ذخیره سازی انرژی خورشیدی در آب استخر
استخرهای خورشیدی از جمله ابداعات جدید تولید انرژی می باشند و می توان از این سیستم ها برای تامین انرژی مورد نیاز صنعت از طریق ذخیره سازی انرژی رایگان خورشید در آب استخر استفاده نمود كه این مقاله به این موضوع پرداخته و تحقیقات مختلف و نظریه های مطرح در این زمینه را ارائه می كند.
استخر خورشیدی
امروزه، بحران های اقتصادی و مسائلی نظیر محدودیت دوام ذخایر فسیلی، نگرانی های زیست محیطی، ازدحام جمعیت و مصرف بالای انرژی، همگی مباحث مهمی هستند كه با گستردگی تمام، فكر اندیشمندان را در یافتن راهكارهای مناسب برای حل معضلات انرژی در جهان، به خصوص بحران های زیست محیطی، به خود مشغول كرده اند.
دسترسی كشورهای در حال توسعه به انواع منابع جدید انرژی برای توسعه اقتصادی آنها اهمیت اساسی دارد و پژوهش های جدید نشان داده كه بین سطح توسعه یك كشور و میزان مصرف انرژی آن، رابطه مستقیمی برقرار است.
با توجه به ذخایر محدود انرژی فسیلی و افزایش سطح انرژی در جهان، دیگر نمی توان به منابع موجود انرژی متكی بود. با وجود تمامی این مشكلات، برای رسیدن به توسعه صنعتی و رفاه بیشتر نیازمند صنعتی و رفاه بیشتر نیازمند انرژی می باشیم كه می توان آن را با استفاده از استخرهای خورشیدی تامین نمود.
ناحیه گرادیانی – چگالی پایدار
اساس كار یك استخر خورشیدی كه برای ذخیره سازی انرژی خورشیدی بكار می رود یك ناحیه گرادیانی-چگالی پایدار است كه روی ناحیه چگالی ذخیره ساز كه از نظر شوری و دما یكنواخت است (لایه آمیخته)، قرار می گیرد.
این ناحیه گرادیانی از حركات همرفتی كه باعث انتقال انرژی به طرف سطح استخر و اتلاف آن می شود، جلوگیری كرده و باعث ذخیره شدن این انرژی در لایه ذخیره ساز كف استخر می شود. به این ترتیب می توان از انرژی ذخیره شده خورشیدی استفاده نمود.
از این طریق در طی فرایندهای انرژی مورد نیاز خود را از خورشید و با بهره گیری از استخرهای خورشیدی تامین نمود كه با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران و همچنین قرارگیری اكثر مناطق صنعتی كشور در معرض نور بسار عالی خورشید می توان از این نعمت خدادادی به نحو بسیار خوبی در حوزه های مختلف از قبیل نیروگاه ها، تولید گرمای مورد نیاز جهت فرایندهای شیمیایی، تولید مواد گرمای غذایی و صنایع نساجی، پالایش نفت، فرایند استخراج و جداسازی فلزات و… استفاده نمود.
بدین ترتیب می توان در حوزه های صنعتی نیز در مصرف انرژی صرفه جویی كرد و از انرژی های نو به ویژه انرژی رایگان خورشید، بهره كافی برد. در ادامه به نحوه عملكرد و مشخصات سیستم های استخر خورشیدی می پردازیم.
استخر خورشیدی
فناوری استخرهای خورشیدی یكی از تكنیك های نسبتا ساده بهره برداری از انرژی خورشیدی است كه برای ذخیره و استفاده از انرژی گرمایی خورشید ابداع گردیده و دارای كاربردهای متنوعی است.
اولین بار در سال 1958 ئگنر ردلف بلوخ ودكتر هری تابور طرح یك استخر خورشیدی آب نمك صنعتی را تهیه كردند و در دهه های 70 و 80 میلادی این فناوری قابل اجرا شد.
لوسین برونیكی توربین حرارت پایین از گازهای آلی را ابداع نمود و در سال 1965 شركتی را برای ساخت و فروش این گونه توربین ها تاسیس كرد.
