انرژی خورشیدی و سلولهای خورشیدی
 

امروزه بشر با دو بحران بزرگ روبرو است که بیش از آنچه ما ظاهرا تشخیص می دهیم با یکدیگر ارتباط دارند. از یک طرف جوامع صنعتی و همچنین شهرهای بزرگ با مشکل الودگی محیط زیست مواجهند و از طرف دیگر مشاهده می شود که مواد اولیه و سوخت مورد نیاز همین ماشینها با شتاب روز افزون در حال اتمام است.

اثرات مصرف بالای انرژِی در زمین و آب و هوا آشکارا مشخص می باشدو ما تنها راه حل را در پایین اوردن میزان مصرف انرژی می دانیم ,حال انکه این امر نمی تواند به طور موثر ادامه داشته باشد.توجه و توصل به انرژی اتمی به عنوان جانشینی برای سوختهای فسیلی نیز چندان موفقیت آمیز نبوده است.

صرف هزینه های سنگین و همچنین تشعشعات خطر ناکی که ازنیروگاههای اتمی در فضا پخش شده ,نتیجه مثبتی نداشته است و اگر یکی از این نیروگاهها منفجر شود زیانهای فراوان و جبران ناپذیری به بار خواهد اورد.به علاوه به مشکل اساسی که در مورد مواد سوختی نظیر نفت ,گاز و زغال سنگ داشتیم بر می خوریم بدین معنی که معادن اورانیم که سوخت این نیروگاهها را تامین می کند منابع محدودی هستند و روزی خواهد رسیدکه این ذخایر پایان خواهد یافت و ماده ای که جایگزین ان شود وجود نخواهد داشت.


انرژی خورشیدی :

خورشید به عنوان یک منبع بی پایان انرژی می تواند حلال مشکلات موجود در مورد انرژی و محیط زیست باشد.انرژی بدون خطر ...
این انرژی که به زمین می تابد هزاران بار بیشتر از انچه که ما نیاز داریم و مصرف می کنیم ,می باشد.حتی نور کمی که از پنجره به اتاق میتابد دارای انرژی بیشتری از سیم برقی است که به داخل اتاق کشیده شده است.از انرژی خورشیدی می توان استفاده های مهم و کاملا مفید, به عنوان یک انرژی تمیز و قابل دسترس در همه جا استفاده کرد. اما از نور خورشید به طور مستقیم نمی توان به جای سوخت های فسیلی بهره برد بلکه باید دستگاههایی ساخته شود که بتوانند انرژی تابشی خورشید را به انرژی قابل استفاده نظیر انرژی مکانیکی, حرارتی الکتریسیته و ...تبدیل کنند.


مصارف انرژی خورشیدی :

1)گرم کننده ها مثل ابگرمکن خورشیدی که برای گرمای خانه ها و کوره های خوشیدی که برای ذوب فلزات حتی با دمای بالا نظیر اهن استفاده می شود و دمایی تا حدود 6000درجه سانتی گراد تولید می کنند.
2)دستگاههای اب شیرین کن که توسط اینه هایی نور خورشید را روی مخازن اب متمرکز می کنند تا کار تبخیر را انجام دهد.
3)الکتریسیته خورشیدی در این روش که نسبت به سایر روشها ارجحیت دارد.انرژی الکتریکی به سادگی قابل تبدیل به سایر انرژی ها بوده و می توان ان را ذخیره کرد.


طریقه دریافت الکتریسیته از انرژی خورشیدی :

1) نیروگاه های حرارتی که حرارت لازم توسط اینه هایی که نور خورشید را روی دیگ بخار متمرکز میکنند, تولید میشود.
2} اثر فتوولتایی:در این روش انرژی تابشی مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل میشود.قطعاتی که اثر فتوولتایی از خود نشان میدهند به سلول خورشیدی معروفند .
و در حال حاظر بیشترین استفاده از انرژی خورشیدی با این روش است.در برخی کشورها نیروگاه های فتوولتائیک ساخته شده که برای تولید برق است.
اما بیشترین استفاده از سلولهای خورشیدی در نیروگاه(( فتو ولتائیک50مگاواتی جزیره کرت یونان))است.


