۲-۱ مقدمه
در اکثر کشورهای پیشرفته در زمینه صنعت برق، تحول عظیمی در سیستم‌های تولید و انتقال انرژی بوجود آمده است که تمام نیازها و مزایای پایه تولید و انتقال در موارد فنی ، آکادمیک و بازرگانی را برآورده می‌کند. این سیستم نوین تولید صنعت انرژی را اصطلاحاً تولید پراکنده انرژی می‌گویند. در آمریکا و اروپا تولید پراکنده به یک راه حل ممکن فنی و مالی، برای مصرف‌کنندگان و تولیدکنندگان تبدیل شده است. این روش اعتبار و اطمینان تهیه برق را بسیار بهبود بخشیده است. در اکثر کشورها ، DG حدود ۱۰ درصد ظرفیت نصب شده تولید را تشکیل می‌دهد اما در کشورهایی نظیر هلند و دانمارک این روش بیش از ۳۰ تا ۴۰ درصد ظرفیت نصب شده را شامل می‌شود. برخی کشورها نیز مانند استرالیا، پیش‌بینی می‌گردد تا سال ۲۰۱۰ حدود ۷۸ درصد برق این کشور براساس انرژی تولیدی توسط این سیستم نوین باشد. این در صورتی است که تولید پراکنده انرژی اصطلاح جدیدی نیست. از آغازین روزهایی که بشر برای رفع نیاز خود به انواع مختلف انرژی نیاز داشت تولید پراکنده شکل گرفته است چرا که این انرژی عملاً در نزدیک محل مصرف آن‌ها تولید می‌شد. سیستم تولید پراکنده نیروگاه‌هایی کوچک با ظرفیت‌های بین ۱۵ کیلووات تا ۲۵ مگاوات برای شارژ نمودن ایستگاه‌های نزدیک به محل مصرف و تأمین نیازمندی های شبکه و بار می باشند. از انواع نیروگاههای با ظرفیت تولیدی کم نیروگاههای بادی، نیروگاههای خورشیدی، پیل‌های سوختی و غیره می‌باشند. مشکلات طراحی، بهره برداری اقتصادی و زیست محیطی، پائین بودن راندمان نیروگاههای بزرگ، بالا بودن هزینه نصب و تعمیر و نگهداری نیروگاههای بزرگ متمرکز، تقاضای روز افزون مصرف‌کنندگان در کشور و استعداد و پتانسیل و توانایی مهندسین ایرانی در به‌کارگیری این فن‌آوری در ایران به‌عنوان یک سیستم نوین تولید صنعت انرژی، از جمله دلایل استفاده تولید پراکنده در شبکه سراسری ایران می‌باشند، که همان‌گونه که اشاره گردید تأثیر به‌سزایی بر روی عمده فعالیت‌ها در تمام بخش‌هایی که به گونه‌ایی مرتبط با بخش برق هستند خواهد گذاشت از جمله: بالا‌بردن قابلیت اطمینان شبکه، کاهش خاموشی‌های شبکه، کاهش تلفات و بهبود کیفیت و خدمات‌رسانی بهتر و غیره.
۲-۲ بررسی اقتصادی تولید پراکنده
۲-۲-۱ توجیه اقتصادی DG برای شرکت‌های الکتریکی
شرکت‌های الکتریکی باید به بررسی این مساله بپردازند که بکارگیری DG تا چه حد می‌تواند بر استراتژی منابع انرژی آن‌ها در آینده تاثیر بگذارد. این شرکت‌ها باید در جستجوی راه‌های توسعه و تکامل و همچنین مکان استفاده از این تکنولوژی باشند. مسایل اقتصادی یک شرکت به چندین عامل بستگی دارد:
۱- ساختار شرکت و مشخصه‌های سیستم
۲ – قوانین و مقررات
۳- موقعیت و مالکیت DG
۲-۲-۲ توجیه اقتصادی DG برای مشترکین
سه عامل مهم وجود دارند که عملی بودن و مفید بودن DG را برای مشترک معین می‌کنند:
( هزینه‌ی عملکرد + هزینه‌ی اولیه نصب) – هزینه‌ی شبکه برای تولید انرژی مورد نیاز = صرفه‌جویی در هزینه
برای مشترکین
در صورتیکه اختلاف بین هزینههای عملکرد (بهره‌برداری و هزینههای صرفه‌جویی شده بر اثر عدم بکارگیری شبکه، نسبتاً بزرگ باشد بکارگیری DG مثمر ثمر خواهد بود. [۳و۴].
۲-۳ بررسی مسایل اقتصادی پروژه
مرحله اول در ارزیابی اقتصادی یک پروژه DG این است که باید معلوم شود چه مقدار از تجهیزات باید نصب شود و میزان پس‌انداز سالیانه به‌دلیل استفاده از DG چقدر است. مشترکین باید هزینههای عملکردی اضافی را متحمل شده و آنرا پرداخت نمایند. این هزینه‌ها شامل هزینه سوخت و هزینههای تعمیر و نگهداری (O&M) می‌باشد. هزینه سوخت نیز تابعی از راندمان DG می‌باشد.
۲-۴ مزایای اقتصادی DG از دید مشترکان
- کاهش هزینههای خرید انرژی به‌خصوص در مورد بارهای حرارتی (بخار، آب گرم و سیستم خنک‌کننده): در روش تولید همزمان برق و حرارت (CHP) می توان بخار یا آب گرم مورد نیاز فرآیند‌های مختلف را تامین کرده و یا این که در مواردی که نیاز به گرم‌سازی و یا خنک‌سازی محیط باشد از آن استفاده کرد.
- کاهش نگرانی‌های ناشی از نوسانات نرخ انرژی: DG به مشترکین این امکان را می‌دهد که ریسک بیشتری در بازار انرژی داشته باشند، زیراکه در حقیقت مشترکین با استفاده از DG خود را از این نوسانات رهایی داده‌اند.
- افزایش قابلیت اطمینان: DG می تواند سبب کاهش خاموشی‌های ناشی از شبکه شود که این امر خود سبب کاهش زمان خاموشی و همچنین کاهش نگرانی‌های موجود در زمینه‌های ایمنی و سلامتی بیمارستان‌ها می‌شود.
- بهبود کیفیت توان: DG می‌تواند توان و انرژی با کیفیت بالا به مشترکین تحویل دهد و لذا این امر سبب کاهش و یا از بین رفتن نگرانی‌های موجود در زمینه نوسانات ولتاژ شبکه و هارمونیک‌هایی شود که بر روی بارهای حساس مشترکین تأثیر می‌گذارد.
- منبع جدید در آمد DG این امکان را به مشترکین می‌دهد که بتوانند انرژی تولیدی خود را به فروش رسانده و یا حالت کمکی برای بازاریابی داشته باشد.
۲-۴ مزایای اقتصادی DG از دید شرکت توزیع الکتریکی
- جلوگیری از افزایش ظرفیت شبکه: DG به عنوان یک منبع کمکی و اضافی به تامین انرژی می پردازد و لذا می تواند تا حدودی شرکت توزیع را از ایجاد سیستم جدید تولید، انتقال و توزیع بازدارد.
- کاهش تلفات الکتریکی در بخش انتقال و توزیع: با نصب DG ، شبکه‌ی انتقال و توزیع، به‌منظور حمل و ارائه‌ی انرژی به مشترکین کوچکتر شده و لذا تلفات نیز کاهش می‌یابد.
- به تأخیر انداختن و به‌روز‌آوری شبکه‌های انتقال و توزیع: با استفاده از DG ، شرکت‌های توزیع می‌توانند جوابگوی رشد بار بوده و لذا با تأخیر زمانی نسبت به بهبود ظرفیت اقدام کنند.
