کوره آفتابی

مقدمه
کوره آفتابی وسیله‌ای است برای تولید گرما بوسیله تجمع و تمرکز نور خورشید در یک نقطه خاص و استفاده از حرارت آن نقطه برای تولید آب گرم و بخار آب گرم. کوره آفتابی به شکل بشقاب کاو (مقعر) و آینه‌ای و صیقلی (که نورهای تابیده شده به طرف خود را بازتاب می‌کند) است. نورهای تابیده شده از بی نهایت دور موازی هستند، بنابراین همه آنها بعد از بازتابش نقطه خاصی به نام کانون می‌گذرند. برای ورود به بحث با چند اصطلاح آشنا می‌شویم.
۱٫    مرکز آینه (C): نقطه‌ای است که فاصله تمام نقاط سطح از آن نقطه ثابت است.
۲٫    کانون (F): نصف فاصله سطح تا مرکز را کانون می‌نامند و فاصله و سطح بشقاب (رأس آینه) تا کانون فاصله کانونی (f) نامیده می‌شود.
۳٫    محور اصلی: خطی فرضی که وسط (رأس) بشقاب را به مرکز وصل کرده و کانون روی آن نیز کانون اصلی نامیده می‌شود.
 
پرتو نورهای تابیده شده نسبت به محور اصلی در بازتاب تقارن آینه‌ای دارند. پرتو نورهایی که موازی محور اصلی بتابد حتما بازتاب آنها از کانون می‌گذرد (کانون اصلی) ، پس در آن نقطه حرارت و گرما بسیار بالاتر از اطراف است. پس اگر منبع آب در آن نقطه قرار داده شود آب در اثر انرژی دریافتی از خورشید بسیار گرم خواهد شد و این اساس یک کوره آفتابی است.
نمونه کوچک و قدیمی کوره آفتابی ذره‌بین است که از شیشه محدب یا حتی یخ تراشیده شفاف ساخته می‌شد. امروزه از اجسام آینه‌ای با توجه به ویژگی ساختمانی گفته شده برای تولید آب گرم منازل در ابعاد محدود در پشت بامها و در ابعاد بزرگتر ساختمان بلند که نمای بیرونی آن به شکل کاو طراحی شده و در نمای جلویی آن از شیشه‌های رفلکس و آینه‌ای برای بازتاب نور استفاده می‌شود، بطوری که بازتابها در یک نقطه در مقابل یعنی کانون جمع می‌شوند.
در کانون یک منبع آب قرار می‌دهند و با لوله کشیهایی به توربین تولید برق وصل می‌کنند، با توجه به ابعاد ساختمان انرژی گرمایی دریافتی فوق العاده بالاست و بخار آب تولید شده با جریان شدید در لوله‌ها به توربین رسیده و باعث چرخش آن و تولید برق ارزان قیمت در چنین مجموعه نیروگاهی برق – آبی می‌گردد.
با توجه به پیشرفت صنعتی ، نیاز روز افزون به انرژی ، گرانی ، محدودیت منابع ، ناوگان حمل و نقل ، آلودگیهای زیست محیطی برخی منابع انرژی مثل سوختهای فسیلی ، پسماندها و … . استفاده از انرژی خورشید به عنوان منبع سالم و تجدید پذیر انرژی در زمین راه کار مناسبی برای منازل در جهت کاهش هزینه و آلودگی و … باشد، بویژه که برخی مناطق به دلیل صعب العبور بودن و هزینه انتقال و تلفات انرژی بالایی دارند.

 
برای افزایش بهره‌وری در استفاده از بشقابها و نیروگاهها می‌توان موارد زیر را در نظر گرفت. موقعیت جغرافیایی ، اقلیمی ، ویژگیهای آب و هوا با توجه به آفتابی بودن ، طول روز مسیر ظاهری حرکت خورشید در آسمان از طلوع تا غروب و با استفاده از منابع اطلاعاتی در این مورد می‌توان اطلاعات لازم را بدست آورد.

استفاده از مواد مناسب و طراحی آنها در جهت افزایش نسبت بازتاب به نور تابشی و همچنین برنامه رایانه‌ای و یک موتور برای چرخاندن دستگاه و مجموعه برای افزایش کارایی توصیه می‌شود، طوری که بشقاب و مجموعه همواره مسیر حرکت خورشید را تعقیب کرده و متناسب با آن بچرخد. در برنامه رایانه‌ای استفاده از روش و نمودار رویدات و سلرز – مدار میل خورشید بر حسب عرض جغرافیایی ، انرژی رسیده به سطح و توان جذب و بازتاب سطح در منبع فوق سودمند است.
 
