تحقیق رایگان

سایت علمی و پژوهشی آسمان

تحقیق درباره کوره افتابی

مقدمه

کوره آفتابی وسیله‌ای است برای تولید گرما بوسیله تجمع و تمرکز نورخورشید در یک نقطه خاص و استفاده از حرارت آن نقطه برای تولید آب گرم و بخار آبگرم. کوره آفتابی به شکل بشقاب کاو (مقعر) وآینه‌ایو صیقلی (که نورهای تابیده شده بهطرف خود را بازتاب می‌کند) است. نورهای تابیده شده از بی نهایت دور موازی هستند،بنابراین همه آنها بعد از بازتابش نقطه خاصی به نام کانون می‌گذرند. برای ورود بهبحث با چند اصطلاح آشنا می‌شویم.

1.      مرکز آینه (C): نقطه‌ای استکه فاصله تمام نقاط سطح از آن نقطه ثابت است.

2.      کانون (F): نصف فاصله سطح تامرکز را کانون می‌نامند و فاصله و سطح بشقاب (رأس آینه) تا کانون فاصله کانونی (f) نامیده می‌شود.

3.      محور اصلی: خطی فرضی که وسط (رأس)بشقاب را به مرکز وصل کرده و کانون روی آن نیز کانون اصلی نامیده می‌شود.

پرتو نورهای تابیده شده نسبت به محور اصلی در بازتاب تقارن آینه‌ای دارند. پرتونورهایی که موازی محور اصلی بتابد حتما بازتاب آنها از کانون می‌گذرد (کانون اصلی) ، پس در آن نقطه حرارت و گرما بسیار بالاتر از اطراف است. پس اگر منبع آب در آننقطه قرار داده شود آب در اثر انرژی دریافتی از خورشید بسیار گرم خواهد شد و ایناساس یک کوره آفتابی است.

نمونه کوچک و قدیمی کوره آفتابیذره‌بیناست که از شیشه محدب یا حتی یختراشیده شفاف ساخته می‌شد. امروزه از اجسام آینه‌ای با توجه به ویژگی ساختمانی گفتهشده برای تولید آب گرم منازل در ابعاد محدود در پشت بامها و در ابعاد بزرگترساختمان بلند که نمای بیرونی آن به شکل کاو طراحی شده و در نمای جلویی آن ازشیشه‌های رفلکس و آینه‌ای برای بازتاب نور استفاده می‌شود، بطوری که بازتابها در یکنقطه در مقابل یعنی کانون جمع می‌شوند.

در کانون یک منبع آب قرار می‌دهند وبا لوله کشیهایی به توربین تولید برق وصل می‌کنند، با توجه به ابعاد ساختمان انرژیگرمایی دریافتی فوق العاده بالاست و بخار آب تولید شده با جریان شدید در لوله‌ها بهتوربین رسیده و باعث چرخش آن و تولید برق ارزان قیمت در چنین مجموعه نیروگاهی برق - آبی می‌گردد.
با توجه به پیشرفت صنعتی ، نیاز روز افزون به انرژی ، گرانی ،محدودیت منابع ، ناوگان حمل و نقل ،آلودگیهایزیست محیطی برخی منابع انرژی مثلسوختهای فسیلی، پسماندها و ... . استفادهاز انرژی خورشید به عنوان منبع سالم و تجدید پذیر انرژی در زمین راه کار مناسبیبرای منازل در جهت کاهش هزینه و آلودگی و ... باشد، بویژه که برخی مناطق به دلیلصعب العبور بودن و هزینه انتقال و تلفات انرژی بالایی دارند.

برای افزایش بهره‌وری در استفاده از بشقابها و نیروگاهها می‌توان موارد زیر را درنظر گرفت. موقعیت جغرافیایی ، اقلیمی ، ویژگیهای آب و هوا با توجه به آفتابی بودن ،طول روز مسیر ظاهری حرکت خورشید در آسمان از طلوع تا غروب و با استفاده از منابعاطلاعاتی در این مورد می‌توان اطلاعات لازم را بدست آورد.

استفاده از موادمناسب و طراحی آنها در جهت افزایش نسبت بازتاب به نور تابشی و همچنین برنامهرایانه‌ای و یک موتور برای چرخاندن دستگاه و مجموعه برای افزایش کارایی توصیهمی‌شود، طوری که بشقاب و مجموعه همواره مسیر حرکت خورشید را تعقیب کرده و متناسب باآن بچرخد. در برنامه رایانه‌ای استفاده از روش و نمودار رویدات و سلرز - مدار میلخورشید بر حسب عرض جغرافیایی ، انرژی رسیده به سطح و توان جذب و بازتاب سطح در منبعفوق سودمند است.

