چکیده
نیاز به انرژی از دیرباز وجود داشته و بشر همواره به دنبال منابع جدید انرژی بوده است . در سالهای اخیر با تشدید انواع آلودگی های زیست محیطی و مسئله ی گرمایش جهانی ، دانشمندان به فکر استفاده از ان ...
پروژه ی کامل و استثنایی در زمینه انرژی خورشیدی و کاربرد های آن در صنعت و انرژی های نو،مناسب برای ارائه پروژه دانشجویان و دانش آموزان علاقه مند در این زمینه به همراه تصاویر گوناگون و متنوع
اساساً اگربخواهید انرژیهای تجدید‌پذیر از کاربرد وسیعی برخوردار شوند باید که تکنولوژی‌هایارایه شده ساده و قابل اعتماد بوده و برای کشورهای کمتر توسعه یافته نیز مشکلات فنیبه همراه نداشته باشد و بتوان از منابع محدود مواد خام آنها نیز استفاده کرد. درمرحله بعدی نیز باید به آب زیاد نیاز نداشته باشد. در همینجا باید گفت که تکنولوژیدودکش دارای این شرایط است. بررسیهای اقتصادی نشان داده است که اگر این نیروگاههادر مقیاس بزرگ (بزرگتر یا مساوی 100 مگاوات) ساخته شوند، قیمت برق تولیدی آنها قابلمقایسه با برق نیروگاههای متداول است. این موضوع کافی است که بتوان انرژی خورشیدیرا در مقیاسهای بزرگ نیز به خدمت گرفت. بر این اساس می‌توان انتظار داشت کهدودکشهای خورشیدی بتوانند در زمینه تولید برق برای مناطق پرآفتاب نقش مهمی را ایفاکنند. باید توجه داشت که تکنولوژی دودکش خورشیدی در واقع از سه عنصر اصلی تشکیلشده است که اولی جمعکننده هوا و عنصر بعدی برج یا همان دودکش و قسمت آخر نیزتوربینهای باد آن است و همه عناصر آن برای قرنها است که بصورت شناخته شدهدرآمده‌اند و ترکیب آنها نیز برای تولید برق در سال 1931 توسط گونتر مورد بحث قرارگرفته است. در سال 84-1983 نیز نتایج آزمایشات و بحثهای نمونه‌ای از دودکش خورشیدیکه در منطقه مانزانارس در کشور اسپانیا ساخته شده بود، ارایه شد. در سال 1990 شلایشو همکاران در مورد قابل تعمیم بودن نتایج بدست آمده از این نمونه دودکش بحثی راارایه کردند. در سال 1995 شلایش مجدداً این بحث را مورد بازبینی قرار داد. در ادامهدر سال 1997 کریتز طرحی را برای قرار دادن کیسه‌های پر از آب در زیر سقف جمع‌آوریکننده حرارت ارایه کرد تا از این طریق انرژی حرارتی ذخیره‌سازی شود. گانون وهمکاران در سال 2000 یک تجزیه و تحلیل برای سیکل ترمودینامیکی ارایه کردند و بعلاوهدر سال 2003 نیز مشخصات توربین را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. در همین سالروپریت و همکاران نتایج حاصل از محاسبات دینامیک سیالاتی و نیز طراحی توربین براییک دوربین خورشیدی 200 مگاواتی را منتشر ساختند. در سال 2003 دوز سانتوز و همکارانتحلیلهای حرارتی و فنی حاصل از محاسبات حل شده به کمک کامپیوتر را ارایهکردند. در حال حاضر در استرالیا طرح نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت 200 مگاواتدر مرحله طراحی و اجرا است http://www.enviromission. Com.au. باید گفت که استرالیامکان مناسبی برای این فناوری است چون شدت تابش خورشید در این کشور زیاد است. درثانی زمینهای صاف و بدون پستی و بلندی در آن زیاد است و دیگر اینکه تقاضا برای برقاز رشد بالایی برخوردار است ونهایتاً اینکه دولت این کشور خود را به افزایش استفادهاز انرژیهای تجدید‌پذیر ملزم کرده است و از این رو به 9500 گیگاوات ساعت برق در سالاز منابع تجدید پذیر جدید نیاز دارد. اصول کار: هوا در زیر یک سقف شفافکه تشعشع خورشیدی را عبور می‌دهد، گرم می‌شود. باید توجه داشت که وجود این سقف وزمین زیر آن بعنوان یک کلکتور یا جمعکننده خورشیدی عمل می‌کند. در وسط این سقفشفاف یک دودکش یا برج عمودی وجود دارد که هوای زیادی از پایین آن وارد می‌شود. بایدمحل اتصال سقف شفاف و این برج بصورتی باشد