انرژی هیدرودینامیک
مقدمه
مصرف آب به عنوان دومين منبع انرژي (بعد از آتش) براي بشر محسوب ميشود. از اينرو چرخهاي آبي در تاريخ توسعه و مصرف انرژي، نقش مهمي ايفا ميكنند. چرخهاي آبي دستگاههاي مكانيكي سادهاي هستند كه ما ميتوانيم براي درك برخي مفاهيم مهم و كليدي از آنها ياري جوئيم.
سد کارون 3
تاریخچه
چرخ آبي، دستگاهي است كه استخراج انرژي از يك سيستم را ميسر ميسازد. به عنوان مثال اگر دستگاهي را به محور چرخ آبي که در مسیر آب در حال سرازير شدن كه از انرژي پتانسيل بالا به انرژي پانسيل پايين منتقل ميشود متصل كنيم، ميتوانيم از انرژي جنبشي آن براي انجام كار استفاده نمائيم. در واقع چرخ آبي اولين دستگاهي بود كه عملاً بشر را از اتكاء به ماهيچههايش يا به بيگاري گرفتن حيوانات براي انجام كار، رها نمود. اطلاعي از زمان و مكان پيدايش چرخهاي آبي در دست نيست و حتي اطلاعي از اينكه چه شخصي باعث پيشرفت و توسعه آن شد نیز وجود ندارد. حدوداً 300 سال قبل از ميلاد، مصارف ديگري از چرخ آبي ميشد. آنها، با طناب به سطلهايي براي بالا آوردن آب وصل ميشدند كه از آن براي مصارف خانگي و يا آبياري زمينهاي كشاورزي استفاده ميشد. اين، سادهترين و ابتدائيترين كاربرد چرخ آبي بود، Noria، چرخ پرهدار سادهاي بود كه با جريان آب رودخانه، حركت ميكرد و به شتر در مديترانه رواج داشت. Noria چندان عمري نداشت زيرا بلافاصله چرخ ديگري كه در پايين به شرح آن ميپردازيم، بوجود آمد. علت پيدايش اين چرخ جديد، به خاطر نياز Noria به ذخيره زياد آب بود. تا صد قبل از ميلاد، چرخهاي آبي در چندين نواحي دنيا از جمله شمال يونان، تركيه و هند براي آسياب كردن غلات و استخراج روغن از زيتون، كاربرد داشتند. اين چرخها، معروف به چرخهاي افقي ميباشند و ميله عمودي نصب شده بر روي آن، مستقيماً سبب حركت سنگ آسياب ميشود. چرخهاي افقي هم مشكلات و معضلاتي را با خود به همراه داشتند. از جمله آن كه بايد مجهز به نوعي مجرا يا كانال باشند كه موجب انتقال آب به يك طرف چرخ و نهايتاً چرخاندن چرخ شود. از اينرو، چرخهاي افقي در نهرها كه شدت جريان آب در آن شدید ميباشد (نظير نواحي كوهستاني شمال تركيه و يونان) كارآيي داشتند. لازم به ذكر است كه سرعت سنگ آسياب، دقيقاً برابر سرعت چرخ آبي و سرعت چرخ آبي هم بسته به سرعت جريان آب ميباشد. چرخ افقي گاهي اوقات با نام Norse wheel شناخته ميشود. و اولين دستگاه قابل استفاده در منزل بود. در آن زمان غلات با آسيابهاي دستي آرد ميشدند. زنان مجبور به انجام اين كار بودند و زمان زيادي از وقت آنها بدين كار سپري ميشد. اين دستگاه شرايط فوق را تغيير داد. مسئله فوق ممكن است از دو ديدگاه، چندان جالب نباشد. اما مسئلهاي براي ماشيني شدن كارها و رهايي از كار پرزحمت آسياب كردن غلات با دست شد. قديميترين چرخ آبي در كابريا cabria از سواحل جنوبي درياي سياه، پيدا شد.
