- اجاق خورشیدی
- مقدمه
از تمام منابع انرژی تجدیدپذیر، بیشترین توجه به انرژی خورشیدی در دهه ۱۹۷۰ انجام شد. بیشترین توجه به آن بهعنوان یک راهحل برای کاهش استفاده از منابع فسیلی و سوختهای هستهای برای یک محیطزیست پاکیزهتر شد. انرژی خورشیدی پتانسیل بسیار بالایی برای تولید انواع دیگر انرژی را دارد: الکتریکی، حرارتی، شیمیایی و هر سوخت قابلحملونقل.
در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستمهای مختلف استفاده میشود که عبارتاند از:
- تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بهوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک
- استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی
اجاق خورشیدی در واقع جز سیستمهایی است که از انرژی حرارتی خورشیدی استفاده میکند و میتواند مصارف خانگی و صنعتی داشته باشد.
کشـور ایران به لحاظ میزان دریافت انرژی خورشیدی و متوسط ساعت آفتابی سالانه بیش از ۲۹۰۰ ساعت، یکی از کشورهای مناسب جهان است و انرژی خورشیدی در آینده سهم قابلتوجهی از انرژی مصرفی کشور را به خود اختصاص خواهد داد.
کشور ایران به گفته متخصصان این فن با وجود ۳۰۰ روز آفتابی در بیش از دوسوم آن و متوسط تابش ۵, ۵ – ۴, ۵ کیلووات ساعت بر مترمربع در روز، یکی از کشورهای با پتانسیل بالا در زمینه انرژی خورشیدی معرفی شده است. برخی از کارشناسان انرژی خورشیدی گام را فراتر نهاده و در حالتی آرمانی ادعا میکنند که ایران در صورت تجهیز مساحت بیابانی خود به سامانههای دریافت انرژی تابشی میتواند انرژی موردنیاز بخشهای گستردهای از منطقه را نیز تأمین و در زمینه صدور انرژی فعال شود [۱].
- تاریخچه اجاق خورشیدی
تاریخچه استفاده از اجاقهای خورشیدی به قرن هجدهم میلادی برمیگردد و اولین آزمایش روی اجاقهای خورشیدی بهوسیله یک فیزیکدان آلمانی به نام هاسن انجام شده است (۱۷۰۸-۱۶۵۱) [۲].
در سال ۱۷۶۷، یک فیزیکدان فرانسوی-سوئیسی به نام هوراک، تلاش کرد که از انرژی خورشیدی برای پختن غذا استفاده کند. همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، او یک محفظه درست کرد که دارای باکسهای چندلایه شیشهای بود. این محفظه داخل یک صفحه مشکی رنگ برای جذب حرارت قرار گرفته بود [۳].
شکل ۱- شکل اولین اجاق خورشیدی ساخته شده توسط هوراک [۴]
در سال ۱۸۷۶، آدامز یک اجاق خورشیدی چندوجهی ساخت که دارای ۸ آینه جانبی بود و توانست طی ۲ ساعت برای ۷ سرباز غذا بپزد [۵].
کارنس کمپ، یک تولیدکننده آمریکایی بود که اولین آب گرمکن خورشیدی تجاری برای استحمام و شستشو ظروف را اختراع کرد. اولین اجاق خورشیدی تجاری بهوسیله یک شخص هندی به نام سری کوش در سال ۱۹۴۵ تولید شد [۶].
شکل ۲- شکل نمونه اولین اجاق خورشیدی تجاری تولید شده [۷]
در سال ۲۰۰۰، فانک یک استاندارد بینالمللی برای تست اجاقهای خورشیدی تدوین کرد که به کمک آن میتوان نتایج و منحنیهای عملکرد اجاقهای خورشیدی را ارزیابی نمود [۸].
- اصول عملکرد اجاق خورشیدی
اصول کار اجاق خورشیدی جمعآوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه است. بهطورکلی اجاقهای خورشیدی نور خورشید را در ناحیهای متمرکز میکنند و انرژی نور خورشید به انرژی گرمایی تبدیل میشود که این انرژی گرمایی میتواند برای پختوپز مصرف شود. منبع انرژی در این دستگاهها فقط نور خورشید است. اجاق خورشیدی نیاز به ناحیهای دارد که چندین ساعت در روز در معرض آفتاب باشد.
