هدف پروژه : گردآوری اطلاعات و دسته بندی نیروگاههای انرژیهای تجدیدپذیر در کشورهای عضو شورای جهان انرژی.

نیروگاههای انرژیهای تجدیدپذیر به عنوان نیروگاههای پیشرفته و نوین در حال توسعه بوده و بسرعت با افزایش میزان قدرت منصوبه و کاهش قیمت روبرو می باشد. بهره برداری از تجربیات کشورهای توسعه یافته منجر به استفاده از انرژیهای نوین در کشورهای در حال توسعه خواهد شد.

پیشگفتار :
محدودیت انرژیهای فسیلی و رشد روز افزون تقاضای انرژی، افزایش استانداردهای زندگی، گرم شدن کره زمین و در نهایت مشکلات زیست محیطی سبب گردیده تا هر روز شاهد پیشرفتهایی در فن آوری و استفاده از انرژیهای نو باشیم.

رشد و توسعه جوامع انسانی همواره موازی با تولید و مصرف انرژی بوده است. طبق آمارهای به ثبت رسیده، طی ۳۰ سال گذشته احتیاجات انرژی جهان به مقدار قابل توجهی افزایش یافته است. در سال ۱۹۶۰ مصرف انرژی جهان GTOe 3/3 بود، در سال ۱۹۹۰ این رقم به GTOe 8/8 بالغ گردید که دارای رشد متوسط سالیانه ۳/۳ درصد می باشد و در مجموع ۱۶۶ درصد افزایش نشان می دهد. در حال حاضر مصرف انرژی جهان GTOe10 بوده و پیش بینی می شود که این

رقم در سالهای ۲۰۱۰ و ۲۰۲۰ به GTOe 12 الی ۱۴ افزایش یابد، این ارقام نشان می دهند که میزان مصرف انرژی جهان در قرن حاضر بالا باشد و بالطبع این سوال مهم مطرح است که آیا منابع انرژیهای فسیلی در قرنهای آینده، جوابگوی نیاز انرژی جهان برای بقاء تکامل و توسعه خواهند بود، یا نه؟
حداقل به دو دلیل عمده جواب این سوال منفی است و باید منابع جدید انرژی را جایگزین منابع قدیم نمود. این دلایل عبارتند از :
۱- محدودیت و در عین حال مرغوبیت انرژیهای فسیلی، چراکه این سوختها از نوع انرژی شیمیایی متمرکز بوده و مسلماً کاربردهایی بهتر از احتراق دارند.
۲- مسایل و مشکلات زیست محیطی، به طوری که امروزه حفظ سلامت اتمسفر از مهمترین پیش شرطهای توسعه اقتصادی پایدار جهانی به شمار می آید. از این رو است که دهه های آینده به عنوان سالهای تلاش مشترک جامعه انسانی برای کنترل انتشار کربن، کنترل محیط زیست و در واقع تلاش برای تداوم حضور انسان در کره زمین خواهد بود.

بنابراین، استفاده از منابع جدید انرژی به جای منابع فسیلی امری الزامی است. سیستمهای جدید انرژی در آینده باید متکی به تغییرات ساختاری و بنیادی باشد که در آن منابع انرژی بدون کربن، نظیر انرژی خورشیدی، بادی، زمین گرمایی و کربن خنثی مانند انرژی بیوماس مورد استفاده قرار می گیرند. بدون تردید، انرژیهای تجدیدپذیر با توجه به سادگی فن آوریشان، در مقابل فن آوری انرژی هسته ای از یک طرف و نیز به دلیل عدم ایجاد مشکلاتی نظیر زباله های اتمی از طرف دیگر ، نقش مهمی در سیستمهای جدید انرژی در جهان ایفا می نمایند. در هر حال باید اذعان داشت که در عمل عوامل متعددی ، بویژه، هزینه اولیه و قیمت تمام شده بالا، عدم سرمایه گذاری کافی برای

بومی نمودن و بهبود کارآیی تکنولوژیهای مربوطه، به حساب نیامدن هزینه های خارجی در معادلات اقتصادی، نبود سیاستهای حمایتی در سطح جهانی، منطقه ای و محلی، نفوذ و توسعه انرژیهای نو را بسیار کند و محدود ساخته است، ولی پژوهشگران و صنعتگران همواره تلاش خود را جهت رفع این مشکلات مبذول می دارند.

فناپذیری و آلایندگی انرژیهای فسیلی موجب توجه اکثر کشورهای جهان به انرژیهای نو شده است. در کشور ما نیز، بدلیل مسایل فوق و برخوردار بودن از پتانسیلهای بسیار غنی، منابع مختلف انرژی از جمله : خورشیدی، باد، زمین گرمایی و … و موضوع تنوع بخشی در انرژی کشور، بعنوان یک سیاست کلی مورد تأکید است.

« شورای جهانی انرژی (WORLD ENERGY COUNCIL) WEC»
ماموریت شورای جهانی انرژی ترویج منابع قابل تحمل و به کار بردن انرژِی به منظور بزرگترین فایده آن می باشد. این موضوع شامل :
– حفاظت و نگهداری از منابع انرژی
– حفاظت از محیط زیست
– برنامه ریزی برای آینده
– رسیدگی به برنامه ریزی توسعه کشورها در تلاشهای آن به منظور یافتن احتیاجات انرژی خودشان
در بخش الکتریسیته، این موضوع می تواند به منظور مدیریت مطالبه انرژی و پیشرفت انرژی تجدیدنظر انجام شود.

کمیته شورای جهانی انرژی برای عملکرد نیروگاهها (PGP)، با این چارچوب، ۳۰ سال قبل بنا نهاده شده بود و در طول این سالها، کارهای زیادی برای نیروگاههای سوخت فسیلی و هسته ای در سرتاسر جهان انجام داده است. به ویژه، شاخصهای عملکرد بطور دقیق تری توسعه یافته اند، اطلاعات عملکرد جمع آوری شده و تجزیه و تحلیل شده است، و پایگاههای داده بزرگی نصب شده است.
این کمیته عملکرد نیروگاهها، کشورها و تولیدکنندگان برق را قادر ساخته بود تا خودشان را در دوره های عملکرد قرار دهند تا نقصهای احتمالی شان را پیدا کنند، و از تلاشهای موفقیت آمیز بهسازی عملکرد تولیدکنندگان دیگر تجربه کسب کنند.

اکنون انرژِی تجدیدپذیر به سرعت توسعه می یابد، و از این موضوع گذشته است که زمان آن رسیده بود که همین کار را روی تجدیدپذیرها آغاز کنند. اولین کوشش فقط روی انرژی باد متمرکز شده بود، که در هفدهمین کنگره WEC در هوستون در سال ۱۹۹۸ ارایه شده بود. این موضوع با ایجاد گروه کاری ۲ در سال ۱۹۹۹ ادامه یافت.

هدف گروه کاری ، فراهم کردن اطلاعات و ارزیابی انرژی تجدید پذیر بود، که این کار میتواند موجب بهبود کارآیی و طراحی پروژه های جدید شود و آنها را قادر بسازد تا استقرار یافته و خودشان را در شرایط عملکرد فنی مقایسه کنند. هدف اصلی بالا بردن پیشرفت مؤثر انرژی های تجدیدپذیر در سرتاسر جهان، و اصلاح عملکردشان می باشد، همچنین عملکردهای اقتصادی و زیست محیطی در آینده می تواند آزمایش شود.
اصلاحات در عملکرد نیروگاهها فواید مستقیم بسیاری در پی دارد، مانند :
– قابلیت تولید افزایش یافته
– زمانهای قطع برق کمتر و کوتاهتر
– اقتصاد بهتر نیروگاه
این فواید مستقیم، فواید ثانویه دیگری با همان اندازه اهمیت تولید می کند : اعتماد بهتر به فن آوریهای جدید RES (منابع انرژی تجدیدپذیر)، استفاده مؤثرتر از ظرفیت تولیدی موجود، ساختار معوق یا کاهش یافته ظرفیت تولیدی جدید، و هزینه های کلی تولید کمتر، فواید ارزیابی شده دیگری می تواند در طی فرآیند مدیریت اصلاح شده بدست بیاید که اغلب پاسخ این سوال است که چرا تاسیسات فن آوری، پتانسیل عملکرد ممتاز ذاتی‌شان را نمی توانند تحقق ببخشند.
سه مرحله اصلی برای کار مشخص شده است تا کامل شود :

الف- تعریف شاخصهای مناسب، که می تواند به شکل کامل و کافی عملکرد انرژیهای تجدیدپذیر را توصیف کند. اولین مرحله در حقیقت یک مرحله بحرانی برای پیگیری تحقیقات و همچنین یکی از مراحل سخت می باشد، از آنجا که :
• در یک سو، عملکرد منابع انرژیهای تجدیدپذیر، مخصوصاً برای انرژیهای باد و خورشید به شدت به شرایط طبیعی ( و تصادفی) و آب و هوایی بستگی دارد، و انرژی تولید شده، بسته به زمان در دسترس بودن آن می تواند مفید باشد یا نباشد؛ این پارامترها باید تا اندازه ای که امکان دارد در تعریف شاخصها به حساب آورده شوند.

