مقاله تولید انرژی تجدید پذیر خورشیدی

دسته بندي : فنی و مهندسی » صنایع
مقاله توليد انرژي تجديد پذير خورشيدي در 118 صفحه ورد قابل ويرايش

فهرست مطالب

فصل اول ?
انرژي تجديد پذير چيست؟ ?
فايده هاي کليدي آن عبارتند از: ?
?- فايده هاي محيطي: ?
?- انرژي براي نسل هاي آينده ما: ?
?- شغل ها و اقتصاد: ?
انرژي نو: ??
جايگاه انرژي خورشيدي در تأمين الکتريسيته ??
ماژول هاي خورشيدي ??
باطري ??
شارژ کنترولر ??
برآورد هزينه تأمين الکتريسيته خورشيدي (فتوولتائيک) ??
طبقه بندي سيستم هاي خورشيدي ??
سيستم هاي فتوبيولوژي ??
سيستم هاي شيميايي خورشيدي ??
سيستم هاي فتوولتائيک ??
عملکرد سلول هاي خورشيدي ??
سيستم هاي حرارتي ??
گردآورنده هاي خورشيدي تخت ??
بررسي اقتصادي سيستم هاي گرمايش خورشيدي ??
سرمايه گذاري: ??
هزينه اوليه: ??
سياست توسعه سيستم هاي گرما خورشيدي ??
کمک هاي اقتصادي: ??
تحقيق، توسعه و نمايش کارکرد سيستم ها: ??
فني: ??
اقتصادي: ??
آموزش/ اجتماعي – فرهنگي: ??
فصل دوم ??
موقعيت فعلي و آينده انرژي طبيعي ??
?- علوم نجومي: ??
?- علوم محيطي: ??
?- علوم شيميايي: ??
فصل سوم: ??
ثابت خورشيدي ??
مدل خورشيدي: ??
ترکيب طيفي ثابت خورشيدي: ??
فصل چهارم: ??
سيستم هاي حرارتي خورشيد ??
سمت گيري رشته پانل ها: ??
اندازه رشته پانل ها: ??
رشته هاي سري و موازي: ??
تلفات لوله: ??
مبدل هاي حرارتي: ??
ذخيره سازي: ??
سرد کننده هاي تابشي: ??
فصل پنجم: ??
آفتاب گيري در سطح زمين ??
يک مدل جوي: ??
جذب و پراکندگي تابش خورشيدي توسط اجزاي سازنده جو: ??
تابش مستقيم خورشيد: ???
شار پخشي: ???
معادلات تقريبي براي شار خورشيدي کل: ???
اندازه گيري آفتاب گيري در سطح زمين: ???
شار حرارتي جو: ???
فصل ششم: ???
تبديل مستقيم انرژي خورشيدي به کار – دستگاه هاي فتوولتايي ???
نيمه هاديهاي ذاتي ( خالص) : ???
نيمه هاديهاي غير ذاتي ( نا خالص شده ): ???
پيوند p-n : ???
دستگاههاي فتوولتايي پيوندي : ???
پاسخ دهي طيفي جريان فوتوني: ???
ساخت وسايل فتوو لتايي سيلسيومي : ???
برآورد هزينه توليد برق: ???
نتيجه گيري : ???









مقدمه:

در حال حاضرتوليد انرژي الکتريکي در دنيا به مقدار زيادي بر ذغال سنگ، نفت و گاز طبيعي تكيه دارد. سوخت هاي فسيلي تجديد ناپذيرند، آنها بر منابع محدودي كه رفته رفته به پايان مي رسند ، بنا شده اند.

در مقابل انرژيهاي تجديد پذير مانند باد و انرژي خورشيدي، پيوسته جايگزين مي شود و هيچ گاه به پايان نمي رسند. اغلب انرژي هاي تجديد پذير به دو صورت مستقيم يا غير مستقيم از خورشيد ناشي مي شوند.