انرژی خورشیدی(1)

برای تبدیل حرارتی می‌توان یا ازجمع کننده‌های تختو یا ازآینه‌هایمتمرکز کننده استفاده کرد. از نظر ترمودینامیکی از جمع کننده‌های تخت ، دماینسبتا کمتری گرفته می‌شود در صورتی که باآینه‌های سهمویدمای بالاتر و حتی در بعضیشرایط دمای بیشتر از تحمل مواد مورد استفاده بدست می‌آید. روش تبدیلانرژی خورشیدیبهانرژیالکتریکی یا تبدیل انرژی حرارتی به ترموالکتریکی توسط ماشین حرارتی خورشیدی کهبه مولد الکتریکی ترمو - یونی جفت شده ، انجام می‌پذیرید (هنوز در مرحله آزمایشاست). با جریان هوای گرم که توسط انرژی خورشیدی تولید می‌شود، می‌توان یکدستگاه ماشین بادیرا بکار انداخت، ولی هنوزمثال عملی در این مورد وجود ندارد.

مولدهای ترموالکتریکی خورشیدی

یک مدار بسته متشکل از دو فلز هادی مختلف کهتوسط جوش به هم متصل می‌شود، می‌تواند محل یک جریان پیوسته‌ای است، به شرط آنکه بیندو محل اتصال جوش ، اختلاف دما وجود داشته باشد. با استفاده ازمواد نیم رسانامی‌توان بازده تبدیل قابلملاحظه‌ای بدست آورد. یک مولد ترموالکتریکی از تعدادی کوپلها (جفتها) تشکیل شده کههر کدام از آنها از دو عنصر حرارتی تشکیل یافته است: یکی از نوع P و دیگری نوع N توسط پل فلزی که با منبع گرم در تماس است، به هم مربوطند. انتهای دیگر هر دو به یکمقاومت بسته شده و در دمای منبع سرد نگهداری می‌شوند.

منبع گرمای مورداستفاده می‌تواند یک شعله یا انرژی حرارتی یک سیال باشد که به انرژی خورشیدی نیزاندیشیده‌اند. در این مورد می‌توان از یک جمع کننده تخت را که شامل یک یا چند صفحهشیشه‌ای جهت جلوگیری از اتلافهای حرارتی تهیه می‌شود، و یا یک آینه متمرکز کننده رانیز مورد استفاده قرار داد. بهتر است دمای منبع سرد نزدیک به دمای محیط باشد، یاحداقل از آن خیلی دور نباشد؛ مثلا از جریان آب استفاده کرد و برای تأسیسات بزرگ آبگرم بدست آمده برای مصارف خانگی پیشنهاد شده است.
توان ترموالکتریکی یکترموکوپل با رابطه زیر معین می‌شود:

(e = E/(T₂ - T₁

که E نیروی الکتروموتوری ترموکوپل در مدار بازبر حسب ولت ، T₁ و T₂دماهای منبعهای سرد و گرم بر حسب درجهمطلق هستند. اگر n ترموکوپل با همان منبعهای گرم و سرد باشند، نیروی الکتروموتوریدستگاه مساوی با(ne(T₂ - T₁است.

ترموکوپلهای تجارتی

ترموکوپلهای تجارتی معمولا توان ترموالکتریکی ضعیف وحدود 63 میکرو ولت بر درجه سانتیگراد هستند، به شرط آنکه اختلاف دما از 180 درجهسانتیگراد بیشتر نباشد. ترموکوپلی با یک آلیاژ مثبت متشکل از 35 درصد روی و 65 درصدآلومینیوم (شامل 2 درصدقلع ، 0.1 درصد نقره و 6 درصدبیسموت) و یک آلیاژ منفی 91 درصد بیسموت و 9 درصدآنتیموان توان ترموالکتریکی برای اختلاف دمای 80 درجه سانتیگراد به 280 میکرو ولت بر درجهسانتیگراد می‌رسد. متأسفانه به علت ذوب این آلیاژها در دمای 260 درجه سانتیگرادنمی‌توان آن را برای دماهای بالا بکار برد.