• از سوی دیگر، شاخصهای متناظر باید تا اندازه ای که امکان دارد توسط جامعه بین‌المللی پذیرفته شود، که این موضوع می تواند سخت تر از « فناوریهای جدید انرژی» که به شکل مداوم رشد می کنند، انجام شود. عقاید پدید آمده جدید اغلب با برخی مشکلات در گردآوری اجماع در شروع کار روبر می شوند.
برای باد، کارهای مقدماتی انجام شده توسطWEC) ( (1999 Legerto AL یک نقطه شروع تا تحقیقات امروزی را بوجود آورده است، اگرچه با توجه به پیشرفتهای جدید زیاد در گزارش برای زیست توده، این اطلاعات برای شاخصهای تعیین شده بوسیله WEC-PGP برای نیروگاههای سوخت فسیلی مفید بوده اند. همانطور که مسایل بسیار مشابهی می تواند مطرح شود.
ب- آزمایش شاخصهای جدید روی تعداد محدودی از موارد موجود واقعی، به منظور بازبینی کفایت آنها و اعتبار بخشیدن به اصول کار.
پ- تجزیه و تحلیل بررسیهای موردی، بررسیهای محک زنی و پروژه های هم سنجی به منظور تشخیص مسایلی که به عملکرد زیر استاندارد متنهی می شود و پیشنهاد راه‌حلهایی برای این مسایل. سرانجام ، پایگاههای داده می تواند توسط سازمانها و کشورهای شرکت کننده نصب

شده و باقی بمانند، همانطور که برای نیروگاههای سوخت فسیلی و هسته ای انجام شده است .
پرسشنامه ای در پایان سال ۱۹۹۹ برای تعداد زیادی از متخصصان RES درسرتاسر جهان به منظور تعریف دقیق تر مفاد و منظور گروه کاری ، فرستاده شده بود و متخصصان مایل به همکاری شدند. تماس های بسیار دیگری برقرار شده است، که نهایتاً منجر به ثبت تقریبا ۶۰ متخصص از ۲۰ کشور مختلف شد، کسانی که قبول کرده اند و مقداری از زمان خود را روی این پروژه گذاشتند توجه ویژه ای برای پیدا کردن متخصصانی از سرتاسر جهان شده است که در انجمن RES به خوبی شناخته شده باشند و در سازمانهای بین‌المللی درگیر کار باشند، تا این اطمینان حاصل شود که نتایج بدست آمده توسط گروه کاری ۲ تا اندازه ای که ممکن است مورد قبول واقع شود.

با توجه به نتایج پرسشنامه، با تصمیمات زیر در همایش WEC PGP در شهر ریودرآوریل سال ۲۰۰۰ موافقت به عمل آمد
الف- محدود کردن تحقیقات به نیروگاههای متصل به شبکه، تا جاییکه امکان دارد؛
ب- متمرکز شدن فقط روی انرژی باد، PV خورشیدی(فتوولتاییک)، زیست توده و زمین گرمایی؛
پ- ایجاد یک گروه کاری جدید در مورد نیروی آبی (بزرگ و کوچک، دربرگیرنده ایستگاههای تلمبه ای)، این گروه کاری (WG 4) توسط ESKOM / آفریقای جنوبی اداره خواهد شد؛
ت- تقسیم تحقیقات به « زیرگروهها» که هر کدام روی یکی از انواع RES ( باد، PV خورشیدی، زیست توده و زمین گرمایی) کار خواهند کرد؛
ث- هر زیر گروه توسط یک متخصص برجسته اداره شود، تا اطمینان حاصل شود که نتایج به عنوان « استانداردهای» سازگار توسط جامعه بین‌المللی پذیرفته شوند( بخصوص IEA ، IGA ، Euroelectric و …) به خاطر احتراز از تکراری شدن پروژه ها .
وظیفه هر کدام از « رهبران RES» پیشنهاد کردن شاخصهای ویژه برایب RES مخصوص خودشان می باشد که آنها را در جامعه RES خودشان معتبر می سازد و پیدا کردن تعدادی از نیروگاههایی که اجازه آزمایش کردن و فراهم کردن مقادیر واقعی و اولیه را برای این شاخصها بدهند.

بخش اول :
دسته بندی انرژیهای نوین بهره برداری شده در جهان

مقدمه :
به منظور درک موقعیت انرژیهای تجدیدپذیر، لازم است تا نگاهی به تقاضای برق موجود بیاندازیم. امروزه یک سوم جهان (بیش از دو میلیارد نفر) هیچگونه دسترسی به برق ندارند ( و یک میلیارد نفر دیگر کمتر از ۵ ساعت در روز برق دارند) و شکاف بین کشورهای صنعتی و کشورهای در حال توسعه به شکل باور نکردنی در حال افزایش است. نگرانی های زیست محیطی، تغییرات جدی را در رفتارها برای یک تحول واقعی بسوی « پیشرفت قابل تحمل» و بنابراین، بسوی پیشرفت انرژیهای تجدیدپذیر طلب می کند.

آمار ، نیاز به توسعه انرژیهای تجدیدپذیر و تمیز را به دلایل زیر مشخص می نماید :
– فراهم کردن برق برای کشورهای در حال توسعه، مخصوصاً در مناطق دوردست و در جاهاییکه باد، خورشید ، زیست توده و انرژی زمین گرمایی به وسعت در دسترس می‌باشد؛
– محافظت از محیط زیست، مخصوصاً در دوره های دفع کم آلوده کننده ها، گازهای گلخانه ای، بویژه در زمینه تغییرات آب و هوایی ؛
– حفظ منابع انرژی فسیلی؛
در این رابطه ، کشورهای به اصطلاح « توسعه یافته»، که همزمان بزرگترین مصرف کننده برق و بزرگترین آلوده کننده می باشند، این مسئولیت را دارند که طلایه دار پیشرفت انرژیهای ارزان و تمیز باشند.
اگرچه منابع انرژی تجدیدپذیر (RES) در تولید جهانی نسبتاً حاشیه ای هستند ( بجز زیست توده و برق آبی، که اینجا مورد بررسی نیستند) ، توسعه آنها برای انرژی باد و PV خورشیدی مهم است، بخاطر اینکه میانگین نرخ رشد سالیانه آنها تقریباً ۲۵ تا ۳۰ درصد است. ایالت متحده آمریکا، ژاپن و اروپا ( بویژه آلمان، ایتالیا و دانمارک) کشورهای پیشرو هستند، اما کشورهای در حال توسعه نظیر هند، مکزیک و برزیل تلاش مهمی در توسعه منابع انرژیهای نو (RES) انجام می دهند.
تذکر مهم : اسامی و تعاریف تعدادی از شاخصها می تواند معانی مختلفی داشته باشد، تعاریفی نظیر : « فاکتور ظرفیت» ، « فاکتور قابلیت» ، « فاکتور بار» و …

قسمت ۱-۱- انرژی باد
تابش نامساوی خورشید در عرضهای مختلف جغرافیایی به سطح ناهموار زمین باعث تغییر دما و فشار شده و در نتیجه باد تولید می گردد. بعلاوه، اتمسفر کره زمین به دلیل چرخش، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد که این امر نیز باعث بوجود آمدن باد می شود. انرژی باد طبیعتی نوسانی و متناوب داشته و وزش دایمی ندارد. باد یکی از صورتهای مختلف انرژی خورشیدی می باشد که دارای یک الگوی جهانی نیمه پیوسته است.

تغییرات سرعت باد ساعتی، روزانه و فصلی بوده و متاثر از هوا و توپوگرافی سطح زمین می‌باشد. بیشتر منابع انرژی بادی در نواحی ساحلی و کوهستانی واقع شده است. با توجه به اقلیم متنوع مناطق بادخیز در سراسر کشور، بستر مناسبی برای بهره برداری از توربینهای مولد برق و پمپ توربینهای بادی بویژه در مناطق دور از شبکه برق سراسری فراهم می باشد. با توجه به رایگان بودن انرژی باد و توسعه نگرشهای زیست محیطی و راهبردهای صرفه جویانه در بهره برداری از منابع تجدیدناپذیر، انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مورد استفاده در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است. توربینهای بادی مولد برق جایگزین مناسبی برای نیروگاههای گازی و بخاری رایج به شمار می رود.
کشورهای باستانی نظیر مصر و عربستان در استفاده از انرژی بادی پیشقدم بوده اند، مصریها جزو اولین کشورهایی بوده اند که از انرژی باد استفاده کرده اند و روی رودخانه نیل با قایقهای بادبانی رفت و آمد کرده اند؛ در ضمن دانمارکیها اولین ملتی بوده اند که در زمینه تولید الکتریسیته از انرژی باد اقدام نموده اند. البته طراحی و ساخت توربینهای بادی امروزی بر اساس اندیشه های جدید صورت می گیرد.
با محاسبات دقیق طراحی و تکنولوژی پیشرفته و استفاده از اطلاعات صنعت هواپیمایی، آیرودینامیک و الکترونیک بدست آمده در سالهای اخیر، ساخت توربینهای بادی توسعه یافته است. در توربینهای بادی، انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. استفاده فنی از انرژی باد وقتی ممکن است که متوسط سرعت باد در محدوده ۵/۰ الی ۲۵/۰ باشد.

 

• انواع توربینها از نظر اندازه
الف- توربینهای بادی کوچک : از این توربینها جهت تأمین برق جزیره های مصرف و یا مناطقی که تأمین برق از طریق شبکه سراسری برق بسیار مشکل می باشد استفاده می‌‌شود، این توربینها تا قدرت ۱۰ کیلووات توان تولید برق را دارا می باشند.
ب- توربینهای بادی متوسط : توان این توربینها، عموماً ۲۵۰-۱۰ کیلووات است. ا

ز این توربینها جهت تأمین مصارف مسکونی، تجاری، صنعتی و یا کشاورزی استفاده می شود.
پ- توربینهای بادی بزرگ (مزارع بادی) : این نوع توربینها معمولاً شامل چند توربین بادی متمرکز با توان تولیدی از ۲۵۰ کیلووات به بالا می باشند که به صورت متصل به شبکه و یا جدا از شبکه طراحی می گردند.
در ضمن دو روش برای استفاده از انرژی باد وجود دارد که یک روش آن استفاده از توربینهای بادی با محور قائم می باشد که بوسیله رانش باد می چرخند و از محور قائم آن نیرو گرفته می شود و مزیت آن وابسته نبودنش به جهت باد می باشد ؛ روش دوم توربینهای بادی با محور افقی می باشند که در این توربینها، باد بوسیله عمل آیرودینامیی که بالابر نامیده می شود، نیروی خود را به مبدل های بادی می دهد. در این توربینها باد عمود بر سطح چرخش پره ها واراد می شود، لذا نیروی باد بر تمام پره ها بطور یکسان اثر می کند.
ولی در مورد توربینهای بادی با محور قائم، چون سطح ایجاد شده بوسیله چرخش پره ها تقریبا یک سطح کرویست و زوایای پره ها مرتباً نسبت به باد تغییر وضع می دهند، نیروی رانش مرتباً کم و زیاد می شود. پس توربینهای نوع افقی بدلیل بازده بالاتر امروزه بیشتر رایج بوده که متداولترین آنها نوع سه پره می باشد.

