باشد که در دنیا جهت تولید برق بیشتر استفاده قرار می گیرد.
بطورکلی هرچه از سطح زمین به سمت عمق پیش برویم، درجه حرارت افزایش می‌یابد و بطور متوسط به ازاء هر 100 متر عمق، 3 درجه سانتی‌گراد دما بالا می‌رود. به عبارت دیگر در عمق 2 کیلومتری سطح زمین، درجه حرارت حدود °c 70 می‌باشد اما در بعضی نقاط، فعالیتهای تکتونیکی باعث جاری شدن گدازه‌های داغ یا مذاب به سمت سطح‌زمین و در نهایت تشکیل منابعی با درجه حرارت بالا در سطح قابل دسترس از زمین می‌شود.
انرژی زمین‌گرمایی در واقع انرژی تجدیدپذیری است که از گرمای ماگمای داغ و تخریب مواد رادیواکتیو موجود در اعماق زمین بدست می‌آید. با قرار گرفتن لایه‌های حاوی منابع آبهای زیرزمینی در جوار لایه‌های حاوی گدازه‌های داغ، حرارت به منبع آب زیرزمینی منتقل شده و سپس این منابع آب‌داغ یا از طریق گسلها و شکستگیهای فراوان و مرتبط به هم مستقیماً بصورت چشمه‌های طبیعی آب یا بخارداغ و بعضاً در فشارهای بالای مخازن بصورت آبفشان و یا فومرول (دودخان) در سطح زمین ظاهر می‌شوند و یا اینکه از طریق حفاری چاههای اکتشافی، می‌توان به آب یا بخارداغ محصور در اعماق دسترسی پیدا کرد و از آن در تولید برق بهره‌برداری نمود. البته پس از استحصال حرارت از آب‌داغ، آب‌سرد باقی مانده از طریق چاه تزریقی وارد زمین شده و این چرخه مجدداً تکرار می‌شود.
شایان ذکر است که نباید از انرژی زمین‌گرمائی بیش از مقدار بازیابی آن بهره‌برداری کرد تا عواقب زیست‌محیطی منفی در پی نداشته باشد. بهره‌برداری از انرژی زمین‌گرمائی اندیشه جدیدی نیست و از ابتدای قرن حاضر تلاشهای زیادی به منظور تبدیل این انرژی به

[ریپورتر]

برق صورت گرفته است اما انگیزه واقعی بهره‌برداری از این نوع انرژی به بعد از سالهای 1974-1973 بر می‌گردد.
در سیستم زمین‌گرمائی هیدروترمال اساس کار مشابه صنعت نفت می‌باشد. بدین معنی که در مناطقی از زمین مخازن آب‌داغی وجود دارد که می‌بایست اکتشاف و استخراج گردد. آب‌داغ استخراج شده بسته به کیفیت منبع و دمای آب و فشار مخزن می‌تواند جهت تولید برق یا کاربردهای گرمایشی استفاده شود. در حال حاضر مخازن زمین‌گرمائی به سه گروه تقسیم‌بندی می‌شوند:

1- دسته اول: مخازن دما بالا با دمای بالاتر از °C 150 که مناسب برای تولید برق با تکنیکهای معمولی می‌باشد.
2- دسته دوم: مخازن با دمای بین 100 الی °C 150 که مناسب برای تولید برق با تکنیکهای پیشرفته‌تر باینری هستند.
3- دسته سوم: مخازن دما پائین با دمای کمتر از °C 100 که برای کاربردهای مستقیم مناسب می‌باشند.

در ایران نیز با مطالعات انجام شده از طریق چاه پیمایی 14 منطقه مستعد تعیین شده که تنها در یک منطقه اکتشاف با حفر سه حلقه چاه ظرفیت 250 MW بدست آمده است.
انرژی الکتریکی زمین‌گرمایی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B2%D9%85%DB%8C%D9%86%E2%80%8C% DA%AF%D8%B1%D9%85%D8%A7%DB%8C%DB%8C&action=edit&redlink=1) برقی است که با استفاده از منابع حرارتی ذخیره شده زیر پوسته زمین تولید می‌شود. تاریخ اولین استفاده از انرژی زمین گرمایی به شاهزاده پیرو گینوری کونتی در ایتالیا بازمی‌گردد. امروزه بزرگترین نیروگاه زمین گرمایی جهان در منطقه آتشفشانی آبفشان‌ها (The Geysers) در کالیفرنیا واقع شده‌است. تا سال ۲۰۰۸ انرژی زمین گرمایی سهمی کمتر از یک درصد از تولید کل انرژی الکتریکی جهان را به خود اختصاص داده.



ویژگی های انرژی زمین گرمایی
در حال حاضر از انرژی زمین گرمایی در بسیاری از نقاط جهان و به صورت های مختلف در سطح وسیعی استفاده می شود. نواحی که دارای پتانسیل انرژی زمین گرمایی

[ریپورتر]

می باشند منطبق بر مناطق آتشفشانی و زلزله خیز جهان هستند.
بطور کلی مناطقی از زمین که دارای سه ویژگی مهم زیر باشند می توانند دارای پتانسیل خوب جهت بهره برداری از انرژی زمین گرمایی باشند: منبع حرارتی _ سیال حد واسط _ محیط متخلخل.
الف – وجود آب برای انتقال حرارت منبع حرارتی به سطح زمین، آبهای جوی، آبهای فسیل از جمله سیالات انتقال دهنده حرارت در یک سیستم زمین گرمایی هستند. [1] (http://njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182671#_ftn1)
ب – لایه های مختلف زمین دارای خلل و فرج های زیاد باشند تا آبهای سطحی و نزولات جوی به خوبی داخل زمین نفوذ کنند.
ج – مواد مذاب یا سنگ های داغ مجاور آنها به گونه ای نزدیک به سطح زمین قرار گرفته باشند که موجب گرم شدن آبهای نفوذی شده و در نتیجه با حفاری چاههای تولیدی می توان با استخراج سیال گرم به حرارت مطلوب رسید.
انرژی زمین گرمایی
انرژی زمین گرمایی حرارت داخلی زمین است که به وسیله یک سیال مانند بخار یا آب داغ یا هر دو به سطح زمین انتقال می‌یابد. از این انرژی گرمایی در سطح زمین می‌توان در کاربردهای متفاوت از جمله تولید برق (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D9%88%D9%84%DB%8C%D8%AF_%D8%A7%D9%86%D8%B1% DA%98%DB%8C_%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%D A%A9%DB%8C) استفاده کرد.
روش های استفاده از انرژی زمین گرمایی:
1. استفاده نيروگاهی :
نیروگاههای زمین گرمایی دو نوعند:
الف ) نیروگاههای زمین گرمایی با سیال دو فاز ( بخار و مایع ) : این نوع نیروگاهها از چاههای زمین گرمایی خارج می شود که هر چه تعداد این چاهها بیشتر باشد میزان مایع و بخار خارج شده از چاهها و متناسب با آن میزان بولید برق نیز بیشتر می شود.
ب ) نیروگاه زمین گرمایی با سیال تک فاز: در این نوع نیروگاهها نیاز به مخزن جدا کننده نمی باشد زیر آب گرم وارد مبدل حرارتی شده و حرارت خود را به سیال عامل دیگری که نقطه جوش پایین تری نسبت به آب دارد منتقل می کند. در این فرایند سیال عامل به بخار تبدیل شده و به توربین منتقل می شود که در اینجا توربین و ژنراتور می تواند برق تولید کند.

[1] (http://njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=182671#_ftnref1) . گروه مولفين سازمان انرژي هاي نو ايران، از انرژي هاي نو چه مي دانيد؟ ( انرژي زمين گرمايي ) ، انتشارات سازمان انرژي هاي نو ايران ، سال 1385 ، ص 5.

[ریپورتر]

2. روش های استفاده غيرنيروگاهی
الف) استخرهای آب گرم
ب ) مراکز گلخانه ای
ج ) گرمایش منازل
د ) حوضچه های پرورش ماهی
ه ) ذوب برف و پیشگیری از یخبندان در معابر
ز ) پمپ حرارتی [1] (http://njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=183090#_ftn1)
نیروگاه‌های بخار خشک
این دسته نیروگاه‌ها از آب‌های داغ موجود در پوسته زمین که معمولا به صورت بخار به سطح زمین می‌رسند استفاده می‌کنند. این بخار مستقیما وارد یک توربین (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D9%88%D8%B1%D8%A8%DB%8C%D9%86_%D8%A8%D8%AE% D8%A7%D8%B1) که به مولد (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D9%88%D9%84%D8%AF_%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA% D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C) وصل شده می‌شود و از انرژی جنبشی آن برای چرخش توربین استفاده می‌شود. این روش ابتدایی‌ترین روش استفاده از انرژی زمین گرمایی به حساب می‌آید و برای واولین بار در لاردالرو (Lardarello)در ایتالیا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%DB%8C%D8%AA%D8%A7%D9%84%DB%8C%D8%A7) و در سال ۱۹۰۴ به کار گرفته شد. این نوع نیروگاه‌ها با وجود بهره‌وری بالایشان آب زیادی را به صورت بخار به همراه مقداری از گازهای مختلف در هوا آزاد می‌کنند.
نیروگاه‌های تبدیل به بخار فلش (Flash Steam)
در این دسته نیروگاه‌ها از سیال‌های با دما و فشار بالا (دمای بالای ۱۸۲ درجه) استفاده می‌شود. از آنجایی که آب در داخل زمین در تحت فشار بالایی قرار دارد همواره به صورت مایع است. در این دسته نیروگاه‌ها آب بیرون آمده از داخل زمین وارد مخزنی کم فشار می‌شود. پایین بودن فشار داخل مخزن موجب خواهد شد که سیال موجود در مخزن به سرعت بخار شود. سپس از بخار تولید شده برای چرخاندن توربین استفاده می‌شود. در صورتی که مقداری از سیال به صورت مایع در داخل مخزن باقی بماند این مایع در مخزن دوم به بخار تبدیل می‌شود.
نیروگاه سیکل دوگانه
در این دسته از نیروگاه‌ها امکان استفاده از سیال در دمای پایین‌تر از ۱۸۰ درجه نیز وجود دارد. در این روش آب بیرون آمده از زمین برای گرم کردن سیالی دیگر با دمای جوش پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. گرمای ناشی از آب داغ سیال دوم را به سرعت بخار می‌کند و از این سیال برای چرخاندن توربین استفاده

[1] (http://njavan.com/forum/newreply.php?do=newreply&noquote=1&p=183090#_ftnref1) . همان ، صص 14-7 .

[ریپورتر]

می‌شود. یکی از مزایای این نیروگاه‌ها آزاد نکردن بخار آب در محیط است و از طرف دیگر امکان پیدا کردن منابع زمین گرمایی در دمای پایین‌تر از ۱۸۰ درجه بسیار بیشتر است و به همین دلیل بیشتر نیروگاه‌های زمین گرمایی آینده از این نوع خواهند بود.
مزایا
استفاده از انرژی زمین گرمایی دارای مزایای متعددی نسبت به استفاده از منابع سوخت‌های فسیلی است ولی مزیت اصلی آن عدم وجود هزینه‌های مربوط به تامین سوخت است. همچنین از نقطه نظر اثرات طبیعی میزان گازهای نامطلوب تولید شده در این نیروگاه‌ها اندک است. از دیگر مزایای این دسته نیروگاه می‌توان به ثابت بودن میزان انرژی استخراج شده در تمامی فصول سال و امکان کارکرد این نیروگاه‌ها به صورت ۲۴ ساعته نیز اشاره کرد. از دید اقتصادی استفاده از منابع زمین گرمایی میزان وابستگی قیمت برق تولیدی به قیمت سوخت‌های فسیلی را هم کاهش می‌دهد.
معایب
از منظر مهندسی باید به این نکته اشاره کرد که سیال مورد استفاده در نیروگاه‌های زمین گرمایی دارای خاصیت خورندگی در فلزات است و از جهت دیگر پایین بودن دمای سیال (نسبت به سیال در بقیه نیروگاه‌های حرارتی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%DB%8C%D8%B1%D9%88%DA%AF%D8%A7%D9%87_%D8%AD% D8%B1%D8%A7%D8%B1%D8%AA%DB%8C)) در طول مسیر انتقال سیال موجب افزایش این خاصیت خورندگی می‌شود. بر طبق اصول ترمودینامیک پایین بودن دمای سیال همچنین موجب محدود شدن بهره‌وری نیروگاه می‌شود. بیشتر انرژی گرمایی استخراج شده تلف می‌شود اما حرارت پایین خروجی نیروگاه را می‌توان در مکان‌های مختلف مانند گلخانه‌ها, خشک کردن الوار و یا گرم کردن فضاهای داخلی به کار گرفت.
نگرانی‌های طبیعی مختلفی پیرامون ساخت نیروگاه‌های زمین گرمایی وجود دارد که مهمترین آن کاهش پایداری زمین در مناطق اطراف محل ساخت نیروگاه است این عیب در نیروگاه‌های زمین گرمایی پیشرفته به علت تزریق آب در بین سنگ‌هایی که قبلا با آب تماس نداشته‌اند بیشتر ایجاد می‌شود. این تاثیر به دلیل تزریق آب در زمین به وجود می‌آید. بخار بازگشته از زمین ترکیباتی مانند کربن دی اکسید, گوگرد و... را به همراه خواد داشت؛ با این حال میزان گازهای آزاد شده حدود ۵٪ مواد منتشر شده به وسیله نیروگاهی فسیلی با همین ظرفیت

[ریپورتر]