مکانیزم
انرژي جنبشي
براي درك و روشن شدن، مطلب را با مثال سادهاي آغاز ميكنيم. اگر در حال عبور از نهر آبي باشيم، اين حس در ما ايجاد ميشود كه آب در جهت خلاف پاهاي ما به شدت عبور ميكند. در نهرهايي كه جريان آب در آنها تند باشد بايد مراقب باشيم كه شدت (فشار) آب باعث افتادن ما نشود. همينطور كشش و فشار امواج را هنگام گذر از كنار دريا حس ميكنيم. گاهي اوقات هنگام نزديك شدن امواج، ميتوانيم سريع پاهايمان را كنار بكشيم، يقيناً اگر در زير يك آبشار باشيم، فشار آب را روي بدنمان احساس ميكنيم. اگر اندكي اين چرخ را در نحري كه آب در آن جريان دارد، داخل كنيم. جريان آب در جهت خلاف آن بر آن فشار ميآورد، درست همانند زماني كه ما داخل آب هستيم شويم. فشار آب موجود در جهت فاضلاب فقط يك پدال (پرگا)، موجب چرخش چرخ ميشود. اگر محور چرخ را به يك دستگاه وصل كنيم قادر به انجام كار مفيد، نظير آسياب كردن غلات ميباشيم. پايه و اساس چرخ آبي، درك مفهوم فوق ميباشد.
حال، مشاهدهاي مرتبط در اين زمينه را در نظر مجسم سازيد: زماني كه داخل يك استخر يا حوض مخصوص شنا ايستادهايم و يا در حال گذشتن از آن هستيم، هيچ نگران اين قضيه نيستيم كه جريان آب موجب عدم تعادل و نهايتاً افتادن ما شود. مشابه آن در مورد چرخ آبي هم صدق ميكند. قرار دادن چرخ آبي در استخر شنا، مانع حركت چرخ ميشود.
به تفاوتي بين شرايط فعلي و شرايطي كه قبلاً راجع به آن بحث شد، وجود دارد؟ در استخر شنا با حوض، جريان آب، ثابت و يا اينكه خيلي كند ميباشد. تنها آب جريا (متحرك) باعث هل دادن و به حركت درآوردن ما و همينطور باعث چرخاندن، چرخ آبي ميشود. به حركت درآمدن ما و چرخ آبي، بيانگر انجام كار ميباشد. تنها آب جاري، توان انجام كار را دارد. مطلب فوق مبين اين مسئله است كه آب جاري (آبي كه داراي حركت باشد) داراي نوعی انرژي ميباشد. همانطوري كه قبلاً گفته شد، اگر چرخ آبي را به يك دستگاه مكانيكي وصل كنيم، دستگاه قادر به انجام كار نظير: آسياب كردن فلات يا اره كردن چوب ميباشد. تعميم عبارت فوق بيان اين مطلب است كه:
«انرژي جنبشي، باعث انجام كار ميشود».
انرژي پتانسيل
استفاده از يك چرخ آبي را در نظر مجسم سازيد، با در نظر گرفتن مزيت آبشار و انرژي جنبشي آبي كه از آن سرازير ميشود، چرخهاي چرخدنده ميچرخد و كار انجام ميگيرد. حجمي از آب را در نقطه A در نظر بگيريد، آيا آن مقدار از آب قادر به انجام كار ميباشد؟ خير؟ (حداقل، حالانه)، حجم آب در آن نقطه، فاقد انرژي جنبشي ميباشد. البته بايد بر اين مسئله واقف باشيم كه آب در نقطه A انرژي جنبشي ندارد اما پتانسيل كسب انرژي جنبشي را دارد. براي درك مطلب فوق ميتوانيم بگوئيم كه آب در نقطه A داراي انرژي پتانسيل ميباشد. چه عاملي باعث سرازير شدن آب ميگردد؟ نيروي جاذبه زمين، آب را به مركز زمين ميكشد، بايد گفت كه آب در نقطه «A» انرژي پتانسيل جاذبه را دارا ميباشد.
این انرژی، انرژي پتانسيل جاذبه نيتوني ميباشد كه باعث كشيده شدن اشياء به طرف مركز ثقل ميشود. حال سه نكته ديگر را به آن اضافه مينمائيم. اولاً: انرژي پتانسيل به صورت بالقوه انرژي جنبشي ميباشد (يا انرژي پتانسيل قابل تبديل به انرژي جنبشي ميباشد). ثانياً در نقطه B آب به پرههاي چرخ آبي ضربه ميزند و موجب انتقال انرژي جنبشي آب به چرخ و نهايتاً حركت چرخ كه همان انجام كار ميباشد ميشود. در واقع نقطه B مكاني فعال است. تصور كنيد كه براي حجم آب در نقطه C چه روي ميدهد؟
ممكن است اينطور در ذهن تداعي شود كه انرژي پتانسيل در نقطه C به آخر ميرسد، در واقع آب همیشه، قدري انرژي پتانسيل جاذبه را دارا ميباشد مگر آنكه نقطه C مركز ثقل زمين باشد. بيشترين و بالاترين ميزان انرژي پتانسيل در نقطة A ميباشد. آب هنگام سرازير شدن از آبشار قدري از انرژي پتانسيل اش، به انرژي جنبشي تبديل ميشود و انرژي جنبشي آب در حال سرازير شدن از آبشار، قادر به انجام كارو چرخاندن چرخ آبي ميباشد.