« گزارش WEC درباره عملکرد نیروی باد»
برای هزاران سال باد در سرتاسر جهان هم به عنوان منبع انرژی برای انجام دادن کار مکانیکی و هم برای حمل و نقل بکار برده می شد. کاربرد انرژی باد برای تولید برق، بهرحال تاریخ نسبتاً کوتاهی دارد. در مقایسه با منابع دیگر انرژی مانند ذغال سنگ و نفت، انرژی باد تا سال ۱۹۸۰ به شکل وسیعی به رسمیت شناخته نشده بود. امروزه استفاده از باد به شکل تجربی، ترقی قابل توجهی را کسب کرده است.

از نظر محدود بودن منابع سوختهای فسیلی، و تغییرات آب و هوای جهانی بخاطر انتشار دی اکسید کربن و دیگر گازهای گلخانه ای، کاربرد انرژی باد امکان اجرای همکاریهای قابل توجه بسوی حفظ منابع و تولید انرژی سازگار با محیط زیست را عرضه می نماید.
بطور کلی، می توان اظهار داشت که پیشرفتهای بزرگی در فن آوری و کاربرد انرژی باد در طی دو دهه گذشته بدست آمده است. تلاشهایی در زمینه تحقیقات و توسعه به همراه اقدامات تحریک کننده بازار، مانند مدلهای قیمت با جایزه انجام شده است تا یک فن آوری انرژی باد معتبر و تضمین شده که امروزه به شکل گسترده در دسترس می باشد حاصل شود.
بر این اساس، پتانسیل گسترده جهانی، مخصوصاً در کشورهای در حال توسعه و در کشورهایی با اقتصادهای آشکار می تواند به منظور همکاری برای یک منبع آینده انرژی مستعد و سازگار با محیط بومی عنوان شود.
– تعاریف علمکرد نیروی باد :
[p=f(v)] = منحنی توان
توان خروجی توربیهای بادی به موارد زیر بستگی دارد :
الف- شرایط جوی، به ویژه سرعت باد و فشار هوا؛

ب- طراحی سیستم، مخصوصاً توان مجاز، قطر روتور و ارتفاع مرکز توربین؛
پ – شرایط مکانی، مانند تلاطم هوا (توربولانس)؛
به منظور قابل مقایسه ساختن توان خروجی توربینهای مختلف، عملکرد آنها باید اندازه‌گیری شده و تحت استانداردهای متحدالشکل بین المللی (IEC)، توسط آزمایشگاهای معتبر ملاک قرار داده شود .

تصویر۱- : منحنی توان اندازه گیری شده توربین با کنترل پلکانی و سرعت متغیر (a) و کنترل ثابت و سرعت ثابت (b) .

– رژیم باد و مکانهای داده شده :
اندازه گیریهای باد باید با کوچکترین نرخ نمونه برداری ۱ هرتز ( روش BIN ) انجام شود و با رعایت استانداردهای بین المللی (IEC) و با استفاده از پارامترهای ذیل ملاک قرار داده شود :
(a سرعت متوسط باد
(b توزیع Weibull
(c توزیع هدایتی انرژی باد
(d شدت توربولانس ماهانه ( نسبت بین انحراف استاندارد و مقدار متوسط)

تصویر ۲۰ : توزیع Weibull و منحنی سرعت – فرکانس باد

تصویر ۳۰ : توزیع انرژی باد بر اساس توزیع فرکانس سنگین فعال جهت باد در ۱۲ ناحیه تولید برق.
(a مجموع تولید انرژی [kwh] تحویلی به شبکه در نقطه اتصال ، در طول دوره بررسی (اغلب یک سال)
(b تولید انرژی ویژه، که عبارتست از نسبت بین مجموع انرژی تولیدی در طول یک سال و ناحیه جاروب شده توسط روتور ( داده شده به صورت )
(c ساعتهای باد کامل معادل، عبارتست از تولید انرژی سالیانه در ارتباط با توان مجاز توربین (dim= {h}).

(d فاکتور ظرفیت، عبارتست از نسبت بین مجموع انرژی تولیدی در طول یکسال و تولید انرژی به شکل پتانیسل – بالقوه – ( توان مجاز ۸۷۶۰ ساعت ) ، (dim= {1}).
دسترسی فنی
به نظر می رسد این اصطلاح مؤثرتر از « دسترسی مطلق» باشد. بطوریکه هیچ نوع اندازه‌گیری باد لازم نیست. تعاریف زیر بر پایه « تعریف اصطلاحات در صنعت انرژی» نوشته شده و توسط VDEW آورده شده است :
« پریود نامی» (Nominal Pweiod) : دوره کاملی است که توسط گزارش پوشش داده شده است ، (اغلب یک سال).

• « دوره غیرقابل دسترس بودن » (period of non-availability) :
دوره ای است که در طول آن یک نیروگاه کارکرد ندارد. این دوره می تواند خاموشی برنامه‌ریزی شده (تعمیر و نگهداری) و یا خاموشی برنامه ریزی نشده ( بد عمل کردن، خرابی) باشد.

• « دسترس فنی » (Technical availability) :
دوره ای از دسترسی است که فوق دوره نامی می باشد، ( به شکل درصد).

• « میانگین عدم دسترسی فنی» (Aerage technical non-availability) :
مجموع دوره عدم دسترسی را بر تعداد توربینهای مطرح شده تقسیم می کند.
نکته : اصطلاحات زیر توسط دیگر متخصصان بکار برده می شود :
۱٫ دوره زمانی مناسب به جای دوره نامی
۲٫ عامل عدم دستری – UAF- به جای دوره غیرقابل دسترس بودن
۳٫ عامل دستری (AF=1-UAF) بجای دسترسی فنی

– انضمام نیروی باد به سیستم های منبع ( یک بررسی مورد از آلمان)
یک پیش نیاز مهم برای انضمام انرژی باد به سیستمهای تأمین انرژی، کسب بیشترین پیش بینی کامل ممکن از انرژی و مقادیر توان می باشد. در تصویر ۴، دو رویه متفاوت برای تعیین مقادیر مورد انتظار از این پیش بینی ها نمایش داده شده است. در هر کدام از نمودارهای تصویر ۲، برای حمایت از توزیع فرکانس نموداری، اندازه ای که انرژی واقعی و مقادیر توان از مقادیر مورد انتظار اختلاف دارند، می تواند ملاحظه شود.

پیش بینی های انرژی برای سالها، ماهها و ساعتها که در ناحیه پایین تر نمایش داده شده است، فقط می تواند برای میانگین های آماری اساس قرار داده شود. مقادیر یک ساعت و ۱۵ دقیقه ای توان خروجی توربین، در نیمه بالایی نمودار، نسبت به مقادیر مورد انتظار، مقادیر توان قدیمی تری دارند.
اعداد دقیق برای توزیع نموداری فرکانس در این بررسی می تواند در پاراگرافهای ذیل، از آزمایش گردآوری شده در آلمان بدست بیاید.

تصویر۴- : صحت پیش بینی های تغذیه باد در چارچوبهای زمانی جدول تولید نیروگاه.

-‌ مقدار مورد انتظار از تولید سالانه برق
تولید سالیانه برق از تولید غیرمتمرکز نیروی باد به واسطه باد در دسترس، و به واسطه رفتار مؤثر مدلهای تک نیروگاهی تعیین می شود. پارامترهای مهم در این رابطه، ارتفاع مرکز فعالیت نیروگاه و همچنین قابلیت استفاده فنی بدست آمده در عملیات می باشد.
اطلاعات وسیع درباره قابلیت استفاده فنی ازم دلهای قابل عرضه انرژی باد، به واسطه تعدادی از برنامه های اندازه گیری فراهم شده است. نیروگاههای مدرن مقادیری به طور میانگین بین ۹۸ و ۹۹ درصد را به شکلی منظم کسب کرده اند. بهرحال، مدلهای توربین که در مرحله ابتدایی هستند . در اولین سالهای بهره برداری عملیاتی مقادیر ۹۵% را کسب کرده بودند.

ارتفاع توپی توربینهایی که جدیداً نصب شده اند، ادامه می یابد تا پیشرفت آَشکاری بسوی افزایش در مجومع بازده ( در ساعات بار کامل همه تاسیسات) سوق داده شود، بهرحال، به شکل بزرگی توسط تاسیسات توسعه یافته در موقعیتهای با دسترسی باد کمتر جبران می‌شود.
به عنوان یک راهنمایی برای نتایج تولید در آلمان، مکانهای ساحلی به طور میانگین تقریبا ۲۴۰۰-۲۲۰۰ ساعت بار کامل را تأمین می کنند و مکانهای داخل کشور به طور میانگین، تقریبا ۱۵۰۰-۱۳۰۰ ساعت بار کامل را پوشش می دهند.
دوره زمانی ارایه شده، ۱۹۹۸-۱۹۹۳، از لحاظ هواشناسی برای شکل دادن واقعیات بنیادی بسیار کوتاه می باشد. با این حال، در حقیقت یک نتیجه مهم باقی می ماند که ، عمده انرژی باد در دسترس در طول یک سال تقویمی، تا بیش از ۱۵% نسبت به مقدار میانگین درازمدت، انحراف خواهد داشت (تصویر ۵ را ببینید).

تصویر۵- : منابع عمده انرژی باد درطول سالها

-‌ تغییرات در تغذیه نیروی باد ماهانه
به منظور تعیین مقادیر مورد انتظار آماری برای تولید نیروی باد در ماههای مشخص، اطلاعات تحویل انرژی از نیروگاهها، که در آلمان ثبت شده است بکار رفته و « عامل ظرفیت» نیز در تصویر ۶ ارایه شده است. تحویل انرژی واقعی ماهانه بدست آمده توسط همه نیروگاههای مشاهده شده، بدین ترتیب به حداکثر مجموع تولید ماهانه از لحاظ نظری (تئوریک) با بارکامل مداوم، مربوط شده است؛ که به موجب آن، ۱۲۵۰۰۰ گزارش تحویل انرژی ماهانه از سالهای ۱۹۹۸-۱۹۹۰ در دسترس می باشد.

