Takardar Kimiyyar Lissafi Kan Makamashi Mai Sabuntawa
Pendahuluan
Makamashi muhimmin adadi ne na zahiri a rayuwar ɗan adam. Kusan dukkan ayyukan zamani—tun daga haske da sufuri zuwa masana'antu da sadarwa—sun dogara ne akan samuwar makamashi a cikin tsari mai amfani. Fiye da ƙarni guda, ana biyan buƙatun makamashi na duniya galibi ta hanyar man fetur kamar mai, kwal, da iskar gas. Duk da haka, amfani da man fetur yana haifar da manyan batutuwa guda biyu: ƙarancin ajiyar kuɗi da tasirin muhalli, musamman hayakin iskar gas mai dumama yanayi wanda ke hanzarta ɗumamar yanayi. Saboda haka, haɓaka makamashi mai sabuntawa mafita ce ta dabarun kiyaye wadatar makamashi mai ɗorewa da rage lalacewar muhalli.
A fannin kimiyyar lissafi, makamashin da ake sabuntawa yana da ban sha'awa a tattauna domin ya ƙunshi ƙa'idodi daban-daban na asali, kamar canza makamashi, inganci, raƙuman lantarki, injinan ruwa, thermodynamics, da kuma manufar iko. Wannan takarda ta tattauna manufar makamashin da ake sabuntawa daga mahangar kimiyyar lissafi, nau'ikansa, ƙa'idodin aiki na manyan fasahohi, fa'idodi da iyakokinsa, da ƙalubalen aiwatarwa.
Manufar Makamashi Mai Sabuntawa a fannin Lissafi
Makamashin da ake sabuntawa makamashi ne da ake samu daga tushen halitta wanda za a iya sabunta shi ta halitta akan sikelin lokacin ɗan adam, kamar hasken rana, iska, kwararar ruwa, makamashin ƙasa, da kuma biomass. Ba kamar man fetur na burbushin halittu ba, wanda aka samar tsawon miliyoyin shekaru, makamashin da ake sabuntawa yana samuwa akai-akai ko kuma ana iya dawo da shi cikin sauri.
A zahiri, ba za a iya ƙirƙirar ko lalata makamashi ba (Dokar Kare Makamashi), amma yana iya canza siffarsa. Makamashi mai sabuntawa shine ainihin tsarin amfani da makamashin da ke faruwa ta halitta da kuma mayar da shi makamashin lantarki ko na zafi mai amfani. A cikin wannan tsarin juyawa, manufar iko tana da mahimmanci. An bayyana iko a matsayin saurin canjin makamashi akan lokaci:
P = E/t
A halin yanzu, inganci alama ce ta nasarar tsarin wajen canza makamashi:
η = (Makamashi mai amfani / Makamashin shigarwa) × 100%
A fannin haɓaka fasahar makamashi mai sabuntawa, ingancin tsarin, kwanciyar hankali na wadata, da kuma adana makamashi su ne manyan abubuwan da aka fi mayar da hankali a kai.
Nau'ikan Makamashi Mai Sabuntawa da Ka'idojin Jiki
1. Makamashin Rana
Makamashin hasken rana yana amfani da hasken lantarki daga rana. Akwai manyan hanyoyi guda biyu: hasken rana (PV) da kuma hasken rana.
a. Faifan Hasken Rana (Fotovoltaics)
Kwayoyin hasken rana suna aiki bisa ga tasirin hasken lantarki da kuma halayen semiconductors. Lokacin da photons daga hasken rana suka bugi wani abu na semiconductors (kamar silicon), makamashin photon zai iya sakin electrons kuma ya samar da nau'i-nau'i na ramin electrons. Filin lantarki na ciki a mahaɗin p-n yana tilasta caji ya motsa, yana ƙirƙirar wutar lantarki. Adadin kuzarin photon ya dogara da mitar hasken:
E = hf
Ingancin allon hasken rana yana shafar yanayin zafi, ƙarfin haske, kusurwar da ta faru, da ingancin kayan aiki. Faifan hasken rana na zamani galibi suna da inganci kusan kashi 15-23% don amfanin kasuwanci, kodayake sabbin fasahohi na iya zama mafi girma a ƙarƙashin wasu yanayi.