است. نیروگاه‌های زمین گرمایی می‌توانند با نصب یک سیستم کنترل کننده مواد منتشر شده میزان انتشار کربن دی اکسید را به کمتر از ۰٫۱٪ برسانند. آب خارج شده از زمین همچنین حاوی میزان اندکی از عناصر خطرناک مانند جیوه, آرسنیک, آنتیمون و... نیز خواهد بود. در این حالت دفع این آب‌ها به رودخانه‌های یا دریا می‌تواند خطرات زیست محیطی را به همراه داشته باشد.
گرچه محل‌های مستعد برای استخراج انرژی زمین گرمایی می‌توانند تا چندین دهه انرژی گرمایی را تامین کنند ولی سرانجام گرمای استخراجی تمام خواهد شد. برخی این سرد شدن زمین در محل استخراج انرژی را دلیلی بر تجدیدناشدنی بودن این انرژی تفسیر می‌کنند. برای مثال دومین نیروگاه زمین گرمایی جهان از نظر قدمت درWairakei با مشکل کاهش تولید روبه‌رو شده‌است. با این حال به نظر می‌رسد که این محل‌ها می‌توانند در طول زمان گرمای خود را بازیابند. بر طبق یک تخمین پتانسیل سایت زمین گرمایی واقع در ایسلند انرژی معادل ۱۵۰۰ تراوات یا ۱۵ تراوات در طول صد سال خواهد بود حال آنکه کل تولید برق زمین گرمایی از این سایت در حال حاضر ۱٫۳تراوات در سال است.
نیروگاه زمین گرمایی در ایران
با توجه به قرار گرفتن ایران در یک کمربند آتشفشانی امکان بهره‌برداری از این انرژی در ایران نیز وجود دارد. اولین نیروگاه زمین گرمایی ایران در استان اردبیل (http://njavan.com/forum/redirector.php?url=http%3A%2F%2Ffa.wikipedia.org%2 Fwiki%2F%25D8%25A7%25D8%25B1%25D8%25AF%25D8%25A8%2 5DB%258C%25D9%2584) و در دامنه کوه سبلان با ظرفیت نهایی بالغ بر ۲۵۰ مگاوات در سال ۸۵ به بهره‌برداری رسید. با توجه به تحقیقات انجام شده امکان ساخت این دست نیروگاه‌ها در مناطق مستعد دیگری نیز مانند دامنه کوه تفتان و مناطق سهند و سبلان وجود دارد.استفاده از انرژی زمین گرمایی در ایران به سال های بسیار دور می رسد بطوری که مردم به شیوه های سنتی از این انرژی در محل هایی که چشمه های آب گرم وجود داشت، در قالب حمام ها و استخرهای شنا جهت مصارف آب درمانی و تفریحی استفاده می کردند. هم اکنون مطالعات احداث اولین نیروگاه زمین گرمایی در مشکین شهر در حال اجراست که تاکنون 3 حلقه چاه اکتشافی به عمق های 3200 متر، 3170 متر و 2220 متر جهت برآورد و تخمین پتانسیل انرژی زمین گرمایی در منطقه سبلان حفاری شده است. مطالعات لازم
در دیگر مناطق که دارای این پتانسیل هستند ادامه دارد. [1] (http://njavan.com/forum/showthread.php?p=183093&posted=1#_ftn1)

[1] (http://njavan.com/forum/showthread.php?p=183093&posted=1#_ftnref1) . همان ، ص 22 .

[ریپورتر]

فصل هفتم



انرژی پیل سوختی



انرژی پیل سوختی

انرژی سبز
سوخت فسیلی منابع انرژی رو به زوالی هستند که جامعه رو به توسعه انسانی را در آینده ای نه چندان دور دچار کمبود سوخت می سازند.از طرفی وسعت آلودگی ناشی از سوخت های فسیلی زندگی در کره خاکی را دچار مشکل است. بهره ترتیب ضرورت انتخاب جایگزین مناسب ، ارزان قیمت و تمیز برای سوخت های فسیلی آشکار است.از جمله انرژی های مطرح، انرژی الکتریکی تولید شده به وسیله پیل های سوختی است ، که به دلیل بازدهی بسیار بالا و عدم آلایندگی محیط زیست و نیز مصرف هیدروژن به عنوان سوخت ، در حال حاضر راه حل مناسبی جهت عبور از تنگنای انرژی و آلودگی محیط زیست می باشد(گاز هیدروژن را می توان از منابع انرژی تجدیدپذیر و تجدید ناپذیر بدست آورد.
پیل سوختی یک مبدل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریسیته ‌است (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%D8%B3%DB%8C%D 8%AA%D9%87).این تبدیل مستقیم بوده و بنابراین از بازدهی بالایی برخوردار است. در واقع می‌توان گفت که در این تبدیل از عمل عکس الکترولیز (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9% 88%D9%84%DB%8C%D8%B2&action=edit&redlink=1) آب استفاده می‌گردد. یعنی از واکنش بین ئیدروژن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A6%DB%8C%D8%AF%D8%B1%D9%88%DA%98%D9%86) و اکسیژن (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%DA%A9%D8%B3%DB%8C%DA%98%D9%86)، آب، حرارت الکتریسیته تولید می‌گردد. هر سلول در پیلهای سوختی از سه جزء آنُد، کاتُد و الکترولیت تشکیل شده‌است.
پیل‎‎‎‎‎‎‎‎‎های سوختی فن‎آوری جدیدی برای تولید انرژی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C) هستند که بدون ایجاد آلودگی‎های زیست محیطی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A2%D9%84%D9%88%D8%AF%DA%AF%DB% 8C%D9%87%D8%A7%DB%8C_%D8%B2%DB%8C%D8%B3%D8%AA_%D9% 85%D8%AD%DB%8C%D8%B7%DB%8C&action=edit&redlink=1) و صوتی ، از ترکیب مستقیم بین سوخت و اکسیدکننده ، انرژی الکتریکی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D8 %A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C&action=edit&redlink=1) با بازدهی بالا تولید می‎‎‎‎کنند. تولید مستقیم الکتریسیته جایگزینی برای چرخه کارنو (http://fa.wikipedia.org/wiki/%DA%86%D8%B1%D8%AE%D9%87_%DA%A9%D8%A7%D8%B1%D9%86% D9%88) جهت تبدیل انرژی شیمیایی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D8 %B4%DB%8C%D9%85%DB%8C%D8%A7%DB%8C%DB%8C&action=edit&redlink=1) حاصل از سوخت به انرژی گرمایی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%DA %AF%D8%B1%D9%85%D8%A7%DB%8C%DB%8C&action=edit&redlink=1) و مکانیکی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%86%D8%B1%DA%98%DB%8C_%D9%85%DA%A9%D8%A7% D9%86%DB%8C%DA%A9%DB%8C) و در نهایت الکتریسیته می‎‎باشد که اتلاف انرژی را به حداقل ممکن می‎رساند و به بازدة تئوری دست پیدا می‎کنیم.
پیل‎های سوختی در ایران باستان

اعتقاد بر این است که اشکانیان (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B4%DA%A9%D8%A7%D9%86%DB%8C%D8%A7%D9%86) در بغداد (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D8%BA%D8%AF%D8%A7%D8%AF) در فاصله سالهای ۲۵۰ق.م تا ۲۲۴ پ.م. پیل الکتریکی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%BE%DB%8C%D9%84_%D8%A7%D9%84%DA %A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C&action=edit&redlink=1) ساختند. این باتریها به باتری های بغداد مشهورند. شرکت جنرال الکتریک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D9%86%D8%B1%D8%A7%D9%84_%D8%A7%D9%84%DA%A9% D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9) این باتریها را شبیه سازی کرده است. با روش "تعیین عمر کربنی (Radiocarbon dating)"دریافتند که قدمت این پیلها به ۲۰۰ سال پیش

[ریپورتر]

از میلاد می‌رسد. این پیلها دارای بدنهٔ بیرونی از جنس ارتن ور بوده که حاوی میله‌ای آهنی است و به وسیلهٔ بخشی از بدنهٔ مسی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D8%B3%DB%8C&action=edit&redlink=1) (میلهٔ آهنی درون استوانهٔ مسی) ایزوله شده است. زمانی که درون محفظه با محلولی الکترولیت مانند آبلیمو (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D8%A8%D9%84%DB%8C%D9%85%D9%88) پر شود، این وسیله جریان الکتریکی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D8%B1%DB%8C%D8%A7%D9%86_%D8%A7%D9%84%DA%A9% D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C) خفیفی تولید می‌کند. این احتمال وجود دارد که این وسیله برای آبکاری (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D8%A8%DA%A9%D8%A7%D8%B1%DB%8C) جواهر (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D9%88%D8%A7%D9%87%D8%B1) به کار می‌رفته است.
سند دیگری که دال بر اختراع پیلهای الکتریکی (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%BE%DB%8C%D9%84%D9%87%D8%A7%DB% 8C_%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8 C&action=edit&redlink=1) توسط اشکانیان (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B4%DA%A9%D8%A7%D9%86%DB%8C%D8%A7%D9%86) است توسط باستان شناس (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D8%A7%D8%B3%D8%AA%D8%A7%D9%86_%D8%B4%D9%86% D8%A7%D8%B3) آلمانی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D9%84%D9%85%D8%A7%D9%86%DB%8C) ویلهلم کونیگ (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%88%DB%8C%D9%84%D9%87%D9%84%D9% 85_%DA%A9%D9%88%D9%86%DB%8C%DA%AF&action=edit&redlink=1) به دست آمد. وی که در سال ۱۹۳۸ ادارهٔ موزه بغداد (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%85%D9%88%D8%B2%D9%87_%D8%A8%D8 %BA%D8%AF%D8%A7%D8%AF&action=edit&redlink=1) را به عهده داشت، در زیر زمین این موزه به جعبه‌ای برخورد که اشیای عجیبی در خود داشت. او پس از تحقیقاتی به این نتیجه رسید که این وسیله شبیه یک باتری مدرن است. او در مقاله‌ای این مطلب را منتشر کرد و از این وسیله با عنوان باتری باستانی یاد کرد که برای آبکاری (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D8%A8%DA%A9%D8%A7%D8%B1%DB%8C) و انتقال لایه‌ای از طلا یا نقره از سطحی به سطح دیگر به کار می‌رفته است.
این تئوری (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AA%D8%A6%D9%88%D8%B1%DB%8C) بعدها توسط دانشمندان دیگری به بوته آزمایش سپرده شد. ویلارد گری، مهندس برق شرکت جنرال الکتریک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D9%86%D8%B1%D8%A7%D9%84_%D8%A7%D9%84%DA%A9% D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9) در ایالت ماساچوست (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D8%A7%D8%B3%D8%A7%DA%86%D9%88%D8%B3%D8%AA)� � پس از مطالعهٔ مقالهٔ کونیگ تصمیم گرفت باتری بغداد (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D8%BA%D8%AF%D8%A7%D8%AF) را بازسازی کند. وی درون کوزهٔ سفالین را با آب انگور (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%A2%D8%A8_%D8%A7%D9%86%DA%AF%D9 %88%D8%B1&action=edit&redlink=1)، سرکه (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B3%D8%B1%DA%A9%D9%87) یا محلول سولفات مس (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D9%88%D9%84%D9%81%D8%A7%D8% AA_%D9%85%D8%B3&action=edit&redlink=1) پر کرد و موفق به تولید ولتاژ حدود ۱٫۵ تا ۲ ولت شد. بعدها دکتر اگبرشت، مصر شناس مشهور در سال ۱۹۷۸ نمونه‌ای از باتریهای بغداد را بازسازی کرد و آن را با آب انگور پر نمود و توانست ولتاژ ۰٫۸۷ ولت تولید کند. وی از این پیلها برای طلاکاری یک پیکرهٔ نقره‌ای استفاده کرد.
تاریخچه پیل‎های سوختی
تاریخچه این پیل‎ها به دو دوره متمایز تقسیم می‎شود : دوره اول که حدود صد سال طول کشید ، از سال ۱۸۳۹ با ساخت اولین پیل سوختی با الکترولیت اسید (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B3%DB%8C%D8%AF) سولفوریک (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B3%D9%88%D9%84%D9%81%D9%88%D8% B1%DB%8C%DA%A9&action=edit&redlink=1) توسط آقای گرو آغاز گردید. با تلاش دانشمندان بزرگی مانند جکس، هابر (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D9%87%D8%A7%D8%A8%D8%B1&action=edit&redlink=1)، مون و همکاران و شاگردان آنها منجر به درک علمی از پیل سوختی و شنا‎‎‎‎‎‎خت تنگناهای این فن‎آوری تا سال ۱۹۴۰ گردید.دوره دوم از سال ۱۹۴۰ آغاز می‎شود که بین سالهای ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ نمونه‎های تحقیقاتی متعددی از پیل‎های سوختی توسط شرکت‎های بزرگی مانند جنرال الکتریک (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AC%D9%86%D8%B1%D8%A7%D9%84_%D8%A7%D9%84%DA%A9% D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9) با ظرفیت۰۲/۰ وات الی ۱۵ وات ساخته شد. اما هنوز این ظرفیت برای کاربردهای فنی و صنعتی مورد نظر، کافی و قابل قبول نبود. تا اینکه درسال ۱۹۶۵ یک واحد پیل سوختی با ظرفیت یک کیلو‎‎‎وات توسط شرکت جنرال الکتریک به منظور استفاده در ماهواره (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D8%A7%D9%87%D9%88%D8%A7%D8%B1%D9%87) گمینی۵ ،ساخته شد و توجه

[ریپورتر]