چرخهی تولید نیرو
نمونه ای از توربین
مزایا و معایب
نیروی برقآبی با ایجاد انرژی الکتریکی بدون سوزاندن سوختها از ایجاد آلودهکنندههای متصاعد شده از سوختن سوختهای فسیلی مانند دیاکسید گوگرد، اسید نیتریک، منواکسید کربن، گرد و غبار و سرب (موجود در زغال سنگ) جلوگیری میکند. همچنین هیدروالکتریسیته با از بین بردن ضرورت استفاده از سوختهایی مانند زغال سنگ به طور غیرمستقیم خطرات ناشی از استخراج زغال سنگ را کاهش میدهد. این نیروگاهها زباله هستهای تولید نمیکنند. همچنین خطرات مربوط به تماس با اورانیوم در معادن یا نشت مواد هستهای را نیز ندارند و برعکس اورانیوم در این دسته از نیروگاهها از انرژیهای تجدید پذیری استفاده میشود. در مقایسه با مولدهای بادی، منابع انرژی در نیروگاههای آبی خیلی قابل پیشبینیتر هستند. همچنین این نیروگاهها میتوانند ضریب بار شبکه را بهبود دهند و در زمان نیاز شروع به تولید انرژی الکتریکی کرده و به این ترتیب موجب تعدیل شبکه در طول ساعات پیک شوند. برعکس نیروگاههای گرمایی در نیروگاههای آبی زمان زیادی صرف مطالعات مربوط به سد میشود. معمولاً برای انجام دقیق محاسبات، دادههای حدود ۵۰ سال از رفتارهای رودخانه برای انتخاب بهترین مکان احداث سد و روش ساخت آن لازم است. برعکس نیروگاههایی که از سوختها برای تامین انرژی استفاده میکنند، مکانهای مناسب برای احداث نیروگاههای آبی محدود هستند. همچنین بیشتر نیروگاههای آبی از مراکز تجمع جمعیت دور هستند و باید برای انتقال آنها نیز هزینهای صرف کرد. از دیگر ضعفهای این نیروگاه وابستگی شدید به میزان آب ورودی است و از آنجایکه میزان آب پشت سد به بارشها وابستهاست و در صورتیکه که میزان بارش برف و باران کاهش یابد میزان تولید انرژی الکتریکی نیز کاهش مییابد.
از دیگر سو آب ذخیره شده در پشت یک سد در واقع میتواند بخشی از امکانات مربوط به ورزشهای آبی باشد و به این ترتیب میتواند به جاذبهای برای گردشگران تبدیل شود. در برخی از کشورها از این آب برای پرورش موجودات آبزی مانند ماهیها استفاده میشود به این ترتیب که در برخی سدها محیطهای خاصی برای پرورش موجودات آبزی اختصاص یافته که همیشه از نظر داشتن آب پشتیبانی میشوند. از معایب این نوع انرژی می توان به، جابجایی جمعیت ساکن در مناطق زیر آب رفته توسط آب پشت سد است. این مناطق ممکن است شامل مناطقی باشد که از نظر فرهنگی یا اعتقادی دارای ارزش بالایی هستند و بدین ترتیب دلبستگی زیادی بین مردم ساکن با منطقه و آن منطقه خاص وجود دارد و به این ترتیب با بالا آمدن آب این مکانهای تاریخی یا فرهنگی از بین خواهند رفت.