امروزه طرحهای متنوعی از این سیستمها وجود دارد که این طرحها در مکانهای مختلفی از جمله آفریقای جنوبی و هند آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیدهاند [۹]. استفاده از این اجاقها بهویژه در مناطق شرقی ایران که با مشکل کمبود سوخت مواجه هستند، بسیار مفید خواهد بود.
- طبقهبندی اجاقهای خورشیدی
اجاقهای خورشیدی میتوانند به سه طبقه اصلی تقسیمبندی شوند:
اجاقهای خورشیدی متمرکز کننده (سهموی)
اجاقهای خورشیدی جعبهای
اجاقهای خورشیدی غیرمستقیم (ترکیبی)
این طبقهبندی اصلی را میتوان به موارد دیگری مطابق شکل ۳ تقسیمبندی نمود:
شکل ۳- طبقهبندی اجاقهای خورشیدی [۱۰]
اجاقهای خورشیدی متمرکز کننده (سهموی)
اجاق خورشیدی متمرکز کننده اساساً شامل بازتابندهای است که پرتوی تابش خورشید را روی جسم موردنظر (برای مثال ظرف غذا) متمرکز میکند؛ همچنین نگهدارندهای دارد که قابلیت حرکت دادن بازتابنده را دارد؛ طوری که بازتابنده را به سمت خورشید بچرخاند. در شکل ۴ نمونهای از این اجاق نشان داده شده است. سایز و قیمت بازتابنده بر اساس ظرفیت گرمای حاصل از آن بهدست میآید.
شکل ۴- اجاق خورشیدی متمرکز کننده (سهموی) [۱۱]
اجاقهای خورشیدی جعبهای
این نوع اجاقهای خورشیدی از پدیده گلخانهای برای پخت غذا استفاده میکنند. یک شیشه شفاف یا پلاستیک روی جعبه عایق شده را میپوشاند و بهاینترتیب، امواج با طولموج کوتاه میتوانند از آن عبور کنند و در ادامه پوشش سیاه داخل آن، این تابش را جذب میکند. با افزایش دمای سینی داخلی، انرژی با طولموج بلندتر بازتابیده میشود. پوشش شیشهای به این تابش با طولموج بلند اجازه نمیدهد که از آن عبور کند. دمای داخل محفظه تا زمانی که به دمای تعادلی برسد، افزایش مییابد. دمای تعادلی هنگامی حاصل میشود که انرژی ورودی خورشید، با اتلاف انرژی برابر شود. برای افزایش عملکرد این نوع اجاقها، بازتابنده مسطحی به جعبه اضافه میشود. این نوع اجاق میتواند تعدادی بشقاب غذا را در برگیرد. غذا داخل آن نمیسوزد، زیرا دمای آن پایین است. به علت سبک وزن بودن، حملونقل اجاق خورشیدی جعبهای آسان است. شکل ۵ یک نمونه اجاق خورشیدی جعبهای و شکل ۶ اجزای یک اجاق خورشیدی جعبهای را نشان میدهد.
شکل ۵- اجاق خورشیدی جعبهای [۱۲]
شکل ۶- اجزای اجاق خورشیدی جعبهای [۱۳]
اجاقهای خورشیدی غیرمستقیم (هیبریدی)
اجاقهای خورشیدی جعبهای و متمرکز کننده، قابلیت کاربرد در فضای آشپزخانه و یا هنگامیکه تابش خورشید مسدود شده است را ندارند. در اجاقهای خورشیدی غیرمستقیم با روشهای متعدد این امکان فراهم شده است. از جمله میتوان به استفاده از سیال آلی، بخار و یا مواد شیمیایی اشاره کرد.
در اجاقهایی که از سیال آلی استفاده میکنند، این سیال از طریق بازتابنده سهموی یا کلکتور صفحه تخت خارج آشپزخانه گرم و طبق اصل ترموسیفون در آشپزخانه برای پختوپز استفاده میشود.
