 بخش پروژه های دانش آموزی

زمان مورد نیاز: 2-1.30 ساعت
هدف: آشنایی یا فناوری های مختلف تولید برق و انرژی

1-1-    انرژی چیست؟
هنگامی که از کلمه انرژی در جملات استفاده میکنید،  مانند : دیگر انرژی ندارم.

آیا می‌دانید منظور از انرژی چیست؟
انرژی توانایی انجام کاری است . تعریف دقیق انرژی توسط ماکس پلانک ارائه شده و آن عبارت است از استعداد تاثیر گذاری خارجی یک سیستم است .

1-1-1-        اشکال انرژی :
مثالهای انرژی انرژی شیمیایی سوختهای فسیلی، انرژی داخلی یك ماده، انرژی پتانسیل.

انرژی در اشكال مختلفی ظاهر می شود :

·         انرژی الكترومغناطیسی 

·         انرژی شیمیایی ( انرژی واكنش شیمیایی)

·         انرژی هسته ای ( انرژی اتصال هسته) 

·         انرژی مكانیكی ( انرژی پتانسیل، انرژی جنبشی، كار)

·          انرژی داخلی

·         انرژی حرارتی (گرما)

·         انرژی الكتریكی

هر شكلی از انرژی می تواند به هر شكل دیگری از آن تبدیل شود. واحد اصلی انرژی، ژول است . برای مقادیر بزرگ انرژی، واحد های زیر مورد استفاده قرار می گیرد : انرژی ( به خصوص انرژی الكتریكی) همچنین بر حسب كیلووات ساعت (KWh ) اندازه گیری می شود. این واحد  انرژی به صورت زیر به یكدیگر مربوط می شود :
1 Kwh=3.6MJ   ,   1 MJ = 0.278 KWh

1-1-    منابع انرژی در جهان به دو دسته اصلی تقسیم می شوند 
1-1-1-        انرژی های تجدید ناپذیر 
منابع هیدرو كربنی؛ الف: زنده (گیاهان، درختان و رستنی ها ...)، ب: غیر زنده (مواد معدنی مثل زغال سنگ، نفت، گاز و...) كه به سوخت های فسیلی معروفند.
سوخت های فسیلی همچون زغال سنگ و نفت از بقایای گیاهان و جانورانی كه در زیر دریاها در زمانهای قدیم مدفون شده اند به وجود می آیند و به طور طبیعی، بصورت مواد جامد، مایع و گاز یا مخلوطی از آن ها در معادن یافت می شوند.

1-1-1-1-          زغال سنگ 
زغال سنگ یكی از منابع تولید انرژی های فسیلی است كه اغلب در معادن زیر زمینی یافت می شود. بهره برداری از زغال سنگ در شرایط فعلی با صرف هزینه زیاد و كار طاقت فرسا میسر است. به دلیل تولید حرارتی بالا، زغال سنگ در كوره های حرارتی، كشتیهای باری و كارخانجات فولاد سازی کاربرد بیشتری دارد.
1-2-1-2- نفت 
نفت مایعی سیاه رنگ و غلیظ است كه با حفر چاههای عمیق از زیر زمین استخراج می شود. چون استخراج، ذخیره و پالایش آن نسبت به سایر سوخت ها آسانتر است، بیشتر مورد توجه است .

1-1-1-1-          گاز
گاز یكی دیگر ازاشكال منابع هیدروكربنی است كه با تكنیك های ویژه ای بدست می آید .

الف- گاز طبیعی

 مخلوطی از گازهای متان، اتان و پروپان است. این گاز از دو منبع گاز مستقل و گاز همراه با نفت بدست می آید.
ب- گازمایع

 این نوع گاز كه به دلیل تبدیل راحت از حالت گاز به مایع از پركاربردترین گازهای مصرفی است،در كپسول های خانگی مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع از گازها مخلوطی از گازهای پروپان، بوتان، پروپیلن و بوتیلن و در حقیقت مخلوطی از بخش های پالایش شده نفت خام است .
نفت و گاز كاربردهای وسیعی در صنعت، حمل و نقل، كشاورزی و مصارف بهداشتی دارد.