نور خورشيد يا همان انرژي خورشيدي، مي تواند براي گرم كردن و روشنايي خانه ها و ساير ساختمان ها، براي توليد الكتريسيته، براي آب گرم كردن، گرم کن هاي خورشيدي و انواع كاربردهاي اقتصادي و صنعتي مستقيماً استفاده مي شود.

همچنين گرماي خوشيد موجب وزش باد مي شود؛ همان انرژي اي كه توسط توربين هاي بادي گرفته مي شود؛ سپس بادها و گرماي خورشيد باعث تبخير آب مي شوند. وقتي اين بخار آب به باران يا برف تبديل مي شود و از سرازيرها به رودخانه ها و مسيرهاي آب هدايت مي شود، انرژي آن مي تواند گرفته شده و از توان هيدرو الكتريكي آن استفاده شود.

همراه با باران و برف، نور خورشيد باعث مي شود گياهان رشد كنند، ماده اي كه آن گياهان را مي سازد، به عنوان توده زنده يا زيست توده مي شناسيم.

بيومس مي تواند به منظور توليد الكتريسيته، سوخت هاي حمل و نقل يا موارد شيميايي استفاده شود. كاربرد بيومس براي هر يك از اين اهداف، انرژي بيومس ناميده مي شود.

هيدروژن نيز مي تواند در بسياري از تركيبات اصلي، مثل آب، يافت شود. هيدروژن فراوان ترين عنصر روي زمين است، اما بصورت يك گاز طبيعي موجود نيست. هيدروژن هميشه با ديگر عناصر تركيب شده است، مثل تركيبش با اكسيژن براي ساخت آب. وقتي هيدروژن از عنصر تركيبي اش جدا شود مي تواند بعنوان سوخت مورد استفاده قرار گيرد.

تمام منابع انرژي تجديد پذير از خورشيد ناشي نمي شوند. انرژي زمين گرمايي دريچه گرماي درون زمين براي كاربردهاي متنوع شامل: توليد توان الكتريكي و گرم و سرد كردن ساختمان هاست، و انرژي جزر و مد اقيانوس ها از نيروي كشش ماه و خورشيد بر روي زمين ناشي مي شود.

در حقيقت، انرژي اقيانوس از منابع متعددي ناشي مي شود. علاوه بر انرژي جزر و مد، انرژي امواج اقيانوس بوسيله هر دو انرژي جزر و مد و باد، بوجود مي آيد. هم چنين خورشيد بيش از آنكه عمق اقيانوس را گرم كند. سطح آنرا گرم مي كند، ايجاد يك اختلاف دما مي تواند بعنوان يك منبع انرژي بكار گرفته شود. تمامي اشكال انرژي اقيانوسي مي تواند براي توليد الكتريسيته اعمال شود.







چرا انرژي تجديد پذير مهم است؟

اهميت انرژي تجديد پذير به خاطر فوايد آن است.

فايده هاي كليدي آن عبارتند از:

فايده هاي محيطي: فن آوري هاي انرژي تجديد پذير، منابعي پاك از انرژيهايي هستند كه از صنايع انرژي هاي مرسوم، تماس و آلودگي محيطي بسيار كمتري دارند.

انرژي براي نسل هاي آينده ما: انرژي تجديد پذير پايان نخواهد پذيرفت، هرگز. اما منابع ديگر انرژي محدودند و همين روزها ته مي كشند.

مشاغل و اقتصاد: سرمايه گذاري ها بر روي انرژي تجديد پذير اغلب صرف تهيه مواد خام (لوازم و كالا) و مصرفي و ساختاري براي ساخت و نگهداري وسايل مي شود، تا سرمايه گذاري بر روي واردات پر خرج انرژي. اين بدان معناست كه پولي كه شما بابت انرژي مي پردازيد، به جاي اينكه وارد اقتصاد كشوري بيگانه شود، در كشور خودمان باقي مانده، اشتغال زايي كرده و موجب صرفه جويي اقتصادي در مصرف سوخت مي شود.