مقادیر میانگین از ماههای مشخص (و بهمین خاطر مقادیر مورد انتظار) از ۱۵% در ماه جولای تا ۳۲% در ماه ژانویه سیر و حرکت داشته است. مطابق با وضعیت هوای کلی و باد در دسترس سالیانه، انحرافاتی می تواند ملاحظه شود که از کمترین مقدار در آگوست ۱۹۹۷ با ۷% عامل ظرفیت تا بیشترین مقدار با ۴۵% در ژانویه ۱۹۹۳ سیر و حرکت داشته است.

تصویر۶- : عامل ظرفیت ماهانه توربینهای بادی در اندازه گیری عملی و برنامه ارزیابی ISET (WMEP) ، ۱۹۹۹-۱۹۹۰ .
– دوره فرونشستن باد
از نظر ارزیابی اطلاعات نیرو، یک مقدار آستانه ای از مجموع نیروی خروجی در اندازه کمتری تعریف می شود، چونکه دوره « سکون باد» می تواند برقرار شود. برای تجزیه و تحلیلهای امروزی باد، این مقدار، ۲ درصد از مجموع توان نصب شده توربین بادی در نظر گرفته شده است.
همترازی فرکانس و در ازای دوره های زمانی، هنگامیکه هیچ تغذیه ای از طرف توربینهای بادی ثبت نمی شود، توسط بسط فضایی موقعیتهای غیر متمرکز تعیین می شود. در مورد نواحی تأمین کننده مشاهده شده در اینجا – با وسعتی نزدیک به ۸۰۰ کیلومتر از شمال تا جنوب- ۴۷۶ ساعت « سکون باد» در سال بادی ۱۹۹۸ (مخصوصاً خوب) ثبت شده بود. نتایج کامل تجزیه و تحلیلهای

سکون باد در تصویر ۷ ارایه شده است.
محدوده « سکون باد ۴-۱ ساعته» ، بالاترین فرکانس با ۴۷ رویداد، مطابق با نتایج را منعکس می کند. محدوده « ۲۴-۱۲ ساعته» بزرگترین بخش از مجموع دوره سکون باد را با زمان تقریباً ۱۸۰ ساعت منعکس می کند.

تصویر۷- : تجزیه و تحلیل سکون باد در سال ۱۹۹۸
– نگاهی به حالت استفاده از نیرو در فواصل یک ساعت و پانزده دقیقه ای
در کنار مقادیر متوسط آماری برای ماهها و سالها، مسلماً جزئیات قابل مقایسه ای را میتوان برای مقادیر ساعتی محاسبه کرد. اصطلاح « دوره های نوعی روزانه» همانطور که در دوره های روزانه خروجی در ژانویه و جولای نشان داده شده است- که در تصویر ۸ نمایش داده شد- فقط زمینه های این دوره ها را منعکس می کند. محاسبات این منحنی‌ها با وجود تشکیل مقادیر اصلی برای همه مقادیر ساعتی با همان زمان در طول ماه؛، مثلاً ژانویه یا جولای در سالهای ۱۹۹۸-۱۹۹۰ کامل می شد. همانطور که از محاسبات تحویل ماهانه انرژی می توان انتظار داشت، درجه توان ماه جولای به شکل آشکار از ماه ژانویه پایین تر آمده است. همچنین، این موضوع را می توان خاطرنشان کرد که فرآیند گرم شدن قوی هوا در نیمروز(با توجه به تفاوت ساعت تابستانی روی نمودار انتقال یافته است) به شکل مکرر باعث افزایش در سرعت باد می شود.
این میانگین های آماری را نمی توان با اطمینان کامل، برای پیش بینی های مقادیر ساعتی ویژه از توان خروجی کل به کار برد. بنابراین، فواصل ساعتی، محدودیت امکانات و اطلاعات درازمدت را در تعیین مقدار مورد انتظار نشان می دهند.

به منظور تعیین درجه توان جاری « پارک نیروگاه بادی» انتقال اطلاعات را اندازه گیری فنی لازم است. همچنین، به خاطر اینکه هر کدام از توربین های بادی به اندازه گیری فنی مجهز نشده اند. یک الگوی برون یابی مورد نیاز است.

تصویر۸- : مقایسه نوعی جریان روزانه تغذیه انرژی باد در تابستان/ زمستان (ISET شبکه اندازه گیری از راه دور ۱۹۹۸-۱۹۹۳)
بدین ترتیب، یک اندازه یک ساعت و ۱۵ دقیقه ای رایج، از تغذیه کل شناخته می شود، که می تواند به عنوان مقدار مورد نظر برای مقادیر توان بعدی بکار رود.

در مورد این به اصطلاح چشم داشت مداوم (مقدار رایج به عنوان ثابت در نظر گرفته شده است)، شیب مقدار توان خروجی کل در فواصل ۱۵ دقیقه ای باید مورد نظر باشد، به خاطر اینکه، حداکثر به ۱۰ درصد از توان نصب شده می رسد ( و این موضوع فقط در چند مورد در طول سال بوجود می آید). به خاطر اثرات موازنه مقیاس باز، در حدود دو سوم از کل مقدار توان خروجی کل فقط به اندازه ۲ درصد از توان نصب شده تغییر می کند.

بعد از دوره زمانی یکساعته، مقادیر توان خروجی کل- که در تصویر ۸ ثبت شده است- بیشترین تفاوت را که تقریباً ۳۰ % از توان نصب شده در فواصل ۱۵ دقیقه ای است را کسب می کنند. این گستره که میل دارد تا قادر به پیش بینی توان بادی خروجی کل باشد، بعد از چندین ساعت، اندازه های پیش بینی شده ای را نیاز دارد که شامل پیش‌بینی وضع هوا هم می باشد.

« نیروگاه بادی و انواع توربین»
یک توربین بادی دستگاهی است که دارای تعدادی پره می باشد که این پره ها قابلیت در یافت انرژی از باد و تبدیل آنرا از طریق یک محور به انرژی مکانیکی دارا می باشد. این انرژی مکانیکی در غالب موارد به یک ماشین الکتریکی منتقل می شود و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می گردد.
– انواع توربین بادی :
توربینهای بادی با توجه به جهت چرخش و زاویه آن به دو دسته بزرگ تقیسیم می شوند :
• توربینهایی با محور عمودی : پره های این توربین در اثر وزش باد بر روی سطح استوانه ای فرضی به مرکزیت محور می چرخند. مهمترین مزیت آنها اینست که مستقل از جهت باد می چرخند و عملکرد آنها در اثر تغییر جهت باد دستخوش تغییر نمی شود. اما بدلیل پایین بودن راندمان کار این توربینها از آنها در حجم زیاد برای ایجاد مزارع استفاده نمی شود.

• توربینهایی با محور افقی : این توربینها بسیار پر کاربرد بود، چرا که پره های آن مستقیماً در معرض باد هستند و نیروی باد بر روی سطح تمام پره ها بطور یکسان تأثیر می گذارد. این توربینها به دو دسته بزرگ تقسیم می شوند ، ۱) توربینهای کم سرعت ۲) توربینهای پرسرعت.
مهمترین عامل در تعیین سرعت توربینهای محور افقی، تعداد پره ها می باشد. هرچه تعداد پره ها بیشتر باشد سرعت کمتر است و گشتاور بیشتری تولید می کند. پرطرفدارترین این توربینها سه پره می باشد. چرا که در نوع با پره بیشتر بدلیل پیچیدگی شکل توپی، صرفه اقتصادی ندارند.
« پروژه های غیرنیروگاهی»
– توربینهای پرپره :
با قرار دادن تعدادی پره حول محور گردان بطور متقارن، با اشکال و مواد مختلف، توربین پرپره شکل می گیرد. این توربینها از انرژی باد جهت پمپاژ آب در روستاهایی که امکان اتصال به شبکه سراسری وجود ندارد به کار برده می شوند، و یا در محلی که استفاده از برق اصلی بسیار پر هزینه خواهد بود.
– توربینهای مستقل از شبکه :
در جهت استفاده از انرژی باد برای تأمین برق مصرف کننده های کوچک و دور افتاده از شبکه، از توربینهای با قدرت زیر ده کیلووات استفاده می شود. این توربینها با کاربردهای بسیار متنوع و با قدرتهای مختلف از ۵۰۰ وات تا ۵ کیلووات بسیار ساده و آسان نصب میشود و چند نمونه از موارد استفاده این توربینها را می توان بدین صورت دسته بندی کرد:

الف- شارژ باطری
ب- تولید قدرت در نقاط دور افتاده با قابلیت اعتماد بالا
پ- تأمین برق مورد نیاز قایقهای تفریحی و تحقیقی
« طرحهای فنی»
طرحهای تکنولوژیکی، توربینهای بادی مدرن را می توان توسط دو مشخصه اصلی «محدودیت توان» و « سرعت روتور» تمیز داد. طرتح محدودیت توان می تواند پلکانی فعال و یا تابع بسته باشد. سرعت روتور می تواند به شکل ثابت و یا متغیر طراحی شود. ت

تصویر ۲٫A : روشهای اساسی طراحی توربین
روشهای مختلف برای کنترل توان اکتیو و راکتیو بعلاوه سرعت دورانی برای حرکت مؤثر توربینها و قابلیت انضمام آنها به سیستم های تأمین انرژی، بسیار حیاتی می باشند.
طرحهای مختلف فنی در تصویر ۳٫A نشان داده شده است. یک راه برای محدود کردن توان اکتیو بوسیله نصب تیغه های روتور در محور طولی شان انجام می شود.
بدون نصب پره های فعال روتور، توان اکتیو می تواند بوسیله عملکرد پایدار محدود شود. بهر جهت، این طرح اجازه یک کنترل دایمی مانند روشن نصب پره های قابل تنظیم را نمی‌دهد.
اگر سرعت روتور بوسیله یک جعبه دنده منتقل نمی شود، ژنراتور باید قطر بزرگی داشته و در روی آن تعداد زیادی قطبهای آهنربای دایم یا الکتریکی وجود داشته باشد، تا نیازهای یک ماشین القایی را برآورده کند. همچنین باید به شکل بزرگ و سنگینی ساخته شود.

