پرسش های علمی

1- آبگرمکنهای خورشیدی چگونه کار می کنند؟     

مهمترین قسمت هر سیستم آبگرمکن خورشیدی یا SWH (Solar water heating) عبارتست از آرایه کلکتورهای آن که وظیفه جذب انرژی خورشیدی و تبدیل آن به حرارت را به عهده دارند. حرارت دریافت شده از طریق سیال عامل (آب، مایع ضد یخ یا هوا) که از داخل کلکتور عبور میکند جذب میشود. این حرارت میتواند مستقیماً مورد استفاده قرار گیرد یا اینکه در یک منبع ذخیره حرارتی، برای استفاده های بعدی ذخیره شود. اجزاء مختلف سیستمهای انرژی خورشیدی دائماً در معرض شرایط جوی هستند، لذا این قطعات باید بتوانند در مقابل یخ زدگی یا افزایش بیش از حد حرارت و هنگامیکه تقاضا برای مصرف کم است بطور مناسب محافظت شوند.
در سیستمهای آبگرمکن خورشیدی، آب مصرفی یا بطور مستقیم با عبور از کلکتور گرم میشود (سیستمهای گردش مستقیم) یا اینکه بطور غیر مستقیم و توسط یک مبدل حرارتی که خود در یک سیکل بسته توسط سیال داخل کلکتور گرم شده است، گرما میگیرد (سیستم گردش غیر مستقیم). سیال عامل نیز یا به صورت طبیعی ( غیر فعال یا پسیو) جابجا میشود یا اینکه بصورت اجباری به گردش در میآید (فعال یا اکتیو). گردش طبیعی سیال عامل بر اثر پدیده ترموسیفون بوجود میآید در حالیکه برای گردش اجباری این سیال از یک پمپ استفاده میشود. غیر از سیستمهای ترموسیفون و سیستمهایی که کلکتور و منبع ذخیره یکپارچه دارند، سایر سیستمهای گرمایش آب توسط ترموستاتهای تفاضلی کنترل میشوند.
پنج نوع از سیستمهای خورشیدی میتوانند برای گرم کردن آب مصرفی یا بهداشتی مورد استفاده قرار گیرند که عبارتند از: ترموسیفون، کلکتور- مخزن یکپارچه، گردش اجباری، غیر مستقیم و هوا. دوسیستم اول سیستمهای غیر فعال (پسیو) نامیده میشوند، اما سه سیستم دیگر سیستمهای فعال (اکتیو) هستند، چون یک پمپ یا فن برای گردش سیال عامل در آنها نصب میشود. برای جلوگیری از یخ زدگی کلکتور در سیستمهای مستقیم از گردش معکوس(recirculation) یا تخلیه(drain-down) و در سیستمهای غیر مستقیم از تخلیه برگشتی (drain-back) استفاده میشود.

2- چند نمونه از کاربردهای غیر نیروگاهی حرارتی انرژی خورشیدی را نام ببرید .

خوراک پز خورشیدی، آبگرمکنهای خورشیدی، آبشیرین کنهای خورشیدی،یخچال خورشیدی،خشک کن خورشیدی و گلخانه خورشیدی

 3- انواع کلکتورهای بکار رفته در آبگرمکنهای خورشیدی را نام ببرید .     

١-کلکتورهای نوع صفحه تخت (Flat Plate Collectors - FPC)
 ٢- کلکتورهای نوع جفت سهموی (Compound parabolic collectors)
 ٣- کلکتورهای لوله خلاء (ETC Evacuated tube collectors)
این کلکتورها اغلب بصورت ثابت در محل خود نصب میشوند و نیازی به دنبال کردن خورشید ندارند.

