بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله به چگونگی طراحی و ساخت موتور استرلینگ خورشیدی نوع گاما با استفاده از کلکتور سهموی خورشیده پرداخته شده است. بعد از طراحی و ساخت تمامی قطعات، موتور استرلینگ ساخته شده ابتدا توسط یک هیتر الکتریکی 550 واتی راه اندازی شده است که در دو شرایط بدون عایقبندی و عایقبندی شده مورد آزمایش قرار گرفته است. در حالت بدون عایق بندی، موتور توانی در حدود 69/68 وات با بازدهی 12/66% را دارا میباشد و در حالتی که موتور عایقبندی شده است 86/44 وات توان با بازده 15/72% به دست آمد.
در ادامه با توجه به توان هیتر مورد استفاده اقدام به ساخت کلکتور سهموی خورشیدی کردهایم. طراحی کلکتور به گونهای صورت گرفته است که توانایی بازتاب حدود 550 وات را داشته باشد. لذا قطر کلکتور 1 متر و عمق آن 12 سانتی متر در نظر گرفته شده است. این کلکتور توان موردنیاز موتور جهت کار در روز را تأمین میکند. حداکثر توان خروجی موتور استرلینگ خورشیدی حدود 30 وات میباشد.
-1 مقدمه
امروزه یکی از مهمترین نگرانیهای تمام جوامع بشری محدودیت ذخایر سوختهای فسیلی میباشد. آلودگیهای زیست محیطی از جمله گرم شدن زمین، آلودگی هوا و سوراخ شدن لایه اوزون که نتیجه استفاده از سوخت های فسیلی می باشند دلیلی افزون برای تغییر رویکرد در تولید و مصرف انرژی در بین جوامع پیشرفته و در حال توسعه می باشد. همچنین توسعه صنعتی پایدار با رعایت حفاظت از محیط زیست را میتوان از اولویتهای پژوهشگران و محققان در دهههای اخیر نام برد.
بدیهی است امروزه پشتوانه اقتصادی و سیاسی کشورها، بستگی به میزان بهره وری آنها از منابع فسیلی دارد و تهی گشتن منابع فسیلی، نه تنها تهدیدی است برای اقتصاد کشورهای صادرکننده، بلکه نگرانی عمدهای را برای نظام اقتصادی کشورهای وارد کننده به وجود آورده است. خوشبختانه، اکثر کشورهای جهان به اهمیت و نقش منابع مختلف انرژی، به ویژه انرژیهای تجدیدپذیردر تأمین نیازهای حال وآینده پی برده اند وبه طور گسترده، در توسعه و بهره برداری از این منابع بی پایان، تحقیقات وسیع و سرمایه گذاریهای اصولی میکنند.
موتور استرلینگ یک موتور احتراق خارجی است که همین ویژگی موجب شده است محققان در سال های اخیر به این موتور نگاه ویژه ای داشته باشند چراکه علاوه بر بازده بالا و نداشتن هیچگونه آلودگی، توانایی کارکرد با انواع انرژی را دارد. از زمان اختراع موتور استرلینگ - 1816 - تحقیقات زیادی بر روی موتور استرلینگ صورت گرفته است که نخستین طرح قابل قبول ریاضی برای تحلیل موتور استرلینگ بعد از پنجاه سال از زمان اختراع موتور استرلینگ توسط اشمیت [1] ارائه شد.
این نظریه با هم دما گرفتن فرایند انبساط و انقباض گاز ایده آل، با برخی ساده سازی ها روابطی برای محاسبه توزیع فشار به عنوان تابعی از زاویه لنگ و همچنین تعیین کار چرخه ارائه میدهد - روش مرتبه اول - . فینکن اشتاین [2] در سال 1975 تحلیل ترمودینامیکی اشمیت را ارتقا داد و تحلیلهای اولیه آدیاباتیک را ارائه کرد و در حل آدیاباتیک معادلات، محفظه تراکم و محفظه انبساط را آدیاباتیک در نظر گرفت .
با در نظر گرفتن فرض آدیاباتیک معادلات از حالت خطی خارج میشوند و برای حل آنها میبایست از روشهای عددی استفاده شود - روش مرتبه دوم - . ردی و همکارانش [3] درسال 2011 به آنالیز انرژی و اکسرژی نیروگاه 50 مگاواتی خورشیدی موتور استرلینگ پرداختند. انها نیروگاهی با 2000 واحد 25 کیلوواتی طراحی کرده و به مطالعه بر روی قسمت های مختلف آن پرداختند که به بیشترین تلفات انرژی در موتور استرلینگ و بیشترین تلفات اکسرژی در کلکتور را برآورد کردند.
مقدم و همکارانش [4] در سال 2013 به بررسی کاربرد خانگی موتور استرلینگ خورشیدی و قطر کلکتور مورد نیاز در 5 شهر ایران پرداختند که در حقیقت آنها استفاده همزمان توان و گرما از این موتوررا در نظر گرفته بودند. مورد مطالعه یک آپارتمان 5 طبقه که در مجموع 10 واحد می باشد. مساحت هر واحد 96 متر مربع و ارتفاع هر واحد 3 متر لحاظ شده است که محاسبات بار گرمایش و سرمایش در نرم افزار کریر - HAP 3.4 - صورت گرفته است. آن ها با توجه به شدت تابش در هر منطقه قطر کلکتور مورد نیاز را برای یک خانواده با مصرف توان 3,5 کیلو وات پیش بینی کردهاند.. همچنین توان الکتریکی خروجی و قطر دیش لازم برای هر شهر در 3 شرایط مختلف ارائه شده است.