اساس کار سلولهای خورشیدی :

سلول خورشیدی عبارت از قطعات نیمرسانایی هستند که انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند.رسانندگی این مواد به طور کلی به دما ,روشنایی ,میدان مغناطیسی و مقدار دقیق ناخالصی موجود در نیم رسانا بستگی دارد.
از ویژگی های سلولهای خورشیدی میتوان به این موارد اشاره کرد:
جای زیادی اشغال نمی کنند .قسمت متحرک ندارند .بازده انها با تغییرات دمایی محیط تغییرات چندانی نمی کنند.نسبتا به سادگی نصب می شوند.به راحتی با سیستمهای به کار رفته در ساختمان جور می شوند.
همچنین از اشکالات سلولهای خوشیدی می توان به تولید وسایل فتوولتائیک که هزینه زیادی دارد و چگالی انرژی تابشی که بسیار کم است اشاره کرد که در فصول مختلف و ساعات متفاوت شبانه روز تغییر می كند که باید ذخیره شود و همین موضوع بسیار هزینه بر است.


کاربردهای سلولهای خوشیدی :

1)تامین نیروی حرکتی ماهواره ها و سفینه های فضایی
2)تامین انرژی لازم دستگاهایی که نیاز به ولتاژهای کمتری دارند مثل ماشین حساب و ساعت
3)تهیه برق شهر توسط نیروگاههای فتوولتائیک
4)تامین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایقهای کوچک

      رشد جمعیت وبه موازات آن مصرف روز افزون و بکارگیری روشهای جدید علمی و فنی باعث افزایش تولید محصولات مصرفی شده است و این مرهون استفاده بالای منابع انرژی در جهان می باشد همچنین رشد اقتصادی جهانی مهمترین محرک برای رشد تقاضای انرژی در جهان بوده است و از آنجا که کشورها برای رشد اقتصادی خود نیازمند انرژی هستند همواره مقادیر بیشتری از آن را مطالبه می کنند . بنابراین مصرف بی رویه از منابع انرژی وپیامدهای نامطلوب آن تفکر چاره اندیشی در بشر راقوت بخشیده است . در حال حاضر اصلی ترین منبع انرژی را سوختهای فسیلی مثل زغال سنگ نفت وگاز طبیعی به خود اختصاص داده اند و به دنبال اینها سوخت های هسته ای ومنابع هیدرولیکی هستند که تقریبا به میزان یکسانی موجود می باشند. سوختهای فسیلی عملاً غیر بازیافت هستند وبه اصطلاح منابع برگشت ناپذیر وتجدید نشدنی می باشند.

 بر اساس شواهد موجود چنانچه مصرف منابع انرژی از نوع سوختهای فسیلی در مقایسه با دیگر سوخت ها همچون گذشته با روند پر شتاب خود به پیش روند ذخایر این نوع سوختها در مدت زمان نسبتا کوتاهی رو به نابودی می روند . مشکل اصلی استفاده از سوختهای فسیلی حمل و نقل و انتقال آن می باشد چرا که محل های این ذخایر در فاصله بسیار دوری از محل استفاده آنها واقع شده اند و علاوه بر این آلوده ساختن بیش ازحد محیط پیرامون به واسطه وجود دوده و گرد وغبار زیاد مشکل دیگری را ایجاد می کند. محدودیت ها و عدم امکان بازیافت سوختهای فسیلی  سوزاندن نا معقولانه و دیگر فاکتورهای یادشده نه تنها ضرورت استفاده بهینه و به جا از سوختهای فسیلی را می طلبد بلکه ضرورت جایگزین کردن منابع انرژی دیگررا بجای سوختهای فسیلی به عنوان مسئله مهم وجدی مطرح می سازد . از مجموع تمام سوختهای فسیلی مورد مصرف حدود یک چهارم آنها صرف تولید انرژی الکتریکی در نیروگاههای فسیلی می شوند واز باقی آن بخش عظیمی صرف تولید گرما و دیگر انواع انرژی در رشته های مختلف اقتصاد ملی می گردد . با توجه به محدود بودن سوختهای فسیلی توجه به منابع انرژی جدید امری اجتناب ناپذیر است .  تعدادی از منابع جدید انرژی که به نام انرژی نو خوانده می شوند عبارتند از : انرژی باد ، اقیانوس،  جزرومد ، زمین گرمائی ، خورشید و... . کسب این نوع انرژی ها هم از نظر تکنولوژی گران و هم محدود می باشد و مخرج آن ها بیش از آن است که در آینده نزدیک درصد قابل ملاحظه ای از کل انرژی تولید شده را تشکیل دهند .

