انرژی خورشیدی جایگزینی مناسب برای بنزین

نویسنده : ن. فرجودیان

 عمده ترين مشكلات بشر امروز، آلودگي هوا، گرمايش كره زمين و به دنبال آن تغييرات اقليمي زمين است. برگزاري كنفرانس كپنهاگ (پايتخت دانمارك ۷ تا ۱۸ دسامبر2009 / ۱۶ تا ۲۷آذرماه) و بحث هايي كه در همین زمینه در دنيا ایجاد شد، نشاندهنده حساسيت اين موضوع است. مهم‌ترین هدف این نشست، تدوین پیمانی بود که به کاهش سیستماتیک مقدار گازکربنیک موجود در هوا (که مسئول اصلی گرمایش زمین است) منجر شو د.

تحقيقات نشان مي دهد كه مهمترين دليل تخريب چرخه اقليمي زمين، افزايش روز افزون گازهاي گلخانه اي (دی اکسید کربن، متان، اوزون، اکسید نیتروژن و…) است که به واسطه مصرف انرژی‌های فسیلی (بنزین، نفت، گاز، ذغال سنگ و…)، استفاده از حلال‌ها، مواد سردکننده، سوزاندن زباله‌ها و… پدید می‌آیند.
میزان تولید گازهای گلخانه‌ای در ایران به نسبت تولید اقتصادی و سرانه جمعیت بسیار بالا است. از دلایل این آلودگی می توان به عدم مدیریت صحیح در مصرف سوخت، عدم توجه به مسايل زيست محيطي و تاثيرات زيانبار پروژه‌های صنعتی برای محیط زیست در ایران اشاره کرد.
بر پایه گزارش اداره آمار آلمان و به استناد گزارش آژانس بين المللي انرژي( IEA)، چین، آمریکا، روسیه و هند، تولید ۵۰ درصد از گاز دی اکسید کربن موجود در كره زمين را بر عهده دارند! برطبق اين  آمار، چین  آلوده‌کننده‌ترین کشور دنیا ‌و ایران دهمین کشور مسئول در آلودگی و گرمایش زمین معرفی شده است.
جدول منتشر شده از سوی آژانس بین‌المللی انرژی نشان می‌دهد که از سال ۱۹۹۰ تا ۲۰۰۷، ایران بعد از چین بیشترین میزان افزایش تولید دی اکسید کربن را داشته است. در طی این سال‌ها، تولید دی‌اکسیدکربن در ایران ۱۶۵/۸ درصد افزایش یافته است. همچنین ایران از لحاظ افزایش تولید سرانه این گاز (در میان ۱۰ کشور) در مقام دوم است.
ایران در سال ۱۹۹۰، ۱۷۵ میلیون تن و در سال ۲۰۰۷، ۴۶۶ میلیون تن دی اکسید کربن تولید کرده است!

گرمايش کره زمين چيست؟

يکي از بزرگترين تهديدات محيط زيست، گرم شدن کره زمين است. در دهه هاي گذشته، انسان چنان درگير دستيابي به تكنولوژي هاي نو بود كه فكر و دغدغه اي براي گرم شدن زمين نداشت و هنگامي متوجه مضرات فعاليت هاي خود شد كه مشكلات بسیاری پيش آمد.

آب شدن يخچال ها و بالا آمدن سطح آب هاي آزاد، افزايش پديده هايي چون سونامي، بارش هاي سهمگين و سيلاب هاي مرگ آور، آتش سوزي هاي عظيم در جنگل ها و موج هاي غول آسا در اروپا، همه از نشانه هاي گرمايش کره زمين است.

