خانه
گاما

درسنامه آموزشی دانش فنی پایه کلاس دهم الکترونیک

پودمان 4: کار و توان الکتریکی

بازدید10/2 K
تاریخ بروزرسانی1400/05/21

واحد یادگیری 11: انرژی و توان

کار الکتریکی

هرگاه جسمی حرکت کند یا تغییر حالت دهد می‌گوییم کار انجام شده است. در الکتریسیته، اگر اختلاف پتانسیل $V$ ولت در دوسر یک هادی قرار گیرد به‌طوری که $q$ کولن بار از آن عبور کند، کاری معادل $W$ ژول انجام می‌شود. کارالکتریکی از رابطه زیر قابل محاسبه است:

$V = \frac{W}{q}$
$W = V \times q$

$V$ اختلاف پتانسیل بر حسب ولت
$q$ مقدار بار‌الکتریکی جابه‌جا شده بر حسب کولن
$W$ کار انجام شده بر حسب وات‌ثانیه یا ژول

در رابطه $W$ اگر به‌جای مقادیر $q$ و $V$ عدد یک (واحد) قرار داده شود، تعریف واحد یعنی یک ژول به دست می‌آید. رابطه فوق یک رابطه کلی برای کار الکتریکی است که کمتر در مدارهای الکتریکی کاربرد دارد زیرا در مدارهای الکتریکی معمولاً با کمیت‌های $V$ و $I$ سروکار داریم. به همین دلیل برای به دست آوردن رابطه کار برحسب $V$ و $I$ یک‌بار به‌جای $q$ و یک‌بار به‌جای $V$ معادل آنها را قرار می‌دهیم.

$q = I \times t \to W = V \times I \times t$
$V = R \times I \to W = (R \times I)(I \times t)$
$W = R \times {I^2} \times t$

در این رابطه واحدهای کمیت‌ها به‌صورت زیر قرارداده می‌شود:

ثانیه $ \times $ آمپر $ \times $ ولت $ = $ ژول
$J = V \times A \times S$

توان الکتریکی (Electrical Power)

مقدار کار انجام‌شده در واحد زمان را «توان» یا «قدرت» می‌گویند. توان را از رابطه زیر می‌توان به دست آورد:

$P = \frac{W}{t}$

$W$ کار انجام شده بر حسب وات‌ثانیه یا ژول $(j)$
$t$ مدت زمان انجام کار برحسب ثانیه $(s)$
$P$ توان (قدرت) برحسب ژول برثانیه $(J/s)$ یا وات $(W)$

واحد توان الکتریکی

اگر با اختلاف پتانسیل 1 ولت، شدت جریانی معادل 1 آمپر در مدار برقرار شود، توان مصرف‌شده در مدار برابر با 1 وات است. واحد توان به احترام جیمزوات برحسب وات $(W)$ نام‌گذاری شده‌است. در صنعت از واحدهای کوچک‌تر و بزرگ‌تر، میکرووات، میلی‌وات، کیلووات و مگاوات نیز استفاده می‌شود.

توان الکتریکی را با واحد دیگری به نام «اسب‌بخار» (horse power =hp) نیز بیان می‌کنند. این واحد در سیستم انگلیسی و آمریکایی به‌صورت زیر تعریف شده است.

$1hP = 736w$ (یک اسب‌بخار در سیستم انگلیسی)
$1hP = 746w$(یک اسب‌بخار در سیستم امریکایی)

پژوهش (صفحه 108 کتاب درسی)

 

درمورد اسب‌بخار پژوهش کنید و بررسی نمایید، چرا این واژه وارد مبحث الکتریسیته شده است.

در انتخاب مصرف‌کننده‌های الکتریکی برای انجام کاری مشخص می‌بایست به توان نوشته شده روی بدنه آنها توجه خاص شود. به عنوان مثال هرگاه هدف تأمین روشنایی یک اتاق باشد باید با توجه به ابعاد و رنگ اتاق، لامپی را انتخاب کرد که توان نوشته شده روی حباب آن مناسب باشد.

اگر هدف انتخاب کولر برای ایجاد هوای خنک در یک فضای بسته باشد، باید ابعاد و توان الکتریکی موتوری که در کولر به‌کار رفته است مورد توجه قرار گیرد. با توجه به مقدار توان و ولتاژ کار هر وسیلِه الکتریکی می‌توان سایر مشخصات آن، مانند مقاومت $(R)$ و جریان $(I)$ آن را حساب کرد.

معادلات توان

رابطه توان الکتریکی $(P = U.I)$ را پس از ترکیب با روابط قانون اهم به شکل‌های دیگر نیز می‌توان نوشت.