که منفذی نداشته باشد و اصطلاحاً «هوابند» شده باشد. بر همگان روشن است که هوای گرم چون سبکتر از هوای سرد است به سمتبالای برج حرکت می‌کند. این حرکت باعث ایجاد مکش در پایین برج می‌شود تا هوای گرمبیشتری را به درون بکشد و هوای سرد پیرامونی به زیر سقف شفاف وارد شود. برای اینکهبتوان این فناوری را بصورت 24 ساعته مورد استفاده قرارداد می‌توان از لوله‌ها یاکیسه‌های پرشده از آب در زیر سقف استفاده کرد. این موضوع بسیار ساده انجام می‌شودیعنی در طول روز آب حرارت را جذب کرده وگرم می‌شود و در طول شب این حرارت را آزادمی‌کند. قابل ذکر است که باید این لوله‌ها را فقط برای یکبار با آب پر کرده و به آباضافی نیازی نیست. بنابراین اساس کار بدین صورت است که تشعشع خورشیدی در این برجباعث ایجاد یک مکش به سمت بالا می‌شود که انرژی حاصل از این مکش توسط چند مرحلهتوربین تعبیه شده در برج به انرژی مکانیکی تبدیل شده و سپس به برق تبدیلمی‌شود.
توان خروجی: به زبان ساده می‌توان توان خروجی برجهای خورشیدی رابصورت حاصلضرب انرژی خورشیدی ورودی (Qsolar) در راندمان مربوط به جمعکننده، برجو توربین بیان کرد: در ادامه سعی می‌شود پارامترهای قابل محاسبه مشخص شوند ودراین راستا باید گفت که Qsolar را می‌توان بصورت حاصلضرب تشعشع افقی (Gh) درمساحتکلکتور (Acoll) نوشت. در داخل برج جریان گرمایی ناشی از کلکتور به انرژی سینتیک (بصورت کنوکسیون) و انرژی پتانسیل (افت فشار در توربین) تبدیل می‌شود. بنابراینمتوجه می‌شویم که اختلاف دانسیته هوا که ناشی از افزایش دما در کلکتور است، بعنوانیک نیروی محرکه عمل می‌کند. هوای سبکتر موجود در برج در قسمت تحتانی و در قسمتفوقانی برج به هوای اطراف متصل است و از این رو باعث ایجاد یک حرکت روبه بالامی‌شود. در یک چنین حالتی یک اختلاف فشار بین قسمت پایین برج (خروجی کلکتور) و محیطاطراف ایجاد می‌شود که فرمول آن بصورت زیر است: بر این اساس با افزایش ارتفاعبرج، ΔPtot افزایش خواهد یافت. البته این اختلاف فشار را می‌توان (با فرض قابلصرفنظر کردن اتلافهای اصطکاکی) به اختلاف استاتیک و دینامیک تقسیم کرد: قابل ذکراست که اختلاف فشار استاتیک در توربین افت می‌کند و اختلاف فشار دینامیک بیانگرانرژی سینتیک جریان هوا است. می‌توان بین توان موجود دراین جریان و اختلاف فشارکل و جریان حجمی هوا وقتی که ΔPs=0، رابطه‌ای نوشت: راندمان برج را بصورت زیربیان می‌کنند: در عمل افت فشار استاتیک ودینامیک ناشی از توربین است. در حالتیکه توربین وجود نداشته باشد می‌توان به حداکثر سرعت جریان دست یافت و تمام اختلاففشار موجود به انرژی سینتیک تبدیل می‌شود: بر اساس تخمین Boussinesq حداکثر سرعتقابل دسترسی برای جریان جابجایی آزاد بصورت زیر است: که دراین فرمول ΔT همانافزایش دما بین محیط و خروجی کلکتور (ورودی دودکش) است. معادل زیر بیانگر راندمانبرج و پارامترهای موثر در آن است: بر اساس این نمایش ساده شده در بین پارامترهایدخیل در دودکش خورشیدی، مهمترین عامل در راندمان برج، ارتفاع آن است. مثلاً برایبرجی به ارتفاع 1000 متر اختلاف بین محاسبات دقیق و محاسبه تقریبی ارایه شده، قابلصرفنظر کردن است. با دقت در معادلات (1)، (2) و (3) می‌توان دریافت که توانخروجی یک دودکش خورشیدی متناسب باسطح کلکتور و ارتفاع برج است. مشخص شد که توانتولید برق یک دودکش خورشیدی متناسب با حجم حاصل از ارتفاع برج و سطح کلکتور استیعنی می‌توان با یک برج بلند و سطح کم و یا یک برج کوتاه با سطح وسیع به یک میزانبرق تولید کرد. البته اگر اتلاف اصطکاکی وارد معادلات شود دیگر موضوع فوق صادقنیست. با این وجود تا زمانی که قطر کلکتور بیش از حد زیاد نشود می‌توان از قاعدهسرانگشتی فوق استفاده کرد.