- تامین توان راکتیو: برخی تکنولوژی‌ها DG مانند موتورهای رفت و برگشتی می‌توانند تولید توان راکتیو کنند. این امر سبب کمک به تقویت و پایداری ولتاژ شبکه می‌شود.
- کاهش تراکم دیماند و انتقال انرژی: با نصب سیستم تولید توان در محل مصرف و یا نزدیک به آن، طول مؤثر شبکه انتقال و توزیع افزایش می‌یابد و ظرفیت شبکه برای جواب‌گویی به سایر مشترکین آزاد می‌شود.
- پیک سائی: همانطور که در بخش‌های قبل اشاره شد DG می تواند سبب کاهش دیماند مشترکین در ساعات اوج مصرف شود که این امر سبب کاهش هزینه‌ها خواهد شد.
- کاهش حاشیه رزرو: با نصب DG میزان دیماند کلی شبکه پایین می‌آید و ظرفیت تولید بهبود می‌یابد و لذا نیاز به رزرو کمتری در شبکه است.
- بهبود کیفیت توان: با نصب DG، اثرات منفی کیفیت توان از جمله ولتاژ و فرکانس نامطلوب در شبکه کاهش می‌یابد.
- افزایش قابلیت اطمینان: استفاده از DG می‌تواند سبب کاهش و یا حذف خاموشی در نقاط معینی از شبکه توزیع شود.
۲-۵ بررسی مزایای فنی تولید پراکنده
با فرض اینکه مجموع تمام واحدهای تولید پراکنده دارای توان قابل ملاحظه‌ای باشند می‌توانند مزایای خاصی را به شبکه ارائه دهند این مزایا را می‌توان در دو گروه عمده تقسیم‌بندی نمود:
١- سرویس‌های اصلی
۲- سرویس‌های فرعی
۲-۶ مزایای اساسی تولید پراکنده
۲-۶-۱ تامین توان
شرکت‌های برق، تأمین توان پیک را در شرایط معمولی کار شبکه تضمین می‌نمایند که تحت عنوان تأمین توان معمولی بررسی می‌شود. حفظ مقادیر نامی توان شبکه با کاهش مقدار بار دیده شده از دید تولید‌کننده، از جمله مزایای تولید پراکنده در ارتقای این سرویس شبکه می‌باشد.
۲-۶-۲ توان اضطراری
مشابه تامین ظرفیت معمولی است با این تفاوت که در این مورد تولید پراکنده برای تأمین توان اضطراری شبکه در مواقعی که یکی از بخش‌های شبکه دچار مشکل شده است بکار می‌رود. به‌عبارتی دیگر توان DG قادر خواهد بود تعداد مصرف‌کنندگانی که در حالت قطعی و اختلال در شبکه از مدار خارج می‌شوند را کاهش دهد. معمولاً مقادیر اضطراری شبکه ، محدودیت‌های حرارتی اجزای سیستم قدرت محاسبه شده‌اند و فقط برای مدت زمان‌های مشخص قابل تعریف هستند.
۲-۶-۳ اصلاح ولتاژ
همانطور که ملاحظه گردید کاربرد تولید پراکنده در پست‌های توزیع باعث کاهش بار دیده شده از دید تولید‌کننده می‌گردد. این کاهش بار باعث کاهش افت ولتاژ در خطوط انتقال خواهد شد. [۳]
۲-۷ جمع بندی مزایای استفاده از تولیدات پراکنده
۱- مشکلات طراحی بهینه و پایین بودن راندمان نیروگاههای متمرکز
۲-گسترش روز افزون صنعت و افزایش تقاضای مصرف‌کنندگان انرژی
٣- کاهش خاموشی‌های ناشی از شبکه
۴- کاهش آلودگی ناشی از نیروگاههای متمرکز
۵- بالا بودن هزینه تولید و انتقال (تقریبا دو سوم هزینه بودجه کل برای صنعت برق)
و اگر به شبکه متصل گردند دارای مزایایی می باشند که عبارتند از:
١- بهبود پرفیل ولتاژ و کیفیت توان
۲- کاهش تلفات خطوط انتقال و توزیع
۳- فراهم نمودن کل انرژی مصرفی مصرف‌کنندگان
۴- کاهش سوخت مصرفی در نیروگاههای متمرکز
۵- داشتن رزرو و نگه‌داشتن ظرفیت اضافی برای رفع مواقع اضطراری
۲-۸ انواع انرژیهای تجدیدشونده
انرژیهای تجدیدپذیر عبارت‌اند از:
- انرژی آبی (نیروی برق‌آبی)
- انرژی بادی
- انرژی خورشیدی
- انرژی زمین‌گرمایی
- انرژی زیست توده (زیست‌سوخت)
- انرژی امواج و جزر و مد (انرژی دریایی و اقیانوسی)
۲-۸-۱ مبحث اول: انرژی برق‌آبی
انرژی برق‌آبی یا هیدرو‌الکتریسیته اصطلاحی است که به انرژی الکتریکی تولیدی از نیروی آب اطلاق می‌شود و در زمان حاضر این انرژی تجدیدپذیر حدود ۷۱۵ هزار مگاوات یا ۱۹ درصد از مجموع انرژی الکتریکی تولیدی جهان را پوشش می‌دهد. نیروی برق‌آبی همچنین ۶۳ درصد از انرژی الکتریکی تولیدی از منابع تجدیدپذیر را نیز شامل می‌شود. نیروگاههای برق‌آبی نقش مؤثری در پایداری شبکه برق و به‌ویژه تأمین برق موردنیاز شبکه سراسری در ساعات اوج مصرف دارند. بیشترین مزیت استفاده از نیروگاههای برق‌آبی عدم نیاز به استفاده از سوخت‌های فسیلی و درنتیجه حذف هزینههای مربوط به تأمین آن است. درواقع هزینه‌ی انرژی الکتریکی تولیدی در یک نیروگاه آبی به‌عنوان یک انرژی پاک از تغییرات قیمت سوخت‌های فسیلی مانند نفت، گاز طبیعی و زغال‌سنگ مصون است. درصورتی‌که سوختی در نیروگاه سوخته نشود، دی‌اکسیدکربن نیز در نیروگاه تولید نخواهد شد. البته در مراحل احداث نیروگاه مقدار ناچیزی گاز دی‌اکسیدکربن تولید می‌شود که در مقابل میزان دی‌اکسیدکربن تولیدی در نیروگاههای حرارتی که از سوخت‌های فسیلی برای تولید انرژی گرمایی استفاده می‌کنند، بسیار ناچیز است. نیروی برق‌آبی با ایجاد انرژی الکتریکی بدون سوزاندن سوخت‌ها از ایجاد آلوده‌کننده‌های متصاعد شده از سوختن سوخت‌های فسیلی مانند دی‌اکسید گوگرد، اسید نیتریک، منواکسید کربن، گرد غبار و سرب (موجود در زغال‌سنگ) جلوگیری می‌کند. همچنین هیدرو الکتریسیته با از بین بردن ضرورت استفاده از سوخت‌هایی مانند زغال‌سنگ به‌طور غیرمستقیم خطرات ناشی از استخراج زغال‌سنگ را کاهش می‌دهد. از سوی دیگر، هزینه بهره‌برداری از این نیروگاه‌ها درحالی‌که به‌صورت خودکار عمل می‌کنند پایین است و جز در موارد اضطراری به کارکنان زیادی در نیروگاههای یادشده نیازی نیست. همچنین عمر متوسط نیروگاههای برق‌آبی در مقایسه با نیروگاههای حرارتی بیشتر است، به‌طوری‌که عمر برخی از نیروگاههای آبی که هم‌اکنون در دنیا درحالی‌که استفاده هستند به ۵۰ تا ۱۰۰ سال پیش بازمی‌گردد. در موقعیت‌هایی که استفاده از سد چندین هدف را پوشش می‌دهد، ساخت یک نیروگاه آبی هزینه کمی را به هزینههای ساخت سد اضافه می‌کند و این در حالی است که ایجاد یک نیروگاه همچنین می‌تواند هزینههای مربوط به ساخت سد را جبران کند. ]۸[
شکل ۲-۱ (نمونه‌ای از چرخ آبی)
برای مثال درآمد ناشی از فروش انرژی الکتریکی در سد ‘Three Gorges’ در چین که بزرگ‌ترین سد جهان است با فروش انرژی الکتریکی تولیدی در سد در طول پنج تا هفت سال جبران شده است. در مقایسه با نیروگاه هسته‌ای این نیروگاه‌ها زباله هسته‌ای تولید نمی‌کنند. همچنین خطرات مربوط به تماس با اورانیوم در معادن یا نشت مواد هسته‌ای را نیز ندارند. در مقایسه با مولدهای بادی نیز منابع انرژی در نیروگاههای آبی قابل پیش‌بینی‌تر هستند. همچنین این نیروگاه‌ها می‌توانند ضریب بار شبکه را بهبود دهند و در زمان نیاز شروع به تولید انرژی الکتریکی کرده و به‌این‌ترتیب موجب تعدیل شبکه در طول ساعت‌های اوج مصرف شوند؛ اما در این میان باید توجه داشت که بیشتر نیروگاههای آبی از مراکز تجمع جمعیت دور هستند و باید برای انتقال آن‌ها نیز هزینه‌ای صرف کرد. از دیگر ضعف‌های این نیروگاه وابستگی شدید به میزان آب ورودی است و ازآنجایی‌که میزان آب پشت سد به بارش‌ها وابسته است، در صورت کاهش میزان بارش برف و باران کاهش، میزان تولید انرژی الکتریکی نیز کاهش می‌یابد.