از میان انرژی های نو امیدهای فراوانی به سوخت هسته ای می رود . اورانیوم نه تنها در قشر زمین بلکه در اعماق اقیانوسهای جهان به وفور یافت می شود ، اما متأسفانه ذخائر این عنصر بسیار پراکنده هستند . این امکان که بتوان تمام ذخائر اورانیوم را تبدیل به سوخت هسته ای قابل شکافت کرد وجود دارد . با سوختن اورانیوم در راکتور های هسته ای سوخت ثانویه ای به نام پلوتونیوم بدست می آید . تولید سوخت هسته ای ثانویه میتواند موجب کاهش ضرورت استخراج اورانیوم طبیعی گردد . از سوی دیگرمی دانیم که غنی سازی اورانیوم طبیعی با عیار پایین تر مقرون به صرفه تر می باشد . اینها موجبات افزایش میزان ذخائر سوخت هسته ای را که می توانند پاسخگوی نیاز بشر تا چندین قرن باشند را فراهم می سازد . از مشکلات عمده و مهمی که باید مدنظر داشت و سعی در راه حل آن نمود همانا مسئله زیست محیطی استفاده ازمنابع اولیه انرژی مانند سوختهای فسیلی است . اگر بخواهیم در این ارتباط مقایسه ای بین نیروگاههای اتمی برق ونیروگاههای فسیلی داشته باشیم بالتبع نیروگاههای اتمی برق راترجیح خواهیم داد . مهمترین مزیت نیروگاههای هسته ای این است که آنها موجب آلودگی اتمسفر نگردیده و اکسیژن موجود در هوا را مصرف نمی کند . این در حالی است که نیروگاههای فسیلی و دیگر صنایع که از سوختهای فسیلی استفاده می کنند نه تنها مقدار زیادی از اکسیژن هوا را مصرف می کنند بلکه خود عامل تولید وپخش مقدار بسیار زیادی از مواد مضر به صورت اکسیدها و دیگر ذرات رسوبات جامد می باشند .

غنی­سازی ايزوتوپی ( 1 )

تمام ايزوتوپ­های يک عنصر خواص شيميايی تقريباً يکسانی دارند، از اين رو جداسازی اين ايزوتوپ­ها بايستی متکی بر عوامل دقيقی که به وسيله­ی اختلاف در جرم اتم­ها به وجود آمده است، باشد. برخی از اين تکنيک­ها فيزيکی هستند ـ آنها متکی بر فرآيندهای فيزيکی هستند که عوامل وابسته به جرم می­باشند. برخی شيميايی هستند ـ اختلاف جرم ايزوتوپی ممکن است سرعت واکنش­های شيميايی را تحت تأثير قرار دهد. 

از آنجايی که از عوامل جزيی برای دستيابی به جداسازی استفاده می­شود؛ افزايش غلظت به دست آمده برای هر فرايند غنی سازی کوچک می­باشد. اين مسأله باعث می­شود که فرايند غنی سازی بسياری در دفعات زيادی در يک رشته گام­ها يا مراحل غنی سازی به کار برده شود. هر گام محصول غنی شده­ی مرحله­ی قبلی را به دست می­دهد و آن را بيشتر غنی می­کند. اين روش يک سيستم غنی کنندگی متوالی ايجاد می­کند که آبشار (cascade ) ناميده می­شود.