1- فايده هاي محيطي:

فن آوري هاي انرژي قابل تجديد از صنايع انرژي مرسوم كه بر سوخت فسيلي تكيه دارد، با محيط اطرافش بسيار دوستانه تر عمل مي كند.

سوخت هاي فسيلي در بسياري از مشكلات زيست محيطي كه ما امروزه با آنها مواجه هستيم، سهم قابل توجهي دارند- گازهاي گلخانه اي، آلودگي هوا و آلودگي آب و خاك- در صورتيكه متابع انرژي تجديد پذير در اين امر سهم بسيار اندكي داشته يا هيچ نقشي ندارند.

گازهاي گلخانه اي، دي اكسيد كربن، متان، اكسيد نيتروژن، هيدروكربن ها و كلروفلوئوركربن ها، جو زمين را مثل يك پتوي گرم و شفاف احاطه كرده اند، به اشعه هاي گرم خورشيد اجازه داخل شدن مي دهند و گرما را در نزديك سطح زمين به دام مي اندازند (نگه مي دارند).

اثرات اين گلخانه طبيعي، دماي متوسط سطح زمين را حدود 60 درجه فارنهايت
(33 درجه سانتيگراد) نگه مي دارد. اما افزايش مصرف سوخت هاي فسيلي، بطور قابل توجهي انتشار (توليد) گازهاي گلخانه اي را زياد كرده است، مخصوصاً دي اكسيد كربن، به وجود آورنده افزايش اثر گازهاي گلخانه اي كه به عنوان گرماي محسوس و يكپارچه زمين شناخته مي شود. مطابق نظر آژانس حفاظت محيط زيست ايالات متحده، سهم دي اكسيد كربن عهده دار 2/1 تا 3/2 افزايش عمومي دماست.

با اين وجود، فن آوري هاي انرژي قابل تجديدپذير، گرما و الكتريسيته را با انتشار (توليد) مقدار ناچيز يا صفر دي اكسيد كربن، توليد مي كند. هم چنين استفاده از انرژي سوخت هاي فسيلي، منبع مهمي براي آلودگي هوا، آب و خاك مي باشد.

آلاينده ها نظير منوكسيد كربن، دي اكسيد گوگرد، دي اكسيد نيتروژن، ذرات معلق و سرب- باج غم انگيزي از محيط گرداگرد ما مي گيرند!

به عبارت ديگر، اغلب فن آوري هاي انرژي قابل تجديد، آلودگي ناچيز يا صفر توليد مي كنند.

آلودگي و گرماي زمين هر دو، احتمال حتمي خطر بزرگ سلامتي نسل بشر را مطرح مي كنند.

مطابق با راي انجمن ريه (آمريكا) آلودگي هوا در امراض ريه، نظير: تنگي نفس، سرطان ريه و عفونت هاي نواحي تنفسي، سهيم است و سالانه قريب به 335000 نفر در آمريكا به اين علل فوت مي كنند.

ضمناً ممكن است اثرات طولاني مدت مرتبط با گرماي زمين، مخرب تر نيز باشد. عوارض مرگ و مير با هواي بسيار گرم امكان دارد و هنگامي كه دما بالا
مي رود، امراض مي توانند انرژي نهان قوي تري براي پيشرفت داشته باشند.

نهايتاً، فن آوري هاي انرژي قابل تجديد، مي توانند به ما براي تغيير الگوهاي مرسوم مصرف انرژي، براي ارتقاء كيفيت محيط پيرامون مان، كمك كنند.

2- انرژي براي نسل هاي آينده ما:

مصرف انرژي جهان، در آينده به كدام انرژي متمايل خواهد بود؟

بله، ما به خوبي مي توانيم ثابت كنيم كه مصرف الكتريسيته، رشدي جهاني خواهد داشت. آژانس بين المللي انرژي مطرح مي كند كه ظرفيت توليد الكتريسيته جهان تا سال 2020، تقريباً به 8/5 ميليون مگاوات، افزايش خواهد يافت. كه حدود 3/3 ميليون مگاوات، بيش از سال 2000 است.