انرژی خورشیدی(۱)
برای تبدیل حرارتی می‌توان یا از جمع کننده‌های تخت و یا از آینه‌های متمرکز کننده استفاده کرد. از نظر ترمودینامیکی از جمع کننده‌های تخت ، دمای نسبتا کمتری گرفته می‌شود در صورتی که با آینه‌های سهموی دمای بالاتر و حتی در بعضی شرایط دمای بیشتر از تحمل مواد مورد استفاده بدست می‌آید. روش تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی یا تبدیل انرژی حرارتی به ترموالکتریکی توسط ماشین حرارتی خورشیدی که به مولد الکتریکی ترمو – یونی جفت شده ، انجام می‌پذیرید (هنوز در مرحله آزمایش است). با جریان هوای گرم که توسط انرژی خورشیدی تولید می‌شود، می‌توان یک دستگاه ماشین بادی را بکار انداخت، ولی هنوز مثال عملی در این مورد وجود ندارد.

 
 

مولدهای ترموالکتریکی خورشیدی
یک مدار بسته متشکل از دو فلز هادی مختلف که توسط جوش به هم متصل می‌شود، می‌تواند محل یک جریان پیوسته‌ای است، به شرط آنکه بین دو محل اتصال جوش ، اختلاف دما وجود داشته باشد. با استفاده از مواد نیم رسانا می‌توان بازده تبدیل قابل ملاحظه‌ای بدست آورد. یک مولد ترموالکتریکی از تعدادی کوپلها (جفتها) تشکیل شده که هر کدام از آنها از دو عنصر حرارتی تشکیل یافته است: یکی از نوع P و دیگری نوع N توسط پل فلزی که با منبع گرم در تماس است، به هم مربوطند. انتهای دیگر هر دو به یک مقاومت بسته شده و در دمای منبع سرد نگهداری می‌شوند.
منبع گرمای مورد استفاده می‌تواند یک شعله یا انرژی حرارتی یک سیال باشد که به انرژی خورشیدی نیز اندیشیده‌اند. در این مورد می‌توان از یک جمع کننده تخت را که شامل یک یا چند صفحه شیشه‌ای جهت جلوگیری از اتلافهای حرارتی تهیه می‌شود، و یا یک آینه متمرکز کننده را نیز مورد استفاده قرار داد. بهتر است دمای منبع سرد نزدیک به دمای محیط باشد، یا حداقل از آن خیلی دور نباشد؛ مثلا از جریان آب استفاده کرد و برای تأسیسات بزرگ آب گرم بدست آمده برای مصارف خانگی پیشنهاد شده است.
توان ترموالکتریکی یک ترموکوپل با رابطه زیر معین می‌شود:
(e = E/(T2 – T1

که E نیروی الکتروموتوری ترموکوپل در مدار باز بر حسب ولت ، T1 و T2دماهای منبعهای سرد و گرم بر حسب درجه مطلق هستند. اگر n ترموکوپل با همان منبعهای گرم و سرد باشند، نیروی الکتروموتوری دستگاه مساوی با (ne(T2 – T1 است.

 

ترموکوپلهای تجارتی
ترموکوپلهای تجارتی معمولا توان ترموالکتریکی ضعیف و حدود ۶۳ میکرو ولت بر درجه سانتیگراد هستند، به شرط آنکه اختلاف دما از ۱۸۰ درجه سانتیگراد بیشتر نباشد. ترموکوپلی با یک آلیاژ مثبت متشکل از ۳۵ درصد روی و ۶۵ درصد آلومینیوم (شامل ۲ درصد قلع ، ۰٫۱ درصد نقره و ۶ درصد بیسموت) و یک آلیاژ منفی ۹۱ درصد بیسموت و ۹ درصد آنتیموان توان ترموالکتریکی برای اختلاف دمای ۸۰ درجه سانتیگراد به ۲۸۰ میکرو ولت بر درجه سانتیگراد می‌رسد. متأسفانه به علت ذوب این آلیاژها در دمای ۲۶۰ درجه سانتیگراد نمی‌توان آن را برای دماهای بالا بکار برد.
 
برای اصلاح بازده باید موادی با توان ترموالکتریکی بالا را بکار برد و لازم است موادی که مورد استفاده قرار می‌گیرند قابلیت هدایت گرمایی (K) ضعیف و مقاومت مخصوص (r) کمتری داشته باشند. تا به حال بازده ۱۰ درصد با موادی که در اختیار دارند، برای دمای ۵۰۰ درجه منبع گرم و ۲۰ درجه منبع سرد بدست آمده است و با تکنیک خاصی بازده را به ۱۲ درصد نیز بالا برده‌اند. اولین نمونه مولدهایی با جمع کننده تخت با یک یا دو صفحه شیشه‌ای و بدون متمرکز کردن تشعشع خورشیدی بوده است. بازده حاصل از این نوع تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی حدود ۰٫۵ درصد با جمع کننده‌های تخت بوده است. ترموکوپلهایی با نیمه هادیها تهیه شده و توان ترموالکتریکی آنها بیشتر بوده است.