4- نحوه قرار گیری و اجزای کلکتورهای FPC چگونه می باشد؟    

این کلکتورها باید رو به خط استوا نصب شوند، بطوریکه در نیمکره شمالی به سمت جنوب و در نیمکره شمالی بسمت شمال قرار گیرند. زاویه شیب مناسب برای این کلکتورها برابر با عرض جغرافیایی منطقه نصب است که بسته به نوع سیستم، این زاویه بین ٥ تا ١٠ درجه افزایش یا کاهش می یابد.
کلکتورهای صفحه تخت عموماٌ از قسمتهایی که در شکل ٢ نمایش داده شده اند تشکیل میشوند.  

5- یخچال خورشیدی چگونه کار می کند؟     

راه های بسیاری وجود دارند که میتوان انرژی خورشید را با پروسه تولید سرما ادغام کرد. سرمایش خورشیدی را هم میتوان از طریق گرمایش خورشیدی بعنوان منبع گرمایی و هم از طریق فتوولتائیک بعنوان منبع الکتریکی ایجاد کرد. این کار را میتوان با روشهای جذبی و جذب سطحی از طریق گرمایش و یا با استفاده از یک یخچال معمولی که برق آن از فتوولتائیک تامین میشود انجام داد. سرمایش خورشیدی خصوصاً برای سرد نگهداشتن واکسنها در مناطقی که الکتریسیته در دسترس نیست یا برای سرمایش مکانها مورد استفاده قرار میگیرد. انواع روشهای سرمایش خورشیدی عبارتند از:
یونیتهای جذب سطحی (Adsurbtion units)
جامدات متخلخل، که جاذب نامیده میشوند، بصورت فیزیکی و بازگشت پذیری میتوانند مقادیر زیادی بخار را که سیال جذبی (adsorbate) نامیده میشود خود جذب (adsorb) کنند. ایده اصلی استفاده از این پدیده در قرن نوزدهم بوجود آمد. تراکم بخار جذبی درون جامد جاذب بستگی به دمای زوج یا به عبارت دیگر ترکیب جاذب و جذب شونده و نیز فشار بخار دارد. اگر فشار ثابت باشد میتوان با تغییر دادن درجه حرارت موجب جذب یا بازپس دهی ماده جذبی توسط جاذب شد. این روش، مبنای کارکرد سیستمهای خورشیدی استفاده کننده از سیکل جذب بخار می باشد.
یک زوج جاذب- جذبی برای کار کردن در یک مبرد خورشیدی باید ویژگیهای زیر را داشته باشد:
١.      یک مبرد با گرمای نهان بالا
٢.      یک زوج کاری با خواص ترمودینامیکی بالا
٣.      یک دمای بازگشتی (بازپس دهی سیال جذبی) کوچک در مواجهه با فشار و دمای کاری
٤.      ظرفیت گرمایی پایین
زوج آب- آمونیاک بیشترین استفاده را در بین سیستمهای موجود دارد و استفاده از زوجهای جذبی مناسب تر برای سیستمهای خورشیدی در حال بررسی و مطالعه و تحقیق است. بازده این سیستمها توسط دمای کندانس محدود میشود، و بدون استفاده از تکنولوژیهای سطح بالا امکان کاهش آن وجود ندارد. برای مثال، برجهای خنک کن و رطوبت زدا (desiccant bends) برای تولید آب سرد برای کنداس کردن آمونیاک در فشار پایین استفاده میشوند. از جمله معایب ذاتی زوج آب- آمونیاک این است که لوله ها و مخازنی با ضخامت بالا نیاز دارند، خوردگی ناشی از آمونیاک، مشکلات برودت و جدا کردن آب از آمونیاک نیز می باشد. چند زوج دیگر نظیر زئولیت- آب، زئولیت- متانول و متانول-کربن فعال در حال بررسی و مطالعه هستند که از میان آنها نوع مناسب تری انتخاب گردد. تا کنون زوج متانول- کربن فعال بهترین نتیجه را داشته است .
یونیتهای جذبی (Absorbtion units)
 پروسه جذبی عبارتست از جذب و گرفتن رطوبت توسط ماده ای که رطوبت گیر نامیده میشود. رطوبت گیرها یا جاذبها موادی هستند که قابلیت جذب و در برگیری گازها یا مایعات را در خود دارند و میل ترکیبی ویژه ای با آب دارند. در حین جذب، ماده جاذب با گرفتن رطوبت، یک تغییر شیمیایی پیدا میکند، برای مثال میتوان به نمک طعام اشاره کرد که هنگام جذب رطوبت تغییر فرم داده و از جامد به سیال تبدیل میشود. ویژگی وابستگی رطوبت گیرها به رطوبت، این مواد را برای واکنشهای شیمیایی جداساز بسیار سودمند ساخته است.
سیستمهای جذبی مشابه سیستمهای تهویه مطبوع بخار-compresstion هستند اما در مرحله فشار (compresstion stage)با هم تفاوت دارند. بطور کلی یک جاذب، قسمت کم فشار، یک سیار مبرد تبخیر شده را جذب میکند. پر استفاده ترین ترکیب مایعات شامل لیتیم برمید- آب () که بخار آب نقش سرد کننده را ایفاد میکند و آمونیاک- آب () که آمونیاک سرد کننده است، میباشند.