1-1-1-        انرژی های تجدید پذیر
 انرژی خورشید، باد، انرژی زمین گرمایی، انرژی هیدروژنی و پیل های سوختی، بیوگاز،امواج و.... كه در منابع مختلف تحت عنوان انرژی های نو از آن ها یاد می شود.

انرژی های تجدید ناپذیر:

1-1-1-1-          انرژی باد 
انرژی باد نظیر سایر منابع انرژی تجدیدپذیر از نظر جغرافیایی گسترده و عین حال به صورت پراكنده و غیر متمركز محسوب می شود که تقریباً همیشه در دسترس است . در توربینهای بادی، انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد.
استفاده فنی از انرژی باد وقتی ممکن است که متوسط سرعت باد در محدوده 5/ الی 25/ باشد. پتانسیل قابل بهره برداری انرژی باد در جهان 110 اگاژول (هر اگاژول معادی 1018ژول) برآورد گردیده است که از این مقدار 40 مگاوات ظرفیت نصب شده تا اواخر سال 2003 میلادی(1382 ه.ش.) در جهان می باشد.

از مزایای استفاده از این انرژی عدم نیاز توربین بادی به سوخت، تامین بخشی از تقاضاهای انرژی برق، کمتر بودن نسبی انرژی باد نسبت به انرژی فسیلی در بلند مدت، تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار انرژی، قدرت مانور زیاد در بهره برداری( از چند وات تا چندین مگاوات) ، عدم نیاز به آب و نداشتن آلودگی محیط زیست می باشد.
علت تولید باد
گرم شدن زمین و جو آن به طور نامساوی سبب تولید جریان های همرفت (جابجایی) می‌شود، هم چنین حرکت نسبی جو نسبت به زمین سبب تولید باد است.
از آن جایی که سطح زمین از سازنده‌های خشکی و آبی تشکیل شده‌اند، اشعه ی خورشید را به طور غیر یک نواخت جذب می‌کند. وقتی خورشید در طول روز می‌تابد، هوای روی سرزمین‌های خشکی سریع تر از هوای روی سرزمین‌های آبی گرم می‌شود. هوای گرم روی خشکی ضبط شده و بالا می‌رود و هوای خنک تر و سنگین تر روی آب جای آن را می‌گیرد که این فرآیند بادهای محلی را می‌سازد.

سه نوع توربین بادی داریم 

توربینهای بادی کوچک :
از توربینهای بادی کوچک جهت تامین برق جزیره های مصرف و یا مناطقی که تامین برق از طریق شبکه سراسری برق مشکل می باشد استفاده می شود. این توربینها تا قدرت 10 کیلووات توان تولید برق را دارا می باشند.

توربینهای بادی متوسط :
عموماً تولید این توربینها بین 250-10 کیلووات است. از این توربینها جهت تامین مصارف مسکونی، تجاری، صنعتی و کشاورزی استفاده می شود .

توربینهای بادی بزرگ (مزارع بادی) :
این نوع توربینها معمولاً شامل چند توربین بادی متمرکز با توان تولیدی 250 کیلووات به بالا می باشند که به صورت متصل به شبکه و یا جدا از شبکه طراحی می گردند.

اما معایب انرژی بادی :
1.هزینه ساخت توربین‌‌های بادی زیاد است.
2.توربین‌‌های بادی بر كیفیت كار گیرنده‌‌های رادیویی و تلویزیونی اثر منفی می‌گذارند.
3.اگر چه نیروگاه‌‌های بادی اثر گلخانه‌ای یا باران اسیدی ندارند ولی بر محیط زیست اثر می‌گذارند. صدای حاصل از این نیروگاه‌ها بر زندگی پرندگان اثر دارد.

