Kajian Eksperimen Prestasi Terma bagi Minyak Terpilih untuk Penyimpanan Tenaga Solar dan Memasak

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Penyelidikan ini mengkaji prestasi terma minyak yang tersedia secara tempatan di Uganda—khususnya minyak bunga matahari yang ditapis, minyak sawit yang ditapis, dan minyak mineral industri Thermia B—untuk aplikasi dalam penyimpanan tenaga terma solar dan sistem memasak luar bandar. Cabaran teras yang ditangani adalah mengenal pasti bendalir pemindahan haba (HTF) dan media penyimpanan yang kos efektif, selamat, dan cekap sesuai untuk konteks luar bandar tanpa grid di mana HTF industri konvensional terlalu mahal.

Kajian ini didorong oleh batasan media biasa seperti udara (kapasiti haba rendah) dan air (risiko pengewapan pada suhu tinggi). Minyak sayuran menawarkan alternatif yang menjanjikan kerana kestabilan terma yang lebih tinggi, keselamatan sekiranya kebocoran, dan ketersediaan tempatan, yang selaras dengan matlamat pembangunan mampan.

2. Metodologi Eksperimen

Pendekatan eksperimen direka untuk menilai kedua-dua keupayaan pengekalan haba statik dan pemindahan haba dinamik di bawah keadaan yang mensimulasikan pengecasan terma solar.

2.1. Sampel Minyak & Sifat

Tiga jenis minyak dipilih berdasarkan ketersediaan tempatan dan relevan:

Minyak Bunga Matahari Ditapis: Minyak sayuran biasa.
Minyak Sawit Ditapis: Minyak sayuran lain yang tersedia secara meluas.
Thermia B: Bendalir pemindahan haba berasaskan mineral komersial yang digunakan sebagai penanda aras.

Sifat termofizikal utama (ketumpatan $\rho$, muatan haba tentu $c_p$, kekonduksian terma $k$) diperoleh daripada literatur (Mawire et al., 2014), menunjukkan minyak sayuran secara amnya mempunyai ketumpatan dan muatan haba tentu yang lebih tinggi daripada Thermia B.

2.2. Ujian Kapasiti Pengekalan Haba

Satu eksperimen utama mengukur pengekalan haba pasif. Sebuah tangki silinder 4.5L, berpenebat dan dilengkapi dengan pemanas elektrik 1.5 kW, diisi dengan 4L setiap minyak. Minyak dipanaskan ke suhu hampir takat asapnya (had keselamatan dan prestasi). Pemanasan kemudian dihentikan, dan lengkung penyejukan direkodkan selama lebih kurang 24 jam menggunakan termoganding jenis-K yang disambungkan ke perakam data TC-08 (lihat rajah skema Rajah 1). Ujian ini mengukur keupayaan minyak untuk menyimpan dan mengekalkan tenaga terma tanpa peredaran aktif.

Penerangan Carta/Rajah (Rajah 1): Skema menunjukkan tangki silinder berpenebat yang mengandungi sampel minyak. Pemanas rendaman hadir. Tiga termoganding dimasukkan pada ketinggian berbeza (5cm jaraknya) untuk mengukur stratifikasi suhu. Wayar dari termoganding disambungkan ke perakam data (TC-08), yang dihubungkan dengan komputer untuk pemantauan masa nyata dan perakaman data.

3. Keputusan & Analisis

3.1. Perbandingan Prestasi Terma

Data eksperimen mendedahkan hierarki prestasi yang jelas:

Kadar Perolehan Haba

Minyak Sayuran > Thermia B
Minyak bunga matahari dan minyak sawit mencapai suhu sasaran lebih cepat daripada minyak mineral semasa fasa pengecasan, menunjukkan penyerapan haba yang lebih baik dalam pengumpul solar.

Tempoh Pengekalan Haba

Minyak Bunga Matahari > Minyak Sawit > Thermia B
Minyak bunga matahari menunjukkan kadar penyejukan paling perlahan, mengekalkan haba yang boleh digunakan untuk tempoh paling lama selepas sumber haba dikeluarkan.

Jumlah Tenaga Disimpan

Minyak Bunga Matahari > Minyak Sawit > Thermia B
Pengiraan berdasarkan lengkung penyejukan dan kapasiti haba menunjukkan minyak bunga matahari menyimpan jumlah tenaga terma terbesar per unit isipadu.

3.2. Penemuan & Data Utama

Kajian ini secara konklusif mengenal pasti minyak bunga matahari yang ditapis sebagai calon paling sesuai dalam kalangan minyak yang diuji untuk pemindahan dan penyimpanan haba bersepadu dalam sistem memasak solar. Muatan haba tentu dan pengekalan terma yang unggulnya secara langsung menterjemah kepada kecekapan sistem yang lebih tinggi dan masa memasak yang lebih lama daripada satu pengecasan. Minyak sawit menunjukkan prestasi yang baik tetapi dikalahkan oleh minyak bunga matahari. Thermia B, walaupun merupakan bendalir industri khusus, kurang berkesan dalam konteks aplikasi khusus ini, mungkin disebabkan oleh kapasiti haba isipadunya yang lebih rendah.

Wawasan Utama: Pencapaian terbaik bukanlah bendalir industri khusus tetapi minyak sayuran gred makanan yang diperoleh secara tempatan, menonjolkan nilai teknologi yang sesuai dengan konteks.

