انرژی هسته ای – شکافت و گداخت

انرژی هسته ای، شکل اصلی دیگری از انرژی است که در داخل اتم قرار دارد . یکی از قوانین جهانی این است که انرژی نه تولید پذیر است و نه از بین رفتنی ، اما به شکلهای دیگر قابل تبدیل است.

ماده را می توان به انرژی تبدیل نمود. آلبرت انیشتن ، مشهورترین دانشمند جهان ، فرمول ریاضی خاصی را برای شرح این نظریه ارائه نموده است :

E = MC²

برطبق فرمول فوق انرژی (E) برابر است با جرم (m) ضربدر سرعت نور به توان دو .

لطفاً توجه داشته باشید که بعضی از نرم افزارهای وب قادر به نمایش توان روی شبکه نیستند. معمولاً مجذور C توسط قرار دادن عدد 2 کوچک در بالا و سمت راست C نشان داده می شود. دانشمندان از معادله انیشتن برای آزاد سازی انرژی نهفته در اتم و نیز جهت ساخت بمب اتمی استفاده نمودند.

 یونانیان قدیم براین باور بودند که کوچکترین جزء طبیعت ، اتم است. اما در 2000 سال قبل ، آنها نمی دانستند که ذرات کوچکتر از اتم نیز در طبیعت یافت می شود.

همانطوریکه در فصل 2 گفتیم ، اتمها از ذرات کوچکتری به نام هسته ، که خود متشکل از پروتون و نوترون هستند ، تشکیل شده اند. این اتمها توسط الکترونهایی احاط شده که بدور آنها می چرخند، درست مثل گردش زمین به دور خورشید.

شکاف هسته ای

هسته اتم می تواند شکافته شود. زمانیکه این مسئله رخ میدهد، مقدار زیادی انرژی آزاد می شود. این انرژی به دو صورت گرما و نور است. انیشتن معتقد بود که مقدار کوچکی از ماده حاوی مقدار زیادی انرژی است. زمانیکه این انرژی ، آهسته از اتم خارج می شود ، می توان آنرا مهار نمود و تولید برق نمود. اما زمانیکه انرژی موجود در هسته اتم بطور ناگهانی آزاد می شود ، انفجار عظیمی مانند بمب اتم رخ میدهد.

سوخت یک نیروگاه هسته ای (مانند نیروگاه هسته ای کانیون در تصویر) ، اورانیوم است. اورانیوم عنصری است که در اکثر مناطق جهان از زیرزمین استخراج می شود. اورانیوم بعداز مرحله کانه آرایی بصورت قرصهای بسیار کوچکی در داخل میله های بلند قرار گرفته و داخل رآکتور نیروگاه نصب می شوند. کلمه «Fission» به معنی شکافت است. در داخل رآکتور یک نیروگاه اتمی ، اتمهای اورانیوم تحت یک واکنش زنجیره ای کنترل شده ، شکافته می شوند. در یک واکنش زنجیره ای ، ذرات حاصل از شکافت اتم به سایر اتمهای اورانیوم برخورد کرده و باعث شکافت آنها می گردند. هریک از ذرات آزاد شده مجدداً باعث شکافت سایر اتمها در یک واکنش زنجیره ای می شود. درنیروگاههای هسته ای ، معمولاً از یک سری
میله های کنترل جهت تنظیم سرعت واکنش زنجیره ای استفاده می گردد. عدم کنترل این واکنشها
می تواند منجربه تولید بمب اتم شود. اما در بمب اتم ، تقریباً ذرات خالص اورانیوم 235 یا پلوتونیوم (باشکل و جرم معینی) باید با نیروی زیادی در کنارهم قرار گیرند. چنین شرایطی در یک رآکتور هسته ای وجود ندارد.

واکنشهای زنجیره ای همچنین باعث تولید یک سری مواد رادیواکتیو می شوند. این مواد در صورت رهایی می توانند به مردم آسیب برسانند. بنابراین آنها را به شکل جامد نگهداری می کنند. این مواد در گنبدهای بتنی بسیار قوی نگهداری می شوند تا در صورت بروز حوادث مختلف ، خطری بوجود نیاید (به تصویر توجه کنید).

