فيزياء

الطاقة الشمسية

طاقة شمسية

الطاقة الشمسية: بالفعل النظر في وحدات تحلية مياه البحر التي تستخدم الطاقة الشمسية. المبدأ بسيط: الحرارة التي يوفرها الإشعاع الشمسي تبخر الماء المالح إلى بخار ماء. يتكثف هذا على جدار بارد يعطي مياه الشرب التي يتم استعادتها. عادة ما يتم استنفاد الحرارة المنبعثة من التكثيف إلى الخارج.

نجح باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) ، كامبريدج ، الولايات المتحدة الأمريكية ، وجامعة شنغهاي جياو تانغ ، شنغهاي ، الصين في زيادة كفاءة مثل هذا النظام بما يقرب من أربعة أضعاف عن طريق استعادة الحرارة المنبعثة من التكثيف. لاستخدامها في التبخير.

يعتمد النظام الذي قاموا بتقييمه على نموذج بالحجم الطبيعي في المختبر على المبدأ التالي: يعمل الإشعاع الشمسي على تبخير الماء من الماء المالح عن طريق تسخينه إلى درجة حرارة كافية وتزويده بالحرارة الكامنة للتبخر المطلوبة. عن طريق التكثيف ، يعيد بخار الماء للمكثف هذه الحرارة الكامنة. يتم إعادة استخدام هذا لتسخين وتبخير المياه المالحة ، وذلك بفضل استخدام مراحل التكثيف والتبخير التعاقبي (الشكل 1).

طاقة شمسية
الشكل 1 رسم تخطيطي لنظام تحلية المياه

تجارب الطاقة الشمسية:

المرحلة الأولى من الجهاز: نافذة متجانسة من هلام السيليكا شفافة لأشعة الشمس وعازل حراري جيد ؛ ماص للحرارة الشمسية ومكثف بخار. يتم تحويل الطاقة من الإشعاع الشمسي إلى حرارة في جهاز الامتصاص ،

إقرأ أيضا:ظاهرة السراب الصحراوي

ويتم نقلها من جهاز الامتصاص إلى الفتيل الشعري الرفيع (منشفة ورقية). يحدث التبخر في الفتيل الشعري الملامس لممتص الحرارة.

يُضخ الماء المالح من خزانه عن طريق الضغط الشعري الذي يعوض فقدان السائل في الفتيل بسبب التبخر. يسيل البخار على المكثف مما يؤدي بالتالي إلى استعادة حرارة التبخر الكامنة. يقوم المكثف بإعادة إصداره على شكل إشعاع يتم امتصاصه في المرحلة التالية ليتبخر الماء المالح بدوره.


كما تسمح سلسلة المراحل المتتالية بإعادة تدوير حرارة التبخر الكامنة. الطاقة الحرارية المنبعثة أثناء التكثيف في مرحلة واحدة تبخر السائل من الفتيل الشعري للمرحلة التالية.

سيطلق البخار المتسيل على المكثف طاقة حرارية ستغذي التبخر في المرحلة التالية. وهكذا .. يتم إدخال مكثف المرحلة العليا في خزان المياه المالحة للحفاظ على درجة الحرارة قريبة من المحيط.

الصورة 2. رسم تخطيطي لتشغيل النظام متعدد المراحل

لتوضيح الشرح ، تم توسيع العرض بشكل كبير على طول x من المراحل ( ب هو في الواقع 0.5 مم).
يمثل m “التدفق الكتلي للماء المتبخر ، و q” التدفقات الحرارية المختلفة.
من تحلية المياه عالية الكفاءة عبر محطة شمسية متعددة المراحل ذات موقع حراري.

إقرأ أيضا:ظاهرة السراب الصحراوي

النتائج:

يتكون النموذج الأولي من 11 إطارًا من النايلون ، وممتص حراري شمسي مغطى بالعزل الحراري في هلام السيليكا ، و 10 مكثفات ألمنيوم مغطاة بطبقة رقيقة من التفلون و 10 المبخرات في الفتائل الشعرية (مناشف ورقية).

الزجاج المضاد للانعكاس يحمي الهلام الهوائي السيليكا وامتصاص الطاقة الشمسية.
ب) صورة فوتوغرافية لبعض عناصر نظام المراحل العشر
ج) صورة لمبخر متصل بالجزء الخلفي من المكثف. كل مبخر له طرفه السفلي مغمور في خزان المياه المالحة.
د)منظر للتجربة مثبتة على سطح معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في يوم مشمس جزئيًا (13 يوليو 2019) 1 جهاز من 10 مراحل ، خزانان للمياه المالحة ، 3 قنوات استرداد ، 4 مستشعرات درجة الحرارة ، أنبوب اختبار 5 A متخرج 10 سم 3 ، 6 موازين و 7 كمبيوتر.

بدء النموذج الأولي المكون من 10 مراحل. تبدأ المياه المحلاة بالتدفق من الطابق الأول بعد 8 دقائق من بدء التعرض للشمس. يتم تفعيل المراحل التالية على التوالي ويصل الجهاز الكامل إلى حالته الثابتة بعد 100 دقيقة. ثم يخرج الماء من جميع الطوابق العشرة.

تم تسريع الحركة بمعامل 100.مأخوذة من تحلية المياه ذات الكفاءة الفائقة عن طريق الطاقة الشمسية متعددة المراحل الموضعية حراريًا Zhenyuan Xu ، و Lenan Zhang ، و Lin Zhao ، و Bangjun Li ، و Bikram Bhatia ، و Chenxi Wang ، و Kyle L. Wilke ، يونجساب سونج ، عمر اللبان ، جون إتش لينهارد ، روتشو وانج وإيفلين إن وانج.

إقرأ أيضا:ظاهرة السراب الصحراوي

تُظهر النافذة المكبرة في أعلى اليسار المياه العذبة الخارجة من كل مرحلة خلال هذه العملية. تُظهر النافذة المكبرة الموجودة أسفل اليسار ارتفاع الماء المقابل في الأسطوانة المتدرجة.

النافذة اليمنى العملية الكاملة لحصاد المياه العذبة. بدأ هذا في الغرق بعد 20 دقيقة من بدء التجربة.

تحلية الماء بالطاقة الشمسية:

من تحلية المياه عالية الكفاءة عبر محطة شمسية متعددة المراحل ذات موقع حراري.

تعتمد كفاءة العملية على استخدام مراحل متعددة لتحلية مياه البحر ، وفي كل مرحلة من هذه المراحل ، يتم استخدام المياه الناتجة عن التكثيف في المرحلة السابقة للتبخر بدلاً من فقدانها. تؤدي إضافة المزيد من المراحل إلى زيادة كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة تبخير ، ولكنها بالطبع تزيد من تكلفة وبصمة النظام.

اختار الباحثون نظامًا من 10 مراحل لنموذجهم التوضيحي المثبت على سطح في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. يوفر هذا النظام 5.78 لتر / ساعة من المياه العذبة لكل متر مربع. يتم الحصول على كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة من المياه المنتجة من خلال أخذ نسبة كتلة المنتج من المياه العذبة التي تم الحصول عليها x الحرارة الكامنة إلى الطاقة الشمسية التي يتلقاها سطح الجهاز. بينما تبلغ 81٪ فقط لنظام المرحلة الواحدة ، فإنها تبلغ 326٪ لنظام المرحلة العشر.

هذه النتيجة تفوق بكثير جميع الأعمال الحديثة المتعلقة بتحويل الطاقة الشمسية إلى بخار الماء. الملح المتراكم في المبخرات أثناء التعرض للشمس ينتشر مرة أخرى في الليل في خزان المياه المالحة.

تم بناء النموذج الأولي بمواد رخيصة. فقط الهوائي باهظ الثمن ولكن يمكن استبداله بعزل أقل تكلفة.

على سبيل المثال ، يقدر الباحثون أن نظامًا بمساحة سطحية متر مربع وموضع على خزان مياه البحر كبير يمكن أن يوفر مياه الشرب اللازمة لاحتياجات الشخص على أساس يومي وأنه يمكن بناء جهاز يزود عائلة بأكملها بحوالي يورو. 100.

عدسة مسطحة:

A الكريستال phononic هو مادة ذات بنية الدوري تتكون من عناصر متطابقة رتبت على فترات منتظمة. هذه لها خصائص مرنة مميزة ، تم تصميم التجميع للتأثير على انتشار الموجات الصوتية. نجد خصائص الترشيح والتوجيه والتركيز والتوطين مماثلة لتلك التي لوحظت للموجات الكهرومغناطيسية فيما يسمى بالبلورات الضوئية.

نجح باحثون من جامعة إيكس مرسيليا ، جامعة تولوز ، إمبريال كوليدج ، لندن ، المملكة المتحدة ، جامعة كوينزلاند ، بريسبان ، أستراليا وشركة Multiwave Technology AG ، جنيف ، سويسرا في بناء بلورة صوتية مكونة من كرات صلبة مرتبة في الهواء في شعرية مكعبة تنكسر الصوت مثل العدسة المتقاربة للضوء.

هيكل البلورة الصوتية :الطاقة الشمسية


يتم تصنيع العدسة الصوتية المسطحة (لأنها لا تحتوي على انحناء) باستخدام كرات بولياكتيد قطرها 1.38 سم.

تشكيلها على طابعة ثلاثية الأبعاد. يتم بعد ذلك تركيب أربعمائة منهم عن طريق اللصق لتشكيل شبكة مكعبة تشغل حجمًا 10 سم × 10 سم × 4 سم مع فاصل بين مراكز الكرات 1.5 سم.

Polyactide هو بوليمر لدن بالحرارة ، يتم إنتاجه من الكتلة الحيوية المتجددة مثل الذرة أو بنجر السكر أو قصب السكر.
تشكل هذه الشبكة “مادة خارقة” لها خصائص فيما يتعلق بانتشار الصوت التي لا يمكن العثور عليها في مادة طبيعية.
هذه الخصائص مماثلة لتلك الخاصة بالمواد الخارقة الأخرى ، والبلورات الضوئية المستخدمة في البصريات ، لانتشار الضوء.

البلورات الصوتية لها أبعاد مميزة (تتناسب مع الأطوال الموجية ، هنا λ ~ 3 سم-) أكبر بكثير) من البلورات الضوئية (λ ~ 0.5 ميكرومتر).
في الشكل 1 أدناه ، نرى صورة ومخططًا للعدسة الصوتية المسطحة من صنع الباحثين.

الشكل 1 منظر علوي للجهاز والصورة في الجزء الداخلي

يتكون مستشعر قياس التداخل من صمام ثنائي ليزر تجاري مع ثنائي ضوئي مدمج ، يركز على البصريات ، مرآة عاكسة وإلكترونيات تحكم. نظام قياس التداخل هذا حساس للضغط ، وبالتالي لشدة الموجة الصوتية.

تتيح مرحلتا الترجمة العالية للسفر ، من خلال تحريك مجموعة مصدر العدسة المسطحة ، مسح مجال صوتي واسع أمام العدسة.

التحفيز:

يتم تحفيز الشبكة المكعبة من المجالات بواسطة مكبر الصوت. يتم الكشف عن الموجات الصوتية التي مرت عبر العدسة (البلورة الصوتية) بواسطة مقياس التداخل البصري مع التغذية المرتدة بالليزر. هذا النظام حساس لضغط الموجة الصوتية. يتميز بكونه مضغوطًا وبسيطًا للغاية مع توفير صور مجال ضغط موجة صوتية ذات نوعية جيدة.

التردد المستخدم هو 10.6 كيلو هرتز. يتم التحكم في مكبر الصوت بواسطة مولد وظيفي ينتج قطارات موجية متباعدة 12 ثانية. يتم تثبيته على إطار معدني يحمل أيضًا البلورة الضوئية.

ويتم تحريك التجميع بخطوات 1.5 مم بواسطة لوحين ترجمة يكتسحان مساحة 150 مم × 210 مم. تم إصلاح نظام قياس التداخل.

لإعادة بناء التوزيع الفوري للضغط ، وبالتالي الصوت ، تتم مزامنة كل قياس مع مولد الوظيفة. وبالتالي يمكن الحصول على غلاف اتساع الضغط ، كما هو موضح في الشكل 2 في لحظة 1.1 مللي ثانية بعد بدء قطار الموجة. يمكننا مراقبة التركيز بسبب العدسة الصوتية المستوية.

تشير هذه النتائج إلى أن البلورة الضوئية تعمل كعدسة متقاربة.
يفتح هذا طريقًا جديدًا لتصميم المواد الفوقية الصوتية المشابهة للمواد الفوقية البصرية.
من خلال تركيز الصوت على جهاز امتصاص ، على سبيل المثال ، يمكن تخفيفه بشدة.

يمكن أن يكون التطبيق الواعد نظامًا يقلل من إدراك الضوضاء الصادرة عن أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ، وهو أمر محزن للغاية بالنسبة للمرضى. بالإضافة إلى ذلك ، هذه الصور تتحرك بشكل أقل ، سيتم تحسين الصور. أخيرًا ، يمكننا بالتالي تجنب الاضطرار إلى تخدير الأطفال الصغار الذين يخضعون لهذا الفحص.


السابق
15 عادة صحية ليست جيدة لك
التالي
عالج كلبك بالزيوت الأساسية