$P = U \times I$
$U = RI \to P = RI \times I \to P = R{I^2}$
$I = \frac{U}{R} \to P = U \times \frac{U}{R} \to P\frac{{{U^2}}}{R}$

تمرین (صفحه 109 کتاب درسی)

 

در مدار شکل 2-11 مقدار شدت جریان و توان مصرفی مقاومت را محاسبه کنید.

شکل 2-11 مدار تمرین

تمرین (صفحه 109 کتاب درسی)

 

شدت جریان و توان‌مصرفی اتوی برقی شکل 3-11 را محاسبه کنید.

شکل 3-11 مدار تمرین

تمرین (صعحه 109 کتاب درسی)

 

ولتاژ منبع و توان مصرفی مقاومت 2 اهمی مدار شکل 4-11 را محاسبه کنید.

شکل 4-11 مدار تمرین

 

توان مصرفی کل یک مدار الکتریکی که از چند جزء تشکیل شده است از حاصل جمع توان‌های تک‌تک عناصر مدار به دست می‌آید.

${P_t} = {P_1} + {P_2} + {P_3}....... + {P_n}$

برای محاسبه توان هریک از عناصر، لازم است دو کمیت از سه کمیت $I$ و $V$ و $R$ معلوم باشد تا به‌توان یکی از روابط $P$ را به‌کاربرد. در صورتی‌که مقادیر دو کمیت از کمیت‌های $V$ و $I$ و $R$ مدار معلوم باشد، توان کل مصرفی در یک مدار را از روابط زیر می‌توان محاسبه کرد:

${P_t} = \frac{{V{t^2}}}{{Rt}}$
${P_t} = {V_t}.{I_t}$
${P_t} = {R_t}.I{t^2}$

تمرین (صفحه 110 کتاب درسی)

 

توان مصرفی هریک از مقاومت‌ها و توان کل مدار شکل 7-11 را محاسبه کنید.

شکل 7-11 مدار تمرین

تمرین (صفحه 110 کتاب درسی)

 

در مدار شکل 8-11 مطلوب است:
الف- توان هریک از مقاومت‌ها
ب- توان کل مدار

شکل 8-11 مدار تمرین

تمرین (صفحه 111 کتاب درسی)

 

توان مصرفی کل شبکه در شکل 9-11 در دو حالت الف و ب چقدر است؟ در صورتی که ${R_1} = {R_2} = {R_3}$ باشد.

شکل 9-11 شکل مدار تمرین

الف- کلید ${\rm K}$ باز است.
ب- کلید ${\rm K}$ بسته است.

تمرین (صفحه 111 کتاب درسی)

 

برای تغذیه لامپ‌های مشابه شکل 10-11 که به‌طور موازی بسته شده‌اند، چه توانی از منبع به لامپ‌ها منتقل می‌شود؟

شکل 10-11

تمرین (صفحه 111 کتاب درسی)

 

دو مقاومت $30{\rm K}\Omega /2W$ را به‌صورت سری به منبع تغذیه $300V/10mA$ وصل می‌کنیم. توان مصرفی هر مقاومت و توان تولید شده توسط منبع تغذیه را حساب کنید.

تمرین (صفحه 111 کتاب درسی)

 

روی لامپی مقادیر $220V$ و $300W$ به چشم می‌خورد. شدت جریان و مقاومت آن‌را محاسبه کنید. در صورت کاهش ولتاژ به میزان 180 ولت، شدت جریان و توان مصرفی توسط لامپ چقدر می‌شود؟

ضریب بهره (راندمان الکتریکی)

طبق اصل «بقای انرژی» انرژی هیچ‌گاه از بین نمی‌رود و فقط از نوعی به نوع دیگر تبدیل می‌شود. در هنگام تبدیل انرژی‌ها به یکدیگر، مقداری از انرژی به مصرف مفید نمی‌رسد و به نوعی دیگر از انرژی تبدیل می‌شود که مورد نظر ما نیست. این انرژی را «انرژی تلف‌شده» می‌نامند. مثلاً در یک موتور الکتریکی که انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود، بخشی از انرژی الکتریکی موتور به صورت‌های زیر تلف می‌شود:
الف- اصطکاک قسمت‌های مکانیکی گردنده
ب- حرارت درسیم‌های حامل جریان
پ- حرارت در سیم‌پیچی و هسته

در عمل تمام انرژی الکتریکی دریافتی از شبکه به انرژی مکانیکی تبدیل نخواهد شد. با توجه به توضیحات بالا می‌توان نتیجه گرفت که انرژی یا توان داده شده به هر وسیله‌ای از انرژی یا توان دریافت شده از آن بیشتر است. از طرف دیگر مقدار توان تلف‌شده در همه دستگاه‌ها یکسان نیست. لذا لازم است تا با عاملی میزان کارآیی هر وسیله را بیان کنیم که معمولا از اصطلاح «کارآیی» یا «راندمان» استفاده می‌شود. شکل 13-11 وضعیت مصرف‌کننده‌ها را از نظر ورودی و خروجی نشان می‌دهد.

