وسایل مورد نیاز : مقوا یا چوب ، فویل آلومینیومی (آینه) ، قوطی فلزی ، دماسنج
1-8_ مقدمه :
سیستم‌های بشقاب/موتور، انرژی گرمایی در اشعه‌ی خورشید را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند و سپس انرژی الکتریکی تولید می‌شود. این روند، بسیار شبیه به روندی است که طی آن، از طریق احتراق سوخت‌های فسیلی، الکتریسیته تولید می‌شود. همان‌طور که در شکل مشاهده می‌شود، سیستم‌های بشقاب/موتور از یک آرایه‌ی آینه برای بازتاب و تمرکز اشعه‌ی خورشید ورودی بر روی یک کلکتور ساخته شده است تا از این طریق، گرمای کافی برای تبدیل کارآمد گرما به کار فراهم شود. این موضوع مستلزم این است که بشقاب، خورشید را طی دو محور دنبال کند. اشعه‌ی خورشید متمرکز شده توسط دریافت کننده (رسیور) جذب شده و به یک موتور منتقل می‌شود.
سیستم‌های بشقاب/موتور توسط بازده بالا، پیمانه‌ای بودن، عملکرد مستقل و قابلیت هیبرید شدن ذاتی (قابلیت عملکرد بر اساس انرژی خورشیدی و سوخت‌های فسیلی یا هردو) تقسیم بندی می‌شوند. در بین تمامی تکنولوژی‌های خورشیدی، سیستم‌های بشقاب/موتور بالاترین بازده تبدیل خورشید-به-الکتریسیته را از خود نشان داده‌اند (۲۹.۴%) و بنابراین بالاترین پتانسیل برای تبدیل شدن به ارزان‌ترین منبع انرژی تجدیدپذیر را دارند. پیمانه‌ای بودن سیستم‌های بشقاب/موتور این امکان را فراهم میکند که به طور مستقل برای کاربردهای از راه دور یا به طور دسته جمعی برای شبکه‌های کوچک (برق روستا) مستقر شوند. سیستم‌های بشقاب/موتور همچنین می‌توانند با یک سوخت فسیلی هیبرید شوند تا به طور بی وقفه توان تولید کنند. این تکنولوژی در مرحله‌ی توسعه‌ی مهندسی به سر می‌برد و همچنان چالش‌های فنی در رابطه با اجزاء خورشیدی و توانایی تجاری سازی یک موتور منحصراً برای کاربرد خورشیدی وجود دارد.
2-8_ نیروگاه خورشیدی دیش استرلینگ :
متمرکز کننده‌ها
سیستم‌های بشقاب/موتور از کلکتورهای متمرکز کننده‌ی خورشیدی استفاده می‌کنند که خورشید را در دو محور دنبال می‌کنند. یک سطح بازتاب کننده- پلاستیک یا شیشه‌ی متالیزه شده- اشعه‌ی خورشیدی ورودی را به یک ناحیه‌ی کوچک به نام کانون بازتاب میکند. سایز متمرکز کننده برای سیستم‌های بشقاب/موتور توسط موتور تعیین می‌شود. با یک بیشینه تابش خورشید اسمی ۱۰۰۰ ، یک متمرکز کننده‌ی سیستم بشقاب/موتور kWe ۲۵ دارای قطری حدود ۱۰ متر می‌باشد.
متمرکز کننده‌ها از یک سطح بازتاب کننده‌ی آلومینیومی یا نقره بهره می‌برند که توسط شیشه یا پلاستیک پوشیده شده است. اکثر سطوح بازتاب کننده‌ی بادوام از نوع آینه‌های نقره/شیشه می‌باشند، شبیه به آینه‌های دکوری در خانه‌ها. تلاش‌ها برای توسعه‌ی فیلم‌های پلیمری بازتاب کننده، دارای موفقیت‌های قابل قبولی نبوده‌اند. به دلیل اینکه متمرکز کننده‌های بشقابی دارای فاصله‌ی کانونی کمی هستند، باید از آینه‌های نسبتاً نازکی برای تطبیق با منحنی‌های لازم استفاده شوند. علاوه بر این، شیشه با یک محتوای آهن کم برای بهبود بازتاب، مطلوب می‌باشد. مطابق با ضخامت محتوای آهن، آینه‌های خورشیدی نقره‌ای دارای مقادیر بازده خورشیدی حدود ۹۰ تا ۹۴ درصد می‌باشند.