در صورتیکه مجبور باشیم سرعت روتور را بوسیله یک شبکه فرکانسی ثابت تجزیه کرده و نیروگاه را با سرعت متغیر بکار بیاندازیم (مثلا برای تساوی توان یا کاهش بارهای مکانیکی)، یک پیوند الکترونیکی بین ژنراتورو شبکه لازم است. دو روش بسیار معمول در بالا و وسط تصویر ۳٫A نشان داده شده است.

تصویر ۳٫A : تأثیر اساسی طراحی تجهیزات روی ژنراتور، سرعت، توان اکتیو و راکتیو …
• ژنراتور سنکرون با یک یکسوساز dc در سمت دستگاه و یک متناوب کننده در سمت شبکه که « مدار واسط dc» یا « پیوند dc» خوانده می شود. این سیستم با رنج بزرگ سرعت روتور مشخص می شود.

• ژنراتور القایی با منبع فرکانس متغیر روتور در داخل یک مبدل فرکانس، این طرح با توربینهای با سایر MW در سالهای ۱۹۸۰ ساخته شده بود. رنج سرعت روتور این طرح، در مقایسه با طرح « پیوند dc» بسیار کوچکتر است. بهرجهت، هر دو سیستم قادر به کنترل توان راکتیو بوده و همچنین می توانند به منظور تثبیت ولتاژ استفاده شوند.
• در روش سوم (تصویر ۳٫A ، پایین، راست) ، توربین

به همراه ژنراتور القایی که مستقیماً با محور آن کوپل شده است، اتصال سرعت تقریباً ثابت با شبکه دارد. هرگاه یک مقاوت خارجی به قسمت روتور ژنراتور ، به منظور بزرگترین کردن خطای آن اضافه شود، کاهش بار دینامیکی، اجزای دینامیکی، باعث تغییرات سرعت روتور در طول تندبادها می شود. بهرحال، این نوع از اتصال شبکه، از نظر زمانی، اجازه کنترل توان راکتیو و یا القای ولتاژ را نمی دهد.

« روند تحولات صنعتی»
بزرگترین شرکتهای سازنده توربین بادی جهان در حال حاضر شرکت وستاس، شرکت انرکون و شرکت ام ای جی مایکن هستند، که به ترتیب ۳/۲۳ ، ۶/۱۴۷، ۴/۱۲ درصد از بازار جهان را در اختیار دارند.
برخی اطلاعات که از بررسی بازار تکنولوژی باد آلمان، به عنوان پیشتاز صنعت باد جهان بدست آمده، بیانگر روند تحولات در سالهای اخیر در این صنعت می باشد؛ و لذا توجه به آنها در پیش بینی آینده سودمند خواهد بود.
میانگین ظرفیت توربینهای بادی نصب شده در آلمان در حدود ۹۰۰ کیلو وات است، اما اگر فقط توربینهای نصب شده در نیمه سال ۲۰۰۳ را در نظر بگیریم، میانگین ظرفیت توربینهای جدید در حدود ۱۵۶۰ کیلووات می باشد. لذا روند آشکاری از افزایش سایز توربینهای بادی مدرن قابل مشاهده است.

در بازار ۵۸ مدل توربین وجود دارد که از این ۵۸ مدل فقط ۴ مدل آن بدون گیربکس هستند که روی سایزهای متوسط و بزرگ آزمایش شده اند. اما ۵۴ مدل دیگر شامل سایزهای متوسط، بزرگ و خیلی بزرگ هنوز از گیربکس استفاده می کنند. بنابراین، توربینهای بدون گیربکس

هنوز در ابتدای راه هستند و وضعیت آنها پس از سالها تجربه و بهره برداری روشن خواهد شد.
اغلب توربینهای بزرگ از نوع pitch control هستند؛ یعنی، هر چه توربینها بزرگتر شوند از تعداد مدلهای stall control کاسته و به مدلهای control pitch افزوده می شود، در توربینهای خیلی بزرگ، یعنی بالاتر از ۳۰۰۰ کیلووات، اصلاً سیستم استال کنترل وجود ندارد. قابل ذکر است که پره های استال کنترل بزرگتر و سنگین تر از انواع پیچ کنترل می‌باشند. لازم به اشاره است که در سیستم پیچ کنترل، پره ها حول محور طولی خود می‌توانند بچرخند و تغییر زاویه بدهند، اما در سیستم استال کنترل، پره ها توسط پیچ به توپی بسته می شوند و قابلیت گردش حول محور طولی را ندارند.
در گذشته، توربینهای بادی با یک سرعت دورانی ثابت دور روتور کار می کردند، اما سیستمهای امروزی تقریباً سیستم یک سرعته را کنار گذاشته و به سیسمتهای دو سرعته یا سرعت متغیر روی آورده اند. از میان ۵۸ مدل موجود در بازار فقط دو مدل از نوع یک سرعته هستند و ۲۳ مدل دو سرعته و ۳۴ مدل با سرعت متغیر دیده می شوند.
۲-۱- انرژی خورشیدی

خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلکه سر آغاز حیات و منشاء تمام انرژیهای دیگر است. طبق برآوردهای علمی در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می گذرد و در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار به ابر وزن زمین است، این کره نورانی را می توان بعنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد.

قطر خورشید۶ ۱۰ ۳۹/۱ کیلومتر است و از گازهایی نظیر هیدروژن (۸/۸۶ درصد)، هلیوم (۳ درصد) و ۶۳ عنصر دیگر که مهمترین آنها اکسیژن- کربن – نئون و نیتروژن است، تشکیل شده است. میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می شود.
زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد؛ بنابراین، سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید حدود از کل انرژی تابشی آن می باشد. سوختهای فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرژیهای باد و آبشار و امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید می باشد.

شناخت انرژی خورشید و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز می گردد. شاید به دوران سفالگری، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلایی صیقل داده شده و اشعه خورشید، آتشدانهای محرابها را روشن می کردند. یکی از فراغه مصر بعدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب بسته می شد. ولی مهمترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترغ بزرگ یونان قدیم می باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید. گفته می شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آیینهه های کوچک مربع شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه

متحرک قرار داشته است، اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده بود. در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده مؤثر از انرژی خورشید در زمان های قدیم بوده است.

با وجود آنکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستمهایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر، سه راه پیشرفت این سیستمها شده بود . تا اینکه افزایش قیمت نفت در سال ۱۹۷۳ باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسأله تولید انرژی از راههای دیگر( غیر از استفاده از سوختهای فسیلی) توجه جدی تری نمایند.
« کاربردهای انرژی خورشید»
در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستمهای مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره گیری می شود که عبارتند از :
۱- استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی
۲- تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی بنام فتوولتایک
– استفاده از انرژی حرارتی خورشید :
این بخش از کاربردهای انرژی خورشیدی شامل دو گروه نیروگاهی و غیرنیروگاهی می‌باشد.
الف- کاربردهای نیروگاهی : تاسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می شود، نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می شود. این تاسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده های موجود و برحسب اشکال هندسی متمرکز کننده ها به سه دسته تقسیم می شوند :

الف-۱) نیروگاههایی که گیرنده آنها آینه های سهموی ناودانی هستند (شلجمی باز)
الف-۲) نیروگاههایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه‌های بزرگی بنام هلیوستات به آن منعکس می شود (دریافت کننده مرکزی)
الف-۳) نیروگاههایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (دیش) می باشد، (شلجمی بشقابی)
قبل از توضیح در خصوص نیروگاه خورشیدی بهتر است شرح مختصری از نحوه کارکرد نیروگاههای تولید الکتریسته داده شود. در هر نیروگاهی اعم از نیروگاههای آبی، نیروگاههای بخاری و نیروگاههای گازی برای تولید برق از ژنراتورهای الکتریکی استفاده می شود، که با چرخیدن این ژنراتورها برق تولید می شود. این ژنراتورهای الکتریکی، انرژی دورانی خود را از دستگاههای بنام توربین تأمین می کنند.

توربینهای انواع مختلف دارند، در نیروگاههای بخاری توربینهایی وجود دارند که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آنها شده و موجب به گردش درآمدن پره های توربین می‌گردد. در نیروگاههای آبی که روی سدها نصب می شوند، انرژی پتانسیل موجود در آب موجب به گردش درآمدن پره های توربین می شود. در نیروگاههای حرارتی، بر اثر سوختن سوختهای فسیلی مانند مازوت، آب موجود در سیستم بسته نیروگاه داخل دیگ بخار به بخار تبدیل می شود و بدین ترتیب انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می شود. در نیروگاههای گازی توربینهایی وجود دارد که بطور مستقیم بر اثر سوختن گاز به حرکت درآمده و ژنراتور را می گرداند و انرژی حرارتی به جنبش و سپس به الکتریکی تبدیل می شود.

در نیروگاههای حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخشهای خورشیدی، تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربینها است، به عبارت دیگر می توان گفت که این نوع نیروگاهها شامل دو قسمت هستند :
– سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می نماید.
– سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاههای حرارتی، بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می کند.
– نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سهوی خطی
در این نیروگاهها، از منعکس کننده هایی که به صورت سهوی خطی می باشند جهت تمرکز پرتوهای خورید در خط کانونی آنها استفاده می شود و گیرنده به صورت لوله ای در خط کانونی منعکس کننده ها قرار دارد. در داخل این لوله، روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشیدی گرم و داغ می گردد. این روغن داخل از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار تبدیل می کند؛ این سیستم آب و بخار به مدلرهای مرسوم دو نیروگاههای حرارتی انتقال داده می شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد.