در اين حال، ذخاير سوخت هاي فسيلي كره زمين منبع اصلي كنوني انرژي مان، طبق نظر بهترين تجزيه و تحليل گران صنعت نفت، از سال ها 2020 الي 2060 شروع به اتمام رسيدن خواهند كرد.

ما چگونه احتياجمان به آن مقدار انرژي را بر طرف خواهيم كرد؟

انرژي تجديد پذير مي تواند بهترين پاسخ ما باشد.

كمپاني بين المللي شل، پيش بيني مي كند كه در سال 2060، انرژي تجديد پذير، 60% انرژي جهان را تأمين خواهد كرد.

بانك جهاني تضمين ميكند كه نرخ داد و ستد براي انرژي خورشيدي (الكتريسيته) طي 30 سال، به طور مقطوع به چهار تريليون دلار خواهد رسيد.

همچنين سوخت هاي بيومس (زيست توده اي) مي توانند جانشين گازوئيل شوند. و بر عكس سوخت هاي فسيلي، منابع انرژي تجديد پذير، قابل نگهداري مي باشند و هيچ وقت تمام نمي شوند عملكرد امروز ما براي مرسوم نمودن فن آوري هاي انرژي قابل تجديد، نه تنها به نفع حال ماست، بلكه موجب توليد منافع زيادي نيز خواهد شد.

3- شغل ها و اقتصاد:

قشر گسترده اي از ايالات متحده مجبور به واردات سوخت هاي فسيلي مانند نفت و گاز طبيعي، براي توليد برق، گرما و سوخت، هستند. هزينه اين سوخت هاي فسيلي مي تواند بالغ بر ميليون ها دلار شود و هر دلاري كه صرف واردات انرژي شود، يك دلار از اقتصاد محلي كسر مي شود.

در اين حال، منابع انرژي تجديد پذير، بطور موضعي (محلي) گسترش يافته، هزينه صرف شده براي انرژي از كشور خارج نمي شود، اشتغال زايي نموده و موجب تقويت اقتصاد مي شود. كسر فن آوري هاي انرژي قابل تجديد، زحمتي سخت مي طلبد.

شغل ها به زودي از ساخت و ساز، طراحي، نصب، سرويس و فروش محصولات انرژي تجديد پذير، به پايان مي رسند.

اشتغال هم چنين بطور غير مستقيم از شغل هايي كه كمپاني هاي انرژي تجديد پذير را با مواد خام، حمل و نقل، اسباب و لوازم و خدمات تخصصي نظير محاسبات و خدمات اداري تغذيه مي كنند، فراهم خواهد شد.

در نتيجه، دستمزد و حقوق حاصل از شغل هابر درآمد افزوده در اقتصاد محل را موجب مي شود. از اين گذشته درآمد حاصل از انرژي تجديد پذير، چيزي بيشتر ازاين اقتصاد محلي را رشد مي دهد، يعني مزايايي براي كل كشور.

بطور مثال در سال 2001، ايالات متحده حدود 103 بيليون دلار صرف واردات نفت از خارج كرده است. اما به عنوان يكي از سازندگان بزرگ سيستم هاي انرژي قابل تجديد جهان، مي تواند با افزايش مصرف انرژي تجديد پذير در سراسر دنيا، سرمايه بيشتري را به كشورش وارد كند. در حال حاضر سازندگان سيستم هاي فتوولتايي ايالات متحده حدود 3/2 كل سازندگان جهان هستند. و حدود 10% صادرات اين سيستم هاي PV بيشتر صرف توسعه شده كه منجر به فروش ساليانه بيش از 300 ميليون دلار مي شود.