شکل 13-11 وضعیت مصرف‌کننده‌ها از نظر توان

به طور کلی نسبت توان گرفته شده (خروجی) به توان داده شده (ورودی) را بازده می‌گویند. ضریب بهره که معرف مقدار عددی راندمان است، همیشه برحسب درصد بیان می‌شود. هرقدر عدد راندمان بیشتر باشد نشان‌دهنده آن است که کیفیت کاری دستگاه بهتر است. اگر توان ورودی را با $({P_1})$ و توان خروجی را با $({P_2})$ و ضریب بهره را با ($\eta $ - اِتا) نشان دهیم رابطه آن به صورت زیر خواهد شد:

$\eta  = \frac{{{P_2}}}{{{P_1}}} \times 100\% $

تمرین (صفحه 112 کتاب درسی)

 

مولدی با قدرت 5 کیلووات مانند شکل 14-11 حداکثر می‌تواند انرژی الکتریکی 44 لامپ 220 ولتی 0/5 آمپری را تأمین کند. حساب‌کنید راندمان آن چند درصد است؟

شکل 14-11 مولد جریان متناوب

محاسبه هزینه برق مصرفی:

کار الکتریکی به وسیله دستگاهی به نام «کنتور» اندازه‌گیری می‌شود. تصویری از این وسیله را به همراه علامت اختصاری آن در شکل 15-11 مشاهده می‌کنید. کار الکتریکی را از رابطه زیر می‌توان محاسبه کرد:

$W = V.I.t \to W = P.t$

شکل 15-11 کنتور و علامت فنی

در رابطه کار الکتریکی اگر $P$ بر حسب وات و $t$ بر حسب ثانیه باشد، $W$ بر حسب وات‌ثانیه یا ژول به‌دست می‌آید. چون وات‌ثانیه یا ژول واحد کوچکی است، لذا برای محاسبه هزینه برق مصرفی منازل و کارخانجات از واحدهای بزرگتر استفاده می‌شود. در مقیاس تجارتی توان را برحسب کیلووات $(KW)$ و زمان بر حسب ساعت $(h)$ در نظر می‌گیرند. به همین دلیل مبنای محاسبه قیمت برای برق مصرفی برحسب کیلووات ساعت $(kwh)$ سنجیده می‌شود. رابطه‌ای که برای محاسبه هزینه برق مصرفی به‌کار می‌رود برابر است با:

 ${C_T} = C.W$ 

$C$ قیمت یک کیلووات ساعت برق
$W$ انرژی(کارالکتریکی) مصرفی برحسب کیلووات ساعت
${C_T}$ قیمت کل برق مصرفی
همان‌گونه که از رابطه $(W)$ و $({C_T})$ مشخص است، هر قدر توان مصرف‌کننده و یا زمان استفاده از آن بیشتر باشد، کار الکتریکی و هزینه برق مصرفی بیشتر خواهد شد.

تمرین (صفحه 113 کتاب درسی)

 

در یک منزل مسکونی در شبانه‌روز تلویزیون با توان 240 وات 5 ساعت و رایانه شخصی با توان 100 وات 8 ساعت روشن است، قیمت برق مصرفی را در مدت 30 روز به ازاء هر کیلووات ساعت برابر 500 ریال محاسبه‌کنید.

پژوهش (صفحه 113 کتاب درسی)

 

در مورد موتورهای خانگی، نظیر موتور یخچال، کولر آبی، کولر گازی و پنکه، در موارد زیر تحقیق کنید و نتیجه تحقیق را به کلاس ارائه دهید. توان موتور برحسب اسب‌بخار، راندمان موتور، جریان نامی موتور.

پژوهش (صفحه 114 کتاب درسی)

 

پژوهش کنید که کنتورهای معمولی مکانیکی با کنتورهای دیجیتالی چه‌تفاوت‌هایی دارند؟ نتیجه را به کلاس ارائه دهید.

