بررسی تجربی عملکرد حرارتی روغنهای منتخب در ذخیرهسازی انرژی خورشیدی و پختوپز
تحلیل روغن آفتابگردان، روغن پالم و ترمیا بی برای ذخیرهسازی انرژی حرارتی خورشیدی و کاربردهای پختوپز روستایی، با تمرکز بر قابلیتهای نگهداری و انتقال حرارت.
خانه »
مستندات »
بررسی تجربی عملکرد حرارتی روغنهای منتخب در ذخیرهسازی انرژی خورشیدی و پختوپز
1. مقدمه و مرور کلی
این پژوهش عملکرد حرارتی روغنهای در دسترس محلی در اوگاندا — بهطور خاص روغن تصفیهشده آفتابگردان، روغن تصفیهشده پالم و روغن معدنی صنعتی ترمیا بی — را برای کاربرد در سیستمهای ذخیرهسازی انرژی حرارتی خورشیدی و پختوپز روستایی بررسی میکند. چالش اصلی مورد توجه، شناسایی یک سیال انتقال حرارت (HTF) و محیط ذخیرهسازی مقرونبهصرفه، ایمن و کارآمد است که برای شرایط روستایی و خارج از شبکه برق مناسب باشد، جایی که سیالات انتقال حرارت صنعتی متعارف بهطور غیرقابل قبولی گران هستند.
انگیزه این مطالعه، محدودیتهای رسانههای رایج مانند هوا (ظرفیت گرمایی پایین) و آب (خطر تبخیر در دماهای بالا) است. روغنهای گیاهی به دلیل پایداری حرارتی بالاتر، ایمنی در صورت نشت و در دسترس بودن محلی، که با اهداف توسعه پایدار همسو است، جایگزینی امیدوارکننده ارائه میدهند.
2. روششناسی آزمایش
روش آزمایشی برای ارزیابی همزمان قابلیتهای نگهداری حرارت ایستا و انتقال حرارت پویا در شرایط شبیهسازی شارژ حرارتی خورشیدی طراحی شد.
2.1. نمونههای روغن و ویژگیها
سه روغن بر اساس در دسترس بودن و ارتباط محلی انتخاب شدند:
روغن تصفیهشده آفتابگردان: یک روغن گیاهی رایج.
روغن تصفیهشده پالم: یک روغن گیاهی دیگر که بهطور گسترده در دسترس است.
ترمیا بی: یک سیال انتقال حرارت تجاری مبتنی بر مواد معدنی که به عنوان معیار مقایسه استفاده شد.
ویژگیهای ترموفیزیکی کلیدی (چگالی $\rho$، ظرفیت گرمایی ویژه $c_p$، رسانایی گرمایی $k$) از ادبیات موضوع (ماویر و همکاران، ۲۰۱۴) استخراج شد که نشان میدهد روغنهای گیاهی عموماً چگالی و ظرفیت گرمایی ویژه بالاتری نسبت به ترمیا بی دارند.
2.2. آزمون ظرفیت نگهداری حرارت
یک آزمایش اصلی، نگهداری غیرفعال حرارت را اندازهگیری کرد. یک مخزن استوانهای ۴.۵ لیتری عایقبندی شده و مجهز به یک هیتر الکتریکی ۱.۵ کیلوواتی، با ۴ لیتر از هر روغن پر شد. روغن تا دمایی نزدیک به نقطه دود آن (یک محدودیت ایمنی و عملکردی) گرم شد. سپس گرمایش متوقف شد و منحنی سرد شدن در طول تقریباً ۲۴ ساعت با استفاده از ترموکوپلهای نوع K متصل به یک ثبتکننده داده TC-08 ثبت شد (نگاه کنید به شماتیک شکل ۱). این آزمون، توانایی روغن را در ذخیره و حفظ انرژی حرارتی بدون گردش فعال، کمّی کرد.