1-1-1-1-          انرژی زمین گرمایی :
مركز زمین (به عمق تقریبی 6400 كیلومتر) که در حدود 4000 درجه سانتی گراد حرارت دارد، به عنوان یك منبع حرارتی عمل نموده و موجب تشكیل و پیدایش مواد مذاب با درجه حرارت 650 تا 1200 درجه سانتی‌گراد در اعماق 80 تا 100 كیلومتری از سطح زمین می گردد. طبق محاسبه ها، مشخص شده است كه انرژی حرارتی ذخیره شده در 11 كیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر كل انرژی به دست آمده از منابع نفت و گاز شناخته شده امروز جهان است. چشمه های آب گرم، نمونه هایی از انرژی زمین گرمایی هستند، آب توسط سنگ های زیرزمین گرم می شوند و سپس در سطح زمین جریان می یابند.
 حدود بیست كشور از این انرژی برای گرم كردن خانه ها، آب و یا برای تولید الكتریسیته استفاده می كنند در حال حاضر بازده كلی این سیستم كمتراز یك درصد از انرژی مورد نیاز جهان است. درسال 2000 حجم تولید برق و حرارت از انرژی زمین گرمایی در جهان 65/49261 گیگاوات ساعت برق بوده است البته عمق مخزن زمین گرمایی نباید بیش از سه هزار متر باشد زیرا بهره برداری از انرژی آن با فناوری كنونی بشر توجیه اقتصادی ندارد.
با افزایش عمق زمین درجه حرارت افزایش می یابد. این افزایش حرارت را شیب حرارتی می نامند. تمام منابع انرژی زمین گرمایی در نقاطی واقع شده اند كه از شیب حرارتی بالایی برخوردارند . بنابراین انرژی زمین گرمایی، همان انرژی حرارتی قابل استحصال از پوسته جامد زمین است. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژی های تجدیدپذیر منشاء یک انرژی پایدار با فاکتور دسترسی 100% است که بطور شبانه روزی در طول سال قابل بهره برداری است.

1-1-1-1-          انرژی هیدروژنی و پیل سوختی 
هیدروژن یكی از عناصری است كه در سطح زمین به وفور یافت می شود. این عنصر در طبیعت به صورت خالص وجود ندارد ولی آنرا می توان به روش های مختلف از سایر عناصر بدست آورد. هیدروژن عمده ترین گزینه مطرح بعنوان حامل جدید انرژی است. این ماده در مقایسه با سایر سوخت ها می تواند با راندمانی بالاتر و احتراق بسیار پاك به سایر اشكال انرژی تبدیل شود . هیدروژن را می توان با استفاده از انواع منابع انرژی اولیه تولید کرد و در تمام موارد و کاربردهای سوختهای فسیلی مورد استفاده قرار داد.
 هیدروژن به ویژه منابع تجدید پذیر انرژی را تکمیل می کند و آنها را در هر محل و هر زمان، بصورت مناسبی در دسترس قرار داده و در اختیار مصرف کننده می گذارد. سیستم انرژی هیدروژنی بدلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دائمی، پایدار، فنا ناپذیر، فراگیر و تجدید پذیر می باشد. از اینرو پیش بینی می شود که در آینده ای نه چندان دور، تولید و مصرف هیدروژن به عنوان حامل انرژی به سراسر اقتصاد جهانی سرایت کرده و اقتصاد هیدروژن تثبیت شود.

1-1-1-1-          بیوگاز 
به مجموعه گاز هایی كه در اثر تخمیر مواد آلی (فضولات انسانی، حیوانی و گیاهی) در یك دامنه دمای معین و PH مشخص در نتیجه فقدان اكسیژن و فعالیت باكتری های غیر هوازی خصوصاً باكتری های متان زا در محفظه تخمیر تولید می شود، بیوگاز گفته می شود . این گاز به صورت طبیعی در باتلاق ها و مرداب ها و یا مكان های دفع زباله های شهری مشاهده می شود.
. این گاز نوعی از سوخت نیز به حساب می آید دارای 60 درصد متان و 30 درصد دی اكسید كربن و 10 درصد مخلوطی از هیدروژن، اكسیژن و منو اكسید كربن است ولی تركیب اصلی بیوگاز، گاز متان است كه این گاز در زمره گازهای قابل اشتغال محسوب می شود. متان، گازی است بی رنگ و بی بو كه اگر یك فوت مكعب آن بسوزد، 250 كیلو كالری انرژی حرارتی تولید می شود .

