انرژی‌های تجدید پذیر

در سال‌های اخیر، باتوجه به محدودیت‌هایی که استفاده از سوخت‌های فسیلی دارد؛ شاهد روی آوردن کشورها به استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر بوده‌ایم. انواع روش‌ها برای استفاده هر چه بیشتر از این انرژی‌ها در حال کشف و مورد توجه قرار گرفتن هستند. اگر بخواهیم نیم نگاهی به این روش‌ها داشته باشیم، می‌توانیم ببینیم که استفاده از پنل‌های خورشیدی در صدر این تکنیک‌ها قرار دارد و راحتی استفاده از آن برای کشورها با نعمت آفتاب فراوان با هیچ یک از روش‌های دیگر قابل قیاس نیست!

در ادامه به بررسی 4 مورد از این انرژی‌ها می‌پردازیم :

1. انرژی خورشیدی :

انرژی خورشیدی، انرژی است که زمین از خورشید دریافت می کند. در درجه اول به عنوان نور مرئی و سایر اشکال تابش الکترومغناطیسی است.

انرژی خورشیدی نور و گرمای تابشی خورشید است که از زمان‌های قدیم توسط انسان‌ها با استفاده از طیف وسیعی از فناوری‌های همیشه در حال تکامل مهار شده است. تشعشعات خورشیدی به همراه منابع ثانویه خورشیدی بیشترین انرژی‌های تجدید پذیر موجود روی زمین را تشکیل می‌دهند.

با این حال، تنها بخش کوچکی از انرژی خورشیدی موجود را میتوان برای موارد زیر استفاده کرد:

• تولید برق
• گرمایش و سرمایش
• آشپزی
• نمک زدایی آب

پتانسیل منابع خورشیدی :

داده‌های تابش خورشیدی در تمام سطوح توسعه انرژی خورشیدی مورد نیاز است. از برنامه ریزی اولیه دولت گرفته تا توسعه پروژه در مقیاس بزرگ یا محاسبات مورد نیاز برای اندازه گیری سیستم‌های کوچکتر. در گذشته چنین داده‌هایی در سطح نسبتاً دوره‌ای از ناسا و سایر ارائه‌دهندگان جهانی ارائه میشد، اما اخیراً مدل‌های تخصصی برای محاسبه دقیق‌تر تابش افقی جهانی (GHI) و تابش عادی مستقیم (DNI) با استفاده از داده‌های پوشش ابری از ماهواره‌ها توسعه داده شده‌اند. اکنون تعدادی از شرکت‌ها چنین داده‌هایی را به عنوان خدمات تجاری ارائه می‌دهند. بر این اساس، با در نظر گرفتن دما، شیب و راندمان تجهیزات مورد استفاده (پنل‌های خورشیدی و تعادل اجزای سیستم) میتوان میانگین توان خروجی سالانه یک نیروگاه فتوولتائیک نظری (PVOUT) را محاسبه کرد.

داده‌های منابع خورشیدی، از جمله GHI، DNI و PVOUT اکنون به صورت رایگان و از طریق اطلس جهانی خورشیدی، که توسط گروه بانک جهانی ارائه می‌شود، در سطح جهانی در دسترس هستند. این وب سایت دارای نقشه‌های جهانی، منطقه‌ای و کشوری قابل دانلود با وضوح بالا است.

فن آوری‌ها و تکنیک‌های خورشیدی :

فن آوری‌های انرژی خورشیدی در درجه اول به استفاده از تابش خورشیدی برای اهداف عملی اشاره دارد. تمام انرژی‌های تجدید پذیر دیگر به غیر از زمین گرمایی انرژی خود را از انرژی دریافتی از خورشید می‌گیرند. فناوری‌های خورشیدی به طور کلی به عنوان خورشیدی غیرفعال یا خورشیدی فعال شناخته می‌شوند، بسته به نحوه جذب، تبدیل و توزیع نور خورشید. تکنیک‌های فعال خورشیدی شامل استفاده از ماژول‌های فتوولتائیک (همچنین به نام پانل‌های فتوولتائیک) و کلکتورهای حرارتی خورشیدی (با تجهیزات الکتریکی یا مکانیکی) برای تبدیل نور خورشید به خروجی‌های مفید است. تکنیک‌های خورشیدی غیرفعال شامل جهت دهی ساختمان به سمت خورشید، انتخاب مواد با جرم گرمایی مطلوب یا خواص پراکندگی نور و طراحی فضاهایی است که به طور طبیعی هوا را به گردش در می آورند.

