fixed focus - کانون ثابت

ورود
نام کاربری

گذرواژه



آیا گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
برای درخواست یک گذرواژه جدید اینجا را کلیک کنید.

کانون ثابت

 

سلام به همه علاقه مندان به فن آوری انرژی خورشیدی و انرژی پاک

به سایت fixedfocusخوش آمدید در این سایت به روشهای جدیدی برای دسترسی به انرژی پاک آشنا خواهیم شد که امیدوارم مورد توجه قرار گیرد . برای هرگونه پیشنهاد و یا انتقاد می توانید به آدرس sand20251@gmail.com به من ایمیل بزنید .

قسمت اول : نسل جدید آبگرمکن خورشیدی:

با اختراع متمرکز کننده خورشیدی با کانون ثابت می توان گفت که تحولی نوین در استفاده از "انرژی پاک خورشیدی" فراهم شده است. اولین نمونه ای که با استفاده از این سیستم طراحی و ساخته شده است،نسل جدید آبگرمکن خورشیدی میباشد . آبگرمکن فوق علاوه بر هزینه کم در ساخت وتولید، توانایی های خاصی نسبت به آبگرمکن های موجود در بازار دارد. این آبگرمکن خورشیدی از یک دیش سهموی خورشیدی ویک ریل دایره ای افقی و یک ریل عمودی و سه موتور DCهمراه با پنل خورشیدی و ردیاب خورشیدی و یک کانون ثابت تشکیل شده است.

بعضی از خصوصیت های منحصر به فرد این آبگرمکن به شرح زیر می باشد.

1-آبگرمکن فوق می تواند حتی در روزهای سرد زمستان دمای آب مخزن را تا نقطه جوش بالا ببرد ،در صورتی که هیچ آبگرمکن خورشیدی دیگری قادر به انجام این کار نیست.

2-اگر دیش آبگرمکن خورشیدی بزرگتر باشد،میتوان از آن به عنوان آب گرمکن فوری استفاده کرد ،همانند آبگرمکن گازی دیواری که فاقد مخزن آب می باشد.

3- از این آبگرمکن که با کانون ثابت می باشد میتوان با تغییرات کوچکی آن را به آب شیرین کن تبدیل نمود و در مناطقی که فاقد آب شرب هستند از آن به عنوان آب شیرین کن استفاده نمود.

در شکل زیر عکس هردوآبگرمکن، نسل جدید وآبگرمکن های معمولی را مشاهده میکنید.


                   

      آبگرمکن معمولی خورشیدی

                                  

  نسل جدید آبگرمکن خورشیدی

 

برای تحلیل و آشنایی با نحوه کارنسل جدید آبگرمکن خورشیدی با دیش متغیر ابتدا باید با روش کاراختراع "متمرکز کننده خورشیدی باکانون ثابت" آشنا شویم ،وبرای این کار ابتدا به راه کارهای موجود در دنیا برای متمرکز کردن تابش خورشید در نیروگاهها می پردازیم.

به طور خلاصه انواع نیروگاههای خورشیدی از نوع حرارتی به پنج دسته زیر تقسیم میشوند.

1-  نیروگاه دریافت کننده مرکزی یا برج حرارتی (Concentrating Receiver Systems)

2-  نیروگاه سهموی خطی (Parabolic Trough)

3- نیروگاه دیش سهموی(Parabolic Dish)

4- نیروگاه دودکش خورشیدی(Solar Chimney)

5- نیروگاه کلکتور فرنل(Fresnel Collector)

اما دراین روشها تنها دو روش بیشتر از بقیه موفقیت آمیز و مقرون به صرفه بوده است واین دوروش عبارتند از :

1- نیروگاه دریافت کننده مرکزی یا برج حرارتی (Concentrating Receiver Systems)

2- نیروگاه سهموی خطی (Parabolic Trough)

نکته بسیار مهم در استفاده از نیروگاه خورشیدی مقرون بصرفه بودن آن در سرمایه گذاری اولیه و تولید الکتریسته می باشد ،به همین دلیل استفاده از بعضی روش ها در تولید و تبدیل انرژی خورشیدی چندان مقرون به صرفه نمی باشد .

