بخشی از مقاله
چکیده
در این پروژه به منظور افزایش بازدهی کورههای خورشیدی، سیستم تعقیبکنندهای طراحی شده است. در سیستم تعقیب کننده به روش active، دو موتور و حداقل چهار سنسور نوری وجود دارد. دو سنسور برای حرکت در راستای افق از شرق به غرب و دو سنسور برای حرکت در راستای عمود از خط افق تا مرکز آسمان، وجود دارد. بین هر کدام از دو سنسورها، تیغهای کدر قرار میدهیم و کل مجموعه تیغهها و سنسورها بر روی دیش نصب میشود. چنانچه کلکتور، کاملا روبه خورشید نباشد، تیغه، باعث تفاوت وضعیت برروی سنسورها می شود و از این تفاوت وضعیت جهت چرخش شناسایی میشود.
.1 مقدمه
خورشید بزرگترین منبع انرژی و منشا انرژیهای دیگر در جهان است. در هر ثانیه2,4 میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل میشود.با توجه به وزن خورشید که حدود 333 هزار برابر وزن زمین است، این کرهی نورانی را میتوان به عنوان منبع عظیم انرژی تا 5 میلیارد سال دیگر به حساب آورد.
انرژی خورشید، وسیعترین منبع انرژی پاک در جهان است و مزیت این انرژی بر دیگر انرژیها، قابل دسترس بودن آن در اکثر مناطق جهان است.انرژیای که از خورشید در هر ساعت به زمین میتابد بیش از کل انرژیای است که ساکنان زمین در طول یک سال مصرف میکنند.[2] تاریخچهی استفاده از انرژی خورشید به قبل از میلاد بر میگردد. هنگامی که در سال 212 ق.م، ارشمیدس با نصب آیینههای کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر و روی یک پایهی متحرک، نور خورشید را بر روی کشتیهای مهاجم دشمن متمرکز و آنها را به آتش کشید.
بسمر، پدر فولاد جهان، نیز حرارت مورد نیاز در کورهی خود را از انرژی خورشیدی تأمین میکرد.[3]یکی از دستاوردهای مهم در اواخر قرن هیجدهم و اوایل قرن نوزدهم استفاده از گردآور مسطح1 بود. در سال 1901میلادی یک گردآورمتمرکزکننده به قطر 33فوت 10 - متر - به وسیله یک آمریکایی بنام ا-جی- انیز2 ساخته شد.این گردآور یک دستگاه پمپ آب را بهکار میانداخت. ساختمان این گردآور از یک اسکلت فلزی که به یک چتر باز شدهی وارونه شبیه بود و بر روی آن 1788آیینه نصب شده بود تشکیل میشد.امواج خورشید درکانون این آیینه متمرکز شده و آب را به نقطه جوش میرسانید،بخار آب تولید شده توربین متصل به پمپ را بهحرکت در میآورد.
بیشترین کابرد از انرژی خورشیدی به صورت سلولهای فتوولتاییک و یا به صورت گرمایی میباشد.تابش خورشید مجموعهای از طول موجهای مختلف است که هنگام تابش به زمین,از این طول موجهای مختلف به گونهای خاص استفاده میشود.در واقع این طول موجها طیف وسیعی از کابردها را دارند، قسمتی از این طول موجها در محدودهی طول موجهایی هست که توسط سیستم کالکتور خورشیدی جمع شده و تبدیل به انرژی حرارتی میشود وقسمتی دیگر، به وسیلهی سلولهای فتوولتاییک به انرژی الکتریکی تبدیل میشوند. از آنجا که یکی از مسائل مهم در تجاری شدن یک پژوهش, اقتصادی بودن آن است؛ لذا با توجه به اینکه ساخت قطعات کلکتور خورشیدی و سلولهای فتوولتاییک هزینهبر میباشد برای افزایش بازدهی و به صرفه بودن استفاده از انرژی خورشیدی میتوان به وسیلهی دیشهای گردان که دائما خورشید را تعقیب می کنند, بهرهوری را افزایش داد.
به طور کلی به سه صورت از انرژی گرمایی خورشیدی میتوان استفاده کرد:
-1گردآورندهی مسطح: شامل یک صفحهی سیاه است که در مقابل نورخورشید قرار گرفته و انرژی آفتاب جذب آن و تبدیل به انرژی حرارتی شده و صفحه را گرم میکند.با استفاده از لوله و یا کانال این حرارت توسط مایع یا گاز از صفحه به محل مصرف منتقل میشود.این گرد آورندهها نه تنها تابش مستقیم بلکه تابش پراکنده را نیز جذب مینمایند. این سیستمها به ندرت مجهز به سیستم ردیاب خورشیدی است.رایجترین شکل این سیستمها آبگرمکن خورشیدی است.
-2برجهای خورشیدی: هنگامیکه درجه حرارت بالا مورد نیاز باشد،از برجهای خورشیدی استفاده میشود.در این برجها، تعدادی آیینهی مسطح در اطراف یک برج متمرکزکننده قرار دارد. نور خورشید به این آیینههای مسطح تابیده شده و سپس به سمت برج بازتاب میشود و تمام پرتوهای بازتابی از آیینهها در برج متمرکز میشود.
-3گردآورندههای سهموی: این گردآورندهها مانند گردآورندههای مسطح است با این تفاوت که شامل آیینهای سهموی است که نور خورشید را در نقطهی کانون آن جمع میکند و به همین دلیل درجه حرارت در کانون زیاد است.در کانون absorber قرار داده میشود که حاوی آب یا روغن میباشد وبه عنوان حامل انرژی به کار میرود.آنچه که ما قصد داریم به آن بپردازیم، همین گروه از جمع کنندهها میباشند که بر روی آنها یک سیستم ردیاب خورشیدی قرارداده شده است.