فن‌آوری‌های خورشیدی فعال، عرضه انرژی را افزایش می‌دهند و فناوری‌های سمت عرضه در نظر گرفته می‌شوند، در حالی که فناوری‌های خورشیدی غیرفعال نیاز به منابع جایگزین را کاهش می‌دهند و عموماً فناوری‌های سمت تقاضا محسوب می‌شوند.

فناوری‌های حرارتی خورشیدی :

فناوری‌های حرارتی خورشیدی از انرژی خورشیدی برای انرژی حرارتی (گرما) استفاده می کنند. فن‌آوری‌های حرارتی خورشیدی شامل کلکتورهای مسطح برای دماهای پایین و متوسط ​​و کلکتورهای دمای بالا هستند که نور خورشید را با استفاده از آینه‌ها و عدسی‌ها متمرکز می‌کنند.

حتی سیستم‌های حرارتی خورشیدی برای مقاصد خنک‌کننده وجود دارند که با جذب، جذب یا خنک‌کننده خشک‌کننده کار می‌کنند.

فن آوری‌های برق خورشیدی :

نور خورشید را می توان مستقیماً با استفاده از فتوولتائیک (PV) و فناوری های مختلف تجربی به برق تبدیل کرد.

OTEC تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس :

تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس به انرژی خورشیدی ذخیره شده در اقیانوس از طریق تفاوت بین دمای سطح دریا و عمق زیر 300 متر می‌آید، که می‌تواند برای استخراج کار از طریق چرخه رانکین مهار شود.

2. انرژی آبی :

نیروی هیدرو یا نیروی آبی، انرژی الکتریکی تولید شده از سقوط یا جاری شدن آب است. جرمی از آب که با اختلاف ارتفاع به پایین حرکت می‌کند حاوی انرژی است که می‌تواند با استفاده از چرخ آبی یا توربین برداشت شود. آب متحرک چرخ آب را به حرکت در می‌آورد و این چرخش یا مستقیماً ماشین آلات را به حرکت وا می‌دارد (مانند آسیاب، پمپ، چکش، خرمنکوب، …) یا با یک ژنراتور همراه است که نیروی الکتریکی تولید می‌کند.

اصل برق آبی :

نیروی آبی احتمالا اولین شکل تولید برق خودکار است که توسط انسان/حیوان هدایت نمی‌شود. حرکت دادن یک سنگ آسیاب برای آسیاب ابتدا به حرکت یک ژنراتور الکتریکی تبدیل شد. در کنار بخار، برای مدت طولانی منبع اصلی برق برای الکتریسیته بود. در دسترس بودن مداوم آن نیازی به ذخیره انرژی ندارد (برخلاف نیروی باد/خورشید). این عمدتاً سخت افزار مکانیکی است. این امر درک و تعمیر و نگهداری آن را نسبتاً آسان می‌کند. در واحدهای کوچکتر اثرات زیست محیطی آن قابل غفلت می‌شود.

هد و جریان :

برای تولید برق از نیروگاه آبی، دو پارامتر حیاتی است:

• جریان؛ یا حداقل مقدار آبی که به طور مداوم در طول سال در دسترس است.
• هد؛ اختلاف ارتفاع

این شرایط خاص تعمیم و استانداردسازی “نحوه نصب نیروگاه‌های برق آبی” را محدود می‌کند. انتخاب مکان مناسب و برنامه ریزی نیاز به دانش خاصی دارد. با آگاهی از جریان آب و اختلاف ارتفاع میتوان توان پتانسیل را تخمین زد.

اندازه گیری هد و جریان :

اولین قدم برای قضاوت در مورد پتانسیل نیروگاه آبی یک سایت، اندازه گیری/تخمین هد و جریان است.

• هد (فاصله عمودی بین ورودی و توربین)
• جریان (چه مقدار آب از رودخانه پایین می‌آید)

هد اغلب اغراق آمیز است، همانطور که نرخ جریان نیز در طول سال متفاوت است! داده‌های اشتباه اغلب رخ می‌دهد. تأیید داده‌های موجود به شدت توصیه می‌شود!

هد و جریان دو واقعیت مهم یک سایت آبی هستند. این همه چیز را در مورد سیستم آبی تعیین می‌کند. حجم ساخت و سازهای عمرانی، اندازه خط لوله، نوع توربین و توان خروجی. اندازه گیری‌های نادرست منجر به راندمان پایین، هزینه بالا و کمبود نیرو می‌شود.

