آشنایی با نیروگاه های خورشیدی و ساخت ماکت آن ها_ جلسه اول

اهداف : آشنایی با انرژی و انواع آن _ تبدیل انرژی_ اتلاف انرژی
پیش نیاز ها: -----
وسایل مورد نیاز: -----
مقدمه:
در این پروژه ابتدا به طور کوتاه راجع به انواع انرژی و ضرورت استفاده از انرژی خورشیدی و جنبه های گوناگون پاوربانک خورشیدی صحبت می کنیم.بعد از آن به بررسی سیستم های فتوولتاییک می پردازیم و با طریقه ساخت پاوربانک خورشیدی آشنا می شویم و مهارت های لازمه ساخت آن را فرا می گیریم.
1-1 انرژی چیست و انواع آن کدام است؟
انرژی در همه جا وجود دارد و ما برای انجام تمام کارها به آن نیاز داریم.انرژی توانایی ما برای انجام کار است.انرژی صورت های مختلفی دارد مانند انرژی گرمایی انرژی مکانیکی،انرژی شیمیایی و هسته ای،نور حالا درباره انواع انرژی صحبت می کنیم.
به صورت کلی دو نوع انرژی داریم:
1- انرژی ذخیره شده(انرژی پتانسیل)
2- انرژی جاری (انرژی جنبشی)
انرژی پتانسیل یعنی انرژی ذخیره شده و شامل انرژی شیمیایی،انرژی مکانیکی ذخیره شده(مثل یک فنر فشرده شده)،انرژی هسته ای و انرژی گرانشی می شود.
مثلا غذایی که می خوریم حاوی انرژی شیمیایی است و بدن ما این انرژی را در خود ذخیره می کند و آنرا تا زمانی که نیاز نداشته باشد در خود نگه می دارد.
اجسام به دلیل داشتن سرعت دارای انرژی جنبشی اند.  انرژی جنبشی مثل انرژی الکتریکی،تابشی،گرمایی،انرژی اجسام متحرک،صوت و ...
برای مثال آبی که پشت یک سد جمع می شود دارای انرژی پتانسیل است ولی وقتی دریچه های سد باز می شود و آب حاری می شود،این آب جاری انرژی جنبشی دارد.
2-1 دسته بندی منابع انرژی :
تمام انرژی ها در منابعی ذخیره شده اند و ما روزانه از آنها استفاده می کنیم.
منابع انرژی به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند:
منابع انرژی تجدیدپذیر:منبع انرژی تجدیدپذیر به منبع انرژی ای گفته می شود که در زمان کم قابل استفاده مجدد گردد. مانند انرژی زیست توده ،انرژی زمین گرمایی،برقابی،انرژی باد و خورشید
منابع انرژی تجدیدناپذیر: منبع انرژی تجدیدناپذیر به منبعی گفته می شود که اگر آنرا مصرف نماییم قادر نخواهیم بود در زمان کم،آنرا دوباره محیا نماییم.مانند نفت،گاز،ذغال،انرژی هسته ای
                                                                    شکل 1-1 نمایش انواع انرژی
منابع انرژی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر هر دو برای تولید انرژی های ثانویه مانند الکتریسیته استفاده می شوند.
به طور کلی،تمامی سوخت های فسیلی جزء منابع انرژی تجدیدناپذیر به حساب می آیند.
حال درباره هریک از انرژی های فوق مختصر توضیح می دهیم:
1-2-1 زیست توده(biomass)
از نقطه نظر تاریخی استفاده از انرژی زیست توده به ابتدایی ترین دوره های تاریخ باز می‌گردد از زمانی که آتش شناخته شد، انسان نخستین همواره چوب و برگ خشک درختان را به عنوان سوخت استفاده می‌کرده و این چرخه تا قرن حاضر نیز ادامه پیدا کرده است زیست توده شامل کلیه موادی در طبیعت میشود که در گذشته نزدیک جاندار بوده، از موجودات زنده بعمل آمده و یا زائدات و ضایعات آنها می باشند.