دانشمندان با بررسي حلقه هاي درختان دريافتند كه كره زمين درطول هزاران سال، چنين گرمايي را به خود نديده است. به گزارش سازمان جهاني IPCC(دفتر جهاني تغييرات آب و هوايي) فعاليت هاي بشر باعث افزایش گرم شدن كره زمين شده است. سوزاندن سوخت هاي فسيلي و گازهاي طبيعي و از بين بردن جنگل ها، باعث شده كه سالانه بيليون ها تن دي اكسيد كربن آزاد و به هوا فرستاده شود. جمع شدن CO2و ساير گازهاي گلخانه اي ساخت دست بشر در لايه زيرين اتمسفر به نام توپوسفر، باعث افزايش دماي زمين مي شود كه در نتيجه باعث آب شدن يخ ها و بالا آمدن سطح آب رودخانه ها و اقيانوس ها و یا باعث خشك شدن آنها (بر اثر تبخیر زیاد) مي شود. كه اين امر باعث افزايش بيماري هاي عفوني، توفان هاي ويرانگر، رشد بي رويه گياهان و گونه هاي جانوري يا از بين رفتن آنها در برخي از مناطق مي شود.

ادامه روند فعاليت هاي انسان موجب آب شدن يخ هاي قطب جنوب و در نتيجه بالا آمدن آب درياها تا شش متر و به زير آب رفتن سرزمين هايي است كه انسان بر روي آنها زندگي مي كند.

گرمايش زمين هنگامي متعادل خواهد بود که ذرات گوگرد و دی اکسید کربن توليدشده توسط انسان از طريق درياها و جنگل ها کنترل شود. ميزان کنترل کننده هاي طبيعي دی اکسید کربن در طبيعت رو به کاهش است.

دانشمندان برای جلوگيري از تغييرات خطرناك آب و هوايي راهكارهاي مختلفي را ارائه کرده اند: استفاده از انرژي هاي پاک که طبيعت در اختيار ما گذاشته است همچون انرژي خورشيدي، بادي، آبي و انرژي اتمي، استفاده از سوخت هاي هيدروژني در ماشين ها و يا استفاده از باتري هاي خورشيدي، از نمونه هاي اين راهكارها هستند.

آلودگي هوا چيست؟

آلودگى هوا به معناى مخلوط شدن هوا با گازها، قطرات و ذراتى است كه كيفيت هوا را كاهش مى‌دهند. در شهرها خودروها، هواپيماها، صنايع مختلف و ساختمان سازي ها و در خارج از شهر ها غبار حاصل از شخم زدن زمين به وسيله تراكتورها، ماشين‌ها و كاميون‌هايى كه در جاده‌هاى شنى يا خاكى مى‌رانند، ريزش كوه و دود حاصل از آتش سوزى بيشه‌ها و مزارع، باعث آلودگی‌هوا می‌شود.

عامل مهم ديگري كه در اغلب شهرهاي بزرگ باعث آلودگي هوا مي شود، ازن ناشي از واكنش بين گازهاي آلاينده حاصل از مصرف سوخت با نور خورشيد است كه بسيار سمي است. به دليل واكنش با نور خورشيد، در شرايط ساكن بودن هوا و درخشندگي بيشتر نور خورشيد، تولید اين گاز بيشتر می شود. (اين ازن را نبايد با ازني كه در لايه هاي بالايي اتمسفر قرار داشته و موجب جذب اشعه های مضر خورشيد مي شود اشتباه گرفت.)

اگزوز اتومبيل ها، آلاینده‌های متعددى از جمله مونوکسیدکربن، دی اكسيد نيتروژن، دى‌اکسید گوگرد و ذرات معلق از جمله ذرات كوچكتر از ده ميكرومتر، بنزن، فرمالدئيد و هيدروكربن‌های چندحلقه‌ای را خارج مى‌کنند.

علایم آلودگي هوا:

سوزش چشم، سرفه و احساس سنگيني در قفسه سينه از نشانه هاي رايج تاثير آلودگي هوا است. همچنین مر گ و مير در آلودگي هاي شديد، قحطي ناشي از تغييرات اقليمي، افزايش گرسنگي در كشورهاي فقير، كاهش محصولات كشاورزي، كمبود فزاينده آب، رشد بي رويه جمعيت در كشورهاي آفريقايي، افزايش مهاجرت به مناطق بهتر و كاهش بارش برف درارتفاعات آلپ نیز از پيامدهاي آلودگي هوا و تغييرات اقليمي است.
آلودگي هواي تهران در اثر دو عامل بوجود مي آيد:

1- عوامل طبيعي مانند وزش باد كه از سمت غرب و جنوب غرب مي وزد و باعث حجوم شن هاي سرخ عربستان به ایران می شود.
2- عوامل انسانی مانند آلودگي ناشي از مصرف سوخت هاي فسيلي مانند نفت ، بنزين و گازوئيل
3- اكثر صنايع تهران در مجاورت شهر بویژه در سمت غرب و جنوب غرب، در مسير وزش باد هاي موسمي قرار دارد و بنابراين تمام آلودگي از اين كارخانه ها وارد هوای تهران مي شود.

