انرژی خورشیدی

تقریباً تمام شکل‌های زمینی انرژی (غیر از انرژی اتمی) از خورشید سرچشمه می‌گیرد.خورشید با پرتوافشانی همیشگی خود،زندگی را در کره‌ی زمین امکان پذیر ساخته است.خورشید شی هیدرومکانیکی شگفت‌انگیزی است به قطر حدود ۱۳۹۰۰۰۰ کیلومتر که از یک توده گاز،عمدتاً هیدروژن تشکیل شده است.هسته خورشید به شدت گرم است،به طوری که همجوشی اتم‌های هیدروژن و تشکیل هلیوم را امکان پذیر می‌سازد.بر اثر این همجوشی،انرژی به صورت تشعشعات الکترومغناطیسی با فرکانس زیاد آزاد می‌شود.این انرژی به وسیله‌یک رشته فرآیندهای پی در پی به سطح خورشید منتقل می‌شود.پرتوهای خورشیدی در فضا پراکنده شده و بخشی از آن به زمین می‌رسد.تشعشعات الکترومغناطیسی که به صورت واگرا از خورشید ساطع می‌گردند،با سرعت ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه در فضا منتشر می‌شوند.زمین که در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید قرار دارد،تنها در حدود ۲ میلیاردیم انرژی منتشر شده از خورشید را می‌گیرد.
مقدار انرژی متوسط خورشیدی که به جو زمین می‌رسد،در حدود ۳۵۳/۱ کیلو وات بر هر متر مربع است.مقدار انرژی ای که به سطح زمین می‌رسد،بسیار کمتر و مقداری که قابل بهره‌برداری است،از آن هم کمتر است.چنان که مجموع انرژی خورشیدی را در زمین‌هایی که نه در تصرف کسی و نه زیر کشت است حساب کنیم،در آن صورت به بهترین وجه ظرفیت بالقوه بهره‌برداری از انرژی خورشیدی به دست می‌آید.طبق برآوردها این رقم در سال ۱۰۰۰۰ تراوات است.
میزان تابش نور خورشیدی در کشور ایران در حدود ۵ کیلووات ساعت انرژی در روز در مترمربع است.بیش از ۹۰ درصد خاک ایران در سال،۳۰۰ روز در معرض تابش نور خورشید قرار دارد.انرژی خورشیدی بزرگترین منبع انرژی پاک کره‌ی زمین است و مزیت بزرگ آن در دسترس بودن آن در بیشتر نقاط است.
انرژی‌های تجدیدپذیر به طور کلی با طبیعت سازگار بوده و مصرف آن‌ها آلودگی محیط زیست را به همراه ندارد و چون تجدیدپذیرند پایانی برای آن‌ها متصور نیست.ظاهرا آسیا و آفریقا بهترین نقاط برای گردآوری انرژی خورشیدی هستند.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

شکل ‏۰‑۱: مدل یک نیروگاه خورشیدی- حرارتی
گرفتن انرژی برق از خورشید به وسیله سلول‌های فتوولتایی انجام می‌شود.یک سیستم فتوولتایی خصوصیات خاص خود را دارد که در روش‌های دیگر تولید برق از انرژی خورشیدی کمتر وجود دارد و آن به این ترتیب است که‌یک سیستم فتوولتایی می‌تواند در اندازه‌های بسیار کوچک تانیروگاه‌های بسیار بزرگ ساخته شود و نیاز مصرف کننده را برطرف نماید.
سیستم‌های فتوولتایی(^[۸]PV)اولین بار برای کاربردهای فضایی مورد استفاده قرار گرفت و تکمیل شد.سیستم‌های فتوولتایی انرژی خورشیدی را مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
مبانی اصلی در اینجا،«اثر فتوالکتریک» است که برای اولین بار توسط آلبرت انیشتین بیان شده است که نور سبب می‌شود الکترون‌ها از ماده رها شوند.سیستم‌های فتوولتایی و سلول‌های خورشیدی، کریستال‌های صافی هستند که از لایه‌های نازک نیمه‌هادی ساخته شده‌اند.آن‌ها خواص الکترونیکی متفاوتی دارند که سبب پیدایش میدان‌های الکتریکی قوی درون آن‌هامی‌شود .زمانی که نور وارد کریستال می‌شود، الکترون‌هایی که به وسیله نور تولید می‌شوند،توسط این میدان‌های الکتریکی بین سطح بالایی و سطح پایینی سلول به وجود می‌آید.هنگامی که مدار الکتریکی بسته می‌شود،این اختلاف پتانسیل،جریان مستقیمی را در مدار به وجود می‌آورد.
برای حفاظت سلول‌های فتوولتایی آن‌ها را به هم متصل کرده و به صورت مدول در می‌آورند.مدول‌ها روی یک صفحه نصب شده و پانل، صفحه فتوولتایی یا شبکه فتوولتایی را تشکیل می‌دهند.برای جمع‌ آوری هرچه بیشتر الکترون ها توسط پانل در فصول مختلف سال،آرایش و جهت مناسبی به پانل داده می‌شود.یک سیستم فتوولتایی معمولاً شامل باتری‌های ذخیره الکترو شیمیایی برای کاربردهای مختلف است.
هدف اصلی تحقیق و توسعه (R&D^[9]) در فناوری‌های تمرکزی،به دست آوردن بازده بیشتر است.با سلول‌های سیلیکونی به حداکثر بازده ۳۷ درصدی رسیده‌اند.با روی هم قرار دادن مواد سیلیکون و گالیم(با پایه گالیم) یا سایر مواد نیمه‌هادی مثل اینیدیوم فسفید^[۱۰] به منظور تشکیل سلول‌های چند پیوندی که هر یک از لایه‌های آن‌ها جزء مواد مختلفی از طیف فرکانس خورشید را جمع‌ آوری می‌کند، می‌توان به ارقام بالاتری رسید.حد نصابی که تا کنون با این روش به دست آمده،بازده بیش از ۳۷ درصد است.
کارایی سلول، با افزایش دمای سلول کاهش پیدا می‌کند و متمرکزکننده‌های خیلی قوی به سیستم‌های خنک کننده قوی نیاز دارند.در اینجا به سیستم تعقیب و رد گیری در محوری بسیار دقیق برای تعقیب خورشید نیاز است تا کانون را همواره بر روی سلول‌ها نگاه دارد.]۲۰و ۲۱[
به طور کلی مراحل تولید الکتریسیته در یک سیستم فتوولتاییک را در ۴ مرحله‌ی زیر خلاصه کرد:

1. 1. برخورد فوتون به لایه‌های نیمه‌هادی P و N

1. 1. حرکت حامل‌های اقلیت

1. 1. تراکم بار منفی در N

1. 1. در صورت اتصال به بار جریان معکوس از سر P به سمت N به راه می‌افتد.

شکل ۱-۲: مدار یک سیستم فتوولتایی]۲۱[

انرژی آبی

انرژی هیدروالکتریک از ریزش آب به توربین آبی و به گردش در آوردن توربین و آلترناتور متصل به آن به دست می‌آید. مقدار برق به دست آمده، به مقدار آب و ارتفاعی که آب سقوط می‌کند تا به توربین برسد،بستگی دارد.برای این منظور اقدام به ساختن سدهای مخزنی می‌کنند تا از آب ذخیره در پشت آن برای تولید برق و کشاورزی و احیاناً آب شهری استفاده شود.
سرمایه‌گذاری اولیه زیاد برای طرح های برق آبی بزرگ، مانع عظیمی در راه گسترش آن‌هاست. مسلم است این امر در کشورهای در حال توسعه که مشکلات مالی فراوانی دارند، بیشتر به چشم می خورد.طرح‌های کوچک برق آبی باید با معیارهای اقتصادی مطابقت داشته باشند و این مسئله اغلب توسعه آن‌ها را محدود می‌سازد.

انرژی بادی

بادهای جهان جمعاً حدود ۲۷۰۰ تراوات انرژی در خود نهفته دارند.هزاران سال است که انسان برای به دست آوردن جزء بسیار کوچکی از این انرژی، از آسیاب‌های بادی استفاده می‌کند.در سال‌های اخیر با بالا رفتن قیمت انرژی‌های فسیلی، دوباره اذهان متوجه نیروی بادی شده است.انرژی بادی به علت رایگان بودن و آلوده نساختن محیط زیست بیشتر مورد توجه قرار دارد.
استفاده از نیروی بادی برای نیازهای محلی بسیار مناسب است.از ۲۷۰۰ تراوات انرژی موجود در باد حدود ۲۵ درصد آن در ۱۰۰ متری زمین قرار دارد.با احداث مبدل‌های بادی در سراسر جهان می‌توان حداکثر ۴۰ تراوات انرژی به دست آورد.با این حال حتی ۱۰ درصد این مقدار انرژی یعنی ۴ تراوات از ظرفیت کل انرژی آبی بیشتر است.قبل از نصب دستگاه توربین بادی لازم است نقاط بادخیز تعیین شود(اطلس بادها) ^[۱۱]و مطالعاتی در خصوص شدت و دوام باد در طول سال به عمل آید.دستگاه توربین بادی باید در مکانی نصب شود که باد به‌اندازه کافی در بیشتر فصول سال وجود داشته باشد]۲۲[.

شکل ۱-۳ تولید برق از انرژی باد]۲۲ [

میکروتوربین

میکروتوربین‌ها یکی از منابع تولید پراکنده هستند که دارای مزایای مختلفی از قبیل اندازه کوچک، وزن سبک، آلودگی‌های زیست محیطی کم و مدت زمان طولانی بین دو سرویس و نگهداری هستند. از دیگر ویژگی های میکروتوربین می‌توان به زمان پاسخ سریع، زمان راه اندازی متوسط، قابلیت دسترسی بالا و قابلیت دیسپاچینگ مناسب اشاره کرد. مشخصات سیستم‌ میکرو‌توربین در جدول (۴-۱) ارائه شده است. در این فصل، سیستم میکروتوربین – ژنراتور^[۱۲] (MTG)، که به اختصار میکروتوربین (MT^[13]) نامیده می‌شود، بررسی می گردد. اجزای اصلی یک سیستم MT عبارتند از:
الف: سیستم کنترل سرعت^[۱۴]
ب: سیستم کنترل درجه حرارت (دما)^[۱۵]
پ: سیستم کنترل شتاب^[۱۶]
ت: سیستم کنترل سوخت^[۱۷]
ث: سیستم توربین گازی (کمپرسور و توربین)
ج: ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم^[۱۸] (PMSG)
جدول۱‑۱: مشخصات میکروتوربین

محدوده توان نامی

سوخت مصرفی

گاز طبیعی، هیدروژن، دیزل، پروپان