رشد صنعت و كيفيت زندگي جوامع در تمام ادوار تاريخ ، با چگونگي مصرف و توليد انرژي رابطه مستقيمي داشته است. از طرفي منابع انرژي همچون نفت ، زغال سنگ و منابع انرژيهاي فسيلي تجديد ناپذير هستند و سرانجام روزي به پايان خواهند رسيد. از طرف ديگر ، زندگي بشر با توليد انرژي نسبت مستقيم دارد. بنابراين ادامه حيات در روي زمين ايجاب مي‌كند كه بايد به فكر منابع جديد و قابل تجديد انرژي بود. نحوه توليد و استفاده از اين منابع جديد انرژي علم و دانش خاص خود را مي‌طلبد و چون اغلب فرايندهاي مربوط به اين منابع جديد انرژي ، در علم فيزيك مورد مطالعه قرار مي‌گيرند، لذا در علم فيزيك شاخه‌اي تحت عنوان فيزيك انرژيهاي بالا ايجاد شده است كه بطور مفصل ، مسائل مربوط به اين منابع جديد را مورد بحث قرار مي‌دهد.
منابع جديد انرژي و كشورهاي در حال توسعه
منابع جديد انرژي كه قابل تجديد مي‌باشند، تقريبا بسيار متنوع و زياد هستند. انرژي باد ، بيوانرژي ، انرژي امواج ، انرژي گراديان حرارتي درياها ، ژئوترمال ، انرژي فيوژن و انرژي آب چند نمونه از اين منابع جديد انرژي هستند. البته لازم به ذكر است كه تمام اين منابع انرژي از زمانهاي قبل نيز وجود داشتند، ولي رشد و توسعه علم و تكنولوژي بشر را قادر به مهار كردن اين انرژيها نموده است. در ميان منابع فوق انرژي فيوژن و انرژي خورشيد جزو منابع غني انرژي هستند كه بشر در مهار كردن آنها با مشكلاتي مواجه است.
البته شكي نيست كه به خاطر جوان بودن رشته فيزيك انرژيهاي بالا ، مشكلات تكنولوژي زيادي وجود دارند كه بايد بر آنها غالب شد. در حال حاضر تقريبا چند كشور از ممالك در حال توسعه داراي تكنولوژي استفاده از اين منابع هستند. جدا از تكنولوژي فيوژن ، بهره‌گيري از منابع جديد و قابل تجديد انرژي احتياج به يك دقت نظر و برنامه‌ريزي دقيق دارد كه بايد از طرف متوليان امر انرژي در اين كشورها اعمال شود.
غير متمركز بودن جمعيت در كشورهاي در حال توسعه يكي از مزاياي اين كشورها در استفاده از منابع جديد و قابل تجديد انرژي است. چون قسمت اعظم جمعيت اين كشورها در روستاها و مناطق دور افتاده زندگي مي‌كنند، جايي كه شبكه برق رساني و حمل و نقل يا هنوز به آنها نرسيده و يا به صورت محدود و ابتدايي در اين مناطق توسعه يافته است. همچنين اين كشورها در مراحل مختلف توسعه هستند و لذا وقت كافي براي تشكيل نمونه مصرفي ، كه با منابع جديد و قابل تجديد انرژي هماهنگ باشد، را دارا هستند.
مراحل استفاده از سيستمهاي خورشيدي
* مرحله اول در استفاده از سيستمهاي خورشيدي ، مسائل تكنولوژيكي و علمي است كه از مسائل اصلي و ضروري هستند كه بايد بيشتر مورد توجه قرار گيرند. در اين مرحله ، بر حسب نوع آب و هوا و نوع ساختمان و شرايط محيطي راه حلهاي مختلفي ارائه مي‌گردد.
* مرحله دوم تلفيق و هماهنگي اين سيستمها با سيستمهاي موجود است كه اين امر از جمله مسائلي است كه بايد در شهرها مورد توجه قرار گيرد. معمولا يك طرح خورشيدي بهينه بايد حدود 60 تا 80 درصد از انرژي مصرفي خود را توسط خورشيد تامين كند و بقيه را توسط يك سيستم كمكي بدست آورد.
طراحي يك سيستم خورشيدي براي تامين صد درصد انرژي تقريبا غير اقتصادي و شايد غير عملي باشد. بنابراين ، استفاده از يك سيستم كمكي كه معمولا از شبكه‌هاي برق و گاز تامين خواهد شد، غيرقابل اجتناب است. اين مسئله باعث بروز مشكلاتي در تنظيم و كنترل بار شبكه خواهد شد. بنابراين استفاده انبوه از اين سيستمها در شهرها ، موضوعي است كه بايد به دقت بررسي شود.