6- نحوه عملکرد سیستم پمپ حرارتی خورشیدی را شرح دهید.  

پمپهای حرارتی با استفاده از انرژی مکانیکی، انرژی حرارتی را از یک محل به یک منبع حرارتی منتقل میکنند. پمپهای حرارتی که بوسیله الکتریسیته راه اندازی میشوند در مقایسه با گرمکنهای الکتریکی یا سوختهای گرانقیمت دارای دو مزیت هستند: ضریب عملکرد (COP) این پمپها به اندازه ای بالاست که میتوانند بازای هر کیلووات ساعت انرژی تغذیه شده به کمپرسور، ١١ تا ١٥ مگاژول گرما بدهند که این امر موجب صرفه جویی در هزینه های تامین انرژی میشود. پمپهای حرارتی آب به هوا، که از آب گرم شده توسط خورشید بعنوان منبع انرژی اواپراتور استفاده میکنند را میتوان بعنوان منابع کمکی گرمایی استفاده کرد. استفاده از آب مشکلات یخ زدگی را دارد که باید مد نظر قرار گیرد. سیستمهای خورشیدی که از سیال مایع استفاده میکنند در دمایی کمتر از سیستمهای متداول کار میکنند و از تجهیزات بیشتری برای هدایت گرما به ساختمان استفاده میکنند.  

7- گرمایش پسیو خورشیدی در ساختمان را شرح دهید.      

برای گرمایش خورشیدی پسیو دو اقدام اولیه باید صورت گیرد:
-        استفاده از شیشه در وجه جنوبی
-        استفاده ازجرم حرارتی جهت جذب کردن، ذخیره سازی و انتشار گرما
در اینجا ٣ رهیافت برای سیستم های پسیو وجود دارد: کسب مستقیم – کسب غیر مستقیم – ایزوله کردن
هدف همه سیستم های گرمایش خورشیدی ذخیره سازی گرما توسط مصالح ساختمانی و رها سازی آن در زمانهایی است که تابش خورشید وجود ندارد. هنگامیکه مصالح ساختمانی گرما را برای استفاده های بعدی ذخیره می نمایند گرمایش خورشیدی فضای مطلوبی را برای داخل خانه مهیا می نماید.
١) کسب مستقیم[١] :
معمولترین سیستم خورشیدی پسیو، کسب مستقیم نامیده می‎شود. کسب مستقیم مربوط به نور خورشید است که از پنجره ها وارد ساختمان می‎شود و فضای داخلی منزل را گرم می‎کند. طی ساعات افتابی این گرما در جرمهای حرارتی سقفها یا دیوارهای داخلی با جنس آب، سنگ، بتون آجر ذخیره می‎شود. گرمای ذخیره شده در جرم حرارتی در طی ساعاتی که آفتاب غروب کرده است به درون منزل منتقل می‎شود. طراحییک سیستم کسب مستقیم عبارت است از محاسبه سطح پنجره و میزان جرم حرارتی مورد نیاز جهت گرم کردن فضای منزل بطور کلی مساحت شیشه درکسب مستقیم باید حداقل ٧ صدم مساحت سقف خانه باشد و از ١٢ درصد ان تجاوز نکند. در کسب مستقیم شیشه های دوجداره نیز توصیه می‎شوند.