تولید انرژی از خورشید
چگونه می‌توانیم از گرمای خورشید برای تولید انرژی استفاده کنیم. آیا از نور خورشید نیز می‌توان انرژی بدست آورد. برای اینکار از باتری خورشیدی استفاده می‌شود که نور خورشید را می‌گیرد و برق تولید می‌کند. باتریهای خورشیدی از ماده‌ای بنام سیلیسیوم ساخته می‌شود. هر باتری خورشیدی برق بسیار ناچیزی تولید می‌کند. برای همین معمولا باید از تعداد زیادی باتری کنار هم استفاده شود تا مقدار برقی که بدست می‌آید، مفید و مناسب باشد.

این باتریهای خورشیدی براحتی تعمیر می‌شوند و نگهداری آنها ساده است و محیط را نیز آلوده نمی‌کنند. با استفاده از باتریهای خورشیدی می‌توان دستگاههایی چون تلویزیون ، تلفن و پمپ آب را بکار انداخت. در جاهایی که روزهای طولانی و آفتاب درخشان دارند، حتی می‌توان تمام برق مورد نیاز را از باتریهای خورشیدی گرفت. باتریهای خورشیدی خیلی سبک هستند و به راحتی می‌توان آنها را به دهکده‌های دور افتاده برد. مردمی که همیشه در حرکت هستند نیز می‌توانند این باتریها را همراه داشته باشند و هر کجا که می‌روند از برق آنها استفاده کنند. مثلا گروههای پزشکی که برای درمان مردم به صحراها و جاهای دور افتاده می‌روند، باتریهای خورشیدی را برای روشن نگه داشتن یخچالهایشان بکار می‌گیرند تا داروها سالم و خنک بمانند.
با ساختن نیروگاههای خورشیدی بزرگ می‌توان مقدار زیادی برق تولید کرد. البته این نیروگاهها در جاهایی مفید هستند که روزهای طولانی و آفتابی دارند. نیروگاه خورشیدی محیط را آلوده نمی‌کند، چون انرژی لازم را از خورشید می‌گیرد و نیازی به سوزاندن سوختهای فسیلی ندارد. با استفاده از یک نیروگاه خورشیدی بزرگ ، برق مورد نیاز تمام خانه های یک شهر کوچک تولید می‌شود.
 
نیروی خورشیدی – برای امروز و همیشه
در نیروگاه خورشیدی ، با استفاده از نیروی بخار ،‌ برق تولید می‌شود. تعداد زیادی آینه را بکار می‌گیرند تا نور خورشید را بر روی یک دیگ بخار بتابانند که در لوله‌های درون آن مایعی مثل روغن جریان دارد. روغن حرارت خورشید را می‌گیرد و آنقدر گرم می‌شود که می‌تواند آب دیگ را به بخار تبدیل کند. بخار توربین را به چرخش در می‌آورد. توربین هم ژنراتور را می‌چرخاند و برق تولید می‌شود.

 

سولاروان نام نیروگاه خورشیدی بزرگی است که در کالیفرنیای آمریکا ساخته شده است. این نیروگاه برج بسیار بلندی دارد. در بالای برج یک دیگ بخار قرار گرفته است. تعداد زیادی آینه اطراف برج روی زمین چیده شده‌اند و نور خورشید را بر دیگ می‌تابانند. به این ترتیب ، آب دیگ به بخار تبدیل می‌شود و بخار هم برای تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روی دیوار یک ساختمان بزرگ ۱۰ طبقه تعداد زیادی آینه قرار داده‌اند که یک آینه بشقابی بزرگ بوجود آمده است. این آینه انرژی خورشید را از منطقه‌ای وسیع جمع آوری می‌کند و بر برجی می‌تاباند که کوره دورن آن قرار دارد. آینه‌هایی که روی تپه مقابل قرار گرفته‌اند، خورشید را دنبال می‌کنند و پرتوهایی آن را بر آینه بشقابی بزرگ می‌تابانند. جالب است بدانید که تعداد این آینه‌ها حدود ۱۱۰۰۰ عدد است. نیروی خورشید وقتی مفیدتر خواهد بود که بتوانیم آن را ذخیره کنیم. استخر خورشیدی می‌تواند گرمای خورشید را تا ساعتها پس از غروب آن ذخیره و نگهداری کند. این استخر سرپوشیده پوشش سیاه رنگی دارد که گرمای خورشید را می‌گیرد. آب استخر دارای نمک است که مقدار آن در عمق استخر بیشتر می‌شود.

