اهداف جلسه: آشنایی با انرژی و انواع مختلف آن
وسایل موردنیاز: ----
1-1- انرژی چیست و انواع آن کدام است؟
انرژی در همه‌جا وجود دارد و ما برای انجام تمام‌کارها به آن نیاز داریم. انرژی در حقیقت توانایی ما برای انجام کار است که صورت‌های مختلفی دارد مانند انرژی گرمایی، انرژی مکانیکی، انرژی شیمیایی و هسته‌ای و غیره. به‌صورت کلی دو نوع انرژی‌ داریم:
1- انرژی ذخیره‌شده (انرژی پتانسیل)
2- انرژی جاری (انرژی جنبشی)
انرژی پتانسیل یعنی انرژی ذخیره‌شده و شامل انرژی شیمیایی، انرژی مکانیکی ذخیره‌شده (مانند یک فنر فشرده‌شده)، انرژی هسته‌ای و انرژی گرانشی می‌شود. مثلاً غذایی که می‌خوریم حاوی انرژی شیمیایی بوده و بدن ما این انرژی را در خود ذخیره می‌کند و آن را تا زمانی که نیاز نداشته باشد در خود نگه می‌دارد.
 اجسام به دلیل داشتن سرعت دارای انرژی جنبشی‌اند. انرژی جنبشی مثل انرژی الکتریکی، تابشی، گرمایی، انرژی اجسام متحرک، صوت و غیره. برای مثال آبی که پشت یک سد جمع شده دارای انرژی پتانسیل است ولی وقتی دریچه‌های سد باز می‌شود و انرژی پتانسیل آب تبدیل به انرژی جنبشی می‌شود.
1-2- دسته‌بندی منابع انرژی:
منابع انرژی، بر اساس سرعت احیای مجدد منبع، به دودسته تقسیم می‌شوند:
منابع انرژی تجدیدپذیر: به منبع انرژی‌ای گفته می‌شود که در زمان کم قابل‌استفاده مجدد گردد؛ مانند انرژی زیست‌توده، انرژی زمین‌گرمایی، برقابی، انرژی باد و خورشید.
منابع انرژی تجدیدناپذیر: به منبعی گفته می‌شود که قادر نخواهیم بود در زمان کم، آن را جهت استفاده مجدد احیا کنیم؛ مانند نفت، گاز، زغال، انرژی هسته‌ای.