از طریق این توربین بود كه گرفتن انرژی از استخرهای خورشیدی امكان پذیر شد، بطوریكه در سال 1981 سه هزار دستگاه آن در 43 كشور جهان در سخت ترین شرایط بدون مشكل در حال كار بودند.
بعنوان نمونه برای شركت نفت آلاسكا تاكنون در حدود 30000000 ساعت از آن بهره برداری شده است. شركت برونیكی و بنیاد تحقیقات علوم آمریكا موفق شدند با همكاری یكدیگر اولین نیروگاه آزمایشی استخرهای خورشیدی آب نمك (EIn Bokek Pilot PLANT) را بسازند.
استخر جکوزی آماده درمانی با تجهیزات طبی داخل آب
استخر خورشیدی آب نمک و ذخیره سازی انرژی خورشیدی در آب استخر
در سال 1975 نیز گروه تحقیقاتی پروفسور هاوارد بریانت توانست در دانشگاه نیومکزیکو اولین نمونه استخرهای آب نمک خورشیدی دولایه را بسازد که استخری بود به قطر15 متر و به عمق 2.5 متر در عمیق ترین نقطه آن بود.
به منظور جمع آوری انرژی خورشیدی بیشتر، دیواره های این استخر دارای زاویه 34 درجه با افق بودند.
در استخر گروه بریانت، در حالی که تغییر درجه حرارت در لایه زیرین استخر کمتر از 1.5 درجه سانتی گراد بود، اختلاف درجه حرارت محیط در هوای خارج 15 درجه سانتیگراد در شبانه روز را نشان می داد.
بررسی ها و مطالعات این گروه نشان داد که حتی اگر یک هفته هم در اثر ابری بودن هوا، آفتاب به استخر نتابد باز هم حرارت کف استخر ثابت می ماند.
حتی وقتی که روی استخر برای مدت 2 هفته یخ بست، حرارت طبقات زیرین در شبانه روز فقط 4% درجه سانتیگراد تغییر می کرد. با اخذ حرارت از استخر ابداعی گروه تحقیقاتی پروفسور بریانت، این امکان فراهم شد که نیازهای گرمایشی یک خانه با 185 متر مربع زیر بنا (قابل استفاده برای یک خانواده پنج نفری) برآورده شود.
دمای کف استخر به 106.5 درجه سانتی گراد نیز رسید که برای پخت و پز مورد استفاده قرار گرفت. آزمایش مشابهی که در انگلستان انجام شد نیز نشان داد که گرمای مورد نیاز ساختمانی با همان زیر بنا را می توان براحتی تامین نمود.
هزینه حرارت تولیدی استخر آب نمک
براساس نظر بریانت، هزینه حرارت تولیدی توسط استخر نمک با هزینه کیلو وات ساعت انرژی حاصل از گاز یکسان بود. اصولا دو نوع استخر خورشیدی آب نمک وجود دارد:
- دو لایه ای
- چند لایه ای
اگر آب یک استخر(یا دریاچه کوچک) شور و بی حرکت باشد و مدت ها مقابل آفتاب قرار گیرد، از آنجا که تبخیر بطور مداوم جریان دارد به تدریج لایه ای از آب گرم پررنگ تر (غلیظ تر ) در سطح استخر بوجود می آید که بدلیل وزن خود به آهستگی به طرف پائین حرکت نموده و در ته استخر جمع می گردد.
اگر قطره لایه اخیر آب که گرمتر و شورتر است به یک متر برسد و به نحوی از میل طبیعی آن که صعود به طرف بالاست جلوگیری شود تا این لایه در جای خود ثابت بماند، منبع خوبی برای ذخیره حرارت به وجود خواهد آمد.
استخرهای دو لایه
بنابراین استخرهای دو لایه به این دلیل چنین نامیده می شوند که دولایه آب نمک در آنها تشکیل می شود که لایه با غلظت کمتر در بالا و لایه با غلظت بیشتر در پایین و ته استخر جمع می شود. این استخرهای آب نمکی حتی در روزهای ابری نیز قادر به کار خواهد بود.