تمرین (صفحه 114 کتاب درسی)

 

یک یخچال ساید بای ساید قدیمی برای برطرف‌کردن برفک از یک رشته حرارتی با توان یک کیلووات استفاده می‌کند و در طول شبانه‌روز هر 8 ساعت یک بار این رشته حرارتی به مدت 20 دقیقه روشن می‌شود. درصورتی‌که قیمت برق مصرفی کیلووات ساعتی 500 ریال باشد، تعیین‌کنید:

الف- میزان انرژی مصرفی توسط رشته حرارتی در طول یک سال (365 روز)
ب- درصورت یکه در یخچال‌های جدید، رفع برفک با برگشت گاز حداکثر 100 وات انرژی مصرف‌کند، با جایگزی نکردن یخچال قدیمی با یخچال جدید، چقدر در هزینه صرفه جویی می‌شود؟

الگوی پرسش (ارزشیابی واحد یادگیری 11 از پودمان چهارم):

1- رابطه‌کار الکتریکی $(W = V.q)$ و $(W = R.{I^2}t)$ را با هم مقایسه‌کنید و موارد کاربرد هریک را شرح دهید.

2- توان الکتریکی را تعریف‌کنید و رابطه آن را با کار الکتریکی بنویسید.

3- در صورتی که توان مصرفی یک کارخانه هفت مگاوات در ماه باشد، مقدار توان را برحسب اسب بخار انگلیسی و آمریکایی به دست آورید.

4- مقدار جریان و انرژی مصرفی یک موتور به قدرت 4 اسب‌بخارآمریکایی را در شرایطی که ولتاژکار آن 220 ولت باشد و به مدت 4 ساعت و 25 دقیقه کار کند، محاسبه کنید.

5- در مدار شکل 17-11، مقدار توان مصرفی هر مقاومت و مقدار توان کل را محاسبه کنید. در صورتی‌که دستگاه به مدت 8 ساعت روشن باشد، مقدار انرژی مصرفی چقدر می‌شود؟ 

شکل 17-11

6- با مراجعه به فضای مجازی، پلاک یک نمایش‌گر لامپ اشعه کاتدیک و یک نمایش‌گر $LCD$ را بخوانید و توان مصرفی هریک را بنویسید. در صورتی‌که قیمت هر کیلووات ساعت برق مصرفی 550 ریال باشد و هر رایانه در روز به مدت 10 ساعت روشن بماند، در یک سال (12 ماه و هر ماه 30 روز) با جایگزین کردن نمایش‌گر $LCD$ یا $CRT$ چقدر صرفه‌جویی می‌شود؟

7- با مراجعه به سایت‌های مرتبط، پلاک یک موتور کولر یا موتور دیگری را بخوانید و میزان راندمان آن را محاسبه‌کنید.

واحد یادگیری 12: انرژی‌های نو

انرژی‌های نو

انرژی‌های نو یا جایگزین، به آن دسته از انرژی‌هایی گفته می‌شود که در تولید آنها، از منابع سوخت‌های فسیلی استفاده نمی‌شود. از انواع این انرژی‌ها می‌توان انرژی خورشیدی، باد و امواج، «زمین-گرمایی»، دریایی، آب و «زیست-توده» را نام برد. چون این نوع انرژی‌ها معایب نیروگاه‌های با سوخت‌های فسیلی را ندارند، سبب افزایش دمای کره زمین نمی‌شوند و تغییرات آب و هوایی و آلودگی زیست محیطی را ایجاد نمی‌کنند.

انرژی خورشیدی (Solar Energy)

یکی از بهترین و تمیز‌ترین روش‌های تولید انرژی الکتریکی، استفاده از سلول‌های خورشیدی است، این سلول‌ها بدون هیچ‌گونه آلایندگی و صدا، می‌توانند برق تولید کنند. سلول‌های فتوولتائیک (PV-Photovoltaic Cell) که آن را با نام سلول خورشیدی می‌شناسیم، از مواد نیمه‌رسانای جامد تشکیل شده‌اند. مهم‌ترین ماده نیمه‌ر‌سانا در طبیعت سیلیسیم (سیلیکون) است که به علت فراوانی، از آن در ساخت سلول‌های خورشیدی استفاده می‌کنند. شکل 1-12 یک نمونه سلول فتوولتائیک را نشان می‌دهد.

شکل 1-12 سلول خورشیدی

ماسه یکی از منابع مهم سیلیسیم است که پس از پالایش، از آن کریستال‌های سیلیسیم به دست می‌آید. با افزودن ناخالصی به کریستال‌ها، دو نوع کریستال $P$ و $N$ شکل می‌گیرد. در مورد این کریستال‌ها در واحد یادگیری 13 توضیح داده می‌شود. با اتصال کریستال‌های $P$ و $N$ به یکدیگر سلول فتوولتائیک شکل می‌گیرد. از مجموع چند سلول، پانل‌ها (صفحه‌ها-Modules-Paneles) و از تعدادی پانل، آرایه‌های (Arrays) فتوولتائیک به وجود می‌آید. شکل 2-12 سلول، پانل و آرایه را نشان می‌دهد.

