انقر هنا لمشاهدة فيديو "ملخص مرئي" لهذا الاختراع.
اختراعات علي پور أحمد | التصنيف: اختراعات جديدة في العالم | ذات صلة: الاكتشافات العلمية والاختراعات التكنولوجية
محطة الطاقة الحرارية باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس
◉ الاختراع: محطة الطاقة الحرارية باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
◉ المقدمة والأهداف:
في هذه المقالة سوف نشرح بشكل مختصر اختراع محطة طاقة حرارية جديدة باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس لإنشاء البخار.
لنتخيل، لأي سبب كان، توقف إنتاج الكهرباء على الأرض تمامًا، فما هي جوانب النشاط البشري التي تتوقع توقفها نتيجةً لذلك؟ قد تكون الإجابة الواقعية: "ستتوقف دورة الأنشطة في جميع المجالات العلمية والثقافية والاقتصادية والسياسية وغيرها تمامًا". في الواقع، يُعدّ طرح هذا السؤال والإجابة عليه أفضل طريقة للتعبير عن الأهمية الحيوية لإنتاج الكهرباء وارتباطه الوثيق باحتياجات الإنسان اليوم. والآن، إذا جمعنا هذه الحاجة الحتمية للكهرباء مع العواقب البيئية لإنتاجها، الناتجة عن انبعاثات الوقود من محطات الطاقة، فسنواجه مشكلة أخرى أكثر خطورة وأهمية، وهي ضرورة إنتاج الكهرباء دون التسبب في تلوث بيئي. وهو تحدٍّ يسعى البشر منذ عقود لإيجاد حلول متنوعة للتغلب عليه.
يمكن إنتاج الكهرباء بطرق مختلفة، ولكن عندما نقرر إنتاجها بجهد عالٍ وعلى نطاق واسع، سنواجه عاملاً رادعًا في اختيار نوع وقود محطة الطاقة. ببساطة، بين التسبب في تلوث البيئة وتوليد الكهرباء على نطاق واسع باستخدام الوقود الأحفوري، لا يمكننا اختيار سوى خيار واحد. لا شك أن الوقود الأحفوري يتمتع بقدرة أفضل على تشغيل التوربينات والمولدات الكبيرة بقوة واستمرارية مقارنةً بأساليب الوقود المتجدد الأخرى. بالمقارنة مع محطات الطاقة الكهرومائية أو طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية الصغيرة، تتميز محطات الطاقة الحرارية الكبيرة التي تعمل بالوقود الأحفوري بكفاءة وفعالية أعلى بكثير في إنتاج وتخزين الكهرباء للاستخدام. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، ومع الارتفاع السريع في درجات الحرارة العالمية والتدهور البيئي، أصبح دور محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري، باعتبارها المذنب الرئيسي في تدمير طبقة الأوزون من خلال انبعاث غازات الدفيئة والمواد المدمرة (ODS)، أكثر وضوحًا، مما يزيد من أهمية تجنب استخدام الوقود الملوث للبيئة.
◉ الاختراع: محطة الطاقة الحرارية باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
من ناحية أخرى، فإن استخدام الانشطار النووي لليورانيوم أو العناصر الثقيلة الأخرى في مفاعلات محطات الطاقة النووية، نظرًا لارتفاع تكاليف بناء وصيانة هذا النوع من محطات الطاقة، وإنتاج نفايات مشعة، والمخاطر العالية والكارثية للسقوط الإشعاعي على صحة الإنسان في حال وقوع حوادث محتملة، بالإضافة إلى الاعتماد على اليورانيوم كمورد غير متجدد يُسبب استخراجه أضرارًا لا يمكن إصلاحها للبيئة، جعل استخدام محطات الطاقة النووية في جميع دول العالم غير مقبول اقتصاديًا وأمنيًا. وتفضل معظم الحكومات توفير أكثر من 75% من إنتاجها من الكهرباء من خلال محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالوقود الأحفوري. وقد دفعني هذا الاهتمام المهم على المستوى العالمي إلى تصميم فكرة بناء محطات الطاقة الحرارية لإنتاج الكهرباء دون استخدام الوقود الأحفوري الملوث مثل الفحم أو زيت الوقود أو الغاز الطبيعي.
كما هو الحال مع الأفكار الأخرى التي طرحتها حتى الآن في مجال إنتاج الطاقة النظيفة، استخدمتُ هذه المرة مجددًا قوى إنتاج الطاقة الحرة والنظيفة في الطبيعة. في تصميم محطة الطاقة هذه، نجحتُ في تصميم محطة طاقة حرارية باستخدام ضوء الشمس بطريقة مختلفة عن محطات الطاقة الحرارية الحالية أو الألواح الشمسية. في هذه المحطة الحرارية الجديدة، لا توجد ألواح شمسية تقليدية لإنتاج الحرارة أو حرق الوقود الأحفوري لتحويله إلى طاقة كهربائية، بل استخدمتُ ضوء الشمس مباشرةً كوقود رئيسي، على غرار وظيفة الغلايات الحرارية، والتي سأشرحها في قسم الوصف الفني لكيفية عمل هذه المحطة الجديدة.
◉ الاختراع: محطة الطاقة الحرارية باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
لحسن الحظ، ازداد اهتمام الجميع في السنوات الأخيرة باستخدام الطاقات الجديدة والنظيفة بشكل ملحوظ، مما يدل على فهم واهتمام عالميين بقضية منع التدهور البيئي المهمة. إلا أن تحدي كفاءة الطاقات المتجددة، مثل طاقة الرياح ومحطات الطاقة الكهرومائية والألواح الشمسية، قد أبطأ وتيرة التقدم في هذا الاتجاه. ومع ذلك، فإن الجهود المبذولة لتحقيق كفاءة عالية في إنتاج الطاقة النظيفة تتزايد يومًا بعد يوم، وفكرتي وخطتي هي أيضًا إحدى هذه الجهود لتحقيق أعلى كفاءة وإنتاج للكهرباء دون استخدام الوقود الأحفوري باستخدام قوى الطبيعة. ولا شك أن هذه الفكرة تتمتع بإمكانيات عالية جدًا لتوليد الكهرباء، خاصة في المناطق الحارة والجافة المشمسة، أو دمجها مع محطات توليد الطاقة الحالية التي تعمل بالوقود الأحفوري.
◉ الوصف الفني للاختراع:
في محطة الطاقة الحرارية هذه، استخدمتُ عدسة محدبة كبيرة لتوليد حرارة عالية جدًا كمولد بخار. بمعنى آخر، في هذا التصميم، بتركيز أشعة الشمس على أنابيب تصريف المولد الحراري، يتحول الماء إلى بخار مضغوط، ويمر عبر التوربين، مما يدفع عمود التوربين للدوران بقوة، وفي النهاية يعمل المولد لإنتاج الكهرباء خلال النهار. من الواضح أن أعلى كفاءة لإنتاج الكهرباء في هذه المحطة تكون خلال فترة سطوع الشمس، ولكن لاستخدام الطاقة الكهربائية ليلًا، يمكن تخزين الإنتاج النهاري في بطاريات الجيل الجديد لمحطات الطاقة. يمكن لمحطة الطاقة الشمسية هذه أن تُسهم بشكل كبير في تقليل استخدام الوقود الأحفوري، وإطالة عمر مولدات محطات الطاقة الأخرى، وزيادة جهد الخرج الناتج عن المشاركة في الدورة المركبة لمحطات الطاقة الأخرى. بهذه الطريقة، من خلال تشغيل هذه المحطة لتوليد الكهرباء نهارًا، يُمكننا إيقاف تشغيل مولدات محطات الطاقة الأخرى، وفي الليل، من خلال إعادة تشغيل محطات الطاقة الأخرى، يمكن أن تستمر هذه الدورة المركبة.
◉ الاختراع: محطة الطاقة الحرارية باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
تجدر الإشارة إلى أن الإشعاع الشمسي يكون في أقوى حالاته وأكثرها فعالية في جميع المناطق المشمسة من الأرض بين الساعة 10 صباحًا و 4 مساءً، لأن أشعة الشمس تضرب الأرض بزاوية أكثر مباشرة وخلال هذه الساعات يتم تقليل كمية الغلاف الجوي اللازمة لمرور موجات الضوء. كما أن شدة الأشعة فوق البنفسجية عالية جدًا، والتي تُعرف بأنها أحد العوامل الضارة بصحة الإنسان لأن الغلاف الجوي لا يمكنه تشتيت وصد الأشعة فوق البنفسجية خلال هذه الساعات. تبلغ ذروة شدة الإشعاع الشمسي حوالي الظهر، عندما تكون الشمس في أعلى نقطة في السماء، لأن الأشعة الحرارية الشمسية تمر عبر الغلاف الجوي بشكل أقل في هذا الوقت وتفقد حرارة وطاقة أقل على طول الطريق. إن نفاذية الإشعاع الشمسي للغلاف الجوي للأرض خلال الفترة المذكورة هي بالضبط الميزة والقوة التي يمكن الاعتماد عليها لتحقيق إنتاج الطاقة، لذلك استخدمت هذه الإمكانات الطبيعية في تصميم محطة الطاقة الحرارية هذه. على الرغم من أنه في ظروف الطقس المحددة وفي بعض المناخات الجافة والمشمسة دائمًا، تزداد هذه الفترة الزمنية في موسم الصيف الحار ويمكننا استخدام الكفاءة الحرارية العالية للإشعاع الشمسي حتى بين الساعة 8 صباحًا و5 مساءً، إلا أن أفضل وقت لاستخدام الإشعاع الشمسي القوي يكون عادةً بين الساعة 9 صباحًا و4 مساءً، وخاصة في المناطق الجافة والحارة.
◉ الاختراع: محطة الطاقة الحرارية باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
باستخدام ضوء الشمس، نمتلك طاقة طبيعية حرة لتوليد الحرارة والدفء. ورغم أن درجة حرارة المناطق الإشعاعية والحملية والغلاف الجوي للشمس تتراوح بين 7 ملايين درجة مئوية و5500 درجة مئوية، إلا أن حرارة الإشعاع الشمسي وحدها لا تُحرك دورة ضغط البخار في المرجل نظرًا لشدة ضعفها بعد قطع مسافات طويلة ومرور الفوتونات والموجات الكهرومغناطيسية عبر الغلاف الجوي للأرض، لذا نحتاج إلى توليد ضغط بخاري لتدوير ريش التوربينات. ولهذا الغرض، استخدمتُ نظام أنابيب مائية لتحويل الماء إلى بخار مضغوط. في النظام الجديد الذي صممته، بدلًا من استخدام الوقود الأحفوري لتسخين أنابيب المياه، استخدمتُ تركيز موجات حرارة ضوء الشمس على حوض حلزوني لزيادة درجة الحرارة بشكل كبير. هذا الحوض، الذي يغطي الأنابيب الحلزونية، هو في الواقع المكان الذي تتم فيه عملية تحويل الماء إلى بخار (على غرار ما يحدث في غلايات البخار الأخرى في محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالوقود الأحفوري) بالاعتماد على درجة حرارة عالية جدًا لأشعة الشمس المركزة. لتركيز وزيادة شدة موجات الحرارة الشمسية وإيصالها إلى أقصى طاقة حرارية، استخدمت عدسة خاصة كبيرة جدًا (عدسة محدبة ذات قطر كبير) في تصميم محطة الطاقة الحرارية هذه.
باستخدام هذه العدسة المحدبة السميكة جدًا، وكسر الإشعاع الشمسي إلى بؤرة متقاربة، يُمكننا زيادة شدة الحرارة ونفاذها بشكل كبير إلى أكثر من 500 درجة فهرنهايت، مما يُؤدي إلى غليان الماء في الحوض الحلزوني ثم إلى بخار مُكثف في أقل من دقيقة. تحدث هذه الزيادة في شدة الحرارة وتركيز الضوء على الحوض الحلزوني نتيجةً لانتقال الضوء من كثافة الهواء إلى الكثافة المتغيرة للعدسة المحدبة السميكة، مما يُؤدي إلى تغيير حاد في سرعة واتجاه الإشعاع الشمسي نحو البؤرة، وهو في الواقع انكسار الضوء. عندما يصل ضوء الشمس إلى مرحلة الانكسار والتركيز على البؤرة، تكون قوته والحرارة المُولّدة أكبر بمئات المرات مما هي عليه في حالة الإشعاع العادي، وكلما زاد نصف قطر وقطر العدسة المحدبة، زادت قوة التقارب مع البؤرة شديدة الحرارة، مما يُمكن أن يُؤدي إلى وصول السوائل إلى درجة حرارة حرجة في أقصر وقت ممكن، مُحوّلةً إياها إلى بخار مُحمّى. أيضًا، للتحكم بشكل أفضل في زيادة أو نقصان الحرارة التي تنتجها العدسة، قمت بتصميم هذه العدسة المحدبة الكبيرة على قاعدة متحركة دوارة بأذرع ميكانيكية مرنة يمكن تعديل ارتفاعها بحيث إذا زاد ضغط البخار كثيرًا، يمكننا تغيير مسافة تركيز النقطة البؤرية على الحوض الحلزوني عن طريق تغيير ارتفاع العدسة لزيادة أو تقليل الحرارة.
◉ انقر على أي من صور المعرض أدناه للتكبير:
لتحقيق درجة حرارة غليان الماء داخل أنابيب المشتت الحراري، يجب أن تكون الأنابيب مصنوعة من سبيكة ذات أعلى موصلية حرارية. ولأن النحاس موصل ممتاز لنقل الحرارة واختراقها، فيمكن استخدامه كمبادل حراري مناسب لاستقبال حرارة عالية جدًا من الإشعاع الشمسي المركز، وإيصال الماء إلى درجة الغليان الحرجة في أقصر وقت ممكن. تبلغ درجة انصهار النحاس 1085 درجة مئوية، ويتميز بموصليته الحرارية العالية التي تنقل الحرارة بسرعة، بالإضافة إلى خصائص أخرى مثل مقاومة التآكل، والتلوث الحيوي، والضغط، والتمدد الحراري، ولذلك تم استخدام هذا المعدن في اختيار سبيكة الأنابيب. تحتوي أنابيب النحاس على ماء دافئ نسبيًا داخلها، يُضخ بواسطة مضختي ضغط من غلاية البخار التي تُحوّل إلى ماء ساخن، ومن خزان التخزين الرئيسي، كمصدر جزئي للمياه.
◉ الاختراع: محطة الطاقة الحرارية باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
بما أن العدسة المحدبة دائرية، فإن بؤرة الحرارة تصطدم أيضًا بسطح الإشعاع كدائرة ذات نصف قطر أصغر. لذلك، لزيادة مساحة التلامس الحراري لبؤرة انكسار الضوء، وضعتُ أنابيب نحاسية تحتوي على ماء ساخن بشكل حلزوني على المشتت الحراري. باستخدام هذه الطريقة، يتم تحقيق أقصى مساحة تلامس لحرارة الإشعاع المركزة مع أنابيب النحاس، ويتحول الماء داخل الأنابيب بسرعة إلى بخار في أقصر وقت ممكن، ثم يدخل البخار المضغوط إلى حجرة ريش التوربين لتدوير عمود الدوران. لإزالة الترسبات أو أي تلف محتمل ناتج عن ارتفاع درجة حرارة العدسة الحرارية، والذي يؤدي إلى تشوه أنابيب النحاس، يجب فحص المشتت الحراري الحلزوني دوريًا، وإذا لزم الأمر، إصلاح أو استبدال الأجزاء لتحسين الأداء. لهذا الغرض، تم تركيب مدخلين على جانبي المشتت الحراري الحلزوني متصلين بالعدسة الشمسية لإجراء فحص فني من قبل متخصصين، بالإضافة إلى إمكانية فصل أو استبدال الأجزاء التالفة بسهولة.
كما هو موضح في المحاكاة الحاسوبية (فيديو في نهاية هذه المقالة)، تتكون دورة المياه لتوليد الكهرباء في محطة الطاقة الحرارية هذه من ستة أقسام رئيسية وعدد من الأقسام الفرعية. في هذه المحطة، يتدفق الماء أولاً من خزان التخزين الرئيسي، الواقع في أعلى ارتفاع للخزانات الأخرى، إلى خزان الماء الساخن المجاور له بالكمية المطلوبة والمُتحكم بها. تكون درجة الحرارة الداخلية لخزان الماء الساخن مرتفعة للغاية بسبب دخول الماء الساخن المكثف من غلاية البخار، وتؤدي هذه الحرارة الداخلية إلى ارتفاع درجة حرارة الماء الداخل إلى الخزان الرئيسي بسرعة. تساعد هذه الزيادة في درجة الحرارة الماء على الوصول إلى درجة الغليان والتحول إلى بخار جاف مضغوط بسرعة أكبر بعد خروجه من خزان الماء الساخن ودخوله الأنابيب المتصلة بالحوض.
◉ الاختراع: محطة الطاقة الحرارية باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
يُضخ الماء المُستخرج من خزان الماء الساخن بواسطة مضخة لزيادة الضغط لدخول أنابيب الحوض الحلزوني، وللمساعدة في زيادة سرعة وضغط حركة البخار نحو التوربين. بعد ضخه وزيادة الضغط، يدخل الماء الأنابيب الحلزونية للمشتت الحراري. تُصنع سبيكة الأنبوب الحلزوني من النحاس، مما يُمكّن الحرارة المركزة جدًا القادمة من العدسة الشمسية من اختراق ذرات الهيدروجين والأكسجين في جزيئات الماء بسرعة وبشكل كامل. بعد دخول الماء الساخن الأنابيب النحاسية للمشتت، يتعرض لدرجات حرارة عالية جدًا من إشعاع العدسة الشمسية المركز. ترفع هذه الحرارة، بين الساعة 9 صباحًا و4 مساءً، والتي تُعتبر ساعات ذروة ضوء الشمس في المناطق المشمسة (المناطق القريبة من خط الاستواء، والمناطق الصحراوية، والمرتفعات، والمناطق الساحلية)، درجة حرارة الحوض الحلزوني إلى أكثر من 500 درجة فهرنهايت، ومع اختراق الحرارة لجزيئات الماء، يتم إنتاج بخار مضغوط. ثم يدخل البخار الناتج إلى حجرة التوربين لتدوير المكره والعمود من الجانب الآخر لمخرج الحوض.
أسفل التوربين البخاري، يُركّب مولد متزامن رأسي في منتصف عمودي المحطة لربط التوربين بالمولد، مما يضمن نقل عزم الدوران دون فقدان الطاقة، وذلك على خط عمودي مستقيم. يتصل عمود التوربين مباشرةً بدوار المولد، بحيث تنتقل قوة عزم الدوران بسرعة إلى المولد بعد دورانه، مما يؤدي إلى دوران الدوار وتوليد الكهرباء. وكما هو موضح في فيديو هذا الاختراع في نهاية المقال، وُضعت جميع المعدات في الهواء الطلق لفهم دورة تشغيل محطة الطاقة هذه بشكل أفضل، ولكن في التصميم النهائي، يُمكن وضع المشتت الحراري الحلزوني والعدسة الشمسية في بيئة مفتوحة معرضة لأشعة الشمس، ووضع مجموعة التوربين والمولد في حجرة خاصة، بحيث لا يؤثر الغبار والعوامل البيئية الأخرى على تشغيل المولد والتوربين.
◉ الاختراع: محطة الطاقة الحرارية باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
في عملية تشغيل محطة الطاقة هذه، بعد تدوير ريش التوربين، يخرج البخار المضغوط من الجانب الآخر للتوربين البخاري ويمر عبر أنابيب نحاسية بمساعدة مضخة شفط إلى غلاية تبريد البخار لتحويله إلى مكثفات. كما هو موضح في الصور في هذه المقالة، تحتوي غلاية التبريد على 4 أنابيب لإخراج الضغط الزائد للبخار الساخن (أنبوبان في الأعلى وأنبوبان في مدخل البخار) و6 مرشحات نافذة للتبريد وخفض درجة الحرارة الداخلية للغلاية البخارية. بعد دخول الغرفة المغلقة للغلاية بدرجة حرارة أقل بكثير من المشتت الحراري، تفقد جزيئات البخار المضغوط والساخن طاقتها وتقل سرعة حركتها وتقترب من بعضها البعض. في هذه الحالة، تتعرض جزيئات بخار الماء، عند اقترابها من بعضها البعض، لتماسك فيزيائي وتشكل قطرات ماء. تتحرك هذه القطرات المائية المتشكلة نحو الخزان الموجود في أسفل الغلاية بسبب وزنها الكتلي ووجود الجاذبية، وتشكل التكثيف. يتم تفريغ المياه الناتجة مرة أخرى من نهاية خزان الغلاية وضخها نحو خزان الماء الساخن لمواصلة دورة إنتاج البخار.
يتم تنظيم الكهرباء المولدة من مولدات الجهد العالي في هذه المحطة الحرارية بواسطة محولات تحسين الجهد، ثم تُوزّع عبر النقل إلى خطوط الإنتاج في مراكز الاستهلاك، أو تُخزّن خلال النهار في بطاريات الجيل الجديد الموجودة في المحطة لتعويض اختلال الإنتاج ليلاً. باستخدام هذه الدورة المركبة، وخاصةً في المناطق ذات المناخ الحار والحارق، يُمكن تجنب أي مشاكل خلال ذروة الطلب على الكهرباء في مواسم الصيف، أو أي انخفاض مؤقت في الإنتاج نتيجة انسحاب محطات توليد الطاقة الأخرى من دائرة إنتاج الكهرباء. ولا شك أن هذه القدرة الإضافية على توليد الطاقة تكتسب أهمية خاصة وكفاءة عالية في موسم الصيف في المناطق الاستوائية والمشمسة.
◉ الاختراع: محطة الطاقة الحرارية باستخدام العدسة المكبرة وأشعة الشمس
◉ المخترع ومالك براءة الاختراع: علي پورأحمد
◉ الفئة: اختراعات جديدة للمخترعين
وكما هو الحال مع الاختراعات الأخرى، يتمتع هذا الاختراع أيضًا بإمكانية التطوير والتحسين بشكل أكبر، ويمكن أن يساهم تسويقه بشكل كبير في الحد من التدهور البيئي.
نهاية المقال//
◉ فيديو لنظام منع الانقلاب الأوتوماتيكي لجميع المركبات الكهربائية / التصنيف: اختراعات علي بور أحمد
◉ صانع الرسوم المتحركة لهذا الفيديو: علي بورأحمد
◉ ملحن الموسيقى لهذا الفيديو: علي بورأحمد
◉ الراوي: علي بورأحمد
◉ اللغة: الانجليزية
◉ الترجمة: لا يوجد
نبذة عن المخترع ومؤلف هذه المقالة 👇 :
◉ الاختراعات العلمية لعلي پورأحمد
◉ أفلام الخيال العلمي لعلي پورأحمد
◉ جوائز علي پور أحمد
◉ لوحات للفنان علي پورأحمد
◉ موسيقى علي بورأحمد الآلية
إعلان