ن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد پوشش می دهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشه ای به صورت لفاف پوشیده می شود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری گردد و نیز از لوله دریافت کننده محافظت به عمل آید. ضمناً بین این دو لوله خلأ بوجود می آورند تا پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت کننده برسد.

در این نیروگاهها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که بوسیله آن آینه های شلجمی دایماً خورشید را دنبال می کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز می نمایند.
تغییرات تابش خورشید در این نیروگاهها توسط منبع ذخیره و گرم کن سوخت فسیلی جبران می شود. در چند کشور نظیر، ایالات متحده آمریکا، اسپانیا، مصر، مکزیک، هند و مراکش از نیروگاههای سهوی خطی استفا

در ایران نیز تحقیقات و مطالعاتی در زمینه این نیروگاهها انجام شده و پروژه یک نیروگاه تحقیقاتی با ظرفیت ۲۵۰ کیلووات توسط سازمان انرژیهای نو ایران در شیراز در حال انجام است. کلیه مراحل طراحی و ساخت این نیروگاه به طور کامل توسط مهندسان ایرانی انجام می پذیرد.

– نیروگاههای حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزی
در این نیروگاهها، پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس کننده به نام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته است متمرکز می گردد، در نتیجه روی محل تمرکز پرتوها، انرژی گرمایی زیادی بدست می آید که این انرژی بوسیله سیال عامل که داخل دریافت کننده در حرکت است جذب می شود و بوسیله مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاههای سنتی منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید می گردد.

این سیال عامل در مبدلهای حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا می گردد. در برخی سیستم ها سیال عامل آب است و مستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می شود. برای استفاده دایمی از این نوع نیروگاه در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد، مثلاً ساعات ابری و شبها از سیستم های ذخیره کننده حرارت و یا احیاناً از تجهیزات پشتیبانی که ممکن است از سوخت فسیلی استفاده کنند جهت ایجاد بخار کمک گرفته می شود.
مطالعات و تحقیقات در زمینه فناوری و سیستمهای این نیروگاهها ادامه دارد و آزمایشگاهها و موسسات متعددی در سراسر دنیا در این زمینه فعالیت می کنند.

-‌ نیروگاههای حرارتی از نوع شلجمی بشقابی
در این نیروگاهها از منعکس کننده هایی که به صورت شلجمی بشقابی می باشد جهت تمرکز نقطه ای پرتوهای خورشید استفاده می گردد و گیرنده هایی که در کانون نصب شده اند به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک مایشن حرارتی و ژنراتور آن را به توان مکانیکی و الکتریکی تبدیل می نمایند.

– دودکشهای خورشیدی
روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید، استفاده از برج نیرو یا دودکشهای خورشیدی می باشد. در این سیستم از خاصیت دودکشها استفاده می شود به این صورت که با استفاده از یک برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانه های خورشیدی که در اطراف آن است، هوای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدی در یک گرمخانه تولید می شود به طرف دودکش یا برج که در مرکز گرمخانه قرار دارد، هدایت می‌شود.

این هوای گرم بعلت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و باعث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایان برج نصب شده است می گردد و بوسیله این ژنراتور برق تولید می‌شود. هم اکنون یک نمونه از این سیستم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر می رسد.

ب- کاربرهای غیر نیروگاهی : کاربردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می باشد که اهم آن عبارتند از : آبگرمکن و حمام خورشیدی- سرمایش و گرمایش خورشیدی- آب شیرین کن خورشیدی- خشک کن خورشیدی- اجاق خورشیدی- کوره های خورشیدی و خانه های خورشیدی.
۱- آبگرمکن خورشیدی و حمام خورشیدی : تولید آب گرم مصرفی ساختمانها، اقتصادی‌ترین روش استفاده از انرژی خورشیدی است. می توان از انرژی حرارتی خورشید جهت تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی، به خصوص در مکانهایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد. چنانچه ظرفیت این سیستمها افزایش یابد می توان از آنها در حمامهای خورشیدی نیز

استفاده نمود، تاکنون با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران تعداد زیادی آبگرمکن خورشیدی و چندین دستگاه حمام خورشیدی در نقاط مختلف کشور نصب و راه اندازی شده است.

۲- گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی : گرمایش و سرمایش ساختمانها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه ای بود که در سالهای ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی رسید . با افزودن سیستمی معروف به سیستم جذبی به سیستمهای خورشیدی می توان علاوه بر تهیه آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستمها در فصول گرم برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.

۳- آب شیرین کن خورشیدی : هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند، تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می مانند. پس با استفاده از روشهای مختلف می توان آب تبخیر شده را تقطیر کرده و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این روش می توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آّ شیرین ندارد مانند جزایر را تأمین کرد. آب شیرین کن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می شود. در نوع صنعتی با حجم بالا می توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.

۴- خشک کن خورشیدی : خشک کردن مواد غذایی برای نگهداری آنها از زمانهای بسیار قدیم مرسوم بوده است. خشک کردن عبارتست از گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتریها می شود. در خشک کن های خورشیدی بطور مستقیم و یا غیرمستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می گردد.

۵- اجاقهای خورشیدی : اصول کار اجاق خورشیدی، جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می باشد. امروزه طرحهای متنوعی از این سیستمها وجود دارد که این طرحها در مکانهای مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده اند.

۶- کوره خورشیدی : در قرن هیجدهم نوتو را اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تله چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد. بسمر پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تأمین می کرد. متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه، یکی تخت و دیگری کروی می باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می شود. طبق قوانین اپتیک هرگاه دسته پرتو موازی محور آینه با آن برخورد ند، در محل کانون متمرکز می شوند؛ به این ترتیب انرژی حرارتی خورشید در یک نقطه جمع می شود که این نقطه به دماهای بالایی می رسد.

۷- خانه های خورشیدی : ایرانیان باستان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه های خود در زمستان استفاده می کردند. آنان ساختمانها را به ترتیبی بنا می کردند که در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشمین می تابید ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت.
در اغلب فرهنگ های دیگر دنیا نیز می توان نمونه هایی از این قبیل طرحها را مشاهده نمود، در سالهای بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالت متحده، طرحهای فراوانی در زمینه خانه های خورشیدی مطرح و آزمایش شد. از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت. حدود چند سالی است که معماران بطور جدی ساخت خانه های خورشیدی را آغاز کرده اند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی نیز دست یافته‌اند، مثلاً در ایالت متحده در سال

۱۹۹۰ به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شده است. در این گونه خانه ها سعی می شود از انرژی خورشید برای روشنایی، تهیه آب گرم بهداشتی، سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با بکار بردن مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود.

« سیستم های فتوولتاییک خورشیدی»
به پدیده ای که در اثر تابش نور، بدون استفاده از مکانیزم های متحرک، الکتریسیته تولید کند، پدیده فتوولتاییک (pv) و به هر سیستمی که از این پدیده استفاده کند، سیستم فتوولتاییک گویند. سیستمهای فتوولتاییک یکی از پر مصرف ترین کاربردهای انرژیهای نوع می باشند و تاکنون سیستمهای گوناگونی با ظرفیت های مختلف (۵/۰ وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستمها، هر روزه به تعداد متقاضیان آنها افزوده می شود.

از سری و موازی کردن سلولهای فتوولتاییک خورشیدی می توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. باتریهای خورشیدی قطعات نازکی از سیلیکون یا دیگر مواد نیمه هادی می باشند که وقتی نور خورشید به ماده نیمه هادی می خورد یک جریان الکتریکی ایجاد می کند. وقتی که چند باطری خورشیدی روی یک صفحه نصب شده و به شکل سری به یکدیگر متصل شوند، یک مدول خورشیدی، یعنی بلوک ساختمانی یک سیستم فتوولتاییک (pv) ساخته می شود. همچنین به یک مجموعه از سلولهای سری و موازی شده پنل (panel) فتوولتاییک می گویند.
چون ماده این سلولها عموماً سیلسیم است و سیلسیم مورد نیاز هم از شن و ماسه تهیه می‌شود که در مناطق کویری کشور به فراوانی یافت می شود، بنابراین، از نظر تأمین مواد اولیه این سلولها هیچگونه کمبودی در ایران وجود ندارد.
سیستم های فتوولتاییک را می توان بطور کلی به سه بخش اصلی تقسیم نمود که به طور خلاصه به توضیح آنها می پردازیم :

۱- پنلهای خورشیدی : این بخش در واقع مبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی بدون واسطه مکانیکی می باشد. لازم به ذکر است، جریان و ولتاژ خروجی از این پنلها DC می باشد.
۲- تولید توان مطلوب یا بخش کنترل : این بخش در واقع کلیه مشخصات سیستم را کنترل کرده و توان ورودی پنلها را طبق طراحی انجام شده و نیاز مصرف کننده به بار یا باتری تزریق یا کنترل می کند. لازم به ذکر است که در این بخش مشخصات و عناصر تشکیل دهنده با توجه به نیازهای بار الکتیریکی و مصرف کننده و نیز شرایط آب و هوایی محلی تغییر می ند.

۳- مصرف کننده یا بار الکتریکی : با توجه به خروجی DC پنلهای فتوولتاییک، مصرف کننده می تواند دو نوع DC یا AC باشد. همچنین با آرایشهای مختلف پنلهای فتوولتاییک می توان نیاز مصرف کنندگان مختلف را با توانهای متفاوت تأمین نمود.

 

با توجه به کاهش روز افزون ذخایر سوخت فسیلی و خطرات ناشی از بکارگیری نیروگاههای اتمی، گمان قوی وجود دارد که در آینده ای نه چندان دور، سلولهای خورشیدی با تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی برق به عنوان جایگزین مناسب و بی خطر برای سوختهای فسیلی و نیروگاههای اتمی توسط بشر بکار گرفته شود.