طرز کار اجاقهایی که با بخار آب کار میکنند نیز مانند اجاقهایی است که از سیال آلی استفاده میکنند، با این تفاوت که سیال عامل در این نوع اجاقها، فشار بخار پایینی دارد. در این روش، غذا در محفظه دو پوششی پخته میشود.
اجاقهای خورشیدی غیرمستقیم مواد شیمیایی بر مبنای واکنشهای برگشتپذیر جذب و دفع کار میکنند که یکی از این فرایندها گرمازا و دیگری گرماگیر است. گرمای لازم برای پختوپز از فرایند گرمازای جذب بخار/گاز از طریق ماده شیمیایی تأمین میشود، سپس گرمای خورشید باعث میشود که بخار/گاز که جذب ماده شیمیایی شده از ماده شیمیایی طی فرایند گرماگیر جدا و در محفظهای جمعآوری و ذخیره شود، در واقع ماده شیمیایی جاذب احیا میشود.
شکل ۷- شماتیک یک اجاق خورشیدی غیرمستقیم یا هیبریدی [۱۴]
- چالشهای موجود در استفاده از اجاق خورشیدی و کاربرد فناوری نانو
در سال ۲۰۱۴ سرمایهگذاری در برق تجدیدپذیر از خالص سرمایهگذاری در نیروگاههای فسیلی پیشی گرفت. سریعترین رشد و نیز بیشترین افزایش در ظرفیت تجدیدپذیرها، به بخش برق با پیشتازی سه فناوری بادی، خورشیدی فتوولتاییک و برقآبی تعلق داشت. کاهش چشمگیر هزینهها، بهویژه در مورد برق خورشیدی فتوولتاییک و برق بادی، در گسترش برقی شدن وسایل حملونقل و گرمایش مؤثر بوده است و نشان میدهد که امکان همپوشانی بیشتری بین بخشهای مختلف در آینده وجود خواهد داشت. اکنون تجدیدپذیرها در بسیاری از کشورها، بهویژه در بخش برق در سطح گستردهای در برابر سوختهای فسیلی رقابتپذیر هستند [۱۵].
با توجه به افزایش روزافزون نیاز به انرژی و نگرانیهای زیستمحیطی، نیاز به جایگزینی منابع تجدیدناپذیر آلاینده مثل سوختهای فسیلی با منابع تجدیدپذیر بیشتر احساس میشود. یکی از منابع در دسترس تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی است و یکی از کاربردهای گسترده آن استفاده از گرمایش خورشیدی در اجاقهای خورشیدی است. اجاق خورشیدی یک گزینه مناسب برای جایگزینی روشهای سنتی پختوپز با سوختهای فسیلی است ولی درعینحال دارای یک سری چالشهای مهم است که عبارتاند از:
- ناپایدار بودن گرمایش خورشیدی:
یکی از مهمترین چالشهای استفاده از انرژی خورشیدی برای تأمین گرمایش در اجاقهای خورشیدی این است که انرژی گرمایش خورشیدی ناپایدار است. انرژی گرمایش خورشیدی در کل طول شبانهروز در دسترس نیست و همچنین میزان انرژی گرمایش خورشیدی در طول روز متفاوت است و این مسئله را ایجاد میکند که بهطور مثال نتوان از اجاق خورشیدی برای پختوپز در زمان غروب استفاده کرد.
- محدودیت سطح مقطع برای جذب گرمایش خورشیدی:
کارکرد اصلی اجاق خورشیدی بدینصورت است که انرژی خورشیدی توسط صفحات جاذب به گرما تبدیل میشود و برای افزایش دما و کارکرد بهتر، لازم نیست سطح مقطع بیشتری مهیا شود ولی از طرفی هم محدودیت فضا داریم و هم افزایش سطح مقطع باعث بهکارگیری ماده بیشتر و نهایتاً وزن و هزینه بیشتر میشود.
