کوره خورشیدیsolar furnace

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1009

سپاس: 676

جنسیت:

تماس:

کوره خورشیدیsolar furnace

پست توسط rohamjpl »

چگونه یک کوره خورشیدی کار می کند؟
کوره خورشیدی از هلیواستات برای انعکاس پرتوهای خورشید بر روی مجموعه ای از آینه های سهموی استفاده می کند. سپس آینه های سهموی پرتوهای خورشید را بر روی کوره ای در بالای یک برج متمرکز می کنند. دمای کوره بسیار گرم است، معمولاً بالاتر از 800 درجه سانتیگراد
کوره خورشیدی تشکیل شده از یک متمرکزکننده انعکاسی (رفلکتوری) بزرگ که دهانه آن بصورت عمود بر زمین و به سمت شمال جغرافیایی قرار دارد. یک یا چندین هلیواستات که از آینه گردان تشکیل شده در تمام روز خورشید را ردیابی نموده و تابش عمود بر متمرکزکننده می‌فرستند. متمرکزکننده نور‌های دریافتی را در یک منطقه حرارتی به نام کانون متمرکز می‌نماید.زرگترین کوره ساخته شده تاکنون، کوره خورشیدی اودیو فرانسه می باشد که شامل یک متمرکزکننده انعکاسی به ابعاد ۹ در ۱۱ متر با فاصله کانونی ۶ متر که ۶۳ هلیواستات روی ۸ سکو بصورت پلکانی قرار دارند. هر هلیواستات از ۱۸۰ قطعه آینه تشکیل شده است که ابعاد آن ۵۰ در ۵۰ سانتیمترمربع در یک قاب بوده و خورشید را ردیابی نموده و نور آن را برای متمرکز کننده می فرستد. میزان انرژی تولید شده حرارتی هزار کیلووات می باشد و میانگین دمای بیشینه حاصله ۳۸۲۵ درجه سانتیگراد است. از این کوره در زمینه بدست آوردن فلزات بسیار خالص، چون تنگستن و تهیه نسوز‌ها و کریستوگرافی مواد نسوز و فلزات و نسوز‌های خاصی که با کوره‌های معمولی امکانپذیر نیست استفاده می شود.
گرما و توان ترکیبی (CHP) - که گاهی اوقات تولید همزمان نامیده می شود - مجموعه ای یکپارچه از فناوری ها برای تولید همزمان برق و گرما در محل است.تصویر
که به نام تولید همزمان نیز شناخته می‌شود، عبارت است از: ... مجموعه‌ای از فناوری‌ها که می‌توانند از انواع سوخت‌ها برای تولید الکتریسیته یا نیرو در نقطه استفاده استفاده کنند و اجازه می‌دهند گرمایی که معمولاً در انرژی از دست می‌رود. فرآیند تولید برق برای تامین گرمایش و/یا سرمایش مورد نیاز بازیابی شود.نیروگاه های CHP نیز به عنوان نیروگاه های تولید همزمان نامیده می شوند. در جایی که انرژی خنک‌کننده در همان فرآیند ایجاد می‌شود، از گیاهان به عنوان نیروگاه‌های سه‌تولیدی یاد می‌شود. راندمان یک نیروگاه CHP معمولاً می‌تواند بین 20 تا 25 درصد بیشتر از راندمان ترکیبی بویلرهای حرارتی و نیروگاه‌های معمولی باشد.
راندمان موتورهای حرارتی با دمای منبع حرارت افزایش می یابد. برای دستیابی به این امر در نیروگاه های انرژی حرارتی خورشیدی، تابش خورشیدی توسط آینه ها یا عدسی ها برای به دست آوردن دماهای بالاتر متمرکز می شود - تکنیکی به نام انرژی خورشیدی متمرکز (CSP). اثر عملی راندمان بالا کاهش اندازه کلکتور نیروگاه و کل استفاده از زمین در واحد توان تولیدی، کاهش اثرات زیست محیطی نیروگاه و همچنین کاهش هزینه آن است.