چرا بهينه سازي انرژي اهميت دارد؟

بهينه سازي يعني انرژي كمتري براي انجام يك عمل واحد، صرف كنيم. بهينه سازي مصرف انرژي در كشور، در صرف پول كمتر براي انرژي توسط صاحبان مسكن، مدارس، ادارات دولتي، كارخانه ها و صنايع است. پولي كه بايد صرف انرژي شود، در عوض مي تواند صرف مايحتاج مصرف كنندگان، تحصيلات، خدمات و توليدات شود. يك اقتصاد بهينه انرژي، مي تواند بدون مصرف انرژي اضافي، رشد كند. اقتصادي كه كمتر انرژي مصرف كند، كمتر هم آلودگي توليد
كند، چون اين دو (مصرف انرژي و آلودگي) بدقت به هم گره خورده اند.

- براي منازل: براي خانه يا مشاغل كوچك و براي ساير ساختارها(كارآيي)يا بهينه سازي انرژي، مصرف كمتر انرژي براي گرم كردن، سرد كردن و روشنايي ساختمان معنا ميدهد. و هم چنين خريد وسايل كم مصرف از قبيل كامپيوترها و ساير لوازم منزل مي باشد. براي مالكان خانه و صاحبان مشاغل، مصرف كمتر انرژي، ذخيره مالي محسوب مي شود.

- براي ماشين ها: براي ماشين شما و ديگر وسايل نقليه، بهينه سازي انرژي به معناي ساخت ترن هاي جديد و ديگر تكنولوژي هاي وسايل نقليه است.

ماشين هاي مجهز به موتورهاي دو گانه (دو سوختي) بنزين – الكتريكي يا مجهز به سلول هاي سوختي، دو مثال از بهينه نمودن انرژي در وسايل نقليه است.

- براي شركت هاي برق: براي شركت برق و ساير تهيه كنندگان الكتريسيته (برق) بهينه سازي انرژي، اغلب بدن معناست كه به مشتريان شان كمك كنند تا انرژي را در خانه ها و مغازه هايشان ذخيره كنند. البته هم چنين به معناي رساندن و ذخيره موثرتر و بهتر برق نيز هست.

- براي صنايع محلي: براي صنايع محلي (صنايع محدود و كوچك)، بهينه سازي انرژي به معناي يافتن راه كارهائي است كه كار يكساني را با انرژي كمتر، انجام دهند. مثلاً ريخته گري پيوسته، در صنايع فولاد، پيشرفتي در راه كارآيي (بهينه نمودن) انرژي است. بهينه سازي انرژي هم چنين به معناي استفاده بهتر از موتورها، سيستم هاي بخار، سيستم هاي فشرده سازي هوا و ساير ابزار و وسايل صنعتي مي باشد.





انرژي نو:

در اين جا انرژي هاي تجديد پذير را به منظور بررسي، به عنوان هاي زير دسته بندي نموده در زير، به شرح يکي ازآنها مي پردازيم:

? انرژي زنده يا انرژي زيست توده

? سوخت زنده

? انرژي باد

? انرژي خورشيد

? انرژي زمين گرمايي

? انرژي هيدروالكتريك

? انرژي هيدروژن

? انرژي اقيانوسي

الف) استفاده از انرژي تابشي:

بيشتر در جهت توليد برق و روشن سازي بكار گرفته مي شود. مقدار انرژي تابشي خورشيد در روي كره زمين 10000 برابر مصرف مقدار ساليانه انرژي كل دنيا مي باشد. براي تبديل انرژي تابشي به الكتريكي مي توان از فتوولتائيك
بهره گرفت و مستقيماً آن را به انرژي الكتريكي تبديل نمود. از اين روش مي توان تا مقياس يك روستا را برق رساني نمود. تكنولوژي آن ساده و تعمير و نگهداري نيز ضرورتي ندارد. بطور مثال فتوولتائيك با 15% راندمان مفيد در شرايط هواي آفتابي 2 W/m100 توليد برق مي نمايد. روشن سازي محيط انرژي تابشي خورشيد به طور طبيعي صورت مي گيرد و پديده روشنايي كره زمين در طي روز توسط انرژي تابشي مي باشد.