می دانیم که منشاء منابع فسیلی نیز منابع زیست توده می باشد ولی تفاوت آنها در این است که منابع فسیلی از منابع زیست توده که در گذشته بسیار دور زنده بودند و تحت شرایط فشار و دمای خاص حاصل شده اند(دهها میلیون سال پیش).زیست توده یکی از منابع مهم انرژی های تجدیدشونده محسوب می شود و به هر موجود زنده که قابلیت رشد و نمو داشته و بر مبنای قوانین طبیعی تقسیم شوند اطلاق می شود و شامل جنگلها، اجزاء گیاهان، برگها، موجودات زنده اقیانوس ها، زائدات حیوانی، پسماندهای شهری و غذایی و ... می شوند. این مواد قابلیت ذخیره انرژی در خود را دارا می باشند. در واقع در خلال پدیده فتوسنتز، دی اکسید کربن از طریق آب و خاک و هوا توسط انرژی خورشیدی در گیاهان ذخیره می شود و باعث رشد و نمو آنها می گردد این انرژی خورشیدی در مواقع مصرف، قابلیت تبدیل به انرژی را دارا می باشد. زیست توده قابلیت تولید برق،حرارت، سوختهای مایع، سوخت های گازی و انواع کاربردهای مفید شیمیایی را دارا می باشد.برای آزاد کردن انرژی این مواد ، تنها می توانیم انها را بسوزانیم.
                                                                                         شکل 2-1 فتوسنتز
  منابع زیست توده که برای تولید انرژی مناسب هستند، طیف وسیعی از مواد را شامل می شوند که بصورت عمده به شش گروه تقسیم می شوند:
.سوختهای چوبی
·زائدات جنگلی، کشاورزی، باغداری و صنایع غذایی
·زائدات جامد شهری (زباله ها)
·فضولات دامی
·فاضلابهای شهری فاضلابها، پسماندها و زائدات آلی صنعتی    
می دانیم که منشاء منابع فسیلی نیز منابع زیست توده می باشد ولی تفاوت آنها در این است که منابع فسیلی از منابع زیست توده ای هستند که در گذشته بسیار دور زنده بودند و تحت شرایط فشار و دمای خاص حاصل شده ­اند(دهها میلیون سال پیش).
                                                                                                  شکل 3- 1
2-2-1 آب
آب جز جدانشدی زندگی ماست و بدون آب ادامه زندگی امکان پذیر نمی باشد. آب از قدیمی ترین منابع انرژی نیز است.در زمان های قدیم از انرژی آب جاری برای به حرکت در آوردن آسیاب ها استفاده می کردنند.آب در مسیر رودخانه رو به پایین حركت می‏ كند و در این حركت انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل می‏ شود.برای نگاه داشتن آب (چه در مصارف كشاورزی یا تولید انرژی الكتریكی)، روی رودخانه‏ها سد بنا می ‏شود. سدها باعث توقف این روند تبدیل و در نتیجه ذخیره شدن آب و بالا آمدن ارتفاع آب می گردند. در نتیجه از اتلاف انرژی آب جلوگیری می ‏كنند و در ایامی كه بارندگی وجود ندارد ذخایر آب برای تولید انرژی قابل استفاده خواهند بود.
                                                                                   شکل 4-1 نمایی از یک سد
برای استفاده از انرژی پتانسیل ذخیره شده در آب،از نیروگاه آبی استفاده می شود.(مثل نیروگاه کارون،کرج و ...).نحوه عملکرد نیروگاه آبی را در شکل زیر مشاهده کنید.
                                                          شکل 5-1 نحوه عملکرد یک نیروگاه آبی
3-2-1 انرژی زمین گرمایی(Geothermal)
انرژی زمین گرمایی،انرژی ای است که در مرکز زمین تولید می شود(حدود 6000 کیلومتر زیر زمین).در درون کره زمین دماهایی بالاتر از دمای خورشید نیز وجود دارد.ما می توانیم از آب داغ و بخار تولید شده دردرون زمین برای گرمایش منازل و تولید برق استفاده کنیم.این انرژی تجدیدپذیر است،زیرا آب با بارش باران تامین می شود و حرارت نیز به صورت پیوسته در درون زمین تولید می شود.