واکنشهای زنجیره ای باعث تولید انرژی گرمایی می شوند. این انرژی گرمایی برای جوشاندن آب در قلب رآکتور مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین ، به جای سوزاندن سوخت ، در نیروگاههای هسته ای ، اتمها از طریق واکنش زنجیره ای شکافته شده و انرژی گرمایی تولید می کنند. این آب از اطراف رآکتور به قسمت دیگری از نیروگاه فرستاده می شود. در این قسمت که مبدل گرمایی نامیده می شود، لوله های پر از آب حرارت داده شده و بخار تولید می کنند. سپس بخار حاصله باعث گردش توربین و درنتیجه تولید برق میشود. مقطع عرضی یک نیروگاه هسته ای در شکل نشان داده شده است.

گداخت هسته ای

 گداخت شکل دیگری از انرژی هسته ای است. گداخت ، به معنی الحاق هسته های کوچکتر و ساختن یک هسته بزرگتر است. در داخل خورشید ، گداخت هسته ای اتمهای هیدروژن باعث تولید اتمهای هلیوم می شود. در اثر این گداخت، گرما ، نور و پرتوهای دیگری تولید می شود.

همانطوریکه در تصویر می بینید ، با ترکیب دو نوع اتم هیدروژن (دوتریم و ترتیم) ، یک اتم هلیوم و یک ذره اضافی بنام نوترون تشکیل می شود. در واکنش فوق مقداری انرژی نیز تولید می گردد. دانشمندان مدتها که برروی کنترل گداخت هسته ای کار می کنند تا بتوانند یک رآکتور گداخت برای تولید برق بسازند. اما مشکل این است که نمی دانند چگونه واکنش در یک محیط بسته را کنترل کنند.

مزیّت گداخت هسته ای نسبت به شکافت هسته ای در این است که ماده رادیواکتیو کمتری تولید کرده و سوخت آن پایدارتر از عمر خورشید است.

دورة کربونیفر 360 – 286 میلیون سال قبل اتفاق افتاده است. در آن زمان، خشکی از مردابهای پر از درختان بزرگ (سرخس و سایر گیاهان برگ دار بزرگ) پوشیده شده بود ، درست مشابه با آنچه که در تصویر بالا مشاهده می کنید. آب و دریاها پر از جلبک (ماده سبز رنگی که روی برکه تشکیل می شود) بود. در حقیقت جلبک مجموعه ای از میلیون ها گیاه کوچک است.

بعضی از معادن ذغالسنگ (کانسار) مربوط به دوران دایناسورهاست . بعنوان مثال لایه های نازک کربن را می توان در اواخر دورة کرتاسه (65 میلیون سال قبل) پیدا نمود. امّا کانسارهای اصلی سوخت های فسیلی مربوط به دورة کربونیفر است.

در زمانهای گذشته، درختان و گیاهان نابود شده و به اعماق مردابها فرو رفتند. به مرور زمان آنها لایه هایی از یک ماده اسفنجی به نام تورب (ذغالسنگ نارس) را تشکیل دادند. این تورب به مدت صدها سال با ماسه ، رس و سایر مواد معدنی پوشیده گردید، که نتیجه آن بوجود آمدن نوعی سنگ بنام سنگ رسوبی بود. با گذشت زمان، سنگهای بیشتری رویهم انباشته شده و در نتیجه وزن بیشتری را روی لایه های زیرین وارد کردند. بدین طریق تورب تحت فشار زیادی قرار گرفته و فشرده تر شد تااینکه آب از آن خارج و سرانجام بعداز میلیونها سال به ذغالسنگ ، نفت و گاز طبیعی تبدیل گردید .

ذغالسنگ :

ذغالسنگ ماده ای سخت و سیاهرنگ است. ذغالسنگ از کربن ، ئیدروژن ، اکسیژن ، نیتروژن و مقادیر متغیری سولفور تشکیل شده است. سه نوع اصلی ذغالسنگ عبارتند از : آنتراسیت (ذغالسنگ خشک خالص) ، بیتومین (قیر) و لیگنیت (ذغال قهوه ای رنگ).

سخت ترین نوع ذغالسنگ، آنتراسیت است که دارای کربن بیشتری بوده و درنتیجه دارای انرژی زیادی است. لیگنیت نرم و مقدار کربن آن کم بوده امّا مقدار ئیدروژن و اکسیژن آن زیاد است. خواص بیتومین بین آنتراسیت و لیگنیت قرار دارد. امروزه هنوز می توان تورب را در کشورهای زیادی یافته و از آن بعنوان منشاء انرژی استفاده نمود.