مصارف و کاربردهای فتوولتاییک
الف- مصارف فضانوردی و تأمین انرژِ مورد نیاز ماههواره ها جهت ارسال پیام :
تقریبا تنها راه تأمین انرژی مورد نیاز ماهواره و سفینه های بدون سرنشین و تجهیزاتی که به کرات و نقاطر مختلف فضا فرستاده می شوند، استفاده از انرژی فتوولتاییک می باشد. در فضاپیماها و ایستگاههای فضایی نیز، پس از عبور از جو انرژی مورد نیاز قسمتهای مختلف فضاپیما و ایستگاه توسط پنلهای فتوولتاییک تأمین می شود و فضاپیماها در فضا از موتورهای خود فقط برای ایستادن و تغییر جهت استفاده می کنند. لازم به ذکر است که پنلهای استفاده شده در تجهیزات فضایی

بسیار بسیار گران قیمت تر از انواع معمولی می‌باشد ولی در عوض بازدهی و عمر بسیار بیشتری دارند. در صورت پیشرفت تکنولوژی و ارزان شدن قیمت پنلهای خورشیدی، این نحوه تولید انرژی قابل رقابت با انرژیهای دیگر می شود. قیمت پنلهای فضایی چند هزار برابر انواع معمولی می باشد.

ب- روشنایی خورشیدی :
در حال حاضر روشنایی خورشیدی بالاترین میزان کاربرد سیستم های فتوولتاییک را در سراسر جهان دارد و سالانه دهها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه‌اندازی می گردد. مانند تأمین برق جاده ها و تونلها بخصوص در مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارند، تأمین برق پاسگاههای مرزی که دور از شبکه برق هستند، تأمین برق مناطق شکاربانی و مناطق حفاظت شده، نظیر جزیره های دورافتاده که جنبه نظامی دارند.

 

-‌ سیستم های تغذیه کننده یک واحد مسکونی :
انرژی مورد نیاز کلیه لوازم برقی منازل (شهری و روستایی) و مراکز تجاری را میتوان با استفاده از پنلهای فتوولتاییک و سیستم های ذخیره کننده و کنترل نسبتاً ساده ، تامین نمود.

ت- سیستم پمپاژ خورشیدی :
سیستم پمپهای فتوولتاییک قابلیت استحصال آب از چاهها، قنوات، چشمه ها، رودخانه ها و … را جهت مصارف عمومی دارا می باشد.

ث- سیستم تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری :
اغلب ایستگاههای مخابراتی و یا لرزه نگاری در مکانهای فاقد شبکه سراسری و صعب العبور و یا در محلی که احداث پست فشار قوی به فشار ضعیف و تامین توان الکتریکی ایستگاه مذکور صرفه اقتصادی و حفاظت الکتریکی ندارد، نصب شده اند.

ج- ماشین حساب، رادیو، ساعت، ضبط صوت و وسایل بازی کودکانه یا هر وسیله ای که تاکنون با باطری خشک کار می کرده است، یکی دیگر از کاربردهای این سیستم می باشد:
مثلاً کشور ژاپن در سال ۱۹۸۳ حدود ۳۰ میلیون ماشین حساب خورشیدی تولید کرده است که سلولهای خورشیدی بکار رفته در آنها مساحتی حدود ۰۰۰/۲۰ مترمربع و توان الکتریکی معادل ۵۰۰ کیلووات داشته اند.

چ-‌ نیروگاههای فتوولتاییک :
همزمان با استفاده از سیستم های فتوولتاییک در بخش انرژی الکتریکی مورد نیاز ساختمانها، اطلاعات و تجربیات کافی جهت احداث واحدهای بزرگتر حاصل گردید و هم‌اکنون در بسیاری از کشورهای جهان، نیروگاه فتوولتاییک در واحدهای کوچک و بزرگ و به صورت متصل به شکبکه و یا مستقل از شبکه نصب و راه اندازی شده است. ولی این تاسیسات دارای هزینه ساخت، راه اندازی و نگهداری می باشند که فعلاً مقرون به صرفه و اقتصادی نیست.

ح- یخچالهای خورشیدی :
از یخچالهای خورشیدی جهت سرویس دهی و ارایه خدمات بهداشتی و تغذیه ای در مناطق دور افتاده و صعب العبور استفاده می گردد. بهمین منظور ، طی ۵ سال گذشته بیش از ۱۰۰۰۰ یخچال خورشیدی برای کاربردهای بهداشتی و درمانی در سراسر آفریقا راه اندازی شده است.

خ- سیستم های تغذیه پرتابل یا قابل حمل :
قابلیت حمل و نقل و سهولت در نصب و راه اندازی از جمله مزایای این سیستمها می باشد. بازده توان این سیستمها از ۱۰۰ وات الی یک کیلووات می باشد. از جمله کاربردهای آن تامین برق اضطراری در مواقع بروز حوادث غیرمترقبه، سیستم تغذیه کننده یک چادر عشایری و کمپ های جنگلی می باشد.

قسمت ۳-۱- انرژی زیست توده
یکی از مناسبترین منابع انرژی تجدید شونده مناسب، زیست توده یا بیوماس می باشد که علاوه بر خاصیت تجدیدپذیر بودن ، دوستدار محیط زیست نیز می باشد. این انرژی یکی از بهترین و پر استفاده ترین نوع انرژی هایی است که از گذشته دور نیز مورد توجه بشر قرار داشته است.
منابع انرژی های زیست توده می توانند به شکل تبدیل شده انرژی مانند الکتریسیته و یا حاملهای انرژی چون گازی و مایع، نیازهای بخشهای مختلف در جامعه بشری را تأمین کنند که این موضوع وجه تمایز مباحث انرژِ زیست توده نسبت به سایر انرژی های نو می‌باشد.

منابع فراوان زیست توده در طبیعت، اعم از گیاهی، زایدات کشاورزی، زباله ها، فاضلابهای شهری، صنایع غذایی و فضولات دامی منابعی هستند که رها شدن آنها در طبیعت موجب بروز مشکلات زیست محیطی فراوانی می شود و مدیریت این منابع علاوه بر کنترل آلودگیها، منجر به تولید انرژی فراوانی می گردد که در حال حاضر در بسیاری از کشورهای توسعه یافته از منابع زیست توده جهت تولید انرژی الکتریکی در سطح نیروگاهی استفاده می شود.
امروزه وجود زباله ها در کلانشهرهای کشور یکی از معضلات عمده برای شهرداریها محسوب می شود؛ در ضمن دفن غیر اصولی زباله ها در کشور و تولید شیرابه های سمی در محل دفن زباله ها، از خطرات بزرگ زیست محیطی است که در صورت حل نکردن این معضل، خسارات جبران ناپذیری در بر خواهد داشت که کنترل آن نیز هزینه های زیادی را می طلبد، از طرفی جمع آوری صحیح زباله ها و دفن اصولی آنها علاوه بر کنترل آلودگیهای ناشی از زباله ها ، پتانسیل فراوانی از انرژی را بهمراه دارد که جهت احداث نیروگاههای تولید برق از زباله ها در محل دفن می توان استفاه نمود.
دامنه مصرف کنندگان زیست توده بسیار گسترده است. به عنوان مثال از خانوارهای کوچک به خصوص در نواحی روستایی و رستورانها شروع شده تا واحدهای کوچک، متوسط و بزرگ صنعتی و تجاری ادامه پیدا می کند.
به عنوان مثال، کشورهای هندوستان و بنگلادش فن آوری زیست توده را در کوره های آجرپزی و واحدهای چای خشک کنی و دودی کردن ماهی و غیره به کار گرفته اند.
زیست توده عمدتاً در کشورهای در حال توسعه مصرف می شود و نقش مهمی را در سبد انرژی خانوارهای این کشورها، مخصوصاً خانوارهای روستایی بازی می کند.

-‌ تاریخچه :
از نقطه نظر تاریخی، استفاده از انرژی بیوماس (زیست توده) به آغازی ترین دوره های تاریخ باز می گردد، از زمانی که آتش شناخته شد، انسان نخستین همواره چوب و برگ خشک گیاهان را به عنوان سوخت استفاده می کرد و این چرخه تا قرن حاضر نیز ادامه پیدا کرده است.

قدیمی ترین مورد خروج گاز و اشتعال ناقص آن به وسیله دفن زباله در طبقات زیر زمین، توسط پیلی نی روس گزارش شده است. وی خروج گانه گاه گاز طبیعی و اشتعال آن را از طبقات زیرین زمین مشاهده کرد. ولی وان هلمونت در سال ۱۶۳۰ شناسایی و اشتعال این گاز را رسماً اعلام کرد. در سال ۱۶۶۷ دانشمندی به نام شرلی، گاز مرداب را کشف نمود ولی اصلی ترین تاریخچه عملی گاز متان به عنوان ترکیب اصلی بیوگاز حاصل از مواد تخمیر شده توسط ولتاو در سال ۱۷۷۶ شروع شده است.
شروع تحقیقات عمده در زمینه تخمیر غیر هوازی و کاربرد آن در کشاورزی را به شخصی به نام دیوی و در سال ۱۸۰۸ نبت داده اند. در سال ۱۸۸۴ طرحی به اجرا درآمد که به وسیله انرژی بیوماس روشنایی خیابانهای شهر زیبای پاریس را تأمین می نمود.

امروزه منابع مفید و کاربردی بیوماس تنها به چوب و برگ خشک محدود نمی شود و طیف وسیعی از مواد، از جمله ضایعات جامد و مایع شهری و ضایعات صنعتی و غیره را نیز در بر می گیرد. به عنوان مثال در طول سالهای ۱۹۸۵ تا ۱۹۹۰ میانگین مصرف سالانه انرژی بیوماس در جهان عادل ۱۴ کوادریلیون بوده است.