حالت متمرکز کننده‌ی ایده‌آل، شبیه به یک سطحی است که در اثر گردش جسم سهمی به دور خود تشکیل می‌شود. متمرکز کننده‌های خورشیدی، این حالت را با چندین آینه با حالت شبه کروی با یک ساختار اتکای خرپا حفظ می‌کنند (به شکل توجه شود). یک نوآوری در طراحی متمرکز کننده‌ی خورشیدی، استفاده از غشاهای ساختاری است که در آن، یک غشای بازتاب کننده در طول یک حلقه کشیده شده است و یک غشای ثانویه برای پوشش فضای باقی مانده استفاده می‌شود. این فضای مذکور تحت یک خلاء جزئی قرار می‌گیرد و به موجب آن، یک حالت شبه کروی به خود می‌گیرد. شکل زیر بیانگر یک سیستم بشقاب/موتور با طرح مذکور است. نسبت بازتاب به عنوان میانگین شار خورشیدی در روزنه‌ی دریافت کننده تقسیم بر تابش نرمال نور خورشید در محیط تعریف می‌شود که معمولاً بیش از ۲۰۰۰ می‌باشد. نسبت‌های بریدگی (Intercept fractions) به عنوان نسبت شار بازتاب شده خورشید که در روزنه‌ی دریافت کننده عبور میکند معمولاً ۹۵ درصد می‌باشد.
دنبال کردن خورشید در دو محور به یکی از این دو راه انجام می‌گیرد: (۱) دنبال کردن زاویه-ارتفاع (azimuth-elevation) و (۲) دنبال کردن قطبی. در روش اول، کلکتور روی صفحه‌ای موازی صفحه‌ی زمین (azimuth) و صفحه‌ی دیگر، عمود بر زمین (elevation) می‌چرخد. این، منجر به چرخش‌های افقی و عمودی کلکتور می‌شود. نرخ چرخش‌ها در طول روز تغییر می‌کنند ولی می‌توانند به راحتی محاسبه شوند. اکثر سیستم‌های بشقاب/موتور بزرگ از این روش استفاده می‌کنند. در روش دنبال کردن قطبی، کلکتور حول یک محور موازی محور گردش زمین می‌چرخد. کلکتور با یک نرخ ۱۵ درجه در ساعت می‌چرخد تا با گردش زمین همگام شود. محور دیگر گردش، محور انحراف، عمود بر محور گردش قطبی می‌باشد. گردش حول این محور به آهستگی رخ می‌دهد و در طول سال، مثبت یا منفی رادیکال ۲۳ درجه تغییر میکند. اکثر سیستم‌های بشقاب/موتور کوچک از این روش استفاده می‌کنند.
3-8_ اجزاء اصلی نیروگاه های دریافت کننده مرکزی :
سطح متمرکزکننده : وظیفه آن متمرکز کردن شعاع های نور خورشید در نقطه کانونی است.
موتور استرلینگ : انرژی گرمایی تمرکز یافته نور را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده که توسط یک آلترناتور از آن الکتریسیته تولید میگردد. این موتورها با سیستم های دما بالا و پرفشار با انتقال حرارت خارجی هستند که گاز هلیوم یا هیدروژن بعنوان سیال عامل آنها عمل میکند. بهترین عملکرد انواع این موتورها در دماهای بالای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشارهایی تا ۲۰ مگاپاسکال انجام می‌شود.
ردیاب و سیستم کنترل : سیستم ردیاب همواره سطح متمرکز کننده را در مقابل خورشید قرار می دهد تا نور دقیقاٌ در دریافت کننده موتور استرلینگ تمرکز یابد. بعلاوه سیستم کنترل با دریافت اطلاعات از سنسورهای مختلف و همچنین موتور استرلینگ، در هر وضعیت فرمان مناسبی برای کنترل سیستم ارسال می نماید.
سازه و فونداسیون : برای نگه داشتن سطح متمرکزکننده، موتور استرلینگ و سایر اجزاء سیستم و تحمل بارهای اینرسی، باد و زلزله وجود یک فونداسیون و سازه ای سبک و با استحکام ضروریست.