چینی ها اولین انسانهایی بودند که از ذغالسنگ استفاده کردند . معدن ذغالسنگ فوشان در شمال شرقی کشور چین قدمّتی در حدود سیصد سال دارد. چینی ها معتقد بودند که ذغال ، سنگی است که
می تواند بسوزد. ذغالسنگ در بیشتر 48 ایالت آمریکا و در سایر نقاط جهان یافت می شود. استخراج ذغالسنگ به روشهای مختلفی صورت می گیرد. استخراج بعضی از معادن ذغالسنگ از طریق حفر چاه های عمودی و افقی عمیق و فرستادن معدن چیان به اعماق زمین با آسانسور یا ترن انجام می شود. روش دیگری که مورد استفاده قرار می گیرد ، روش استخراج روباز است. در این روش به کمک بیل های مکانیکی بزرگ لایه های فوقانی روی ذغالسنگ را برداشته و بعداز خارج نمودن ذغالسنگ مجدداً آنها را به جایاولیه اشان باز می گردانند.

سپس ذغالسنگ توسط ترن ، کشتی و حتّی خطوط لوله به مناطق مورد نظر حمل می شود. برای حمل از طریق لوله ، ابتدا باید ذغالسنگ خرد و سپس با آب ترکیب شده تا محلولی آبکی (دوغ آب) ساخته شود. سپس این محلول از طریق خطوط لوله کیلومترها پمپاژ می گردد. در طرف دیگر، از این ذغال بعنوان سوخت نیروگاهها و سایر کارخانجات استفاده می شود.

نفت

نفت نیز یک سوخت فسیلی بوده و پیش از سیصد میلیون سال قبل تشکیل شده است. بعضی از دانشمندان براین باورند که دیاتومهای کوچک و ریز، منشاء نفت هستند. دیاتومها، موجودات دریایی به اندازة یک سر سوزن می باشند. آنها نیز مانند گیاهان، نور خورشید را به انرژی ذخیره شده تبدیل می نمایند. دیاتومها بعد از مرگ در کف دریا قرار گرفته و زیر رسوبات و سایر سنگها مدفون شدند. سنگها باعث فشار برروی دیاتومها شده و درنتیجه انرژی ذخیره شده آنها نتوانست خارج شود. سرانجام، کربن تحت فشار و حرارت به نفت تبدیل گردید. به هنگام تغییر ، حرکت و چین خوردگی پوسته زمین ، مخازنی که در آن می توانست نفت و گاز طبیعی یافت شود ، تشکیل گردید.

بیش از پنج تا شش هزار سال است که از نفت استفاده می شود. سومری ها ، آشوری ها و بابلیهای قدیم از نفت خام و آسفالت (قیر) ، که از طریق تراوشات وسیع در منطقه ای به نام توتل یا هیت واقع در رودخانة فرات جمع می شده ، استفاده می کرده اند.

در واقع مکان نشت ، محلی برروی زمین است که در آنجا نفت از زیرزمین به بیرون تراوش می نماید. مصریان قدیم از نفت مایع بعنوان دارو جهت التیام زخمهایشان ، و روشن کردن چراغهای فانوسی استفاده می کردند.

محلی به نام دریای مرده، واقع در نزدیکی اسرائیل کنونی، به آسفالت دریاچه ای معروف است. از آنجایی که در این محّل توده های نفت چسبناک ناشی ازتراوشات زیر آبی در سواحل دریاچه تجمع یافته اند ، از این رو نام کلمة آسفالت از این محل گرفته شده است.

در شمال آمریکا ، آمریکایی های بومی از پتو برای جمع آوری نفت از سطح نهرها و دریاها استفاده می کردند. آنها از نفت بعنوان دارو و آب بندی قایق ها بهره می بردند. در خلال جنگهای داخلی ، آمریکائیهای بومی به سربازان جرج وانشگتن آموختند که چگونه از نفت برای درمان سرمازدگی استفاده کنند. بارشد و پیشرفت آمریکا ، تقاضا برای نفت بعنوان سوخت چراغهای فانوسی روبه فزونی گذاشت. به دلیل قیمت بالای روغن نهنگ ، استفاده از روغن نفت در چراغهای فانوسی مرسوم گردید. در این دوران، قسمت اعظم روغن نفت از طریق تقطیر ذغالسنگ بصورت مایع یا از سطح دریاچه ها تأمین می شد. 

 سپس در بیست و هفتم آگوست سال 1859 ، شخصی بنام ادوین دریک روغن مایع را از چاهی در نزدیک محلّی بنام تیتوسویل (Titusville) در پنسیلوانیا استخراج کرد. او نفت را در زیرزمین یافته و آن را به بیرون پمپاژ نمود. سپس نفت پمپاژ شده از چاه بداخل بشکه های چوبی ریخته شد.