دانشمندان را به خود جلب نمود. این پیل سوختی با ولتاژ (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%88%D9%84%D8%AA%D8%A7%DA%98) ۲۵ ولت و شدت جریان (http://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=%D8%B4%D8%AF%D8%AA_%D8%AC%D8%B1%DB %8C%D8%A7%D9%86&action=edit&redlink=1) خروجیA ۴۰ آمپر (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A2%D9%85%D9%BE%D8%B1) توانست در طول ۷ پرتاب ماهوارة گمینی ۵، انرژی برابر با ۵۱۹ کیلووات ساعت طی بیش از ۸۴۰ ساعت پرواز را تامین کند. بدین ترتیب معلوم گردید که پیل‎های سوختی می‎توانند برای بسیاری از مقاصد هوا - فضا (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%81%D8%B6%D8%A7) مناسب بوده و انرژی مورد نیاز آنها را به صورت پیوسته و پایدار تامین کنند. این امر موجب گردید تا در سراسر جهان روی توسعة دانش فنی و تکنولوژی ساخت پیل‎های سوختی سرمایه‎‎گذاری‎های بزرگی صورت گیرد. امروزه نیز تحقیقات وسیعی در جهت ارتقاء ظرفیت ، کاهش هزینه‎های ساخت و بهره ‎‎بر‎داری و توسعة ویژگی‎های کاربردی پیل‎های سوختی در جریان می‎باشد. برق خروجی از پیل‎های سوختی جریان مستقیم (DC) است. بنابراین برای مصرف ‎‎کننده‎های جریان متناوب از مبدل‎های DC به AC استفاده می‎کنند. از پیل‎های سوختی می‎توان برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز در مناطقی که دور از شبکه‎های سراسری انتقال و توزیع برق (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A8%D8%B1%D9%82) هستند و نیز در ایستگاه‎های ماهواره‎ای و مخابراتی (http://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D8%AE%D8%A7%D8%A8%D8%B1%D8%A7%D8%AA) وغیره نیز به طور رضایت‌بخشی استفاده نمود .
از جمله ویژگیهایی که هیدروژن را از سایر گزینه‎های مطرح سوختی متمایز می‎نماید، می‎توان به فراوانی، مصرف تقریباً منحصر به فرد، انتشار بسیار ناچیز آلایندهها، برگشت ‌پذیر بودن چرخه تولید آن و کاهش اثرات گلخانه‎ای اشاره نمود. سیستم انرژی هیدروژنی بدلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دایمی، پایدار، فناناپذیر، فراگیر و تجدیدپذیر می‎باشد و پیش بینی می‎شود که در آینده‎ا‎ی نه چندان دور تولید و مصرف آن بعنوان حامل انرژی به سراسر اقتصاد جهانی سرایت نموده و اقتصاد هیدروژنی تثبیت شود؛ با این وجود نباید انتظار داشت که هیدروژن در بدو ورود از نظر قیمتی بتواند با سایر حاملهای انرژی رقابت نماید. در آینده هیدروژن و پیلهای سوختی می‎توانند نقش محوری و کنترل کنندگی در آلودگی شهرها داشته باشند.عمل تبدیل انرژی شیمیایی موجود در هیدروژن به انرژی الکتریکی توسط پیل سوختی انجام می‌پذیرد که متناسب با کاربرد و خواص ساختاری آنها، پیل‌های سوختی خود به انواع مختلف تقسیم می‌شوند. در واقع اهمیت فناوری پیل سوختی در یک سیستم انرژی بر پایه هیدروژن (عصر هیدروژن)به گونه‌ای است که بسیاری آنرا به لوکوموتیو قطار توسعه عصر هیدروژن تشبیه نموده‌اند. علاوه بر فناوری پیل سوختی به عنوان مصرف کننده هیدروژن در عصر هیدروژن، فناوریهای تولید، ذخیره سازی، عرضه و انتقال هیدروژن نیز از اجزاء اصلی ساختار انرژی این عصر خواهند بود.
امروز اقتصادی ترین روش تولید هیدروژن استفاده از گاز طبیعی است. چون تنها خروجی آنها آب خالص است در صورتی که از متانول به عنوان سوخت استفاده شود، آلاینده های خروجی مقدار بسیار

[ریپورتر]

ناچیزی منواکسید کربن و اکسید های نیتروژن هستند که در حین تبدیل سوخت حاصل می شود. بازده ییل های سوختی حدود سه برابر موتور های احتراق داخلی است ( بازدهی پیل سوختی 40 تا 60 درصد است) پیل های سوختی دارای قسمتی یا قسمت های متحرک نیستند، بنابراین به تعمیر یا تعویض قطعات احتیاج ندارد.صدای ناشی از کار پیل های سوختی بسیار کمتر از صدای موتور خودروهای احتراق داخلی است و احتمال انتقال پیل سوختی از یک خودرو از کار افتاده به خودرو دیگر وجود دارد.

امروزه گاز هيدروژن براي استفاده در موتورهاي احتراقي و وسايل نقليه الكتريكي باتري‌دار مورد بررسي قرار گرفته است. هيدروژن در دما و فشار طبيعي، يك گاز است و به اين علت، انتقال و ذخيره آن از سوخت هاي مايع ديگر، دشوارتر است. سامانه ‌هايي كه براي ذخيره هيدروژن توسعه يافته‌اند، عبارتند از:
هيدروژن فشرده، هيدروژن مايع و پيوند شيميايي ميان هيدروژن و يك ماده ذخيره (براي مثال، هيدريد فلزات).
با اين كه تاكنون هيچ سامانه حمل و نقل و توزيع مناسبي براي هيدروژن وجود نداشته، اما توانايي توليد اين سوخت از مجموعه متنوعي از منابع و خصوصيت پاك سوز بودن آن، هيدروژن را به سوخت جانشين مناسبي تبديل كرده است.
هيدروژن يکي از ساده‌ترين و سبك‌ترين سوخت هاي گازي است که در فشار اتمسفري و دماي جوي حالت گاز دارد. سوخت هيدروژن همان گاز خالص هيدروژن نيست، بلكه مقدار كمي اكسيژن و ديگر مواد را نيز با خود دارد. منابع توليد سوخت هيدروژن شامل گاز طبيعي ، زغال سنگ ، بنزين و الكل متيليك هستند. فرآيند فتوسنتز در باكتري ها يا جلبك ها و يا شكافتن آب به دو عنصر هيدروژن و اكسيژن به كمك جريان الكتريسيته يا نور مستقيم خورشيد از آب، روش هاي ديگري براي توليد هيدروژن هستند.
در صنعت و آزمايشگاه هاي شيمي، توليد هيدروژن به طور معمول با استفاده از دو روش شدني است:
1- الكتروليز
2- توليد گاز مصنوعي از بازسازي بخار يا اكسيداسيون ناقص
در روش الكتروليز با استفاده از انرژي الكتريكي، مولكول‌هاي آب به هيدروژن و اكسيژن تجزيه مي‌شوند. انرژي الكتريكي را مي‌توان از هر منبع توليد الكتريسيته كه شامل سوخت هاي تجديد پذير نيز مي‌شوند، به دست آورد. وزارت نيروي آمريكا به اين نتيجه رسيده است كه استفاده از روش الكتروليز براي توليد مقادير زياد هيدروژن در آينده مناسب نخواهد بود.
روش ديگر براي توليد گاز مصنوعي، بازسازي بخار گاز طبيعي است. در اين روش، مي‌توان از

[ریپورتر]

هيدروكربن‌هاي ديگر نيز به عنوان ذخاير تامين مواد استفاده كرد. براي نمونه، مي‌توان زغال سنگ و ديگر مواد آلي (بيوماس) را به حالت گازي درآورد و آن را در فرآيند بازسازي بخار براي توليد هيدروژن به كار برد. از طرفي چون هيدروکربن هاي فسيلي محدود و رو به اتمام هستند، پس بهتر است ديد خود را به سمت استفاده از منابع تجديد شونده معطوف کنيم.
گاز هيدروژن مي تواند هم از منابع اوليه تجديد پذير و هم از منابع تجديد ناپذير توليد شود. امروزه توليد گاز هيدروژن از منابع تجديد پذير به سرعت مراحل توسعه و رشد خود را مي پيمايد. اين در حالي است که توليد گاز هيدروژن از منابع تجديد ناپذير به ويژه منابع فسيلي به علت محدود بودن اين منابع روز به روز کاهش مي يابد.
گاز هيدروژن در اثر واکنش هاي تخميري ميکروارگانيسم هاي زنده، به ويژه باکتري ها و مخمرها روي بيوماس، توليد مي‌شود. بيوماس از منابع اوليه تجديد پذير است که از موادي مانند علوفه، ضايعات گياهان و فضولات حيوانات به دست مي آيد. در روند توليد گاز هيدروژن، باکتري هاي بي هوازي با استفاده از پديده تخمير، مواد آلي و آب را به گاز هيدروژن تبديل مي کنند.
براي توليد هيدروژن به وسيله باکتري ها دو نوع تخمير وجود دارد: يک نوع تخمير نوري است که در آن به منبع نور نياز است و نوع ديگر، تخمير در تاريکي است که نيازي به نور ندارد. در اين واکنش ها منابع کربني زيادي استفاده مي شود که همگي از بيوماس تامين مي شوند.
در طبيعت ميکروارگانيسم هاي بي هوازي در غياب اکسيژن و با استفاده از پديده تخمير، گاز هيدروژن توليد مي کنند، ولي مقدار اين گاز از نظر کمي پايين است و از نظر اقتصادي براي مصارف صنعتي و خانگي و ... قابل توجيه نيست؛ از اين رو بايد با استفاده از روش هايي، بازده توليد گاز هيدروژن را افزايش داد. يکي از روش هايي که مي توان بازده توليد گاز هيدروژن را بالا برد، تغييرات ژنتيک در ژنوم اين باکتري ها با استفاده از روش هاي مهندسي ژنتيک و بيوتکنولوژي است. روش ديگر، استفاده از ترکيبي از باکتري هاي هوازي و بي هوازي در کنار هم است. در اين روش چون باکتري هاي بي هوازي در فرآيند تخمير توليد اسيد هاي آلي مي کنند، رفته رفته محيط واکنش اسيدي مي شود و ph پايين مي آيد؛ از اين رو توليد هيدروژن کاهش مي يابد. ولي هنگامي که باکتري هاي هوازي در محيط باشند، از اسيد هاي آلي استفاده و آنها از محيط خارج مي کنند؛ در نتيجه راندمان توليد گاز هيدروژن بالا مي رود.
مسائل ايمني
هيدروژن از ديدگاه ايمني نيز مطمئن و مطلوب است و براي حمل ونقل ، نگهداري و استفاده، خطرناك تر از سوخت هاي رايج ديگر نيست. به هر صورت مسائل ايمني همچنان به عنوان يكي از اساسي‌ترين

[ریپورتر]

مقوله ها در استفاده از انرژي هيدروژن باقي مي ماند.استانداردهاي متداول دنيا امنيت استفاده از آن را با سختگيري در طراحي‌ و انجام آزمايش هاي متعدد فراهم مي آورد. همچنين در حوزة نگهداري و حمل آن، استانداردهاي بسياري براي تمام تجهيزات مرتبط تدوين شده است.
سوخت هيدروژن به عنوان منبعي تجديدپذير، پاک و فراوان تر از سوختهاي فسيلي مي تواند کاربرد زيادي براي نيروگاه ها و بخش حمل و نقل داشته باشد. مهم‌ترين تفاوت بين موتور احتراق داخلي بنزين‌سوز و هيدروژني در ذات اين دو سوخت است. هيدروژن تحت فشار هواي طبيعي سريع‌تر از سوخت معمولي مشتعل مي‌شود، اما دماي احتراق آن اندكي كمتر از بنزين است. در داخل موتور سرعت احتراق بالاي مخلوط هيدروژن و هوا دماي بيشتري در مقايسه با يك موتور بنزيني توليد مي‌كند. بنابراين، بايد زمانبندي سوخت بنزين تغيير كند و جرقه بايد زماني زده شود كه بهترين فشار در نقطه مرگ بالاي پيستون شكل گيرد. يكي از مزاياي قابل توجه فشار احتراق بالاتر از مخلوط هيدروژن و هوا، توليد قدرت بيشتر از مقدار انرژي است كه در يك موتور بنزيني مصرف مي‌شود و اين يعني موتور هيدروژني بازده و كارايي بيشتري دارد. گاز هيدروژن سبك و فرار است. مولكول هاي كوچك H2 از طريق روزنه ها و شكاف ها و همچنين از طريق بست ها و شيرها بسيار سريع نشت مي كنند و هنگامي كه از اين طريق خارج شدند خيلي زود تبخير مي شوند.
هر چند كه هيدروژن مايع بسيار متراكم است و ذخيره سازي آن آسان به نظر مي رسد، اما در عين حال ذخيره كردن آن مي تواند مشكلاتي را نيز به همراه داشته باشد. هيدروژن حدوداً در دماي 20 درجه كلوين (253- درجه سانتي گراد) مايع مي شود. نگهداري از يك مخزن پر از هيدروژن مايع نيازمند استفاده از يك سيستم خنك كننده جانبي سنگين است. و ديگر اين که هيدروژن مايع چنان سرد است كه حتي مي تواند باعث منجمد شدن هوا نيز شود. . البته ممكن است گفته شود براي مقابله با انجماد هوا از سيستم هاي عايق كاري استفاده شود، اما اين كار نيز مشكلاتي را در پي دارد كه از جمله آنها مي توان به افزايش وزن سيستم ذخيره سازي سوخت اشاره كرد.
براي فايق آمدن بر چنين مشکلاتي دانشمندان استفاده از يک سنگ ويژه اي به نام زئوليت (Zeolite) را پيشنهاد کرده اند. «زئوليت ها موادي از جنس سنگ هستندكه بسيار متخلخلند و به همين دليل مي توانند به عنوان اسفنج هاي مولكولي عمل كنند يك مخزن سوخت كه در ساختار آن از اين موارد كريستالي زئوليت استفاده شده است، مي تواند گاز هيدروژن را «در حالت شبه مايع و بدون نياز به سيستم هاي خنك كننده سنگين» به دام انداخته و در خود ذخيره كند. در حدود 50 نوع زئوليت مختلف