b. Hasken Rana Mai Zafi
Tsarin zafin rana yana amfani da zafin rana don dumama ruwa (ruwa ko mai na zafi), wanda daga nan ake amfani da shi kai tsaye ko kuma don samar da tururi wanda ke juya turbine. Ka'idojin thermodynamics da canja wurin zafi (gudanarwa, convection, da radiation) sun mamaye a nan.
2. Makamashin Iska
Makamashin iska yana fitowa ne daga kuzarin motsi na iska wanda bambancin matsin lamba ya haifar da kuma dumama saman Duniya da rana ke yi. Turbines na iska suna canza makamashin motsi na iska zuwa makamashin injiniya mai juyawa, wanda daga nan janareto ke mayar da shi makamashin lantarki ta hanyar shigar da lantarki (Dokar Faraday).
Ana iya kimanta ƙarfin ka'idar iska da ke ratsawa ta yankin giciye-sashe A ta hanyar:
P = ½ ρ A v³
inda ρ shine yawan iska da v shine saurin iska. Wannan dabarar ta nuna cewa wutar lantarki tana da matukar tasiri ga saurin iska (a matsayin nauyin kubiyar saurin iska), wanda hakan ya sanya wurin da aka sanya injin turbin ya zama muhimmin abu.
Duk da haka, ba dukkan makamashin iska ake iya girbewa ba. Akwai iyaka ta zahiri da aka sani da Betz Limit, wanda ke nuna cewa mafi girman ingancin injin turbin iska mai kyau shine kusan kashi 59,3%.
3. Makamashin Ruwa (Makamashin Ruwa)
Cibiyoyin samar da wutar lantarki na ruwa (PLTA) suna amfani da ƙarfin ƙarfin nauyi na ruwa a wurare masu tsayi. Yayin da ruwa ke gudana, makamashin da ake da shi yana canzawa zuwa makamashin motsi, yana juya turbines da janareta don samar da wutar lantarki.
Ana iya ƙididdige ƙarfin da aka samar ta amfani da:
P = ρ gh Q η
inda g shine hanzarin da ke faruwa saboda nauyi, h shine kai, Q shine fitar da ruwa, kuma η shine ingancin tsarin. Cibiyoyin wutar lantarki na ruwa suna da inganci mai yawa (sau da yawa sama da 80-90%), wanda hakan ya sa su zama ɗaya daga cikin hanyoyin samar da makamashi mai sabuntawa mafi inganci. Duk da haka, manyan ayyukan madatsun ruwa na iya yin tasiri ga yanayin halittu na koguna da rayuwar zamantakewa na al'ummomin da ke kewaye.
4. Makamashin Ƙasa Mai Zafi
Makamashin ƙasa yana fitowa ne daga zafin cikin duniya, wanda ruɓewar rediyoaktif da kuma sauran zafi daga samuwar duniya ke haifarwa. Cibiyoyin samar da wutar lantarki na ƙasa suna amfani da tururi mai zafi ko ruwan zafi daga ma'ajiyar ƙasa don juya turbines.
A fannin thermodynamic, tsarin geothermal yana aiki kamar sauran tashoshin wutar lantarki na zafi: zafi yana mayar da ruwa zuwa tururi, wanda ke juya turbine, sannan tururin ya sake tarko. Babban ƙalubalen shine tsatsa, ma'adanai, da kuma wurare masu dacewa. Amfanin shine wutar lantarki ta geothermal na iya samar da wutar lantarki mai ƙarfi (tushe), ba tare da la'akari da yanayin yanayi na yau da kullun ba.
