Мақолаи физика дар бораи энергияи барқароршаванда
Пендахулуан
Энергия миқдори асосии физикӣ дар ҳаёти инсон аст. Қариб ҳамаи фаъолиятҳои муосир — аз рӯшноӣ ва нақлиёт то саноат ва коммуникатсия — ба мавҷудияти энергия дар шакли қобили истифода вобастаанд. Зиёда аз як аср аст, ки ниёзҳои ҷаҳонӣ ба энергия асосан тавассути сӯзишвориҳои истихроҷшаванда, ба монанди нафт, ангишт ва гази табиӣ қонеъ карда мешаванд. Аммо, истифодаи сӯзишвориҳои истихроҷшаванда ду масъалаи асосиро ба миён меорад: захираҳои маҳдуд ва таъсири экологӣ, бахусус партовҳои газҳои гулхонаӣ, ки гармшавии глобалиро суръат мебахшанд. Аз ин рӯ, рушди энергияи барқароршаванда як роҳи ҳалли стратегӣ барои нигоҳ доштани таъминоти устувори энергия ва кам кардани зарар ба муҳити зист мебошад.
Дар заминаи физика, баҳс дар бораи энергияи барқароршаванда ҷолиб аст, зеро он принсипҳои гуногуни бунёдӣ, аз қабили табдили энергия, самаранокӣ, мавҷҳои электромагнитӣ, механикаи моеъ, термодинамика ва мафҳуми қудратро дар бар мегирад. Дар ин мақола мафҳуми энергияи барқароршаванда аз нигоҳи физика, намудҳои он, принсипҳои кори технологияҳои калидӣ, бартариҳо ва маҳдудиятҳои он ва мушкилоти татбиқ баррасӣ мешавад.
Мафҳуми энергияи барқароршаванда дар физика
Энергияи барқароршаванда энергияест, ки аз манбаъҳои табиӣ гирифта мешавад ва метавонад дар миқёси вақти инсонӣ ба таври табиӣ нав карда шавад, ба монанди нури офтоб, шамол, ҷараёни об, энергияи геотермалӣ ва биомасса. Бар хилофи сӯзишвориҳои истихроҷшаванда, ки дар тӯли миллионҳо сол ташаккул меёбанд, энергияи барқароршаванда пайваста дастрас аст ё метавонад зуд барқарор карда шавад.
Аз ҷиҳати ҷисмонӣ, энергияро наметавон тавлид ё нобуд кард (Қонуни ҳифзи энергия), аммо он метавонад шаклашро тағйир диҳад. Энергияи барқароршаванда асосан раванди истифодаи энергияи табиӣ ва табдил додани он ба энергияи муфиди барқӣ ё гармӣ мебошад. Дар ин раванди табдил, мафҳуми қудрат муҳим аст. Қувва ҳамчун суръати тағйирёбии энергия дар тӯли вақт муайян карда мешавад:
P = E / t
Дар айни замон, самаранокӣ нишондиҳандаи муваффақияти система дар табдил додани энергия аст:
η = (Энергияи фоиданоки баромад / энергияи вуруд) × 100%
Дар рушди технологияи энергияи барқароршаванда, самаранокии система, устувории таъминот ва нигоҳдории энергия самтҳои асосии тамаркуз мебошанд.
Намудҳои энергияи барқароршаванда ва принсипҳои физикии онҳо
1. Энергияи офтобӣ
Энергияи офтобӣ радиатсияи электромагнитии Офтобро истифода мебарад. Ду равиши асосӣ вуҷуд дорад: фотоэлектрикӣ (ФЭ) ва офтобӣ-термикӣ.
а. Панелҳои офтобӣ (Фотоэлектрикӣ)
Батареяҳои офтобӣ бар асоси таъсири фотоэлектрикӣ ва хосиятҳои нимноқилҳо кор мекунанд. Вақте ки фотонҳо аз нури офтоб ба маводи нимноқил (масалан, кремний) бархӯрд мекунанд, энергияи фотон метавонад электронҳоро раҳо кунад ва ҷуфтҳои электрон-сӯрохиро ташкил диҳад. Майдони электрикии дохилӣ дар пайванди p-n зарядҳоро маҷбур мекунад, ки ҳаракат кунанд ва ҷараёни электрикиро ба вуҷуд оранд. Миқдори энергияи фотон аз басомади рӯшноӣ вобаста аст:
E = hf
Самаранокии панелҳои офтобӣ аз ҳарорат, шиддати рӯшноӣ, кунҷи афтидан ва сифати мавод таъсир мегирад. Панелҳои офтобии муосир одатан барои истифодаи тиҷоратӣ тақрибан 15-23% самаранокӣ доранд, гарчанде ки технологияҳои навтар метавонанд дар шароити муайян баландтар бошанд.