- عایقبندی اجاق خورشیدی:
یکی از مسائل تأثیرگذار در عملکرد اجاقهای خورشید، عایقبندی سیستم برای جلوگیری از اتلاف گرمای حاصل شده است و نکتهای که باید به آن توجه کرد این است که علاوه بر عایقبندی جعبه و دیوارههای اجاق خورشیدی، عایقبندی قسمتهای شفاف اجاق خورشیدی نظیر شیشههای عبور دهنده گرمای خورشیدی نیز اهمیت دارد [۱۶].
- فناوری نانو در اجاق خورشیدی
کاربردهای فناوری نانو در اجاق خورشیدی را میتوان در موارد زیر خلاصه کرد:
۳-۱ افزایش توان ذخیرهسازی انرژی گرمایی در اجاقهای خورشیدی به کمک فناوری نانو:
یکی از چالشهای اجاق خورشیدی که در بالا هم اشاره شد، عدم قابلیت استفاده در کل روز است، لذا میتوان به کمک فناوری نانو گرمایش خورشیدی را ذخیره نمود.
یک راه استفاده از نانوعایقهای حرارتی با ضریب رسانایی بسیار کم است که بتوان با استفاده از آنها، درز دیواره و جعبه اجاق خورشیدی را پوشاند و در عین ضخامت و وزن کم، جلوی هدر رفت انرژی گرمایی ذخیره شده گرفته شود و این امکان را فراهم آورند که اجاق خورشیدی بتواند در مدتزمان بیشتری در طول روز مورداستفاده قرار گیرد و خاصیت ناپایدار بودن و عدم دسترسپذیری کامل انرژی خورشیدی را جبران کند [۱۷].
یکی دیگر از بهترین گزینهها برای ذخیره انرژِی خورشیدی استفاده از مواد تغییر فازدهنده (PCM[1]) است که ظرفیت گرمایی قابل ذخیره بالایی دارند. استفاده از این مواد با یک سری مشکلات هم همراه است که عبارتاند از: رسانش گرمایی کم، حرارت مخصوص کم و نقطه ذوب بالا. برای غلبه بر این مشکلات، راهحل پیشنهادی اضافه نمودن نانوذرات به مواد تغییر فازدهنده است که نقش اساسی در بهبود عملکرد حرارتی این مواد دارند. با ترکیب نانوذرات و مواد تغییر فازدهنده (ساخت نانوکامپوزیت) ویژگیهای مواد تغییر فازدهنده در راستای رسیدن به خواص موردنظر برای کاربری اجاق خورشیدی، تغییر میکند و ذخیره انرژی حرارتی در اجاقهای خورشیدی برای مواقع کم آفتاب و بدون آفتاب انجام میشود. با کمک افزودن نانوذرات با درصد مناسب به مواد تغییر فازدهنده ویژگیهای مدنظر برای ماده ذخیرهساز انرژی به دست میآیند که عبارتاند از:
- افزایش رسانش حرارتی بالا
- افزایش مقاومت و استحکام مواد
- کاهش هزینه
دیاگرام عملکردی اجاقگاز خورشیدی با استفاده از فناوری نانو در شکل ۸ نمایش داده شده است [۱۷].
شکل ۸- دیاگرام عملکردی اجاق خورشیدی با فناوری نانو مواد تغییر فازدهنده [۱۷]
همانطور که در شکل ۸ نمایش داده شده است، سیستم از چند جزء تشکیل شده است: اجاق خورشیدی سهموی، مبدل حرارتی و پمپها. این سیستم قابلیت کاربری در زمان غروب و یا حتی شب را دارد. یک متمرکزکننده سهموی، گرمای خورشید را روی محفظه روغن مبدل حرارتی که حاوی نانوکامپوزیت نانومواد تغییر فازدهنده است، متمرکز میکند که باعث افزایش دمای نانوکامپوزیت میشود. این عمل باعث افزایش دمای آب و در نهایت تولید بخارآب میشود. این بخار در طول لوله عبور میکند و همزمان میتواند گرمای موردنیاز اجاق خورشیدی بیرون و داخل را تأمین کند. با افزایش نانوذرات به مواد تغییر فازدهنده، ظرفیت ذخیره انرژی تا ۳۰ درصد افزایش پیدا میکند [۱۷].