لایه‌های بالایی آب نمک کمتری دارند از خروج گرمای لایه پایینی که گرم و داغ شده است جلوگیری می‌کنند. ساختن این استخرها و استفاده از آنها ساده است. راههای زیادی برای استفاده از انرژی و نیروی خورشید وجود دارد. نیروی خورشید پاکیزه است و می‌توانیم انرژی مورد نیازمان را از آن بگیریم. ذغال سنگ ، نفت و گاز هوا را آلوده می‌کنند و سرانجام یک روز تمام می‌شوند.اما خورشید به درخشش خود ادامه می‌دهد و نیروی آن همیشگی و ماندنی است.

 

باتری خورشیدی
وسیله یا دستگاهی است که نور خورشید را مستقیما به الکتریسیته یا برق تبدیل می کند. ماهواره‌هایی که به فضا فرستاده می‌شوند، انرژی مورد نیازشان را از تعداد زیادی از همین باتریها می‌گیرند. بعضی ماشین حساب‌ها با باتری خورشیدی هم کار می‌کنند. در نقاط دور افتاده که برق ندارند، با استفاده باتری خورشیدی می‌توان دستگاههایی مثل تلویزیون یا یخچال را بکار انداخت و امروزه دانشمندان ماشینها و حتی هواپیماهایی ساخته‌اند که نیروی خود را از باتری خورشیدی می‌گیرند.

 
توربین
دستگاهی که شبیه چرخ آب است و وقتی آب یا بخار با فشار به پره‌های آن برخورد می‌کند، به چرخش در می‌آید. این دستگاه انرژی جنبشی آب را می‌گیرد و به حرکت چرخشی تبدیل می‌کند.
ژنراتور
دستگاهی است که انرژی مکانیکی (حرکت چرخشی) را می‌گیرد و به انرژی الکتریکی یا برق تبدیل می‌کند. معمولا ‌این حرکت چرخشی از یک توربین به ژنراتور منتقل می‌شود.
سوخت فسیلی
فسیل کلمه‌ای خارجی (لاتین) و به معنی چیزی است که از زمین بیرون آورده می‌شود. غال سنگ ، نفت و گاز را سوخت فسیلی نامیده‌اند، چون از دل زمین بیرون آورده می‌شوند. سوختهای فسیلی در طول میلیونها سال بوجود آمده‌اند. جانوران و گیاهان ، پس از مرگ ، در زیر لایه‌های سنگ و خاک قرار گرفته‌اند و سالهای زیادی زیر فشار مانده‌اند تا به این سوختها تبدیل شده‌اند. بنابراین ، اگر سوختها به همین ترتیب مصرف شوند، سرانجام روزی تمام خواهند شد و در این مدت ، ذخیره جدیدی جای آن را پر نخواهد کرد.
عایق
ماده‌ای که از عبور گرما یا الکتریسیته جلوگیری می‌کند. عایقهای خوب گرمایی عبارتند از چوب پنبه و پشم شیشه. لاستیک ، پلاستیک و شیشه هم عایقهای خوبی برای الکتریسیته هستند. هوا هم تا حدودی عایق گرماست و به همین دلیل در بعضی از ساختمانها پنجره‌ها را دو لایه یا دو جداره می‌سازند تا هوای بین آنها از ورود و خروج گرما جلوگیری کند. عایقهای گرمایی معمولا جلوی ورود و خروج صدا را هم می‌گیرند.

کوره آفتابی
کوره آفتابی با استفاده از انرژی خورشید گرم می شود (در کوره‌های دیگر ، نوعی سوخت را می‌سوزاند تا گرمایش به کوره منتقل شود.) معمولا با استفاده از تعداد زیادی آینه ، پرتوهای نور خورشید را جمع آوری و پرقدرت می‌کنند و مجموعه آنها را بر روی کوره می‌تابانند تا دمایش خیلی بالا رود. ذره بین وسیله‌ای است که همین کار را انجام می‌دهد. شاید دیده باشید که وقتی ذره بین را مقابل خورشید می‌گیریم و مجموعه پرتوهای آنرا به صورت یک نقطه مثلا روی پوست یا کاغذ می‌تابیم، آن قدر حرارت ایجاد می‌شود که پوست می‌سوزد و یا کاغذ آتش می‌گیرد.

 
نیروگاه خورشیدی
نیروگاه مخصوصی که برای تولید برق از انرژی گرمایی خورشید استفاده می کند. از این انرژی برای گرم کردن یک کوره آفتابی استفاده می‌شود که بخار لازم را تولید می‌کند. از این مرحله به بعد ، کار همانند نیروگاههای دیگر انجام می‌شود: بخار ، توربینها را می‌چرخاند و توربین هم ژنراتورها را بکار می‌اندازد تا برق تولید شود