                                                                           شکل 1-1 نمایش انواع انرژی
باید در نظر داشت که منابع انرژی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر هر دو برای تولید انرژی‌های ثانویه مانند الکتریسیته استفاده می‌شوند. به‌طورکلی، تمامی سوخت‌های فسیلی جزء منابع انرژی تجدیدناپذیر به‌حساب می‌آیند.
حال درباره هریک از انرژی‌های فوق مختصر توضیح می‌دهیم:
1-2-1- زیست‌توده (biomass)
ازنقطه‌نظر تاریخی استفاده از انرژی زیست‌توده به ابتدایی‌ترین دوره‌های تاریخ بازمی‌گردد از زمانی که آتش شناخته شد، انسان اولیه همواره چوب و برگ خشک درختان را به‌عنوان سوخت استفاده می‌کرده و این چرخه تا قرن حاضر نیز ادامه پیداکرده است زیست‌توده شامل کلیه موادی در طبیعت می‌شود که در گذشته نزدیک جاندار بوده، از موجودات زنده به‌عمل‌آمده و یا زائدات و ضایعات آن‌ها می‌باشند.
می دانیم که منشأ منابع فسیلی نیز منابع زیست‌توده می‌باشد ولی تفاوت آن‌ها در این است که منابع فسیلی از منابع زیست‌توده که در گذشته بسیار دور زنده بودند (میلیون سال پیش) و تحت شرایط فشار و دمای خاص قرارگرفته‌اند،‌‌ حاصل‌شده‌اند. زیست‌توده یکی از منابع مهم انرژی‌های تجدیدشونده محسوب می‌شود و شامل جنگل‌ها، اجزاء گیاهان، برگ‌ها، موجودات زنده اقیانوس‌ها، زائدات حیوانی، پسماندهای شهری و غذایی و غیره می‌گردد‌. این مواد قابلیت ذخیره انرژی در خود را دارا می‌باشند. درواقع در خلال پدیده فتوسنتز، دی‌اکسید کربن از طریق آب و خاک و هوا توسط انرژی خورشیدی در گیاهان ذخیره می‌شود و باعث رشد و نمو آن‌ها می‌گردد که این انرژی بعداً قابلیت استفاده برای تولید برق، حرارت، سوخت‌های مایع، سوخت‌های گازی و انواع کاربردهای مفید شیمیایی را دارا می‌باشد. برای آزاد کردن انرژی این مواد، تنها می‌توانیم آن‌ها را بسوزانیم.
                                                                                       شکل 1-2 فتوسنتز
 منابع زیست‌توده طیف وسیعی از مواد را شامل می‌شوند که به‌صورت عمده به پنج گروه تقسیم می‌شوند:
سوخت‌های چوبی
زائدات جنگلی، کشاورزی، باغداری و صنایع غذایی
زائدات جامد شهری (زباله‌ها)
فضولات دامی
فاضلاب‌های شهری فاضلاب‌ها، پسماندها و زائدات آلی صنعتی
                                                                         شکل 1-3 تولید برق از زیست‌توده
1-2-2- آب
آب جز جدا نشدی زندگی ماست و بدون آب ادامه زندگی امکان‌پذیر نیست. آب از قدیمی‌ترین منابع انرژی نیز است. در زمان‌های قدیم از انرژی آب جاری برای به حرکت درآوردن آسیاب‌ها استفاده می‌کردند. آب در مسیر رودخانه رو به پایین حركت می‏كند و در این حركت انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. برای نگاه‌داشتن آب (چه در مصارف كشاورزی یا تولید انرژی الكتریكی)، روی رودخانه ‏ها سد بنا می‌شود. سدها باعث توقف این روند تبدیل و درنتیجه ذخیره شدن آب و بالا آمدن ارتفاع آب می‏گردند. درنتیجه از اتلاف انرژی آب جلوگیری می‏كنند و در ایامی كه بارندگی وجود ندارد ذخایر آب برای تولید انرژی قابل‌استفاده خواهند بود.
                                                                               شکل 4-1 نمایی از یک آسیاب آبی
 برای استفاده از انرژی پتانسیل ذخیره‌شده در آب، از نیروگاه آبی استفاده می‌شود. (مثل نیروگاه کارون، کرج و ...). نحوه عملکرد نیروگاه آبی را در شکل زیر مشاهده کنید.
                                                                          شکل 5-1 نحوه عملکرد یک نیروگاه آبی
1-2-3- انرژی زمین‌گرمایی (Geothermal)
