بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
استخرهاي خورشيدي و نحوه عملکرد آنها
چکيده
استخرهاي خورشيدي يکي از راه هاي نوين ذخيره سازي انرژي خورشيدي هستند که در سال هاي اخير توجه زيادي را به خود جلب نموده اند. در اين مقاله به بررسي استخرهاي خورشيدي گراديان نمک و چگونگي عملکرد آنها پرداخته مي شود. از جمله قابليت هاي بزرگ استخرهاي خورشيدي توانايي بهره برداري مداوم از آنها در تمام ساعات شبانه روز مي باشد. ارزان و در دسترس بودن مواد اوليه ساخت يعني آب و نمک را مي توان از جمله مزاياي مهم استخرهاي خورشيدي نام برد. کاربردهاي فراوان و متنوع استخرهاي خورشيدي در زمينه هايي همچون مصارف خانگي ، صنعتي ، کشاورزي و ... نيز از جمله قابليت هاي مهم آن مي باشند که مي تواند مورد توجه زيادي قرار بگيرد. چگونگي ايجاد، کنترل ، حفظ و روش هاي بهره برداري از استخر هاي خورشيدي از جمله مباحث مهمي است که همواره بايد به آن دقت نمود که در اين مطالعه به آنها اشاره مي گردد.
کليد واژه: ذخيره سازي ، انرژي خورشيدي، استخرهاي خورشيدي، گراديان نمک .
مقدمه
امروزه مساله ي انرژي از مهمترين چالش هاي پيش روي بشر ميباشد. افزايش قيمت سوخت هاي فسيلي ، بالا رفتن مصرف اين سوخت ها، نگراني از بابت افزايش دماي کره ي زمين و آلودگي هوا از مشکلات عمده اين گونه سوخت ها ميباشد. بنابراين در سالهاي اخير سياست گذاري کشورهاي صنعتي که بيشترين ميزان مصرف اين سوخت ها را دارند به اين سمت و سو رفت که از مصرف اين سوخت ها کاسته و به استفاده از انرژي هاي نو و تجديد پذير روي آورند. اين گونه سوخت ها به دليل پاک بودن، ارزان بودن و در دسترس بودن آنها، در سال هاي اخير بيشتر مورد توجه قرار گرفته اند. در اين ميان استفاده از انرژي خورشيدي بيشتر از ساير انرژيهاي تجديد پذير مورد توجه قرار گرفته است . استخرهاي خورشيدي استخرهايي حاوي محلول آب - نمک ميباشند که با قرارگيري در معرض تابش نور خورشيد انرژي گرمايي را در خود ذخيره و جمع آوري ميکنند.
تاريخچه
اولين مطالعات در زمينه استخرهاي خورشيدي در دهه ي ٥٠ ميلادي در اسرائيل آغاز شد. در سال ١٩٧٥ نيز گروه تحقيقاتي پروفسور هاوارد بريانت توانست در دانشگاه نيومکزيکو اولين نمونه استخرهاي آب نمک خورشيدي دو لايه را بسازد، که استخري بود به قطر ١٥ متر و به عمق ٢.٥ متر [١]. چند سال بعد زانگراندو يک روش ساده براي ايجاد گراديان نمک در حوضچه ي خورشيدي ارائه نمود [٨]. در ايران نيز در دهه ي ٨٠ ميلادي ، در دانشگاه شيراز ، تحقيقاتي انجام شد. در سال ١٣٧٥نيز،در دانشگاه فردوسي مشهد بمدت ٤ سال يک استخر خورشيدي کوچک ، به مساحت m٤٢ ، ساخته شد. در مؤسسه ژئوفيزيک دانشگاه تهران نيز، استخر خورشيدي کوچک ، به مساحت m١٨٢ ، به مدت کوتاهي ، بررسي شد [٢]. در برخي کشورها مانند آمريکا، استراليا و هندوستان نيز استخر خورشيدي ساخته شده است . شکل (١) استخر خورشيدي ال پاسو در ايالات متحده آمريکا را نشان مي دهد.