شکل 2-12 آرایه‌های خورشیدی

ولتاژ خروجی یک سلول خورشیدی در حالت بی‌باری (بدون مصرف کننده) برابر با 0/6 ولت است. بنابراین با سری کردن مثلاً 50 سلول خورشیدی، یک پانل خورشیدی 30 ولتی ساخته می‌شود. همان‌طور که قبلاً گفته شد، این ولتاژ عبارت از ولتاژی است که پانل در حالت بی‌باری به ما می‌دهد. تعداد 12 عدد از این پانل‌ها که یک آرایه را می‌سازند، ولتاژی برابر با 360 ولت ایجاد می‌کنند. ولتاژ پانل‌ها معمولاً در استاندارد 12،‌ 24، 36، 48 و 60 ولت ساخته می‌شوند. با اتصال یک پانل به بار و کشیدن جریان از آن، ولتاژ خروجی افت می‌کند.

میزان افت ولتاژ سلول‌ها با توجه به کارخانه سازنده آن متفاوت است. مثلاً برای نوع خاصی از این سلول‌ها ولتاژ در حداکثر توان 17/47 ولت و در حالت مدار باز مقدار ولتاژ خروجی 22/2 ولت می‌شود. یعنی میزان افت ولتاژ 4/73 ولت است.

آرایه‌ها در توان‌های $DC$ متفاوت مثلاً از 100 تا 320 وات با راندمان‌های متفاوت ساخته می‌شوند. راندمان به این مفهوم است که اگر صفحات مستقیماً به سمت خورشید تنظیم شده باشند، چند درصد از انرژی دریافتی از خورشید را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. به عبارت دیگر میزان تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی در شرایطی که نور مستقیم به سلول می‌تابد، را راندمان می‌نامند.

راندمان یک آرایه، مساحت آن را تعیین می‌کند. مثلاً آرایه‌ای 230 واتی با راندمان 8 درصد دارای مساحتی دو برابر آرایه‌ای 230 واتی با راندمان 16 درصد است. آرایه‌ها در حالت ثابت یا با ردیاب متحرک نصب می‌شوند. ردیاب متحرک با توجه به فصل و با زاویه تابشِ خورشید، زاویه خود را تطبیق می‌دهد.

هرچند ولتاژ حاصل از پانل‌های خورشیدی در طول روز متفاوت است ولی انرژی تولیدی آن به باتری قابل شارژ متصل‌شده و در آن ذخیره می‌شود. لذا باتری یا بانک باتری وظیفه اصلی تأمین انرژی الکتریکی را به عهده دارد. با قرار دادن یک دستگاه مبدل (Inverter) می‌توان ولتاژ $DC$ را به ولتاژ $AC$ تبدیل نمود. شکل 3-12 این فرایند را نشان می‌دهد.

شکل 3-12 مراحل استفاده از انرژی خورشیدی
شکل 4-12 مراحل استفاده از انرژی خورشیدی

فعالیت گروهی (صفحه 116 کتاب درسی)

 

مراحل استفاده از انرژی خورشیدی را در شکل 3-12 و مرحله 1 تا 6 را در شکل 4-12 به فارسی ترجمه کنید و در مورد این مراحل باهم بحث و گفت‌وگو کنید.

کاربرد پانل‌های خورشیدی: از پانل‌های خورشیدی علاوه بر استفاده در نیروگاه‌های خورشیدی و تولید الکتریسیته برای روشنایی و تأمین انرژی در ماهواره‌ها، در مواردی مانند، ایجاد گرمایش و سرمایش مکان‌ها، اجرای فرایندهای صنعتی، آب‌شیرین‌کن‌ها، یخچال خورشیدی، خشک‌کن خورشیدی و گلخانه خورشیدی استفاده می‌کنند. در شکل 5-12 تعدادی از وسایلی که انرژی آن از طریق سلول‌های خورشیدی تأمین می‌شود را مشاهده می‌کنید.

شکل 5-12 کاربرد انرژی خورشیدی

اطلاعات فنی مربوط به پانل‌های خورشیدی در برگه‌های اطلاعات ارائه شده توسط کارخانه‌های تولیدکننده نوشته می‌شود. در شکل 6-12 یک نمونه برگه اطلاعات را مشاهده می‌کنید.

