طراحی و ساخت و تولید – مهندسی مکانیک تبدیل نوآوری و خلاقیت به واقعیت
نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از بشقاب سهموی (قسمت دوم)
موتور در یک سیستم بشقاب/موتور، طی رفتاری شبیه به موتورهای احتراق داخلی رایج چهار زمانه، گرما را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. انرژی مکانیکی از طریق یک ژنراتور یا مبدل، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. تعدادی چرخه‌ی ترمودینامیکی و سیال‌های عملگر برای سیستم‌های بشقاب/موتور در نظر گرفته شده است از جمله چرخه‌ی رنکین که از آب یا یک سیال عمل کننده‌ی آلی استفاده می‌کند؛ برایتون با چرخه‌ی باز یا بسته و چرخه‌ی استرلینگ. چرخههای ترمودینامیک عجیب و غریب دیگر و تغییرات چرخههای مذکور نیز در نظر گرفته شده‌اند. موتورهای احتراق که عموماً موفق بوده‌اند، از چرخههای استرلینگ و برایتون باز (توربین گازی) استفاده کرده‌اند. استفاده از چرخه‌ی موتورهای وسایل نقلیه‌ی Otto و دیزل عملی نیست زیرا یکپارچه سازی آن‌ها با متمرکز کننده‌های خورشیدی بسیار دشوار است. گرما همچنین می‌تواند توسط سوزاننده‌ی گاز تکمیلی فراهم شود تا عملکرد در هوای ابری یا در هنگام شب نیز ممکن شود. خروجی الکتریسیته در نمونه‌های اولیه‌ی سیستم‌های بشقاب/موتور کنونی حدود ۲۵ kWe برای سیستم‌های بشقاب/استرلینگ و حدود ۳۰ kWe برای سیستم‌های برایتون است. سیستم‌های کوچک‌تر با خروجی ۵ تا ۱۰kWe نیز توسعه داده شده‌اند.
موتورهایی با چرخه‌ی استرلینگ که در سیستم‌های خورشیدی بشقاب/استرلینگ استفاده می‌شوند، موتورهایی با دمای بالا و فشار بالا هستند که از بیرون گرم می‌شوند و از گاز عملگر هلیوم یا هیدروژن استفاده می‌کنند. دماهای گاز عملگر حدود ۷۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد با فشار ۲۰Mpa می‌باشند که در موتورهای استرلینگ مدرن با کارایی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. در چرخه‌ی استرلینگ، گاز عملگر طی روندهای دما-ثابت و حجم-ثابت، متناوباً گرم و یا خنک می‌شود. موتورهای استرلینگ معمولاً با یک “باز تولیدکننده” (regenerator) با قابلیت افزایش بازده همکاری می‌کنند که طی روند خنک کردن حجم-ثابت، گرما را جذب می‌کند و این گرما را حین گرم شدن گاز در حجم-ثابت، جایگزین می‌کند. شکل زیر نشان دهنده‌ی چهار روند پایه‌ی چرخه‌ی موتور استرلینگ می‌باشد.
تعدادی ساختار مکانیکی وجود دارد که این روندهای حجم-ثابت و دما-ثابت را بکار می‌گیرد که اکثر آن‌ها شامل استفاده از پیستون‌ها و سیلندرها می‌باشند. برخی از آن‌ها از یک جایگزین کننده استفاده می‌کنند (displacer، پیستونی که گاز عملگر را بدون تغییر حجم، جایگزین می‌کند) تا گاز عملگر را از ناحیه‌ی داغ به ناحیه‌ی سرد موتور، به عقب و جلو حرکت دهد. برای اکثر طراحی‌های موتور، توان توسط یک میل‌لنگ گردنده، به طور جنبشی استخراج می‌شود. ساختار پیستون آزاد، یک مورد استثنا است که در آن، پیستون‌ها توسط میل لنگ یا دیگر مکانیزم‌ها مقید نمی‌شوند. آن‌ها روی فنرها به جلو و عقب حرکت می‌کنند و توان، توسط مبدل خطی یا پمپ از پیستون توان استخراج می‌شود. تعدادی مرجع قابل دسترس وجود دارد که اصول ماشین‌های استرلینگ را بیان می‌کنند. بهترین موتورهای استرلینگ برای تبدیل گرما به الکتریسیته، دارای بازده حدود ۴۰ درصد می‌باشند[۶-۸]. موتورهای استرلینگ کاندیداهای خوبی برای سیستم‌های بشقاب/موتور می‌باشند زیرا گرمای خارجی موتور، آن‌ها را با شار خورشید متمرکز شده تطبیق می‌دهد و بازده آن‌ها در حد قابل قبولی است.