در حال حاضر بهترین نیروگاه حرارتی خورشیدی که دارای صرفه اقتصادی نسبت به بقیه دارد ،همان دریافت کننده مرکزی( solar tower )میباشد،این نیروگاه دارای تعداد زیادی آینه های بزرگ منعکس کننده به نام هليوستات است، که به صورت هدایت کننده مرکزی در مرکز کنترل نیروگاه، همواره تابش خورشید را بر روی یک مخزن و بر روی یک برجک درمرکزنیروگاه منتقل میکند و چون تعداد آینه های منعکس کننده زیاد می باشد لذا درجه حرارت روی مخزن برجک بسیار زیاد خواهد بود. اکنون با حرکت سیال از درون مخزن فوق ،باعث داغ شدن سیال فوق میگردد .

موادی همانند آب ،روغن حرارتی ، نمک نیتراته، را میتوان از مخزن برج حرارتی عبور داد،  البته اگر آب رابه صورت مستقیم از برج حرارتی عبور دهیم آب سریعا بخار شده وفشار و حرارت بخارآب میتواند توربین های بخار را به حرکت در آورد . دو نوع مشکل اساسی این نوع نیروگاهها عبارتند از :

1- پیچیدگی و تکنولوژی ساخت این نیروگاهها از بقیه نیروگاههای حرارتی خورشیدی بیشتر است و نمیتوان آن را به راحتی نصب کرد مخصوصا در کشورهای فقیر.

2- به دلیل نیازبه تغییر زاویه تابش آینه های از راه دور، این نیروگاه قادر به توسعه آینه های بیشتر از حد مجاز نمی باشد ،زیرا انعکاس آینه های هليوستات در مسیر های طولانی با کوچکترین لرزش آینه عملا بی اثر و تغییرات حرکتی هر آینه ای، که دور از برجک حرارتی باشد نیاز به فن آوری پیشرفته دارد.

شکل زیر یک چنین نیرو گاهی را نشان می دهد.

   نیروگاه خورشیدیsolar tower   

برای مطالعه بیشتر و روش کارکرد این نوع نیروگاه می توانید از کتب مربوط به نیروگاههای حرارتی خورشیدی استفاده کنید .

نیروگاه دیگری که موفقیت آمیز عمل کرده است، نیرو گاه سهموی خطی می باشد در این نیروگاه که از رشته آینه های سهموی خطی استفاده شده است، دارای پیچیدگی فنی کمتری نسبت به نیروگاه دریافت کننده مرکزی می باشد . اما توان تولیدی آن کمتر از نیروگاه دریافت کننده مرکزی می باشد .

نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سیستم کلکتور سهموی خطی شامل یک سری ردیف های موازی وسری طولانی از متمرکز کننده های سهموی میباشد( مزرعه خورشیدی)، بخش متمرکز کننده شامل سطوح انعکاسی سهموی است که از جنس آینه های شیشه ای میباشند.و دریافت کننده این تابش شامل لوله های جاذب میباشد که از کانون آینه سهموی با پوشش شیشه پیرکس عبور داده شده اند وهمواره در طول خط کانونی قرار گرفته اند. سیستم ردیابی در این دستگاهها تک محوری بوده و ردیابی خورشید از شرق به غرب بر روی تک محور دورانی انجام میگیرد به گونه ای که پرتوهای خورشیدی در تمام مدت ردیابی  بر روی لوله های جذب کننده کانونی متمرکز میشوند. یک سیال انتقال حرارت، بطور مشخص روغن، در دمای بیش از 300 الی 400 درجه سانتیگراد از میان لوله های کانونی در جریان میباشد و روغن داغ در مبدلهای حرارتی(بویلر)، آب را به بخار تبدیل میکند و بخار فوق داغ همراه با فشار زیاد باعث چرخش توربین ونهایتا چرخش ژنراتور وتولید الکتریسته میشود.