شکل ١. استخر خورشيدي الپاسو تگزاس
استخرهاي خورشيدي
گونه هاي مختلفي از استخر خورشيدي وجود دارند که از مهمترين آنها ميتوان به استخرهاي خورشيدي گراديان نمک ١ اشاره کرد، که به کمک آن مي توان انرژي خورشيدي را در قسمت پايين استخر ذخيره نمود. در اين استخرها در حالت کلي سه لايه آب نمک به عمق هاي متفاوت وجود دارد. لايه اول (بالايي )٢ لايه نازکي از آب نمک مي باشد که معمولا غلظت آن به اندازه غلظت آب دريا مي باشد.
لايه دوم ، ناحيه غيرهمرفتي ٣ ميباشد که داراي غلظتي متغير مي باشد به طوري که پروفيل غلظت آن يک پروفيل خطي خواهد بود و غلظت در آن از بالا به پايين زياد مي شود. لايه سوم ٤ که لايه همرفتي پايين ناميده ميشود، داري غلظت بسيار زياد در حد اشباع مي باشد.
به واسطه گراديان غلظت شديدي که از کف تا سطح وجود دارد، از ايجاد جريان هاي همرفتي که معمولا به خاطر وجود آب گرم در کف و آب سرد در بالا ايجاد مي شود، ممانعت به عمل ميآيد. اين گراديان غلظت با استفاده از غلظت بالاي يک نمک مناسب مانند کلريد سديم در کف استخر و غلظت قابل چشم پوشي نمک در سطح به دست ميآيد. لايه دوم به دليل داشتن غلظت متغير از ايجاد جابه جايي آزاد جلوگيري مي کند و فقط انتقال حرارت کمي از طريق هدايت صورت مي گيرد به همين دليل اين لايه همانند يک عايق حرارتي عمل مي کند و در لايه سوم گرماي خورشيد ذخيره مي شود.
شکل ٢. شماتيک استخر خورشيدي گراديان نمک
معادلات حاکم بر استخر خورشيدي معادله ي انتقال گرما
فرآيند انتقال حرارت در داخل استخر خورشيدي از معادلات کلي زير پيروي ميکند. [٧]
که در آن qh نشان دهندهي ميزان جذب تابش خورشيدي در هر دوره است . انرژي خورشيدي رسيده به عمق Z است
خواص آب نمک
اگر انتقال حرارت هدايت K، دانسيته و ظرفيت گرماي ويژه CP محلول آب نمک باشد روابط ميان دما و شوري به صورت زير بدست ميآيند: [٧]
که در آن S درصد شوري سيال درون استخر ميباشد.
روش هاي ايجاد گراديان نمک
گراديان نمک در استخر بسته به اينکه چه نيازمندي هايي در محل وجود دارد ميتواند به روشهاي متعددي ايجاد شود. يکي از روشهاي عمده، روش پشته سازي ٥ مي باشد در اين روش ، استخر با يک لايه ذخيرهساز پر ميشود که داراي محلول با غلظت بالاست و سپس اضافه کردن لايه هاي ديگري که غلظت هاي متفاوتي دارند، غلظت نمک در لايه هاي متوالي به صورت گام به گام تغيير ميکند.