б) Офтобӣ-гармӣ
Системаҳои гармии офтобӣ аз гармии офтоб барои гарм кардани моеъ (об ё равғани гармӣ) истифода мебаранд, ки сипас мустақиман истифода мешавад ё барои тавлиди буғ, ки турбинаро ба кор медарорад. Дар ин ҷо принсипҳои термодинамика ва интиқоли гармӣ (гузаронандагӣ, конвексия ва радиатсия) бартарӣ доранд.
2. Энергияи бодӣ
Энергияи бод аз энергияи кинетикии ҷараёни ҳаво, ки дар натиҷаи фарқияти фишор ва гармшавии сатҳи Замин аз ҷониби Офтоб ба вуҷуд меояд, ба даст меояд. Турбинаҳои бодӣ энергияи кинетикии бодро ба энергияи механикии гардиш табдил медиҳанд, ки сипас генераторҳо онро тавассути индуксияи электромагнитӣ (Қонуни Фарадей) ба энергияи барқӣ табдил медиҳанд.
Қувваи назариявии шамоле, ки аз масоҳати буриши кунҷии А мегузарад, бо чунин формула ҳисоб карда мешавад:
P = ½ ρ A v³
ки дар он ρ зичии ҳаво ва v суръати бод аст. Ин формула нишон медиҳад, ки қувва ба суръати бод хеле ҳассос аст (ҳамчун функсияи куби суръати бод), ки макони насби турбинаро омили муҳим мегардонад.
Аммо, на ҳама энергияи бодро ҷамъоварӣ кардан мумкин аст. Ҳадди физикие бо номи Ҳадди Бетс вуҷуд дорад, ки самаранокии максималии турбинаи бодии идеалӣ тақрибан 59,3% -ро ташкил медиҳад.
3. Энергияи об (гидроэлектрикӣ)
Нерӯгоҳҳои барқи обӣ (НБО) энергияи потенсиалии ҷозибаи обро дар баландиҳои баланд истифода мебаранд. Ҳангоми ҷоришавии об ба поён, энергияи потенсиалӣ ба энергияи кинетикӣ табдил меёбад ва турбинаҳо ва генераторҳоро барои истеҳсоли нерӯи барқ ба кор медарорад.
Қувваи истеҳсолшударо бо истифода аз ин ҳисоб кардан мумкин аст:
P = ρ gh Q η
ки дар он g суръатбахшӣ аз ҳисоби ҷозиба, h фишор, Q ҷараёни об ва η самаранокии система аст. Нерӯгоҳҳои барқи обӣ самаранокии баланд доранд (аксар вақт аз 80-90%), ки онҳоро яке аз самараноктарин манбаъҳои энергияи барқароршаванда мегардонанд. Аммо, лоиҳаҳои калони сарбанд метавонанд ба экосистемаҳои дарёӣ ва ҳаёти иҷтимоии ҷамоатҳои атроф таъсир расонанд.
4. Энергияи геотермалӣ
Энергияи геотермалӣ аз гармии дохилии Замин, ки дар натиҷаи вайроншавии радиоактивӣ ва гармии боқимонда аз ташаккули сайёра ба вуҷуд меояд, ба даст меояд. Нерӯгоҳҳои барқи геотермалӣ барои ба кор андохтани турбинаҳо аз буғи гарм ё оби гарм аз обанборҳои зеризаминӣ истифода мебаранд.
Аз нигоҳи термодинамикӣ, системаҳои геотермалӣ мисли дигар нерӯгоҳҳои гармидиҳӣ кор мекунанд: гармӣ обро ба буғ табдил медиҳад, ки турбинаро ба кор медарорад ва сипас буғ дубора конденсатсия мешавад. Мушкилоти асосӣ зангзанӣ, миқдори минералҳо ва ҷойҳои мувофиқи маҳдуд мебошанд. Бартарии он дар он аст, ки нерӯи геотермалӣ метавонад таъминоти устувори (асосии) барқро новобаста аз шароити обу ҳавои ҳаррӯза таъмин кунад.