توضیح نمودار/شکل (شکل ۱): شماتیک یک مخزن استوانهای عایقبندی شده حاوی نمونه روغن را نشان میدهد. یک هیتر غوطهور وجود دارد. سه ترموکوپل در ارتفاعهای مختلف (با فاصله ۵ سانتیمتر) برای اندازهگیری لایهبندی دمایی قرار داده شدهاند. سیمهای ترموکوپلها به یک ثبتکننده داده (TC-08) متصل هستند که به یک کامپیوتر برای نظارت و ثبت داده در زمان واقعی متصل است.
3. نتایج و تحلیل
3.1. مقایسه عملکرد حرارتی
دادههای آزمایشی سلسله مراتب عملکردی واضحی را آشکار کردند:
نرخ کسب حرارت
روغنهای گیاهی > ترمیا بی روغن آفتابگردان و پالم در مرحله شارژ سریعتر از روغن معدنی به دماهای هدف رسیدند که نشاندهنده جذب حرارت بالقوه بهتر در یک کلکتور خورشیدی است.
مدت زمان نگهداری حرارت
روغن آفتابگردان > روغن پالم > ترمیا بی روغن آفتابگردان کمترین نرخ سرد شدن را نشان داد و پس از حذف منبع حرارت، برای طولانیترین مدت، حرارت قابل استفاده را حفظ کرد.
کل انرژی ذخیرهشده
روغن آفتابگردان > روغن پالم > ترمیا بی محاسبات مبتنی بر منحنیهای سرد شدن و ظرفیت گرمایی نشان داد که روغن آفتابگردان بیشترین مقدار انرژی حرارتی را در واحد حجم ذخیره میکند.
3.2. یافتهها و دادههای کلیدی
این مطالعه بهطور قطعی روغن تصفیهشده آفتابگردان را به عنوان مناسبترین گزینه در بین روغنهای آزمایش شده برای انتقال و ذخیرهسازی یکپارچه حرارت در سیستمهای پخت خورشیدی شناسایی کرد. ظرفیت گرمایی ویژه و حفظ حرارت برتر آن مستقیماً به کارایی بالاتر سیستم و زمان پخت طولانیتر از یک بار شارژ منجر میشود. روغن پالم عملکرد قابل احترامی داشت اما توسط روغن آفتابگردان شکست خورد. ترمیا بی، اگرچه یک سیال صنعتی اختصاصی است، در این زمینه کاربرد خاص کمتر مؤثر بود که احتمالاً به دلیل ظرفیت گرمایی حجمی پایینتر آن است.
بینش کلیدی: بهترین عملکرد متعلق به سیال صنعتی تخصصی نبود، بلکه متعلق به یک روغن گیاهی درجه غذایی با منشأ محلی بود که ارزش فناوری مناسب با زمینه را برجسته میکند.
4. بررسی فنی عمیق
4.1. مدلها و فرمولهای ریاضی
انرژی ذخیرهشده در روغن در طول آزمایش را میتوان با استفاده از معادله پایهای کالریمتری مدل کرد:
$$Q = m \int_{T_{initial}}^{T_{final}} c_p(T) \, dT$$
که در آن $Q$ انرژی حرارتی (ژول)، $m$ جرم روغن (کیلوگرم) و $c_p(T)$ ظرفیت گرمایی ویژه وابسته به دما (ژول بر کیلوگرم در کلوین) است. این مطالعه از فرمولهای تجربی برای $c_p$ از ماویر و همکاران (۲۰۱۴) استفاده کرد، برای مثال برای روغن آفتابگردان: $c_p = 2115.00 + 3.13T$.
فرآیند سرد شدن را میتوان با استفاده از قانون سرمایش نیوتن تحلیل کرد که نرخ اتلاف حرارت را تقریب میزند:
$$\frac{dT}{dt} \approx -k (T - T_{ambient})$$
که در آن $k$ یک ثابت سرمایش است که به ویژگیهای روغن و عایقبندی سیستم بستگی دارد. مقدار کندتر $dT/dt$ برای روغن آفتابگردان نشاندهنده $k$ مطلوبتر برای ذخیرهسازی انرژی است.