<table width=”۱۰۰%”>
<tbody>
<tr>
<td> </td>
</tr>
</tbody>
</table>
شکل ۲-۲ (سد ‘Three Gorges’ در چین)
۲-۸-۲ تولید برق از طریق انرژی آب
گردش چرخ‌های آسیاب آبی یا از طریق آب‌های ریزشی (ریزش آب از بالابر روی چرخ) و یا آب‌های جاری (رودخانه) صورت می‌گیرد (این نوع آسیاب‌ها در تصویر نشان داده‌شده‌اند). امروزه از آب جاری نیز می‌توان برای تولید برق استفاده نمود. هیدرو به معنی آب است. بدین ترتیب هیدرو– الکتریک یعنی تولید برق از طریق انرژی آب. استفاده از انرژی جنبشی آب جاری جهت تولید برق را نیروی هیدروالکتریک گویند. با ایجاد سد می‌توان جریان رودخانه را متوقف نمود. با ایجاد سد، مخزنی از آب تشکیل می‌شود؛ اما سدهای احداثی بر روی رودخانه‌های بزرگ‌تر باعث تشکیل مخزن نمی‌شود. جهت تولید برق در یک نیروگاه هیدرو الکتریکی، آب رودخانه به داخل آن هدایت می‌شود. نیروگاههای آبی بزرگ‌ترین تولیدکنندگان برق در ایالات‌متحده هستند. این نیروگاه‌ها ۱۰ درصد از کل برق مصرفی این کشور را تأمین می‌کنند. ساخت نیروگاههای از این نوع در ایالت‌هایی که دارای کوهستان‌های مرتفع و رودخانه‌های زیادی هستند، می‌تواند منجر به افزایش تولید برق شود. به‌عنوان‌مثال، در حدود ۱۵ درصد از کل برق تولیدی ایالت کالیفرنیا از نیروگاههای هیدروالکتریک تأمین می‌شود؛ اما بیشترین تولید برق‌آبی مربوط به ایالت واشنگتن است. ۳ سد از ۶ سد اصلی که بر روی رودخانه کلمبیا احداث‌شده‌اند عبارت‌اند از گراند کولی (Grand coulee)، چیف جوزف (Chief joseph) و جان دی (John Day). حدود ۸۷ درصد از کل برق تولیدی ایالت واشنگتن از نیروگاههای هیدروالکتریک تأمین می‌شود. مقداری از برق تولیدی این نیروگاه‌ها به ایالت‌های دیگر نیز ارسال می‌شود. همانطور که گفته شد مولدهای آبی در مناطقی که دارای آب جاری فراوان باشند بکار گرفته می‌گردد. متناسب با میزان آب جاری رودخانه در طول سال و حداقل و حداکثر دبی آب رودخانه، سدی بر روی رودخانه احداث می‌گردد و این سد توسط مجاری خاصی آب را از توربین عبور می‌دهد و محور آن را به گردش درمی‌آورد. این محور گردان به‌نوبه خود ژنراتوری را که با آن کوپله است به چرخش درمی‌آورد و بدین ترتیب جریان الکتریسیته تولید می‌شود. ظرفیت قابل بهره‌برداری از نیروگاههای آبی علاوه بر عامل نگهداری صحیح، تابعی از میزان دبی رودخانه است که آن‌هم متأثر از میزان ریزش باران است. ارتفاع مؤثر نیز عامل غیرقابل‌انکاری در این زمینه به شمار می‌آید. ظرفیت نیروگاههای آبی را سریعاً – که از چند دقیقه تجاوز نمی‌کند – می‌توان در اختیار شبکه قرارداد، درحالی‌که این امر در مورد نیروگاههای حرارتی به مدت‌زمان بیشتری نیاز دارد.
۲-۸-۲-۱ مزایای نیروگاه آبی
وقتی نیروگاه آبی ساخته شود افراد کمی لازم است تا نیروگاه را فعال نگاه‌دارند. در مناطق دورافتاده نیروگاههای کوچک آبی قابل تأسیس می‌باشند. این نوع نیروگاه‌ها قابل‌استفاده و جایگزین شدن به‌جای نیروگاههای دیزل است (از قبل می‌دانیم نیروگاههای دیزل گران و برای محیط مخرب هستند.) توان خروجی نیروگاههای آبی قابل‌کنترل بود و در طول روز و یا سال قابل‌برنامه‌ریزی می‌باشند). سدها و نیروگاههای آبی بزرگ‌ترین منابع انرژی قابل بازیافت در دنیا هستند. نیروگاههای آبی انرژی مجانی در اختیار می‌گذارند. روی یک رودخانه به تعداد زیاد می‌توان سد بنا نمود. نیروگاههای آبی هیچ آلودگی یا اثر گلخانه‌ای ندارند.
۲-۸-۲-۲ مضرات نیروگاههای آبی
تأسیس نیروگاه آبی بسیار پرهزینه است، لذا کشورهای درحال‌توسعه به‌سختی می‌توانند هزینه آن را تهیه نمایند. نیروگاه آبی باعث تغییر ساختار محیط‌زیست می‌گردد که برخی از آن‌ها برای جاندارها خوشایند نیست. ]۹[
۲-۸-۲-۳ انرژی برق‌آبی در ایران
در سال ۱۳۹۰ ظرفیت نصب‌شده نیروگاههای برق‌آبی کشور ایران درمجموع حدود هشت هزار و ۲۰۰ مگاوات گزارش‌شده که سهمی معادل ۱۴ درصد ظرفیت نصب‌شده کل نیروگاههای کشور است و ۴۶ نیروگاه برق‌آبی با ۱۰۹ واحد نیروگاهی در مدار قرار دارند. راه‌اندازی اولین مولد برق در ایران با کاربرد عمومی حدود ۱۰۰ سال قبل برمی‌گردد ولی نخستین نیروگاه برق‌آبی به اوایل دهه ۴۰ برمی‌گردد. در این میان، نیروگاه دز که همچنان با تلاش متخصصان ایرانی همچنان در مدار بهره‌برداری قرار دارد یکی از اولین نیروگاههای برق‌آبی در کشور شناخته می‌شود. در استان خوزستان به دلیل داشتن پتانسیل بالای منابع آب و ضرورت بهره‌برداری بهینه از آن‌ها باعث شده اقدامات قابل‌توجهی درزمینه‌ی اجرای طرح‌های برق‌آبی صورت پذیرد به‌طوری‌که شاهد شش نیروگاه بزرگ در این استان هستیم و از سویی حدود ۸۵ درصد از کل پتانسیل برق‌آبی کشور است که در استان خوزستان قرار دارد.