اقتصاد میکرو سیستم‌های آبی :

انرژی زیستی :

انرژی زیستی پرمصرف‌ترین انرژی تجدید پذیر در سراسر جهان است و میتوان آن را به عنوان «انرژی موجود در موجودات زنده یا اخیراً زنده» تعریف کرد (بنابراین سوخت‌های فسیلی مستثنی هستند). میتوان آن را به سه نوع مختلف انرژی زیستی متمایز کرد:

• سوخت زیستی : سوخت‌های زیستی مانند اتانول و بیودیزل سوخت‌هایی هستند که به ترتیب از محصولاتی مانند ذرت و نخل روغنی تهیه می‌شوند.
• بیوگاز : بیوگاز با مواد زائد مانند فاضلاب و سرگین تولید می‌شود.
• زیست توده : زیست توده جامد مانند چوب از زمان‌های قدیم برای اهداف پخت و پز و گرمایش و اخیراً برای تولید برق استفاده می‌شده است.

انرژی بادی :

انرژی بادی، انرژی الکتریکی است که از مهار باد به دست می‌آید. در سال‌های اخیر، انرژی بادی به یکی از اقتصادی‌ترین فناوری‌های انرژی تجدید پذیر تبدیل شده است. امروزه، توربین‌های بادی تولید برق از فناوری‌های آزمایش‌شده و آزمایش‌شده استفاده می‌کنند و تامین انرژی ایمن و پایدار را فراهم می‌کنند. در مکان‌های خوب و بادخیز، انرژی باد می‌تواند با تولید انرژی معمولی رقابت کند. بسیاری از کشورها منابع بادی قابل توجهی دارند که هنوز استفاده نشده است.

فن آوری که مزایای قابل توجهی را ارائه می‌دهد از پتانسیل کامل خود استفاده نمی‌کند:

• انرژی بادی هیچ گاز گلخانه‌ای تولید نمی‌کند.
• نیروگاه‌های بادی می‌توانند سهم قابل توجهی در تأمین برق منطقه‌ای و تنوع تأمین برق داشته باشند.
• زمان بسیار کوتاهی برای برنامه ریزی و ساخت و ساز در مقایسه با پروژه‌های برق معمولی مورد نیاز است.
• پروژه‌های انرژی بادی با توجه به افزایش تقاضای انرژی انعطاف پذیر هستند. توربین‌های منفرد را میتوان به راحتی به پارک موجود اضافه کرد.
• در نهایت، پروژه‌های انرژی بادی می‌توانند از منابع محلی از نظر نیروی کار، سرمایه و مواد استفاده کنند.

توسعه فناوری در سال‌های اخیر، توربین‌های بادی کارآمدتر و قابل اعتمادتر را به ارمغان می‌آورد، انرژی باد را مقرون به صرفه‌تر می‌کند. به طور کلی، هزینه‌های انرژی ویژه به ازای هر کیلووات ساعت با اندازه توربین با وجود مشکلات تامین موجود کاهش می‌یابد.

بسیاری از کشورهای آفریقایی انتظار دارند که تقاضای برق به سرعت در دهه‌های آینده افزایش یابد. در عین حال، منابع طبیعی محدود در حال کاهش هستند و تأثیر زیست محیطی استفاده از انرژی و تبدیل انرژی به طور کلی به عنوان تهدیدی برای زیستگاه طبیعی ما پذیرفته شده است. در واقع اینها به مسائل اصلی سیاست بین المللی تبدیل شده‌اند.

اقتصادهای نوظهور :

بسیاری از کشورهای در حال توسعه و اقتصادهای نوظهور دارای پتانسیل قابل توجهی از انرژی بادی بهره برداری نشده هستند. در بسیاری از نقاط، تولید برق از انرژی باد یک جایگزین مقرون به صرفه برای نیروگاه های حرارتی است. تأثیر کمتری بر محیط‌زیست و اقلیم دارد، وابستگی به واردات سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهد و امنیت تأمین انرژی را افزایش می‌دهد.

سال‌هاست که کشورهای در حال توسعه و اقتصادهای نوظهور با چالش تامین انرژی اضافی برای توسعه اجتماعی و اقتصادی خود با ساختارهای منسوخ تامین انرژی مواجه بوده‌اند. غلبه بر تنگناهای عرضه از طریق استفاده از سوخت‌های فسیلی در قالب زغال‌سنگ، نفت و گاز، وابستگی به بازارهای بی‌ثبات را افزایش می‌دهد و ذخایر ارزی با ارزش را از بین می‌برد. در عین حال، فشار فزاینده‌ای بر کشورهای تازه صنعتی شده در حال ظهور به ویژه برای مشارکت در مبارزه با تغییرات اقلیمی و محدود کردن انتشار آلاینده‌های آنها وجود دارد.

