فرمت فایل: ورد –Word و قابل ویرایش

تعداد صفحات: 151

پیل سوختی وسیله ای است که با استفاده از یک واکنش شیمیایی، برق تولید می کند. هر پیل سوختی دو الکترود دارد، یکی مثبت و دیگری منفی که به ترتیب کاتد و آند نامیده می شوند. واکنش هایی که برق تولید می کنند در الکترودها رخ می دهند. هر پیل سوختی همچنین دارای یک الکترولیت است که ذرات شارژ شده الکتریکی را از یک الکترود به الکترود دیگر می برد و کاتالیزور که سرعت واکنش در الکترودهاراافزایش می دهد. هیدروژن سوخت پایه است، اما پیل های سوختی به اکسیژن هم نیاز دارند. یکی از جاذبه های پیلهای سوختی این است که با ایجاد آلودگی ناچیز برق تولید می کنند. بیشتر هیدروژن و اکسیژنی که در تولید برق به کار می روند نهایتاً باعث ایجاد محصولی جانبی به نام آب می شوند. یک پیل سوختی تنها مقدار بسیار کمی جریان مستقیم تولید می کند. در عمل، تعداد زیادی از پیل های سوختی با هم به صورت یک توده در می آیند. پیل یا توده، دارای اصولی یکسان هستند.

هدف از ایجاد پیل سوختی تولید جریان الکتریکی است که بتوان آن را از پیل خارج کرد و مورد استفاده قرار داد. نظیر روشن کردن یک موتور الکتریکی یا روشن کردن یک لامپ یا شهر.رفتاری که جریان الکتریسیته دارد، به پیل سوختی بر می گردد و یک مدار کامل الکتریکی را تشکیل می دهد. واکنش های شیمیایی که در این جریان به وجود می آیند کلید درک طریقه کارکردن پیل ها است. چند نوع پیل سوختی وجود دارد و هر کدام متفاوت عمل می کنند. اما در مجموع اتم های هیدروژن به قسمت آند پیل وارد می شوند، یعنی در جایی که یک واکنش شیمیایی،الکترون های آنها را آزاد می کند. اتم های هیدروژن یونیزه شده و بارالکتریکی مثبت دارند. الکترون ها با بار منفی، جریان در سیم ها را برای کار فراهم می کنند. اگر جریان متغیر مورد نیاز باشد، خروجی DC پیل سوختی باید مجهز به ابزار تبدیل جریان به نام "مبدل" باشد. اکسیژن وارد پیل سوختی در کاتد می شود و در بعضی از انواع پیل ها، اکسیژن با الکترون های بازگشتی از جریان الکتریسیته ترکیب شده و یون های هیدروژن از طریق الکترولیت به سمت آند رفته و در آنجا با یون های هیدروژن ترکیب می شوند. الکترولیت نقشی کلیدی را ایفا می کند، طوری که باید فقط به یون های مناسب اجازه انتقال بین کاتد و آند را بدهد. اگر الکترون های آزاد یا دیگر مواد بتوانند در سطح الکترولیت جاری شوند، عمل واکنش را منقطع می کنند. اگر هیدروژن و اکسیژن در سطح کاتد یا آند ترکیب شوند، آب پدید می آید که از پیل خارج می شود. تا زمانی که اکسیژن و هیدروژن یک پیل تأمین شود، پیل قابلیت تولید برق را داراست. تا زمانی که پیل ها برق را به صورت شیمیایی تولید می کنند (به جای احتراق) قوانین ترمودینامیک که فعالیت های نیروگاه ها را محدود می کند شامل آنها نمی شود، بنابراین پیل های سوختی در استخراج انرژی از یک سوخت، بازدهی بیشتری دارند. گرمای تلف شده بعضی از پیل ها قابل مهار شدن است و بازدهی سیستم های آن روز به روز افزايش مي يابد.

کاربرد پایه ای یک پیل سوختی در توضیح سخت به نظر نمی رسد، اما ساخت پیل های ارزان، پر بازده و مطمئن هنوز یک تجارت پیچیده است. دانشمندان و مخترعان اشکال و اندازه های متفاوتی از پیل ها را به منظور بازدهی بیشتر طراحی کرده اند که جزئیات فنی هر کدام متفاوت است. بسیار از گزینه هایی که توسعه دهندگان این پیل ها با آن روبرو می شوند به نوع الکترولیت وابسته است. برای مثال طراحی الکترودها و مواد مورد استفاده در آنها به نوع الکترولیت ها بستگی دارد. امروزه، اصلی ترین الکترولیت ها عبارتند از آلکالی، کربنات مذاب، اسید فسفریک، تبادل پرتون لایه ای (PEM) و اکسید جامد. سه نوع اول مایع و دوتای آخر جامد هستند. همچنین نوع سوخت نیز بستگی به نوع الکترولیت دارد. بعضی از پیل ها به هیدروژن خالص نیاز دارند و بنابراین تجهیزات فوق العاده ای مثل بهساز را می طلبند تا سوخت را خالص گردانند. سایر پیل ها می توانند مقداری ناخالصی را تحمل کنند، اما ممکن است برای بازدهی بیشتر به دمای بالا احتیاج داشته باشند. الکترولیت های مایع باید در بعضی پیل ها به صورت چرخه ای کار کنند که بدین منظور باید از پمپ استفاده گردد. همچنین نوع الکترولیت مشخص کننده دمای عملکردی پیل است. برای مثال، پیل کربنات گداخته همان طور که از نامش پیدا است به صورت داغ عمل می کند. هرکدام از پیل ها در مقایسه با انواع دیگر دارای زیان هایی هستند، اما هنوز هم هیچ کدام ارزان و کافی نیستند تا اینکه جایگزین راه های سنتی برای تولید برق، سوزاندن زغال سنگ، هیدرو الکتریک یا حتی نیروگاه های هسته ای بشوند.