شکل ۲-۳ (سد کارون در ایران)
رودخانه کارون پرآب‌ترین رودخانه ایران است که از سلسله جبال زاگرس سرچشمه می‌گیرد و در پایین‌دست بند انحرافی گتوند وارد دشت خوزستان می‌شود و درنهایت به خلیج‌فارس می‌پیوندد. در دهه‌های اخیر پتانسیل تولید برق این رودخانه موردتوجه واقع‌شده و اقدامات گسترده‌ای جهت بالفعل نمودن این توانائی صورت پذیرفته است. ازجمله این اقدامات احداث سری سدهای کارون جهت کنترل سیلاب‌های این رودخانه و تولید انرژی برق‌آبی از کیلومترهای ۳۷۷ تا ۷۴۷ رودخانه است.
نیروگاه برق‌آبی کارون دارای چهار واحد ۲۵۰ مگاواتی درمجموع ظرفیت تولید یک هزار مگاوات برق رادار است و در سال دو هزار و ۱۰۷ گیگاوات ساعت برق تولید می‌کند. با بهره‌برداری از سد کارون چهار هم‌اکنون تمام واحدهای این نیروگاه در مدار قرار دارند.
نیروگاه برق‌آبی کارون سه نیز به ظرفیت دو هزار و ۲۸۰ مگاوات جهت تولید سالیانه چهار هزار و ۱۷۲ گیگاوات ساعت انرژی برق و کنترل فرکانس و افزایش پایداری شبکه برق سرا سری مورد بهره‌برداری قرارگرفته است.
همچنین نیروگاه برق‌آبی کرخه دارای سه واحد ۱۳۳٫۳ مگاواتی است که در سال ۹۳۴ گیگاوات ساعت برق تولید می‌کند و نیروگاه مسجدسلیمان با چهار واحد برق‌آبی درمجموع یک هزار مگاوات ظرفیت دارد و در طرح توسعه آن چهار واحد ۲۵۰ مگاواتی دیگر احداث خواهد شد و هم‌اکنون بیش از سه هزار و ۷۰۰ گیگاوات ساعت برق تولید می‌کند.
نیروگاه برق‌آبی گتوند نیز در مرحله اول بهره‌برداری خود یک هزار مگاوات و در مرحله بعد یک هزار مگاوات دیگر و به‌طور متوسط سالیانه چهار هزار و ۲۵۰ گیگاوات ساعت انرژی تولید خواهد کرد.
همچنین نیروگاه برق‌آبی سیمره تولید ۸۵۰ گیگاوات ساعت در سال انرژی برق‌آبی به‌منظور کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای حدود ۵۴۰ هزار تن در سال احداث‌شده و دارای سه واحد ۱۶۰ مگاواتی است.
در این میان نیروگاه برق‌آبی رودبار لرستان تولید ۹۸۶ گیگاوات ساعت در سال انرژی برق‌آبی به‌منظور کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای به میزان حدود ۶۲۶ هزار تن در سال و کاهش هزینه استهلاک نیروگاههای حرارتی در حال مطالعه است و نیروگاه «خرسان سه» نیز باهدف تولید یک هزار و ۱۲۱ گیگاوات ساعت انرژی برق‌آبی در سال و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در حدود ۷۱۱ هزار تن در سال در دست اجرا قرار دارد.
همچنین نیروگاه برق‌آبی بختیاری با دارا بودن ظرفیتی معادل یک هزار و ۵۰۰ مگاوات تولید دو هزار و ۹۸۴ گیگاوات ساعت در سال انرژی برق‌آبی را خواهد داشت و موجب کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای به میزان یک‌میلیون و ۹۰۵ هزار به میزان در سال خواهد شد.
۲-۸-۳ مبحث دوم: انرژی بادی
تشعشعات دریافتی خورشید توسط زمین، موجب گرم شدن هوای اتمسفر شده و به همین دلیل هوا به سمت بالا حرکت می‌کند. شدت این گرمایش در استوا؛ جایی که خورشید عمود می‌تابد؛ بیشتر از هوای اطراف قطبین؛ جایی که زاویه تابش خورشید تند است؛ خواهد بود و هوای اطراف قطبین نسبت به هوای استوا کمتر گرم می‌گردد. دانسته هوا با افزایش دما کاهش پیداکرده و بنابراین هوای سبک‌تر استوا به سمت بالا حرکت کرده و در اطراف پخش می‌گردد. این عمل موجب افت فشار در این ناحیه گردیده و موجب می‌گردد هوای سرد از قطبین به سمت استوا جذب گردند. همچنین وقتی خورشید در طول روز می‌تابد، هوای روی سرزمین‌های خشک سریع‌تر از هوای روی دریاها و آب‌ها گرم می‌شود. هوای گرم روی خشکی بالا رفته و هوای خنک‌تر و سنگین‌تر روی آب جای آن را می‌گیرد که این فرآیند بادهای محلی را می‌سازد این به آن معناست که روز از سمت دریا به سمت ساحل باد می‌وزد. در شب، ازآنجاکه هوا روی خشکی سریع‌تر از هوای روی آب‌خنک می‌شود، جهت بادبر عکس می‌شود؛ بنابراین باد به علت گرادیان فشار به وجود آمده از تابش غیریکنواخت خورشید به سطح زمین به وجود می‌آید. امروزه از انرژی بادی جهت تولید الکتریسیته، پمپاژ آب از چاه‌ها و رودخانه‌ها، آرد کردن غلات، کوبیدن گندم، گرمایش خانه و مواردی نظیر این‌ها می‌توان استفاده نمود. استفاده رایج از انرژی بادی در توربین‌های بادی و به‌منظور تولید الکتریسیته بکار گرفته می‌شود.
شکل ۲-۴ (آسیاب بادی قدیمی در ایران)
۲-۸-۳-۱ استفاده از انرژی باد برای تولید برق
در اواخر قرن ۱۹ میلادی اولین آسیاب بادی برای تولید برق طراحی گردید. این آسیاب بادی در سال ۱۸۸۸ میلادی در کلیولند اوهایو توسط Charles F. Brush ساخته شد. روتور های این آسیاب بادی به قطر ۱۷ متر بوده که یک اهرم جانبی برای چرخاندن آن به سمت باد داشته است؛ و اولین آسیاب بادی بوده که گیربکسی با نسبت ۵۰:۱ و ژنراتور جریان مستقیم با RPM 500 داشته است. باوجود موفقیت نسبی این آسیاب بادی در مدت ۲۰ سال ولی محدودیت‌هایی در سرعت کم و استحکام بالای روتور برای تولید برق وجود داشت. میزان برق تولیدی این آسیاب بادی ۱۲ کیلوواتی با روتور ۱۷ متری در مقابل توربین‌های بادی مدرن با این قطر روتور و ظرفیت ۷۰ تا ۱۰۰ کیلوواتی بسیار ناچیز است. از این زمان بود که نام توربین‌های بادی جایگزین آسیاب‌های بادی شدند.