– بیوگاز
از اعمال مجموعه ای متنوع از فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و زیست محیطی بر روی منابع مختلف زیست توده، مانند: تجزیه، تخمیر و … در یک محفظه، گازی بدست می آید که اصطلاحاً بیوگاز نام دارد. پس از اعمال یک سری فرآیندهای تصفیه ای مطابق استانداردهای جهانی و زیست محیطی بر روی این گاز می توان آن را به عنوان یک حامل انرژی در نظر گرفت.
این حامل انرژی را می توان به عنوان سوخت اولیه در نیروگاهها بکار برد. با سوخت این گاز ژنراتورها و توربین ها حرکت کرده و مشابه سیل سنتی رایج در تمام نیروگاههای موجود، برق تولید می کنند؛ با این تفاوت که این بار نه تنها سوخت مورد نیاز جهت بویلر از دل زمین بیرون کشیده نشده، بله با کاربرد بهینه از آلودگی محیط زیست انسانی نیز جلوگیری به عمل آمده است.
با بکار بردن مستقیم این گاز می توان طیف وسیعی از صنایع و سیستمهای موجود را راه‌اندازی کرد و موجب ذخیره سازی منابع با ارزش سوختهای فسیلی نظیر نفت و گاز و غیره شد.

-‌ زباله کلانشهرها
ایران از دیرباز درگیر مشکلات زیست محیطی شده است که بسیاری از آنها در حال حاضر به نقطه اوج خود رسیده است و کم‌کم باعث احساس خطر شده است.

مثلاً در مورد شهر بزرگی مثل تهران، حجم بالای زباله های تولید شده و فاضلابهای شهری و صنتی در چند سال آینده جایی برای زندگی بشر باقی نخواهد گذاشت. اگر آلودگی هوا توسط اتومبیلهای بنزین سوز و اتوبوسهای گازوییل سوز را به آن اضافه کنیم، به اهمیت استفاده از زیست توده در کلان شهرها و در آینده نه چندان دور، استفاده از اتومبیلهای بیوگاز سوز پی خواهیم برد. با توجه به وجود منابع عظیم طبیعی سرشار و منحصر به فرد در ایران، می توان امید داشت که با افزایش میزان تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر و به خصوص زیست توده و نیز اتخاذ سیاست های صحیح جنگلداری و حفظ منابع طبیعی، بتوان بخشی از این مشکلات را حل نمود.

-‌ زیست توده ( بیوماس)
قبل از هر مطلبیی بهتر است که مفهوم کلی بیوماس را در ابتدا مورد بررسی قرار دهیم. هر ارگانیسم زنده ای که انرژی خورشید را جذب نموده و بصورت کلروفیل در خود ذخیره می نماید بویماس نامیده می شود . بیوماس اصطلاحی است که در زمینه انرژی به جهت توصیف رشته ای از محصولاتی که حاصل عمل فتومنشر هستند به کار می رود.

هر ساله از طریق فتومنتشر معادل چندین برابر مصرف سالانه انرژی جهان، انرژی خورشیدی در برگها، تنه و شاخه های درختان ذخیره می شود. لذا در میان منابع انرژی‌های تجدیدپذیر بیوماس از جهت ذخیره ردن انرژی خورشیدی منحصر به فرد می‌باشد. به علاوه زیست توده تنها منبع تجدیدپذیر کربن بوده و می تواند به سوختهای جامد، مایع و گازی تبدیل شود.
حتی می توان با اعمال مجموعه ای از عملیتهای شیمیایی به روی بیوگاز حاصل از زیست توده به هیدروژن که یکی از فرآورده های مهم و حیاتی در بخش انرژی می باشد، رسید.
زیست توده به شکل چوب، قدیمی ترین شکل این انرژی برای بشر است که به عنوان سوخت در مصارف خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار می گرفته است که در ابتدا با استفاده از روش احتراق مستقیم بود.
استفاده از زیست توده به عنوان یک منبع انرژی نه تنها به دلایل اقتصادی، بلکه به دلایل توسعه اجتماعی و اقتصادی و مسایل زیست محیطی نیز مهم می باشد.

-‌ منابع زیست توده
بخشی از تشعشع خورشید که به اتمسفر زمین می رسد، به دلیل فرایند فتوسنتز در گیاهان جذب می شود. ماکزیمم راندمان تبدیل انرژی خورشیدی بین ۵ تا ۶ درصد است که در عمل برای بهترین روشها به حدود ۵/۰ تا ۱ درصد رسیده است.
میزان انرژی ای که سالانه توسط فتوسنتز ذخیره می شود، چندین برابر بیشتر از کل مصرف معمولی انرژی جهان و حدوداً ۲۰۰ برابر مصرف انرژی غذایی معمولی کل جهان است. حدود ۹۰ درصد این انرژی که در درختان ذخیره می شود، معادل ذخایر سوختهای فسیلی قابل استخراج و به ثبت رسیده می باشد.
منابع زیست توده ای که برای تولید انرژی مناسب هستند ، طیف وسیعی از مواد را شامل می شوند که به صورت عمده به شش گروه تقسیم بندی می گردند :
۱- سوختهای چوبی
۲- زایدات جنگلی، کشاورزی، باغداری و صنایع غذایی
۳- ضایعات جامد زباله های شهری
۴- فضولات دامی
۵- فاضلابهای شهری
۶- فاضلابها، پس ماندها و زایدات آلی صنعتی
تمام این مواد دارای مواد، آلی هستند و توانایی سوختن دارند. بنابراین، برای هر کدام می‌توان ارزش حرارتی مشخصی را تعیین نمود. ارزش حرارتی بنا به تعریف، مقدار گرمایی است که از واحد جرم ماده سوختنی آزاد می شود و این مقدار گرما می تواند بر اساس واحد جرم ماده مرطوب یا ماده خشک بیان گردد.

طبق واکنش کلی زیر از ترکیب هر ماده سوختنی آلی با اکسیژن، دی اکسید کربن و آب به انضمام مقداری زیادی انرژی گرمایی آزاد می شود :
سایرگازها + خاکستر + انرژی گرمایی + O2=CO2+H2O + ماده سوختنی
الف – سوختهای چوبی : سوخت چوبی منبع اصلی انرژی زیست توده است که قرنهاست توسط بشر نه تنها در مصارف خانگی بلکه در محدوده وسیعی از فعالیتهای صنعتی مصرف می شود. در حالیکه هیزم در تأمین انرژی برای مصارف شهری در کشورهای در حال توسعه اهمیت خود را حفظ کرده است، ولی سوختهای چوبی هنوز منبع عمده انرژی جهت مصارف خانگی و صنایع کوچک، متوسط و بزرگ در مناطق روستایی و شهری کشورهای در حال توسعه می باشد. مصارفی نظیر صنایع پخت نان، دود دادن ماهی، فرآوری شکر، چای، قهوه ، نارگیل و کاکائو، آهک پزی و آجرپزی می باشد.
اگرچه سوختهای متعارف در بسیاری از مناطق روستایی در دسترس می باشد ، ولی ارزش آنها بر حسب واحد انرژی مفید معمولاً خیلی بالاتر از ارزش سوختهای چوبی است.
این مساله با کمیاب شدن سوختهایی نظیر چوب تغییر می کند، ولی تاکنون تعداد کمی از مصرف کنندگان صنعتی، هزینه های اقتصادی مربوط به جانشینی سوختهای چوبی را پرداخته اند، لذا اندزاه گیری جهت جایگزینی وجود ندارد. از دیگر منابع متعارف چوب میتوان چوب مازاد به نیاز صنایع چوب سنتی را نام برد.

این منابع را از الوارهای بریده شده و یا از اراه کاری هایی که به منظور تهیه الوارهای بهتر صورت می گیرد بدست می آورند. این منابع اگر به طور مناسبی اداره شود، بخصوص اگر شامل پتانسیل موجود در زمینهای بایر نیز باشند، می توانند منابع بسیار بزرگی برای مصارف انرژی به حساب آید.
ب- ضایعات جنگلی ، کشاورزی، باغداری و صنایع غذایی : ضایعات کشاورزی که ممکن است برای تولید زیست توده مفید باشد، شامل تمامی انواع ضایعات محصولات کشاورزی میتواند باشد. سالانه مقدار زیادی ضایعات کشاورزی تولید می شود و این در حالی است ه بسیاری از اینها به صورت کامل مورد استفاده و بهره برداری قرار نمی گیرد.

وزن واقعی ضایعاتی که در هر محل معین و مشخص تولید می شود به عواملی چون آب و هوا، شرایط خاک و تکنیکهای کشاورزی به کار برده شده ، بستگی دارد.
اگرچه ممکن است استفاده از ضایعات کشاورزی برای تولید انرژی، به دلیل راندمان و یا صرفه اقتصادی جالب به نظر آید ولی باید با پتانسیلهای محلی موجود کشاورزی نیز مطابقت داشته باشد.
یکی دیگر از عوامل مهم در استفاده از ضایعات، ارزش اقتصادی آنهاست. سوزاندن ضایعات همچنین می تواند در تضمین عناصر اصلی خاک مهم باشد. در ایران برای استفاده از ضایعات بخش کشاورزی، مطالعاتی صورت پذیرفته است که به عنوان مثال می توان به طرح آرتیما در دریاچه ارومیه اشاره نمود که در این طرح قرار است این جاندار تک سلولی به عنوان ماده زیست توده مورد استفاه قرار گیرد.چ
در مراحل کاشت، داشت و برداشت محصولات کشاورزی، باغداری و جنگلداری به غیر از محصول اصلی موادی نیز به دستی می آیند که با نام زایدات کشاورزی شناخته می شوند؛ مانند : برگ، ساقه، پوست، غلاف میوه، سبوس، شاخه های فرعی و … علاوه بر اینها در جریان فرآیندهای پردازشی و تبدیلی که ممکن است روی محصول اصلی انجام بگیرد، مواد بدون استفاده دیگری نیز به دست می آیند که از آنها به نام ضایعات محصول تولیدی یاد می شود، مانند : تفاله های میوه ها، سبوس دانه ها، پوست و تراشه های چوب، خاک اره و غیره .

تمام این مواد از فرآیند فتوسنتز بدست می آید و دارای مواد آلی می باشد که در خود مقادیر زیادی انرژی ذخیره نموده اند که این انرژی می تواند به انرژی های دیگری مانند : گرمایی، شیمیایی ، برق یا انرژی مکانیکی تبدیل گردد.