نيروگاه هاي خورشيدي مي توانند با توليد برق به شبكه سراسري برق نيرو برسانند و در عين حال امكان تأمين شبكه هاي كوچك و ناحيه اي را نيز بما بدهند . در حالي كه نياز به تأسيس خطوط فشار قوي طولاني جهت انتقال برق ندارند . چون انتقال از نيروگاههاي ظرفيت بالاي توأم با شبكه انتقال سراسري پرهزينه مي باشد.

5- استهلاك كم و عمر زياد

نيروگاههاي خورشيدي بدلايل فني و نداشتن استهلاك زياد داراي عمر طولاني مي باشند در حالي كه حداكثر عمر نيروگاههاي فسيلي بين ١٥ تا ٣٠ سال محاسبه شده است.

6-عدم احتياج به متخصص

نيروگاههاي خورشيدي احتياج به متخصص عالي ندارند و مي توان آنها را بطور اتوماتيك بكار انداخت، درصورتيكه در نيروگاههاي اتمي وجود متخصصين عالي مقام ضروري بوده و اين دستگاه ها احتياج به مراقبتهاي دائمي و ويژه دارند.

ب- كاربردهاي غيرنيروگاهي

كاربردهاي غيرنيروگاهي از انرژي حرارتي خورشيد شامل موارد متعددي مي باشد كه اهم آنها عبارتند از:

آبگرمكن و حمام خورشيدي – سرمايش و گرمايش خورشيدي، آب شيرين کن خورشيدي – خشك كن خورشيدي – اجاق خورشيدي و كوره هاي خورشيدي

1- آبگرمكن خورشيدي و حمام خورشيدي

توليد آب گرم مصرفي ساختمانها از اقتصادي ترين روشهاي استفاده از انرژي خورشيدي است . مي توان از انرژي حرارتي خورشيد جهت تهيه آب گرم بهداشتي در منازل و اماكن عمومي به خصوص در مكانهايي كه مشكل سوخت رساني وجود دارد استفاده كرده و چنانچه ظرفيت اين سيستم ها افزايش يابد مي توان از آنها در حمامهاي خورشيدي نيز استفاده نمود . تاكنون با توجه به موقعيت جغرافيايي ايران تعداد زيادي آب گرمكن خورشيدي و چندين دستگاه حمام خورشيدي در نقاط مختلف كشور از جمله استانهاي خراسان – سيستان بلوچستان و يزد نصب و راه اندازي شده است

2- گرمايش و سرمايش ساختمان و تهويه مطبوع خورشيدي

گرمايش و سرمايش ساختمانها با استفاده از انرژي خورشيد، ايده تازه اي بود كه در سالهاي ١٩٣٠مطرح شد و در كمتر از يك دهه به پيشرفتهاي قابل توجهي رسيد . با افزودن سيستمي معروف به سيستم تبريد جذبي به سيستم هاي خورشيدي مي توان علاوه بر تهيه آب گرم مصرفي و گرمايش ازاين سيستم ها در فصول گرم براي سرمايش ساختمان نيز استفاده کرد.

3- آب شيرين كن خورشيدي

هنگامي كه حرارت دريافت شده از خورشيد با درجه حرارت كم روي آب شور اثر كند تنها آب تبخير شده و املاح باقي مي ماند . سپس با استفاده از روشهاي مختلف مي توان آب تبخير شده را تقطير كرده و به اين ترتيب آب شيرين تهيه كرد. با اين روش مي توان آب بهداشتي مورد نياز در نقاطي كه دسترسي به آب شيرين ندارند مانند جزاير را تأمين كرد . آب شيرين کن خورشيدي در دو اندازه خانگي و صنعتي ساخته مي شوند. در نوع صنعتي با حجم بالا مي توان براي استفاده شهرها آب شيرين توليد كرد.