ب) انرژي حرارتي:

انرژي حرارتي خورشيد خود به طور مستقيم مورد استفاده هاي مختلفي دارد.براي مثال با كاربرد كلكتورهاي خورشيدي مي توان آبگرم، گرمايش داخل فضاها، سرمايش، آب شيرين، خشك كردن محصولات كشاورزي و توليد برق و حرارت نمود.

بطور مثال در مقايسه با سرمايش و گرمايش با سيستم هاي متعارف و متداول با استفاده از كلكتورهاي خورشيدي و چيلر جذبي مي توان در انرژي مورد نياز براي گرمايش و سرمايش منازل به ترتيب %52 و %39 صرفه جويي انرژي نمود يا با افزايش سطح عدسي و جمع كردن اشعه بيشتر حرارت زيادتري تحصيل نمود. در فرانسه كوره خورشيدي نصب شده در روي Pyreness تقريبا داراي قدرت تحصيل 3300 درجه سانتي گراد بوده كه مي تواند فلز تنگستن را ذوب كند.





2- علوم محيطي:

انرژي خورشيدي از نقطه نظر علوم محيطي به دو نوع انرژي آب و انرژي باد تقسيم مي شود.

الف) رودخانه ها كه بوسيله گرمايش خورشيد و ذوب شدن برف ها بوجود مي آيند. به دو صورت مي توانند در توليد برق مؤثر باشند. اولاً توليد برق توسط انرژي آب بوسيله افت آب از ارتفاع زياد و به حركت در آوردن توربين ميسر مي باشد. در اين روش ساخت سدها نمونه بارز اين مصداق است. ثانياً حركت آب رودخانه ها نيز امكان چرخش توربين را نيز ميسر مي كنند كه نتيجتاً برق توليد مي گردد.

ب) باد كه از گرم شدن لايه هاي هوا و حركت اين هوا و جابجايي آن بوجود مي آيد. در حال حاضر در توليد نيروي برق و گرمايش بكار گرفته مي شود و كشورهاي آمريكا و اروپاي غربي در اوايل دهه 1980 اقدام به آزمايش توليد چندين مگاوات برق مصرفي از نيروي باد گرديدند. البته تا به حال در توليد برق بوسيله نيروي باد، با نصب مجموعه اي از توربين بادي در يك نقطه موفق به كسب 50 تا 100 كيلووات برق شده اندو بخصوص در ايالات كاليفرنيا واقع در ساحل غربي با نصب 10000 دستگاه توربين بادي به ظرفيت كل 1000 كيلووات در حال حاضر برق توليد مي گردد.





3-علوم شيميايي:

از نقطه نظر علوم شيميايي فعل و انفعالات شيميايي بوسيله نور را مي توان نام برد. در پديده فتوسنتز در گياهان تبديل انرژي نور به شيميايي صورت مي گيرد، كلروفيل موجود در سلول هاي گياهان نور خورشيد را جذب و با ازدياد انرژي در آنها موجب فعل و انفعالات شيميايي شده و نهايتاً از گاز دي اكسيد كربن (2co)وآب(o2H) اكسيژن (2o) احيا مي شود. اين انرژي نه فقط موجب رشد و نگهداري گياهان شده بلكه رل اصلي زندگي انسان و حيوان روي زمين را ايفا مي نمايد. اين فعل وانفعالات، گاز كربنيك (2co) رابه اكسيژن (2o) تبديل كرده و تركيبات اتمسفريك را نيز بطور يكسان و متعادل نگهداري مي نمايد. به عقيده برخي صاحب نظران، نفت، ذغال سنگ، گاز و به عبارت ديگر انرژي فسيلي در طول زمان بوسيله انرژي فتوسنتز ذخيره شده در گياهان بوجود آمده است (اين نظريه مورد قبول برخي ديگر از كارشناسان قرار نگرفته است).