.2 شناخت انواع سیستمهای ردیاب خورشیدی
با طراحی و ساخت سیستم تعقیب کننده خورشیدی و نصب آن بر روی کورههای خورشیدی، می توان بازده استفاده از انرژی خورشیدی را به مقدار زیادی افزایش داد.زمین به دور خورشید در یک مدار بیضوی میچرخد که محورهای بزرگ و کوچک آن در حدود1,7 درصد تفاوت دارند - شکل شماره. - 1 زمین در 21 دسامبر نزدیکترین فاصله را با خورشید دارد و در 22 ژوئن دورترین فاصله را با خورشید دارد.
به علت اینکه محور چرخش زمین بیضوی است، لذا حرکت سیستم تعقیبکننده باید به گونهای باشد که در دو بعد، بتواند خورشید را تعقیب کند. به این منظور در سیستم تعقیبکننده دو موتور قرار دادیم که یک موتور مربوط به حرکت بالا و پایین دیش و یک موتور مختص به حرکت چپ و راست دیش میباشد. به طور کلی سیستم تعقیبکننده به دو صورت active و passive ساخته میشود. در سیستم active، معیار عملکرد سیستم تعقیبکننده بر اساس میزان تابش نور خورشید است. در واقع این سیستمها،سیستمهایی هوشمند میباشند و حرکت تعقیبکننده به چپ یا راست و بالا و پایین، بر این اساس است که میزان نور خورشید در چه سمتی بیشتر است.
در سیستم تعقیبکننده معیار عملکرد سیستم، بر اساس معادلات حرکت خورشید است. در واقع در این سیستمها بدون توجه به اینکه میزان تابش نور خورشید در چه جهتی بیشتر میباشد، بر اساس معادلات از پیش تعیین شدهی مسیر حرکت خورشید و به کمک برنامه-نویسی، تعقیبکننده شروع به حرکت میکند.مزیت سیستمهای active نسبت به سیستمهای passive در این است که در سیستمهای passive، حرکت بر اساس معادلات نسبتا پیچیده است و با گذشت زمان هر خطای کوچک و تقریبهای کوچک موجب ایجاد خطاهای بزرگ در عملکرد سیستم میشود و لذا نیاز به کالیبره کردن مجدد میباشد در این پروژه بر روی سیستمهای active تمرکز کردهایم و سیستم تعقیبکننده را بر این اساس طراحی کردهایم.
شکل:1 محور بیضوی حرکت زمین به دور خورشید
.3اصول عملکرد سیستم ردیاب active
همانگونه کهگفته شد،حرکت سیستم تعقیبکننده active بر اساس میزان تابش نور خورشید می باشد.از طرفی چون حرکت زمین به دور خورشید بیضوی است و دستگاه مورد بررسی ما سمتی ارتفاعی است لذا حداقل نیاز به 4 سنسور شناسایی نور داریم. به طوریکه دو سنسور برای تشخیص حرکت افقی از شرق به غرب و دو سنسور برای تشخیص حرکت عمودی از خط افق تا مرکز آسمان استفاده میشود.سنسورهاییکه در اینجا استفاده میکنیم، مقاومتهای نوری - LDR - میباشد
عملکرد این مقاومتها به این صورت است که اگر مقدار نورتابش شده بر آنها زیاد شود، مقدار مقاومت کاهش مییابد. حال 4 سنسور را به گونهای قرار میدهیم که اگر دهانهی کوره از خورشید دور شود، تعقیب کننده، کوره را به مسیر اصلی خود باز گرداند. به این منظور برای حرکت افقی از شرق به غرب، با قرار دادن یک تیغه بین دو سنسور، چنانچه دهانهی کلکتور دقیقا روبه روی خورشید باشد، دو سنسور در وضعیت مشابه قرار دارند و موتورها خاموش می باشند ولیکن به محض اینکه کلکتور از روبه روی خورشید ذره ای جابهجا شود، در این صورت تیغه بر روی یکی از سنسورها سایه ایجاد میکند و لذا وضعیت دو سنسور متفاوت خواهد شد و با برنامهنویسی در میکروکنترلر AVR، به موتور مربوط به حرکت افقی فرمان داده میشود که با توجه به اینکه کدام سنسور در سایه قرار گرفته است، موتور به سمتی که در نور قرار دارد - راستگرد یا چپگرد - روشن شود و تا زمانی روشن باشد که دو سنسور مجددا در وضعیت مشابه قرار گیرند. مجموعه سنسورها و تیغهها بر روی دیش نصب میشود و لذا با جابهجایی خورشید - یا به عبارات بهتر حرکت زمین - وضعیتی که دیش دارد، سنسورهاتشخیص میدهند. برای اینکه بتوانیم عملکرد دستگاه را بهتر و دقیق تر ارزیابی کنیم، قبل از اینکه سیستم تعقیب کننده را برای کوره خورشیدی با ابعاد واقعی پیاده سازی کنیم، ماکت آن را ساختیم و سیستم تعقیب کننده را در آن امتحان کردیم. در شکل شماره 3، که ماکت ساخته شده از روی ابعاد واقعی دستگاه است، سیستم تعقیبکننده برای حرکت در راستای افق، طراحیو بر روی آن نصب شده است.