شکل 6-12 برگه اطلاعات یک نمونه پانل خورشیدی

تمرین (صفحه 118 کتاب درسی)

 

اطلاعات زیر را از برگه اطلاعات پانل خورشیدی داده شده در شکل 6-12 برای دو نمونه استخراج کنید.
1- حداکثر توان نامی
2- ولتاژ کار مطلوب
3- جریان کار مطلوب
4- ولتاژ مدار باز
5- جریان اتصال کوتاه
6- درجه حرارت کار
7- کدام نوع از پانل‌های خورشیدی شکل 6-12 بیشترین توان نامی را دارد؟
8- کدام مدل از پانل‌های خورشیدی شکل 6-12 کم‌ترین جریان اتصال کوتاه را دارد؟
9- خطای توان در این مدل‌ها چند وات است؟

بارش فکری (صفحه 118 کتاب درسی)

 

اگر بخواهیم یک دستگاه با توان 400 وات و با همان ولتاژ را توسط این مدل پانل خورشیدی راه‌اندازی کنیم، از چند پانل و به چه صورت باید استفاده کنیم؟

انرژی باد (Wind Energy)

انرژی حاصل از هوای متحرک، انرژی باد است. در بین انرژی‌های تجدیدپذیر انرژی باد یکی از بهترین و اقتصادی‌ترین روش‌های تولید برق است. این نوع انرژی مانند انرژی خورشیدی آلودگی زیست‌محیطی ندارد و پایان‌ناپذیر است. به طورکلی با جایگزینی انرژی «برق-بادی» به جای انرژی برق حاصل از نیروگاه‌های فسیلی، می‌توان انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش داد و ضمن ایجاد جاذبه‌های طبیعی، از سطح زمین نیز برای فعالیت‌های کشاورزی و دامپروری استفاده نمود. در شکل 8-12 مجموعه‌ای از توربین‌های بادی جهت تولید انرژی الکتریکی نشان داده شده است. در شکل 9-12 ساختمان داخلی یک توربین بادی را مشاهده می‌کنید.

شکل 8-12 توربین‌های بادی
شکل 9-12 اجزای داخلی توربین‌های بادی

نیروگاه بادی‌تکی مانند شکل 10-12 می‌تواند انرژی الکتریکی واحدهای مسکونی، تجاری، صنعتی یا کشاورزی را تأمین کند. یک مزرعه مولد انرژی «برق، بادی» می‌تواند بخشی از تقاضای انرژی برق شبکه سراسری را تأمین نماید.

شکل 10-12 یک توربین بادی

برخی مزایای استفاده از انرژی باد عبارت‌انداز:
- عدم نیاز به توربین‌هایی که با سوخت فسیلی کار می‌کنند.
- رایگان بودن انرژی باد
- عدم نیاز به آب
- نداشتن آلودگی زیست‌محیطی

پژوهش (صفحه 119 کتاب درسی)

 

با مراجعه به منابع مختلف از جمله فضای مجازی، بررسی کنید در ایران چند مزرعه مولد انرژی «برق، بادی» وجود دارد؟ مکان آنها کجاست؟ چند درصد از انرژی تولیدی ایران از طریق نیروگاه «برق، بادی» تأمین می‌شود؟

انرژی «زمین-گرمایی» (Geothermal Energy)

ژئو به معنی زمین و ترمال به معنی گرما (گرمایی) است. بنابراین در تولید انرژی «زمین-گرمایی»، از انرژی درونی زمین استفاده می‌شود. زمین در زمان پیدایش حالت مذاب داشته و تدریجاً سرد شده و بخش خارجی آن به‌صورت جامد درآمده است. اما بخش‌های داخلی زمین حالت مذاب خود را حفظ کرده و دارای درجه حرارت بسیاربالا است. مناطق دارای چشمه‌های آب گرم و آبفشان‌های طبیعی، مناطقی مناسب برای استفاده از انرژی «زمین-گرمایی» هستند. در شکل 11-12 یک نیروگاه «زمین-گرمایی» نشان داده شده‌است.

شکل 11-12 نیروگاه زمین‌گرمایی

در نیروگاه «زمین-گرمایی»، آب داغ و بخار خارج شده از مخازن زمین‌گرمایی، نیروی لازم را برای چرخاندن توربین ژنراتور فراهم می‌کند تا انرژی الکتریسیته تولید شود. آب مورد استفاده از طریق چاه‌های تزریق به مخزن برگشت داده می‌شود تا دوباره مورد استفاده قرار گیرد. شکل 12-12 این فرایند را نشان می‌دهد.

