تلفن تماس : 05135411722      09157607106      09151150958  telegram6

استخر خورشیدی و ذخيره سازي انرژي خورشيدي در آب استخر

بخش اول:

-چكيده

استخرهاي خورشيدي از جمله ابداعات جديد توليد انرژي مي باشند و مي توان از اين سيستم ها براي تامين انرژي مورد نياز صنعت از طريق ذخيره سازي انرژي رايگان خورشيد در آب استخر استفاده نمود كه اين مقاله به اين موضوع پرداخته وتحقيقات مختلف ونظريه هاي مطرح در اين زمينه را ارائه مي كند.

- مقدمه

امروزه ، بحرانهاي اقتصادي و مسائلي نظير محدوديت دوام ذخاير فسيلي ، نگراني هاي زيست محيطي ، ازدحام جمعيت ومصرف بالاي انرژي ، همگي مباحث مهمي هستند كه با گستردگي تمام ، فكر انديشمندان را در يافتن راهكارهاي مناسب براي حل معضلات انرژي در جهان ، به خصوص بحرانهاي زيست محيطي ، به خود مشغول كرده اند.

دسترسي كشورهاي در حال توسعه به انواع منابع جديد انرژي براي توسعه اقتصادي آنها اهميت اساسي دارد و پژوهشهاي جديد نشان داده كه بين سطح توسعه يك كشور و ميزان مصرف انرژي آن ، رابطه مستقيمي برقرار است.

با توجه به ذخاير محدود انرژي فسيلي و افزايش سطح انرژي در جهان ، ديگر نمي توان به منابع موجود انرژي متكي بود.با وجود تمامي اين مشكلات ، براي رسيدن به توسعه صنعتي ورفاه بيشتر نيازمند صنعتي ورفاه بيشتر نيازمند انرژي مي باشيم كه مي توان آنرا با استفاده از استخرهاي خورشيدي تامين نمود.

اساس كار يك استخر خورشيدي كه براي ذخيره سازي انرژي خورشيدي بكار مي رود يك ناحيه گرادياني-چگالي پايدار است كه روي ناحيه چگالي ذخيره ساز كه از نظر شوري ودما يكنواخت است(لايه آميخته) ، قرار مي گيرد.

اين ناحيه گرادياني از حركات همرفتي كه باعث انتقال انرژي به طرف سطح استخر واتلاف آن مي شود ، جلوگيري كرده وباعث ذخيره شدن اين انرژي در لايه ذخيره ساز كف استخر مي شود.

به اين ترتيب مي توان از انرژي ذخيره شده خورشيدي استفاده نمود.

ازاين طريق در طي فرايندهاي انرژي مورد نياز خود را از خورشيد وبا بهره گيري از استخرهاي خورشيدي تامين نمود كه با توجه به موقعيت جغرافيايي ايران وهمچنين قرارگيري اكثر مناطق صنعتي كشور در معرض نور بسار عالي خورشيد مي توان از اين نعمت خدادادي به نحو بسيار خوبي در حوزه هاي مختلف از قبيل نيروگاه ها ، توليد گرماي مورد نياز جهت فرايندهاي شيميايي ، توليد مواد گرماي غذايي وصنايع نساجي ، پالايش نفت ، فرايند استخراج وجداسازي فلزات و... استفاده نمود .

بدين ترتيب مي توان در حوزه هاي صنعتي نيز در مصرف انرژي صرفه جويي كرد و از انرژيهاي نو بويژه انرژي رايگان خورشيد ، بهره كافي برد.در ادامه به نحوه عملكرد ومشخصات سيستمهاي استخر خورشيدي مي پردازيم.

- استخر خورشيدي

فناوري استخرهاي خورشيدي يكي از تكنيكهاي نسبتا ساده بهره برداري از انرژي خورشيدي است كه براي ذخيره واستفاده از انرژي گرمايي خورشيد ابداع گرديده وداراي كاربردهاي متنوعي است.

اولين بار در سال1958 ئگنر ردلف بلوخ ودكتر هري تابور طرح يك استخر خورشيدي آب نمك صنعتي را تهيه كردند و در دهه هاي 70و80 ميلادي اين فناوري قابل اجرا شد.