با افزایش دما، اشکال مختلف تبدیل عملی می شوند. تا دمای 600 درجه سانتی گراد، توربین های بخار، تکنولوژی استاندارد، بازدهی تا 41 درصد دارند. در دمای بالای 600 درجه سانتی گراد، توربین های گازی می توانند کارآمدتر باشند. دماهای بالاتر مشکل ساز است زیرا مواد و تکنیک های متفاوتی مورد نیاز است. یک پیشنهاد برای دماهای بسیار بالا، استفاده از نمک های فلوراید مایع است که بین 700 درجه سانتیگراد تا 800 درجه سانتیگراد کار می کنند، با استفاده از سیستم های توربین چند مرحله ای برای دستیابی به بازده حرارتی 50٪ یا بیشتر. دمای عملیاتی بالاتر به کارخانه اجازه می‌دهد از مبدل‌های حرارتی خشک با دمای بالاتر برای اگزوز حرارتی خود استفاده کند، که مصرف آب کارخانه را کاهش می‌دهد – که در بیابان‌هایی که نیروگاه‌های خورشیدی بزرگ کاربردی هستند بسیار مهم است. دماهای بالا همچنین ذخیره سازی گرما را کارآمدتر می کند، زیرا وات-ساعت بیشتری در هر واحد سیال ذخیره می شود.
انرژی حرارتی خورشیدی (STE) شکلی از انرژی و فناوری برای مهار انرژی خورشیدی برای تولید انرژی حرارتی برای استفاده در صنعت، و در بخش‌های مسکونی و تجاری است.
کلکتورهای حرارتی خورشیدی کلکتورهایی با دمای پایین، متوسط ​​یا بالا طبقه بندی می شوند. کلکتورهای دمای پایین معمولاً بدون لعاب هستند و برای گرم کردن استخرها یا گرم کردن هوای تهویه استفاده می شوند. کلکتورهای دمای متوسط ​​نیز معمولاً صفحات تخت هستند اما برای گرم کردن آب یا هوا برای مصارف مسکونی و تجاری استفاده می شوند.
کلکتورهای با دمای بالا نور خورشید را با استفاده از آینه یا عدسی متمرکز می کنند و عموماً برای برآوردن نیازهای حرارتی تا 300 درجه سانتیگراد / فشار 20 بار در صنایع و برای تولید برق استفاده می شوند. دو دسته شامل حرارت خورشیدی متمرکز (CST) برای برآورده کردن نیازهای حرارتی در صنایع، و انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) زمانی که گرمای جمع‌آوری‌شده برای تولید برق استفاده می‌شود. CST و CSP از نظر کاربرد قابل تعویض نیستند.تصویر
کوره خورشیدی با شار بالا (HFSF) NREL یک کوره نوری 10 کیلوواتی منحصر به فرد است که نور خورشید متمرکز را برای آزمایش فرآیندهای با دمای بالا یا برنامه هایی که نیاز به نرخ گرمایش یا غلظت خورشیدی بالا دارند، مهار می کند.
در بالای پردیس South Table Mountain NREL، HFSF یک تسهیلات کاربری منحصر به فرد برای آزمایش فرآیندها و برنامه های کاربردی در دمای بالا است. HFSF حاوی یک هلیواستات ردیابی و 25 آینه مقعر شش ضلعی است که تشعشعات خورشیدی را برای رساندن 10 کیلووات توان حرارتی به ناحیه کانونی با قطر حدود 4 اینچ (~10 سانتی متر) در اتاق کنترل آزمایشگاه متمرکز می کند.
HFSF می تواند حداکثر شار خورشیدی تا 250 وات بر سانتی متر مربع یا 2500 خورشید - که معادل 10 کیلو وات انرژی خورشیدی است - در صورت استفاده از متمرکز کننده های ثانویه تولید کند.
کوره خورشیدی می تواند به سرعت تابش خورشیدی را تا 10 کیلووات روی قطر 10 سانتی متری (2500 "خورشید") متمرکز کند و به دمای 1800 درجه سانتی گراد و حداکثر شار خورشیدی 20000 خورشیدی با اپتیک ثانویه تخصصی برای تولید دمای تا حداکثر برسد. 3000 درجه سانتی گراد متمرکز کننده های ثانویه می توانند نقطه کانونی را تغییر دهند و سطوح و توزیع های شار را متناسب با نیازهای هر فعالیت تحقیقاتی تنظیم کنند.