4.2. شرح چیدمان آزمایشی
دستگاه اصلی یک مخزن بهخوبی عایقبندی شده بود تا اتلاف حرارت انگلی به محیط به حداقل برسد و اطمینان حاصل شود که منحنیهای سرد شدن اندازهگیری شده عمدتاً ویژگیهای ذاتی روغن را منعکس میکنند. استفاده از چندین ترموکوپل امکان مشاهده لایهبندی حرارتی — یک لایه گرمتر روی یک لایه خنکتر — را فراهم کرد که در ذخیرهسازی سیال ساکن معمول است. سیستم ثبت داده، دادههای دمایی زمانی با وضوح بالا را فراهم کرد که برای محاسبات دقیق انرژی و تحلیل مقایسهای حیاتی بودند.
5. تحلیل انتقادی و دیدگاه صنعت
بینش اصلی: این مقاله یک ضربه قدرتمند و خلاف شهود ارائه میدهد: در حوزه ذخیرهسازی حرارتی خورشیدی کمهزینه روستایی، یک کالای اصلی آشپزخانه رایج (روغن آفتابگردان) میتواند یک سیال صنعتی هدفساز (ترمیا بی) را در مهندسی شکست دهد. پیشرفت واقعی یک ماده جدید نیست، بلکه بازسازی رادیکال زمینه یک ماده موجود است. این امر تمرکز نوآوری را از سنتز فناوریهای پیشرفته به انتخاب فناوری هوشمند و مناسب تغییر میدهد.
جریان منطقی: منطق پژوهش بهطور تحسینبرانگیزی سرراست و کاربردیمحور است. با یک مسئله واضح و واقعی (هزینه و ایمنی سیالات انتقال حرارت برای پختوپز روستایی) شروع میکند، معیارهای عملکرد مرتبط (کسب حرارت، نگهداری، کل ذخیرهسازی) را تعریف میکند و یک آزمایش کنترلشده برپا میکند که بهطور مستقیم عملیات کلیدی سیستم (شارژ و سرمایش غیرفعال) را شبیهسازی میکند. مقایسه بین روغنهای گیاهی محلی و یک معیار صنعتی، حرکت استادانه آن است که ارتباط فوری و قابل اجرا را فراهم میکند.
نقاط قوت و ضعف: نقاط قوت: بزرگترین نقطه قوت مطالعه، اعتبار عملگرایانه آن است. شرایط آزمایشی (دماهای نزدیک نقطه دود، سرمایش ۲۴ ساعته) بهطور نزدیکی سناریوهای استفاده واقعی را منعکس میکند. انتخاب روغنهای در دسترس محلی اطمینان میدهد که یافتهها بلافاصله قابل اجرا هستند و موانع انتقال فناوری را کاهش میدهند. این امر با حوزه در حال رشد "نوآوری صرفهجویانه" که توسط نهادهایی مانند برنامه کمک مدیریت بخش انرژی بانک جهانی (ESMAP) مستند شده است، همسو است. نقاط ضعف: تحلیل عمدتاً تجربی و مقایسهای است و فاقد بررسی عمیق دلیل پشت تفاوتهای عملکرد است. اگرچه دادههای ویژگی را ذکر میکند، اما بهطور کامل دلایل مولکولی یا ترکیبی عملکرد بهتر روغن آفتابگردان نسبت به روغن پالم را بررسی نمیکند. علاوه بر این، مطالعه آزمونهای پایداری بلندمدت — که برای کاربردهای واقعی حیاتی هستند — را حذف کرده است. روغنهای گیاهی میتوانند تحت سیکلهای حرارتی مکرر پلیمریزه، اکسید و تخریب شوند (پدیدهای که بهخوبی در پژوهش روغن سرخکردنی مطالعه شده است). آیا روغن آفتابگردان پس از ۱۰۰ سیکل گرمایش لجن تشکیل میدهد؟ مقاله در مورد این نکته عملیاتی سکوت کرده است. همچنین به تأثیرات بالقوه بر کیفیت پخت غذا یا انتقال بو نمیپردازد.