سناریو جایگزین‌ها :

در سناریوی جایگزین‌ها، کشورهای در حال توسعه و اقتصادهای نوظهور بیشتر و بیشتر به استفاده بیشتر از انرژی‌های تجدید پذیر ایمان می‌آورند و اهداف توسعه خاصی را برای «ترکیب انرژی سبز» تدوین می‌کنند. قدرت باد، پس از آزمایش برای سال‌ها در کشورهای صنعتی و دستیابی به بلوغ بازار، نقش برجسته‌ای در اینجا ایفا می‌کند.

در بسیاری از نقاط، شرایط باد عالی در مقایسه با منابع انرژی وارداتی پرهزینه مانند دیزل، تولید برق ارزان قیمت را نوید می‌دهد. با وجود اراده سیاسی و پتانسیل قابل توجه، توسعه بازار در این کشورها نسبتاً کند بوده است. کمبود پرسنل واجد شرایط برای ایجاد پایه‌های بهرهبرداری از انرژی بادی و توسعه پروژه‌ها به ابتکار خود وجود دارد. فقدان داده‌های قابل اعتماد در مورد پتانسیل باد همراه با شرایط چارچوب سیاست انرژی غیرجذاب، سرمایه گذاران بین المللی با تجربه را که در عوض توجه خود را بر بازارهای در حال گسترش در کشورهای غربی متمرکز می‌کنند، باز می‌دارد.

تنها در سال‌های اخیر است که توسعه قابل ملاحظه پتانسیل بازار در کشورهای در حال توسعه و اقتصادهای نوظهور صورت گرفته است. سهم آفریقا، آسیا و آمریکای لاتین از ظرفیت تولید بادی جهان به حدود 20 درصد رسید.

در پایان سال 2008 با ظرفیت نصب شده 26 گیگاوات، این بیش از هر چیز به رشد خیره کننده در هند و چین نسبت داده می‌شود: این دو کشور به تنهایی مسئول تولید 22 گیگاوات هستند. این امر ثابت می‌کند که استفاده اقتصادی از انرژی بادی در کشورهای در حال توسعه و اقتصادهای نوظهور امکان پذیر است و همچنین نشان می‌دهد که پتانسیل عظیمی وجود دارد که هنوز بهره‌برداری نشده است.

فناوری :

نیروی باد تبدیل انرژی باد به برق یا انرژی مکانیکی با استفاده از توربین‌های بادی است. نیروی باد با عبور از پره‌های متحرکی که بر روی روتور گشتاور اعمال می‌کنند، استخراج می‌شود. مقدار توان انتقالی به اندازه روتور و سرعت باد بستگی دارد.

توربین‌های بادی از ژنراتورهای کوچک چهارصد واتی برای مصارف مسکونی تا چندین ماشین مگاواتی برای مزارع بادی و فراساحلی را شامل می‌شود. نمونه‌های کوچک دارای ژنراتورهای محرک مستقیم، خروجی جریان مستقیم، تیغه‌های آئروالاستیک، یاتاقان‌های مادام‌العمر هستند و از یک پره برای اشاره به باد استفاده می‌کنند. در حالی که بزرگترها عموماً دارای قطارهای برق ‌دندهای، خروجی جریان متناوب، فلپ هستند و به طور فعال به سمت باد هدایت می‌شوند.

ژنراتورهای محرک مستقیم و تیغه‌های آئروالاستیک برای توربین‌های بادی بزرگ در حال تحقیق هستند و گاهی اوقات از ژنراتورهای جریان مستقیم استفاده می‌شود.

از آنجایی که سرعت باد ثابت نیست، تولید انرژی سالانه مبدل باد به ضریب ظرفیت بستگی دارد. یک ژنراتور بادی با مکان مناسب ضریب ظرفیتی در حدود 35 درصد خواهد داشت. این در مقایسه با فاکتورهای ظرفیت معمولی 90 درصد برای نیروگاه‌های هسته‌ای، 70 درصد برای نیروگاه‌های زغال سنگ و 30 درصد برای نیروگاه‌های حرارتی است.

به عنوان یک قاعده کلی، ژنراتورهای بادی در مواردی کاربردی هستند که میانگین سرعت باد 4.5 متر بر ثانیه یا بیشتر باشد. معمولاً سایت‌ها بر اساس اطلس باد از قبل انتخاب می‌شوند و با اندازه‌گیری باد در محل اعتبارسنجی می‌شوند.

انرژی باد فراوان، تجدید پذیر، به طور گسترده توزیع شده، پاک است و اگر برای جایگزینی برق مشتق شده از سوخت‌های فسیلی استفاده شود، انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش می‌دهد. متناوب بودن باد هنگام استفاده از نیروی باد در سطوح نفوذ کم تا متوسط ​​مشکلی ایجاد نمی‌کند.