امروزه ، هنوز در سرتاسر جهان از این نوع روش حفاری برای استخراج نفت از زیرزمین استفاده می شود. نفت و گاز طبیعی در زیرزمین بین چین خوردگی لایه ها و سنگهای متخلخل (پوک) یافت می شود. چین خوردگی سنگها ناشی از حرکت و تغییر مکان لایه های زمین است. این چین خوردگی ها دقیقاً مشابه با برآمدگیهایی است که هنگام پهن کردن فرش برروی کف اطاق بوجود می آید.

  شرکت های نفتی جهت اکتشاف نفت و گاز طبیعی ، چاههای عمیقی را حفر می کنند. سپس آنها از طریق دکل حفاری به بیرون پمپاژ شده (رجوع به شکل) و سرانجام از طریق خطوط لوله یا کشتی به محلهای مورد نظر حمل می شوند.

نفت در هجده بخش از پنجاه و هشت بخش ایالت کالیفرنیا یافت می شود. بخش کرن (Kern) ، که در آن میدان نفتی بیکر (Baker) قرار دارد ، یکی از بزرگترین تولید کنندگان نفت در آمریکاست. امّا صرفاً نیمی از نفت مورد نیاز این کشور از چاههای کالیفرنیا تأمین می گردد. بقیه نفت مورد نیاز از ایالت آلاسکا و تا حدود زیادی از طریق کشورهای دیگر تأمین می شود. بیش از 50 درصد از نفت مورد نیاز ایالات متحده از کشورهای خارجی بویژه خاورمیانه تهیه می گردد. نفت توسط کشتی های نفت کش بزرگ به کالیفرنیا آورده می شود. نفت یا نفت خام باید قبل از استفاده پالایش شده تا محصولات قابل استفاده ای از آن بدست آید.

پالایشگاه ها

نفت در مخازن بزرگی ذخیره شده و سپس جهت استفاده به مکانهای مختلف فرستاده می شود. در پالایشگاههای نفت ، با حرارت دادن نفت خام می توان محصولات مختلفی بدست آورد.

محصولات مختلف نفت عبارتند از کود برای مزارع ، لباس ، مسواک ، بطری پلاستیکی ، خودکار پلاستیکی . به غیراز این موارد ، هزاران محصول دیگر نیز از نفت بدست می آید. تقریباً کلیه اجناس پلاستیکی جزو محصولات نفتی هستند. آیا می توانید محصولات نفتی دیگری را نیز نام ببرید ؟

این محصولات شامل بنزین ، سوخت دیزل ، سوخت هواپیما ، نفت جهت گرم نمودن خانه ، نفت کشتی ها و سوخت نیروگاههای برق است. در تصویر محصولاتی را که می توان از یک بشکه نفت خام بدست آورد ، نشان داده شده است. 74 درصد از نفت تولیدی ایالت کالیفرنیا برای سوخت ماشینها ، هواپیماها، کامیونها ، اتوبوسها و موتورسیکلتها استفاده می شود.

در فصل 18 در رابطه با انرژی حمل و نقل بیشتر صحبت خواهیم کرد.

گاز طبیعی

اولین اکتشافات گاز طبیعی 2000 تا 6000 سال قبل در ایران انجام گردید. خیلی از نویسندگان قدیمی مطالبی را درباره تراوش گاز طبیعی در خاورمیانه بویژه منطقه باکو (آذربایجان) نوشته اند. تراوشات گازی ای که احتمالاً اولین بار توسط رعد و برق روشن شد ، آتشهای دائمی ای را بوجود آورد که توسط آتش پرستان ایران باستان مورد پرستش قرار می گرفتند.

گاز طبیعی سبکتر از هوا می باشد. قسمت اعظم گاز طبیعی از گاز متان ساخته شده است. متان ترکیب شیمیایی ساده ای است که از اتمهای کربن و هیدروژن تشکیل می گردد. فرمول شیمیایی آن CH₄ است (یک اتم کربن همراه با 4 اتم هیدروژن). این گاز بسیار قابل اشتعال است. معمولاً گاز طبیعی نزدیک مخازن نفت در زیرزمین یافت می شود. آنرا از زیرزمین پمپاژ و از طریق خطوط لوله به مخازن منتقل
می کنند. در فصل بعد شبکه خط لولة انتقال نفت مورد بررسی قرار خواهد گرفت. گاز طبیعی معمولاً بو نداشته و نمی توان آنرا دید. قبل از اینکه گاز طبیعی را به خطوط لوله و مخازن بفرستند ، آنرا با ماده شیمیایی ترکیب کرده که به آن بوی تندی میدهد. بوی آن تقریباً شبیه تخم مرغ فاسد است. اگر گاز مقداری نشت داشته باشد ، می توان براحتی بوی آن را استشمام نمود.