بینشهای قابل اجرا: برای مهندسان و سازمانهای غیردولتی که روی اجاقهای خورشیدی برای مناطق در حال توسعه کار میکنند، دستورالعمل واضح است: اکنون با روغن آفتابگردان نمونه اولیه بسازید. مزیت عملکرد اثبات شده است. مرحله حیاتی بعدی تحقیق و توسعه باید آزمایش دوام و چرخه عمر باشد. با شیمیدانان مواد غذایی همکاری کنید تا تخریب حرارتی را درک کرده و کاهش دهید. استراتژیهای ساده فیلتراسیون یا افزودنی را برای افزایش عمر روغن بررسی کنید. علاوه بر این، این کار باید جستجوی گستردهتری برای مواد را کاتالیز کند: اگر روغن آفتابگردان کار میکند، در مورد سایر سیالات با ظرفیت گرمایی بالا و فراوان محلی مانند برخی روغنهای دانهای یا حتی محلولهای مبتنی بر شکر چطور؟ چارچوب پژوهشی ایجاد شده در اینجا، قالبی عالی برای چنین فرآیند غربالگری سیستماتیک و خاص منطقه است.
6. چارچوب تحلیل و مثال موردی
چارچوب برای ارزیابی سیالات ذخیرهسازی حرارتی محلی:
این پژوهش یک چارچوب قابل تکرار برای ارزیابی هر سیال بالقوه در یک زمینه اجتماعی-فنی خاص ارائه میدهد. چارچوب از چهار فیلتر متوالی تشکیل شده است:
فیلتر زمینه (در دسترس بودن و ایمنی): آیا ماده بهصورت محلی در دسترس، مقرونبهصرفه و غیرخطرناک است (مثلاً غیرسمی، غیرقابل اشتعال به گونهای که آب است)؟ روغن آفتابگردان قبول میشود؛ روغن مصنوعی ممکن است در هزینه/در دسترس بودن رد شود.
فیلتر ویژگی (ترموفیزیکی): آیا ظرفیت گرمایی حجمی بالا ($\rho c_p$) و محدوده دمایی عملیاتی دارد؟ دادههای ادبیات یا آزمونهای ساده آزمایشگاهی در اینجا اعمال میشود.
فیلتر عملکرد (آزمایشی): در یک سیستم شبیهسازی شده واقعاً چگونه رفتار میکند؟ این شامل آزمونهای کسب و نگهداری حرارت شرح داده شده در مقاله است.
فیلتر دوام و چرخه عمر (بلندمدت): آیا عملکرد خود را در سیکلهای مکرر حفظ میکند؟ پروفایل تخریب و کل هزینه چرخه عمر آن چیست؟
کاربرد مثال موردی:
یک سازمان غیردولتی در هند میخواهد یک واحد ذخیرهسازی حرارتی خورشیدی برای پختوپز جامعه توسعه دهد. با استفاده از این چارچوب:
1. زمینه: آنها روغن خردل و روغن نارگیل را بهعنوان روغنهای بهطور گسترده در دسترس، مقرونبهصرفه و ایمن برای تماس اتفاقی با غذا شناسایی میکنند.
2. ویژگی: جستجوی ادبیات نشان میدهد روغن نارگیل ظرفیت گرمایی ویژه بالایی دارد (~۲۰۰۰ ژول بر کیلوگرم در کلوین) و نقطه دود بالایی (~۱۷۷ درجه سانتیگراد) که آن را امیدوارکننده میکند.
3. عملکرد: آنها یک دستگاه آزمون یکسان با شکل ۱ مقاله میسازند و روغن خردل، روغن نارگیل و یک خط پایه آب را مقایسه میکنند. آنها مییابند روغن نارگیل برای باند دمایی هدفشان ۴۰٪ طولانیتر از آب حرارت را حفظ میکند.