دو فاکتور يا عامل مهم عملکرد آبشار را تحت تأثير قرار می­دهد. فاکتور اولی، ضريب جداسازی است که بزرگ­تر از 1 است که مقدار قابليت غنی سازی ذاتی يک مرحله­ی واحد است. دومين فاکتور جداسازی، بيشترين مراحل مورد نياز برای دستيابی به درجه مطلوب غلظت است. فاکتور دومی، اتلاف قابل قبولی از ايزوتوپ مطلوب در جريان پسماند می­باشد. 

از آنجايي که فرايند کاربردي در ايران، روش سانتريفوژ گازي است در باره روند پخش گازي تنها به ذکر اين توصيف اکتفا مي شود که در روش پخش گازي، هگزافلورايد اورانيوم تحت فشار از ميان يک سري ديافراگم ها يا غشاهاي متخلخل گذر کرده از آنجايي که مولکولهاي اورانيوم 235 سبکتر از مولکولهاي اورانيوم و امکان کمي بيشتري براي عبور از سوراخهاي موجود در غشا را دارند. گاز UF6 که از طريق غشا پخش مي شود اندکي غني بوده ضمن اينکه آنچه که نمي تواند گذر کند تهي از اورانيوم 235 است.

 سانتريفوژ گازي

سانتريفوژ گازي نوعي هيپرسانتريفوژ است که براي توليد اورانيوم غني شده استفاده مي شود. اين روش در آلمان در طي جنگ جهاني دوم توسعه يافت اما موارد کاربرد واقعي آن تنها در دهه پنجاه و شصت ميلادي بود.

در اين روش از اثر سانتريفوژ که دوران سريع ماده سبب مي شود تا ايزوتوپهاي سنگين تر به طرف ديواره خارجي حرکت کنند استفاده شده و غالبا با استفاده از سانتريفوژ نوع زيپ (Zippe-type centrifuge) در شکل گازي انجام مي شود. عامل جداسازي در اين روش به تفاوت جرمي ايزوتوپهايي که بايد جداسازي شوند بستگي دارد.

نمونه نيروگاه هاي غني سازي اورانيوم که از اين روش استفاده مي کنند در Gronau/Wesphalia (آلمان) و بوسيله URENCO (اورنکو يک گروه صنعتي است که متشکل از شرکتهاي انگليسي، آلماني و هلندي مي باشد) در Capenhurst (بريتانيا) هستند.

علاوه بر نيروگاههاي اورنکو در بريتانيا، هلند و آلمان، چهار نيروگاه روسيه که چهل درصد ظرفيت جهان را بالغ مي شوند از اين شيوه استفاده مي کنند. ژاپن، چين و برزيل نيز نيروگاههاي سانتريفوژ را مي گردانند. پاکستان تکنولوژي غني سازي سانتريفوژ را توسعه داده و بنظر مي رسد که آن را به کره شمالي فروخته است ايران نيز داراي تکنولوژي سانتريفوژ پيچيده اي است.

در ايالات متحده آمريکا هيچ نيروگاه سانتريفوژ گازي فعاليت ندارد اما بتازگي آمريکا و فرانسه نيز درحال جايگزيني تکنولوژي سانتريفوژ بجاي نيروگاههاي پخش گازي قديمي هستند. اين روش نسبت به روش پخش گازي به انرژي کمتري براي رسيدن به جداسازي مشابه نياز داشته و از اين جهت غالبا اين شيوه که با استفاده از هگزافلورايد اورانيوم انجام مي شود جايگزين شيوه پخش گازي شده و بجاي آن استفاده مي گردد.

در غني سازي اورانيوم با روش سانتريفوژ گازي، از تعداد زيادي سيلندر دوار که به صورت موازي و سري کنارهم قرار داده شده اند استفاده مي شود. ماشينهاي سانتريفوژ جهت تشکيل "ترين ها" (trains) يا "مجموعه آبشارها يا کاسکادها" (سيستمهاي غني سازي دنباله اي) بهم مرتبط هستند.