                                                              شکل 6-1 چگونگی استفاده از گرمای درون زمین
 4-2-1 انرژی باد
اولین کشوری که در دنیا از انرژی باد برای مصارف کشاورزی استفاده کرد ایران بود که در این زمینه سابقه ای بیش از 2500 تا 3000 سال دارد. می دانیم که تابش خورشید بطور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می رسد و سبب ایجاد تغییرات در دما و فشار می گردد.در اثر این تغییرات باد بوجود می اید.بنابراین باد یکی از صورت های مختلف انرژی حرارتی خورشیدی است. انرژی باد نیز مانند سایر منابع انرژی تجدیدپذیر از ویژگی ها و مزایای بالاتری نسبت به سایر منابع انرژی برخوردار است.
                                                                         شکل 7-1 توربین بادی
5-2-1 انرژی خورشیدی
خورشید میلیارد ها سال است که در حال تولید انرژی است. این انرژی به صورت تابش از خورشید به ما می رسد ومی توان آن را به انواع دیگر انرژی ها تبدیل نمود.
انرژی خورشیدی را می توان به انرژی حرارتی تبدیل نمود و برای گرمایش آب یا منازل از آن استفاده نمود.
انرژی خورشیدی را می توان به دو صورت به انرژی الکتریکی تبدیل نمود:
الف- با استفاده از سلول های خورشیدی:این سلولها نور خورشید را مستقیما" به الکتریسیته تبدیل می کنند و در مکان هایی که سیم کشی برق موجود نیست بکار می روند.
                                                                       شکل 8- 1 استفاده از سلول خورشیدی
ب- با استفاده از نیروگاههای خورشیدی:این نیروگاهها به صورت غیر مستقیم برق تولید می کنند،یعنی ابتدا آب را به وسیله حرارت آفتاب تبخیر می کنند و با این بخار ایجاد شده توربینی را می چرخانند و برق تولید می کنند.
                                                            شکل 9- 1 نمایی از یک نیروگاه خورشیدی
 6-2-1 سوخت های فسیلی (نفت،گاز،ذغال سنگ)
امروزه ما بیشتر انرژی مورد نیاز خود را از طریق سوزاندن سوخت های فسیلی تامین می کنیم.فسیلها از بقایای گیاهان و جانورانی که در زیر دریاها در زمانهای قدیم مدفون شده بودند بوجود می‌آیند. بنابراین منشأ تولید سوخت ها و انرژی های فسیلی همان بقایای پوسیده موجودات زنده است. که این سوختها بطور طبیعی ، بصورت مواد جامد ، مایع و گاز یا مخلوطی از آنها در معادن استخراج می‌شوند. این انرژی‌ها عبارتند از ذغال سنگ، نفت و گاز.انرژی حاصل از سوختن سوخت های فسیلی تجدیدناپذیر می باشد ، زیرا میلیون ها سال طول می کشد تا این منابع دوباره ایجاد شوند.
                                                                    شکل 10-1 ذغال سنگ یک سوخت فسیلی است
7-2-1 انرژی هسته ای
استفاده از نیروی هسته‌ای از 40 سال پیش آغاز شد و اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تأمین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد.
انرژی در هسته اتم وجود دارد.در یک نیروگاه هسته‌ای این گرما از شکافت هسته‌ای که در داخل راکتور صورت می‌گیرد تامین می‌شود. هنگامی که یک هسته نسبتاً بزرگ قابل شکافت مورد برخورد نوترون قرار می‌گیرد به دو یا چند قسمت کوچک‌تر تقسیم می‌شود و در این فرآیند که به آن شکافت هسته‌ای می‌گویند تعدادی نوترون و مقدار نسبتاً زیادی انرژی آزاد می‌شود. نوترون‌های آزاد شده از یک شکافت هسته‌ای در مرحله بعد خود با برخورد به دیگر هسته‌ها موجب شکافت‌های دیگری می‌شوند و به این ترتیب یک فرآیند زنجیره‌ای به وجود می‌آید. زمانی که این فرآیند زنجیره‌ای کنترل شود می‌توان از انرژی آزاد شده در هر شکافت (که بیشتر آن به صورت گرماست) برای تبخیر آب و چرخاندن توربین‌های بخار و در نهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد.در تصویر زیر می توانید چرخه تولید و مصرف انرژی هسته ای را مشاهده کنید.