مسائل اقتصادی
بیشترین مزیت استفاده از نیروگاهها آبی عدم نیاز به استفاده از سوختها و در نتیجه حذف هزینههای مربوط به تامین سوخت است. درواقع هزینه انرژی الکتریکی تولیدی در یک نیروگاه آبی تقریباً از تغییرات قیمت سوختهای فسیلی نظیر نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ مصون است. همچنین عمر متوسط نیروگاههای آبی در مقایسه با نیروگاههای گرمایی بیشتر است، به طوری که عمر برخی از نیروگاههای آبی که هماکنون در حال استفاده هستند به ۵۰ تا ۱۰۰ سال پیش بازمیگردد. هزینه کار این نیروگاهها در حالی که به صورت خودکار عمل کنند کم است و بجز در موارد اضطراری به پرسنل زیادی در نیروگاه نیاز نخواهد بود. در موقعیتهایی که استفاده از سد چندین هدف را پوشش میدهد، ساخت یک نیروگاه آبی هزینه نسبتاً کمی را به هزینههای ساخت سد اضافه میکند. ایجاد یک نیروگاه همچنین میتواند هزینههای مربوط به ساخت سد را جبران کند. برای مثال هزینه ناشی از ساخت سد «Three Gorges» که بزرگترین سد جهان است با فروش انرژی الکتریکی تولیدی در سد در طول ۵ تا ۷ سال جبران شدهاست
آب پشت سد در لوکزامبورگ
آمار در جهان و ایران
مسائل محیط زیست
پروژههای احداث سد معمولاً با تغییرات زیادی در اکوسیستم منطقه احداث سد همراه هستند. برای مثال تحقیقات نشان میدهد که سدهای ساخته شده در کرانههای اقیانوس اطلس و اقیانوس آرام در آمریکای شمالی از میزان ماهیهای قزلآلای رودخانهها به شدت کاستهاست و این به دلیل جلوگیری سد از رسیدن ماهیها به بالای رودخانه برای تخمگذاری است و این درحالی است که برای عبور این ماهیها به بالای رودخانه محلهای خاصی در سد در نظرگرفته شدهاست. همچنین ماهیهای کوچک در طول مهاجرت از رودخانه به دریا در بین توربینها آسیب میبینند که برای رفع این عیب نیز در قسمتی از سال ماهیها را با قایقهای کوچک به پایین رودخانه میبرند. با تمام فعالیتهایی که برای ایجاد محیط مناسب برای ماهیها انجام میشود بازهم با ساخت سد از میزان ماهیها کاسته میشود. در کشورهایی مانند ایالات متحده بستن مسیر مهاجرت ماهیها و دیگر موجودات آبزری به وسیله سد ممنوع است و حتماً باید برای عبور آنها تمهیداتی اندیشیده شود. به این ترتیب در برخی موارد سدها میتوانند واقعاً برای ماهیها آسیب رسان باشند که نمونهای از آنها سد مارموت (Marmot Dam) در ایالات متحدهاست که عملیات حذف آن در ۲۰ اکتبر ۲۰۰۷ به پایان رسید. پس از تخریب این سد رودخانه برای اولین بار پس از۱۰۰ سال جریان آزاد خود را آغاز کرد. عملیات حذف این سد بزرگترین عملیات حذف سد در ایالات متحده بود.
ایجاد سدها معمولاً باعث به وجود آمدن تغییراتی در قسمتهای پایینی رودخانه میشوند. آب خروجی از توربینها معمولاً حامل مقدار کمتری از رسوبات است و این خود باعث پاک شدن بستر رودخانه و از بین رفتن حاشیههای رودخانه میشود. به دلیل اینکه توربینها معمولاً به نوبت کار میکنند نوساناتی در جریان آب خروجی ایجاد میشود که شدت فرسایش بستر رودخانه را افزایش میدهد. همچنین ظرفیت اکسیژن حل شده در آب به دلیل کار توربینها کاهش مییابد چراکه آب خروجی توربینها معمولاً گرمتر از آب ورودی آنهاست که این خود میتواند جان برخی گونههای حساس را به خطر بیاندازد. برخی دیگر از سدها برای افزایش ارتفاع فشار مسیر رودخانه را منحرف کرده و باعث عبور آب از مناطق پر شیبتر میشوند و به این ترتیب مسیر قبلی رودخانه را خشک میکنند. برای مثال در رودخانههای تپاکو (Tekapo) و پوکاکی (Pukaki) از این روش استفاده شدهاست که نه تنها موجب به خطر افتادن برخی گونههای موجودات آبزی شده بلکه پرندگان مهاجر منطقه را نیز به شدت در خطر قرار دادهاست.
منابع
(28/9/1389) Wikipedia
(28/9/1389) سایت های وزارت نیرو و انجمن مهندسان ایران
Bernshtein LB (ed.) (1996) Tidal Power Plants. Seoul Korea Ocean Research And Development Institute (Kordi).
Charlier RH (1982) Tidal Energy. New York Van Nostrand Reinheld
خبرنگاران دانشجویان
این وبلاگ وبلاگی گروهی در مورد موضوع های مختلف همچنین موارد مربوط به رشته برق و استفاده از مطالب دوستان مقالات٬جزوات و ... در این زمینه است. امید به آنکه دوستان عزیز در جهت ارتقاء آن کوشا باشند.