لوسين برونيكي توربين حرارت پايين از گازهاي آلي را ابداع نمود و در سال1965 شركتي را براي ساخت وفروش اينگونه توربينها تاسيس كرد.

از طريق اين توربين بود كه گرفتن انرژي از استخرهاي خورشيدي امكان پذير شد ، بطوريكه در سال1981سه هزار دستگاه آن در 43كشور جهان در سخت ترين شرايط بدون مشكل در حال كار بودند.

بعنوان نمونه براي شركت نفت آلاسكا تاكنون در حدود30000000 ساعت از آن بهره برداري شده است.شركت برونيكي وبنياد تحقيقات علوم آمريكا موفق شدند با همكاري يكديگر اولين نيروگاه آزمايشي استخرهاي خورشيدي آب نمك (EIn Bokek Pilot PLANT) را بسازند.

 بخش دوم

 در سال1975 نيز گروه تحقيقاتي پروفسور هاوارد بريانت توانست در دانشگاه نيومكزيكواولين نمونه استخرهاي آب نمك خورشيدي دولايه را بسازد كه استخري بود به قطر15 متر وبه عمق2.5 متر در عميق ترين نقطه.به منظور جمع آوري انرژي خورشيدي بيشتر ، ديواره هاي اين استخر داراي زاويه 34 درجه با افق بودند.

 در استخر گروه بريانت ، در حالي كه تغيير درجه حرارت در لايه زيرين استخر كمتر از 1.5 درجه سانتي گراد بود ، اختلاف درجه حرارت محيط در هواي خارج 15 درجه سانتيگراد در شبانه روز را نشان مي داد.

 بررسي ها ومطالعات اين گروه نشان داد كه حتي اگر يك هفته هم در اثر ابري بودن هوا ، آفتاب به استخر نتابد باز هم حرارت كف استخر ثابت مي ماند.

حتي وقتي كه روي استخر براي مدت2 هفته يخ بست ، حرارت طبقات زيرين در شبانه روز فقط4% درجه سانتيگراد تغيير ميكرد.با اخذ حرارت از استخر ابداعي گروه تحقيقاتي پروفسور بريانت ، اين امكان فراهم شد كه نيازهاي گرمايشي يك خانه با 185 متر مربع زير بنا (قابل استفاده براي يك خانواده پنج نفري) برآورده شود.

 دماي كف استخر به 106.5 درجه سانتي گراد نيز رسيد كه براي پخت وپز مورد استفاده قرار گرفت.آزمايش مشابهي كه در انگلستان انجام شد نيز نشان داد كه گرماي مورد نياز ساختماني با همان زير بنا را مي توان براحتي تامين نمود.

براساس نظر بريانت ، هزينه حرارت توليدي توسط استخر آب نمك با هزينه كيلو وات ساعت انرژي حاصل از گاز يكسان بود.اصولا دو نوع استخر خوزشيدي آب نمك وجود دارد:دو لايه اي و چند لايه اي .

 اگر آب يك استخر(يا درياچه كوچك) شور وبي حركت باشد ومدتها مقابل آفتاب قرار گيرد ، از آنجا كه تبخير بطور مداوم جريان دارد بتدريج لايه اي از آب گرم پررنگ تر (غليظ تر ) در سطح استخر بوجود مي آيد كه بدليل وزن خود به آهستگي به طرف پائين حركت نموده و در ته استخر جمع مي گردد.

اگر قطره لايه اخير آب كه گرمتر وشورتر استه به يك متر برسدوبه نحوي از ميل طبيعي آن كه صعود به طرف بالاست جلوگيري شود تا اين لايه در جاي خود ثابت بماند ، منبع خوبي براي ذخيره حرارت بوجود خواهد آمد.

 بنابراين استخرهاي دولايه به اين دليل چنين ناميده مي شوند كه دولايه آب نمك در آنها تشكيل مي شود كه لايه با غلظت كمتر در بالا ولايه با غلظت بيشتر در پايين وته استخر جمع مي شود.اين استخرهاي آب نمكي حتي در روزهاي ابري نيز قادر به كار خواهد بود.