شکل زیر مزرعه خورشیدی آینه های سهموی خطی را در نیروگاه نشان می دهد.

نیروگاه سهموی خطی

 

این نیروگاه نیز دارای معایب خاص خود می باشد، که عبارتند از :

 

1- چون دیشهای سهموی خطی در این نیروگاهها، برای تعقیب خورشید در یک جهت خاص حرکت میکنند بنابراین اتلافهای قابل ملاحظه‌ای در زاویه تابش به وجود می آید.و اگر این دیشها می توانستند هر دو حرکت افقی و عمودی را انجام دهند اتلاف زاویه تابش تقریبا به صفر می رسید.

2- مقدار تابش در کانون سیستم سهموی خطی به صورت خطی است، یعنی برای رسیدن به توان وگرمای مناسب بایستی سطح آینه سهموی بسیار زیاد باشد ،که این امر باعث افزایش هزینه و سنگینی استراکچر می شود .

برای اطلاعات بیشتر در مورد نیروگاه های سهموی خطی می توانید از کتابهای مربوط به نیروگاه سهموی خطی استفاده کنید.

نیروگاه دیش سهموی(Parabolic Dish)

اما یک نیروگاه که چندان مورد توجه قرار نگرفته و تقریبا کنار گذاشته شده، نیروگاه خورشیدی با دیش های سهموی می باشد .این نیروگاه شامل دیشهای خورشیدی بوده که در کانون آنها به ناچار از یک سیستم خاص برای تولید الکتریسته استفاده میشود که یک نمونه از آن استفاده از  موتور استرلینگ میباشد. وعلت عدم استقبال از این سیستم ،بازده کم،نسبت به هزینه بالای آن می باشد.در شکل زیر یک چنین نیروگاهی را مشاهده می کنید.

  نمای یک دیش سهموی همراه با موتور استرلینگ

 

علت اینکه چرا این نوع دیش ها  قادر به رقابت در تولید الکتریسته نیستند، کاملا مشخص است  زیرا ما برای استفاده از این دیش ها الزاما وابسته به، بکارگیری سیستمی هستیم که در کانون دیش قرار گیرد و همراه دیش در دو محور عمودی و افقی به تعقیب خورشید بپردازد والکتریسته تولید کند ،در بیشتر موارد از موتور استرلینگ برای این کار استفاده شده اما دو عیب بزرگ در سیستم استرلینگ وجود دارد .

1- بازده کم موتور استرلینگ همراه با ژنراتور در کانون دیش (حداکثر 29 درصد)                                               

    2- هزینه بالای ساخت و نگهداری موتور استرلینگ

البته روشهای دیگری هم به غیر ازاستفاده از موتوراسترلینگ وجود دارد مثلا استفاده از  موتورهای رانكين و برايتون ولی در نهایت باعث عدم کارایی این نوع دیش می باشد . لازم به ذکر است که تمرکز گرمایی در کانون این نوع دیش ها بسیار عالیست مثلا با یک دیش با سطح کمتراز دیش های سهموی خطی به راحتی می توان به دمای بسیار بالا دست یافت وهمچنین انتقال انرژی تابشی خورشید در این دیش های سهموی برروی کانون بیشتر از 98 درصد میباشد .اما در دیش های سهموی خطی چون انعکاس برروی کانون طولی متمرکز میگردد، بنابراین شاهد درجه حرارت بالا نخواهیم بود و در نهایت میتوان گفت تمرکز حرارتی آنها نسبت به دیشهای سهموی خطی هم سطح خود بیشتر است.

اکنون برای اینکه بتوانیم از دیش های سهموی به صورت مطلوب استفاده کنیم  ترفندی را به صورت زیر در نظر می گیریم.