ارتباط فيزيك انرژي بالا با ساير علوم
اصول رشته فيزيك انرژي بالا بر اساس چندين رشته مختلف از علوم مانند فيزيك ، شيمي ، رياضيات ، اقتصاد ، مهندسي مكانيك ، مهندسي الكترونيك و مهندسي شيمي بنا نهاده شده است. بنابراين ، براي اشراف كامل يافتن بر موضوع نياز به آگاهيهاي وسيعي از موضوعات مختلف وجود دارد. تنوع و گستردگي موضوع از يك طرف و تازه و جوان و نوپا بودن علم فيزيك انرژيهاي بالا سبب شده است كه تعداد افراد متخصص در اين رشته در مقايسه با ساير رشته‌ها كمتر باشد.
همچنين چون انرژي هسته‌اي و فرايندهاي هسته‌اي به صورت گسترده و وسيع در فيزيك هسته‌اي مورد بحث قرار مي‌گيرند، لذا اين علم با فيزيك هسته‌اي ارتباطي تنگاتنگ دارد. البته شاخه‌هاي مختلف علم فيزيك مانند ترموديناميك ، فيزيك راكتور ، فيزيك فضا و ساير شاخه‌هاي فيزيك نيز با اين علم مرتبط هستند.
چند نمونه از مصارف انرژي خورشيدي در جامعه
آبگرمكن خورشيدي
مساعدترين بخش براي كاربرد انرژي خورشيدي ، بخش خانگي است. قسمت اعظم آب گرم مصرفي در اين بخش مي‌تواند توسط انرژي خورشيدي تأمين شود، اما در پاره‌اي از موارد استفاده از انرژي براي تامين آب گرم مصرفي مناسب نخواهد بود. از جمله اين موارد آپارتمانهاي بلند ، مناطق جنگلي ، خانه‌هايي كه در جهت نامناسب قرار دارند و مناطق با تشعشعات خورشيدي كم است. در هر حال ، مي‌توان بيشتر از 60 درصد آب گرم خانگي را از طريق خورشيدي تامين نمود. امروزه تكنولوژي آبگرمكن‌هاي خورشيدي كاملا توسعه پيدا كرده و به درجه بالايي از رشد و پيشرفت رسيده است.
گرم كردن فضا
گرم كردن فضا خصوصا در مناطق سرد احتياج به انرژي قابل ملاحظه‌اي دارد و شايد يكي از اقلام مهمي باشد كه مي‌تواند با تكنولوژي موجود توسط انرژي خورشيدي تامين شود. البته اين كار چندان ساده نيست و اكثر ساختمانهاي موجود براي اين كار مساعد نيستند. برخلاف سيستم آب گرم خانگي ، در اين زمينه طرحهاي مختلفي وجود دارد كه به عنوان مثال مي‌توان به سيستمهاي هوا ، سيستمهاي آبي ، سيستمهاي پسيو و غيره اشاره كرد.
توليد بخار صنعتي
معمولا بخار در محدوده 300 _ 500 درجه فارنهايت در بيشتر صنايع مورد استفاده قرار مي‌گيرد. متمركز كننده‌ها مي‌توانند چنين درجه حرارتي را تامين كنند. روشهاي مختلفي در اين زمينه وجود دارد، ولي معلوم نيست كه كدام روش بهترين است. ذخيره انرژي يكي از مسائل اصلي اين سيستمهاست. هيچگونه سيستم ارزان قيمت و ساده‌اي براي ذخيره حرارت در اين محدوده وجود ندارد.
توليد الكتريسته توسط سلولهاي خورشيدي
سلول خورشيدي وسيله‌اي است كه مي‌تواند با استفاده از انرژي خورشيدي جريان الكتريسيته توليد كند. اين سلولها مي‌توانند در يك ماهواره مصنوعي خارج از جو زمين ، در محلي كه بيشتر اوقات خارج از سايه زمين قرار دارد، نصب شوند. انرژي حاصل از خورشيد توسط اين سلولها به امواج ماكروويو تبديل شده و به زمين ارسال مي‌گردد. سپس طي فرايندهايي امواج ماكروويو به انرژي الكتريسيته تبديل مي‌گردند.
توليد الكتريسيته توسط تبديل حرارتي
بخار ايجاد شده توسط انرژي خورشيدي مي‌تواند يك توربين مولد الكتريسته را به حركت در آورد و جريان الكتريسته ايجاد نمايد. البته اين كار مي‌تواند به روشهاي مختلف صورت گيرد.
