تبديل انرژي خورشيدي به مكانيكي

اگر ماشيني بين دماهاي 20 و 100 درجه سانتيگراد کار کند، بازده ماکزيمم تئوري آن 21 درصد و ماشين با دماهاي بين 20 و 500 درجه سانتيگراد داراي بازده 62 درصد است. بنابراين براي بازده بيشتر بهتر است که موتور خورشيدي با دماي بالا باشد. از طرف ديگر به اتلافها ، بازده ماکزيمم هرگز به حقيقت نمي‌پيوندد و با ازدياد دما ، اتلاف نيز بيشتر مي‌شود. با يک آينه سهموي يا استوانه - سهمي مي‌توان دماي به قدر کافي زيادي براي تغذيه دستگاه ترموديناميکي کلاسيک که راندمان آن نسبتا زياد باشد، تهيه کرد. با اين وصف براي منطقه عاري از رطوبت يا منطق حاره ، اين دستگاهها معايبي را دارا هستند و بايد آنها را براي تعقيب خورشيد تجهيز کرد که گاهي محافظت از دستگاه در مقابل باد شديد مشکل و تميز بودن آينه بطور دائم مشکلاتي را به همراه دارد.

طرحهاي بهينه

نظر متخصصين براي ايجاد واحدهاي الکتروخورشيدي براي نواحي مختلف زمين که انرژي را از راه حرارتي تبديل مي‌کند، آن است که از چرخه‌هايي با دماي پايين استفاده شود و يا چرخه‌هاي با دماي بالا بدون بررسي بازده ماکزيمم بکار گرفته شوند. از نمونه کوچک اين دستگاهها مي‌توان به عنوان مثال دستگاهي را نام برد که از يک آينه استوانه - سهمي با لوله پوشيده از شيشه که در کانون آينه قرار دارد، تشکیل می‌یابد. این گردآورنده خورشیدی روی محور دوران موازی با محور زمین سوار است و خورشید را در تمام روز تعقیب می‌کند، حرکت تعقیب خورشید توسط دستگاه الکتریکی با کاهنده سرعت انجام می‌پذیرد.

در صورت نبودن الکتریسیته یک دستگاه وزنه متعادل کننده ، مانند ساعت دیواری می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. در نواحی کم آب یا منطقف حاره ، مثلا سواحل در آفریقا چاههای آب با پمپهای بنزینی یا گازوئیلی به علت مشکلات ذخیره مواد قابل احتراق و مسائل نگهداری کمتر دیده می‌شوند. بر عکس انرژی خورشیدی فراوان در دسترس است و از اینرو پژوهشهای جالبی در این زمینه به عمل آمده است.

اصول کار یک پمپ خورشیدی

پمپ خورشیدی عمل کننده با بخار آب بنا به چرخه کارنو بین یک منبع گرم متشکل از مجموعه‌ای جمع کننده و منبع سردی که به آب زیرزمین برای پمپ کردن وصل شده ، تشکیل می‌شود و توسط موتور حرارتی کار می‌کند. اساس اندیشه دستگاهی ساده ، محکم و آسان برای نگهداری توسط ماسون و ژیراردیه ارائه شد و آنان را به جمع کننده‌های تخت ثابت خورشیدی و پذیرفتن چرخه‌های حرارتی با گرادیان دمای کم هدایت کرد. در این جمع کننده‌ها ، گرمای خورشید به آب منتقل می‌شود و آب در مدار بسته توسط ترموسیفون جریان می‌یابد. تجمع آب گرم وجود ندارد. پمپ خورشدی نصب شده در داکار (سنگال) شامل یک جمع کننده متشکل از دو ورقه به فاصله چند میلیمتر است که لایه بالای آن سیاه شده و برای آن جمع کننده بازدهی حدود 50 درصد اندازه گیری شده است.

دما در این جمع کننده در حدود 60 تا 70 درجه سانتیگراد است. آبی که به این ترتیب گرم شده ، گرما را به یک سیال محرک (موتور) که در یک تبدیل کننده حرارتی جریان دارد و در این دما تبخیر می‌شود، انتقال می‌دهد و آب که گرمایش را از دست داده است به جمع کننده باز می‌گردد. سیالهای مختلفی مورد آزمایش قرار گرفته‌اند: گاز سولفورو ، کلرو دو متیل ، فریون ، بوتان و ... در حال حاضر بوتان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بوتان که در بالن می‌باشد، تبخیر می‌شود و گازی که تحت فشار 9 بار تشکیل می‌شود، در یک موتور دو پیستونی رها می‌شود. گاز رها شده تحت فشار 4 بار و 40 درجه سانتیگراد در فشار پایین در یک چگالنده متراکم می‌شود و سپس توسط آبی که از چاه پمپ می‌شود سردتر شده و بوتان مایع توسط پمپی که به موتور جفت شده دوباره به محل جوش تزریق می‌شود. این موتور ، پمپ چاه را به کمک ماشین فشار (پرس) هیدرولیکی بکار می‌اندازد. پس چنین پمپی شامل قسمتهای زیر است:

1. یک سری از جمع کننده‌ها جهت گرم کردن آسیب که می‌توان در پشت بام قرار دارد.
   
2. یک موتور خورشیدی که به کمک یک چرخه حرارتی با دمای پایین انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.
   
   

یک هیدروپمپ برای بالا کشیدن آب با فرمان راه دور هیدرولیکی از یک طرف شامل یک پرس هیدرولیکی واقع در نزدیکی موتور خورشیدی و از طرف دیگر پمپ پییستون دار با فرمان هیدرولیکی در ته چاه است. قرار دادن موتور خورشیدی در چاهی به عمق بیشتر از 50 متر آسان است. لازم به یادآوری است که هیدروپمپ را می‌توان با هر نوع پمپ جایگزین کرد و برای تأسیسات بزرگ می‌توان از پمپهای کلاسیکی قائم استفاده کرد.

قسمتهای مختلف پمپهای خورشیدی

این موتور خورشیدی قسمتهای زیر را در بردارد:

1. یک تبخیر کننده (یا محل جوش) که در آن سیال محرک توسط آب جمع کننده گرم شده است، در فشار بالا تبخیر می‌شود. در بعضی شرایط وقتی که ایمنی مورد نظر نباشد ممکن است سیال محرک را مستقیما در جمع کننده به جریان انداخت.
   
   
   
2. یک موتور انبساط که گاز خروجی تبخیر کننده در آن رها می‌شود. انرژی مکانیکی که به این ترتیب بدست می‌آید، از یک طرف هیدروپمپ و از طرف دیگر پمپ تزریق مجدد را بکار می‌اندازد.
   
   
   
3. یک چگالنده که گاز رها شده در آن بر اثر آب سرد که از چاه می‌آید به مایع تبدیل می‌شود.
   
   
4. یک پمپ تزریق مجدد برای ارسال مجدد گاز مایع شده از چگالنده به طرف تبخیر کننده با فشار بالا است.
   
   با در نظر گرفتن اختلاف کم دما بین منبع گرم و سرد بازده ترمودینامیکی ماکزیمم بسیار کم و در حدود 6 درصد است. با ضرب این عدد در بازده گرد آورنده یا جمع کننده که 50 درصد است و بازده مکانیکی و هیدروپمپ ، بازده کلی حدود 0.7 درصد است. با انرژی تابشی 1 کیلووات می‌توان 120 لیتر آب را به ارتفاع 20 متر بالا برد.

چشم انداز
هر چند که بازده کم از نقطه نظر اقتصادی مورد انتقاد قرار گرفته و افزایش دما در جمع کننده برای بالا بازده مورد تجدید نظر قرار گرفته است، ولی در این ماشینها فقط قیمت استهلاک وسایل نگهداری تأسیسات در نظر گرفته می‌شود. در حال حاضر چنین پمپهای خورشیدی در سنگال ، موریتانی ، مالی ، ولتای علیا ، نیجر و در چاد بکار گرفته شده‌اند. دبی (بده) این پمپها در ابعاد مختلف متغیر است. مثلا یک پمپ خورشیدی برای سطح 72 متر مربع که 5 الی 7 ساعت در روز کار می‌کند، حدود 10 متر مکعب که آب را به ارتفاع 20 متر می‌کشد و برای مصرف حدود 200 نفر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در مکزیک برنامه مهمی از تأسیسات پمپهای خورشیدی در حال اجرا است. در یکی از این طرحها سطح گرد آورنده خورشیدی 3000 متر مربع و توان توربین آن 50 کیلووات است. تجزیه و تحلیل اقتصادی پمپهای خورشیدی به این نتیجه رسیده است که مجموعه‌های تکمیلی قیمت مناسبتری خواهد داشت و کشورهای آفریقای حاره ، آفریقای شمالی ، آمریکای جنوبی و آسیا (هندوستان و ...) به این پمپها توجه بیشتری خواهند کرد

منبه : يزد فيزيك