مباني و مفاهيم بنياني انرژي

 

تعريف انرژي

در ادبیات فنی فارسی تعریف خاصی از انرژی تحت عنوان «انرژی توانایی انجام کار است» ارائه شده و در سطح جامعه رایج است. این تعریف از دقت کافی برخوردار نیست و کار تنها شکل مشخصی از انرژی است.

لذا شکل خاصی از انرژی نمی تواند جامعیت انرژی را منعکس سازد. تعریف دقیق انرژی توسط ماکس پلانک ارائه شده و آن عبارت است از: «انرژی استعداد تاثیر گذاری خارجی  یک سیستم است.»

هرگونه سیستمی و هر شیئی دارای مقدار معینی انرژی است ولی مهم اشکال متنوع و مختلف تظاهر انرژی است که بصورت جرم، نور، حرکت و غیره بروز پیدا می کند. مقدار معینی انرژی ممکن است دارای ارزش و کیفیت متفاوت باشد.

 

1-2- اشكال انرژي

تمام اشكال انرژي در دسترس را مي توان به عنوان انرژي ذخيره شده يا انرژي گذرا دسته بندي كرد. مثالهاي انرژي ذخيره شده عبارتند از : انرژي شيميايي سوختهاي فسيلي، انرژي داخلي يك ماده، انرژي پتانسيل مربوط به موقعيت يك جرم در يك ميدان نيرو، از قبيل ميدان گرانش زمين يا يك ميدان الكترواستاتيكي. انرژي گذرا، انرژي انتقال يافته بين يك سيستم و محيط آن است. حرارت و كار به عنوان انرژيهاي گذرا در مورد تبديل انرژي حرارتي به شمار مي روند.

 

انرژي در اشكال مختلفي ظاهر مي شود :

-        انرژي تشعشع الكترومغناطيسي

-        انرژي شيميايي ( انرژي واكنش شيميايي)

-        انرژي هسته اي ( انرژي اتصال هسته)

-        انرژي مكانيكي ( انرژي پتانسيل، انرژي جنبشي، كار)

-        انرژي داخلي

-        انرژي حرارتي (گرما)

-        انرژي الكتريكي

 

هر شكلي از انرژي مي تواند به هر شكل ديگري از آن تبديل شود.و حوزه تبديل انرژي مي تواند كامل يا جزئي باشد. انرژي مكانيكي، شيميايي و الكتريكي مي تواند به طور كامل به انرژي حرارتي تبديل شود( گرما) در حالي كه تبديل حرارت به انرژي مكانيكي فقط به صورت جزئي است و در يك سيستم تبديل مثل يك توربين يا موتور احتراق داخلي با استفاده از يك سيال عامل ( گاز، بخار) و با تغيير چرخه اي حالت آن اتفاق مي افتد. راندمان اين تبديل انرژي بستگي به تفاوت دما بين سيال عامل سيستم و محيط آن دارد. راندمانهاي معمول در نيروگاههاي زغال سنگي % 44- 38 و در موتورهاي احتراق داخلي و توربينهاي گازي  %32 تا %40 است.

در توليد، تبديل و به كارگيري انرژي، از واژه هايي چون منابع انرژي متداول و غير متداول، انرژي اوليه و ثانويه و انرژي آماده، و انرژي مفيد استفاده مي شود. منابع انرژي متداول عبارتند از: سوختهاي فسيلي (زغال سنگ، لينيت، تورب  ( زغال سنگ نارس)، سوخت نفتي، گاز طبيعي، و چوب) و همچنين انواع سوخت توليدي مصنوعي از قبيل گاز زغال سنگ، گاز مايع، كك، چار و نيز مواد زائد قابل احتراق . منابع انرژي قابل احيا ( كه همچنين غير متداول  و جايگزين ناميده  مي شوند) عبارت هستند از انرژي خورشيدي، باد، آب، حرارت مربوط به زمين، موج و جزر و مد و انرژي مربوط به جسم زنده. يك منبع انرژي قبل از تبديل، انرژي اوليه ناميده مي شود. انرژي خورشيدي و انرژي شيميايي سوختهاي فسيلي مثالي از اين نوع هستند. اشكال انرژي حاصله از تبديل انرژي اوليه، انواع انرژي ثانويه را تشكيل مي دهند.اين نوع انرژيها انرژي الكتريكي، كار، و انرژي حرارتي براي گرم كردن، پختن و خنك كردن هستند. براي محاسبه مقدار انرژي ثانويه بدست آمده از مقدار معيني انرژي اوليه، بازده تبديل يك دستگاه مبدل مثل توربين بخار يا گاز در يك ايستگاه قدرت و يا يك موتور احتراق داخلي مورد استفاده قرار مي گيرد. انرژي مفيد، انرژي فراهم شده جهت استفاده كننده است. مقدار اين انرژي در يك كاربرد به خصوص برابر با انرژي  ثانويه منهاي انرژي اتلافي در سيستمهاي توزيع و جابه جايي انرژي است. انرژي لازم براي منظور خاصي مثل استفاده در وسايط نقليه، موتورها، روشنايي، گرمايش، سرمايش، پختن يا فرآيندهاي تكنولوژي صنعتي، انرژي مفيد ناميده مي شود.