کلکتور: هوای گرم مورد نیاز برای دودکشخورشیدی توسط پدیده گلخانه‌ای در یک محوطه‌ای که با پلاستیک یا شیشه پوشانده شده وحدوداً چند متری از زمین فاصله دارد، ایجاد می‌شود. البته با نزدیک شدن به پایهبرج، ارتفاع ناحیه پوشانده شده نیز افزایش می‌یابد تا تغییر مسیر حرکت جریان هوابصورت عمودی با کمترین اصطکاک انجام پذیرد. این پوشش باعث می‌شود که امواج تشعشعخورشید وارد شده و تشعشعهای با طول موج بالا مجدداً از زمین گرم بازتاب کند. زمینزیر این سقف شیشه‌ای یا پلاستیکی، گرم شده و حرارت خود را به هوایی که از بیرونوارد این ناحیه شده است و به سمت برج حرکت می‌کند، پسمی‌دهد. ذخیره‌سازی: اگر به یک ظرفیت اضافی برای ذخیره‌سازی حرارت نیازباشد، می‌توان از لوله‌های سیاه رنگ که با آب پر شدهاند و بر روی زمین در داخلکلکتور قرار داده شدهاند، بهره جست. این لوله‌ها را باید فقط یکبار با آب پر کردهو دو طرف آنها را بست و بنابراین تبخیر نیز رخ نخواهد داد. حجم آب درون لوله‌هابنحوی انتخاب می‌شود که بسته به توان خروجی نیروگاه لایه‌ای با ضخامت 20-5سانتیمتری تشکیل شود. در شب زمانی‌که هوای داخل کلکتور شروع بهسرد شدن می‌کند،آب داخل لوله‌ها نیز حرارت ذخیره شده در طول روز را آزاد می‌کند. ذخیره حرارت بهکمک آب بسیار موثرتر از ذخیره در خاک به تنهایی است چون همانطور که می‌دانید انتقالحرارت بین لوله و آب بسیار بیشتر از انتقال حرارت بین سطح خاک و لایه‌های زیرین استو این از آن بابت است که ظرفیت حرارتی آب پنج برابر ظرفیت حرارتی خاکاست. برج: برج به خودی خودنقش موتور حرارتی نیروگاه را بازی می‌کند وهمانند یک لوله تحت فشار است که به دلیل دارا بودن نسبت مناسب سطح به حجم از اتلافاصطکاکی کمی برخوردار است. در این برج سرعت مکش به سمت بالای هوا تقریباً متناسب باافزایش دمای هوا (ΔT) در کلکتور و ارتفاع برج است. در یک دودکش خورشیدی چندمگاواتی، کلکتور باعث می‌شود که دمای هوا بین 35-30 درجه سانتیگراد افزایش یابد واین به معنی سرعتی معادل m/sec15 است که باعث حرکت شتابدار هوا نخواهد شد وبنابراین برای انجام عملیات تعمیر و نگهداری می‌توان براحتی وارد آن شد و ریسک سرعتبالای هوا وجود ندارد. توربینها: با بکارگیری توربینها، انرژی موجود درجریان هوا به انرژی مکانیکی دورانی تبدیل می‌شود. توربینهای موجود در دودکش خورشیدیشبیه توربینهای بادی نیستند و بیشتر شبیه توربینهای نیروگاههای برقابی هستند که بااستفاده از توربینهای محفظه‌دار، فشار استاتیک را به انرژی دورانی تبدیل می‌کنند. سرعت هوا در قبل و بعد از توربین تقریباً یکسان است.. توان قابل حصول در این سیستممتناسب با حاصلضرب جریان حجم هوا در واحد زمان و اختلاف فشار در توربین است. ازنقطه نظر بهره‌وری بیشتر از انرژی، هدف سیستم کنترل توربین بحداکثر رساندن اینحاصلضرب در تمام شرایط عملیاتی است. مدل آزمایشی: برای ساخت یک مدلازمایشی، تحقیقات تئوریک مفصلی انجام شده که آزمایشات تونل باد وسیعی را بهمراهداشت و نهایتاً در سال 1981 منجر به ساخت واحدی با توان تولید 50 کیلووات برق درمنطقه مانزانارس (Manzanares) در 150 کیلومتری جنوب مادرید در کشور اسپانیا شد واین واحد از کمک مالی وزارت تحقیق و فناوری آلمان برخوردار بود. هدف از این طرحتحقیقاتی، تطبیق، اندازه‌گیری محلی، مقایسه پارامترهای تئوریک و عملی و بررسی تاثیراجزاء مختلف دودکش خورشیدی بر