6- منابع انرژی تجدید پذیر برای تولید برق: زیست توده

[najm143]

موتور استرلینگ با سوخت زیست توده



گاز استفاده شده در داخل موتورهای استرلینگ هیچ وقت موتور را ترک نمی‌کند و مانند موتورهای دیزل و بنزینی سوپاپ دود که گازهای پر فشار را تخلیه می‌کند و محفظه احتراق وجود ندارد. به همین علت موتورهای استرلینگ بسیار بی صدا هستند.

چرخه استرلینگ از یک منبع حرارتی خارجی که می‌تواند هر چیزی از بنزین و انرژی خورشیدی تا حرارت ناشی از پوسیدگی گیاهان باشد استفاده کند و هیچ احتراقی داخل سیلندرهای موتور رخ نمی‌دهد. نتیجه خالص چرخه استرلینگ ،جذب گرمای |QH|در دمای بالا و دفع گرمای |Qc|در دمای پایین و تحویل کار |QH|-|Qc|=|W|به محیط است.

استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر چون ذرات ریز زیست‌توده در واحدهای کوچک تولید همزمان برق و گرما در موتور استرلینگ توسعه یافته است. در این واحدها سوخت زیست­ توده در یک محفظۀ احتراق خارجی سوخته و حرارت آن به سیال عامل سیکل استرلینگ داده می‌شود. از این‌رو فرایند احتراق ذرات نقش بسزایی در عملکرد سیکل استرلینگ داشته و شبیه‌سازی این گونه محفظه‌های احتراق به کمک دینامیک سیالات محاسباتی می‌تواند در بهینه‌سازی محفظۀ احتراق مفید بوده و اولین گام در طراحی این موتورها باشد.

با افزایش مقدار هوای ثانویه به میزان مشخصی می‌توان دمای گازهای خروجی را برای افزایش بازده موتور استرلینگ به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش داد. کاهش قطر ذرات احتراقی باعث افزایش تبخیر ذرات و نرخ احتراق شده، دما در خروجی را افزایش می‌دهد. افزایش میزان سرعت به هنگام تزریق ذره در ورودی میزان سوزش ذره احتراقی را کاهش داده چون مقداری از آن بدون سوزش کامل محفظه را ترک می‌کنند.

موتورهای استرلینگ بر اساس یک چرخه بسته ساخته شده اند ، جایی که گاز کار به طور متناوب در یک حجم سیلندر سرد فشرده می شود و در یک حجم استوانه ای گرم گسترش می یابد. مزیت موتور استرلینگ در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی این است که گرما با احتراق سوخت داخل سیلندر به چرخه تأمین نمی شود بلکه از خارج از طریق مبدل حرارتی به همان روشی که در دیگ بخار انجام می شود ، از چرخه خارج می شود. در نتیجه ، سیستم احتراق برای موتور استرلینگ می تواند مبتنی بر فناوری اثبات شده در کوره باشد ، بنابراین مشکلات مربوط به احتراق را کاهش می دهد. ورودی حرارت حاصل از احتراق سوخت از طریق مبدل حرارتی گرم و در دماهای بالا به گاز کارگر منتقل می شود.

موتور استرلینگ که در دانشگاه فنی دانمارک توسعه یافته است ، از هلیوم به عنوان گاز کار استفاده می کند.

موتور استرلینگ فوق برای تولید برق 35 کیلووات طراحی شده است. دستگاه فوق به کمک سوخت گیاه و همچنین گاز هلیوم کار می نماید.

مشکلات مربوط به استفاده از سوخت های زیست توده در ارتباط با موتور استرلینگ در انتقال گرما از احتراق سوخت به گاز کار شده متمرکز شده است. برای به دست آوردن توان و راندمان خاص قابل قبول ، دما باید زیاد باشد و مبدل حرارتی باید طوری طراحی شود که مشکلات مربوط به رسوب گذاری به حداقل برسد.

[najm143]

دستگاه گازی ساز زیست توده از نوع پایین سو



طراحی و ساخت دستگاه گازی‌ساز زیست توده (Biomass) از نوع پایین سو (Downdraft) با هدف دستیابی به دانش فنی تولید سیستم گازی سازی زیست توده (Biomass Gasification) به عنوان یکی از پربازده­ ترین روش های تولید انرژی از منابع انرژی تجدیدپذیر انجام شد.

در این فرآیند، زیست توده به گازی به نام گاز سنتز (Syngas) تبدیل می‌­شود که این گاز دارای ارزش حرارتی بالایی بوده و قابل استفاده در سیستم­ های تولید گرما و یا مولدهای تولید الکتریسیته به عنوان جایگزین سوخت‌­های فسیلی است.

