آیا روش های کارآمدتری برای بهره برداری از انرژی خورشیدی وجود دارد؟

پایگاه خبری فولاد ایران - آیا تابحال از یک ذره بین برای تمرکز نور خورشید روی دست خود استفاده کرده اید؟

این گرما را تا یک میلیون برابر افزایش بدهید تا مفهوم یک نیروگاه خورشیدی را درک کنید. میدان مغناطیسی عظیم با آینه ای که نور خورشید را در یک اتاق فلزی تاریک پر از آب، هوا یا سایر سیال های رسانای گرما منعکس می کند. نور خورشید متمرکز توسط دیواره های اتاق جذب و سپس به مایع مذکور هدایت شده آن را بسیار داغ می کند. این روش می تواند رسیدن به اهداف متعددی از جمله تغذیه راکتورها در صنایع شیمیایی یا تبدیل انرژی خورشید به نیروی الکتریسیته را در نیروگاههای بزرگ تسهیل نماید. 

به گزارش فولاد ایران، با این همه هنوز تولید انرژی نیروگاههای خورشیدی رو به افول بوده است و دلیل آن عامل "کتری" عنوان شده است. وقتی برای درست کردن چای آب را به جوش می آوریم داغ ترین نقطه کتری جایی است که شعله های آتش به دیواره خارجی کتری می رسند و در بیرون از آشپزخانه و در مقیاس بزرگتر در نیروگاههای خورشیدی است که تقریبا نیمی از انرژی خورشید به جای تبدیل به انرژی قابل استفاده در محیط زیست از بین می رود.

علی مانی، استادیار مهندسی مکانیک در استنفورد شبیه سازی کامپیوتری انجام داده تا بتواند روش کارآمدتری برای استفاده از نور خورشید متمرکز به عنوان یک منبع حرارتی به دست بیاورد. وی به جای تمرکز نور خورشید در یک اتاق تاریک در آزمایشگاه خود تمرکز نور در یک اتاق شفاف را مورد امتحان قرار داده است. فرضیه وی این است که فوتون های نوری که از یک اتاق شفاف عبور می کنند با مولکولهای مایع میان اتاق برخورد کرده و این مایع را با از دست دادن مقدار اندکی انرژی گرم می کند.

این فرضیه سالها پیش توسط محققان وزارت انرژی امریکا مطرح شده بود و چالشهای مربوط به خود را داشت، چراکه مایع مربوط در این روش به همان اندازه بیرون اتاق شفاف بوده و بسیاری از فوتون ها بدون تبدیل به مبدل حرارتی در سیستم متمرکز می شوند. مانی و تیمش برای افزایش پتانسیل گرمایی فوتون های متمرکز روش های مختلفی را مورد تحقیق و آزمایش قرار دادند. آنها در مدل های کامپیوتری خود روشهای مختلفی برای تاریک سازی هوا و جذب گرمای بیشتر شبیه سازی کردند و راههای مختلفی برای پراکندگی ذرات جامد کوچک در اتاق جهت جذب گرما را تحت آزمایش قرار دادند. در واقع آنها دیواره های اتاق تاریک را تبدیل به میلیون ها ذره ریز کرده و آنها را در کنار مولکولهای هوای منتقل کننده گرما قرار داده اند. کنترل این ذرات ریز بسیار دشوار است. گرد و غباری را تصور کنید که در یک پرتو نور در جهت های غیر قابل پیش بینی در حرکت هستند و در تئوری مانی اینگونه حرکات یعنی دردسر. تیم ایشان سعی دارند در مدل های کامپیوتری خود راهی را برای هدایت این ذرات و استخراج گرمای بیشتر از آنها پیدا کنند.

مدل سازی میلیون ها ذره

در یک سیستم کامل، هوا به سرعت در اتاق شفاف حرکت می کند و ذرات جامد دمیده شده در آن به طور مساوی توزیع شده، پتانسیل گرمایی را بدون تلف کردن و یا از دست دادن سهم اندکی از انرژی ایجاد می کنند. اما در آزمایشات عملی و شبیه سازی های آزمایشگاهی، ذرات به طور مساوی پراکنده نبوده و بطور یکسان انرژی گرمایی تولید نمی کنند. مدل های کامپیوتری در رسیدن به علت این موضوع به محققان کمک می کند. با جریان ذرات معلق در هوا، این ذرات تمایل به تجمع دارند و بصورت مواج در اتاق به حرکت در می آیند. در عوض فوتون های نوری تجمع یافته این مناطق را سردتر می کنند و در نتیجه برخی نقاط بسیار گرم و برخی نقاط بسیار سرد می شوند و درکل مقدار زیادی از انرژی خورشید جذب نشده و یا توسط مناطق گرم به بیرون بازتابش می شود و این یعنی تلاش بی نتیجه.

مانی و تیمش برای درک و مقابله با این تجمع ذرات سه عامل پیچیده جریان سیال، حرکات ذرات و انتقال گرما را در یک مدل عظیم محاسباتی ترکیب کردند. این شبیه سازی آنها را در بررسی سرعت جریان هوا در اتاق کمک می کرد ضمن اینکه می توانستند اندازه های مختلف ذرات را در این شبیه سازی مورد آزمایش قرار بدهند همچنین این روش آنها را قادر به محاسبه مقادیر مختلف گرمای ناشی از تجمع های ذرات می کرد.  شبیه سازی با این متغیرها می توانست محدودیت های محاسباتی بسیاری را برای آنها رفع نماید.

مانی می گوید "شما باید بدانید برای هر نقطه از فضا و هر لحظه از زمان چه اتفاقی خواهد افتاد."

تاکنون تیم مانی تنها سیستم های کوچک را مدل سازی کرده اند اما حالا شبیه سازی ها به سمت راهکارها در پیش است. به عنوان مثال، محققان شبیه سازی دمیدن هوا با ذرات در اندازه های مختلف را آزمایش کردند درست مثل دسته ای پرنده که باهم پرواز می کنند و نتیجه گرفتند که ذرات معلق هم اندازه هم تمایل به تجمع در کنار یکدیگر دارند. آنها همچنین دریافتند اشباع هوا با ذرات در اندازه های مختلف می تواند راهی برای جلوگیری از اتلاف انرژی حرارتی خورشید باشد.

محققان امیدوارند با این اصلاحات و سایر راهکارها بتوانند ذرات را با یکنواختی بیشتری ترکیب نمایند و به هدف بهره برداری بهینه از انرژی حرارتی خورشید با کمترین سطح اتلاف انرژی دست یابند. تیم مانی و همکارانش طی سال های آینده شبیه سازی عظیمی را با میلیونها ذره در ابرکامپیوتر وزارت انرژی انجام خواهند داد. مانی اظهار می کند "این همانند یک فیل در اتاق تاریک است که ذره ذره آن را کشف می کنید و در پایان روز شما چیزهایی جدیدی فهمیده اید که دیگر برایتان پیچیده و نامفهوم نیست."  

منبع: renewableenergyworld

موضوعات مرتبط: فولاد - قراضه - سنگ آهن - قیمت آهن آلات - تحلیل اخبار - اخبار اقتصادی