<table width=”۱۰۰%”>
<tbody>
<tr>
<td> </td>
</tr>
</tbody>
</table>
در سال ۱۸۹۱ میلادی فردی دانمارکی اولین سیستم بادی با پره‌های آیرودینامیکی را طراحی نمود و در بهترین برج آسیاب بادی به‌کار گرفت. سرعت بالاتر حرکت پره‌ها باعث تولید برق بیشتری گردید. با پایان جنگ جهانی دوم استفاده از سیستم‌های بادی ۲۵ کیلوواتی در سرتاسر دانمارک رواج پیدا کرد ولی قیمت ارزان‌تر سوخت‌های فسیلی در نیروگاههای بخاری باعث شد تا استفاده از این آسیاب‌های بادی از رونق بیفتد. اولین توربین‌های بادی کوچک برای تولید برق جریان مستقیم مورد استفاده قرار می‌گرفتند. این توربین‌ها توسط دو شرکت Parris-Dunn و Jacobs Wind-electric برای استفاده در مناطق روستایی ساخته می‌شدند. کاربرد اولیه این دستگاه‌ها برای روشنایی مزارع و شارژ باتری‌ها برای استفاده در رادیو به کار می‌رفته است. در سال ۱۹۲۲ توربین‌های محور عمودی savonius توسط مهندس فنلاندی اختراع گردید. این توربین‌ها با نیروی درگ کار می‌کردند و راندمان‌های آن‌ها پایین بوده است. در سال ۱۹۲۷ میلادی توربین‌های محور عمودی Darrieus طراحی گردید. در این توربین‌ها از نیروی لیفت به‌جای درگ استفاده می‌گردید و دو یا سه پره آئرودینامیکی به محور مرکزی متصل می‌شده است. راندمان این توربین‌ها نیز پایین است چراکه نیاز به‌سرعت بالای باد برای شروع به چرخش دارد. توربین‌های بادی با ظرفیت بیشتر برای اولین بار در سال ۱۹۳۱ در روسیه توسعه یافتند. به‌طوری‌که توربینی ۱۰۰ کیلوواتی در سواحل دریای خزر در طول ۲ سال در حدود ۲۰۰ هزار کیلووات ساعت برق تولید نمود. پس از آن نیروگاههای بادی در آمریکا، دانمارک، فرانسه، آلمان و انگلستان در طول سال‌های ۱۹۳۵ تا ۱۹۷۰ با توربین‌های بادی در مقیاس بزرگ راه‌اندازی شدند. در سال ۱۹۳۱ توربین‌های بادی Darrieus معروف به egg beate توسط مهندسی فرانسوی اختراع گردید. بزرگ‌ترین توربین بادی به ظرفیت ۱٫۲۵ مگاوات در سال ۱۹۴۱ در ورمونت نصب گردید. این توربین از نوع محور افقی و با ۲ پره با قطر ۱۷۵ فوت رو به باد ساخته شده بود. روتور آن از جنس فولاد ضدزنگ و به وزن ۱۶ تن بوده و سیستم کنترل آن روی ۲۸ دور در دقیقه تنظیم شده بود. در سال ۱۹۴۵ تنها بعد از چند صد ساعت کار مداوم یکی از پره‌ها شکست و علت آن فقط به‌خاطر فرسودگی و خوردگی فلز آن بوده است.
شکل ۲-۵ (مزرعه بادی)
و اما توربین‌های مدرن امروزی بیشتر از نوع محور افقی و با سه پره می‌باشند. پره‌های این توربین‌ها بسیار شبیه به بال هواپیما طراحی گردیده و از نیروی لیفت استفاده می‌کنند. میزان برق تولیدی آن‌ها به ظرفیت توربین و محل قرارگیری آن مربوط است. اکثر توربین‌های تجاری بین ۱ تا ۲٫۵ مگاوات می‌باشند. با توجه به شرایط وزش باد و میزان برق مصرفی خانوارها توربین‌های ۱ مگاواتی برق موردنیاز تقریباً ۵۰۰ خانه را تأمین می‌کنند.
۲-۸-۳-۲ پتانسیل انرژی بادی در ایران
جمهوری اسلامی ایران در بخش غربی فلات و در جنوب غرب آسیا واقع‌شده است. ایران با مساحت ۱۶۴۸۱۹۵ کیلومترمربع بین طول جغرافیایی شرقی ۴۴ تا ۹۹/۶۳ درجه و عرض شمالی ۲۵ تا ۹۹/۳۹ درجه قرارگرفته و بیش از نیمی از مساحت آن را نواحی کوهستانی پوشانده است. این کشور با تنوع آب و هوایی زیادی روبروست. نواحی شمالی ایران دارای آب‌وهوای معتدل و بارندگی قابل‌ملاحظه به‌ویژه در نواحی غربی استان گیلان است. آب و هوای نواحی غربی ایران در فصول سرد، سرد و مرطوب و در فصول گرم، خشک و معتدل است. در نواحی جنوبی، دمای هوا و رطوبت بیشتر است، تابستان‌های بسیار گرم و زمستان‌های معتدل از مشخصات آب و هوایی این ناحیه است و تغییرات روزانه دما کمتر محسوس است. نواحی شرقی و جنوب شرقی دارای آب‌وهوای بیابانی با تغییرات قابل‌ملاحظه دما در طول روز است. برای اینکه بتوان از منابع باد موجود جهت تولید برق استفاده نمود، وجود اطلاعات باد قابل‌اعتماد در خصوص پتانسیل باد منطقه موردنظر جهت احداث نیروگاه بادی ضروری است. در ایران با توجه به وجود مناطق بادخیز، بستر مناسبی جهت گسترش بهره‌برداری از توربین‌های بادی فراهم است. یکی از مهم‌ترین پروژه‌های انجام‌شده درزمینه ی انرژی بادی تهیه اطلس بادی کشور بوده است که پروژه مذکور در سازمان انرژیهای نو ایران صورت گرفته و به‌عنوان یکی از پروژه‌های ملی در صنعت انرژی باد محسوب می‌گردد. طبق اطلس بادی تهیه‌شده و بر اساس اطلاعات دریافتی از ۶۰ ایستگاه و در مناطق مختلف کشور، میزان ظرفیت اسمی سراچه‌ها در حدود ۶۰۰۰۰ مگاوات است. بر پایه پیش‌بینی‌های صورت گرفته، میزان انرژی قابل استحصال بادی کشور ازلحاظ اقتصادی بالغ‌بر ۱۸۰۰۰ مگاوات تخمین زده می‌شود که مؤید پتانسیل قابل‌توجه کشور درزمینه‌ی احداث نیروگاههای بادی و همچنین اقتصادی بودن سرمایه‌گذاری در صنعت انرژی بادی است. در انجام پروژه پتانسیل سنجی بادی در ایران شرکت لامایر آلمان نیز به‌عنوان مشاور همکاری داشته است و بر اساس مطالعات شرکت مذکور پتانسیل بادی قابل استحصال در کشور در حدود ۱۰۰ هزار مگاوات برآورد گردیده است. ]۱۰[
۲-۸-۴ مبحث سوم: انرژی خورشیدی
خورشید یک راکتور هسته‌ای طبیعی بسیار عظیم است. در یک چنین محیطی، شرایط برای همجوشی هسته‌ای مهیا می‌شود که ماده در آنجا براثر همجوشی هسته‌ای به انرژی تبدیل می‌شود و با ترکیب دوترویم و تریتیوم مقداری انرژی آزاد می‌شود. طبق آخرین برآوردهای رسمی اعلام‌شده عمر این انرژی بیش از ۱۴ میلیارد سال است. ۴ میلیون تن از جرم خورشید در هر ثانیه به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است این کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظیم انرژی تا میلیارد سال آینده به‌حساب آورد. انرژی ستاره خورشید یکی از منابع عمده انرژی در منظومه شمسی است. دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتی‌گراد است که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به‌صورت امواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می‌شود. خورشید از گازهایی نظیر هیدروژن ۷۳.۴۶ درصد، هلیوم ۲۴.