کاربردها و کارایی :

بیشتر نیروی باد مدرن به شکل برق با تبدیل چرخش پره‌های توربین به جریان الکتریکی توسط یک ژنراتور الکتریکی تولید می‌شود. در آسیاب‌های بادی (فناوری بسیار قدیمی‌تر)، از انرژی باد برای چرخاندن ماشین‌های مکانیکی برای انجام کارهای فیزیکی مانند خرد کردن دانه یا پمپاژ آب استفاده می‌شود . اخیراً از انرژی بادی برای شیرین سازی آب نیز استفاده می‌شود.

برق بادی :

در سیستم‌های الکتریکی بادی، روتور از طریق یک چرخ دنده یا سیستم کنترل سرعت به یک ژنراتور کوپل می‌شود که برق تولید می‌کند. نیروی باد در مزارع بادی در مقیاس بزرگ برای شبکه‌های برق ملی و همچنین در توربین‌های کوچک فردی برای تأمین برق به منازل روستایی یا مکان‌های ایزوله از شبکه استفاده می‌شود.

برای توربین‌های کوچک، الکتریسیته تولید شده می‌تواند برای شارژ باتری‌ها یا استفاده مستقیم استفاده شود. مبدل‌های بزرگتر و پیچیده‌تر انرژی باد برای تغذیه برق به شبکه استفاده می‌شود.

توربین‌های کوچکی که برای شارژ باتری در نظر گرفته شده‌اند دارای قطر توربین بین 0.5 تا 5 متر و توان خروجی 0.5 تا 2 کیلو وات هستند. هزینه‌های نصب بین 4 تا 10 دلار آمریکا در هر وات متفاوت است. توربین‌های با اندازه متوسط ​​در شبکه‌های کوچک مستقل به صورت هیبریدی با دیزل یا ژنراتور PV استفاده می‌شوند. این توربین‌ها دارای قطر بین 5-30 متر و توان خروجی 10-250 کیلووات می‌باشند. توربین‌های بادی بزرگ معمولاً به شبکه متصل هستند. این دسته شامل قطرهای 30-90 متر و توان خروجی 0.5 تا 3 مگاوات می‌باشد. مجموع ظرفیت نصب شده جهانی 58982 مگاوات است که اروپا 69 درصد آن را تشکیل می‌دهد .

در منطقه آفریقای شرقی، تجربه با ژنراتورهای بادی منزوی شده و عمدتاً توسط اهداکنندگان و مبلغان هدایت شده است. در اروپا هزینه انرژی بادی 55.80 دلار در مگاوات ساعت، زغال سنگ 53.10 دلار در مگاوات ساعت و گاز طبیعی 52.50 دلار در مگاوات ساعت برآورد شد.

پمپ‌های باد :

بیش از 2000 سال است که باد برای بلند کردن آب، ابتدا در چین و خاورمیانه و گسترش به اروپا، مهار شده است. در آفریقا، ساکنان از لحاظ تاریخی از پمپ‌های باد در نامیبیا و آفریقای جنوبی و تا حدی زیمبابوه و کنیا استفاده می‌کردند. با پمپ‌های باد، هوای متحرک یک «روتور» را می‌چرخاند و حرکت چرخشی پره‌ها به حرکت هارمونیک شفت منتقل می‌شود که برای پمپاژ آب یا به حرکت درآوردن سایر وسایل مکانیکی مانند آسیاب غلات استفاده می‌شود. آب چاه هایی به عمق 200 متر را می توان توسط پمپ های باد به سطح پمپ کرد.

در مناطق خارج از شبکه که باد کافی (3-5 متر بر ثانیه) و آب زیرزمینی وجود دارد، پمپ‌های بادی اغلب یک روش مقرون ‌به ‌صرفه برای تأمین آب خانگی و محلی، آبیاری در مقیاس کوچک و آبیاری دام ارائه می‌دهند. برای انتخاب پمپ باد مناسب، اطلاعات زیر مورد نیاز است : میانگین سرعت باد، کل کل پمپاژ، نیاز روزانه به آب، تخلیه چاه، کیفیت آب و نیازهای ذخیره‌سازی. در منطقه شرق آفریقا حداقل 3 تولید کننده با تولید کمتر از 100 دستگاه در سال وجود دارد. اهداکنندگان و مبلغان، خریداران اصلی پمپ‌های بادی وارداتی و تولید داخلی بوده‌اند.

منبع : نشریه رتبه شماره 22

همچنین بخوانید : ۲۲ امین شماره فصلنامه رتبه منتشر شد!