[ریپورتر]

با تركيب شيميايي و ساختار كريستالي متفاوت در طبيعت يافت مي شود. بهترين زئوليت هاي موجود مي توانند فقط 2 تا 3 درصد از وزن خود را هيدروژن ذخيره كنند اگر بتوان كريستال هايي از زئوليت توليد كرد كه بتواند حدود 4 تا 6 درصد از وزن خود را، هيدروژن ذخيره كند، آن وقت يك مخزن زئوليتي پر از هيدروژن مي تواند با يك مخزن معمولي پر از بنزين رقابت كند.» . تحقيقات نشان داده که در محيطهاي با گرانش كم، مواد با سرعت بسيار كمتري گرد هم مجتمع مي شوند و اين اثر باعث مي شود كه كريستال هاي زئوليت به وجود آمده هم بزرگ تر باشند و هم از نظم بيشتري برخوردار شوند.» بنابراين هم اکنون دانشمندان در فضا مشغول ساخت زئوليت هاي با ساختار مناسب تر هستند و توانسته اند زئوليت هايي توليد کنند که از نمونه مشابه در زمين ده مرتبه بزرگتر هستند و اين شروع مسرت بخشي بود. به هر حال زئوليت ها مي توانند به عنوان نكته كليدي براي استفاده از سوخت هيدروژن و رد شدن از سد مشكلات فناوري محسوب شوند. در هر صورت در زمينه استفاده از سوخت هيدروژن کارهاي بزرگي شده و اصلي‌ترين گام را شرکت بي.ام.و برداشته است.
مهندسان بي.ام.و كه در جهان اتومبيل به مهندسان تكنولوژي معروف هستند، روياي سوخت هيدروژني را به واقعيت نزديك كرده‌اند. متخصصان اين شركت هم اكنون مدل سري 5 خود را به موتور احتراق داخلي با سوخت هيدروژني مجهز كرده‌اند و در گام بعدي، خودرويي را با شكل مسابقه‌اي به موتور هيدروژني تبديل كرده‌اند.

مهندسان بي.ام.و خودرو هيدروژني را با موتور h2r ساخته‌اند كه با آرايش خورجيني و يا 12 سيلندر

[ریپورتر]

و به‌كارگيري سوخت هيدروژن 285 اسب بخار قدرت توليد مي‌كند. خودرو جديد بي.ام.و در آخرين ركوردگيري توانسته ركورد 302 كيلومتر بر ساعت را به دست آورد. موتور جديد h2r بر مبناي موتور احتراق داخلي بي.ام.و سري 7 ساخته شده كه براي افزايش راندمان در اين موتور از زمانبندي متغير سوپاپ‌ها استفاده شده است.
به دليل نوع سوخت هيدروژن و حالت گازي آن، تغييراتي در سيستم سوخت‌رساني اين خودرو داده شده است.
بي.ام.و قصد دارد بر اساس تجربيات به دست آمده در مدل h2r، خودرويي بسازد كه توانايي كاركرد با هيدروژن و بنزين را داشته باشد.

طراحان بهترين موتور هيدروژني
خودرو هيدروژني بي.ام.و به وسيله شركت تكنوسنتز - از شركت‌هاي زيرمجموعه بي.ام.و - ساخته شده است. يورگن كوبلر از مهندسان خبره آلماني و مدير پروژه h2r، اعتقاد دارد كه در كوتاه‌ترين زمان،‌ بهترين خودرو هيدروژني جهان ساخته شده است وي مدت ساخت نمونه بي.ام. و را تنها 10 ماه مي‌داند و مي‌گويد: "اين كار سخت تنها با استفاده از سيستم‌هاي شبيه‌ساز رايانه‌اي cap قابل اجرا بود؛ به طوري كه با استفاده از اين روش در هزينه و وقت صرفه‌جويي بسيار شده است." همچنين مهندسان بي.ام.و با استفاده از سيستم‌هاي فنربندي و تعليق رايج بي.ام.و زمان طراحي را كاهش داده‌اند. موتور جذاب h2r بر مبناي مدرن‌ترين و بزرگترين قواي محركه بي.ام.و شكل گرفته است. اين موتور چيزي نيست جز يك موتور 12 سيلندر v شكل شش ليتري كه اولين موتور احتراق داخل تجاري هيدروژني را پايه‌گذاري كرده است. مهم‌ترين تغييراتي كه در اجزاي ساختماني اين موتور به نظر مي‌رسد، نوع تزريق سوخت هيدروژن است. البته نوع فولادي كه براي محفظه احتراق ساخته شده هم بسيار جالب است. آلياژهاي به كار رفته در اين موتور از اسرار بي.ام.و است
تعریف پیل سوختی
پیل سوختی دستگاهی است الکتروشیمیایی که انرژی شیمیایی حاصل از یک واکنش شیمیایی را به انرژی الکتریکی مفید تبدیل می کند. تبدیل انرژی در پیل سوختی تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است . عملکرد پیل سوختی مانند باتری نیست که انرژی را ذخیره کند، بلکه در پیل

[ریپورتر]

سوختی حالتی از انرژی به حالت دیگر تبدیل می شود به طور که در این تبدیل مواد داخل پیل مصرف نمی شود.همچنین چگالی انرژی باتری کمتر از پیل سوختی است و فرایند شارژ نمودن باتری بسیار پیچیده تر از پر کردن تانک سوخت پیل سوختی می باشد. در باتریهای بعد از چندین بار شارژ شدن توان تبدیلات الکتروشیمیایی کاهش می یابد، حال آنکه در پیل های سوختی چنین محدودیتی وجود ندارد ، به عنوان مثال توده پیل های سوختی کار کرده دریک خودرو قابل انتقال به خودرو جدید می باشد.

سلول های سوختی چگونه کار می کنند؟
از نظر فنی، سلول سوختی یک وسیله تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی است. یک سلول سوختی، هیدروژن و اکسیژن را تبدیل به آب کرده و در این فرآیند الکتریسیته تولید می کند.
وسیله الکتروشیمیایی دیگری که همه ما با آن آشناییم، باتری است. یک باتری تمام مواد شیمیایی لازم را در خود ذخیره کرده و این مواد را به الکتریسیته تبدیل می کند. یعنی باتری بالاخره تمام می شود و شما یا آن را دور می اندازید و یا شارژ می کنید.
مواد شیمیایی ، به طور پیوسته در داخل سلول سوختی جریان دارند، بنابراین مادامی که جریان مواد شیمیایی به سلول برقرار بوده و الکتریسیته به بیرون آن جریان داشته باشد، سلول سوختی تمام نمی شود. مواد اولیه بیشتر سلولهای سوختی که امروزه استفاده می شوند هیدروژن و اکسیژن هستند.سلول سوختی ، قابل رقابت با بسیاری از ابزارهای تبدیل انرژی دیگر است که شامل توربین گازی درون نیروگاه شهر شما، موتور بنزینی درون ماشینتان و باتری درون لپ تاپتان می شود. موتورهای احتراقی مانند توربین ها و موتورهای بنزینی ، سوخت ها را می سوزانند و از فشاری که با انبساط گازها بوجود آمده برای انجام کارهای مکانیکی استفاده می کنند. باتری ها نیز در مواقع لازم انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی بر می گردانند.سلولهای سوختی باید هردو عمل را بصورتی کارآمدتر انجام دهند.
سلول سوختی یک ولتاژ DC(direct current) فراهم می کند، که برای برق رسانی به موتورها ، چراغها یا هر تعداد وسیله برقی قابل استفاده و کافی است.انواع مختلفی از سلول سوختی موجود است، که هرکدام از یک فرآیند شیمیایی متفاوت استفاده می کنند. سلولهای سوختی معمولاً بر حسب نوع الکترولیتی که در آنها استفاده می شود، دسته بندی می شوند. بعضی از سلولهای سوختی برای استفاده در نیروگاههای برقی هستند. بقیه، ممکن است برای کاربردهای سبک یا برقدهی ماشینها مناسب باشند

[ریپورتر]

سلول سوختی تبادل پروتونی (PEMFC) یکی از رایجترین تکنولوژی ها در این زمینه است. این سلول سوختی می تواند به طور کامل برق ماشینها ، اتوبوسها و شاید خانه هایتان را تأمین نماید. PEMFC از یکی از ساده ترین واکنشهای سلول سوختی استفاده می کند.ابتدا به ساختار سلول سوختی PEM (proton exchange membrane )نگاهی می اندازیم.

شکل1.اجزای یک سلول سوختی PEM
در شکل1 ملاحظه می فرمایی که 4 عنصر پایه ای در PEMFC وجود دارند.
· آند، قطب منفی یک سلول سوختی، که چندین وظیفه دارد. الکترونهای کنده شده از مولکول هیدروژن را برای استفاده در یک مدار خارجی هدایت می کند. با مجراهای موجود در آن گاز هیدروژن آزاد شده را بر روی سطح کاتالیزگر پخش می کند.
· کاتد ، قطب مثبت یک سلول سوختی که مجراهای موجود در آن اکسیژن را روی سطح کاتالیزگر پخش می کنند. همچنین الکترونها را از مدار خارجی به سمت کاتالیزگر هدایت می کند که در آنجا با اکسیژن و یونهای هیدروژن ترکیب شده و آب تشکیل می شود.
· الکترولیت ، که غشا و پل تبادل پروتون است. این ماده با رفتاری خاص، که شبیه به یک صافب پلاستیکی معمولی موجود در آشپزخانه است، فقط یونهای در حال حرکت را از خود عبور می دهد. این غشا راه الکترونها را می بندد.
· کاتالیزگر یک ماده مخصوص است که واکنش هیدروژن و اکسیژن را آسان می کند. که معمولاً از گرد پلاتین با ورقه ای بسیار نازک از کربن روی ان ساخته می شود. کاتالیزگر درشت و متخلخل (پرمنفذ) است تا بیشترین سطح ممکن در مجاورت هیدروژن یا اکسیژن قرار گیرد. قسمت پوشیده از پلاتین کاتالیزگر طرف PEM قرار می گیرد.
فرآیند شیمیایی یک سلول سوختی
2H2 à 4H+ + 4e- : قطب آند

[ریپورتر]

O2 + 4H+ 4e- à2H2O : قطب کاتد

2H2 + O2 à2H2O : واکنش کلی


شکل 2 نشان می دهد که هیدروژن که قبلاً تنظیم فشار شده، از قطب آند وارد سلول سوختی می شود. فشار، این گاز را به سمت کاتالیزگر فشرده می کند. هنگامی که یک ملکول H2 در تماس پلاتین قرار گیرد، به دو یون H+ و دو الکترون (e) تجزیه می شود . الکترونها از طریق آند به مدار خارجی راه پیدا می کنند(که کار مفیدی همچون چرخاندن یک موتور انجام می دهد) و به قطب کاتد سلول سوختی باز می گردد.
در این بین، در قطب کاتد سلول سوختی گاز اکسیژن (O2) به سمت کاتالیزگر هدایت می شود، که در آنجا دو اتم اکسیژن تشکیل می شوند. هر کدام از این اتمها الکترونگاتیوی زیادی دارند. این الکترونگاتیوی دو یون H+ را جذب و از بین غشا عبور می دهد که در آنجا با اتم اکسیژن و دو الکترون از مدار خارجی ترکیب شده و ملکول آب (H2O) را تشکیل می دهند.
این واکنش در یک سلول سوختی فقط حدود 0.7 ولت تولید می کند. برای بالا بردن این ولتاژ تا یک حد منطقی، سلولهای سوختی جدا از هم زیادی باید با هم ترکیب شوند تا یک بسته سلول سوختی را تشکیل دهند.PEMFC ها در دمای نسبتاً کمی کار می کنند (تقریباً در 176˚F معادل 80˚C ) بدین معنی که آنها سریع گرم می شوند اما سازه نگهدارنده گرانقیمتی نیاز ندارند. ارتقا و پیشرفت پیوسته در مهندسی و موادی که در این سلولها به کار می رود چگالی برقی را تا حدی بالا برده است که یک وسیله با اندازهای معادل یک چمدان کوچک می تواند برق یک ماشین را تأمین کند.
مشکلات سلول سوختی:
در قسمت آخر آموختیم که یک سلول سوختی از هیدروژن و اکسیژن برای تولید الکتریسیته استفاده می کند. اکسیژن مورد نیاز سلول سوختی از هوا تأمین می شود. در حقیقت، در سلولهای سوختی PEM ، هوای عادی به کاتد پمپ می شود. به هر حال هیدروژن نیز خیلی آماده و در دسترس نیست. هیدروژن یک سری محدودیت هایی داردکه آن را بیشتر برای مصارف ، غیر کاربردی می کند. مثلاً شما لوله کشی

[ریپورتر]