۸۵ درصد و عناصر دیگر که می‌توان به اکسیژن، کربن، نئون و نیتروژن اشاره کرد، تشکیل شده است. گازها انفجارهای بزرگی را به وجود می‌آورند و پرتوهای قوی گرما و نور را تولید می‌کنند. این پرتوها از خورشید به‌سوی زمین می‌آیند در طول راه، یک‌سوم آن‌ها در فضا پخش می‌شوند و بقیه به‌صورت انرژی گرمائی و نور به زمین می‌رسند. زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و می‌دانیم که سرعت نور در حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه است. پس ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد. در این مسیر طولانی، مقدار زیادی از نور و گرمای خورشید از دست می‌رود، اما همان اندازه‌ای که به زمین می‌رسد، کافی است تا شرایط مناسبی برای زندگی ما و جانوران و گیاهان به وجود آید. بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید میزان کمی از کل انرژی تابشی آن است. سرمنشأ تمام اشکال مختلف انرژیهای شناخته‌شده موجود در کره زمین شامل سوخت‌های فسیلی ذخیره‌شده در زمین، انرژیهای بادی، آبشارها، امواج دریاها و غیره خورشید است. انرژی خورشید همانند سایر انرژی‌ها به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم می‌تواند به دیگر اشکال انرژی تبدیل شود، همانند گرما و الکتریسیته و… ولی موانعی شامل ضعف علمی و فنی در تبدیل به علت کمبود دانش و تجربه میدانی، متغیر و متناوب بودن مقدار انرژی به دلیل تغییرات جوی و فصول سال و جهت تابش و محدوده توزیع بسیار وسیع، موجب گردیده تا استفاده کمی از این انرژی انجام پذیرد. استفاده از منبع عظیم انرژی خورشید برای تولید انرژی الکتریسیته، گرمایش محوطه‌ها و ساختمان‌ها، خشک‌کردن تولیدات کشاورزی و تغییرات شیمیایی و… اخیراً شروع گردیده است. ]۱۱[
۲-۸-۴-۱ کاربردهای انرژی خورشید
کاربرد انرژی خورشیدی به قرن هفتم قبل از میلاد مسیح بازمی‌گردد. از انرژی خورشیدی برای گرمایش، پخت‌وپز، روشنایی و روشن نمودن آتش استفاده می‌کردند. یونانیان و رومیان باستان معماری‌هایی را برای استفاده از نور و گرمایش انرژی خورشیدی در داخل ساختمان خود داشته‌اند. در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم‌های مختلف استفاده می‌شود که عبارت‌اند از:
۱- استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی.
۲- تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته به‌وسیله تجهیزاتی به نام سلول‌های فتوولتاییک، یعنی فرآیندی که توسط آن انرژی نور خورشید به‌طور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می‌شود.
۲-۸-۴-۲ انرژی فتوولتاییک
انرژی فتوولتایک به تبدیل نور خورشید به الکتریسیته از طریق یک سلول فوتوولتاییک (pvs) گفته می‌شود که به‌طورمعمول توسط یک سلول خورشیدی انجام می‌پذیرد. سلول خورشیدی یک ابزار غیر مکانیکی است که معمولاً از آلیاژ سیلیکون تولید می‌شود. نور خورشید از فوتون‌ها یا ذرات انرژی خورشیدی تشکیل‌شده است. این فوتون‌ها که مقادیر متغیر انرژی را شامل می‌شوند، درست مشابه با طول موج‌های متفاوت طیف‌های نوری هستند. وقتی فوتون‌ها به یک سلول فوتوولتاییک برخورد می‌کنند، ممکن است منعکس شوند، مستقیم از میان آن عبور کنند و یا جذب شوند. فقط فوتون‌های جذب‌شده انرژی موردنیاز را برای تولید الکتریسیته فراهم می‌کنند. وقتی‌که نور خورشید کافی یا انرژی توسط جسم نیمه‌رسانا جذب شود، الکترون‌ها از اتم‌های جسم جدا می‌شوند (به دلیل اینکه آخرین الکترون یک اتم با گرفتن انرژی فوتون به لایه بالاتر رفته و می‌تواند از میدان پروتون خلاص شده و آزادانه در نیمه‌رسانا حرکت کند. (رفتار خاص سطح جسم در طول ساختن باعث می‌شود سطح جلویی سلول که برای الکترون‌های آزاد بیشتر پذیرش یابد. بنابراین الکترون‌ها به‌طور طبیعی به سطح مهاجرت می‌کنند. زمانی که را ترک می‌کنند، سوراخ‌هایی n الکترون‌ها موقعیت شکل می‌گیرد. تعداد الکترون‌ها زیاد بوده و هرکدام یک‌بار منفی را حمل می‌کنند و به‌طرف جلو سطح سلول پیش می‌روند، درنتیجه عدم توازن بار بین سلول‌های جلویی و سطوح عقبی، یک پتانسیل ولتاژ شبیه قطب‌های مثبت و منفی یک باطری ایجاد می‌شود. وقتی‌که دو سطح از میان یک‌راه داخلی مرتبط می‌شود، الکتریسیته جریانمی یابد. توان ایجادشده حدود ۱ یا ۲ وات است که برای بیشتر کاربردها این مقدار کافی نیست. برای اینکه بازده انرژی را افزایش دهیم، سلول‌ها به‌صورت سری و موازی به هم متصل می‌شوند.
شکل ۲-۶ (نیروگاه خورشیدی در ایران)
۲-۸-۴-۳ موارد استفاده از انرژی حرارتی خورشید
به‌طورکلی انرژی خورشیدی در دودسته اصلی کاربردهای نیروگاهی و کاربردهای غیر نیروگاهی، دسته‌بندی می‌شوند.
تأسیساتی که با استفاده از آن‌ها انرژی جذب‌شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می‌شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می‌شود. این تأسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده‌های موجود و برحسب اشکال هندسی متمرکز کننده‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند:
الف (نیروگاه‌هایی که گیرنده آن‌ها آینه‌های سهموی ناودانی هستند.
ب (نیروگاه‌هایی که گیرنده آن‌ها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه‌های بزرگی به نام هلیوستات به آن منعکس می‌شود. (دریافت‌کننده مرکزی(
ج (نیروگاه‌هایی که گیرنده آن‌ها بشقابی سهموی (دیش (است.
نیروگاههای خورشیدی وسایل و دستگاه‌هایی هستند که نور را به الکتریسیته تبدیل و برای استفاده در منازل، مکان‌های اداری، ساختمان‌ها، خیابان‌ها و غیره به کار می‌روند.
اصولاً نیروگاههای خورشیدی مرکب از تعدادی پانل خورشیدی یا ماژول فتوولتائیک، اینورتر، شارژ واپایشگر و مجموعه باتری است. اساس کار نیروگاههای خورشیدی به این صورت است که نور به پانل‌های خورشیدی می‌تابد و در اثر آن انرژی فوتون به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. جریان برق تولیدشده توسط پانل‌های خورشیدی مستقیم (DC) است که برای استفاده وسایل برقی معمول در منازل و نیاز روزمره بایستی مشابه برق شهر به جریان متناوب (AC) تبدیل شود. این کار توسط دستگاهی به نام اینورتر انجام می‌گیرد. وظیفه باتری‌ها در نیروگاههای خورشیدی ذخیره برق برای زمان‌هایی است که نور خورشید اصلاً وجود ندارد و یا شدت آن کافی نیست. اصولاً ظرفیت مجموعه باتری به میزان برق ذخیره مورد درخواست مشتری قابل‌محاسبه و تهیه است. نیروگاههای خورشیدی نیز مانند سایر نیروگاههای دیگر امکان اتصال به شبکه (On-Grid) و یا منفصل از شبکه (Off-Grid) را دارند.