5. Биомасса
Биомасса маводҳои органикӣ ба монанди чӯб, партовҳои кишоварзӣ ва партовҳои органикиро дар бар мегирад, ки онҳоро сӯзондан ё ба сӯзишвории биологӣ коркард кардан мумкин аст. Энергияи биомасса асосан энергияи кимиёвӣ аст, ки тавассути фотосинтез нигоҳ дошта мешавад. Ҳангоми сӯзондан ё ферментатсия, энергияи кимиёвӣ ҳамчун гармӣ хориҷ мешавад ё ба сӯзишворӣ табдил меёбад.
Аз нигоҳи экологӣ, биомасса аксар вақт барқароршаванда ҳисобида мешавад, аммо он бояд бодиққат идора карда шавад, то аз буридани ҷангалҳо ё партовҳои зиёди соф пешгирӣ карда шавад. Самаранокии табдилдиҳӣ ва сифати сӯзиш инчунин дараҷаи ифлосшавиро муайян мекунанд.
Афзалиятҳо ва маҳдудиятҳои энергияи барқароршаванда
Энергияи барқароршаванда бартариҳои калидӣ дорад, аз ҷумла партовҳои камтари карбон, захираҳои фаровон ва имкони мусоидат ба истиқлолияти энергетикӣ. Аз нигоҳи физика ва муҳандисӣ, технологияи энергияи барқароршаванда рушд мекунад, ки дар натиҷа бо мурури замон самаранокии он афзоиш меёбад.
Аммо, маҳдудиятҳое мавҷуданд, ки бояд бартараф карда шаванд. Аввалан, баъзе манбаъҳо, ба монанди энергияи офтобӣ ва бодӣ, фосилавӣ мебошанд, ки ба системаҳои нигоҳдории энергия (батареяҳо, нерӯгоҳҳои обии насосӣ, гидроген) ё шабакаи интеллектуалӣ ниёз доранд. Дуюм, энергияи барқароршаванда одатан нисбат ба сӯзишвориҳои истихроҷшаванда зичии камтари энергия дорад, ки масоҳати калонтари насбро талаб мекунад. Сеюм, баъзе технологияҳо, ба монанди нерӯгоҳҳои обии обӣ ва геотермалӣ, аз макон вобастаанд.
Мушкилот ва самтҳои рушд
Рушди энергияи барқароршаванда на танҳо масъалаи технологӣ, балки масъалаи иқтисод, сиёсат ва инфрасохтор низ мебошад. Аз нигоҳи физикаи амалӣ, мушкилоти асосӣ иборатанд аз баланд бардоштани самаранокии мавод (масалан, батареяҳои офтобии насли нав), беҳсозии турбинаҳои бодӣ, кам кардани талафоти интиқол ва навовариҳои нигоҳдории бехатар ва дастраси энергия. Системаҳои батареяҳои литий-ионӣ айни замон ба таври васеъ истифода мешаванд, аммо таҳқиқот дар самти батареяҳои иони натрий, батареяҳои сахтҳол ва нигоҳдории гидрогенӣ идома доранд.
Ғайр аз ин, ҳамгироии энергияи барқароршаванда моделсозӣ ва назорати дурусти системаро талаб мекунад. Тағйирот дар нерӯи офтобӣ ва бодӣ бояд бо талабот тавассути пешгӯии обу ҳаво, идоракунии сарборӣ ва технологияи муосири шабака мувозинат карда шаванд.
Хулоса
Энергияи барқароршаванда як роҳи ҳали муҳим барои қонеъ кардани ниёзҳои ояндаи энергияи устувор аст. Тавассути принсипҳои физика - аз фотоэффект ва механикаи моеъ то термодинамика - шаклҳои гуногуни энергияи табииро метавон ба нерӯи барқ ва гармии муфид табдил дод. Ҳар як намуди энергияи барқароршаванда бартариҳо ва маҳдудиятҳои худро дорад, аммо онҳо одатан нисбат ба сӯзишвории истихроҷшаванда таъсири камтар ба муҳити зист доранд. Бо афзоиши самаранокӣ, навовариҳо дар нигоҳдории энергия ва дастгирии сиёсат ва инфрасохтор, энергияи барқароршаванда метавонад ба пояи системаи энергетикии тозатар ва устувортари ҷаҳонӣ табдил ёбад.
Агар шумо хоҳед, ман метавонам рӯйхати адабиёт, таҳияи масъалаҳо, ҳадафҳо ва усули навиштани мақоларо илова кунам, то формат бештар ба стандартҳои мақолаҳои мактабӣ/коллеҷӣ мувофиқат кунад.