برای كاهش آلودگي هوا چه بايد كرد؟
1- استفاده از بنزين بدون سرب: سرب ماده اي سمي است که براي خشک سوزي بنزين به کار رفته و حذف آن از بنزين حرکتي مثبت است. براي سوزاندن بنزين در خودروها به كاتاليزور نیاز است وگرنه باعث آلودگي بيشتر هوا مي شود. اكثر خودروهاي جديد مجهز به كاتاليزور هستند.
در برخي از كشورهاي اروپايي از جمله آلمان، در خودرو از كاتاليزورهاي دائمي استفاده و خودروي بدون كاتاليزور از خيابان ها جمع مي شود زیرا اين خودرو توانايي سوزاندن بنزين بدون سرب را نداشته و باعث آلودگي بيشتر هوا مي شود. در ايران از كاتاليزورهاي با طول عمر دو سال استفاده مي شود كه اكثر مواقع كسي به فكر تعويض آن پس از دو سال نيست.
2- استفاده از دودكش هاي با ارتفاع بيش از 150 متر برای كارخانه ها، تا دود را از محدوده فضاي شهري بيرون ببرد كه متاسفانه در ايران اين امر اصلا رعايت نمي شود.
3- بازيافت دود كارخانه ها پيش از خروج از دود كش آنها و استفاده بهينه از مواد زيان آور همچون دی اکسید گوگرد و توليد اسيد سولفوريك و اسيد نيتريك از نيتروژن تصفيه شده.
4- افزايش وسايل حمل و نقل عمومي آنها
5- استفاده از سوخت هاي جديد مانند بيواتانول ها
6- استفاده از باتري هاي خورشيدي

باتري هاي خورشيدي

Untitled-4

خورشيد، نزديك ترين ستاره به زمين و موثرترین آنها است. از آنجا که تجزيه گياهان در صدها ميليون سال قبل باعث بوجود آمدن ذغال سنگ، نفت و گاز طبيعي شده است بنابراين حتي در استفاده از سوخت هاي فسيلي نيز به نوعي مديون خورشيد هستيم.

برای كاهش آلودگي هاي ناشي از سوخت هاي فسيلي و با درنظر گرفتن احتمال كم شدن اين سوخت ها، مسئله استفاده از  انرژی خورشیدی  در کانون توجه قرار گرفته است.

بشر به شکل های گوناگون از خورشيد برای توليد انرژي استفاده مي کند كه مهمترين آنها عبارتند از:

Untitled-31- نيروگاه حرارتي: اين نيروگاه از يك آينه بسيار خميده به نام طشتك سهمي تشكيل شده كه نور خورشيد را همواره بر روي لوله اي كه به طرف نقطه مركزي و بالاي خميدگي آينه ادامه دارد، متمركز مي کند. نور متمركز شده باعث افزايش دماي لوله و به جوش آمدن آب شده و بخار آن برای چرخش توربين و در نتيجه توليد برق استفاده مي شود. مشكل نيروگاه های حرارتی این است كه فقط در هنگام تابش خورشيد كار مي كنند و شب ها يا در روزهاي ابري، باید از گاز طبيعي برای گرم کردن آب استفاده کنند.

Untitled-22- نيروگاه برج مركزي: در بالاي اين نيروگاه، تعداد بسيار زيادي آينه چرخان نصب شده كه با چرخش خود نور خورشيد را بر روي سيال موجود در مركز آينه متمركز کرده و باعث گرم شدن آن مي شوند. اين سيال گرم باعث جوشش آب و توليد بخار برای به گردش در آوردن توربين ژنراتور مي شود.

4- باتري هاي خورشيدي يا سلول هاي فتوولتائيك: فتوولتائيك بهترين روش شناخته شده برای تبديل انرژي خورشيد به الكتريسيته است.