میزان تابش خورشید در ایران بین ۱۸۰۰ الی ۲۲۰۰ کیلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمین زده می‌شود بعلاوه ایران به‌طور متوسط ۲۸۰ روز آفتابی دارد که به لحاظ دریافت انرژی خورشید در بالاترین رده‌های جهانی قرار دارد. استفاده از انرژی رایگان خورشید و به‌کارگیری آن در نیروگاههای خورشیدی برای تأمین برق پاک امروزه در سراسر جهان و به‌ویژه ایران در حال گسترش و بهره‌برداری است.
۲-۸-۴-۴ انواع نیروگاههای خورشیدی
نیروگاههای خورشیدى داراى انواع گوناگون و تفکیک‌پذیر هستند: نیروگاه‌هایی که مستقیم با دریافت انرژى خورشید آن را به انرژى الکتریکى تبدیل مى‌کنند و نیروگاه‌هایی که پس از دریافت انرژى خورشید آن را به گرما و پس از گذشت یک‌روند خاص، به الکتریسیته تبدیل مى‌کند. سیستم‌هایی که از انرژى خورشید بهره مى‌برند، شامل سیستم فتوولتایى (PV) و سیستم‌های گرماشیمیایی، تولید هیدروژن از انرژى خورشید است. در سیستم فتوولتایى که در اصل براى کاربردهاى فضایى ابداع و تکمیل‌شده بودند، انرژى نورى را مستقیم به انرژى الکتریکى تبدیل مى‌کنند.
این فناورى بر اساس این نظریه «اثر فوتوالکتریک» انیشتین شکل‌گرفته که نور سبب مى‌شود الکترون‌ها از هم جدا شوند. توسعه PV براى کاربردهاى زمینى در هنگام نخستین بحران نفت در دو زمینه بسیار متفاوت آغاز شد:
<u>یکى</u> درزمینه ی فناوری‌های تمرکزى است که در آن کاهش هزینه‌ها با استفاده از جانشینى سطح PV به‌وسیله سطح عدسى صورت مى‌گیرد و <u>دیگرى</u> براى کاهش هزینه‌هاى مدوله‌ای PV با استفاده از ساخت صنعتى با حجم زیاد است. در سیستم‌های گرماشیمیایی و نورشیمیایى نیز از انرژى خورشید براى القاى واکنش‌های شیمیایى استفاده مى‌کنند تا کیفیت محصولات موجود را افزایش دهند یا محصولات کاملاً جدیدى را بسازند. گرماشیمیایی به استفاده از گرما براى رانش واکنش‌ها اطلاق می‌شود و نورشیمیایی به استفاده مستقیم فوتون‌ها مانند بخش ماوراى بنفش طیف خورشید اطلاق مى‌شود. تولید هیدروژن از انرژى خورشید نیز به توجه ویژه نیاز دارد، زیرا هیدروژن سوخت تمام‌نشدنی و سازگار با محیط است. ]۹[
شکل ۲-۷ (پانل‌های خورشیدی متشکل از سلول‌های فتوولتائیک)
۲-۸-۴-۵ کاربردهای سلول‌های خورشیدی
- تأمین نیروی حرکتی ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی
- تأمین انرژی لازم دستگاه‌هایی که نیاز به ولتاژهای کمتری دارند مثل ماشین‌حساب و ساعت
- تهیه برق شهر توسط نیروگاههای فتوولتائیک
- تأمین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایق‌های کوچک ]۹[
۲-۸-۵ مبحث چهارم: انرژی زمین‌گرمایی
در حقیقت زمین منبع عظیمی از انرژی حرارتی است .هرچه به اعماق زمین نزدیک‌تر می‌شویم حرارت آن افزایش می‌یابد. به‌طوری‌که این حرارت در هسته زمین به بیش از پنج هزار درجه سلسیوس می‌رسد. درجه حرارت داخل زمین به ازای هر ۱۰۰ متر عمق حدود ۳ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد. افزایش دمای زمین متناسب با افزایش عمق آن، همچنین وجود آتش‌فشان‌ها، آبفشان‌ها، چشمه‌های داغ و غیره، نشانه‌های ملموس و آشکاری از وجود گرما در داخل زمین هستند انرژی ژئوترمال یا به عبارتی انرژی زمین‌گرمایی، حرارت استحصال‌شده از زمین است که در داخل زمین براثر تجزیه رادیو ایزوتوپ‌ها عناصر ناپایدار مانند اورانیوم، توریوم، پتاسیم و غیره به‌وجود می‌آید. ]۱۲[
شکل ۲-۸ (دمای زمین در عمق‌های مختلف)
۲-۸-۵-۱ انواع منابع زمین‌گرمایی
۱) منابع آب داغ (سیستم‌های هیدروترمال)
منابع آبی هستند که در زیرزمین داغ می‌شوند و سپس به سطح زمین انتقال پیدا می‌کنند که در میان انواع منابع زمین‌گرمایی این منابع امروزه دارای بیشترین استفاده هستند. این نوع منابع زمین‌گرمایی خود به سه گروه ذیل تقسیم‌بندی می‌شوند. ]۱۳[
الف- دسته اول: مخازن دما بالا با دمای بالاتر از ºC150 که مناسب برای تولید برق با فن‌های معمولی
ب- دسته دوم: مخازن با دمای بین ۱۰۰ الی ºC150 که مناسب برای تولید برق با فن‌های پیشرفته‌تر باینری
ج- دسته سوم: مخازن دما پائین با دمای کمتر از ºC100 و مناسب برای کاربردهای مستقیم
۲) منابع بخار خشک
منابعی با درجه حرارت بسیار بالا هستند که از آن‌ها بخار خشک و یا آمیزه‌ای از بخار و آب با درجه حرارت بسیار بالا استحصال می‌شود که به جهت تولید برق این منابع دارای بهترین‌ترین شرایط هستند، اما متأسفانه این منابع در مناطق محدودی یافت می‌شوند.
۳) منابع تحت فشار:
منابع عظیمی هستند که از آب‌شور (brine) تشکیل یافته‌اند و ازنظر شرایط کلی به درجه اشباع رسیده‌اند و در لایه‌های میان صخره‌های اعماق زمین به‌صورت محبوس وجود دارند. این منابع عمدتاً حاوی گاز متان محلول هستند و در عمق ۳ تا ۶ کیلومتری از سطح زمین یافت می‌شوند و درجه حرارت آن‌ها بین ۹۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد تخمین زده می‌شوند.
۴) تخته‌سنگ‌های خشک داغ:
تخته‌سنگ‌های بسیار عظیم با منبع آتش‌فشانی هستند که در اعماق زمین وجود داشته و درجه حرارت بسیار بالا و فیزیک سخت دارند. به سیستم‌های بهره‌برداری از این منابع سیستم‌های زمین‌گرمایی توسعه‌یافته (Enhanced Geothermal Systems) و به‌اختصار EGS گفته می‌شود. ازآنجاکه در همه جای کره زمین در اعماق گرما با شدت‌های مختلف وجود دارد و تنها محدودیت موجود عدم وجود منابع آب است لذا با کمک این سیستم می‌توان رشد قابل‌توجهی را در توسعه انرژی زمین گرمائی برقرار کرد.
۵) مواد مذاب:
این منابع که به نام گدازه‌ها می‌شناسیم درواقع مطلوب ترین حالت ممکن برای منابع زمین‌گرمایی بوده که درجه حرارت آن بین ۷۰۰ تا ۲ هزار درجه سانتی‌گراد است. با توجه به درجه حرارت بالای این مخازن و محدودیت‌های فنی موجود، امروزه از این منابع عظیم استفاده نمی‌شود. ]۱۳[
شکل ۲-۹ (اولین استفاده از انرژی زمین‌گرمایی به کشور ایتالیا بازمی‌گردد. در سال ۱۹۰۴ میلادی)
۲-۸-۵-۲ کاربردهای انرژی زمین‌گرمایی
انرژی ژئوترمال به‌صورت مستقیم و غیرمستقیم مورداستفاده قرار می‌گیرد که بستگی به دمای منابع ژئوترمال دارد.