اين دوران باعث ايجاد يک نيرو مرکزگريز مي شود بطوري که مولکولهاي گازي سنگين تر (که شامل اورانيوم 238 هستند) بطرف خارج سيلندر حرکت کرده و مولکولهاي گازي سبکتر (که شامل اورانيوم 235 است) در قسمت مرکزي (محور گردنده) جمع مي شوند.

گاز به داخل يک سري لوله هاي خلا تغذيه شده که هر يک شامل يک گردنده با بيش از دو متر طول و 20-15 سانتيمتر قطر هستند. وقتي که گردنده ها با سرعت بالا مي چرخند (rmpا 70000-50000) مولکولهاي سنگين تر حاوي اورانيوم 238 در لبه خارجي سيلندر متمرکز مي شوند. افزايش اورانيوم 235 نيز در نزديک مرکز وجود دارد. براي رسيدن به جداسازي موثر، به سانتريفوژهاي با سرعتهاي بالا نياز است. مراحل سانتريفوژ معمولاٌ شامل تعداد زيادي سانتريفوژ به صورت موازي است.

اين جريان گازي که کمي از اورانيوم 235 غني شده است بازگيري شده و به داخل مرحله بالاتر بعدي تغذيه مي شود ضمن اينکه جريان گازي کم تهي شده به مرحله پايين تر قبلي مجددا بازيابي مي شود. ميزان غني سازي اورانيوم 235 حاصل از يک مرحله تک واحدي سانتريفوژ گازي، بسيار بيشتر از ميزان آن در يک مرحله تک واحدي غني سازي پخش گازي است اما به تکنولوژي توسعه يافته اي براي توليد ماشينهاي سانتريفوژ نياز مي باشد. اين ماشينها بدليل سرعتهاي دوران مورد نياز در آنها، به مهندسي متالورژي پيچيده با دقت بالا و نياز دارند.

بخاطر ماهيت خورندگي UF6، تمام اجزايي که در تماس با اين ماده هستند بايد از مواد مقاوم در برابر خوردگي ساخته شوند. ظرفيت جداسازي يک سانتريفوژ تک واحدي، با طول گردنده و سرعت ديواره گردنده افزايش مي يابد. درنتيجه سانتريفوژهايي که داراي گردنده هاي يا روتورهاي پرسرعت و بلند باشند اهداف برنامه هاي توسعه سانتريفوژ هستند.

مواد مناسب براي گردنده ها شامل آلياژهاي آلومينيم، تيتانيم، فولاد ماراژين (maraging steel) يا ترکيباتي که با برخي شيشه هاي خاصي تقويت مي شوند، فيبرهاي کربني هستند. درحال حاضر فولاد ماراژين متداول ترين ماده گردنه است.

براي مصارف غيرنظامي، اورانيوم طبيعي که شامل 0.7 درصد اورانيوم 235 است به حدود 5-3 درصد اورانيوم 235 غني شده و اورانيوم تهي شده شامل 0.3-0.2 درصد اورانيوم 235 مي باشد. اما براي کاربردهاي نظامي، اورانيوم بسيار غني شده (HEU) که شامل بيش از 20 درصد اورانيوم 235 است معمولاٌ توليد مي شود.

از زمان راه اندازي، يک سانتريفوژ مدرن بمدت بيش از 10 سال بدون نگهداري به کار خود ادامه مي دهد.

مجموعه آبشارها يا کاسکادهاي بزرگ سانتريفوژ گازي که در کشورهاي فرانسه، آلمان، بريتانيا، و چين مورد استفاده قرار مي گيرند براي توليد اورانيومي است که براي مصارف داخلي و نيز صادرات است. اما در مورد ژاپن اين موارد صرفا جهت مصرف داخلي است. يک نيروگاه سانتريفوژ گازي مهم، در پيکتون اوهايوي آمريکا واقع است.