برای اصلاح بازده باید موادی باتوان ترموالکتریکی بالا را بکار برد و لازم است موادی که مورد استفاده قرارمی‌گیرند قابلیت هدایت گرمایی (K) ضعیف و مقاومت مخصوص (r) کمتری داشته باشند. تابه حال بازده 10 درصد با موادی که در اختیار دارند، برای دمای 500 درجه منبع گرم و 20 درجه منبع سرد بدست آمده است و با تکنیک خاصی بازده را به 12 درصد نیز بالابرده‌اند. اولین نمونه مولدهایی با جمع کننده تخت با یک یا دو صفحه شیشه‌ای و بدونمتمرکز کردن تشعشع خورشیدی بوده است. بازده حاصل از این نوع تبدیل انرژی خورشیدی بهانرژی الکتریکی حدود 0.5 درصد با جمع کننده‌های تخت بوده است. ترموکوپلهایی با نیمههادیها تهیه شده و توان ترموالکتریکی آنها بیشتر بوده است.

تولید انرژی از خورشید

چگونه می‌توانیم از گرمایخورشید برای تولیدانرژی استفاده کنیم. آیا از نور خورشید نیز می‌توان انرژی بدست آورد. برای اینکار ازباتریخورشیدی استفاده می‌شود که نور خورشید را می‌گیرد وبرق تولید می‌کند. باتریهای خورشیدی از ماده‌ای بنامسیلیسیومساخته می‌شود. هر باتری خورشیدیبرق بسیار ناچیزی تولید می‌کند. برای همین معمولا باید از تعداد زیادی باتری کنارهم استفاده شود تا مقدار برقی که بدست می‌آید، مفید و مناسب باشد.

این باتریهای خورشیدی براحتیتعمیر می‌شوند و نگهداری آنها ساده است و محیط را نیز آلوده نمی‌کنند. با استفادهاز باتریهای خورشیدی می‌توان دستگاههایی چونتلویزیون ،تلفن وپمپ آبرا بکار انداخت. در جاهایی که روزهایطولانی و آفتاب درخشان دارند، حتی می‌توان تمام برق مورد نیاز را از باتریهایخورشیدی گرفت. باتریهای خورشیدی خیلی سبک هستند و به راحتی می‌توان آنها را بهدهکده‌های دور افتاده برد. مردمی که همیشه در حرکت هستند نیز می‌توانند این باتریهارا همراه داشته باشند و هر کجا که می‌روند از برق آنها استفاده کنند. مثلا گروههایپزشکی که برای درمان مردم به صحراها و جاهای دور افتاده می‌روند، باتریهای خورشیدیرا برای روشن نگه داشتن یخچالهایشان بکار می‌گیرند تا داروها سالم و خنکبمانند.

با ساختننیروگاههای خورشیدی بزرگمی‌توان مقدارزیادی برق تولید کرد. البته این نیروگاهها در جاهایی مفید هستند که روزهای طولانی وآفتابی دارند. نیروگاه خورشیدی محیط را آلوده نمی‌کند، چون انرژی لازم را از خورشیدمی‌گیرد و نیازی به سوزاندنسوختهای فسیلیندارد. با استفاده از یکنیروگاه خورشیدی بزرگ ، برق مورد نیاز تمام خانه های یک شهر کوچک تولید می‌شود.

نیروی خورشیدی – برای امروز و همیشه

در نیروگاه خورشیدی ، با استفاده ازنیروی بخار ،‌ برق تولید می‌شود. تعداد زیادیآینه را بکار می‌گیرند تا نور خورشید را بر روی یک دیگ بخار بتابانند که در لوله‌هایدرون آن مایعی مثل روغن جریان دارد. روغن حرارت خورشید را می‌گیرد و آنقدر گرممی‌شود که می‌تواند آب دیگ را به بخار تبدیل کند. بخارتوربینرا به چرخش در می‌آورد. توربین همژنراتوررا می‌چرخاند و برق تولیدمی‌شود.

سولارواننام نیروگاه خورشیدی بزرگی است که در کالیفرنیایآمریکا ساخته شده است. این نیروگاه برج بسیار بلندی دارد. در بالای برج یک دیگ بخارقرار گرفته است. تعداد زیادی آینه اطراف برج روی زمین چیده شده‌اند و نور خورشید رابر دیگ می‌تابانند. به این ترتیب ، آب دیگ به بخار تبدیل می‌شود و بخار هم برایتولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روی دیوار یک ساختمان بزرگ 10طبقه تعداد زیادی آینه قرار داده‌اند که یک آینه بشقابی بزرگ بوجود آمده است. اینآینهانرژیخورشید را از منطقه‌ای وسیع جمع آوری می‌کند و بر برجی می‌تاباند کهکوره دورن آن قرار دارد. آینه‌هایی که روی تپه مقابل قرار گرفته‌اند، خورشید را دنبالمی‌کنند و پرتوهایی آن را بر آینه بشقابی بزرگ می‌تابانند. جالب است بدانید کهتعداد این آینه‌ها حدود 11000 عدد است. نیروی خورشید وقتی مفیدتر خواهد بود کهبتوانیم آن را ذخیره کنیم. استخر خورشیدیمی‌تواند گرمای خورشید را تاساعتها پس از غروب آن ذخیره و نگهداری کند. این استخر سرپوشیده پوشش سیاه رنگی داردکه گرمای خورشید را می‌گیرد. آب استخر دارای نمک است که مقدار آن در عمق استخربیشتر می‌شود.