4- خشك كن خورشيدي

خشك كردن مواد غذايي براي نگهداري آنها از زمانهاي بسيار قديم مرسوم بوده و انسانهاي نخستين خشك كردن را يك هنر مي دانستند . خشك كردن عبارت است از گرفتن قسمتي از آب موجود در مواد غذايي و ساير محصولات. هدف از خشك كردن خارج نمودن آب از يك ماده و در نتيجه افزايش عمر انباري محصول از طريق جلوگيري از رشد باكتريها مي باشد . در خشك كنهاي خورشيدي بطور مستقيم و يا غيرمستقيم از انرژي خورشيدي جهت خشك نمودن مواد خشك شدني استفاده مي شود و هوا نيز به صورت طبيعي يا اجباري جريان يافته و باعث تسريع عمل خشك شدن محصول مي گردد . خشك كنهاي خورشيدي در اندازه ها و طرحهاي مختلف و براي محصولات و مصارف گوناگون طراحي و ساخته مي شوند.

5- اجاقهاي خورشيدي

دستگاههاي خوراك پز خورشيدي اولين بار بوسيله شخصي بنام نيكلاس ساخته شد اجاق او شامل يك جعبه عايق بندي شده با صفحه سياهرنگي بود كه قطعات شيشه اي درپوش آنرا تشكيل مي داد. اشعه خورشيد با عبور از ميان اين شيشه ها وارد جعبه شده و بوسيله سطح سياه جذب مي شد .سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ٨٨ درجه افزايش مي داد . اصول كار اجاق خورشيدي استوار برجمع آوري پرتوهاي مستقيم خورشيد در يك نقطه كانوني و افزايش دما در آن نقطه مي باشد . امروزه طرحهاي متنوعي از اين سيستم ها وجود دارد كه اين طرحها در مكانهاي مختلفي ازجمله در آفريقاي جنوبي تست شده و به نتايج خوبي نيز رسيده است . استفاده از اين اجاقها به ويژه درمناطق شرقي كشور ايران که با مشكل كمبود سوخت مواجه مي باشند بسيار مفيد خواهد بود.

6- كوره خورشيدي

در قرن هجدهم نوتورا اولين كوره خورشيدي را در فرانسه ساخت و بوسيله آن يك تل چوبي را در فاصله 60 متري آتش زد . بسمر پدر فولاد جهان نيز حرارت مورد نياز كوره خودرا از انرژي خورشيدي تأمين مي كرد . متداولترين سيستم يك كوره خورشيدي متشكل از دو آينه يكي تخت و ديگري كروي مي باشد امواج تخت از خورشيد به آينه تخت رسيده و توسط اين آينه به آينه كروي بازتابيده مي شود .

طبق قوانين اپتيك هر گاه دسته پرتوي موازي محور آينه با آن برخورد نمايد در محل كانون متمركز مي شوند به اين ترتيب انرژي حرارتي گسترده خورشيد در يك نقطه جمع مي شود كه اين نقطه به دماهاي بالايي مي رسد . امروزه پروژه هاي متعددي در زمينه كوره هاي خورشيد در سراسر جهان درحال طراحي و اجراء مي باشد.

7- خانه هاي خورشيدي

ايرانيان باستان از انرژي خورشيدي براي كاهش مصرف چوب در گرم كردن خانه هاي خود در زمستان استفاده ميكردند. آنان ساختمانها را به ترتیبي بنا مي كردند كه در زمستان نور خورشيد اجازه ورود به داخل اتاقهاي نشيمين داده شود . ولي در روزهاي گرم تابستان فضا اتاق در سايه قرار داشته باشد . دراغلب فرهنگهاي ديگر دنيا نيز مي توان نمونه هايي از اين قبيل طرحها را مشاهده نمود در سالهاي بين دو جنگ جهاني در اروپا و ايالات متحده طرح هاي فراواني در زمينه خانه هاي خورشيدي مطرح و آزمايش شد. از آن زمان به بعد تحول خاصي در اين زمينه صورت نگرفت امروزه حدود چند سالي است كه معماران به طور جدي ساخت خانه هاي خورشيدي را آغاز كرده اند و به دنبال تحول و پيشرفت اين تكنولوژي به نتايج مفيدي نيز دست يافته اند مثلاً در ايالات متحده در سال ١٨٩٠ به تنهايي حدود ١٠ تا ٢٠ هزار خانه خورشيدي ساخته شده است . در اين گونه خانه ها سعي مي شود از انرژي خورشيد براي روشنايي تهيه آب گرم بهداشتي - سرمايش و گرمايش ساختمان استفاده شودو با بكار بردن مصالح ساختماني مفيد از اتلاف گرما و انرژي جلوگيري شود .طرح ساخت اولين ساختمان خورشيدي در ايران، در دانشگاه علم و صنعت ايران وبه منظور مطالعه و پژوهش در خصوص بهينه سازي مصرف و امكان بررسي روشهاي استفاده از انواع انرژيهاي تجديدپذير به ويژه انرژي خورشيد به جاي سوخت هاي فسيلي در سال ١٣٧٧ آغاز شده است . ومحل آن در ضلع شمالي دانشگاه پيش بيني شده است.