تاپیک انواع منابع انرژی نو

[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]
- 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 He2e2 +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