8- انواع روشهای سرمایش پسیو را توضیح دهید.     

تکنیکهای سرمایش طبیعی باعث می شوند بدون استفاده از هر گونه انرژی در تابستان، خانه خنک بماند. سایه از جمله موارد کاربردی و مهم در خانه های خورشیدی پسیو می باشد زیرا همین ساختار در زمستان نور خورشید را جمع آوری می کند. جرم حرارتی و مصالح ساختمانی به همان خوبی که در گرمایش کاربرد دارند در سرمایش نیز مؤثرند. در زمستان گرما را ذخیره می کنند و در تابستان جهت خنک سازی منزل استفاده می شوند همچنین بکار بردن پنجره هایی که در تابستان با ایجاد سایه گرمای کمتری به خانه منتقل می کنند.
١) پنجره های مناسب جهت تهویه:
یک استراتژی اولیه برای سرمایش ساختمانها بدون بکار بردن قطعات مکانیکی در آب و هوای گرم بکار بردن تهویه طبیعی می باشد نسیمهای رایج تابستانی با شیشه های بزرگ دیوار جنوبی که برای گرمایش پسیو بکار می روند هماهنگی دارد و به پیرو استراتژی های زیر امکان استفاده از تهویه و دریچه خورشیدی را بطور مؤثری کارا می سازند.
 وضعیت پنجره هاباید به گونه ای باشد که بهترین جریان هوا بوجود آمده وپنجره های با حفاظ (سایبان دار) بطور کامل باز شود. این پنجره بهترین محافظ در برابر باران بوده و بهتر از پنجره های دو لنگه (لولایی) عمل می کنند.اگر اتاقی فقط در یک وجه پنجره دارد می توان بجای یک پنجره از دو پنجره پهن استفاده نمود.
٢)کنسول بام:
کنسولهای ثابت نه گران هستند و نه نیازی به اپریشن دارند. فقط در طراحی آنها باید دقت کرد بگونه ای که در تابستان برای خارج کردن گرما و در زمستان برای حفظ گرما در داخل منزل عمل کنند ترکیب هوشیارانه ایی از کنسولهای با اندازه مشخص در پنجره های جنوبی و سایه آن روی سایر پنجره ها راه حل مؤثری می باشد. در سانتافی[١] یک کنسول ایده آل برای پنجره با بلندی ١,٢ متر، ٤٥.٧٢ سانتی مترمی باشد البته اگر بالای کنسول٣٣ سانتی متر بیشتر از بالای پنجره باشد.
٣) سایه بان:
وسایل ایجاد کننده سایه قبل از اینکه نور خورشید به ساختمان برسد آنها را متوقف می کنند این وسایل عبارتند از سایبان، صفحات خورشیدی، پرده های غلطان، دیافراگم مخصوص پشت پنجره و بادگیر عمودی.
این وسایل قابل کنترل بوده و توسط صاحب خانه بر حسب نیاز تنظیم می شوند استفاده از پرده در منزل کم هزینه و مفید می باشد راه دیگر ایجاد سایه استفاده از یک ایوان یا دالان در قسمتهای شرقی یا غربی ساختمان می باشد.
٤) دیوارهای مؤثر بر هوا (بالدار)[٢]:
دیوارهای بالدار در معرض جریان باد قرار دارند و سرعت باد طبیعی را طی اختلاف فشار بوجود آمده توسط این دیوارها زیاد می کند.