باتري هاي خورشيدي
باتري هاي خورشيدي يا سلول هاي فتوولتائيك، ابزارهاي الكترونيكي هستند كه نور خورشيد را به جريان الكتريكي تبديل مي کنند. (اولين باتري خورشيدي در سال 1954 با استفاده از نيمه رساناي سيليكون، در آزمايشگاه تلفن بل ساخته شد.)
دانشمندان به ارزش باتري هاي خورشيدي پي بردند زیرا جرم كمي داشته و هيچ بخش متحرك مكانيكي ندارند. امروزه در اكثر ماهواره ها و سفينه هاي فضايي (بجز سفينه هايي كه به فراسوي منظومه شمسي و نقاطي كه درآنجا نور خورشيد ضعيف است مي روند) از اين باتري ها استفاده مي شود.
باتري اوليه از تك بلور سيليكون (Si) كه بر روي صفحات كنار هم قرار دارد ساخته شد. سيليكون را به راحتي مي توان از شن مذاب به دست آورد اما پالايش شن و خالص سازي كافي سيليكون بسيار پر هزينه است. امروزه برای كاهش هزينه توليد، از عدسي هاي بزرگ و ارزان قيمت فرنل براي متمركز کردن نور بر روي سلول كوچكي از سيليكون يا آرسنيد گاليوم (GuAs) استفاده مي شود. در اين ميان طراحي مناسب تمركز دهنده ها برای ردگيري دوبعدي وضعيت خورشيد در آسمان در طول روز بسيار مهم است.
در طول یک ماه با در نظر گرفتن شش ساعت در هر روز (آفتابي)، 1000 كيلو وات ساعت برق توليد مي شود كه اين در حدود برق مصرفي يك خانوار است.

سلول هاي خورشيدي جريان مستقيم الكتريسيته DC را به وسيله نور توليد مي کنند كه مي تواند در تجهيزات توان يا شارژ مجدد باتري ها استفاده شود. به عنوان اولين تجربه، در سال 1968 ايجاد ماهواره هاي خورشيدي پيشنهاد شد. يك ايستگاه فضايي در مداري كه همزمان با زمين در حركت باشد، تحت تابش اشعه خورشيد است و بنابراين بهترين روش برای ايجاد توان، باتري هاي خورشيدي است. امروزه قسمت اعظم مدول هاي فتوولتائيك در شبكه هاي توليد توان به كار مي روند. از اين شبكه ها در قايق ها، وسايل نقليه تفريحي، خودروهاي الكتريكي و… استفاده مي شود.

ماده تشكيل دهنده و ميزان بازدهي:
سلول هاي خورشيدي از سيليكون و یا آرسنيدگاليوم ساخته مي شوند. سلول هايي كه از سيليكون ساخته شده اند، داراي بازده 22 درصد هستند كه البته بازده عملي آن بين 15تا 18 درصد است. بازده عملي سلول هايي كه از آرسنيد گاليم ساخته شده اند بيش از 20 درصد است.
ساختار باتري هاي خورشيدي:

در باتري هاي خورشيدي يك لايه نيمه رساناي نوع p (رسانای با بار مثبت، دارای حفره) را با يك لايه نيمه رساناي نوع n (رسانای با بار منفی دارای الکترون) ارتباط مي دهند. در حالت عادي عبور حفره ها و الكترون ها از محل پيوند بسيار محدود است. حال اگر نوري به نيمه رساناي حاصل بتابانيم، تعدادي الكترون ظرفيت در اثر انرژي نور از مدار خود جداشده و جاي خالي آنها به صورت حفره بر جاي مي ماند. اين