روند عملي که در روش پشته سازي در اکثر استخرهاي خورشيدي استفاده ميشود اين است که لايه پاييني در ابتدا پر ميشود و لايه هاي متوالي سبک تر بر روي لايه هاي چگال تر پاييني شناور ميشود [٤]. اما مناسب ترين روش براي استخرهاي خورشيدي خصوصا استخرهاي بزرگ روش توزيع مجدد٦ مي باشد. در ابتدا استخر با محلول آب نمک با غلظت زياد تا نيمه پر ميشود و سپس آب تازه از درون يک ديفيوزر اضافه ميشود. در ابتدا ديفيوزر در کف يا وسط لايه با غلظت بالا قرار ميگيرد و به درون استخر اضافه ميشود و سطح استخر افزايش مي يابد. ديفيوزر متناوبا يا گام به گام رو به بالا حرکت ميکند. زمانبندي اين حرکت به گونه اي تنظيم شده است که ديفيوزر و سطح آب همزمان با هم به لايه نهايي ميرسند [٥]. در شکل زير نمونه اي از ديفيوزري که براي اين عمل در دانشگاه RMIT استفاده شده است نمايش داده شده است ، که در آن از يک لوله با شکاف هاي ٣.٨١ سانتي متري استفاده شده است .
شکل ٤. ديفيوزر بکاربرده شده در دانشگاه RMIT استراليا
پايداري استخر و عوامل موثر بر آن
پس از اينکه يک استخر خورشيدي ايجاد شد و گراديان چگالي شکل گرفت ، مراقبت دائمي براي حفظ اين گراديان نياز است ، چرا که عواملي طبيعي سعي در بر هم زدن آن دارند. براي بررسي پايداري در بخش داخلي از شاخصي با نام مخفف SMN٧ استفاده ميشود که نسبت گراديان غلظت اندازهگيري شده به تئوري را نشان ميدهد استفاده ميشود براي پايدار ماندن گراديان اساسا مقدار آن بايد بيشتر از يک باشد ولي در عمل اين مقدارمي تواند بيشتر از مقداربدست آمده نيز باشد. مهم ترين عامل ايجاد ناپايداري پديده نفوذ رو به بالاي نمک است . بالا رفتن نمک ، گراديان چگالي را به تدريج تضعيف کرده و در نهايت کاملا آنرا از بين ميبرد، ساده ترين راهکار براي حفظ گراديان، تزريق نمک به ته استخر و شستشوي سطح استخر با آب شيرين است . عامل ديگري که باعث افزايش غلظت ناحيه همرفتي بالا ميشوند و نتيجه آن، تضعيف گراديان خواهد بود وزش باد است . . براي اين منظور در استخر خورشيدي دانشگاه RMIT در استراليا از يکسري حلقه هاي شناور بر روي آب استفاده مي شود که در هنگام وزش باد از حرکتهاي موجي شکل آب در سطح استخر تا حدود زيادي جلوگيري شود. (شکل ٥).
بارندگي نيز از ديگر عوامل تاثير گذار بر استخر خورشيدي ميباشد که ميتواند بر روي شفافيت و پايداري استخر موثر باشد، نان لي در سال ٢٠١٠ روش هاي اقتصادي براي نگهداري حوضچه ي خورشيدي از آب باران ارائه داد. بدين صورت همانگونه که در شکل زير نشان داده شده است ابتدا يک ورق پلاستيکي در هنگام بارندگي در روي استخر کشيده ميشود. و سپس آب روي آن توسط يک پمپ در يک مخزن که بر روي آن يک صافي قرار دارد انتقال داده ميشود و سپس پس از مخلوط کردن آن با آب شيرين معمولي آنرا دوباره به ناحيه همرفتي بالا انتقال ميدهند [٦].
شکل ٦. شماتيک سيستم مورد بررسي توسط نان لي
حفظ شفافيت
در طول مدت بهره برداري از استخر، عوامل مختلفي شفافيت آنرا کاهش ميدهند که در نتيجه آن بازده استخر پايين ميآيد. ذرات گرد و غبار و يا زباله ها و موادي که توسط باد جابه جا ميشوند بر روي سطح استخر مينشينند. همچنين ممکن است ذراتي از کف و ديواره ها جدا شده و به سمت داخل استخر حرکت کنند. قسمتي از ذرات ريز، ته نشين شده و بر کف استخر مينشينند که مشکل مهمي ايجاد نمي - کنند. اما ذراتي که به صورت معلق باقي ميمانند باعث کدورت آب استخر ميشوند.