۲–۳ افزایش توان جذب انرژی گرمایی در اجاقهای خورشیدی به کمک فناوری نانو
افزایش جذب حرارت در اجاقهای خورشیدی یکی از پارامترهای تأثیرگذار در بهینهسازی عملکرد اجاقهای خورشیدی است. یکی از راههای افزایش جذب حرارت، افزایش سطح مقطع جاذب است که از طرفی باعث بزرگتر شدن ابعاد اجاق خورشیدی و بهکارگیری مواد بیشتر و درنهایت افزایش هزینه میشود. راه بهتری که پیشنهاد میشود، بهبود عملکرد حرارتی جاذب حرارتی به کمک فناوری نانو است. با توجه به تحقیقات انجام شده، نقش بهکارگیری نانوجاذبهای متخلخل روی ارتقای عملکرد دمایی اجاق خورشیدی، مثبت ارزیابی شده است [۱۸].
در بررسی تأثیر این روش، مدلسازیهای ریاضی انجام شده و همزمان کار آزمایشگاهی برای اعتبارسنجی نتایج عددی صورت گرفته است و تأثیرگذاری مواد نانوساختار روی بهبود عملکرد دمایی اجاق خورشیدی ثابت شده است.
در تحقیقات انجام شده، تأثیر نانوجاذبهای متخلخل بررسی شده و سه پیکربندی متخلخل در مقیاس نانو (نیمه دایرهای[2]، مثلثی[3] و ذوزنقهای[4]) مطابق شکل ۹ انجام شده است [۱۹].
شکل ۹ – جزئیات جاذبهای نوین برای بهبود عملکرد دمایی اجاق خورشیدی [۱۹]
نمونه آزمایشی اجاق خورشیدی که مدلسازی و کار تحقیقاتی روی آن انجام شده، در شکل ۱۰ نمایش داده شده است.
شکل ۱۰– شماتیک و جزئیات اجزای اجاق خورشیدی موردمطالعه [۱۹]
در شکل ۱۱، مقایسه پیکربندی متخلخل نانو در سه حالت (نیمه دایرهای، مثلثی و ذوزنقهای) با جاذب معمولی مقایسه شده است و مشاهده میشود که در تمامی ۳ حالت، دمای جاذب افزایش یافته است.
شکل ۱۱ – تأثیر پیکربندی متخلخل نانو در سه حالت (نیمه دایرهای، مثلثی و ذوزنقهای) روی دمای جاذب [۱۹]
با توجه به شکل ۱۱ مشاهده میشود که بیشینه دمای جاذب معمولی ۱۱۰ درجه سانتیگراد است درحالیکه برای جاذبهای مثلثی، نیمه دایرهای و ذوزنقهای به ترتیب ۱۳۴٫۱ و ۱۴۶٫۶ و ۱۵۱٫۱ درجه سانتیگراد است و مشخص میشود که برای حالتهای ذوزنقهای افزایش ۳۷٫۴ درصدی دمای جاذب نتیجه شده است.
با افزایش دمای جاذب، دمای هوای محبوس داخل اجاق خورشیدی که مستقیم روی بهینه کردن عملکرد اجاق خورشیدی و سریعتر شدن زمان پخت تأثیر دارد نیز افزایش پیدا میکند (شکل ۱۲) و باعث افزایش ۳۰٫۲ درصدی دمای هوای داخل اجاق خورشیدی شده است.
شکل ۱۲ – تأثیر پیکربندی متخلخل نانو در سه حالت (نیمه دایرهای، مثلثی و ذوزنقهای) روی دمای هوای محبوس در اجاق خورشیدی [۱۹]
۴- محصولات صنعتی
در کشور ایران، تحقیقاتی در زمینه اجاقهای خورشیدی انجام شده است ولی آنچنانکه باید به این فناوری هرچند ساده ولی پرکاربرد پرداخته نشده است و شرکتی در زمینه بهینهسازی عملکرد اجاق خورشیدی به کمک فناوری نانو وجود ندارد.
در جهان محصولاتی مرتبط با اجاق خورشیدی وجود دارد که در ساخت آنها از فناوری نانو بهره گرفتهاند، در جدول زیر به معرفی برخی از این محصولات پرداخته شده است.