5. Biomass
Biomass ya ƙunshi kayan halitta kamar itace, sharar gona, da sharar halitta waɗanda za a iya ƙonewa ko sarrafa su zuwa man fetur. Makamashin Biomass shine makamashin sinadarai da aka adana ta hanyar photosynthesis. Lokacin da aka ƙone ko aka yi kiwo, makamashin sinadarai yana fitowa a matsayin zafi ko kuma a mayar da shi mai.
Daga mahangar muhalli, ana ɗaukar biomass a matsayin mai sabuntawa, amma dole ne a kula da shi da kyau don guje wa sare dazuzzuka ko hayaki mai yawa. Ingancin juyawa da ingancin ƙonewa suma suna ƙayyade girman gurɓataccen yanayi.
Fa'idodi da Iyakokin Makamashin Mai Sabuntawa
Makamashin da ake sabuntawa yana da manyan fa'idodi, ciki har da ƙarancin fitar da hayakin carbon, wadataccen albarkatu, da kuma damar haɓaka 'yancin kai na makamashi. Dangane da kimiyyar lissafi da injiniyanci, fasahar makamashi mai sabuntawa tana ci gaba da bunƙasa, wanda ke haifar da ƙaruwar inganci akan lokaci.
Duk da haka, akwai ƙuntatawa da ya kamata a magance. Na farko, wasu hanyoyin suna da jinkiri, kamar hasken rana da iska, suna buƙatar tsarin adana makamashi (batura, famfo mai amfani da ruwa, hydrogen) ko grid mai wayo. Na biyu, makamashin da ake sabuntawa gabaɗaya yana da ƙarancin ƙarfin lantarki fiye da man fetur na burbushin halittu, wanda ke buƙatar manyan wuraren shigarwa. Na uku, wasu fasahohi, kamar wutar lantarki ta ruwa da kuma yanayin ƙasa, sun dogara ne akan wuri.
Kalubale da Alkiblar Ci Gaba
Ci gaban makamashi mai sabuntawa ba wai kawai batun fasaha ba ne, har ma batun tattalin arziki, manufofi, da kayayyakin more rayuwa. Daga mahangar kimiyyar lissafi da aka yi amfani da su, manyan ƙalubale sun haɗa da inganta ingancin abu (misali, sabbin ƙwayoyin hasken rana), inganta injinan iska, rage asarar watsawa, da kuma ƙirƙira ajiyar makamashi mai aminci da araha. Ana amfani da tsarin batirin Lithium-ion sosai a halin yanzu, amma bincike yana ci gaba da faɗaɗa zuwa batirin sodium-ion, batirin solid-state, da kuma ajiyar hydrogen.
Bugu da ƙari, haɗakar makamashi mai sabuntawa yana buƙatar ƙirar tsarin sauti da sarrafawa. Dole ne a daidaita canjin wutar lantarki ta hasken rana da iska tare da buƙatu ta hanyar hasashen yanayi, sarrafa kaya, da fasahar zamani ta grid.
Kammalawa
Makamashi mai sabuntawa muhimmin mafita ne don biyan buƙatun makamashi mai ɗorewa na gaba. Ta hanyar ƙa'idodin kimiyyar lissafi - daga tasirin photoelectric da makanikan ruwa zuwa thermodynamics - nau'ikan makamashin halitta daban-daban za a iya canza su zuwa wutar lantarki mai amfani da zafi. Kowace nau'in makamashi mai sabuntawa yana da nasa fa'idodi da ƙuntatawa, amma gabaɗaya suna da ƙaramin tasirin muhalli fiye da man fetur. Tare da ƙaruwar inganci, sabbin abubuwa a cikin adana makamashi, da tallafin manufofi da kayayyakin more rayuwa, makamashi mai sabuntawa yana da yuwuwar zama ginshiƙin tsarin makamashi na duniya mai tsabta da kwanciyar hankali.
Idan kana so, zan iya ƙara bayanin rubutu, tsarin matsaloli, manufofi, da kuma hanyar rubutu don takardar ta yadda tsarin ya fi dacewa da ƙa'idodin takarda na makaranta/kwaleji.