هیدروژن در خانه تان ندارید، و شما در پمپ بنزین محلی تان به پمپ هیدروژن دسترسی ندارید.
ذخیره و حمل هیدروژن دشوار است، بنابراین درست تر آن است که سلولهای سوختی، سوختهایی آماده و در دسترس را به کار برند. این مشکل توسط وسیله ای به نام مبدل برطرف شده است. مبدل یک سوخت هیدروکربنی یا الکلی را به هیدروژن، که سوخت سلول سوختی است، تبدیل می کند.متأسفانه مبدلها کامل و بی نقص نیستند. آنها حرارت تولید می کنند و علاوه بر هیدروژن گازهای دیگری نیز تولید می کنند. آنها از وسیله های مختلف برای خالص سازی هیدروژن استفاده می کنند ، ولی با این وجود هیدروژنی که بیرون می دهند خالص نیست و این امر، بازده سلول سوختی را کاهش می دهد.برخی از سوختهایی که بیشتر مورد توجه اند: گاز طبیعی، پروپان و متانول هستند. در حال حاضر بسیاری از مردم ، لوله کشی گاز طبیعی یا مخزن پروپان در خانه شان دارند. بنابراین محتمل ترین سوختها برای استفاده در سلولهای سوختی خانگی اینها هستند. متانول سوختی مایع با خواصی مشابه بنزین است. مانند آن براحتی قابل حمل و توزیع است، بنابراین متانول ممکن است گزینه خوبی برای تأمین سوخت ماشینی با سلول سوختی باشد.
اهداف سلول سوختی:
کاهش آلودگی یکی از اهداف اصلی سلول سوختی است. با مقایسه ماشینی با سلول سوختی و ماشینی بنزینی و ماشینی با باتری، می توان دید که امروزه سلول سوختی چگونه می تواند بازده ماشینها را افزایش دهد.
از آنجایی که هر سه نوع ماشین اجزای مشابه بسیاری(تایرها، جعبه دنده، …) دارند؛ ما با آن اجزای ماشین کاری نداریم و بازده ها را تا جایی که انرژی مکانیکی تولید شود، مقایسه می کنیم. با ماشینی که با سلول سوختی کار می کند شروع می کنیم.(توجه کنید که همه این بازده ها تخمینی اند ولی آنقدر به مقدار واقعی نزدیک هستند که یک مقایسه درست داشته باشیم.)
اگر سلول سوختی با هیدروژن خالص سوخت دهی شود پتانسیل بازده 80 درصد را نیز دارد. یعنی 80 درصد گنجایش انرژی هیدروژن را به انرژی الکتریکی بازگرداند. اما همانطور که در قسمت قبل آموختیم، ذخیره کردن هیدروژن دشوار است. وقتی یک مبدل را به آن اضافه می کنیم تا متانول را به

[ریپورتر]

هیدروژن بازگرداند، بازده کلی 30 تا 40 درصد می شود.
ما هنوز نیاز داریم که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل کنیم. این کار بوسیله یک موتور الکتریکی تمام می شود. بازده منطقی که برای موتور در نظر گرفته می شود حدود 80 درصد است. بنابراین ما 30 تا 40 درصد بازده تبدیل متانول به الکتریسیته و 80 درصد بازده تبدیل الکتریسیته به انرژی مکانیکی داریم که به ما بازده کلی حدود 24 تا 32 درصد می دهد.
مزاياي كاربرد متانول به عنوان سوخت(پيل سوختي) براي كشور

كاربرد سوخت­هاي جايگزين فرآورده­هاي نفتي, براي كشورهايي كه دچار بحران آلودگي هواي شهرهاي بزرگ خود هستند, اقدامي بسيار ضروري به­شمار مي­رود. از طرف ديگر كشور ما با حجم زيادي متانول روبرو است كه با كنار گذاشتن تكنولوژي MTBE, بازار مصرف كافي براي آن وجود نخواهد داشت. مطلب زير مروري كوتاه بر كاربرد "متانول" به عنوان سوخت, از طريق تكنولوژي پيل سوختي مي­باشد:
سال‌هاست كه بنزين و سوخت‌هاي ديزلي تنها منابع انرژي جهت حمل و نقل، توليد انرژي الكتريكي و برآورده كردن تقاضاهايي از اين نوع به­شمار مي­روند. با توجه به افزايش شديد تقاضا جهت مصرف سوخت در سال‌هاي اخير و تجديد ناپذيربودن سوخت‌هاي فسيلي، احتمال وقوع‌ بحران انرژي قوت‌يافته و جستجو جهت‌ بهره‌گيري از سوختها و روش‌هاي جديد توليد انرژي از اهميت خاصي برخوردار شده است.
در كنار اين مسئله، آلودگي شديد شهرهاي بزرگ كه در اثر مصرف سوخت‌هاي فسيلي صورت گرفته، شرايط نابساماني را براي مصرف‌كنندگان اين منابع انرژي فراهم آورده است. اين امر, كشورهاي صاحب فناوري را بر آن داشته تا جهت يافتن جايگزين مناسب براي سوخت‌هاي فسيلي تحقيقات گسترده‌اي را آغاز نمايند و به بررسي گزينه‌هاي مختلف با توجه به شرايط و منابع خود بپردازند.
يكي از مشهورترين اين گزينه‌ها, "متانول" مي‌باشد كه در مقايسه با سوختهايي همچون بنزين، گازوييل و گاز طبيعي (CNG وLPG ) به‌دليل ساده‌بودن فناوري توليد، مطابقت با استانداردهاي محيط زيست و چشم‌انداز قيمت مناسب به عنوان يكي از سوخت‌هاي برتر جهت تامين انرژي، مطرح مي‌باشد. با توجه به اين موضوع كه در طي چند سال آينده, جمع توليد متانول در ايران به حدود 5 ميليون تن در سال خواهد رسيد و همچنين با مدنظر قراردادن آلودگي هواي شهرهاي بزرگ ايران، پرداخت ارز زياد براي واردات بنزين و محدوديت منابع سوختي كشور، بررسي متانول به‌عنوان سوخت جايگزين، از

[ریپورتر]

اهميت خاصي برخوردار است.
متانول يك مايع پتروشيميايي بي‌رنگ با بويي ضعيف است كه عمدتاً از سوخت‌هاي فسيلي تجديدناپذير ساخته مي‌شود. درحال حاضر، قسمت عمدة متانول دنيا از گاز طبيعي به‌دست مي‌آيد. ذخاير ديگري مانند ذغال سنگ، ضايعات چوب و يا مواد آلي ديگري چون بيوماس نيز مي‌توانند به‌عنوان ماده اوليه جهت توليد متانول به­كار روند. متانول, از يك واكنش كاتاليستي تركيبي تحت فشار به‌دست مي‌آيد كه در آن CO و هيدروژن در حضور يك كاتاليزور با هم تركيب شده و متانول خام را بوجود مي‌آورند. متانول خام بر حسب نوع استفاده, تا درجات مختلف از طريق عمليات تقطير، خالص‌سازي مي‌گردد. مشتقات اين ماده، فرمالدئيد، متيل ترشري بوتيل اتر (MTBE) و اسيد استيك مي‌باشد. همچنين متانول مصارف پراكنده ديگري نيز به‌عنوان حلال، شوينده شيشه اتومبيل، سوخت و بازيافت‌كننده پساب ها داراست.
در حال حاضر جمع ظرفيت توليدي متانول در جهان حدود 34 ميليون تن مي‌باشد كه به دليل تقاضاي كم، حدود 27 ميليون تن از اين ظرفيت مورد بهره‌برداري قرار مي‌گيرد. اين مساله توليد متانول را در دنيا با مخاطره روبرو ساخته است. اين امر موجبات نزول قيمت متانول را در سطح جهاني فراهم نموده و صرفه اقتصادي طرح‌هاي جديد متانول را در هاله‌اي از ابهام فروبرده است. با توجه به چنين شرايطي شركت‌هاي بزرگ توليدكننده متانول در دنيا به‌طور گسترده‌اي در پي يافتن راه‌هاي مصرف جديد متانول بوده و در اين راه سرمايه‌گذاري‌هاي بزرگي كرده و مطالعه و تحقيقات گسترده‌اي را فراهم نموده‌اند. اين مطالعات، مصرف‌ متانول به‌عنوان سوختي جايگزين جهت تامين انرژي را به‌عنوان بهترين كاربرد اين ماده پيشنهاد مي‌نمايد.
متانول به دو صورت مستقيم و غيرمستقيم به منظور تامين انرژي مورد استفاده قرار مي‌گيرد:

در روش مستقيم متانول به‌عنوان سوخت جايگزين بنزين و گازوييل در وسائط نقلية سبك و سنگين مورد مصرف واقع شده و در روش غير مستقيم, استفاده از پيل‌هاي سوختي متانولي جهت تامين انرژي مطرح مي‌گردد. پيل سوختي، سيستمي الكتروشيميايي است كه انرژي شيميايي سوخت را مستقيماً به انرژي الكتريكي تبديل مي‌سازد. ماده مصرفي پيل‌هاي سوختي، هيدروژن يا متانول است كه به همراه اكسيژن هوا مورد استفاده قرار مي‌گيرند. طي فرآيند عملكرد اين سيستم، در قسمت آند، هيدروژن اكسيدشده و به پرتون و الكترون تقسيم مي‌گردد. الكترون توليدي باعث ايجاد جريان الكتريسته در موتور

[ریپورتر]

مي‌شود. پروتون با عبور از غشايي خاص به كاتد رفته و با اكسيژن هوا و الكترون بازگشتي از موتور تركيب‌شده و به كمك كاتاليزور به آب تبديل مي‌شود.
واكنش‌هايي كه در دو قطب آند و كاتد صورت مي‌پذيرد,

به دو نيم‌واكنش اكسيد و احيا تقسيم مي‌شود


سوخت‌هاي مختلفي در پيل سوختي مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه هيدروژن، اسيدفسفريك و متانول از عمده‌ترين اين سوخت‌ها مي‌باشند. امتيازات متعدد متانول همانند مايع‌بودن در دماي معمولي، توليد آسان آن از گاز طبيعي، حمل و نقل راحت و تبديل آسان متانول به هيدروژن، اين مايع شيميايي را به عنوان بهترين گزينه جهت تامين سوخت‌هاي پيل‌هاي سوختي مطرح نموده است.
متانول در مقايسه با ساير سوختها از نسبت هيدروژن به كربن كمي برخوردار مي‌باشد كه به دليل نبود پيوند كربن كربن در متانول، مي‌توان آن را در دماي پايين نسبت به ديگر مواد آلي تغيير شكل داده و هيدروژن مورد نياز پيل‌هاي سوختي را تامين نمود. همچنين مصرف مستقيم متانول در پيل سوختي، تكنولوژي سودمند ديگري جهت توليد الكتريسيته مي‌باشد. در اين روش متانول به‌صورت مستقيم و به‌عنوان عامل كاهنده مورد مصرف قرار مي‌گيرد و جريان الكتريسيته توليد مي‌نمايد. اين روش به‌دليل عدم نياز به تبديل متانول به هيدروژن (به عنوان عامل كاهنده) از صرفة اقتصادي برخوردار مي‌‌باشد. محققان در اين روش به بازدهي مناسبي، در حدود پيل‌هاي سوختي هيدروژني دست نيافته‌اند، اما اميد دارند تا با تحقيقات بيشتر بازدهي اين پيل سوختي را به حد قابل قبولي برسانند.
واكنش‌هايي كه در اين پيل سوختي انجام مي‌گيرد به دو نيم‌واكنش اكسايش و كاهش تقسيم مي‌گردند:

[ریپورتر]

يك پيل سوختي چنانچه از متانول استفاده نمايد از مزاياي بازدهي بالا جهت توليد انرژي برخوردار خواهد بود. چنانچه جلوي حرارت‌هاي اتلافي گرفته شود، سيستم‌هاي پيل سوختي مي‌توانند در توليد انرژي به بازدهي بيش از 80درصد دست يابند كه در مقايسه با بازده 10 تا 15 درصدي ژنراتورهاي قديمي كه به روش سنتي عمل مي‌نمايند، بسيار بالا مي‌باشد. بنابر گفته كارشناسان به‌زودي انواع مختلفي از پيل‌هاي سوختي متانولي كه در مرحلة آزمايشي به موفقيت دست يافته‌اند، به مرحله توليد تجاري خواهند رسيد و حتي در مراكز بزرگي چون بيمارستان‌ها و كارخانه‌ها جهت تامين الكتريسيتة موردنياز به‌كار خواهند رفت. از طرف ديگر, وقتي متانول در خودروهاي پيل سوختي به­كار برده شود، هزينه‌هاي آن در مقايسه با خودروهاي بنزيني رقابتي‌تر مي‌گردد. در حال حاضر, بازده انرژي در خودروهاي بنزيني 19 درصد است، اما اين رقم در خودروهاي پيل سوختي حداقل 38 درصد است. بر همين اساس خودروهاي پيل سوختي مسافت 55 مايلي را كه خودروهاي بنزيني با مصرف 27.5 گالن بنزين طي مي‌نمايند، با مصرف تنها يك گالن مي‌پيمايند. بنابراين مصرف سوخت خودروهاي پيل سوختي از موارد مشابه بنزيني، گازوييلي و حتي CNG، بسيار كمتر مي‌باشد. اين مساله، استفاده از متانول در پيل سوختي را از لحاظ اقتصادي به صرفه مي‌نمايد. آزمايش‌هاي انجام‌شده بر روي اتومبيل‌هاي پيل سوختي متانولي، از لحاظ عملي نيز توانايي‌هاي اين خودروها را تاييد كرده‌اند. بنابر گزارش ايسنا در 25 نوامبر 2002, يك خودروي مرسدس‌بنز كلاس A كوچك با سوخت متانولي در يك سفر 85 ساعته مسافت پنج‌هزار و 252 كيلومتري از ايالت كاليفرنيا تا ايالت واشنگتن دي‌سي را با موفقيت طي نمود. اين خودرو در هر 40 مايل، يك گالن سوخت مصرف نموده و ميزان آلاينده‌هاي منتشره از اين خودرو، كسري از خودروهاي بنزيني بود. به‌دنبال اين آزمايش موفق، شركت دايملر كرايسلر در نظر دارد، تعداد 30 دستگاه اتوبوس پيل سوختي را در سال آينده در 10 شهر اروپا به شبكه حمل و نقل وارد نمايد.