راندمان و نیز توان تولیدی این فناوری تحت شرایطواقعی و نیز شرایط خاص آب و هوایی بود. پوشش سقف قسمت کلکتور نه تنها باید شفافیا حداقل نیمه شفاف باشد بلکه باید محکم بوده و از قیمت قابل قبولی برخوردار باشد. برای این پوشش نوعی از ورقه‌های پلاستیکی و نیز شیشه مورد توجه قرار گرفتند تامشخص شود در درازمدت کدامیک از آنها بهتر بوده و صرفه اقتصادی دارد. باید توجه داشتکه شیشه می‌تواند سالیان سال در مقابل طوفان و باد مقاومت کرده وآسیب نبیند و درمقابل بارانهای فصلی نیز نوعی خاصیت خود تمیز کنندگی بروز می‌دهد. در عوضلایه‌های پلاستیکی را باید درون یک قاب قرار داد و وسط آنها نیز اصطلاحاً به سمتزمین شکم می‌دهد. هرچند هزینه اولیه سرمایه‌گذاری ورقه‌های پلاستیکی کمتر است ولیدر مانزانارس با گذشت زمان این لایه‌ها شکننده شدند و آسیب دیدند. البته با پیشرفتدر ساخت لایه‌های مقاوم در برابر دما و اشعه ماوراء بنفش می‌توان به استفاده ازپلاستیکها نیز امیداور بود.
خلاصه ای درباره استفاده از انرژی خورشیدی
مقدمه
خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرژی است، بلکه سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژیهای دیگر است. طبق برآوردهای علمی در حدود ۶۰۰۰ میلیون سال از تولد این گوی آتشین می‌گذرد و در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد.
قطر خورشید ۶۱۰ × ۳۹/۱ کیلومتر است و از گازهایی نظیر هیدروژن (۸/۸۶ درصد) هلیوم (۳ درصد) و ۶۳ عنصر دیگر که مهمترین آنها اکسیژن – کربن – نئون و نیتروژن است تشکیل شده‌است.
میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد میباشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می‌شود.
زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید حدود از کل انرژی تابشی آن میباشد.
جالب است بدانید که سوختهای فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرژیهای باد و آبشار و امواج دریاها و بسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین مقدار انرژی دریافتی زمین از خورشید میباشد.
تاریخچه
شناخت انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز می‌گردد. شاید به دوران سفالگری، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جامهای بزرگ طلائی صیقل داده شده و اشعه خورشید، آتشدانهای محرابها را روشن می‌کردند. یکی از فراعنه مصر معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب بسته می‌شد.
ولی مهمترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم میباشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید گفته می‌شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه‌های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته‌است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتیهای رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده‌است. در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمان‌های قدیم بوده‌است.
با وجود به آنکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستمهایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستمها شده بود تا اینکه افزایش قیمت نفت در سال ۱۹۷۳ باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله تولد انرژی از راههای دیگر (غیر از استفاده سوختهای فسیلی) توجه جدی‌تری نمایند.