آچریا و ساهادپ [5] در سال 2014 مطالعاتی در زمینه موتورهای استرلینگ بر اساس نیروگاه خورشیدی حرارتی داشتند که به جای دیش از لنز فرسنل استفاده کردند. محاسبات انجام شده بر مبنای طرح اشمیت برای نوع آلفا بوده است. داده های اولیه برای شبیه سازی این سیستم حاکی از سطح مقطع 3 مترمربعی برای موتور با حجم جاروب شده 500 سی سی برای هر سیلندر است. دمای محفظه گرم 500 درجه درنظر گرفته شده است که در انتها نتایج برای عرضهای جغرافیایی مختلف برای چهار فصل ارائه شده است.
فریرا و همکارانش [6] در سال 2016 بامدل سازی و تخمین هزینه برای موتور استرلینگ، نوع آلفا را برای کاربردهای تولید گرما و توان انتخاب کردند که شبیه سازی بر مبنای آنالیز آدیاباتیک صورت گرفته است. سیال عامل در آنالیز صورت گرفته هیلیوم و هیدروژن میباشد. از مهمترین دادههای ورودی میتوان به حجم جاروب شده 130 سی سی، حجم فضای مرده 25 سی سی و قطر دیش 7/41 متری و فشار کاری 53 بار اشاره کرد که نهایتاً منجر به توان الکتریکی 3/65 کیلو وات و ظرفیت گرمایشی 11/1 کیلو وات شده است. همچنین برآورد هزینه برای تک تک بخشها آورده شده است.
بررسی کارهای صورت گرفته به خوبی اهمیت استفاده از موتور استرلینگ را نشان میدهد چراکه علاوه بر بازده بالا و نداشتن آلودگی، دارای انعطاف پذیری بالای این موتور در نوع سوخت مصرفی است. به همین دلیل امروزه چندین کشور به طور جدی با ساخت نیروگاه های متعدد از موتور استرلینگ خورشیدی جهت تأمین توان مورد نیاز بهره میبرند اما متاسفانه این موضوع در کشور ما علارغم مطالعات عددی بسیاری که صورت گرفته تا به حال در زمینه ساخت مورد استرلینگ خورشیدی مورد غفلت قرار گرفته است. به همین منظور در این پژوهش با در نظر گرفتن این خلأ موجود در کشور به بومی سازی و طراحی و ساخت موتور استرلینگ خورشیدی پرداخته شده است.
-2 طراحی و ساخت موتور استرلینگ خورشیدی
-1-2 چزخه موتور استرلینگ
چرخه استرلینگ شامل دو فرآیند دما ثابت و دو فرآیند حجم ثابت است که مطابق شکل 1 که نمودار دما-فشار چرخه استرلینگ در یک سیکل بسته ترمودینامیکی را نشان میدهد، کار میکند. بازده این چرخه مطابق رابطه 1 میباشد که در حالت ایده آل برابر با بازده چرخه کارنو، که بیشترین بازده بین دو منبع دمایی را دارد. موتورهای استرلینگ رایج به 3 نوع آلفا، بتا و گاما تقسیم می شوند که وجه مشترک هر 3 نوع، اختلاف فاز 90 درجه در حرکت پیستون ها هست. در این پژوهش نوع گاما برای طراحی و ساخت موتور استرلینگ در نظر گرفته میشود، که طرح کلی آن مطابق شکل 2 میباشد.
-2-2 طراحی و ساخت قطعات موتور استرلینگ
مبنای توان خروجی برای پژوهش صورت گرفته 80 وات در نظر گرفته شده است که بر همین مبنا برای به دست آوردن حجم جاروب شده سیلندر جابجایی که نقطه شروع طراحی میباشد از روابط وست - 2 - و بیل - 3 - استفاده شده است .[8] برای استفاده از روابط ذکر شده دمای محفظه گرم و سرد به ترتیب 230 و 50 در جه سانتی گراد، ضریب عدد بیل 0/01، ضریب عدد وست 0/35، دور حدود 700rpm و حداکثر فشار 6 بار در نظر گرفته شده است. بدین ترتیب حجم سیلندر جابجایی با استفاده از رابطه وست و بیل به ترتیب 103 و 111 سی سی به دست می اید. بر همین مبنا حجم سیلندر انتخابی برای طراحی 103 سی سی در نظر گرفته شده است. با توجه به این حجم قطر داخلی سیلندر جابجایی 75 میلی متر و طول جاروب شده 23 میلی متر در نظر گرفته شده است.
رابطه کارلوکیست - 4 - با استفاده از داده های بالا بازده موتور مورد نظر برای ساخت را درحدود 17/17%- 20/75% پیش بینی میکند .[8] در ادامه و باتوجه به طرح شکل 2 قطعات دیگر طراحی و ساخته شده است. در طراحی تمامی قطعات وزن کم، خاصیت ترموفیزیکی مناسب، قیمت مناسب جنس انتخابی، محدوده دمایی کارکرد قطعه نیز مد نظر قرار گرفته است که مشخصات قطعات اصلی در جدول 1 آورده شده است. مشخصات کلی موتور ساخته شده نیز در جدول 2 نشان داده شده است.