لایه‌های بالایی آب نمک کمتری دارند از خروج گرمای لایهپایینی که گرم و داغ شده است جلوگیری می‌کنند. ساختن این استخرها و استفاده از آنهاساده است. راههای زیادی برای استفاده از انرژی و نیروی خورشید وجود دارد. نیرویخورشید پاکیزه است و می‌توانیم انرژی مورد نیازمان را از آن بگیریم. ذغال سنگ،نفتوگاز هوا را آلوده می‌کنند و سرانجام یک روز تمام می‌شوند.اما خورشید به درخشش خود ادامهمی‌دهد و نیروی آن همیشگی و ماندنی است.

باتری خورشیدی

وسیله یا دستگاهی است که نور خورشید را مستقیما بهالکتریسیته یا برق تبدیل می کند. ماهواره‌هایی که بهفضا فرستاده می‌شوند، انرژی مورد نیازشان را از تعداد زیادی از همین باتریها می‌گیرند. بعضی ماشین حساب‌ها با باتری خورشیدی هم کار می‌کنند. در نقاط دور افتاده که برقندارند، با استفاده باتری خورشیدی می‌توان دستگاههایی مثل تلویزیون یا یخچال رابکار انداخت و امروزه دانشمندان ماشینها و حتی هواپیماهایی ساخته‌اند که نیروی خودرا از باتری خورشیدی می‌گیرند.

توربین

دستگاهی که شبیه چرخ آب است و وقتی آب یا بخار با فشار به پره‌هایآن برخورد می‌کند، به چرخش در می‌آید. این دستگاه انرژی جنبشی آب را می‌گیرد و بهحرکت چرخشی تبدیل می‌کند.

ژنراتور

دستگاهی است کهانرژیمکانیکی (حرکت چرخشی) را می‌گیرد و بهانرژیالکتریکی یا برق تبدیل می‌کند. معمولا ‌این حرکت چرخشی از یک توربین به ژنراتورمنتقل می‌شود.

سوخت فسیلی

فسیل کلمه‌ای خارجی (لاتین) و به معنی چیزی است که از زمینبیرون آورده می‌شود. غال سنگ ، نفت و گاز را سوخت فسیلی نامیده‌اند، چون از دل زمینبیرون آورده می‌شوند. سوختهای فسیلی در طول میلیونها سال بوجود آمده‌اند. جانوران وگیاهان ، پس از مرگ ، در زیر لایه‌های سنگ و خاک قرار گرفته‌اند و سالهای زیادی زیرفشار مانده‌اند تا به این سوختها تبدیل شده‌اند. بنابراین ، اگر سوختها به همینترتیب مصرف شوند، سرانجام روزی تمام خواهند شد و در این مدت ، ذخیره جدیدی جای آنرا پر نخواهد کرد.

عایق

کوره آفتابی

کوره آفتابی با استفاده از انرژی خورشید گرم می شود (درکوره‌های دیگر ، نوعی سوخت را می‌سوزاند تا گرمایش به کوره منتقل شود.) معمولا بااستفاده از تعداد زیادی آینه ، پرتوهای نور خورشید را جمع آوری و پرقدرت می‌کنند ومجموعه آنها را بر روی کوره می‌تابانند تا دمایش خیلی بالا رود. ذرهبین وسیله‌ای است که همین کار را انجام می‌دهد. شاید دیده باشید که وقتی ذرهبین را مقابل خورشید می‌گیریم و مجموعه پرتوهای آنرا به صورت یک نقطه مثلا روی پوستیا کاغذ می‌تابیم، آن قدر حرارت ایجاد می‌شود که پوست می‌سوزد و یا کاغذ آتشمی‌گیرد.

نیروگاه خورشیدی

نیروگاه مخصوصی که برای تولید برق از انرژی گرمایی خورشیداستفاده می کند. از این انرژی برای گرم کردن یک کوره آفتابی استفاده می‌شود که بخارلازم را تولید می‌کند. از این مرحله به بعد ، کار همانند نیروگاههای دیگر انجاممی‌شود: بخار ، توربینها را می‌چرخاند و توربین هم ژنراتورها را بکار می‌اندازد تابرق تولید شود