هشدار ! ایمنی در برابر خطرات ناشی از انرژی

اگر در خانه خود بوی تخم مرغ فاسدی را استشمام نمودید ، اطرافین را خبر نموده و سریعاً از خانه خارج شوید. هیچ چراغی یا وسیله برقی دیگری را روشن نکنید. صرفاً یک جرقه کلید برق می تواند براحتی گاز را مشتعل کند. به خانه همسایه بروید و برای کمک اضطراری با شماره 1-1-9 تماس بگیرید. 

صرفه جویی در مصرف سوختهای فسیلی

میلیونها سال طول می کشد تا سوختهای فسیلی تشکیل شوند. ما از سوختهایی استفاده می کنیم که 300 میلیون سال پیش و قبل از عصر دایناسورها بوجود آمده اند. اگر روزی این سوختها به اتمام برسد ، دیگر نمی توان کاری کرد.

 بنابراین بهتر است سوختهای فسیلی را به هدر ندهیم. آنها تجدید پذیر نیستند و نمی توانند مجدداً ساخته شوند. از این رو، با صرفه جوئی در انرژی می توانیم از سوختهای فسیلی برای مدت بیشتری استفاده کنیم.

 روی این سیاره است. بیش ار 5000 سال قبل، مردم خورشید را پرستش می‌کردند. اولین پادشاه مصر، خدای خورشیدی، به نام را  (Ra) بود. در بین النهرین، خدای خورشیدی به نام شاماش (Shamash)،‌ خدای اعظم و برابر با عدالت بود. در یونان دو خدای خورشید به نامهای آپولو و هلیوس وجود داشت. تأثیر خورشید در سایر ادیان نیز نمایان است. زرتشتی، مذهب رومی، هندو، بودائی،‌ کاهن (انگلیس)، آزتگ (مکزیک) و خیلی از قبایل بومی امریکا خورشید را پرستش می‌کردند.

 

 

امروزه ما میدانیم که خورشید نزدیکترین ستاره به سیاره زمین است. بدون خورشید، امکان ادامه زندگی بر روی این سیاره وجود ندارد. هر روز ما از انرژی خورشید به طرق مختلف استفاده می‌کنیم. زمانیکه لباس‌های خیس را روی طناب آویزان می‌کنیم،‌ گرمای خورشید باعث خشک شدن آنها می‌شود.

گیاهان برای تولید غذا از نور خورشید استفاده می‌کنند. سپس حیوانات، گیاهان را به عنوان غذا می‌خورند. و همانطوریکه در فصل 5 گفتیم ، تجزیه گیاهان در صدها میلیون سال قبل باعث تولید ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی گردید که امروزه ما از آنها استفاده می‌کنیم . بنابراین، سوخت‌های فسیلی در واقع از میلیون‌ها سال قبل نور خورشید را در خود ذخیره نموده‌اند. خورشید و سایر ستارگان بطور غیر مستقیم نقش مهمی را در تولید کلیه انرژی‌ها، بازی می‌کنند. حتی منشاء تولید انرژی هسته‌ای مربوط به یک ستاره است. زیرا اتم‌های اورانیوم در اثر نووا (انفجار یک ستاره) بوجود آمدند.

 

  آب گرم خورشیدی

 

در دهه 1890 در سرتاسر امریکا از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی برای گرم کردن آب استفاده می‌شد. آنها مزیت بیشتری نسبت به کوره‌های زغال سوز و چوب سوز داشتند. در آن زمان از گاز مصنوعی حاصل از ذغال نیز برای گرم نمودن آب استفاده میگردید، اما قیمت آن 10 برابر قیمت گاز طبیعی امروز بود. قیمت برق حتی اگر در شهر شما وجود داشت بسیار گران بود.