دمای کوره خورشیدی چقدر است؟
نتیجه تصویر برای رابطه بین قطر عدسی و دمای کوره خورشیدی
یکی از با شکوه ترین کاربردهای انرژی حرارتی خورشیدی، کوره خورشیدی است. اینها تأسیسات عظیمی هستند که از انرژی حرارتی خورشیدی برای فرآیندهای گرمای شدید (درجه حرارتهای بالای 3500 درجه سانتیگراد / 6330 درجه فارنهایت) استفاده می کنند.
چه دمایی در نقطه فوکوس توسط 5000 آینه مسطح 1x1 سانتی متر روی یک بشقاب ماهواره به دست می آید؟متمرکز کننده خورشیدی R5800 که با R23k جدید جایگزین شده است از یک بشقاب ماهواره ای فایبرگلاس معمولی ساخته شده است. در حدود 5800 کاشی آینه ای 3/8 اینچی (~1 سانتی متر) پوشانده شده است. هنگامی که به درستی تراز شود، می تواند نقطه ای به اندازه یک سکه با شدت 5000 برابر نور طبیعی روز ایجاد کند. این شدت نور برای ذوب شدن کافی است. فولاد، تبخیر آلومینیوم، جوشاندن بتن، تبدیل خاک به گدازه و محو کردن هر ماده آلی در یک لحظه. 5.9 اینچ و عرض آن 42 اینچ است.
جزئیات فنی و محاسبات:
محاسبات: مساحت دیافراگم ظرف (بیضوی) = (pi x 102cm x 73cm)/4 = 5848cm مربع
مساحت نقطه کانونی (دایره ای) = پی (0.6 سانتی متر)^2 = 1.14 سانتی متر مربع
نوع ظرف = بیضی فوکوس افست 0.7 متر x 1 متر.
قدرت تمرکز = 5000x
برآورد توان خروجی = 560 وات
راه های مختلفی برای برخورد با این مشکل وجود دارد. اگر بتوانیم چگالی توان بدست آمده را بر حسب W/m2 تخمین بزنیم
، سپس دمایی که می توان به آن رسید از قانون استفان بولتزمن پیروی می کند.
روش اول:1) کل توان جمع‌آوری‌شده را بگیرید و اندازه‌ای را که روی آن متمرکز شده است ببینید. شما مساحت آرایه آینه را 0.6 متر مربع اعلام می کنید(تقریبا)، و با تابش برق روی سطح زمین حدود 1 کیلو وات، 600 وات دریافت می کنید (مطابق با 580 وات ادعا شده از سوال شما). اگر این اتفاق در مساحت 1.14 سانتی متر مربع باشد، چگالی توان $\frac{580}{0.000114}\approx 5 MW/m^2$ است. یک بدنه سیاه کامل 1.14 سانتی متر مربع، با این قدرت در یک طرف و عایق بندی کامل از طرف دیگر، می تواند به دمای T برسد.
به طوری که $\Phi = \sigma T^4$بنابراین:
$T = \sqrt[4]{\frac{5 \cdot 10^6}{5.67\cdot 10^{-8}}} = 3000 K$
(اعداد گرد...)با این حال، اگر سعی کنید یک دیسک را گرم کنید (دوبرابر مساحت - بدون عایق در پشت) دمای به دست آمده $\sqrt[4]{2}$کاهش می یابد.، به T = 2600 K (~2330 درجه سانتیگراد). توجه داشته باشید که دما تا 1500 کلوین (~ ​​1230 درجه سانتیگراد) کاهش نمی یابد - این همان قدرت چهارم در قانون استفان بولتزمن است که قدرت آن را نشان می دهد ...
2) روش دوم به "چقدر بزرگ به نظر می رسد خورشید" از نقطه نظر فوکوس است. وقتی در نقطه کانونی آینه ها قرار می گیرید، "می بینید" که به اندازه دیش ماهواره است. این بدان معناست که شار گرما در مقایسه با شار خورشید با نسبت مناطق ظاهری افزایش می‌یابد. این در واقع همان چیزی است که می گوییم "به نظر می رسد شما بسیار به خورشید نزدیک تر هستید و می توانید از قانون مربع معکوس برای تعیین میزان توان بیشتر در واحد سطح استفاده کنید".
اکنون خورشید شبیه دیسکی است که قطر آن 0.5 درجه است. و با ابعاد داده شده، ظرف شما معادل یک دیسک با قطر 86 سانتی متر است $\sqrt{102\cdot73}=86.3$
) و فاصله کانونی 138 سانتی متر است (که من از اندازه نقطه کانونی بدست آوردم که در واقع "تصویر" خورشید است).