نیروگاه زمین‌گرمایی
شکل 12-12 نیروگاه زمین‌گرمایی

سه نوع نیروگاه «زمین-گرمایی» برای تولید برق وجود دارد.

الف- نیروگاه خشک (Dry Steam):

در این نیروگاه بخار خشک از چاه تولید بخار (Production Well) به وسیله لوله به سمت نیروگاه هدایت می‌شود و نیروی لازم را برای چرخاندن توربین ژنراتور فراهم می‌کند. شکل 13-12 عملکرد این نوع نیروگاه را نشان می‌دهد.

نیروگاه زمین‌گرمایی با بخار خشک
شکل 13-12 نیروگاه زمین‌گرمایی با بخار خشک

در انتها، مجموعه بخار و آب خروجی وارد یک صدا خفه‌کن (Silencer) می‌شود تا آن قسمت از سیال که به‌صورت بخار است به فضا منتقل شود. از مایع گرم خروجی توربین، برای مصارف مستقیم حرارتی استفاده می‌کنند، یا آن را دوباره به داخل چاه تزریق (Injection Well) برمی‌گردانند.

ب- نیروگاه بخار حاصل از آب داغ:

این نوع نیروگاه‌ها از آب داغ حاصل از مخازن زیرزمینی استفاده می‌کنند. به این ترتیب که با حفر چاه، آب داغ به سطح می‌آید و به دلیل آزادشدن از فشار مخازن، بخشی از آن به بخار تبدیل می‌شود. بخار حاصل برای چرخاندن توربین به‌کار می‌رود.

پ- نیروگاه ترکیبی (بخار و آب داغ):

در این نوع نیروگاه، آب‌گرم خارج شده از زمین، فاقد هرگونه بخار است. این آب از میان مبدل‌های گرمائی (Heat Exchanging) می‌گذرد و گرما را به نوعی مایع دیگر انتقال می‌دهد. چون این مایع نسبت به آب دارای نقطه جوش پائین‌تری است. با گرمای حاصل از مایع اول گرم شده و به بخار تبدیل می‌شود. این نیروگاه را نیروگاه دو سیاله هم می‌نامند. شکل 14-12 عملکرد این نوع نیروگاه را نشان می‌دهد.

شکل 14-12 نیروگاه دو سیاله زمین‌گرمایی

پژوهش (صفحه 121 کتاب درسی)

 

نیروگاه‌های دو سیاله (دو فازی) براساس چرخه کار و تجهیزات مورد استفاده به چنددسته تقسیم‌بندی می‌شوند؟ در این مورد پژوهش کنید و نتیجه را به کلاس ارائه دهید.

انرژی «زیست-توده» (Biomass)

«زیست-توده» یکی از منابع مهم انرژی‌های تجدیدپذیر است. به هر موجود زنده‌ای که قابلیت رشد و نمو را دارد، «زیست-توده» می‌گویند. جنگل‌ها، اجزاء گیاهان، برگ‌ها، موجودات زنده موجود در اقیانوس‌ها، زائدات حیوانی، پسماند‌های شهری و غذائی، فاضلاب‌های شهری جزء «زیست-توده» هستند. این مواد قابلیت ذخیره انرژی را در خود دارند. شکل 12-15 تعدادی از منابع «زیست-توده» را نشان می‌دهد.

شکل 15-12 منابع زیست توده

بارش فکری (صفحه 121 کتاب درسی)

 

کلمات انگلیسی مندرج در شکل 15-12 را ترجمه کنید و نتایج را در کلاس به بحث بگذارید.

«زیست-توده» قابلیت تولید انرژی الکتریکی، حرارت، سوخت‌های مایع، سوخت‌های گازی و انواع کاربردهای مفید را دارد. منابع «زیست-توده» در حالت مستقیم مثلأ در بخاری‌های هیزمی در منازل یا تولید حرارت برای آب گرم در صنایع به کار می‌رود. چنانچه از «زیست-توده» بیوگاز، (Biogas) تولید شود می‌توان از آن در ژنراتورهای مولد برق استفاده کرد. در این روش با استفاده از بیوگاز بخار آب تولید می‌شود و بخار آب سبب گردش توربین ژنراتورها برای تولید برق می‌شود. شکل 16-12 تعدادی از کاربردهای بیوگاز را نشان می‌دهد.

شکل 16-12 مواردی از کاربرد بیوگاز

انرژی آبی (Hydropower)

این انرژی از اختلاف سطح و حرکت آب به دست می‌آید. انرژی آب مانند انرژی خورشید، از منابع طبیعی انرژی است. با ایجاد سد در مقابل رودخانه‌ها می‌توان انرژی جنبشی آب را به صورت انرژی پتانسیل ذخیره کرد. (شکل 17-12)

شکل 17-12 ذخیره آب در سد

در نیروگاه‌های «برق-آبی» با استفاده از انرژی آب، انرژی الکتریکی تولید می‌شود. شکل 18-12 فرآیند تولید برق را در یک نیروگاه «برق-آبی» نشان می‌دهد.