 

در آن زمان بسیاری از خانه‌ها از آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی استفاده می‌کردند. در سال 1897، حدود 30 درصد از خانه‌های شهر پاسادانا ، واقع در شرق لس‌آنجلس ، مجهز به آب گرم‌کن‌های خورشیدی بودند. با پیشرفت‌های مکانیکی صورت گرفته، سیستم‌های خورشیدی در آریزونا، فلوریدا و خیلی دیگر از مناطق آفتابی ایالت متحده نیز مورد استفاده قرار گرفت. در تصویر ، آب گرم‌کن خورشیدیی را می‌بینید که در سال 1911 در روی سقف خانه‌ای در دره پومونا (Pomona) ،‌ واقع در کالیفرنیا، نصب گردید

تا سال 1920، دهها هزار عدد از این آب گرم کن‌های خورشیدی به فروش رسیده بود. اما بعد از این سال، مخازن بزرگ نفت و گاز طبیعی در غرب ایالت متحده کشف شد. با دسترس قرار گرفتن سوخت‌های فسیلی ارزان ، آنها جایگزین سیستم‌های خورشیدی شدند.

 

 

امروزه، مردم مجدداً شروع به استفاده از آب گرم کن‌های خورشیدی کرده‌اند. در حال حاضر تنها در ایالت کالیفرنیا، ‌بیش از نیم میلیون آب گرم کن خورشیدی وجود دارد. این آب گرم‌کن‌ها در مراکز تجاری و منازل استفاده می‌شود.

همانطوریکه در تصویر می‌بینید ، از این آب‌گرم‌کن‌ها برای استخرهای شنا نیز استفاده میگردد. صفحاتی که بر روی سقف ساختمان نصب شده‌اند دارای یک سری لوله‌های آب هستند. زمانیکه اشعه خورشید به این صفحات و لوله‌ها برخورد می‌کند، آب داخل لوله ها گرم شده و از آن می‌توان برای پرکردن استخر استفاده نمود.

 

تولید برق از طریق گرمای خورشید

 

از انرژی خورشیدی نیز میتوان جهت تولید برق استفاده نمود. بعضی از نیروگاههای خورشیدی، مانند نیروگاههایی که در صحرای مووجاو (Mojava) ، در ایالت کالیفرنیا ، قرار دارد (رجوع به تصویر)، دارای آینه بسیار خمیده ای به نام طشتک سهمی شکل (Parabolic Trough) است که نور خورشید را بر روی لوله ای ، که به طرف نقطه مرکزی در بالای خمیدگی آینه ادامه می‌یابد، متمرکز می‌کند. آینه، نور خورشید را به روی لوله متمرکز کرده و آنرا آنقدر گرم می‌کند که می‌تواند باعث جوشش آب بصورت بخار گردد. سپس از این بخار میتوان برای چرخش توربین و در نتیجه تولید برق استفاده نمود. در نیروگاه خورشیدی صحرای مووجاو، در ایالت کالیفرنیا، از چند ردیف آینه خورشیدی استفاده شده است. این نوع نیروگاهها را نیروگاههای حرارت خورشیدی می نامند. نیروگاههای صحرای مووجاو برای تولید برق 350000 خانه طراحی شده‌اند.

 

 

مشکل اصلی در استفاده از این نوع نیروگاهها این است که آنها صرفاً در زمان تابش خورشید کار میکنند. بنابراین در روزهای ابری و شبها، این نیروگاهها نمی‌توانند انرژی تولید کنند. بعضی از نیروگاهها دارای فن آوری دوگانه هستند،‌ بدین ترتیب که در روز از انرژی خورشیدی و در شب و روزهای ابری از گاز طبیعی برای جوشاندن آب و در نتیجه تولید برق استفاده می کنند.

نوع دیگری از نیروگاههای خورشیدی برای تولید برق، نیروگاه برج مرکزی نام دارد (رجوع به تصویر). در بالای برج این نیروگاه، 1800 آینه چرخان نصب شده که نور خورشید را منعکس می‌کنند. این آینه‌ها را « heliostats » می‌نامند که در تمام روز در حال چرخش و حرکت بوده تا رو به خورشید قرار گیرند. نور انعکاس یافته باعث گرم شدن سیالی در مرکز آینه می‌شود. حال ، این سیال گرم می تواند باعث جوشش آب و تولید بخار شده ، و در نتیجه توربین ژنراتور را به گردش در آورد. این نیروگاه آزمایشی ، خورشیدی II نام دارد. شروع کار این نیروگاه به اوایل دهه 1980 بر میگردد، اما اکنون با استفاده از فن آوری جدید بازسازی گردیده است.

این نیروگاه برای تأمین برق 10000 خانه طراحی شده است. طبق گفته کارشناسان با احداث نیروگاههای برج مرکزی بزرگتر می‌توان برق  100000 تا 200000 خانه را تامین نمود.