توليد هيدروژن در راكتور هسته‌اي
مشكل ذخيره انرژي يكي از مشكلات اساسي بر سر راه توسعه و كاربرد انرژي خورشيدي در درجه حرارت بالا است. هدف نهايي تجزيه آب توسط انرژي خورشيدي و توليد هيدروژن است. اين كار مي‌تواند با استفاده از كاتاليزورها در راكتورها و در درجه حرارت بالا و يا بوسيله عمل الكتروليز انجام شود. هيدروژن توليد شده مي‌تواند براي مدت طولاني ذخيره شده و يا بوسيله لوله انتقال پيدا كند. سلولهاي سوختي مي‌توانند با بازده بالايي هيدروژن را به الكتريسيته تبديل كنند.
منابع جديد انرژي و كشورهاي در حال توسعه
منابع جديد انرژي كه قابل تجديد مي‌باشند، تقريبا بسيار متنوع و زياد هستند. انرژي باد ، بيوانرژي ، انرژي امواج ، انرژي گراديان حرارتي درياها ، ژئوترمال ، انرژي فيوژن و انرژي آب چند نمونه از اين منابع جديد انرژي هستند. البته لازم به ذكر است كه تمام اين منابع انرژي از زمانهاي قبل نيز وجود داشتند، ولي رشد و توسعه علم و تكنولوژي بشر را قادر به مهار كردن اين انرژيها نموده است. در ميان منابع فوق انرژي فيوژن و انرژي خورشيد جزو منابع غني انرژي هستند كه بشر در مهار كردن آنها با مشكلاتي مواجه است.
البته شكي نيست كه به خاطر جوان بودن رشته فيزيك انرژيهاي بالا ، مشكلات تكنولوژي زيادي وجود دارند كه بايد بر آنها غالب شد. در حال حاضر تقريبا چند كشور از ممالك در حال توسعه داراي تكنولوژي استفاده از اين منابع هستند. جدا از تكنولوژي فيوژن ، بهره‌گيري از منابع جديد و قابل تجديد انرژي احتياج به يك دقت نظر و برنامه‌ريزي دقيق دارد كه بايد از طرف متوليان امر انرژي در اين كشورها اعمال شود.
غير متمركز بودن جمعيت در كشورهاي در حال توسعه يكي از مزاياي اين كشورها در استفاده از منابع جديد و قابل تجديد انرژي است. چون قسمت اعظم جمعيت اين كشورها در روستاها و مناطق دور افتاده زندگي مي‌كنند، جايي كه شبكه برق رساني و حمل و نقل يا هنوز به آنها نرسيده و يا به صورت محدود و ابتدايي در اين مناطق توسعه يافته است. همچنين اين كشورها در مراحل مختلف توسعه هستند و لذا وقت كافي براي تشكيل نمونه مصرفي ، كه با منابع جديد و قابل تجديد انرژي هماهنگ باشد، را دارا هستند.
مراحل استفاده از سيستمهاي خورشيدي
* مرحله اول در استفاده از سيستمهاي خورشيدي ، مسائل تكنولوژيكي و علمي است كه از مسائل اصلي و ضروري هستند كه بايد بيشتر مورد توجه قرار گيرند. در اين مرحله ، بر حسب نوع آب و هوا و نوع ساختمان و شرايط محيطي راه حلهاي مختلفي ارائه مي‌گردد.
* مرحله دوم تلفيق و هماهنگي اين سيستمها با سيستمهاي موجود است كه اين امر از جمله مسائلي است كه بايد در شهرها مورد توجه قرار گيرد. معمولا يك طرح خورشيدي بهينه بايد حدود 60 تا 80 درصد از انرژي مصرفي خود را توسط خورشيد تامين كند و بقيه را توسط يك سيستم كمكي بدست آورد.
طراحي يك سيستم خورشيدي براي تامين صد درصد انرژي تقريبا غير اقتصادي و شايد غير عملي باشد. بنابراين ، استفاده از يك سيستم كمكي كه معمولا از شبكه‌هاي برق و گاز تامين خواهد شد، غيرقابل اجتناب است. اين مسئله باعث بروز مشكلاتي در تنظيم و كنترل بار شبكه خواهد شد. بنابراين استفاده انبوه از اين سيستمها در شهرها ، موضوعي است كه بايد به دقت بررسي شود.
ارتباط فيزيك انرژي بالا با ساير علوم
اصول رشته فيزيك انرژي بالا بر اساس چندين رشته مختلف از علوم مانند فيزيك ، شيمي ، رياضيات ، اقتصاد ، مهندسي مكانيك ، مهندسي الكترونيك و مهندسي شيمي بنا نهاده شده است. بنابراين ، براي اشراف كامل يافتن بر موضوع نياز به آگاهيهاي وسيعي از موضوعات مختلف وجود دارد. تنوع و گستردگي موضوع از يك طرف و تازه و جوان و نوپا بودن علم فيزيك انرژيهاي بالا سبب شده است كه تعداد افراد متخصص در اين رشته در مقايسه با ساير رشته‌ها كمتر باشد.