با توجه به اینکه حجم عظیمی از پسماندهای کشاورزی، شهری و صنعتی در کشور بدون انجام هیچ‌گونه فرآیندی امحا یا دفن می‌شوند، فرصت مناسبی جهت استحصال انرژی از این منابع رایگان از دست می‌رود.

هم‌چنین ظرفیت بسیار بالای منابع انرژی تجدیدپذیر زیست توده همراه با گستردگی و تنوع بالا در سطح کشور، تولید انرژی از این منابع منجر به کاهش آلایندگی ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی می‌شود و در عین حال از نظر بازار مصرف کاملاً توجیه پذیر خواهد بود.

دستگاه ساخته شده دارای ظرفیت ۱۰ کیلووات حرارتی، با حجم مخزن ۵ کیلوگرم، قدرت دمنده ۵۵ وات و حداکثر حجم گاز تولیدی ۱۲۰ مترمکعب در ساعت است.

[najm143]

سیستم برگ خورشیدی



نمای زیست فعال برگ خورشیدی سیستمی است که از ریز جلبک‌ها و گرمای حرارتی خورشیدی برای تولید انرژی تجدید پذیر ساختمان استفاده می‌کند. برای تولید برق، زیست‌توده جلبکی در نما کشت می‌شود که همچنین به عنوان سایه‌بان ساختمان نیز استفاده می‌شود. این سیستم می‌تواند هم در ساختمان‌های در حال ساخت و هم بناهای موجود نصب شود و هر سال ۲.۵ تن انتشار دی‌اکسید کربن را جبران کند.

نصب این سیستم شامل ایجاد نمای ثانویه با تهیه یک لایه بیرونی راکتورهای تخت شیشه‌ای زیستی در کناره‌های ساختمان رو به خورشید است. این صفحات در امتداد محور عمودی خود برای ردیابی خورشید چرخش پذیرند و می‌توانند به یکدیگر نزدیک شده تا ضمن ایجاد یک لایه خارجی، عایق حرارتی تشکیل شود.

ریز جلبک‌ها در بیوراکتورهای شیشه‌ای تخت پرورش یافته و پوسته زیستی در نما تشکیل می‌دهند. صفحات داخلی راکتورهای زیستی دارای حفراتی است که امکان رشد جلبک‌ها را فراهم می‌کند. این راکتورهای زیستی می‌توانند ۴۵۰۰ کیلووات در ساعت برق از ۲۰۰ مترمربع نمای جلبکی فوتوراکتورهای یکپارچه تولید کنند.

مزایای سیستم برگ خورشیدی



• سیستم برگ خورشیدی در تمام طول سال قابل استفاده است. این سیستم کارایی ۱۰٪ برای تبدیل نور به زیست‌توده و ۳۸٪ برای نور به گرما دارد که نسبت به سیستم‌های فتوولتائیک و سیستم گرمایش خورشیدی مقرون به صرفه تر است.

• از زیست‌توده می‌توان برای تولید برق و گرما استفاده کرد، با این امتیاز که ذخیره‌سازی آن بدون هیچ‌گونه اتلاف انرژی صورت می‌گیرد.

• کشت ریز جلبک‌های مورد نیاز برای فرآیند به زمین اضافی نیاز ندارد و تولید برق فارغ از شرایط جوی ثابت باقی می‌ماند.

• کربن مورد نیاز برای تغذیه جلبک‌ها را می‌توان از هر فرآیند احتراقی تهیه کرد.

• راکتورهای زیستی همچنین می‌توانند به عنوان سایه‌بان‌های فعال عمل کنند زیرا میزان رشد جلبک‌ها به در دسترس بودن نور روز بستگی دارد؛ با رشد بیشتر جلبک‌ها سایه بیشتری برای ساختمان ایجاد می‌شود.

• راکتورهای زیستی می‌توانند زیست‌توده تولید کرده و همچنین گرمای حرارتی خورشید را محبوس کنند، بنابراین از دو طریق قادر به تأمین انرژی ساختمان هستند.

• این سیستم یک عایق صوتی برای ساختمان نیز تشکیل می‌شود.

• پس از دستیابی به نرخ رشد مشخص، برخی از جلبک‌ها جمع‌آوری و فرآوری می‌شوند تا برای تولید برق بیوگاز تولید شود و گرمای مورد نیاز در زمستان را تأمین می‌کند. دی‌اکسیدکربن آزاد شده پس از سوختن بیوگاز خوراک جلبک‌ها را فراهم می‌کند که یک چرخه از گرمای خورشیدی، زمین‌گرمایی، دیگ بخار متراکم و جذب زیست‌توده با استفاده از نمای راکتور زیستی ایجاد می‌شود.