 

سلولهای خورشیدی یا انرژی فتوولتایی

 

با استفاده از سلولهای خورشیدی ، مستقیماً می‌توان از نور خورشید برق تولید نمود. سلولهای خورشیدی را سلولهای فتوولتایی یا به اختصار PV نیز می‌نامند. از این نوع سلولها در ماشین حساب یا حتی فضا پیما استفاده می‌شود.

اولین بار آنها در دهة‌ 1950 در ماهواره های فضایی ایالت متحده مورد استفاده قرار گرفتند. این سلولها از سیلیکون (نوع خاصی از ماسه مذاب) ساخته شده‌اند.

 

زمانیکه نور خورشید به سلولها برخورد می کند، الکترونها آزاد شده و به سمت صفحه جلویی (رنگ آبی تیره)‌ حرکت می‌کنند (به تصویر توجه کنید) . بدین ترتیب یک الکترون اضافی بین جلو و عقب صفحه تولید میشود. زمانیکه دو صفحه توسط یک رابط مثل سیم بهم وصل می‌شوند ، جریان برق بین قطب مثبت و منفی برقرار می گردد.

مجموعه‌ای از سلولهای خورشیدی در یک واحد فتوولتایی چیده شده و مجموعه ای از واحدهای فتوولتایی نیز بصورت آرایه‌ای در کنار هم قرار می گیرند (به تصویر توجه کنید) .

 

 

بعضی از آرایه ها بر روی وسایل ردیابی نصب شده که بتوانند نور خورشید را در تمام طول روز دنبال کنند . انرژی الکتریکی بدست آمده از سلولهای خورشیدی را مستقیماً می‌توان استفاده نمود. از این انرژی می‌توان برای روشنایی منازل و وسایل برقی، و نیز مراکز تجاری استفاده نمود. انرژی خورشیدی را میتوان در باتریهایی ذخیره نمود و از آن برای روشنایی تابلو علائم کنار جاده ها در شب استفاده کرد. همچنین این انرژی را می‌توان در باتری ذخیره کرده و در تلفن های سلولی که در کنار جاده ها نصب می‌شود، استفاده نمود . بعضی از ماشین‌ها نیز بطور آزمایشی از سلولهای فتوولتایی استفاده می کنند. این نوع ماشین ها نور خورشید را مستقیماً به انرژی تبدیل کرده و موتور الکتریکی را به حرکت می اندازند.

اکثر ما زمانیکه در خصوص انرژی خورشیدی فکر می‌کنیم، تصویری از ماهواره های فضایی در ذهنمان نقش می بندد. در تصویر،‌ صفحات خورشیدیی که بیرون از ماهواره قرار گرفته اند را می بینید.

انرژی ذخیره ایی و باتری ها

انرژی را نمی توان تولید نموده یا از بین برد ، اما می توان آن را به صورتهای مختلف ذخیره نمود.

یکی از روش های ذخیره سازی ، ذخیره نمودن انرژی شیمیایی در باتری است. با اتصال باتری به یک مدارمی توان الکتریسیته تولید نمود.اگر به یک باتری توجه کنید ، خواهید دید که دو سر به نامهای قطب مثبت و منفی دارد. اگر دو قطب را توسط یک سیم به هم وصل کنیم ، می توانیم یک مدار بسازیم . الکترونها از سیم عبور نموده و جریان الکتریسیته یا برق را تولید می نمایند. درون باتری، واکنشی بین مواد شیمیایی انجام می شود. اما این واکنش صرفاً در زمان جریان الکترونها رخ می دهد .

باتریها را می توان برای مدت طولانی نگه داشت ، زیرا شروع فرآیند شیمیایی منوط به عبور الکترونها از قطب منفی به مثبت مدار است.

چگونه واکنش شیمیایی در باتری انجام می شود ؟

یکی از باتری های خیلی ساده باتری روی – کربن است که به اختصار باتری کربن نامیده می شود. این باتری شامل مادة اسیدی و یک میله از جنس روی در مرکز است. اینجا داشتن اطلاعات کمی در خصوص شیمی به ما کمک خواهد کرد. زمانی که روی به داخل اسید وارد می شود ، اسید شروع به خوردن روی کرده و گاز هیدروژن و انرژی گرمایی آزاد می شود. مولکولهای اسید به اجزای تشکیل دهندة خودش تفکیک می شود. این اجزا معمولاً شامل هیدروژن و سایر اتمها می باشد. در طی این فرآیند الکترونهای مربوط به اتم روی آزاد شده و با یونهای هیدروژن اسید ترکیب می شوند و تولید گاز هیدروژن می کنند.