واحد اصلي انرژي، ژول است:

براي مقادير بزرگ انرژي، واحد هاي زير مورد استفاده قرار مي گيرد:

 

انرژي ( به خصوص انرژي الكتريكي) همچنين بر حسب كيلووات ساعت (KWh ) اندازه گيري مي شود. اين واحد  انرژي به صورت زير به يكديگر مربوط مي شود:

1 Kwh=3.6MJ   ,   1 MJ = 0.278 KWh

 

در گزارشهاي آماري به منظور مقايسه انواع مختلف سوخت  انرژي دو مقدار معادل انرژي مي تواند استفاده شود: معادل زغال سنگ و معادل روغن معدني، بنابراين يك تن معادل زغال سنگ و يك تن معادل روغن معدني است. براي مقادير زياد انرژي ( سوخت )، يك ميليون تن معادل روغن استفاده مي شود:

شرح مختصري از اشكال مختلف انرژي در ادامه آمده است.

 

انرژي تابشي الكترومغناطيسي

تمام طيف تشعشع الكترومغناطيس شامل تشعشعg )محدوده طول موج m     ^11-10 £  l) اشعه ايكس (m ^8-10£ l ) تشعشع خورشيدي و حرارتي             (m^4-10£ l) راديو، تلويزيون و موجهاي رادار(m ^2-10£ l ) است.

 

انرژي خورشيدي

انرژي خورشيدي، انرژي الكترومغناطيس با محدوده طول موج 25/0 تا          است. طيف خورشيدي شامل تشعشع ماوراي بنفش، نور مرئي و تشعشع نزديك مادون قرمز است.

كميّت انرژي حامل در يك فوتون نور (تشعشع خورشيدي) توسط رابطه زير داده مي شود:

(1-1)                                                                                    

كه در آن h  ثابت پلانك(Js 10³⁴ × 626/6 )، v فركانس موج بر حسب ، c سرعت نور) m/s 10⁸ × 998/2( و l طول موج بر حسب متر (m) است.

انرژي يك فوتون با طول موج كوتاهتر (به عنوان مثال در محدوده تشعشع ماوراي بنفش) بيشتر از طول موج بلندتر(در محدوده تشعشع نزديك مادون قرمز) است.

قدرت پخش كلي خورشيدkW 10²³ × 4 فقط كسر كوچكي از شار انرژي خورشيدي در زاويه راس 53/0 به زمين مي رسد. در صورتي كه شار انرژي خورشيدي كه به سطح زمين مي رسد خيلي بزرگ است ) kWh 10¹⁸ × 03/1( و از مصرف سالانه انرژي اوليه در دنيا به اندازه حدود 13000 برابر بيشتر        مي باشد.

خورشيد غني ترين منبع نا محدود انرژي بدون آلودگي است ولي مشكل بودن استفاده انرژي خورشيدي به دليل شدت نسبتاً پايين آن و مشخصه آماري تشعشع خورشيدي برخوردي است كه شديداً متاثر از فصل و چرخه روز و شب و ابري بودن آسمان است. اين خصوصيات انرژي خورشيدي برخوردي توسط اندازه سيستمهاي خورشيدي جبران مي شود. بنابراين جمع كننده هاي خورشيدي بايد به اندازه كافي بزرگ باشند تا كميتي از انرژي خورشيدي را جذب كنند كه نه تنها براي مصارف جاري كافي باشد، بلكه به مصرف مواقع با تشعشع كم خورشيد و در شب نيز برسد. اين مقدار اضافي انرژي خورشيدي ذخيره مي شود. عملاً در تمام واحدهاي صنعتي خورشيدي براي تضمين تغذيه انرژي يك سيستم انرژي اضافي (پشتيبان) مورد استفاده قرار مي گيرد. يك متر مربع از مساحت سطح جمع كننده انرژي در محلي با شار خورشيدي ساليانه در حدود   1200مي تواند در حدود KWh 500 گرماي مفيد را با دماي سيال انتقال دهنده گرما برابر با °C60-45 فراهم آورد. براي گرم كردن آب مصرفي خانگي در يك خانواده چهار نفري، يك صفحه تخت جمع كننده به مساحتm² 6-4 و تانك آب گرم با ظرفيت 300-200 ليتر لازم است. مخارج كلي يك چنين واحد صنعتي در آلمان حدود 7000 دلار مي شود. زمان استهلاك اين سيستم بين 12 تا 15 سال است.