 اگر بتوانیم سیالی را درکانون دیش به چرخش در آوریم و همانند سیستم سهموی خطی آن را به بویلر منتقل کنیم، مشکل حل شده است، اما این کار شدنی نیست زیرا دیش برای تعقیب خورشید هم دارای حرکت افقی است وهم حرکت عمودی واین روش در اتصالات سیال که بسیار داغ است مشکل ساز خواهد بود . البته این کار قبلا درشناندو آمریکا به انجام رسیده ولی چندان موفق آمیز نبوده است.

شکل زیر این سیستم را به همراه رابط های مورد نظر که به کانون متصل شده است را نشان میدهد. در عکس فوق سنگینی تجهیزات کاملا مشهود است، به گونه ای که وزنه 907 کیلوگرمی برای تعادل آن بکار گرفته شده و بهر حال این کار به صرفه نبوده است وکارائی لازم را نداشته است .

کانون حرارتی متصل به دیش ساخته شده در شناندو آمریکا

 

بنابراین باید راهکار بهتری را پیدا کنیم .

بهترین حالت این است که کانون دیش ثابت باشد و به همراه دیش حرکت نکند .وبرای این کار مسئله زیر را عنوان می کنیم .

مسئله : یک سیستم با یک آینه مقعر را طوری طراحی کنید که کانون آن یک نقطه ثابت بوده وآینه قابلیت چرخش 360 درجه افقی و 90 درجه، عمودی را داشته باشد.

این مسئله توسط اختراع "متمرکز کننده خورشیدی با کانون ثابت" حل شده است و با حل این مسئله دیشهای سهموی پا به عرصه نیروگاه های خورشیدی خواهند گذاشت شکل زیر یک نمونه از دیش هایی است که کانون آن ثابت میباشد .

متمرکز کننده خورشیدی با کانون ثابت

 

با این حساب ،اکنون شاهد تحولی در استفاده از دیش های سهموی خواهیم بود و خود دیش های سهموی با کانون ثابت روشی نوین در صنعت انرژی خورشیدی می باشد ،مزایای این سیستم، تمام مشکلات دیش هایی که با کانون متحرک  کار می کند را ازبین خواهد برد .یک سری از مزایای این نوع دیش ها که با کانون ثابت هستند به قرار زیر است . 

1-وزن استراکچر سیستم به شدت کاهش میابد زیرا دیگر نیاز به حمل کانون سنگین ندارد.

2- سیال انتقال گرما به راحتی قابل حرکت در لوله های ثابت وفیکس شده کانون هستند.

3- حرکت افقی و عمودی دیش به علت وزن کم با انرژی بسیار کمتر صورت می پذیرد .

4- چون تجهیزات کمتری در سیستم  بکار رفته شده سیستم بسیار ارزان تر تمام میشود.

5- پیچیدگی سیستم فوق العاده کمتر از سیستم های قبلی است.

6- ازاین سیستم می توان به طور نامحدود در یک نیروگاه بزرگ (مزرعه عظیم خورشیدی)  استفاده کرد.

7- مشکلاتی که به دلیل نیازبه تغییر زاویه تابش آینه های از راه دور در سیستم solar tower وجود دارد در این سیستم وجود ندارد وبنابراین محدودیتی در نسب دیش ها نداریم.

8-  به علت ایجاد حرارت بالا در کانون ثابت این نوع دیش ها می توان نسل جدید "نیروگاه حرارتی خورشیدی پشت بامی "را ساخت مثلا یک دیش خورشیدی تنها با سطح آینه 5 متر مربع در مناطق مختلف ایران می تواند حدود 10الی 25 کیلو وات ساعت انرژی به کانون ثابت منتقل کند .و اگر تنها با ضریب 40 درصد از انرژی کانون و بخار تولید شده توسط میکرو توربین برق تولید کنیم ،میتوانیم 4 الی 10 کیلو وات ساعت برق داشته باشیم .

9- چون در این سیستم انرژی منعکس شده به کانون 98 درصد می باشد بنابراین با این سیستم می توان نسل جدید آبگرمکن خورشیدی با مزایای خاص خود ساخت که بازده آن 90در صد خواهد بود.