اصطلاح زمین‌گرمایی ترجمه واژه Geothermal است که ریشه یونانی داشته و از کلمات Geo به معنای زمین و Therme به معنی حرارت تشکیل شده است. انرژی زمین‌گرمایی، انرژی موجود در عمق زمین است که از انرژی خورشیدی که در طول هزاران سال در داخل زمین ذخیره‌شده و همچنین فروپاشی یا زوال ایزوتوپ‌های اورانیوم رادیواکتیویته، توریم و پتاسیم در طی سالیان دراز در عمق زمین نشئت‌گرفته است که عمدتاً در نواحی زلزله‌خیز و آتش‌فشانی جوان و صفحات تکتونیکی زمین متمرکز شده است. زمین منبع عظیمی از انرژی است به‌طوری‌که حرارت در هسته آن بیش از ۵۰۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد حرارت زمین به طرق مختلف ازجمله فوران آتش‌فشان – چشمه‌های آبگرم- آبفشان‌ها- و گل‌افشان‌ها در اثر کاهش چگالی زمین و خاصیت رسانایی از بخش‌هایی از زمین به سطح آن هدایت می‌شوند. درجه حرارت زمین با توجه به عمق آن به‌صورت غیرخطی زیاد می‌شود. (با تقریب خطی هر ۱۰۰ متر ۳ درجه سانتی‌گراد) انرژی حرارتی ذخیره‌شده در ۱۱ کیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه‌هزار برابر کل انرژی به‌دست‌آمده از منابع نفت و گاز شناخته‌شده امروز جهان است. انرژی زمین‌گرمایی برخلاف سایر انرژی‌های تجدیدپذیر محدود به فصل، زمان و شرایط خاصی نبوده بدون وقفه قابل بهره‌برداری می‌باشد. همچنین قیمت تمام‌شده برق در نیروگاه‌های زمین‌گرمایی با برق تولیدی از سایر نیروگاه‌های متعارف (فسیلی) قابل‌رقابت بوده نیز به‌صورت پیوسته در درون زمین تولید می‌شود.
                                                       شکل 1-6 چگونگی استفاده از گرمای درون زمین
1-2-4- انرژی باد
باد یکی از مظاهر انرژی خورشیدی و همان هوای متحرک است و پیوسته جزء کوچکی از تابش خورشید که از خارج به اتمسفر می‌رسد، به انرژی باد تبدیل می‌شود. گرم شدن زمین و جو آن به‌طور نامساوی سبب تولید جریان‌های همرفت (جابجایی) می‌شود و نیز حرکت نسبی جو نسبت به زمین سبب تولید باد است. احتمالاً نخستین ماشین بادی ‌توسط ایرانیان باستان ساخته‌شده است و یونانیان برای خرد کردن دانه‌ها و مصری‌ها، رومی‌ها و چینی‌ها برای قایقرانی و آبیاری از انرژی باد استفاده کرده‌اند. بعدها استفاده از توربین‌های بادی با محور قائم سراسر کشورهای اسلامی معمول شده و سپس دستگاه‌های بادی با محور قائم با میله‌های چوبی توسعه یافت و امروزه نیز ممکن است در برخی از کشورهای خاورمیانه چنین دستگاه‌هایی یافت شوند. در قرن 13 این نوع توربین‌ها توسط سربازان صلیبی به اروپا برده شد و هلندی‌ها فعالیت زیادی در توسعه دستگاه‌های بادی مبذول داشتند، به‌طوری‌که در اواسط قرن نوزدهم در حدود 9 هزار ماشین بادی به منظورهای گوناگون مورداستفاده قرار می‌گرفته است.
با توجه به اینکه مواد قابل‌احتراق فسیلی در زمین رو به کاهش است، اخیراً پیشرفته‌ای زیادی در مورداستفاده از انرژی باد حاصل‌شده است. انرژی باد اغلب در دسترس بوده و هیچ نوع آلودگی بر جای نمی‌گذارد و می‌تواند ازنظر اقتصادی نیز در درازمدت قابل‌مقایسه با سایر منابع انرژی شود.
                                                                              شکل 1-7 برخی از انواع توربین بادی
1-2-5- انرژی خورشیدی
خورشید منبع عظیم انرژی بلکه سرآغاز حیات و منشأ تمام انرژی‌های دیگر است. در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می‌گذرد و در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به‌حساب آورد. انرژی خورشیدی را می‌توان به دو صورت به انرژی الکتریکی تبدیل نمود:
الف- با استفاده از سلول‌های خورشیدی: این سلول‌ها نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و در مکان‌هایی که سیم‌کشی برق موجود نیست بکار می‌روند.