                                                 شکل 11-1 چرخه ی تولید و مصرف انرژی هسته ای
همانطور که می دانیم انرژی هسته ای از منابع انرژی تجدید ناپذیر می باشد. انرژی هسته‌ای کاربردهای زیاد در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و ... دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته‌ای به تمامی انرژیهای دیگر قابل تبدیل است، ولی هیچ انرژی به انرژی هسته‌ای تبدیل نمی‌شود.
                                                                      شکل 12-1 نمایی از یک راکتور هسته ای
در سی سال انتهایی قرن بیستم ترس از رخدادهای خطرناک هسته‌ای ، مشکلات مربوط به دفع زباله‌های هسته‌ای، بیماری‌های ناشی از تشعشع هسته‌ای و... باعث به وجود آمدن جنبش‌هایی برای مقابله با توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای شد و این خود از دلایل کاهش توسعه نیروگاه‌های هسته‌ای در بسیاری از کشورهاست.
3-1 انرژی مورد استفاده ما
ما در زندگی روزمره مقدار چشمگیری از انرژی را مصرف می کنیم.روند زندگی ما مصرف است.مصرف منابع طبیعی و انرژی.شکل زیر به وضوح نحوه این  مصرف را نشان می دهد.
این داده ها مربوط به نحوه زندگی مردم انگلستان می باشد ولیکن  می توان آنرا نمونه ای از زندگی مردمی که در جهان توسعه یافته زندگی می کنند در نظر گرفت.حجم انرژی که ما برای گرم کردن از آن استفاده می کنیم 59% مصرف ما را تشکیل می دهد و این در حالیست که می توان به آسانی با طراحی یک سیستم خورشیدی منفعل این انرژی را تامین کرد.انرژی مصرفی بعدی جهت گرمایش آب است که 22% از حجم مصرف انرژی را تشکیل می دهد در حالی که می دانیم به آسانی می توان با انرژی خورشیدی دمای آب را افزایش داد.بنابراین تا این قسمت به این نتیجه رسیدیم که 81% از نیاز انرژی خود را می توانیم به آسانی با استفاده از تکنولوژی های خورشیدی تامین کنیم.14% باقی مانده از انرژی مورد نیاز ما مربوط به تامین نیروی الکتریکی جهت روشنایی و کاربرد های خانگی و سرمایش فضا می باشد که می توان با استفاده از انرژی خورشیدی،الکتریسیته خالص تولید کنیم.5% باقی مانده از انرژی مصرفی ما مربوط به پخت غذا می باشد که این امر نیز با استفاده از انرژی خورشیدی بسیار ساده و آسان است.بنابراین دیدیم که کل انرژی مورد نیاز ما با تکنولوژی خورشیدی تامین پذیر می باشد.
                                                            شکل 13-1 نمودار تصویری مصرف انرژی
4-1 اتلاف انرژی:
برای خواندن راه های مختلف اتلاف انرژی و جلوگیری از آن این مقاله را مطالعه فرمایید
تکلیف : انواع انرژی های فسیلی و تجدید پذیر را توضیح دهید؟ لزوم استفاده از انرژی های تجدید پذیر چیست؟
کار عملی : ..........
محل اردو و بازدید : بازدید از یکی از نیروگاه های فسیلی تولید انرژی
( پیشنهاد : بازدید از نیروگاه بخار برق آلستوم طرشت)
منابع و مطالعه :
1-کتاب از طلوع تا غروب خورشید-نوشته شان باکلی-ترجمه احمد سیدی نوقابی
تنظیم کننده: محبوبه همت

مطالب مرتبط:
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه اول
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه دوم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه سوم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه چهارم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه پنجم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه ششم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه هفتم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه هشتم