[ریپورتر]

مزيتي كه عمده‌ترين ويژگي متانول مصرفي بعنوان سوخت، محسوب مي‌گردد، سازگاري آن با محيط زيست مي‌باشد. گازهاي دفعي حاصل از مصرف متانول عاري از منواكسيدكربن (CO)، اكسيدهاي نيتروژن (NOX) و كليه ذرات جامد موجود در گازهاي حاصله از سوختن بنزين و ديزل مي‌باشد. در بيشتر اوقات, صنايع حمل و نقل عمومي، عامل مهم نشر گازهاي گلخانه‌اي به شمار مي‌آيند. گازهاي گلخانه‌اي (CO2, CH , NOXوCFC ) موجب تبديل جنگل‌ها و مراتع به حالت بياباني و افزايش مساحت بيابان‌ها در كره زمين مي‌گردد. مهمترين عامل افزايش گرماي جهان نيز وجود اين گازها و افزايش آنها در جو مي‌باشد. پيل‌هاي سوختي مربوط به وسائط نقليه، پتانسيل بسيار بالايي را جهت كاستن اين گازهاي گلخانه‌اي دارامي‌باشند.
مطالعات گسترده‌اي كه از سوي كارشناسان, در ژوئن 2000 صورت گرفته است, اختلاف زياد در توان كاهش گازهاي گلخانه‌اي را به‌وسيلة پيل‌هاي سوختي متانولي و ساير سوخت‌هاي مورد مصرف نمايان ساخته است و متانول را به‌عنوان سوختي كه در تمام مراحل توليد و مصرف خود كمترين ميزان توليد 2CO را دارد, مطرح نموده است.
تحقيقات انجام‌شده به‌وسيله گروه‌هاي مختلف علمي بر اين نكته تاكيد دارد كه در نهايت انتقال متانول و گازهاي حاصله از مصرف آن به محيط زيست در مقايسه با مصرف بنزين و ساير سوخت‌هاي فسيلي، بسيار ايمن‌تر، سالم‌تر و سازگارترمي‌باشد .اين منافع دركنار يكديگر شرايط مناسبي را جهت جايگزيني سوخت‌هاي فسيلي از سوي پيل‌هاي سوختي متانولي فراهم آورده و كشورهاي صاحب دانش را به سرمايه‌گذاري در اين امر واداشته است؛ چنانكه آژانس حفاظت محيط زيست آمريكا از افزايش 1.7 ميليارد دلاري سرمايه‌گذاري اين كشور براي مطالعات گسترش ساخت خودروهاي پيل سوختي جهت كاهش آلاينده‌ها و وابستگي به نفت خبر مي‌دهد. از سوي ديگر كميسيون اروپا نيز سرمايه‌گذاري براي مطالعات گسترش استفاده از اين پيل‌ها، 2.3 ميليارد دلار بيان مي‌دارد. در كشور ما, علاوه بر ضررهاي زيست‌محيطي، مصرف سوخت‌هاي فسيلي رشد بسيار سريعي داشته است. براي مقابله با اين روند كه موجب بالارفتن هزينه‌هاي ملي مي‌گردد، مطالعه در مورد جايگزين‌هاي مناسب براي سوخت‌هاي فسيلي و سرمايه‌گذاري مناسب در اين زمينه مي‌تواند, در درازمدت پيامدهاي بسيار مثبتي را براي كشور به‌دنبال داشته باشد. همچنين كنار گذاشتن تكنولوژي MTBE به‌دليل زيان‌هاي زيست‌محيطي غيرقابل جبران، منجر به تعطيلي واحدهايي مي‌گردد كه يك­سوم متانول توليدي را به عنوان خوراك مصرف مي‌نمايند. اين موضوع براي صنايع پتروشيمي ما كه عمده متانول توليدي را جهت توليد MTBE به مصرف مي‌رساند، سرمايه‌گذاري جهت يافتن كاربردهاي جديد متانول و پيل‌هاي سوختي متانولي را توجيه‌پذير مي‌سازد. استفاده از پيل‌هاي سوختي متانولي، علاوه بر صرفه‌هاي اقتصادي، كاهش چشمگير گازهاي گلخانه‌اي و آلودگي هواي شهرهاي كشور را نيز به‌دنبال خواهد داشت. بنابر نظر كارشناسان داخلي استفاده از اين فناوري در سال‌هاي آتي 85 درصد از آلودگي‌هاي فعلي را خواهد كاست. لذا عدم توجه به تحقيقات كافي در زمينه به­كارگيري اين قبيل فناوري‌ها و در مقابل، روي‌آوردن به استفاده بيشتر از سوخت­هاي فسيلي، باعث ايجاد فاصلة بيشتر ميان ما و صاحبان تكنولوژي گشته و به عقب‌افتادن در حوزة ديگري از دانش و تكنولوژي‌هاي نوين منجر خواهد شد.

پیل های سوختی بر حسب نوع الکترولیت به کار رفته در آنها به پنج دسته تقسیم می شوند که عبارتند از:
1-پیل های سوختی پلیمری یا غشا مبادله کننده پروتون ( دمای عملکرد 70 تا 90 درجه)

[ریپورتر]

2- پیل های سوختی قلیایی ( دمای عملکرد 60 تا 90 درجه)
3- پیل های سوختی اسید فسفریک ( دمای عملکرد 150 تا 200 درجه)
4- پیل های سوختی کربنات مذاب ( دمای عملکرد 550 تا 700 درجه )
5- پیل های سوختی اکسید جامد ( دمای عملکرد 800 تا 1000 درجه )
از سال 1960 سازمان فضایی آمریکا از پیل های مزبور در سفینه های جیمینی و آپلو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نظر استفاده کرد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شکرت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال2000 میلادی با نیروی هواپیما توان پرواز طولانی ( شش ماه) و بدون وقفه را دارد وحرکت مستمر خود در یک منطقه از آسمان در سیستم های مخابراتی، جاسوسی و امدادرسانی کاربرد وسیعی پیدا کرده است.
مزایای پیل های سوختی
1- بازدهی بالا: بازدهی آنها به سه برابر ماشین های گرمایی می رسد.
2-تنظیم سیستم بر حسب نیاز: یعنی می توان در هر لحظه یک یا چند توده پیل را به کار گرفت و یا از کار انداخت.
3-سازگاری با قوانین زیست محیطی
4- انعطاف پذیری نسبت به سوخت:هیدروژن سوخت اصلی پیل های سوختی است.
5- افزایش تولید و کاهش توزیع:
6- قابلیت ترکیب شدن شدن با سیستم های دیگر و تولید انرژی با استفاده از گرمای خروجی پیل های سوختی: در یک نمونه سیستم ترکیبی گازهای خروجی از پیل سوختی در توربین های گازی استفاده می شود که بدین ترتیب گرما خروجی از پیل بازیافت می شود.
7- عدم نیاز به تعمیر: قطعات متحرک ندارد . تنها تعویض فیلتر هوا و مواد جاذب مورد نیاز است.
امتیازات ویژه پیل های سوختی جهت کاربرد نظامی:
الف-کم بودن علائم راداری
ب- کم بودن علائم قابل شناسایی در میدان جنگ
ج- مطمئن بودن
خ- قابل حمل و سبک بودن
د- چگالی انرژی بالا
ذ- توان بالا

[ریپورتر]

ر- افزایش امنیت انرژی الکتریکی مورد استفاده به واسطه به کار بردن مولد ها در محل تابش های پایین.

انواع پیل های سوختی
به طور معمول تقسیم بندی پیل های سوختی بر حسب نوع الکترولیت آنها انجام می گیرد.
1-پیل های سوختی پلیمری (PEFCS) یا پیل های سوختی مبادله کننده پروتون(PEMFCS)
2-پیل های سوختی قلیلیی(AFCS)
3-پیل های سوختی اسیدفسفریک(PAFCS)
4-پیل های سوختی کربنات مذاب(MCFCS)
5-پیل های سوختی اکسید جامد(SOFCS)

پیل های سوختی پلیمری
پیل های سوختی با الکترولیت پلیمری یکی از پنج نمونه پیل سوختی ایت که به دلیل چگالی توان (watt.lit -1 1400) مورد توجه سازندگان خودرو قرار گرفته و جایگزین برای موتورهای احتراق داخلی محسوب می گردد.

ساختمان پیل های سوختی پلیمری
الکترولیت معمولا ماده ای است که در حضور آب به یون های مثبت و منفی تجزیه می شود و بدین ترتیب محلولی حاصل می شود که رسانای الکتریسیته است. اما الکرولیت بکار رفته دذر پیل سوختی پلیمری ، غشای از ماده آلی با خاصیت تبادل یونی از جنس پلیمر اسید سولفونیک آغشته به فلوئور یا پلیمرهای مشابه می باشد. در واقع در این پیل ها، الکترولیت نوعی پلاستیک است که از مولکول های پلیمر تشکیل شده است و به آن غشا می گویند. غشای پلیمری با توجه به ویژگی الکترولیت ها ، الکتریکی غیر عادی است، زیرا در حضور آب که به سرعت توسط غشا جذب می شود.( غشای پلیمری برای فعال بودن باید مرطوب نگهداشته شود) یون های منفی در ساختمان الکترولیت نگه داشته می شوند و تنها یون های مثبت آزاد برای انتقال بار مثبت در طول غشا حرکت می نمایند. به همین دلیل به غشا پلیمری غشا مبادله کننده پروتون نیز می گویند. انتقال یون های هیدروژن در طول غشا در جهت آند به کاتد اساس کار پیل های سوختی پلیمری را تشکیل می دهد.از انجایی که غشا از جنس یک ماده پلیمری آلی است، پلیمر مبادله کننده پروتون قادر به هدایت الکترون نیست. این ویژگی باعث می شود غشا ار

[ریپورتر]

لحاظ الکتریکی نارسانا باشد.به دلیل اینکه الکترون ها امکان حرکت در طول غشا را ندارد، برای حرکت آنها از یک سمت پیل به سمت دیگر لازم است از یک اتصال دهنده خارجی استفاده شود که استفاده از این پدیده امکان ایجاد توان الکتریکی برای حرکت یک خودرو را فراهم می نماید.
چون پیل های سوختی پلیمری دارای دمای عملکرد پایین می باشند در ساختمان آنها از کاتالیزور استفاده شده استو بهترین کاتالیزور پلاتین و دیگر فلزات بی اثر می باشند. که به مقدار بسیار جزیی روی کربن متخلخل رسوب داده شده اند. وجود تخلخل در اکترود نفوذ واکنش دهنده ها را آسان می سازد.به منظور عملکرد بهینه کاتالیزور در ساختمان بستر از پلیمر آب گزیر استفاده شده است.ذرات پلاتین رسئب داده شده روی کربن بسیار ریز و دارای قطری حدود 2 نانومتر بوده و سطح موثر گسترده ای را برای انجام واکنش گازها فراهم می ساز. حتی اگر به میزان کم از کاتالیزوراستفاده شود، سطح موثر موثر ایجاد شده توسط این ذرات ریز بسیار بزرگ است. نکته اساسی برای تولید جریان الکترون و یا جریان الکتریسیته توسط پیل های سوختی وسعت پراکندگی کاتالیزور روی سطح الکترود است.

اساس کار پیل های سوختی پلیمری
همه واکنش های الکتروشیمیایی از دو نیمه واکنش تشکیل شده اند که در الکتروهای آند و کاتد انجام می شود. در پیل سوختی پلیمری یون های هیدروژن تولید شده در آند از غشای رسانای یون عبور می کنند و به کاتد می رسند و الکترون های آزاد شده در آند نیز در طریق جریان خارجی به کاتد منتقل می شوند . در کاتد اکسیژن با یون های هیدروژن و الکترون ها ترکیب شده ، آب و گرما تولید می شود.

[ریپورتر]

دو نیمه واکنش فوق معمولا بسیار آهسته و در دمای پایین ( 80 درجه) انجام می شود. مکانیزیم عمل پلاتین در آندبدین ترتیب است که محل هایی را فراهم می آورد که باعث سهولت تفکیک گاز هیدروژن به یون H+ می شوند.

مزیت های پیل های سوختی پلیمری
چون دمای عملکرد پیل های سوختی پلیمری پایین است و الکترولیت آن مایع نیست، امکان ناتقال یا متبلور شدن کاتالیزور در پیل وجود ندارد و نسبت به خوردگی در برابر گازها مقاوم است. طول عمر پیل بیشتر از 105×5 ساعت است(در صورت افزایش دمای پیل از طول عمر ان کاسته می شود)
چگالی جریان خروجی آن از تمامی پیل های شناخته شده بیشتر است. از این رو برای خودرو ها و سیستم های الکترونیکی با اندازه کوچک بیشترین کاربرد را دارد.
حدود50% از حداکثر توان آن سریعا در دمای اتاق قابل دسترسی است و بعد از سه دقیقه کار تمامی آن تحت شرایط عادی حاصل می شود.
گرمای حاصل از پیل برای گرم کردن گرم کردن اتاق و یا آب بکار می رود ولیکن آنقدر زیاد نیست که برای توربین بخار یا مبدل های سوخت استفاده شود.