1-1-1-1-          انرژی امواج 
دریاها و اقیانوس ها با عوامل مختلف فیزیكی، انرژی را دریافت و ذخیره نموده و سپس آن را از دست می دهند. این انرژی به صورت موج، جزر و مد، اختلاف درجه حرارت آب است كه می توان از هر یك از آنها بهره برداری كرد . جزر و مد، یک منبع انرژی تجدید پذیر است. چون چرخه تولید انرژی آن زمان کمی را لازم دارد. از جمله مزایای این نوع منبع انرژی این است که نیروگاه‌های آن علاوه بر این که آلودگی ندارند نیاز به تعمیر یا سوخت ندارند. استفاده از جزر و مد برای تولید انرژی، حدود یک قرن قدمت دارد. برای انجام این کار، سدی روی رودخانه یا بخشی از دریاچه‌‌ها ساخته می‌شود. سدهای جزر و مدی خیلی شبیه سدهای آبی (هیدرولیک) هستند. در هنگام مد، آب در یک طرف سد ذخیره می شود و سپس در هنگام جزر، آب ذخیره شده از داخل توربین‌‌های سد عبور می‌نماید و سبب چرخش چرخ های توربین شده و بدین وسیله انرژی الکتریکی تولید می‌شود.
علت حرکت متناوبی جزر  و مد در دریاها و رودخانه ها، حركت متناوب ماه به دور زمین است. میزان جزر و مد در دریاهای آزاد كم است، ولی وقتی جزر و مد به رودخانه‌‌ها راه می‌یابد میزان آن قابل توجه خواهد بود.
اما معایب این نوع منبع انرژی:
1. ساخت نیروگاه‌های جزر و مدی پرهزینه است.
2. این نوع نیروگاه‌ها همیشه در زمان لازم نمی‌توانند برق تولید نمایند.
3. كابلی كه به وسیله آن مولدهای موجی به هم متصل می‌شوند برای قایق‌‌ها و كشتی‌ها مشكل آفرین است.
4. نیروگاه‌های جزر و مدی روی حیات و زندگی پرندگان اثر می‌گذارد.

انرژی امواج دریاها و اقیانوس ها: در اثر انتقال انرژی مكانیكی باد به دریا امواج به وجود می آیند. میزان انتقال این انرژی بستگی به سرعت باد و مسافتی كه باد در طول دریا طی كرده دارد.امواج به خاطر جرم آبی كه نسبت به سطح متوسط دریا جابه جا شده، انرژی پتانسیل و به خاطر سرعت ذرات آب، انرژی جنبشی را با خود حمل می كنند. انرژی ا مواج حاصله در مناطق ساحلی در حدود 2 تا 3 میلیون مگاوات برآورد می شود. موج های بزرگ در آب های عمیق انرژی خود را آهسته از دست می دهند در نتیجه سیستم های امواج بسیار پیچیده هستند و اغلب از باد های محلی و طوفانهایی كه روزها قبل در دوردست اتفاق افتاده اند سرچشمه می گیرند.

1-1-1-1-          انرژی خورشیدی :
خورشید ،نه تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلكه سرآغاز حیات و منشا تمام انرژی های دیگر است. انرژی خورشید به طور مستقیم یا غیر مستقیم می‌تواند به دیگر اشکال انرژی همانند گرما و الکتریسیته تبدیل شود. انرژی خورشید برای حرارت آب، استفاده دینامیکی، حرارت فضایی ساختمانها، خشک کردن تولیدات کشاورزی و تولید انرژی الکتریسیته مورد استفاده قرار می‌گیرد و تا 5 میلیارد سال آینده انرژی جهان را تامین کند.
1-1-     تکالیف :
·         چرا در شب جهت باد برعکس می شود؟

·         در مورد اشکال دیگر انرژی و فناوری هایی که با آن ها امکان تولید برق وجود دارد انجام دهید؟

·         به نظر شما کدام یک از این فناوری ها قابل استفاده در سطح صنایع هستند؟




تنظیم: زینب شاه مرادی
آشنایی با انرژی های تجدید پذیر و تجدید ناپذیر