استخر آب نمک دولایه ای در واقع تقلیدی است از طبیعت. اینگونه استخرها را می توان در نقاط مختلف کره زمین مشاهده کرد از جمله: دریاچه مدوه در مجارستان، دریاچه ایلات در فلسطین، دریاچه اورویل در واشنگتن، دریاچه آنتیل در ونزوئلا، دریاچه های ارومیه، بختگان، هامون و سواحل خلیج فارس.
بعضی از استخرهای خورشیدی طبیعی می توانند تا هفتاد درجه سانتی گراد نیز گرم شوند اما درجه حرارت طبقه ذخیره (لایه پایینی) که از آن بهره برداری می‌کنند معمولا حدود 80 تا 90 درجه سانتیگراد باقی می‌ماند.
البته حرارت طبقه سنگین و داغ استخرهای خورشیدی ساخت دست بشر به درجه آب جوش و حتی به علت وجود املاح و نمک به بیشتر از آن هم می رسد در حالی که درجه حرارت آب روی استخر در حدود 25 درجه سانتیگراد در موقع کار استخر باقی می ماند.
استخرهای چند لایه
در نوع چند لایه اینگونه استخرها چند لایه آب و نمک با غلظت‌های متغیر بوجود می آیند و به این ترتیب جلوی خروج جریان های همرفت توسط اختلاف غلظت لایه های آب نمکی گرفته می شود.
در پایین ترین لایه، غلظت محلول (که می تواندنمک طعام معمولی یا نیترات پتاسیم باشد) با درصدی خاص شروع شده و بتدریج کاهش می یابد تا آنکه لایه بالایی و آخری با آب بدون نمک پوشانده می شود.
در تجربه گروه پروفسور بریانت، غلظت پایین ترین لایه 15% بود و بتدریج در حدود یک درصد در هر لایه از آن کاسته می شد. در این استخرها، آب در سه ناحیه با افزایش شوری ذخیره می شود.
حداکثر شوری آب استخر خورشیدی
حداکثر شوری در ناحیه بالایی استخر خورشیدی در حدود شوری آب دریا است. ضخامت این ناحیه هرچه کمتر باشد عملکرد حرارتی استخر بهتر می شود.
اما پیدایش این ناحیه، بدلیل عواملی از قبیل اختلاط سطحی ناشی از وزش باد و یا انتقال نمک از لایه زیرین به سطح استخر خورشیدی، اجتناب ناپذیر است. ضخامت معمول لایه سطحی در حدود 10 تا 30 سانتی متر است که در “شرایط حفاظت نشده”به نیم متر بیشتر هم می رسد.
در لایه سطحی، بدلیل یکنواختی دانسیته، حرکت همرفتی در عمق صورت می پذیرد.
در ناحیه وسط چگالی آب بطور شبه خطی با عمق افزایش پیدا می کند تا به حداکثر مقدار خود برسد. بدلیل افزایش چگالی امکان حرکت همرفتی در این ناحیه وجود ندارد. عمق این لایه در حدود 1 تا 1.5 متر است.
در لایه زیرین که سنگین ترین ناحیه استخر خورشیدی است، چگالی آب نمک نسبتا یکنواخت و در حد نزدیک به اشباع می باشد. بنابراین در ناحیه اخیر، حرکت همرفتی صورت می‌پذیرد.
ضخامت این ناحیه متغیر است و بسته به نیاز به دو متر هم می تواند برسد. در ایران نیز پروژه استخر خورشیدی مورد بررسی قرار گرفته و کارهای متعددی که بیشتر جنبه تحقیقاتی داشته است انجام شده که می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- استخر خورشیدی کوچک با گرادیان نمک به مساحت متوسط 1.8 مترمربع در دانشکده ژئوفیزیک دانشگاه تهران.
- استخر خورشیدی با گرادیان نمک به عمق 1.08 متر و به مساحت 4متر مربع در دانشگاه فردوسی مشهد.
نویسنده:محمد افتاری (دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک تبدیل انرژی) – مجله صنعت تاسیسات
! کپی ممنوع * استفاده از مطالب این سایت فقط با ذکر نام منبع بلامانع می باشد * کپی ممنوع !