 استخر آب نمك دولايه اي در واقع تقليدي است از طبيعت .اينگونه استخرها را مي توان در نقاط مختلف كره زمين مشاهده كرد از جمله:درياچه مدوه در مجارستان ، درياچه ايلات در فلسطين ، درياچه اورويل در واشنگتن ، درياچه آنتيل در ونزوئلا ، درياچه هاي اروميه ، بختگان ، هامون وسواحل خليج فارس.

 بعضي از استخرهاي خورشيدي طبيعي مي توانند تا هفتاد درجه سانتيگراد نيز گرم شوند اما درجه حرارت طبقه ذخيره(لايه پاييني) كه از آن بهره برداري ميكنند معمولا حدود80تا90 درجه سانتيگراد باقي مي ماند.

 البته حرارت طبقه سنگين وداغ استخرهاي خورشيدي ساخت دست بشر به درجه آب جوش وحتي به علت وجود املاح ونمك به بيشتر از آن هم مي رسد در حالي كه درجه حرارت آب روي استخر در حدود25 درجه سانتيگراددر موقع كار استخر باقي مي ماند.

 در نوع چند لايه اينگونه استخرها چند لايه آب ونمك با غلظتهاي متغير بوجود مي آيند وبه اين ترتيب جلوي خروج جريانهاي همرفت توسط اختلاف غلظت لايه هاي آب نمكي گرفته مي شود.

در پايين ترين لايه ، غلظت محلول (كه مي تواندنمك طعام معمولي يا نيترات پتاسيم باشد)با درصدي خاص شروع شده وبتدريج كاهش مي يابد تا آنكه لايه بالايي وآخري با آب بدون نمك پوشانده مي شود.

در تجربه گروه پروفسور بريانت ، غلظت پايين ترين لايه15% بود وبتدريج در حدود يك درصد در هر لايه از آن كاسته مي شد.در اين استخرها ، آب در سه ناحيه با افزايش شوري ذخيره مي شود .

 حداكثر شوري در ناحيه بالايي استخر خورشيدي در حدود شوري آب دريا است.ضخامت اين ناحيه هرچه كمتر باشد عملكرد حرارتي استخر بهتر مي شود.

 اما پيدايش اين ناحيه ، بدليل عواملي از قبيل اختلاط سطحي ناشي از وزش باد ويا انتقال نمك از لايه زيرين به سطح استخر خورشيدي ، اجتناب ناپذير است.

 ضخامت معمول لايه سطحي در حدود10تا30 سانتي متر است كه در "شرايط حفاظت نشده"به نيم متر بيشتر هم مي رسد.در لايه سطحي ، بدليل يكنواختي دانسيته ، حركت همرفتي در عمق صورت مي پذيرد.

 در ناحيه وسط چگالي آب بطور شبه خطي با عمق افزايش پيدا مي كند تا به حداكثر مقدار خود برسد.بدليل افزايش چگالي امكان حركت همرفتي در اين ناحيه وجود ندارد.عمق اين لايه در حدود1تا 1.5  متر است.

 در لايه زيرين كه سنگين ترين ناحيه استخر خورشيدي است ، چگالي آب نمك نسبتا يكنواخت و در حد نزديك به اشباع مي باشد.بنابراين در ناحيه اخير ، حركت همرفتي صورت مي پذيرد.

 ضخامت اين ناحيه متغير است وبسته به نياز به دو متر هم مي تواند برسد.در ايران نيز پروژه استخر خورشيدي مورد بررسي قرار گرفته وكارهاي متعددي كه بيشتر جنبه تحقيقاتي داشته است انجام شده كه مي توان به موارد زير اشاره نمود:

 -   استخر خورشيدي كوچك با گراديان نمك به مساحت متوسط1.8 مترمربع در دانشكده ژئوفيزيك دانشگاه تهران

 -   استخر خورشيدي با گراديان نمك به عمق1.08 متر وبه مساحت4متر مربع در دانشگاه فردوسي مشهد.