 
                                                        شکل 1-8 استفاده از سلول خورشیدی برای تأمین انرژی یک‌ خانه

ب- با استفاده از نیروگاه‌های خورشیدی: برخی از این نیروگاه‌ها به‌صورت غیرمستقیم برق تولید می‌کنند، یعنی ابتدا آب را به‌وسیله حرارت آفتاب تبخیر می‌کنند و با این بخار ایجادشده توربینی را می‌چرخانند و برق تولید می‌کنند.

                                                                         شکل 1-9 نمایی از یک نیروگاه خورشیدی
1-2-6- سوخت‌های فسیلی (نفت، گاز و زغال‌سنگ)
امروزه ما بیشتر انرژی موردنیاز خود را از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی تأمین می‌کنیم. فسیل‌ها از بقایای گیاهان و جانورانی که در زیردریاها در زمان‌های قدیم مدفون‌شده بودند به وجود می‌آیند؛ بنابراین منشأ تولید سوخت‌ها و انرژی‌های فسیلی همان بقایای پوسیده موجودات زنده است؛ که این سوخت‌ها به‌طور طبیعی، به‌صورت مواد جامد، مایع و گاز یا مخلوطی از آن‌ها در معادن استخراج می‌شوند. این انرژی‌ها عبارت‌اند از زغال‌سنگ، نفت و گاز. انرژی حاصل از سوختن سوخت‌های فسیلی تجدیدناپذیر می‌باشد، زیرا میلیون‌ها سال طول می‌کشد تا این منابع دوباره ایجاد شوند.
                                                                             شکل 1-10 انواع سوخت فسیلی
1-2-7- انرژی هسته‌ای
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 به‌وسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد.
انرژی در هسته‌اتم وجود دارد. در یک نیروگاه هسته‌ای این گرما از شکافت هسته‌ای که در داخل راکتور صورت می‌گیرد تأمین می‌شود. هنگامی‌که 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 آزادشده از یک شکافت هسته‌ای در مرحله بعد خود با برخورد به دیگر هسته‌ها موجب شکافت‌های دیگری می‌شوند و به‌این‌ترتیب یک فرآیند زنجیره‌ای به وجود می‌آید. زمانی که این فرآیند زنجیره‌ای کنترل شود می‌توان از انرژی آزادشده در هر شکافت (که بیشتر آن به‌صورت گرماست) برای تبخیر آب و چرخاندن توربین‌های بخار و درنهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد. در تصویر زیر می‌توانید فرآیند تولید برق از انرژی هسته‌ای را مشاهده کنید.
                                                               شکل 1-11 فرآیند تولید برق از انرژی هسته‌ای
انرژی هسته‌ای کاربردهای زیاد در پزشکی در علوم و صنعت و کشاورزی و غیره دارد. لازم به ذکر است انرژی هسته‌ای به‌تمامی انرژی‌های دیگر قابل‌تبدیل است، ولی هیچ انرژی به انرژی هسته‌ای تبدیل نمی‌شود.
 
                                                                         شکل 12-1 نمایی از یک راکتور هسته‌ای
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.
آزمایش و تحقیق:
نرم افزارهای Island 100% و EnergyInfographics را از Google play store دانلود کنید تا بیشتر با کاربردها و فواید انرژی خورشیدی آشنا شوید.
وارد سایت زیر شده و با انجام بازی‌های متنوع بیشتر با انرژی‌های تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر و فواید و مضرات آن آشنا شوید:
http://www.childrensuniversity.manchester.ac.uk/interactives/science/energy/renewable/
تکلیف:کدام‌یک از منابع انرژی (تجدیدپذیر یا تجدیدناپذیر) خطرات بیشتری برای محیط‌زیست دارند؟ به کدام دسته از منابع انرژی‌های سبز یا انرژی‌های نو گفته می‌شود؟
محل بازدید/ اردو/ خرید: برای این جلسه می‌توانید از نیروگاه سد کرج، نیروگاه خورشیدی ملارد و نیروگاه‌های بادی منجیل بازدید نمایید.
منابع مطالعه:شان باکلی، مترجم: احمد سیدی نوقابی، کتاب از طلوع تا غروب خورشید
سعید محمدی و شهرام درخشان، انرژی‌های تجدیدپذیر، انتشارات سیمای دانش
 
تنظیم کننده: محبوبه همتمطالب مرتبط: ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش اول 
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش دوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش سوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش چهارم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش پنجم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش ششم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هفتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هشتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش نهم


 این پروژه ابتدا مفهوم و انواع انرژی‌ها معرفی‌شده و منابع هر یک از این انرژی‌ها را شناسایی می‌کنید. سپس با انرژی خورشید و کاربردهای آن به‌صورت کامل‌تر آشنا می‌شوید.


 آشنایی با انرژی و انواع مختلف آن