معایب پیل های سوختی پلیمری
1. نسبت به حضور منواکسید کربن در سوخت بسیار حساس بوده(منواکسید کربن باعث مسمومیت کاتالیزور می گردد). و مستلزم ساخت کاتالیزوری است که نسبت به ناخالصی های سوخت مقاوم باشد.
2. تنظیم آب گرمای پیل امری دقیق و حساس است.
3. قیمت آن به دلیل وجود کاتالیزور و غشای پلیمری زیاد است لیکن در صورت تولید انبوه و همچنین ساخت غشاهای از مواد ارزانتر و سهل الوصول تر قیمت آن کاهش خواهد یافت ( قیمت هر فوت مربع غشای پلیمری حدود 100 دلار می باشد)
سرعت احیای اکسیژن در الکترود هوا حتی در حضور کاتالیزور پلاتین پایین است و این امر باعث افت عملکرد پیل می گردد از این رو نیاز به کاتالیزوری می باشد که سرعت احیای اکسیژن را افزایش دهد و در نتیجه بازدهی پیل افزایش یابد.


کاربرد های پیل های سوختی پلیمری
پیل سوختی پلیمری کاربرد های متنوعی دارد. از این پیل به منظور تولید برق در نیروگاهها، خودروها، وسایل قابل حمل و غیره استفاده می شود. ظرفیت آن محدود نیست.( از چند کیلو وات تا دهها مگاوات می رسد)، جون چگالی خروجی آن بالا است، به راحتی شروع به کار می کند و می ایستدو تحمل افت و خیزهایی از بیشترین توان تا کمترین توان را دارد، از این رو برای کشتی ها، زیر دریایی ها و خودرو ها منبع انرژی بسیار خوب و مناسبی است. پیل های سوختی پلیمری جهت تولید بازدهی بیشتر با طراحی های نو در حال توسعه اند که عبارتند از:
پیل سوختی پلیمری Enable،
پیل سوختی پلیمری با سوخت الکل،
پیل سوختی پلیمری تجدید پذیر.

پیل های سوختی قلیایی
پیل های سوختی قلیایی از قدیمی ترین نوع پیل ها می باشند که برای سفینه های فضایی، طراحی شده اند.
ساختمان پیل های سوختی قلیایی: الکترولیت بکار رفته در این نوع پیل ها هیدروکسید پتاسیم

[ریپورتر]

یا هیدروکسیدسدیم با درصد وزنی 65 می باشد. با این درصد وزنی، دمای عملکرد پیل حدود 0c250 خواهد بود. در صورتی که از هیدروکسیدپتاسیم با درصد وزنی کمتر استفاده شود( 35 تا 50% وزنی) دمای عملکرد پیل به کمتر از 0c120 می رسد. در پیل های سوختی قلیایی ابتدایی از سیستم چرخش الکترولیت استفاده می شود. در این سیستم الکترولیت در مخزنی بیرون از پیل نگهداری می شد و در هنگام عمل به داخل پیل پمپ می شد. چنین سیستمی این امکان را به وجود می آورد که الکترولیت در خارج از پیل سرد شود و آب آن بخار شود. همچنین آن میزان از الکترولیت که تغییر شکل داده از سیستم خرج و الکترولیت جدید جایگزین آن شود. در پیل های سوختی، ماتریس از جنس آزبست با درجه خلوص بالا می باشد که با رزین هایی به عنوان مثال از جنس استرهای متاکریلیک مخلوط می شود.معمولاصفحه هاب آزبست به دو روش قالب گیری و اکستروژن ساخته می شوند. روش قالب گیری فرآیند پر هزینه است.هر چند در روش اکستروژن هزینه ساخت تنها 50% هزینه روش قالب گیری می باشد، لیکن مقاومت لایه آزبست ساختته شده توسط این روش کم است.

[ریپورتر]

مزایای پیل های سوختی قلیایی
·
· در ساخت الکترود آنها از مواد ارزان قیمت استفاده شده است و کاتالیزور های متنوعی در آنها بکار می رود.
· دارای واکنش دهندگی سریع در کاتد می باشد
· بر اساس شرایط مورد نیاز محدوده وسیعی از کمترین توان تا بیشترین توان را در بر می گیرد
· در دمای پایین با بیشترین راندمان کار می کند
· عملکرد سیستم آنها ساده است
· الکترولیت آنها بسیار کم تجزیه می شود
· دارای ساختمانی محکم بوده و با کج شدن و نوسانات آسیب نمی بیند
· مجموعه تجهیزات آنها ساده و سبک است

معایب پیل های سوختی قلیایی
· نسبت به منواکسیدکربن ئ دی اکسید کربن حساس می باشند
· الکترولیت آنها در الکترودها خوردگی ایجاد می کند
مزایای پیل های سوختی قلیایی نسبت به پیل های سوختی پلیمری
1- چون پیل های سوختی قلیایی ار طیف وسیعی از کاتالیزورها استفاده می کنندنیازی به استفاده از فلزات بی اثر در آنها نیست، پس ارزانترند(ارزش پیل های سوختی قلیایی به ازای هر کیلووات بین 100 تا 150 دلار و ارزش پیل های سوختی پلیمری به ازای هر کیلووات بین 1000 تا 1500 دلار می باشد)
2- پیل های سوختی قلیایی در دمای زیر صفر شروع به کار می کنند
3- در پیل های سوختی پلیمری به کمپرسور های قوی هوا، و مرطوب کننده غشا نیاز است در صورتی که در پیل های سوختی قلیایی چنین نیست
4- ولتاژ تولید شده توسط پیل هاس سوختی قلیایی بیشتر از پیل های سوختی پلیمری است، در واقع ولتاژ پیل های سوختی قلیایی حدود 8/0 و پیل های سوختی پلیمری دارای ولتاژ 6/0 است
5- پیل های سوختی قلیایی دارای سیستم الکترولیت چرخشی هستند و در نتیجه تولید آب ندارد. برای خاموش کردن آنها کافی است که کلید را ببندیم در نتیجه الکترولیت به طور خودکار از پیل های توده پیل منتقل می شود و پیل های سوختس قلیایی غیر فعال می شوند. چنین سیستمی برای خانه ها بسیار مفید و ار لحاظ ایمنی بهتر است
6- پیل های سوختی قلیایی دارای طول عمر بیشتری هستند. در این پیل ها وقتی سیستم خاموش است الکترودها فعال نما باشند در حالیکه در یک پیل سوختی پلیمری الکترودها دائما فعالند و هرگز استراحت ندارند که در نتیجه طول عمر آنها نیز کوتاهتر است
7- پیل های سوختی قلیایی بر اساس هیدروژن ناشی از آمونیاک نیز کار می کنند.آمونیاخشک دارای هیدروژن فراوانی است و هیچگونه آلودگی ایجاد نمی کند.در صورتی که در پیل های سوختی پلیمری که در آنها از هیدروکربورها استفاده می شود، دی اکسیدکربن تولید شده دارای اثرات گازهای گلخانه ای است.

نمونه ای از کاربرد های پیل های سوختی قلیایی:
pc17-c نمونه ای از پیل های سوختی قلیایی است که در سفینه های فضایی استفاده می

[ریپورتر]

· شود و چگالی خروجی آن به طور متوسط kw.kg -1 28. است.
· شرکت زیمنس در آلمان نیروگاه 100 کیلوواتی از این نوع پیل سوختی برای استفاده در زیر دریایی ها ساخته است که به تانک هیدرید فلزی مولد سوخت وصل است.( با توجه به اینکه سوخت مورد مصرف در زیر دریایی ها عمدتا سوختهای فسیلی است. استفاده از این پیل سوختی قلیایی که نیاز به هیدروژن خالص دارد مشکل است. از این رو بهتر است در کشتی ها از آن استفاده شود.)
· در ژاپن، واحد 10 کیلوواتی از این نوع پیل برای قایق ها در شرکت فوجی الکتریک در سال 1972 ساخته شد
· در اروپا از این پیل ها در سیستم هیبریدی با باتری نیکل- کادمیم برای تولید 78 کیلووات انرژی در اتوبوس استفاده می شود
· در تمامی سفینه های فضایی روسی از آن استفاده شده است.
· شرکت استریس چندین نمونه از پیل های سوختی قلیایی را جهت مصارف مختلف ساخته است:
1- ژنراتورالکتریکی قابل حمل 1 کیلوواتی بی صدا برای کار در محیط بسته
2- پیل های سوختی قلیایی 2 تا 3 کیلوواتی برای راه اندازی خودروهای کوچک و پله های برقی
3- پیل های سوختی قلیایی 4 کیلوواتی برای الکتریسیته، گرما و آب گرم خانه ها

سیستم هیبریدی پیل سوختی قلیایی و باتری سربی-اسیدی:
در سال 1970 پروفسور کوردش پروژه خودرو پیل سوختی را عملی ساخت . در این پروژه از سیستم هیبریدی پیل سوختی قلیایی با الکترولیت چرخشی همراه با باتری سربی- اسیدی استفاده شده است. باتری سربی- اسیدی برای زمان شروع به کار سیستم و همچنین وقتی که نیاز به انرژی زیاد می باشد( برای شتاب کرفتن و بالا رفتن از تپه) مورد استفاده قرار می گیرد. سیستم پیل ( هوا/هیدروژن)به طور موازی با باتری سربی- اسیدی وصل شده استو مجموعه سیستم دارای 730 کیلوگرم وزن است که در چها محفظه قرار داده شده اند. منبع سوخت از 6 تانک هیدروژن کم وزن تحت فشار تشکیل شده است مه هیدروژن موجود در آنها برای 300 کیلومتر طی مسافت کافی می باشد.

عملکرد سیستم هیبریدی:
در سرعت های بالا در صورت نیاز به نیروی بیشتر، این نیرو توسط باتری ها تامین می شود. باتری ها

[ریپورتر]

توسط پیل ها شارژ می شوند. بدین معنی که در زمان که خودرو کار نمی کند و یا در ترمزگیری انرژی اضافی در باتری ها ذخیره می شودو مقدار انرژی که توسط باتری تامین می شود توسط منحنی قطبش قابل اندازگیری است. دمای پیل های سوختی و شارژ باتری های سربی- اسیدی بیانگر عملکرد سیستم می باشد.توازن بین دو سیستم از لحاظ اقتصادی و عملکرد مهم است. برای بازدهی بالا دامنه عملکرد 200 تا 500 میلی آمپردر هر سانتی متر مربع از پیل باید بین 8/0 تا 85/0 ولت باشد. باتری های سربی- اسیدی خودرو دارای استاندارد SLT ، V12 بودند.حداکثر توان خروجی باتری در زمان کوتاه حدود 400 آمپر بود.وزن کل باتری ها 150 کیلوگرم و وزن باتری ها با پیل ها 400 کیلو گرم است که حدود وزن خودرو بود. بیشترین تعداد سرنشین خودرو 4 نفر با وزن کلی 320 کیلوگرم بود.

سوخت در خودروهای الکتریکی:
در صورتی که ار متانول یا هیدروکربورها به عنوان سوخت در خودروهای الکتریکی استفاده شود، سیستم نیازمند میپبدل سوخت است.ولی می توان از تانکهای حاوی هیدروژن و یا هیدریدهای فلزی برای رساندن مستقیم هیدروژن به پیل سوختی استفاده کرد. در سیستم پیل سوختی قلیایی می توان از آمونیاک به عنوان منبع سوخت استفاده کرد.آمونیاک دارای هیدروژن است و از لحاظ تجاری کپسول های حاوی آن در فشار پایین عملی است. چگالی انرژی آن kw.kg -13.3 است. از این مقدار انرژی حدود 15% در داخل مبدل کاتالیزوری تلف می شود و در دمای C350 ، 75% هیدروژن تولید می شود.
پیل های سوختی اسید فسفریک: ظرفیت بیست سال گذشته حدود 500 میلیون دلار در زمینه توسعه پیل های سوختی اسید فسفریک هزینه شده است. این پیل تنها پیل سوختی است که جنبه تجاری گسترده ای پیدا کرده است با پیشرفت در فناوری در زمینه پیل های سوختی ظرفیت تولید اللکتریسیته توسط پیل های سوختی اسیدفسفریک در مجموع بیشتر از 75 مگاوات رسیده است. هم اکنون نیروگاه های بزرگ 11 مگاواتی از نوع پیل های سوختی اسید فسفریک مشغول کار می باشند.

ساختمان پیل های سوختی اسید فسفریک:
الکترولیت در این نوع پیل ، اسید فسفریک مایع است. اسید فسفریک نسبت به تمامی اسید ها دارای پایداری بیشتری است. در دمای اتق به صورت جامع است( در این حالت رسانای ضعیف برای یون می باشد) ولی در دمای 150 تا 210 درجه تجزیه می شود. در غلظت 6/91 وزنی و دمای C3/29 ، اسید فسفریک تشکیل دو فاز متعال جامد- مایع می دهد. از این رو در شروع کار پیل برای گرم نمودن
الکترولیت لزومی به گرمکن نمی باشد. برای ممانعت از انجماد الکترولیت می توان نمک های معدنی به الکترولیت اضافه نمود.

اساس کار پیل های سوختی اسید فسفریک:
در آند سوخت اکسید می شود و به پروتون و الکترون تبدیل می شود. پروتون از طریق الکترولیت به کاتد می رسد و الکترون از طریق اتصال خارجی به کاتد رسیده با پروتون و اکسیژن ترکیب شده ، آب تولید می شود.