4-8_ موتورها :
موتور در یک سیستم بشقاب/موتور، طی رفتاری شبیه به موتورهای احتراق داخلی رایج چهار زمانه، گرما را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. انرژی مکانیکی از طریق یک ژنراتور یا مبدل، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. تعدادی چرخه‌ی ترمودینامیکی و سیال‌های عملگر برای سیستم‌های بشقاب/موتور در نظر گرفته شده است از جمله چرخه‌ی رنکین که از آب یا یک سیال عمل کننده‌ی آلی استفاده میکند؛ برایتون با چرخه‌ی باز یا بسته و چرخه‌ی استرلینگ. چرخههای ترمودینامیک عجیب و غریب دیگر و تغییرات چرخههای مذکور نیز در نظر گرفته شده‌اند. موتورهای احتراق که عموماً موفق بوده‌اند، از چرخههای استرلینگ و برایتون باز (توربین گازی) استفاده کرده‌اند. استفاده از چرخه‌ی موتورهای وسایل نقلیه‌ی Otto و دیزل عملی نیست زیرا یکپارچه سازی آنها با متمرکز کننده‌های خورشیدی بسیار دشوار است. گرما همچنین می‌تواند توسط سوزاننده‌ی گاز تکمیلی فراهم شود تا عملکرد در هوای ابری یا در هنگام شب نیز ممکن شود. خروجی الکتریسیته در نمونه‌های اولیه‌ی سیستم‌های بشقاب/موتور کنونی حدود kWe ۲۵ برای سیستم‌های بشقاب/استرلینگ و حدود kWe ۳۰ برای سیستم‌های برایتون است. سیستم‌های کوچک‌تر با خروجی ۵ تا ۱۰kWe نیز توسعه داده شده‌اند.
چرخه‌ی استرلینگ :
موتورهایی با چرخه‌ی استرلینگ که در سیستم‌های خورشیدی بشقاب/استرلینگ استفاده می‌شوند، موتورهایی با دمای بالا و فشار بالا هستند که از بیرون گرم می‌شوند و از گاز عملگر هلیوم یا هیدروژن استفاده می‌کنند. دماهای گاز عملگر حدود ۷۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد با فشار Mpa ۲۰ می‌باشند که در موتورهای استرلینگ مدرن با کارایی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. در چرخه‌ی استرلینگ، گاز عملگر طی روندهای دما-ثابت و حجم-ثابت، متناوباً گرم و یا خنک می‌شود. موتورهای استرلینگ معمولاً با یک “باز تولیدکننده” (regenerator) با قابلیت افزایش بازده همکاری می‌کنند که طی روند خنک کردن حجم-ثابت، گرما را جذب میکند و این گرما را حین گرم شدن گاز در حجم-ثابت، جایگزین میکند. شکل زیر نشان دهنده‌ی چهار روند پایه‌ی چرخه‌ی موتور استرلینگ می‌باشد .
تعدادی ساختار مکانیکی وجود دارد که این روندهای حجم-ثابت و دما-ثابت را بکار می‌گیرد که اکثر آنها شامل استفاده از پیستون‌ها و سیلندرها می‌باشند. برخی از آنها از یک جایگزین کننده استفاده می‌کنند ( displacer، پیستونی که گاز عملگر را بدون تغییر حجم، جایگزین میکند) تا گاز عملگر را از ناحیه‌ی داغ به ناحیه‌ی سرد موتور، به عقب و جلو حرکت دهد. برای اکثر طراحی‌های موتور، توان توسط یک میل‌لنگ گردنده، به طور جنبشی استخراج می‌شود. ساختار پیستون آزاد، یک مورد استثنا است که در آن، پیستون‌ها توسط میل لنگ یا دیگر مکانیزم‌ها مقید نمی‌شوند. آنها روی فنرها به جلو و عقب حرکت می‌کنند و توان، توسط مبدل خطی یا پمپ از پیستون توان استخراج می‌شود. تعدادی مرجع قابل دسترس وجود دارد که اصول ماشین‌های استرلینگ را بیان می‌کنند. بهترین موتورهای استرلینگ برای تبدیل گرما به الکتریسیته، دارای بازده حدود ۴۰ درصد می‌باشند. موتورهای استرلینگ کاندیداهای خوبی برای سیستم‌های بشقاب/موتور می‌باشند زیرا گرمای خارجی موتور، آنها را با شار خورشید متمرکز شده تطبیق می‌دهد و بازده آنها در حد قابل قبولی است.