4. دوام: آنها ۵۰ سیکل متوالی گرمایش-سرمایش را روی روغن نارگیل اجرا میکنند و ویسکوزیته و اسیدیته را نظارت میکنند. افزایش قابل توجه ویسکوزیته پس از ۳۰ سیکل نشاندهنده نیاز به تعویض یا تصفیه روغن است که پروتکلهای نگهداری را برای طراحی نهایی سیستم تعریف میکند.
7. کاربردهای آینده و جهتهای پژوهشی
پیامدهای این پژوهش فراتر از اجاقهای خورشیدی ساده است:
سیستمهای حرارتی خورشیدی آبشاری: ذخیرهسازی مبتنی بر روغن آفتابگردان میتواند نه تنها حرارت پخت، بلکه حرارت درجه پایینتر برای گرمایش فضایی یا پیشگرمایش آب در کلینیکها یا مدارس روستایی فراهم کند و اقتصاد کلی سیستم را بهبود بخشد.
ادغام با سهمیوارهای خورشیدی: کلکتورهای سهمیوار کوچکمقیاس میتوانند از روغنهای گیاهی به عنوان سیال انتقال حرارت مستقیم و محیط ذخیرهسازی استفاده کنند و معماری سیستم را برای کاربردهای غیرمتمرکز ساده کنند.
ترکیبهای علم مواد: پژوهش آینده باید ایجاد "روغنهای گیاهی تقویتشده" با نانوذرات پراکنده (مانند آلومینا، گرافیت) را برای افزایش رسانایی گرمایی ($k$) بدون فدا کردن ایمنی یا هزینه بررسی کند، مفهومی که در پژوهش نانوسیالات پیشرفته بررسی شده است (مانند مطالعات منتشر شده در International Journal of Heat and Mass Transfer).
ترکیبهای بهینهشده با هوش مصنوعی: مدلهای یادگیری ماشین را میتوان روی پایگاههای داده ویژگیهای ترموفیزیکی آموزش داد تا ترکیبهای بهینه روغنهای محلی مختلف را برای حداکثر کردن $\rho c_p$ و حداقل کردن هزینه برای یک منطقه آبوهوایی معین پیشبینی کنند.
مدلهای اقتصاد چرخشی: پژوهش در مورد استفاده از روغن پختوپز مصرفشده (پس از تصفیه مناسب) به عنوان محیط ذخیرهسازی حرارتی میتواند یک حلقه اقتصاد چرخشی قانعکننده ایجاد کند و هزینهها و ضایعات را بیشتر کاهش دهد.
گام حیاتی بعدی، حرکت از عملکرد آزمایشگاهی به طراحی سیستم بادوام و معتبرسازی شده در میدان است که سؤالات پایداری بلندمدتی را که این مطالعه پایهای مطرح میکند، مورد توجه قرار دهد.
8. مراجع
Nyeinga, K., Okello, D., Bernard, T., & Nydal, O. J. (2017). Experimental Investigation of Thermal Performance for Selected Oils for Solar Thermal Energy Storage and Rural Cooking Application. ISES Solar World Congress 2017 Proceedings. doi:10.18086/swc.2017.14.05
Mawire, A., McPherson, M., & van den Heetkamp, R. R. J. (2014). Simulated performance of storage materials for pebble bed thermal energy storage (TES) systems. Applied Energy, 113, 1106-1115. (منبع دادههای ویژگی ترموفیزیکی).
Okello, D., Nyeinga, K., & Nydal, O. J. (2016). Experimental investigation of a rock bed thermal energy storage system for solar cooking. International Journal of Sustainable Energy.
World Bank / ESMAP. (2020). Frugal Innovation in the Energy Sector: A Guide to Doing More with Less. [گزارش آنلاین].
International Energy Agency (IEA) Solar Heating and Cooling Programme (SHC). (2021). Task 58: Material and Component Development for Thermal Energy Storage. [برنامه پژوهشی].
Said, Z., et al. (2021). Recent advances on nanofluids for low to medium temperature solar collectors: energy, exergy, economic analysis and environmental impact. Progress in Energy and Combustion Science, 84, 100898. (برای زمینه تقویت نانوسیالات).