اين روش علاوه بر انرژي کمتر، به نيروگاه هاي با مقياس بمراتب کوچکتري نياز داشته و از اين جهت براي کشورهاي کوچکي که مبادرت به توليد سلاحهاي هسته اي مي نمايند داراي امکان پذيري اقتصادي است.

روسيه صنعت عظيم سانتريفوژ را از اتحاد جماهير سابق به ميراث برده است. گفته مي شد که عراق نيز اين روش را براي دستيابي به سلاحهاي هسته اي بکار گرفته بود. تصور مي شود که پاکستان بااستفاده از اين روش درحال ساخت يک کاسکاد کوچکتر جهت اهداف نظامي و توسعه سلاحهاي هسته اي خود است.

بايد توجه کرد که براي توليد تنها يک سلاح هسته اي در سال، به چندين هزار سانتريفوژ نياز مي باشد.

انرژی - محمد حسين راجي اسدآبادي:
براساس اظهارات آژانس بین‌المللی انرژی، تقاضا برای انرژی در جهان رو به افزایش است و این تقاضا در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه با سرعت بیشتری رو به رشد است.

در دنیا تقریباً 30درصد انرژی جهت تولید برق مصرف می‌شود. بقیه 70درصد آن در بخش حمل و نقل، تولید آب گرم و بخار و یا کلاً تولید انرژی حرارتی مصرف می‌شود.

این مسئله بیانگر این واقعیت است که کاربردهای غیرالکتریکی انرژی بخصوص در زمینه انرژی حرارتی، بخش قابل ملاحظه‌ای را به خود اختصاص می‌دهد.

در نتیجه نیاز به منابع انرژی که از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی مزیت داشته باشد، روز به روز بیشتر احساس می‌شود.

گرچه هم اکنون در اکثر کشورها از سوخت‌های فسیلی (نفت، گاز، زغال‌سنگ) به عنوان مهمترین منبع تولید انرژی استفاده می‌شود، ولی آثار زیست‌محیطی آن، عدم قابلیت اطمینان در کافی بودن منابع سوخت‌های فسیلی برای تهیه انرژی در آینده، همچنین لزوم حفظ منابع نفت و گاز برای نسل‌های آینده، مسائلی است که جهان درگیر آن بوده و خواهد بود.

انرژی هسته‌ای دارای این پتانسیل و قابلیت است که تمام مسائل فوق را حل نماید. این انرژی پاک باعث آلودگی محیط‌زیست نشده و از قابلیت اطمینان بالایی به عنوان یک منبع انرژی مطمئن برای آینده برخوردار است.

فناوری پیشرفته امروزی این امکان را به بشر داده است تا بتواند از انرژی هسته‌ای به عنوان یک منبع بیکران و در شرایطی کاملاً ایمن، جهت تولید انرژی الکتریکی و غیرالکتریکی بهره جوید. گرچه شناخت این منبع عظیم انرژی بی نظیر با انفجارات هسته‌ای جنگ جهانی دوم روبه‌رو شد، ولی باید اذعان نمود که تصمیمات کشورهای مختلف برای استفاده از آن جهت تولید انرژی و از طرفی استفاده پزشکی، صنعتی و کشاورزی از تولیدات آن به نحوی است که دیگر هیچ جامعه‌ای از آن بی نیاز نیست.

روش­های غنی سازی

1-     جداسازی الکترومغناطیسی.

2-     پخش گازی.

3-     پخش مايع حرارتی.

4-     جداسازی سانتريفوژ گازی.

5-     جداسازی آئرودینامیکی.

6-     AVLIS ( جداسازی ایزوتوپ لیزر بخار اتمی ).

7-     روش شیمیایی.

8-     تقطیر.

9-     الکتروليز.

و ساعت ۱۴ دفائیه پروژه آقای حسینی صالح . موضوع شبیه سازی حلقه های کنترل نیروگاه طوس . استاد راهنما جناب آقای مهندس اکبری