در حال حاضر رقابت بین موتورهای استرلینگ حرکتی (kinematic) برای استفاده در سیستم خورشیدی موتور/بشقاب بین موارد زیر می‌باشد:
SOLO 161 11-kWe
Kockums4-95 25-kWe
Stirling General Motors STM 4-120 25-kWe
در حال حاضر هیچ موتور استرلینگ پیستون آزادی برای کاربرد در سیستم بشقاب/موتور توسعه داده نشده است. موتورهایی که برای استفاده در کاربردهای خورشیدی در نظر گرفته شده‌اند، در واقع برای کاربردهای دیگری ساخته شده‌اند. در مسیر بهره‌برداری از تکنولوژی سیستم خورشیدی بشقاب/موتور، تجاری سازی موفق هرکدام از موتورهای مذکور می‌تواند سدها و موانع را حذف کند. موتور SOLO برای اولین بار در آلمان کاربرد خود را پیدا کرد؛ Kockums در حال توسعه‌ی یک نسخه‌ی بزرگ از موتور ۴-۹۵ برای نیرومحرکه‌ی زیردریایی به سفارش نیروی دریایی سوئد است، DTM4-120 توسط جنرال موتورز و برای نسل بعدی خودروها (هیبرید) توسعه داده شده است.
چرخه‌ی برایتون:
موتور برایتون که موتور جت، توربین احتراق یا توربین گازی نیز نامیده می‌شود، یک موتور احتراق داخلی است که با کنترل احتراق سوخت، توان تولید می‌کند. در موتور برایتون شبیه به Otta و موتورهایی با چرخه‌ی دیزلی، هوا فشرده، سوخت افزوده، و ترکیب موجود سوخته می‌شود. در یک سیستم بشقاب/برایتون گرمای خورشید با سوخت جایگزین می‌شود یا به آن ضمیمه می‌شود. گاز گرم حاصل، منبسط شده و برای تولید توان مورد استفاده قرار می‌گیرد. در توربین گازی، سوختن به طور مداوم رخ می‌دهد و گاز منبسط شده برای گردش توربین و مبدل استفاده می‌شود. مانند موتور استرلینگ ،بهبود اتلاف گرما کلید دست‌یابی به بازده بالا می‌باشد. بنابراین، گرمای خارج شده از توربین برای گرمای مجدد هوای متراکم کننده (کمپرسور) استفاده می‌شود. موتورهایی با بازیافت گرما، دارای دمای ورودی ۸۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشند. بازده گرما-به-الکتریسیته پیش‌بینی شده برای موتورهای برایتون در کاربردهای بشقاب/برایتون، به بیش از ۳۰درصد می‌رسد[۹,۱۰].
تجهیزات کمکی
مبدل: وسیله‌ی تبدیل کننده‌ی انرژی مکانیکی به الکتریسیته که در سیستم خورشیدی بشقاب/موتور استفاده می‌شود بستگی به موتور و کاربرد سیستم دارد. ژنراتورهای القایی مورد استفاده روی موتورهای استرلینگ حرکتی به یک شبکه‌ی برق متصل می‌شود. ژنراتورهای القایی با شبکه همگام سازی (سنکرون) می‌شوند و می‌توانند توان یک یا سه فاز ۲۳۰ یا ۴۶۰ ولت تولید کنند. بازده ژنراتورهای القایی حدود ۹۴ درصد می‌باشد. ممکن است خروجی ژنراتورها یکسو شود (برق DC) و سپس مجدداً تبدیل به توان AC شود تا عدم تطابق در سرعت بین خروجی موتور-در نتیجه برق تولید شده توسط ژنراتور- و شبکه‌ی برق رفع گردد. مثلاً خروجی توربین گازی با سرعت بالا، یک توان با فرکانس بسیار بالا در مبدل را به دنبال دارد که ابتدا توسط یک یکسو کننده به برق DC تبدیل شده و سپس به برق تک یا سه فاز با فرکانس ۶۰ یا ۵۰ هرتز (استاندارد شبکه‌های برق) تبدیل می‌شود.
سیستم خنک‌کننده:
موتورهای حرارتی نیاز دارند تا گرمای خود را به محیط منتقل کنند. موتورهای استرلینگ از یک رادیاتور برای انتقال گرمای اضافه به اتمسفر استفاده می‌کنند. توان پارازیتی نیازمند عملکرد یک فن و پمپ سیستم خنک کننده‌ی استرلینگ دارد.
کنترل کننده‌ها :
عملیات خودمختار توسط استفاده از ریزپردازنده‌ها که روی بشقاب نصب می‌گردند، امکان پذیر می‌شود. بشقاب، به کمک پردازنده‌ی مذکور می‌تواند مسیر حرکت خورشیدی را دنبال کند. برخی از سیستم‌های خورشیدی از یک کنترل کننده‌ی مجزا برای کنترل موتور استفاده می‌کنند. برای پروژه‌های بزرگ، از کنترل کننده‌ی مرکزی SCADA=System Control and Data Acquisition استفاده می‌شود.