در فاصله 138 سانتی‌متری، صفحه‌ای به قطر 86 سانتی‌متر 69 برابر بزرگ‌تر از خورشید به نظر می‌رسد - بنابراین مساحت ظاهری آن 4800 برابر بزرگ‌تر از خورشید است - بنابراین «گرمای 4800 خورشید را احساس می‌کند». این به طور قابل توجهی شبیه به پاسخی است که قبلاً دریافت کردیم، علیرغم رویکرد متفاوت (اما نه واقعاً، اگر دقت کنید).
این رویکرد دوم به ما کمک می‌کند تا درک کنیم که برای رسیدن به دماهای بالاتر، به "خورشید حتی بزرگتر به نظر برسد" نیاز داریم - یعنی به یک ظرف بزرگتر یا فاصله کانونی کوچکتر نیاز داریم. کوچک‌تر کردن فاصله کانونی تنها در صورتی کار می‌کند که آینه‌های منفرد در ظرف در مقایسه با اندازه نقطه کانونی کوچک باشند - در غیر این صورت باعث تار شدن قابل توجه فوکوس و در نتیجه کاهش چگالی توان می‌شوند. صرفاً افزایش اندازه آرایه آینه، چگالی توان را افزایش نمی‌دهد - فقط کیفیت فوکوس افزایش می‌یابد. در اصل بهترین کاری که می توانید انجام دهید این است که یک آرایه سه بعدی غول پیکر از آینه ها ایجاد کنید که به نظر برسد خورشید "همه جا" است - $4\pi$ کامل.
آرایه در اصل به شما نور 50000 خورشیدی می دهد (10 برابر بیشتر از این آینه). چنین وسیله ای یک جسم را از همه طرف روشن می کند و دمای آن جسم (با همان معادله فوق) [√410] x بزرگتر یا 5500 K (~5230 درجه سانتیگراد) خواهد بود. این بسیار نزدیک به دمای سطح خورشید است - و این جای تعجب نیست. اگر در طول مسیر از مقادیر گرد استفاده نکرده بودم (از آنجایی که تخمین های زیادی در حال انجام است) ممکن بود انتظار داشته باشم که پاسخ 5776 کلوین (~5500 درجه سانتیگراد) باشد - دمای سطح خورشید و حد تئوری چنین وسیله ای بنابراین 5500 K (~5230 درجه سانتیگراد) "به اندازه کافی برای تخمین نزدیک است".
آیا افزایش دما در اثر انعکاس نور خورشید خطی است؟این لنز به این دلیل کار می کند که تمام نور خورشید را که به ناحیه خود یعنی A1 می تابد می گیرد و آن را روی یک نقطه کوچک A2 متمرکز می کند. شدت در نقطه، شدت نور خورشید ضرب در A1/A2 است
دقیقاً همین امر در مورد آینه نیز صدق می کند. بنابراین، به شرطی که سطح مقطع آینه شما برابر با لنز باشد، و به شرطی که بتواند نور را به طور موثر متمرکز کند، همان دما را در فوکوس ایجاد می کند. افزایش دما خطی نخواهد بود. همانطور که شما در حال گرم کردن یک قطعه از مواد هستید، اتلاف انرژی ناشی از تشعشع افزایش می یابد (و به همین ترتیب اتلاف انرژی ناشی از رسانایی و همرفت در هوا افزایش می یابد، اما ما در اینجا به بحث در مورد آنها نمی پردازیم). تلفات تابش را می توان با یک فرمول ساده برای رادیاورهای بدن سیاه به نام قانون استفان بولتزمن تخمین زد:$j=\sigma T^4$
جایی که jتوان تشعشعی ساطع شده در هر سطح است (یعنی دارای واحدهای [W/m2])، T دمای مطلق و$\sigma={{2\pi^5}\over{15}}{{k^4}\over{c^2 h^3}}$آیا می توان با استفاده از نور ماه آتش را روشن کرد؟نور ماه یک اوج طیفی در حدود 650 نانومتر دارد (خورشید در حدود 550 نانومتر به اوج می رسد). سلول های خورشیدی معمولی برای تبدیل آن به برق به خوبی کار می کنند. قدرت نور ماه حدود 500000 بربر کمتر از نور خورشید است که برای ثابت خورشیدی 1000 وات بر متر مربع، حدود 2 مگاوات بر متر مربع را برای ما باقی می گذارد.به نظر می رسد این سوال به طور خاص مربوط به استفاده از یک لنز است.