چرخه‌ی برایتون:
موتور برایتون که موتور جت، توربین احتراق یا توربین گازی نیز نامیده می‌شود، یک موتور احتراق داخلی است که با کنترل احتراق سوخت، توان تولید میکند. در موتور برایتون شبیه به Otta و موتورهایی با چرخه‌ی دیزلی، هوا فشرده، سوخت افزوده، و ترکیب موجود سوخته می‌شود. در یک سیستم بشقاب/برایتون گرمای خورشید با سوخت جایگزین می‌شود یا به آن ضمیمه می‌شود. گاز گرم حاصل، منبسط شده و برای تولید توان مورد استفاده قرار می‌گیرد. در توربین گازی، سوختن به طور مداوم رخ می‌دهد و گاز منبسط شده برای گردش توربین و مبدل استفاده می‌شود. مانند موتور استرلینگ ،بهبود اتلاف گرما کلید دست‌یابی به بازده بالا می‌باشد. بنابراین، گرمای خارج شده از توربین برای گرمای مجدد هوای متراکم کننده (کمپرسور) استفاده می‌شود. موتورهایی با بازیافت گرما، دارای دمای ورودی ۸۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشند. بازده گرما-به-الکتریسیته پیش‌بینی شده برای موتورهای برایتون در کاربردهای بشقاب/برایتون، به بیش از ۳۰درصد می‌رسد.
تجهیزات کمکی :
مبدل: وسیله‌ی تبدیل کننده‌ی انرژی مکانیکی به الکتریسیته که در سیستم خورشیدی بشقاب/موتور استفاده می‌شود بستگی به موتور و کاربرد سیستم دارد. ژنراتورهای القایی مورد استفاده روی موتورهای استرلینگ حرکتی به یک شبکه‌ی برق متصل می‌شود. ژنراتورهای القایی با شبکه همگام سازی (سنکرون) می‌شوند و می‌توانند توان یک یا سه فاز ۲۳۰ یا ۴۶۰ ولت تولید کنند. بازده ژنراتورهای القایی حدود ۹۴ درصد می‌باشد. ممکن است خروجی ژنراتورها یکسو شود (برق DC) و سپس مجدداً تبدیل به توان AC شود تا عدم تطابق در سرعت بین خروجی موتور-در نتیجه برق تولید شده توسط ژنراتور- و شبکه‌ی برق رفع گردد. مثلاً خروجی توربین گازی با سرعت بالا، یک توان با فرکانس بسیار بالا در مبدل را به دنبال دارد که ابتدا توسط یک یکسو کننده به برق DC تبدیل شده و سپس به برق تک یا سه فاز با فرکانس ۶۰ یا ۵۰ هرتز (استاندارد شبکه‌های برق) تبدیل می‌شود.
سیستم خنک‌کننده:
موتورهای حرارتی نیاز دارند تا گرمای خود را به محیط منتقل کنند. موتورهای استرلینگ از یک رادیاتور برای انتقال گرمای اضافه به اتمسفر استفاده می‌کنند. توان پارازیتی نیازمند عملکرد یک فن و پمپ سیستم خنک کننده‌ی استرلینگ دارد.
کنترل کننده‌ها:
عملیات خودمختار توسط استفاده از ریزپردازنده‌ها که روی بشقاب نصب می‌گردند، امکان پذیر می‌شود. بشقاب، به کمک پردازنده‌ی مذکور می‌تواند مسیر حرکت خورشیدی را دنبال کند. برخی از سیستم‌های خورشیدی از یک کنترل کننده‌ی مجزا برای کنترل موتور استفاده می‌کنند. برای پروژه‌های بزرگ، از کنترل کننده‌ی مرکزی SCADA=System Control and Data Acquisition استفاده می‌شود.
5-8_ نیروگاه خورشیدی بسازید !
در ابتدا یک دایره با شعاع مشخص را رسم کنید . سپس آن را همانند شکل زیر به قسمت های مساوی تقسیم کنید .
حال کاغذ را برش زده و شکل آن را بر روی یک مقوا محکم رسم کنید .
سپس یک سهمی با شیبی معین مثلا را رسم کنید . سپس هریک از این تکه های برش زده شده مقوا را با شیب این سهمی تطبیق دهید . سپس تکه را کنار هم بچسبانید .
حال روی آن را با فویل و یا آینه پر کنید و آن را در مقابل نور خورشید قرار دهید !
اکنون یک قوطی فلزی را پر از آب کنید و در مرکز آن قرار دهید و دمای آب را اندازه بگیرید .
تکلیف 2 : داده های این جلسه را با جلسه ششم مقایسه کنید و بیان کنید برای مقداری معینی آب ، کدام سازه بهتر عمل میکند ؟
منابع مطالعه :
1_ کتاب 50 پروژه کاربردی با انرژی خورشیدی-نوشته گیوین دی.جی.هارپر-ترجمه محمد حسین مهربان و بهار پورشاهیان
2_ کتاب مبانی انرژی خورشیدی – نوشته دافی و بکمن
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه اول
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه دوم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه سوم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه چهارم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه پنجم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه ششم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه هفتم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه هشتم