یک نمونه از کاربرد سلولهای فتوولتاییک در ساختمانها

یک نمونه از کاربرد سلولهای فتوولتاییک در ساختمانها

الكترون ها توانايي عبور از خط پيوند را داشته و به نيمه رساناي n وارد مي شوند. اگر با سيمي اين دو نيمه رسانا را بهم وصل کنیم در واقع نوعي جريان الكتريكي در اثر حركت اين الكترون ها در مدار ايجاد مي شود. مجموعه‌اي از سلول هاي خورشيدي در يك واحد فتوولتايي چيده شده و مجموعه اي از واحدهاي فتوولتايي نيز بصورت آرايه‌اي در كنار هم قرار مي گيرند.
بعضي از آرايه ها بر روي وسايل رديابي نصب شده كه بتوانند نور خورشيد را در تمام طول روز دنبال كنند. انرژي الكتريكي بدست آمده از سلول هاي خورشيدي را مي‌توان بطور مستقيم استفاده کرد. از اين انرژي مي‌توان براي روشنايي و راه اندازی وسايل برقي استفاده کرد. انرژي خورشيدي را می توان در باتري هايي ذخيره کرد و از آن براي روشنايي تابلوی علایم كنار جاده ها در شب، تلفن هاي اضطراري كنار جاده ها، روشنايي معابر و ساختمان ها و يا حتي برای به حركت درآوردن خودروها استفاده کرد. اين نوع ماشين ها نور خورشيد را بطور مستقيم به انرژي تبديل كرده و موتور الكتريكي را به حركت درمي آورند.

خودروهاي فتوولتائيك:

اگر بخواهيد خودروي خود را با نور خورشيد به حركت در آوريد، آرايه هاي فتوولتائيك شما باید چقدر بزرگ باشند؟
در اولين قدم بايد ميزان مصرف خودرو برحسب كيلومتر را بدست آورد. در يك ماشين بنزيني اين ميزان به صورت ليتر بر كيلومتر و در ماشين هاي الكتريكي بر اساس مايل بر كيلووات ساعت محاسبه مي شود. با كسر 10 درصد از كل توان برای شارژ و دشارژ باتري، بازده باتري نمونه حدود 2.9 مايل بر كيلووات ساعت بدست مي آيد. در صورت استفاده از سلول هاي فتوولتائيك برای تغذيه خودروي خود، بايد يكسري باتري در خانه برای ذخيره الكتريسيته و شارژ شبانه باتري ها داشته باشيد.
اگر به ازای هر فوت مربع از آرايه ها 10 وات توان حاصل شود، از يك آرايه به مساحت 1000 فوت مربع در يك روز آفتابي ( هشت ساعت ) ميزان

1000 * 10 * 8 = 80 kwh

انرژي در طول روز ذخيره مي شود. با ضرب اين عدد در 2.9 مايل بر كيلو وات ساعت و كسر 10 درصد اتلاف انرژي شارژ و دشارژ باتري، انرژي لازم برای طي مسيري معادل 209 مايل (تقريبا 336 كيلومتر) در اختيار خواهيم داشت. پس به راحتي مي توان مسير رفت و برگشتي معادل 160 كيلومتر را طي کرد بنابراين با نصب پانلي معادل 500 فوت مربع (معادل 46 متر مربع) بر روي خودرو، مي توان مسير رفت و برگشت به محل كار خود را مجاني طي کرد. اگر بدنه خودروها  از فتوولتائيك ها ساخته شوند، مي توان انرژي مورد نياز را تا حد بسيار زيادي توليد کرد. در حال حاضر اين طرح در مرحله طراحي و بررسي هاي اوليه است اما روزي خواهد رسيد كه همه خودروها به اين سيستم مجهز شوند.

اتومبيل هاي نسل جديد:
نسل جديد خودروهاي فراري بر روي سقف خود سيستم فتوولتائيك دارند. شرکت فراري همواره در كاهش مشكلات زيست محيطي کوشیده و به همين منظور در طراحي هاي جديد خود، برای كاهش ميزان CO2 به خودروهاي الكتريكي روي آورده است. اين شرکت در راستاي اين هدف به افزايش فضای سبز داخل و خارج كارخانه اقدام کرده و از سال 1990 با احداث خانه هايي در محوطه كارخانه و تامين مايحتاج روزانه كارگران و كارمندان خود، به ميزان قابل توجهی از سفرهاي غير ضروري آنها كاسته است. بهتر است شركت هاي بزرگ در تهران مانند ايران خودرو و سايپا، با الگو قراردادن شركت فراري، سهمی در كاهش آلودگي هواي شهر تهران داشته باشند.