جدول ۱– نمونهای از محصولات صنعتی در جهان
| تصویر محصول | نام محصول | شرکت |
|
|
Nanosol 35-Gallon Capacity Portable Solar Water Heating Unit |
Premium Solar LLC[20] |
|
|
Anti-reflective coating low iron solar glass
|
CSG Holding Co. Ltd[21]
|
|
|
Solar Water Heater
|
Kaizen NanoLabs Pvt. Ltd. [22]
|
خلاصه مدیریتی
ایران کشوری است که با توجه به جغرافیای خاص منطقهای که در آن قرار گرفته است، توانایی بالقوهای در جهت بهرهمندی از انرژی گرمایی خورشید دارد. اجاق خورشیدی وسیلهای است که در عین سادگی میتواند بسیار کاربردی باشد و در مناطق مرکزی، شرقی و جنوب کشور مورداستفاده عموم مردم و بهخصوص روستائیان و عشایر قرار گیرد. با بهرهگیری از فناوری نانو میتوان عملکرد اجاق خورشیدی را بهبود بخشید. یکراه استفاده از نانوجاذبها در اجاقهای خورشیدی است که دمای اجاق خورشیدی و سرعت پختوپز را بالا ببرد و یک روش استفاده از نانومواد تغییر فازدهنده برای ذخیره انرژی گرمایی در اجاق خورشیدی است که با این روش بتوان از اجاق خورشیدی در مواقع کم آفتاب و نزدیک غروب نیز استفاده کرد.
مراجع:
- http://www.shana.ir/fa/newsagency/221116/
- Halacy B, Halacy C. Cooking with the sun. Lafayette, CA: Jack Howell; 1992
- Saxena A, Varun, Pandey SP, Srivastav G. A thermodynamic review on solar box type cookers. Renew Sust Energy Rev 2011;15:3301–18.
- http://solarcooking.org
- Narayanaswamy S. Making the most of sunshine: a handbook of solar energy for the common man. New Delhi: Sangam Books Ltd.; 2001.
- Hoda MM. Solar cookers. Lucknow, India: Appropriate Technology Development Association; 1979.
- https://www.slideshare.net/AnamWani/recent-advancements-in-solar-cookers2
- Funk PA. Evaluating the international standard procedure for testing solar cookers and reporting performance. Solar Energy 2000;68(1):1–7
- Knudson B. State of the art of solar cooking: a global survey of practices and promotion programs. Sacramento: SCI; 2004
- http://www.iecf.ir/article-fa-246.html
- Ministry of New and Renewable Energy Government of India. Solar Thermal Systems Modules, Trainers Textbook, p.14-24.
- http://solarcooking.wikia.com
- Saxena A, Varun, Pandey SP, Srivastav G. A thermodynamic review on solar box type cookers. Renew Sust Energy Rev 2011;15:3301–18.
- Prasanna UR, Umanand L. Optimization and design of energy transport system for solar cooking application. Applied Energy 2011;88:242–51.
- Renewable Energy Policy Network for the 21st century, “Renewable 2015 Global Status Report”. REN21.NET.
- Nahar NM, Marshall RH, Brinkworth BJ. Studies on a hot box solar cooker with transparent insulation materials. Energy Convers Manage 1994;35(9):787–91.
- A Review Paper on Nano mixed Phase Change Material for Indoor and Outdoor Solar Cooker Application. International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT) – Volume-43 Number-7 -January 2017.
- Fudholi, A., Sopian, K., Othman, M.Y., Ruslan, M.H., Bakhtyar, B., 2013. Energy analysis and improvement potential of finned double-pass solar collector. Energy Convers. Manage. 75, 234–240.
- Improving thermal power of a cylindrical solar cooker via novel micro/nano porous absorbers: A thermodynamic analysis with experimental validation. Erdem Cuce. Solar Energy 176(2018)211-219.
- https://product.statnano.com/product/8186
- https://product.statnano.com/product/7727
- https://product.statnano.com/product/8313
[1] Phase Change Material
[2] Semi Circular
[3] Triangular
[4] Trapezoidal