کاربردهای انرژی خورشید
در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم‌های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهره‌گیری می‌شود که عبارت‌اند از:
دودکش خورشیدی- راهکاری جدید برای تولید برق از انرژی خورشیدی
اساساً اگر بخواهید انرژیهای تجدید‌پذیر از کاربرد وسیعی برخوردار شوند باید که تکنولوژی‌های ارایه شده ساده و قابل اعتماد بوده و برای کشورهای کمتر توسعه یافته نیز مشکلات فنی به همراه نداشته باشد و بتوان از منابع محدود مواد خام آنها نیز استفاده کرد. در مرحله بعدی نیز باید به آب زیاد نیاز نداشته باشد. در همینجا باید گفت که تکنولوژی دودکش دارای این شرایط است. بررسیهای اقتصادی نشان داده است که اگر این نیروگاهها در مقیاس بزرگ (بزرگتر یا مساوی 100 مگاوات) ساخته شوند، قیمت برق تولیدی آنها قابل مقایسه با برق نیروگاههای متداول است. این موضوع کافی است که بتوان انرژی خورشیدی را در مقیاسهای بزرگ نیز به خدمت گرفت. بر این اساس می‌توان انتظار داشت که دودکشهای خورشیدی بتوانند در زمینه تولید برق برای مناطق پرآفتاب نقش مهمی را ایفا کنند.
باید توجه داشت که تکنولوژی دودکش خورشیدی در واقع از سه عنصر اصلی تشکیل شده است که اولی جمعکننده هوا و عنصر بعدی برج یا همان دودکش و قسمت آخر نیز توربینهای باد آن است و همه عناصر آن برای قرنها است که بصورت شناخته شده درآمده‌اند و ترکیب آنها نیز برای تولید برق در سال 1931 توسط گونتر مورد بحث قرار گرفته است.
در سال 84-1983 نیز نتایج آزمایشات و بحثهای نمونه‌ای از دودکش خورشیدی که در منطقه مانزانارس در کشور اسپانیا ساخته شده بود، ارایه شد. در سال 1990 شلایش و همکاران در مورد قابل تعمیم بودن نتایج بدست آمده از این نمونه دودکش بحثی را ارایه کردند. در سال 1995 شلایش مجدداً این بحث را مورد بازبینی قرار داد. در ادامه در سال 1997 کریتز طرحی را برای قرار دادن کیسه‌های پر از آب در زیر سقف جمع‌آوری کننده حرارت ارایه کرد تا از این طریق انرژی حرارتی ذخیره‌سازی شود. گانون و همکاران در سال 2000 یک تجزیه و تحلیل برای سیکل ترمودینامیکی ارایه کردند و بعلاوه در سال 2003 نیز مشخصات توربین را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. در همین سال روپریت و همکاران نتایج حاصل از محاسبات دینامیک سیالاتی و نیز طراحی توربین برای یک دوربین خورشیدی 200 مگاواتی را منتشر ساختند. در سال 2003 دوز سانتوز و همکاران تحلیلهای حرارتی و فنی حاصل از محاسبات حل شده به کمک کامپیوتر را ارایه کردند. در حال حاضر در استرالیا طرح نیروگاه دودکش خورشیدی با ظرفیت 200 مگاوات در مرحله طراحی و اجرا است http://www.enviromission. Com.au. باید گفت که استرالیا مکان مناسبی برای این فناوری است چون شدت تابش خورشید در این کشور زیاد است. در ثانی زمینهای صاف و بدون پستی و بلندی در آن زیاد است و دیگر اینکه تقاضا برای برق از رشد بالایی برخوردار است ونهایتاً اینکه دولت این کشور خود را به افزایش استفاده از انرژیهای تجدید‌پذیر ملزم کرده است و از این رو به 9500 گیگاوات ساعت برق در سال از منابع تجدید پذیر جدید نیاز دارد.
اصول کار: هوا در زیر یک سقف شفاف که تشعشع خورشیدی را عبور می‌دهد، گرم می‌شود. باید توجه داشت که وجود این سقف و زمین زیر آن بعنوان یک کلکتور یا جمعکننده خورشیدی عمل می‌کند. در وسط این سقف شفاف یک دودکش یا برج عمودی وجود دارد که هوای زیادی از پایین آن وارد می‌شود. باید محل اتصال سقف شفاف و این برج بصورتی باشد که منفذی نداشته باشد و اصطلاحاً «هوا بند» شده باشد. بر همگان روشن است که هوای گرم چون