9- خشک کنهای خورشیدی چگونه عمل می کنند؟   

خشک کن خورشیدی
روشهای مختلف خشک کردن خورشیدی مواد غذایی عبارتند از:
١-    خشک کردن با جریان هوای گرم
در این روش مواد غذایی در تماس مستقیم با جریان هوای گرم قرار می گیرند و رطوبت موجود در غذا توسط جریان هوا از آن خارج می شود.
٢-   خشک کردن با سطوح گرم
در این حالت رطوبت موجود در مواد غذایی از طریق سطوح گرم، گرفته می شود. شکل صفحه بعد نمای ساده ایی از یک خشک کن خورشیدی می باشد.  

10- انواع آب شیرین کتهای خورشیدی ظرفیت پایین را نام ببرید. 

آب شیرین کن یک مرحله ایی(حوضچه ایی یا کف پله ایی)
-         آب شیرین کن یک فتیله ایی
-         دستگاه تقطیر خورشیدی از نوع ریزشی
-         آب شیرین کن خورشیدی از نوع دودکشی
-         آب شیرین کن خورشیدی از نوع پیشانی گرم
-         آب شیرین کن ٣ اثره
-         آب شیرین کن خورشیدی دولنگه    

11- انواع آب شیرین کنهای خورشیدی را توضیح دهید.     

در ساده ترن روش آب شیرین کنی، هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر می کند، آب تبخیر شده و املاح و نمکها باقی می مانند.
سپس با استفاده از روشهای مختلف می توان آب تبخیر شده را تقطیر کرده و به این ترتیب آب شیرین تولید نمود. البته روشهای مختلفی برای تقطیر آب وجود دارد که همگی آنها به حرارت احتیاج دارند. لازم به توضیح است که تنها تفاوت یک آب شیرین کن خورشیدی با آب شیرین کنهای دیگر در نوع حرارت دهی، به سیستم آب شیرین کن می باشد و در بقیه سیستم روند کار کاملا مشابه می باشد. با این روش می توان آب شیرین بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که به آب بهداشتی دسترسی ندارند، مانند جزایر و نقاط دورافتاده، را تأمین کرد.
آب شیرین کنهای خورشیدی شامل ٣ بخش اساسی می باشند، که عبارتند از:
برای تأمین حرارت در آب شیرین کنهای غیر خانگی از دو نوع کلکتور خورشیدی برای گرمایش آب استفاده می شود، که عبارتند از:
١-    کلکتورهای خورشید حرارت بالا (سهموی و لوله خلاء ها).
٢-    کلکتورهای حرارت پایین (نوع صفحه ای تخت).
آب شیرین کنها در دو سایز صنعتی و خانگی ساخته می شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می توان آب شیرین بهداشتی مصرفی شهرها را تأمین کرد.

12- عملکرد اجاق خورشیدی را شرح دهید.
کشورهای در حال توسعه که از شبکه برق پیشرفته‎ای برخوردار نیستند، برای پختن غذا از گرمایش خورشیدی پسیو استفاده می‎شود.
اجاقهای خورشیدی در دو نوع رایج شلجمی و جعبه ای ساخته شده است. نوع شلجمی آن به صورت یک بشقاب سهموی می باشد که برای پختن غذا بوسیله آن باید ماده غذایی مورد نظر را در کانون این بشقاب قرار دهیم. کیت آموزشی از این اجاق در سال ١٣٨٢ در دفتر انرژی خورشیدی سازمان انرژیهای نو ایران، در گروه کاربردهای غیرنیروگاهی، ساخته شد و جهت آموزش در اختیار مدارس و آموزشکده ها قرار گرفت.
اجاق خورشیدی نوع جعبه ای اولین بار توسط شخصی بنام نیکلاس ساخته شد. این اجاق بسیار ساده بوده و از یک جعبه عایق کاری شده با یک درب شیشه‎ای تشکیل شده بود. در نوع از اجاقهای خورشیدی، گرمای حاصل از نور متمرکز شده خورشید در داخل جعبه به دام افتاده و می‎تواند غذای قرار داده شده در جعبه را گرم کرده و یا آنرا بپزد.    