[ریپورتر]

مزایای پیل های سوختی اسید فسفریک:
· چون دمای عملکرد این پیل ها حدود C200 است در ساختمان آنها به استفاده از مواد مقاوم در برابر دمای بالا نیست.
· وجود دی اکسید کربن در سوخت بازدهی آنها را کاهش نمی دهد.
· از آب گرم و هوای خروجی آنها می توان برای گرم کردن آب و هوای محیط استفاده نمود.
· در خروجی آنها تاppm500، اکسید های نیتروژن وجود داشته ولی اکسیدهای گوگرد وجود ندارد.
· پیشرفت و بهینه سازی پیل سوختی اسید فسفریک نسبت به بقیه پیل ها بهتر بوده به طوریطوری که حدود250 واحد تولید انرژی از این نوع تا سال 1996 در سرتاسر دنیا مشغول به کار بوده است

معایب پیل های سوختی اسید فسفریک:
· بازده آنها نسبتا پایین است و به حدود 40% می رسد.
· کاتالیزور بکار رفته در آنها گران قیمت است
· در فواصل زمانی کوتاه به سرویس شدن نیاز دارند
· نسبت به غلظت های بالای منوکسید کربن حساس اند.
· با توجه به خورنده بودن الکترولیت، انتخاب مواد به کار رفته در ساختمان آنها با محدودیت همراه است
· بازده آنها با مقایسه با پیل های سوختی قلیایی به دلیل تشکیل پراکسید ها در محیط اسیدی کم است

کاربرد پیل های سوختی اسید فسفریک:
· در اواع نیروگاه ها اعم از کوچک و بزرگ و سیکل های ترکیبی به کار می رود(تا کنون در بیمارستان ها، هتل ها ، دفاتر کار ، مدارس و فرودگاه ها ، از این نوع پیل استفاده شده است)
· در کشتی های مسافر بری ، کشتی های باری و زیر دریاییها مورد استفاده قرار می گیرد(هنگامی در وسایل حمل و نقل دریایی از آنها استفاده می شود باید آسیب های ناشی از نمک و تلاطم دریا را در نظر گرفت)
· در اتوبوس ها و لوکوموتیوها نیز به کار رفته اند
· وزارت دفاع آمریکا این پیل هارا به مثابه نیروگاه هایی با توان 200 کیلووات در 30 نقطه کشور نصب نموده است. این نیروگاه ها تا کنون بیش از نیم میلیون ساعت کار مفید داشته اند.
PC25 نوعی پیل سوختی اسید فسفریک است، که راندمان الکتریکی آن 40% است. در سیکل های ترکیبی بازده آن به 85% می رسد. ساختمان آن مودولار، ساده و فشرده می باشد و قابل کنترل از راه دور است. صدا و لرزش ان بسیار کم است.آلاینده های خروجی آن فقط گازهای گلخانه ای می

[ریپورتر]

· باشند با استفاده از هر pc25 سالانه 18 تن آلاینده کمتر به هوا وارد می شود.

پیل های سوختی کربنات مذاب:
· این نوع پیل ها در سال 1960 با هدف استفاده از سوخت تولید شده توسط ذغال سنگ ساخته شده اند ولیکن امروزه بر اساس سوخت تولید شده از گازهای طبیعی یا دیگر سوخت های فسیلی کار می کنند. انتظار می رود که پیل های سوختی کربنات مذاب به تدریج جایگزین پیل های سوختی اسید فسفریک گردند. هم اکنون سه شرکت بزرگ آمریکایی و نیز شرکت های ژاپنی و اروپایی در حال توسعه و بهینه سازی فن آوری پیل های سوختی کربنات مذاب می باشند.

· ساختمان پیل های سوختی کربنات مذاب:
· الکترولیت این نوع پیل ها کربنات مذاب است که معمولا ترکیبی از کربنات های قلیایی سدیم و پتاسیم و یا کربنات های لیتیم و پتاسیم با نسبت مولی 62 به 38 می باشد.استفاده از مخلوط نمک های قلیایی باعث پایین آمدن نقطه ذوب الکترولیت می شود. به کار بردن کربنات سدیم به جای کربنات پتاسیم خاصیت بازی الکترولیت را افزایش می دهد و از انحلال کاتد درالکترولیت می کاهد. الکترولیت دارای رسانایی یونی باای است و نسبت به گازها نفوذ ناپذیر است.نقطه ذوب اکسید ها یونی بالاتر از c1000 استو نقطه ذوب نمک های دارای آنیون اکسیژن مثل نیترات ها، سولفات ها و کربنات ها پایین تر از این مقدار است( حدود 600 تا 800 درجه). بر همین اساس با توجه به این که الکترولیت به کار رفته در این نوع پیل ها نمک دارای آنیون اکسیژن است، دمای عملکرد آنها بین 600 تا 800 درجه است که دراین دما الکترولین به صورت مذاب رسانای یون است. برای فعال بودن الکترولیت لازم است که دمای عملکرد آن بالا نگه داشته شود و برای سرد کردن نقاط حساس به گرما، حجم زیادی از هوا از کاتد عبور داده شود. هوا توسط سیستم چرخشی و یا توسط صفحات جداکننده به تجهیزات مزبور می رسد.

[ریپورتر]

اساس کار پیل های سوختی کربنات مذاب




مزایای پیل های سوختی کربنات مذاب:
· دارای بازدهی بالا هستند( بازده تبدیل سوخت به الکتریسیته در این نوع پیل ها بیشتر از 55 % است) دمای بالای این نوع پیل ها باعث تولید مقادیر زیادی گرما می شود و بازدهی را تا 80% بالا می برد.(80% از ارزش انرژی سوخت قابل استفاده است)
· از کاتالیزور در انها استفاده نشده است( چون در دمای بالا کار می کنند و الکتورد ها فعال می باشند)
· امکان تبدیل سوخت به صورت داخلی در انها وجود دارد، درنتیجه از هزینه ساخت مبدل های اضافی کاسته می شود.
· به رغم کوچکتر و ارزانتر از پیل های سوختی پلیمری دارای ولتاژ واقعی بیشتری می باشند
· به لحاظ جنبه های اقتصادی ، فن آوری پیل های سوختی کربنات مذاب در مقایسه با تولید نیرو با استفاده از ذغال سنگ باصرفه تر است
· با توجه به استانداردهای زیست محیطی دارای بهترین فن آوری است

[ریپورتر]

معایب پیل های سوختی کربنات مذاب:
· چون نیکل متخلخل در اند مصرف می شود از مقاومت الکترود در دمای بالا کاسته شده و آند دچار فرسایش می گردد
· کاتد(اکسید نیکل ) در محلول الکترولیت حل شده و در نتیجه از طول عمر پیل کاسته می شود
· با توجه به خورنده بودن الکترولیت ، نشت آن در دراز مدت به پیل آسیب می رساند
· چون دمای عملکرد پیل بالا است امکان تغییر ترکیب شیمیایی الکترولیت وجود دارد
· برای تشکیل یون های کربنات ، به منبع دی اکسید کربن نیاز است
· چون گاز ها با دمای بالا در لوله ها جریان دارند امکان فرسایش و سوراخ شدن لوله ها وجود دارد(از این رو لازم است طول مجاری گازها کوتاهتر و سیستم فشرده تر گردد)
· چون دمای عملکرد بالا است ، مواد به کار رفته باید از جنس فولاد زنگ نزن باشد که در نتیجه هزینه ساخت بالا می رود.

کاربرد پیل های سوختی کربنات مذاب:
· از پیل های سوختی کربنات مذاب در نیروگاه های بزرگ و سیکل های ترکیبی استفاده می شود
· استفاده از آنها در کشتی های بزرگ و نفت کشها مخصوصا در کشتی های حمل کننده گاز مایع طبیعی بسیار به صرفه است، چون در این صورت می توان از گاز مایع طبیعی به عنوان سوخت مورد نیاز پیل نیز استفاده کرد.
· استفاده از چنین پیل هایی مشکل مربوط به آلودگی هوا را که ناشی از سوخت هایی فسیلی در این کشتی است مرتفع می سازد

پیل های سوختی اکسید جامد:
پیل های سوختی اکسید جامد به منظور کاهش قیمت و بهینه سازی عملکرد پیل های سوختی به ویژه پیل سوختی کربنات مذاب طراحی شده اند. الکترولیت به کار رفته در آنها از جنس سرامیک است وجود الکترولیت جامد مشکلات مربوطبه سرب کردن الکترولیت را از بین می برد، و امکان انتقال الکتروایت توسط گازهای اکسیدان و سوخت وجد ندارد. خورندگی الکترولیت و تنظیم آن منفی است و طرح آن انعطاف پذیر می باشد. به عبارت دیگر با توجه به جامد بودن تمامی اجزا، در شکل دهی پیل محدودیتی وجود ندارد و می توان براساس نوع کاربرد مورد نظر آنها را طراحی نمود.دمای عملکرد این نوع پیل حدود c1000 می باشد( تا امکان رسانش یونی وجود داشته باشد) و از این رو جایگزین مناسبی برای

[ریپورتر]

انواع دیگر پیل های سوختی است که تحمل دمای بالا را ندارد. هر چند دمای بالای عملکرد آن باعث افزایش سرعت واکنش ها بدون دخالت فلزات بی اثر می گردد، اما در انتخاب مواد به کار رفته در ساختمان آن محدودیت ایجاد می کند. بهینه سازی مواد به کار رفته در ساختمان سرامیکی الکترولیت، نکته اساسی در توسعه هر چه بیشتر پیل های سوختی اکسید جامد می باشد. با توجه به دمای بالای نیازی به مبدل سوخت نیست، زیرا امکان تبدیل سوخت در درون پیل وجود دارد. گرمای خروجی از سیستم قابل استفاده در توربین های بخار است که بدین ترتیب بازدهی سیستم افزایش خواهد یافت.

اساس کار پیل های سوختی اکسید جامد:
در صورتی که آند و کاتد توسط جریان خارجی به هم وصل شوند ، اکسیژن در کاتد توسط الکترون های جریان خارجی به یون تبدیل می شود، یون های اکسیژن از طریق الکترولیت رسانای یون اکسیژن به آند می رسند. در آند سوخت توسط یون های اکسیژن اکسید می شود و در نتیجه الکترون آزاد شده جهت جریان خاجی فراهم میشود.

[ریپورتر]

انواع پیل های سوختی اکسید جامد:
همان طور که قبلا اشاره شد پیل های سوختی اکسید جامد با توجه به نوع ساختمان الکترولیت آنها سه نوع لوله ای ، مسطح و لانه زنبوری می باشند. نوع مسطح و لانه زنبوری در مراحل اولیه توسعه هستند و در اندازه های 1 کیلوواتی ساخته شده اند . پیل های سوختی اکسید جامد مسطح در دمای 800 درجه کار می کنند، و نسبت به نوع لوله ای از کارایی بیشتری برخور دارد. چون که خط اتصال در توده پیل آنها کوتاهتر و ساختن آنها آسان تر است.
مزایای پیل های سوختی اکسید جامد:
· سوخت های متنوعی در آن قابل استفاده است
· تبدیل سوخت خام به هیدروژن، با استفاده از گرمای تولید شده توسط پیل صورت می گیرد و نیازی به مبدل خارجی نیست
· منوکسید کربن و گوگرد مسموم کننده الکترود های پیل های سوختی اکسید جامد نیستند، حتی منوکسید کربن به عنوان سوخت استفاده می شود
· تمام اجزای آن جامد هستند و قابلیت طراحی به اشکال مختلف دارند،همچنین درجه حرارت بالای پیل باعث تخریب آنها نمی شود
· نیازی به تزریق مجدد الکترولیت به داخل آن نمی باشد
· بازدهی آن بالا است و از گرما و بخار آب تولید شده در آن در سیکل های ترکیبی می توان استفاده کرد که بدین ترتیب بازده سیستم باز هم افزایش می یابد.

معایب پیل های سوختی اکسید جامد:
· در مقابل تنش های حرارتی آسیب پذیر بوده از این رو لازم است به آرامی گرم شده تا پایه سرامیکی شکسته نشود
· آب بندی سیستم مشکل است و امکان نفوذ سوخت و اکسیدان از هر دو طرف به الکترولیت نازک وجود دارد که با کاهش عملکرد سیستم همراه است.
کاربرد های پیل های سوختی اکسید جامد: با توجه به مزایای پیل سوختی اکسید جامد کاربرد های متعددی برای ان قابل تصور است، ولی در حال حاضر از پیل های سوختی اکسید جامد برای نیروگاه های متوسط و بزرگ و سیکل های ترکیبی استفاده می شود. با توجه به بالا بودن چگالی توان آن و نداشتن اثرات زیان آور زیست محیطی ، پیل سوختی اکسید جامد بهترین نوع پیل ، برای استفاده در خودروها می باشد. در صورتی که جهت وسایل حمل ونقل دریایی از ان استفاده شود لازم است اثرات نمک موجود در آب دریا بر روی سیستم در نظر گرفته شده و تمهیداتی برای مقابله با اثرات نمک به کار برده شود.

پیل های سوختی بیولوژیکی:
در این نوع پیل ها بیوشیمیاییی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.فرآینداصلی اکسایش دراین نوع پیل ها بدین صورت است که الکترون ها به وسیله میکرو ارگانیسم ها یا آنزیم ها برای تولید جریان الکتریکی به

[Onixa]

بهتر بود مقالات به صورت جدا جدا در فایل های pdf در می آمد و فهرست مقالات در پست اول تاپیک قرار داده می شد. در این صورت هم استقبال از مقالات بیشتر می شد و هم پیدا کردن موضوع مورد مطالعه راحت تر!
به این شکل هیچ موضوعی برای بحث کردن شکل نخواهد گرفت.
به هر حال از ارائه ی مقالات ممنونم.