اگر یک میلة کربن به داخل اسید وارد شود ، اسید هیچ گونه واکنشی با آن انجام نخواهد داد.

امّا اگر میلة کربن را با یک سیم به میلة روی وصل کرده و یک مدار تولید کنید ، الکترونها شروع به عبور از سیم نموده و با هیدروژن موجود برروی میلة کربن ترکیب می شوند. این عمل باعث آزادی مقدار کمی گاز هیدروژن شده و گرمای بسیار کمی را نیز تولید می کند. مقداری از این انرژی گرمایی ، انرژی است که از مدار عبور می کند.

حال انرژی موجود در مدار می تواند یک لامپ چراغ قوه را روشن کرده و یا یک موتور کوچک را به حرکت در آورد. سرانجام میلة روی کاملاً توسط اسید باتری حل شده و باتری دیگر قابل استفاده نمی باشد.

تذکر

همانگونه که در فصل اول خواندیم اولین باتری توسط ، الکساندر ولتا ساخته شد. ولتا نام باتری خود را پیل ولتایی نامید. او لایه هایی از روی و مقوا را به صورت یک درمیان روی هم قرار داد و سپس آنها را در آب نمک و نقره فرو برد.

اگر شما یک سیم را به بالا و پایین این پیل وصل کنید ، به دلیل عبور الکترونها، جریان برق تولید می شود. افزودن لایه های بیشتر در پیل باعث تولید مقدار برق بیشتری خواهد شد.

انواع باتری :

باتری های مختلف دارای مواد و واکنش های شیمیایی متفاوتی هستند. بیشترین باتریهای مورد استفاده عبارتند از :

- باتری قلیایی : مثل باتری Duracell و Energizer و سایر باتریهای قلیایی . الکترودهای این نوع باتری از جنس روی و اکسید منگنز می باشد. امّا الکترولیت (تجزیه کننده) آن از جنس خمیر قلیایی است.

- باتری سرب – اسید : این نوع باتری بیشتر در اتومبیل استفاده می شود. الکترودهای این نوع باتری از جنس سرب و اکسید سرب ، و الکترولیت آن از جنس یک نوع اسید قوی است.

- باتری لیتیم : این باتری برای چراغ فلاش دوربین عکاسی استفاده می شود. مواد آن شامل لیتیم ، یدورلیتیم و یدور سرب است.

- باتری یون لیتیم : این نوع باتریها بیشتر در کامپیوترهای دستی (Laptop) ، تلفنهای پیلی و سایر وسایل الکتریکی قابل حمل استفاده می شود.

- باتری نیکل – کادمیم : جنس الکترودهای این نوع باتری هیدروکسید نیکل و کادمیم است. الکترولیت مورد استفاده در این نوع باتری نیز هیدروکسید پتاسیم می باشد.

- باتری روی – کربن یا باتری کربن : روی و کربن در کلیه باتریهای خشک نوع C , A و D استفاده می شود.  در این نوع باتری، الکترودها از جنس روی و کربن بوده و الکترولیت آن خمیری از مواد اسیدی است.

غذا – روش دیگری برای ذخیره نمودن انرژی

ذخیره انرژی در باتریها توسط یک سری فرآیندهای شیمیایی صورت می گیرد ، امّا راههای دیگری نیز برای ذخیره نمودن انرژی وجود دارد. بعنوان مثال «زنجیره غذایی» برروی سیارة خودمان را در نظر بگیرید.

گیاهان (مانند علف در علفزار) انرژی خورشید را از طریق فتوسنتز به انرژی شیمیایی ذخیره شده ، تبدیل می کنند. این انرژی در سلولهای گیاه ذخیره شده و جهت رشد ، اصلاح و تکثیر آن استفاده می گردد.

گاوها و سایر حیوانات، انرژی ذخیره شده در علف یا دانه را استفاده نموده و آن را به انرژی ذخیره شده ای در بدن خود تبدیل می کنند. زمانیکه ما گوشت و سایر محصولات حیوانی را می خوریم ، ما نیز آن انرژی را در بدن خود ذخیره می کنیم. ما از این انرژی ذخیره شده برای راه رفتن ، دویدن ، دوچرخه سواری و یا حتّی خواندن یک مطلب برروی اینترنت استفاده می کنیم