13- کوره خورشیدی چگونه کار می کند؟ 

نوتورا در اوایل قرن ١٨، اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوب را در فاصله ٦٠ متری آتش زد.
بسمر، پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز در کورة خود را از انرژی خورشیدی تأمین می کرد. متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی، متشکل از دو آینه، یکی تخت و دیگری کروی می باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می شود. طبق قوانین اپتیک، هرگاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید، در محل کانون، متمرکز می شوند و به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می شود، که این نقطه به دماهای بالایی می رسد. امروزه پروژه های متعددی در زمینه کوره های خورشیدی در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می باشد.  

14- سیستم گرمایش با سیال عامل هوا را توضیح دهید. 

طرح شماتیک یک سیستم گرمایش خورشیدی که از هوا بعنوان سیال عامل استفاده کرده و سیستم ذخیره حرارتی آن از نوع بستر شنی میباشد در شکل١١ نمایش داده شده است. یک گرمکن کمکی نیز در این سیستم تعبیه شده است. با تغییر وضعیت دریچه های تنظیم کننده میتوان حالات کارکردی مختلفی برای سیستم ایجاد کرد.

در اغلب سیستمهای هوائی، عملاً امکان اضافه کردن و برداشت همزمان از منبع ذخیره حرارتی وجود ندارد. گرمکن کمکی نیز میتواند گرمای ارسالی از سوی کلکتورها یا منبع ذخیره را گرمتر کرده و برای مصرف به ساختمان ارسال کند. شکل شماره ١٢ جزئیات بیشتری را نمایش میدهد. دمنده ها، کنترلرها، نحوه تآمین آب گرم و جزئیات بیشتری از دریچه های تنظیم هوا قابل مشاهده است.

مزایای استفاده از هوا بعنوان سیال عامل در بخش آبگرمکنهای نوع هوائی (بخش ٥-١-٢) آورده شده است. سیال عامل هوا است و سیستمهای گرمایش هوا نیز میتوانند بطور مشترک استفاده شوند. سیستمهای کنترل نیز میتوانند بخوبی هر دو سیستم را کنترل کنند. علاوه بر معایبی که در سیستمهای آبگرمکن هوائی (بخش ٥-١-٢) وجود دارد، مشکل اضافه کردن سیستمهای تهویه مطبوع را نیز باید برای این سیستمها در نظر گرفت. دست آخر اینکه کلکتورهای هوایی دارای ظرفیت حرارتی کمتری نسبت به کلکتورهای آبی هستند و به همین خاطر دارای  کمتری نسبت به کلکتورهای آبی میباشند.
معمولاً کلکتورهای هوایی که در گرمایش هوا مورد استفاده قرار میگیرند با نسبت جریان ثابت کار میکنند، بنابراین دمای خروجی آنها در طول روز تغییر میکند. البته میتوان میزان دمای خروجی را ثابت نگه داشت و بدین ترتیب شدت جریان هوا در طول روز متغیر خواهد بود. اما این امر میتواند موجب کاهش  در کلکتورها شود و بدین ترتیب، هنگام کاهش شدت جریان هوا بازده کلکتور کاهش می یابد.

15- مزایای استفاده از هیدروژن بعنوان سوخت را نام ببرید؟   

مزیت اصلی استفاده از هیدروژن بعنوان سوخت آن است که پس از احتراق محصول تولید شده بخار، آب و اکسید نیتروژن است. از مزایای دیگر استفاده از هیدروژن می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:
·         براحتی بوسیله خط لوله می‌توان آنرا انتقال نمود.
·         میزان حرارت تولید شده در اثر احتراق در واحد وزن بیشتر از هر سوخت مورد استفاده دیگر می باشد.
·         یک سوخت عمومی بشمار می رود؛ زیرا میزان اختلاط آن با هوا را برای احتراق در یک باند وسیع می‎توان تغییر داد.