بنابراین اگر شما یک لنز واقعاً بزرگ دارید و تمام نور منعکس شده را به یک نقطه متمرکز می کنید، برای تحریک یک تکه کاغذ کافی است، اینطور نیست؟"در این صورت استفاده از سلول های خورشیدی به این سوال پاسخ نمی دهد.
پاسخ منفی است. صرف نظر از عدسی، نمی توانید سطح را از سطح ماه روشن تر کنید. این ترمودینامیک است. ببینید: قانون دوم ترمودینامیک بیان می کند که آنتروپی کل یک سیستم جدا شده همیشه در طول زمان افزایش می یابد.
به عبارت دیگر انرژی نمی تواند از یک منطقه سردتر به یک منطقه گرمتر جریان یابد.
همچنین می توان آن را با استفاده از نقطه نظر محاسبات نوری توضیح داد. نگاه کنید به: نظر CuriousOne در مورد یک سیستم نوری غیرفعال و حفظ etendue. شما باید این پست را ببینید. به خصوص پاسخ CountIbis که محدودیت ها را با استفاده از محاسبات نوری توضیح می دهد. اگر جسم به صورت جسم سیاه تابش کند، شعاع R، دمای TT و فاصله آن d باشد، شار تابشی که به عدسی می رسد برابر است با:
$F = \sigma T^4 \left(\frac{R}{d}\right)^2 = \sigma T^4 \alpha^2$
توان کل تابش وارد شده به لنز PP برابر است با مساحت باز شدن لنز ضربدر شار:
$F = \sigma T^4 \left(\frac{R}{d}\right)^2 = \sigma T^4 \alpha^2$
این نیرو منجر به گرم شدن ناحیه تصویر در صفحه کانونی می شود. شار تابش وجود دارد:
$F_{\text{im}} = \frac{P}{\pi\alpha^2f^2} = \sigma T^4\frac{r^2}{f^2}$
فرض کنید یک جسم سیاه را در صفحه تصویر قرار دهید، آنگاه دمای آنجا Tim خواهد بود بنابراین:
$T_{\text{im}} = \sqrt{\frac{r}{f}}T$
نسبت فاصله کانونی f و قطر عدسی را عدد F می نامند و این همیشه بزرگتر از 1 است. بنابراین، ضریب ضرب T
در معادله بالا همیشه کوچکتر از 1 خواهد بود، بنابراین هرگز نمی توانید به دمای بالاتری برسید. از دمای جسم در این روش.
کوره ‌‌های خورشیدی بسیار قابل اطمینان می باشند و هیچ گونه خللی را در مقایسه با دیگر نیروگاه های خورشیدی ایجاد نمی‌نمایند. توربین ها، انتقال‌دهنده‌ها و ژنراتورها که در معرض جریان پیوسته هوا قرار دارند تنها قسمت های متحرک کوره خورشیدی می‌باشند. کوره خورشیدی نیازمند کمترین هزینه نگهداری بوده و به سوخت احتراق‌پذیر نیز نیازی ندارد.
به علاوه کوره خورشیدی به خنک‌سازی توسط آب نیازی ندارد. این یک مزیت بسیار خوب به خصوص برای کشورهایی می‌باشد که از منبع کافی انرژی خورشیدی بهره‌مند بوده ولی متاسفانه برای تامین آب آشامیدنی دچار مشکلاتی می باشند.
به دلیل سیستم ذخیره گرمایی موجود در کوره خورشیدی، کوره خورشیدی می تواند به صورت ۲۴ ساعته با انرژی خالص خورشید کار کند. لوله ‌های آب که در زیر سقف شیشه‌ای قرار گرفته ‌اند بخشی از انرژی تابشی را به هنگام روز جذب کرده و آن را از طریق جمع‌آوری کننده در شب آزاد می کنند. بنابراین کوره‌های خورشیدی می‌توانند به نحو عالی در شب برق تولید کنند.
از ویژگی های کوره خورشیدی این است که در مجاورت دمایی بالا حتی دمای ۳۸۰۰ درجه سانتیگراد گرما احساس نمی شود و می توان در چند سانتیمتری منطقه حرارتی کار کرد.I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست