برای مشاهده ویدیوی «خلاصه تصویری» این اختراع اینجا کلیک نمائید
◉ مقدمه و اهداف:
تصور کنیم که به هر دلیلی تولید برق در کره زمین بصورت کامل متوقف شود, آنگاه فکر می کنید به تبع آن چه بخش هایی از فعالیت انسانها متوقف خواهد گشت؟ پاسخ واقع بینانه می تواند این باشد: "تمام چرخه فعالیتها در تمامی حوزه های علمی, فرهنگی, اقتصادی, سیاسی و . . . بطور کامل متوقف خواهد گشت". در حقیقت طرح این سوال و پاسخ, بهترین شکل بیان اهمیت حیاتی تولید نیروی الکتریسیته و ارتباط جدانشدنی آن با نیازهای امروز بشر می باشد. حال چنانچه این نیاز اجتناب ناپذیر به نیروی الکتریسیته را با تبعات زیست محیطی تولید آن که ناشی از آلایندگی های سوختی نیروگاه های تولید برق است ترکیب نمائیم با یک موضوع جدی و پر اهمیت تر دیگری روبرو خواهیم گشت و آن ضرورت تولید الکتریسیته اما بدون ایجاد آلودگی های محیطی است. چالشی که دهه هاست بشر سعی در پیدا کردن راه حل های مختلفی برای غلبه بر آن دارد.
نیروی الکتریسیته به روش های گوناگونی قابل تولید است اما وقتی تصمیم به تولید آن با ولتاژ بالا و در حجم زیاد می گیریم با یک عامل بازدارنده در انتخاب نوع سوخت نیروگاه مواجه خواهیم گشت. به بیان ساده تر, بین ایجاد آلودگی زیست محیطی و تولید برق در حجم زیاد با استفاده از سوخت های فسیلی تنها می توانیم یک گزینه را انتخاب نمائیم. بدون تردید سوخت های فسیلی قابلیت بهتری برای به حرکت در آوردن قدرتمند و مداوم توربین ها و ژنراتورهای عظیم, نسبت به سایر روش های سوخت های تجدید پذیر دارند. نیروگاه های عظیم حرارتی سوخت فسیلی در مقایسه با نیروگاه های کوچک توربین آبی, بادی و یا پنل های خورشیدی, از راندمان و بازدهی بسیار بالاتری در تولید و ذخیره برق جهت تزریق در شبکه برخوردار می باشند اما در سالهای اخیر و با سرعت گرفتن افزایش دمای کره زمین و تخریب محیط زیست, نقش نیروگاه های سوخت فسیلی بعنوان متهمین ردیف اول تخریب لایه ازون با انتشار گازهای گلخانه ای و مواد تخریب کننده(ODS), بیشتر نمایان شده است که این موضوع ضرورت عدم استفاده از سوخت های آلوده کننده محیط زیست را بیشتر حائز اهمیت می کند.
از سوی دیگر, استفاده از شکافت هستهای اورانیوم یا سایر عناصر سنگین در راکتورهای نیروگاه های هسته ای بدلیل هزینه های بالای ساخت و نگهداری این دسته از نیروگاه ها, تولید پسماندهای رادیواکتیو, خطرات بسیار بالا و فاجعه بار رادیواکتیو برای سلامتی انسان در صورت بروز حوادث احتمالی, و نیز وابستگی به اورانیوم بعنوان یک منبع تجدیدناپذیر که استخراج آن آسیب غیر قابل جبران بر محیط زیست می گذارد باعث گشته که از لحاظ اقتصادی و امنیتی استفاده از نیروگاه های هسته ای در تمامی کشورهای جهان قابل توجیه منطقی نباشد و اکثر دولت ها ترجیح می دهند بیش از 75 درصد از تولیدات برق خود را از طریق نیروگاه های حرارتی سوخت فسیلی تامین کنند. این دغدغه مهم در سطح جهانی باعث شد که من ایده ساخت نیروگاه های حرارتی تولید برق بدون استفاده از سوخت های فسیلی آلاینده نظیر زغال سنگ، مازوت, و یا گاز طبیعی را طراحی کنم.
بمثابه سایر ایده های دیگری که تاکنون در حوزه تولید انرژی پاک ارائه کردم, اینبار نیز مجددا به سراغ نیروهای رایگان و پاک تولید انرژی در طبیعت رفتم. در طراحی این نیروگاه, با استفاده از نور خورشید به روشی متفاوت نسبت به نیروگاه های حرارتی و یا پنل های خورشیدی فعلی, موفق به طراحی یک نیروگاه حرارتی با استفاده از لنز خورشیدی شدم. در این نیروگاه حرارتی جدید, خبری از پنل های خورشیدی سنتی جهت تولید گرما و یا سوزاندن سوخت های فسیلی جهت تبدیل آن به انرژی الکتریسیته نیست بلکه بجای آن من مستقیما نور خورشید را بعنوان سوخت اصلی مشابه عملکردی که در بویلر های حرارتی رخ می دهد, مورد استفاده قرار دادم که در بخش توضیحات فنی به شرح نحوه چگونگی کارکرد این نیروگاه جدید خواهم پرداخت.
خوشبختانه در سالهای اخیر علاقمندی همگان به استفاده از انرژی های جدید و پاک بسیار بیشتر شده که نشان از درک و توجه جهانی به موضوع مهم جلوگیری از تخریب محیط زیست دارد اما کماکان وجود چالش میزان راندمان انرژی های تجدید پذیر نظیر نیروگاه های بادی, آبی و یا پنل های خورشیدی, سرعت حرکت در این مسیر را کند کرده است. با اینحال تلاش برای دستیابی به راندمان بالا در تولید انرژی پاک هر روز بیشتر میشود و ایده و طرح من نیز یکی از این تلاش هاست تا بتوانیم با استفاده از نیروهای طبیعی بالاترین راندمان و تولید انرژی الکتریسیته را بدون استفاده از سوخت های فسیلی به دست آوریم. بی شک این ایده پتانسیل بسیار بالایی جهت تولید برق بخصوص در نواحی گرم و خشک آفتاب خیز و یا ترکیب آن با نیروگاه های سوخت فسیلی فعلی دارد.
◉ توضیحات فنی اختراع:
در این نیروگاه حرارتی, من از یک لنز محدب بزرگ برای ایجاد حرارت بسیار بالا بعنوان مولد تولید بخار استفاده کردم. به بیان دیگر, در این طرح با متمرکز کردن تابش اشعه خورشید بر لوله های سینک مولد حرارت, آب به بخار فشرده تبدیل شده و با عبور از توربین باعث چرخش قدرتمند شفت توربین و نهایتا کار کردن ژنراتور جهت تولید برق در طول روز می شود. واضح است که بالاترین راندمان تولید برق توسط این نیروگاه در بازه زمانی تابش مناسب نور خورشید می باشد اما برای استفاده از انرژی الکتریسیته در طول شب می توان تولید روز را در باتری های نیروگاهی نسل جدید ذخیره کرد. این نیروگاه خورشیدی می تواند با شراکت در سیکل ترکیبی سایر روش های تولید برق کمک زیادی به کاهش استفاده از سوخت های فسیلی, افزایش عمر دستگاه های سایر نیروگاه ها و بالا رفتن خروجی ولتاژ تولید شده نماید. بدین صورت که در طول روز با انتقال فشار بار تولید برق به این نیروگاه, می توان ژنراتورهای سایر نیروگاه های تولید برق را در حالت استراحت قرار دهیم و در شب با شروع به کار مجدد سایر نیروگاه ها, این سیکل ترکیبی ادامه یابد.
لازم به اشاره است که به طور خاص، پرتوهای خورشیدی بین ساعت ۱۰ صبح تا ۴ بعد از ظهر در قویترین و تاثیر گذارترین حالت ممکن در تمام مناطق آفتاب خیز کره زمین هستند زیرا پرتوهای خورشیدی با زاویه مستقیمتری به زمین برخورد میکنند و در این ساعات میزان جو مورد نیاز برای عبور امواج نور به حداقل میرسد. همچنین در این ساعات شدت تابش تششعات فرابنفش بسیار بالاست که بعنوان یکی از عوامل مضر سلامتی انسان شناخته می شود زیرا جو در این ساعات نمی تواند تابش های فرابنفش را پراکنده و دفع کند. اوج شدت تابش های تششعات خورشیدی در حوالی ظهر یعنی در زمانی که خورشید در بالاترین نقطه آسمان قرار دارد است زیرا پرتوهای حرارتی خورشیدی در این زمان از جو کمتری عبور میکنند و در طول مسیر, گرما و انرژی کمتری از دست میدهند. شفافیت, حرارت و نفوذ پذیری تششعات خورشیدی به جو زمین در بازه زمانی اشاره شده دقیقا همان مزیت و نقطه قوتی است که با تکیه بر آن میتوان به تولید انرژی دست یافت و من از این پتانسیل طبیعی در طراحی این نیروگاه حرارتی استفاده کردم. هر چند در شرایط جوی خاص و در برخی اقلیم های خشک و همیشه آفتابی این بازه زمانی در فصل گرم تابستان افزایش پیدا می کند و می توانیم از راندمان بالای حرارتی تششعات خورشیدی حتی بین ساعات 8 صبح تا 17 بعد از ظهر استفاده کنیم اما بطور معمول بهترین زمان استفاده از تششعات قدرتمند خورشیدی حدفاصل ساعات 9 صبح تا 16 بعد از ظهر خصوصا در مناطق خشک و گرم است.
با استفاده از نور خورشید ما بصورت رایگان یک نیروی طبیعی بالقوه برای ایجاد حرارت و گرما داریم. هرچند دمای ناحیه تابشی, همرفتی و اتمسفر خورشید از 7 میلیون درجه سانتیگراد تا 5500 درجه سانتیگراد متغیر است اما حرارت تابش های خورشیدی بدلیل شدت تضعیف شدنشان پس از طی مسافت زیاد و عبور فوتون ها و امواج الکترومغناطیسی از جو زمین, به تنهایی نمی تواند منجر به حرکت چرخه فشار بخار در بویلر ( دیگ بخار) شود زیرا برای چرخش توربین نیاز به ایجاد فشار بخار داریم. بدین منظور من از سیستم واتر تیوب (آب در لوله) برای تبدیل آب به بخار فشرده استفاده کردم. در سیستم جدیدی که طراحی شده بجای استفاده از سوخت های فسیلی جهت حرارت دادن لوله های محتوی آب, از متمرکز کردن امواج حرارتی نور خورشید بر روی سینک لوله های آب استفاده کرده ام تا میزان ایجاد افزایش دما بصورت تصاعدی بالا رود. این سینک با پوشش دادن لوله هایی که بصورت حلزونی در آن قرار گرفته است در واقع مکانی می باشد که عملیات تبدیل شدن آب به بخار (مطابق آنچه در سایر بویلر های بخار نیروگاه های حرارتی توسط سوخت فسیلی رخ می دهد), با تکیه بر حرارت بسیار بالای نور متمرکز شده خورشید انجام می شود. برای متمرکز کردن و افزایش شدت امواج حرارتی خورشیدی و رساندن آن به حداکثر توان حرارتی من از یک لنز بسیار بزرگ مخصوص (عدسی محدب با قطر زیاد) در طراحی این نیروگاه حرارتی استفاده کردم.
با استفاده از این لنز محدب بسیار قطور و انجام شکست تششعات خورشیدی به سمت یک نقطه کانونی همگرا ما می توانیم میزان شدت حرارت و نفوذ پذیری گرما را بطور بسیار چشمگیری تا بیش از 500 درجه فارنهایت افزایش دهیم تا در کمتر از یک دقیقه آب درون سینک حلزونی به نقطه جوش و سپس بخار فشرده برسد. این شدت افزایش حرارت و تمرکز نور بر روی سینک حلزونی بدلیل عبور نور از چگالی هوا به داخل چگالی متغیر عدسی محدب و قطور لنز رخ می دهد، که منجر به تغییر شدید سرعت و مسیر حرکت تششعات خورشیدی به سمت یک کانون می شود که در حقیقت همان شکست نور است. زمانیکه نور خورشید به مرحله شکست و تمرکز بر یک نقطه کانونی برسد قدرت و حرارت ایجاد شده آن صدها برابر بیشتر از حالت تابش عادی می شود و هر چه شعاع و قطر عدسی محدب بیشتر باشد به تبع آن همگرایی قدرتمند تر با نقطه کانونی فوق العاده داغ تری حاصل می گردد که می تواند در کوتاهترین زمان مایعات را به دمای بحرانی جهت تبدیل شدن به بخار خشک (Superheated Steam) برساند. همچنین برای کنترل بهتر افزایش و یا کاهش حرارت تولید شده توسط لنز من این عدسی محدب بزرگ را بر روی یک پایه متحرک چرخان با بازوهای مکانیکی منعطف که قابلیت تغییر ارتفاع دارند طراحی کردم تا در صورت افزایش بیش از حد فشار بخار بتوانیم با تغییر ارتفاع لنز میزان فاصله تمرکز نقطه کانونی بر روی سینک حلزونی را به سمت افزایش و یا کاهش حرارت تغییر دهیم.
◉ برای بزرگ نمایی بر روی هر یک از تصاویر گالری زیر کلیک نمائید:
برای دستیابی به دمای نقطه جوش آب که در درون لوله های حلزونی سینک حرارتی قرار دارند, میبایست لوله ها از آلیاژی ساخته شوند که دارای بالاترین رسانایی حرارتی باشند و از آنجایی که مس یک رسانای عالی جهت انتقال و نفوذ گرما است بنابراین می تواند بعنوان یک مبدل حرارتی مناسب با دریافت حرارت بسیار بالای تششعات خورشیدی متمرکز شده, آب درون خود را در کوتاه ترین زمان به نقطه بحرانی جوش برساند. نقطه ذوب مس 1085 درجه سانتی گراد است و رسانایی حرارتی بالای مس به سرعت گرما را همراه با قابلیت های دیگری مانند مقاومت در برابر خوردگی، رسوب زیستی، فشرده سازی و انبساط حرارتی منتقل می کند, بدین دلیل در انتخاب آلیاژ لوله های حلقوی سینک حرارتی از این فلز استفاده شده است. لوله های مسی در درون خود آب نسبتا گرمی دارند که توسط دو پمپ فشار از بویلر سیکل گردشی بخار تبدیل شده به آب داغ و نیز تانکر ذخیره اصلی, بصورت پمپاژ تامین کسری آب می شوند.
از آنجائیکه بدلیل دایره ای شکل بودن عدسی لنز محدب نقطه کانونی حرارت نیز بصورت یک دایره با شعاع کوچکتر بر روی سطح تابش برخورد می کند, لذا برای افزایش سطح تماس حرارتی نقطه کانونی شکست نور من لوله های مسی محتوی آب داغ را بصورت حلزونی بر روی سینک حرارتی قرار داده ام تا با استفاده از این شیوه بیشترین سطح تماس حرارت تششعات متمرکز شده با لوله های مسی حاصل شود و آب درون لوله ها در کمترین زمان ممکن سریعا به بخار تبدیل شده و سپس بخار فشرده وارد محفظه پره های توربین برای چرخش شفت گردد. برای انجام رسوب زدایی و یا خرابی های احتمالی ناشی از حرارت فوق العاده بالای لنز حرارتی که منجر به تغییر شکل لوله های مسی میشود, نیاز است سینک حلزونی مورد بازرسی دوره ای مداوم قرار گیرد و در صورت نیاز نسبت به تعمیرات و یا جایگزینی قطعات جهت عملکرد بهتر اقدام شود. بدین منظور در دو سمت سینک حلزونی متصل به لنز خورشیدی, دو ورودی جهت بازدید فنی متخصصان و نیز امکان جدا سازی و یا جایگزینی آسان قطعات خراب, تعبیه شده است.
همانگونه که در شبیه سازی کامپیوتری (ویدیوی انتهای این مقاله) قابل مشاهده است, سیکل حرکتی آب برای تولید الکتریسیته در این نیروگاه حرارتی متشکل از 6 بخش اصلی و تعدادی بخش های فرعی است. در این نیروگاه حرارتی, ابتدا آب از تانکر ذخیره اصلی که در بالاترین سطح ارتفاع از سایر مخازن قرار دارد به مقدار مورد نیاز و کنترل شده به درون مخزن آب گرم که در کنار آن مستقر است, می رود. دمای درونی مخزن آب گرم بدلیل ورود آب داغ میعان شده از بویلر بخار, بسیار بالا است و این حرارت داخلی باعث میشود دمای آب وارد شده از مخزن اصلی نیز به سرعت بالا رود. این افزایش دما کمک می کند که آب پس از خروج از مخزن آب گرم و ورود به لوله های متصل به سینک حلزونی حرارتی, سریعتر به نقطه جوش و تبدیل شدن به بخار فشرده و خشک برسد.
آب خارج شده از مخزن آب گرم جهت داشتن فشار بیشتر برای ورود به لوله های سینک حلزونی و نیز کمک به ایجاد افزایش سرعت و فشار حرکت بخار به سمت توربین توسط یک پمپ, پمپاژ میشود. آب پس از پمپاژ شدن و افزایش فشار وارد لوله های حلزونی سینک حرارتی میشود. آلیاژ لوله های حلزونی از مس است و این موضوع باعث میشود حرارت متمرکز بسیار بالای دریافتی از لنز خورشیدی به سرعت و بطور کامل به اتم های هیدروژن و اکسیژن درون مولکول های آب نفوذ پیدا کند. آب گرم پس از ورود به لوله های مسی سینک, تحت حرارت بسیار بالای تششعات متمرکز لنز خورشیدی قرار می گیرد. این حرارت در ساعات 9 صبح تا 16 بعد از ظهر که بعنوان ساعات اوج تابش نور خورشید در نواحی آفتاب خیز (مناطق نزدیک به خط استوا, مناطق بیابانی, مناطق مرتفع, مناطق ساحلی) تلقی میشود دمای سینک حلزونی را به بیش از 500 درجه فارنهایت می رساند که با نفوذ سریع آن به داخل مولکول های آب منجر به تولید سریع بخار فشرده می شود. بخار حاصله از سمت دیگر دهانه خروجی سینک وارد چمبر توربین جهت چرخاندن پروانه ها و شفت می گردد.
در زیر توربین بخار, یک ژنراتور سنکرون عمودی در مرکز دو ستون ایستگاه نصب شده است تا اتصال توربین به ژنراتور برای انتقال نیروی گشتاور بدون اتلاف انرژی و بر روی یک خط مستقیم عمودی انجام شود. شفت توربین مستقیما به روتر (Rotor) ژنراتور متصل شده است تا پس از چرخش شفت توربین, نیروی گشتاور سریعا به ژنراتور منتقل و منجر به گردش روتر و تولید برق شود. همانگونه که در ویدیوی این اختراع در انتهای مقاله قابل مشاهده است تمامی تجهیزات در فضای باز مستقر شده اند تا برای درک بهتر سیکل عملکرد این نیروگاه توجیه پذیر باشد اما در طراحی نهایی میتوانیم سینک حلزونی حرارتی و لنز خورشیدی را در محیط باز در معرض تابش نور خورشید و مجموعه توربین و ژنراتور را در یک اتاقک قرار دهیم تا گرد و غبار و سایر عوامل محیطی تاثیری بر کارکرد ژنراتور و توربین نداشته باشد.
در ادامه پروسه چگونگی عملکرد این نیروگاه, بخار فشرده پس از چرخاندن پره های توربین, از سمت دیگر توربین بخار خارج شده و از طریق لوله های مسی به کمک یک پمپ مکنده به سمت بویلر خنک کننده بخار جهت تبدیل به میعان می رود. همانگونه که در تصاویر این مقاله مشخص است بویلر خنک کننده دارای 4 لوله خروجی مازاد فشار بخار داغ (2 لوله در بالا و 2 لوله در قسمت ورود بخار) و نیز 6 فیلتر پنجره ای جهت خنک کنندگی و پائین آمدن دمای داخلی بویلر بخار است. مولکولهای بخار فشرده و داغ پس از ورود به محفظه بسته بویلر با دمایی خیلی پایین تر نسبت به سینک حرارتی, انرژی خود را از دست میدهند و سرعت حرکت مولکول ها کاهش یافته و به یکدیگر نزدیکتر میشوند. در این وضعیت مولکولهای بخار آب با نزدیک شدن به یکدیگر دچار خاصیت فیزیکی پیوستگی شده و قطرات آب را تشکیل دهند. این قطرات آب تشکیل شده به دلیل وزن جرمی و وجود نیروی گرانش به سمت مخزن مستقر در کف بویلر حرکت میکنند و تشکیل میعان می دهند. آب حاصله مجددا از سمت انتهای مخزن بویلر خارج شده و به سمت مخزن آب گرم جهت ادامه سیکل گردشی تولید بخار پمپاژ می شود.
برق تولید شده توسط ژنراتورهای ولتاژ بالا این نیروگاه حرارتی به وسیله ترانسفورماتورهای بهینه سازی ولتاژ تنظیم شده و سپس با انتقال به خطوط خروجی در سراسر شبکه توزیع میشود و یا آنکه در طول روز در باتری های نسل جدید مستقر در نیروگاه ذخیره می گردد تا ناترازی تولید شبکه را در طول شب جبران کند. با استفاده از این سیکل ترکیبی بخصوص در نواحی با اقلیم بسیار گرم و سوزان, امکان آن فراهم میشود که هیچگونه مشکلی در زمان اوج تقاضا جهت مصرف برق در فصول تابستان و یا کاهش موقت تولید به دلیل خارج شدن دیگر نیروگاه ها از مدار تولید برق را نداشته باشیم. بی شک این قابلیت کمکی تولید برق در فصل تابستان مناطق گرمسیر و آفتاب خیز دارای اهمیت ویژه و بهره وری بالایی است.
بمثابه سایر اختراعات, این اختراع نیز قابلیت توسعه و ظرفیت بهینه سازی بیشتر را داشته و با تجاری سازی آن می توان کمک شایانی به کاهش تخریب محیط زیست نمود.
◉ سازنده انیمیشن این ویدیو: علی پوراحمد
◉ سازنده موسیقی این ویدیو: علی پوراحمد
◉ گفتار متن: علی پوراحمد
◉ زبان: انگلیسی
◉ زیر نویس فارسی: ندارد
درباره مخترع و نویسنده این مقاله 👇 :
مقالات مرتبط با تولید برق به روش های گوناگون :
سایر اختراعات علی پوراحمد :
سایر مقالات علی پوراحمد :