شکل 18-12 فرآیند تولید برق در نیروگاه «برق-آبی»

بیشترین مزیت نیروگاه‌های «برق-آبی» عدم نیاز به سوخت و کاستن آلایندگی زیست‌محیطی است. همچنین در این نیروگاه‌ها هزینه‌های مربوط به تأمین سوخت حذف می‌شود. معمولاً عمر نیروگاه‌های «برق-آبی» بیشتر از نیروگاه‌های گرمایی است. در ضمن از آب ذخیره شده در پشت سد جهت آبیاری مزارع، ورزش‌های آبی و پرورش موجودات آبزی و تأمین آب شرب مناطق پائین دست سد می‌توان استفاده کرد.

انرژی اقیانوس (Ocean Energy): 

انرژی موجود در اقیانوس‌ها و دریاها در سه شکل به صورت زیر وجود دارد:
الف- امواج
ب- انرژی جزر و مد
پ- انرژی حاصل از اختلاف دما

با وجود پتانسیل بسیار زیاد اقیانوس‌ها، به دلیل نیاز به فناوری ویژه و هزینه زیاد برای بهره‌برداری، معمولاً از این انرژی در حد قابل قبول استفاده نمی‌شود. در شکل 19-12 یک نمونه از توربین‌های نصب شده در عمق اقیانوس و زیر آب را ملاحظه می‌کنید.

شکل 19-12 توربین‌ها در زیر آب

الگوی پرسش (ارزشیابی واحد یادگیری 12 از پودمان چهارم):

1- انواع انرژی‌های نو را نام ببرید و مزایای استفاده از آن را بنویسید.

2- معنی فارسی Solar Energy .................. و معنی فارسی Biomass ....................است.

3- انرژی الکتریکی مورد نیاز برای یک چادر عشایری مانند شکل 20-12 را می‌توان با پانل خورشیدی تأمین‌نمود. درست / نادرست

شکل 20-12 شکل سؤال 3

4- در صورتی که انرژی خورشید کافی باشد، از سیستم شکل ب-21-12 و برای تأمین شارژ باتری تلفن همراه، لپ‌تاپ و تبلت از شکل الف -21-12 استفاده می‌شود. درست / نادرست

شکل 21-12 دو نوع پانل خورشیدی قابل حمل
 

 

5- قسمتی از برگه اطلاعاتی مربوط به یک پانل خورشدی در شکل 22-12 آمده است. مطالب را به فارسی ترجمه و استخراج کنید.

6- چهار مورد مزایای استفاده از نیروگاه‌بادی را شرح دهید.

7- Geo .............................و Thermal به معنی ……….............است.

8- کدام گزینه تولید انرژی را توسط زائدات حیوانی، پسماندهای شهری و غذایی وفاضلاب شهری بیان می‌کند؟
1- Hydropow
2- Biomass
3- Geothermal 
4- Ocean Eneregy 

9- شکل 23-12 چه نوع تولید انرژی را نشان می‌دهد؟ 4 مرحله نشان داده شده در شکل را شرح دهید.

شکل 23-12 شکل سؤال 9

پژوهش (صفحه 124 کتاب درسی)

 

در شکل 24، 25، 26-12 دو نمونه آسیاب بادی و یک نمونه نیروگاه «برق-بادی» نشان داده‌شده‌است. با مراجعه به سایت‌های اینترنتی، این دو سامانه را با هم مقایسه کنید. در ضمن بررسی نمایید اولین آسیاب‌بادی در کدام کشور ساخته شده و قدمت آسیاب‌بادی در ایران چند سال است.

شکل 24-12 یک نمونه آسیاب‌بادی
شکل 25-12 نمونه دیگری از آسیاب‌بادی
شکل 26-12 یک نمونه نیروگاه‌برق-بادی

پژوهش (صفحه 124 کتاب درسی)

 

در شکل 27-12 یک نمونه بادگیر را که در مناطق کویری مورد استفاده قرار می‌گیرد مشاهده می‌کنید. بررسی کنید که قدمت و دلیل استفاده از این بادگیرها در ایران چیست؟ نتیجه را به کلاس ارائه نمائید.

شکل 27-12 یک نمونه بادگیر مناطق کویری
پودمان 4: کار و توان الکتریکی