10- با این سیستم میتوان کارهای خاصی را انجام داد که تاکنون قادر به انجام آنها نبوده ایم همانند آب شیرین کن خورشیدی ،پکیج خورشیدی ،بخاری خورشیدی،نسل جدید اجاق گاز خورشیدی (با دمای بین صفر تا 400 درجه سانتی گراد) و همه اینها مرهون دیش خورشیدی با کانون ثابت هستیم.

واکنون نیز می توان گفت یک روش به روش نیروگاههای حرارتی خورشیدی اضافه شده وآن "روش نیروگاه دیش سهموی با کانون ثابت "می باشد .

نکته مهم : چون فاصله کانونی در این نوع دیش ها کم است (بین 1تا 3 متر) بنابراین خطای تابش و تمرکز کانونی به شدت کاهش می یابد بنابراین نیاز به استراکچر سنگین برای مستحکم کردن دیش سهموی نداریم و تنها کافیست دیش در مقابل شدت باد محیط واحیانا سنگینی برف باریده شده مقاومت کند.

در اینجا به شرح مختصر و عملی کار نسل جدید آبگرمکن خورشیدی می پردازم :

در شکل زیر یک آبگرمکن خورشیدی با کانون ثابت را مشاهده می کنید مراحل کار کرد این آبگرمکن به شرح زیر می باشد .

1- در هنگام طلوع آفتاب ردیاب های خورشیدی روشن می شوند وباچرخش محور افقی و عمودی، دیش را در مسیر تابش خورشید قرار می دهند و کانون دیش به سرعت داغ می شود.(لازم به ذکر است که سیستم دارای دو ردیاب روزنه ای و تلسکوپی می باشد و وظیفه اصلی ردیاب روزنه ای تحویل راستای تابش خورشید با چرخش دیش به ردیاب تلسکوپی می باشد ردیاب تلسکوپی فوق العاده دقیق بوده و خطای آن در صورت تابش خورشید تقریبا صفر است و نکته مهم این است که هر دو ردیاب با روش ابتکاری و ارزان ساخته شده است )

2- روغن داغی که در کانون و در لوله های فلزی قرار دارد توسط یک پمپ روغن به داخل مخزن آب هدایت شده و سپس روغنی که گرمایش را به آب داده دو باره به کانون ثابت گردش می کند.

3- دو پنل خورشیدی که همواره در جهت تابش خورشید قرار دارد الکتریسته موتور های DC را فراهم میکند و همچنین باعث شارژ باطری دستگاه می شود .

4- اگر در حین کار کرد سیستم هوا ابری شد، ردیاب خورشیدی دستگاه خاموش شده و تا زمان تابش خورشید خاموش می ماند .

5- درهنگام کاردستگاه دمای آب مخزن را می توان به مقدار دلخواه تنظیم کرد.

نسل جدید آبگرمکن خورشیدی 

برای آشنایی بیشتر به ترسیم زیر هم دقت کنید. حرکت افقی و عمودی دیش بر طبق یک اصول هندسی صورت میگیرد .که پایه و اساس سیستم فوق می باشد.

به امید روزی که هرخانواده برای تامین انرژی مورد نیاز خود از یک متمرکز کننده خورشیدی با کانون ثابت  درپشت بام خانه خوداستفاده کند.(نیروگاه خورشیدی پشت بامی )

در آینده از نیروگاه حرارتی خورشیدی برق خانگی به روش

کانون ثابت صحبت خواهیم کرد.(این نیروگاه میتواند به صورت پشت بامی ،نیروگاه محلی، و مزرعه بزرگ خورشیدی مورد استفاده قرار گیرد)

در آخر از توجه شما سپاسگزارم و خواهشمندم هر گونه پیشنهاد یا انتقاد از این سیستم رادر بخش تماس با ما مطرح کنید و یا مستقیم از طریق 

ایمیل sand20251@gmail.com به اینجانب اطلاع رسانی کنید .

/images/hashemi.jpg

                         با تشکر

                   ابراهیم هاشمی