همچنين چون انرژي هسته‌اي و فرايندهاي هسته‌اي به صورت گسترده و وسيع در فيزيك هسته‌اي مورد بحث قرار مي‌گيرند، لذا اين علم با فيزيك هسته‌اي ارتباطي تنگاتنگ دارد. البته شاخه‌هاي مختلف علم فيزيك مانند ترموديناميك ، فيزيك راكتور ، فيزيك فضا و ساير شاخه‌هاي فيزيك نيز با اين علم مرتبط هستند.
چند نمونه از مصارف انرژي خورشيدي در جامعه
آبگرمكن خورشيدي
مساعدترين بخش براي كاربرد انرژي خورشيدي ، بخش خانگي است. قسمت اعظم آب گرم مصرفي در اين بخش مي‌تواند توسط انرژي خورشيدي تأمين شود، اما در پاره‌اي از موارد استفاده از انرژي براي تامين آب گرم مصرفي مناسب نخواهد بود. از جمله اين موارد آپارتمانهاي بلند ، مناطق جنگلي ، خانه‌هايي كه در جهت نامناسب قرار دارند و مناطق با تشعشعات خورشيدي كم است. در هر حال ، مي‌توان بيشتر از 60 درصد آب گرم خانگي را از طريق خورشيدي تامين نمود. امروزه تكنولوژي آبگرمكن‌هاي خورشيدي كاملا توسعه پيدا كرده و به درجه بالايي از رشد و پيشرفت رسيده است.
گرم كردن فضا
گرم كردن فضا خصوصا در مناطق سرد احتياج به انرژي قابل ملاحظه‌اي دارد و شايد يكي از اقلام مهمي باشد كه مي‌تواند با تكنولوژي موجود توسط انرژي خورشيدي تامين شود. البته اين كار چندان ساده نيست و اكثر ساختمانهاي موجود براي اين كار مساعد نيستند. برخلاف سيستم آب گرم خانگي ، در اين زمينه طرحهاي مختلفي وجود دارد كه به عنوان مثال مي‌توان به سيستمهاي هوا ، سيستمهاي آبي ، سيستمهاي پسيو و غيره اشاره كرد.
توليد بخار صنعتي
معمولا بخار در محدوده 300 _ 500 درجه فارنهايت در بيشتر صنايع مورد استفاده قرار مي‌گيرد. متمركز كننده‌ها مي‌توانند چنين درجه حرارتي را تامين كنند. روشهاي مختلفي در اين زمينه وجود دارد، ولي معلوم نيست كه كدام روش بهترين است. ذخيره انرژي يكي از مسائل اصلي اين سيستمهاست. هيچگونه سيستم ارزان قيمت و ساده‌اي براي ذخيره حرارت در اين محدوده وجود ندارد.
توليد الكتريسته توسط سلولهاي خورشيدي
سلول خورشيدي وسيله‌اي است كه مي‌تواند با استفاده از انرژي خورشيدي جريان الكتريسيته توليد كند. اين سلولها مي‌توانند در يك ماهواره مصنوعي خارج از جو زمين ، در محلي كه بيشتر اوقات خارج از سايه زمين قرار دارد، نصب شوند. انرژي حاصل از خورشيد توسط اين سلولها به امواج ماكروويو تبديل شده و به زمين ارسال مي‌گردد. سپس طي فرايندهايي امواج ماكروويو به انرژي الكتريسيته تبديل مي‌گردند.
توليد الكتريسيته توسط تبديل حرارتي
بخار ايجاد شده توسط انرژي خورشيدي مي‌تواند يك توربين مولد الكتريسته را به حركت در آورد و جريان الكتريسته ايجاد نمايد. البته اين كار مي‌تواند به روشهاي مختلف صورت گيرد.
توليد هيدروژن در راكتور هسته‌اي
مشكل ذخيره انرژي يكي از مشكلات اساسي بر سر راه توسعه و كاربرد انرژي خورشيدي در درجه حرارت بالا است. هدف نهايي تجزيه آب توسط انرژي خورشيدي و توليد هيدروژن است. اين كار مي‌تواند با استفاده از كاتاليزورها در راكتورها و در درجه حرارت بالا و يا بوسيله عمل الكتروليز انجام شود. هيدروژن توليد شده مي‌تواند براي مدت طولاني ذخيره شده و يا بوسيله لوله انتقال پيدا كند. سلولهاي سوختي مي‌توانند با بازده بالايي هيدروژن را به الكتريسيته تبديل كنند.