موارد عمده استفاده مستقیم از انرژی زمین‌گرمایی: ]۱۴[
کاربردهای حرارتی مستقیم، یکی از قدیمی‌ترین، متنوع‌ترین و متداول‌ترین روش‌های بهره‌برداری از انرژی ژئوترمال به شمار می‌رود. گرمایش محیطی و منطقه‌ای، کاربردهای کشاورزی و آبزی‌پروری جزء شناخته‌شده‌ترین و فراگیرترین روش‌های بهره‌برداری به شمار می‌روند. سیستم‌های گرمایش منطقه‌ای ژئوترمال نیازمند سرمایه‌گذاری‌های هنگفت می‌باشند. در حال حاضر از انرژی زمین‌گرمایی در بسیاری از نقاط جهان و به‌صورت های مختلف، در سطح وسیعی استفاده می‌شود. محققین، همزمان با به‌کارگیری فنّاوری‌های قدیمی تأمین انرژی، شیوه‌های جدید تأمین انرژی را نیز به تکامل رسانیده‌اند. در آینده نیز تلاش برای توسعه آن، هم در زمینه ی کشف منابع انرژی و هم درزمینه ی انتقال فناوری امری اساسی تلقی می‌شود. شکل زیر مناطقی از زمین را که دارای پتانسیل زمین‌گرمایی می‌باشند، نشان می‌دهد. این نواحی، منطبق بر مناطق آتش‌فشانی و زلزله‌خیز جهان هستند. ]۱۵[
<table width=”۱۰۰%”>
<tbody>
<tr>
<td> </td>
</tr>
</tbody>
</table>
شکل ۲-۱۰ (اطلس انرژی ژئوترمال)
۲-۸-۵-۳ نیروگاه زمین‌گرمایی
یکی از انواع نیروگاههای انرژیهای تجدید پذیر، نیروگاه زمین‌گرمایی است. اگر این نوع نیروگاه‌ها را با سایر نیروگاههای انرژیهای نو مقایسه کنیم، مشاهده می‌کنیم که نیروگاههای زمین‌گرمایی به دلیل بالا بودن ضریب دسترسی حدود ۸۵ درصد زمان در سال از اهمیت قابل‌توجهی در جهان برخوردارند و از این نوع نیروگاه‌ها می‌توان به‌عنوان تأمین‌کننده بار پایه شبکه، استفاده نمود. یکی از انواع دسته‌بندی نیروگاههای زمین‌گرمایی، بدین‌صورت است که بر اساس نوع سیال خروجی از چاه‌های تولیدی و نیز تجهیزات مورداستفاده در سیکل نیروگاه، آن‌ها را دسته‌بندی می‌نمایند. بر این اساس نیروگاههای زمین‌گرمایی به سه دسته تقسیم می‌شوند که عبارت‌اند از:
۱) نیروگاه هایی که سیال خروجی از چاه، بخار باشد.
۲) نیروگاه‌هایی که سیال خروجی از چاه، بخار و مایع داغ باشد.
۳) نیروگاه‌هایی که سیال خروجی از چاه، مایع داغ باشد.
همان‌گونه که ذکر شد این نوع دسته‌بندی بر اساس سیال خروجی از چاه تقسیم‌بندی شده و هر نوع از نیروگاههای مذکور بر اساس تجهیزات در نظر گرفته‌شده در سیکل نیروگاه با نیروگاههای دیگر متفاوت می‌باشند. ]۱۶[
شکل ۲-۱۱ (یک نمونه نیروگاه زمین‌گرمایی)
۲-۸-۶ هیدروژن، گزینه مطرح به‌عنوان حامل جدید انرژی
هیدروژن یکی از عناصری است که در سطح زمین به‌وفور یافت می‌شود. این عنصر در طبیعت به‌صورت خالص وجود ندارد ولی آن را می‌توان به روش‌های مختلف از سایر عناصر به دست آورد. هیدروژن عمده‌ترین گزینه مطرح به‌عنوان حامل جدید انرژی است. این ماده در مقایسه با سایر سوخت‌ها می‌تواند با راندمانی بالاتر و احتراق بسیار پاک به سایر اشکال انرژی تبدیل شود. هیدروژن را می‌توان با استفاده از انواع منابع انرژی اولیه تولید کرد و در تمام موارد و کاربردهای سوخت‌های فسیلی مورد استفاده قرار داد. هیدروژن به‌ویژه منابع تجدیدپذیر انرژی را تکمیل می‌کند و آن‌ها را در هر محل و هر زمان، به‌صورت مناسبی در دسترس قرار داده و در اختیار مصرف‌کننده می‌گذارد. سیستم انرژی هیدروژنی به دلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دائمی، پایدار، فناناپذیر، فراگیر و تجدیدپذیر است. از این‌رو پیش‌بینی می‌شود که در آینده‌ای نه‌چندان دور، تولید و مصرف هیدروژن به‌عنوان حامل انرژی به سراسر اقتصاد جهانی سرایت کند و اقتصاد هیدروژن تثبیت شود.
تقریباً همه منابع انرژی تجدیدپذیر به‌صورت تناوبی در دسترس هستند و به‌خودی خود قابل حمل یا ذخیره‌سازی نیستند و به‌همین دلیل نمی‌توانند به‌صورت سوخت به‌ویژه در حمل‌ونقل مورد استفاده قرار گیرند. سوخت‌های پاک دارای خواص فیزیکی و شیمیایی هستند که آن‌ها را پاک‌تر از بنزین با ساختار و ترکیب فعلی در عمل احتراق می‌نمایند. این سوخت‌ها در حین احتراق مواد آلاینده کمتری تولید می‌کنند، در ضمن استفاده از این سوخت‌ها شدت افزایش و انباشته شدن دی‌اکسید کربن که موجب گرم شدن زمین می‌گردد را نیز کاهش می‌دهد. هیدروژن به‌عنوان یک سوخت پاک می‌تواند جایگزین مناسبی برای سایر سوخت‌های متداول گردد و در آینده به‌عنوان یک حامل انرژی مطرح گردد. فراوانی سهولت تولید از آب، مصرف تقریباً منحصربه‌فرد و سودمندی زیست‌محیطی ذاتی هیدروژن ازجمله ویژگی‌هایی است که آن را در مقایسه با سایر گزینه‌های مطرح سوختی متمایز می‌کند. هیدروژن را می‌توان با استفاده از انواع منابع انرژی اولیه تولید کرد و در تمام موارد و کاربردهای سوخت‌های فسیلی مورداستفاده قرارداد. هیدروژن به‌ویژه منابع تجدید پذیر انرژی را تکمیل می‌کند و آن‌ها را در هر محل و هر زمان، به‌صورت مناسبی در دسترس قرار داده و در اختیار مصرف‌کننده می‌گذارد. سیستم انرژی هیدروژنی به دلیل استقلال از منابع اولیه انرژی، سیستمی دائمی، پایدار، فناناپذیر، فراگیر و تجدید پذیر است. ازاین‌رو پیش‌بینی می‌شود که در آینده‌ای نه‌چندان دور، تولید و مصرف هیدروژن به‌عنوان حامل انرژی به سراسر اقتصاد جهانی سرایت کرده و اقتصاد هیدروژن تثبیت شود. معرفی سوخت‌های جایگزین و مطالعه در خصوص امکان استفاده و بهره‌برداری از آن‌ها با توجه به ملاحظات فنی- اقتصادی و منابع گسترده موجود در ایران، همچنین به دلیل روند رو به رشد مصرف سوخت‌های مایع هیدروکربنی در کشور که هرساله موجب ضرر و زیان هنگفت به بودجه عمومی و محیط‌زیست کشور می‌شود، از اهمیت قابل‌توجهی برخوردار گردیده است. ]۱۸[