4. Penerokaan Teknikal Mendalam

4.1. Model & Formula Matematik

Tenaga yang disimpan dalam minyak semasa eksperimen boleh dimodelkan menggunakan persamaan kalorimetri asas:

$$Q = m \int_{T_{initial}}^{T_{final}} c_p(T) \, dT$$

Di mana $Q$ ialah tenaga terma (J), $m$ ialah jisim minyak (kg), dan $c_p(T)$ ialah muatan haba tentu bergantung suhu (J/kg·K). Kajian ini menggunakan formula empirikal untuk $c_p$ daripada Mawire et al. (2014), contohnya, untuk minyak bunga matahari: $c_p = 2115.00 + 3.13T$.

Proses penyejukan boleh dianalisis menggunakan Hukum Penyejukan Newton, menganggarkan kadar kehilangan haba:

$$\frac{dT}{dt} \approx -k (T - T_{ambient})$$

Di mana $k$ ialah pemalar penyejukan yang bergantung pada sifat minyak dan penebatan sistem. $dT/dt$ yang lebih perlahan untuk minyak bunga matahari menunjukkan $k$ yang lebih baik untuk penyimpanan tenaga.

4.2. Penerangan Persediaan Eksperimen

Alat teras adalah tangki yang ditebat dengan baik untuk meminimumkan kehilangan haba parasit ke persekitaran, memastikan lengkung penyejukan yang diukur terutamanya mencerminkan sifat intrinsik minyak. Penggunaan pelbagai termoganding membolehkan pemerhatian stratifikasi terma—lapisan lebih panas di atas lapisan lebih sejuk—yang tipikal dalam penyimpanan bendalir bertakung. Sistem perakaman data menyediakan data suhu temporal beresolusi tinggi yang kritikal untuk pengiraan tenaga yang tepat dan analisis perbandingan.

5. Analisis Kritikal & Perspektif Industri

Wawasan Teras: Kertas kerja ini menyampaikan pukulan yang kuat dan bercanggah dengan intuisi: dalam niche penyimpanan terma solar luar bandar kos rendah, bahan dapur biasa (minyak bunga matahari) boleh mengatasi bendalir industri yang dibina khas (Thermia B). Kejayaan sebenar bukanlah bahan baru, tetapi penyemakan konteks radikal terhadap bahan yang sedia ada. Ia mengalihkan fokus inovasi daripada sintesis teknologi tinggi kepada pemilihan teknologi yang bijak dan sesuai.

Aliran Logik: Logik penyelidikan ini lurus dan didorong aplikasi. Ia bermula dengan masalah dunia nyata yang jelas (kos dan keselamatan HTF untuk memasak luar bandar), mentakrifkan metrik prestasi yang relevan (perolehan haba, pengekalan, jumlah penyimpanan), dan menyediakan eksperimen terkawal yang secara langsung mensimulasikan operasi sistem utama (pengecasan dan penyejukan pasif). Perbandingan antara minyak sayuran tempatan dan penanda aras industri adalah langkah bijaknya, memberikan relevan serta-merta yang boleh ditindaklanjuti.

Kekuatan & Kelemahan:
Kekuatan: Kekuatan terbesar kajian ini ialah kesahihan pragmatiknya. Keadaan eksperimen (suhu hampir takat asap, penyejukan 24 jam) hampir menyerupai senario penggunaan sebenar. Pilihan minyak yang tersedia secara tempatan memastikan penemuan boleh dilaksanakan serta-merta, mengurangkan halangan pemindahan teknologi. Ini selaras dengan bidang "inovasi jimat" yang semakin berkembang seperti yang didokumenkan oleh institusi seperti Program Bantuan Pengurusan Sektor Tenaga Bank Dunia (ESMAP).
Kelemahan: Analisis ini terutamanya empirikal dan perbandingan, kurang mendalami sebab di sebalik perbezaan prestasi. Walaupun ia memetik data sifat, ia tidak meneroka sepenuhnya sebab molekul atau komposisi mengapa minyak bunga matahari mengatasi minyak sawit. Tambahan pula, kajian ini meninggalkan ujian kestabilan jangka panjang—kritikal untuk aplikasi sebenar. Minyak sayuran boleh berpolimer, teroksida, dan merosot di bawah kitaran terma berulang (fenomena yang dikaji dengan baik dalam penyelidikan minyak menggoreng). Adakah minyak bunga matahari akan membentuk enapcemar selepas 100 kitaran pemanasan? Kertas kerja ini senyap tentang isu operasi kritikal ini. Ia juga tidak menangani potensi kesan ke atas kualiti makanan yang dimasak atau pemindahan bau.

Wawasan Boleh Tindak: Untuk jurutera dan NGO yang bekerja pada periuk nasi solar untuk wilayah membangun, mandatnya jelas: buat prototaip dengan minyak bunga matahari sekarang. Manfaat prestasi telah terbukti. Fasa R&D kritikal seterusnya mestilah ujian ketahanan dan kitaran hayat. Bekerjasama dengan ahli kimia makanan untuk memahami dan mengurangkan degradasi terma. Terokai strategi penapisan atau penambahan mudah untuk melanjutkan hayat minyak. Tambahan pula, kerja ini harus memangkinkan pencarian bahan yang lebih luas: jika minyak bunga matahari berkesan, bagaimana dengan bendalir lain yang banyak terdapat secara tempatan, berkapasiti haba tinggi seperti minyak biji tertentu atau bahkan larutan berasaskan gula? Kerangka penyelidikan yang ditubuhkan di sini adalah templat yang sempurna untuk proses saringan sistematik dan khusus lokasi sedemikian.

6. Kerangka Analisis & Contoh Kes

Kerangka untuk Menilai Bendalir Penyimpanan Terma Tempatan:
Penyelidikan ini menyediakan kerangka yang boleh direplikasi untuk menilai sebarang bendalir berpotensi dalam konteks sosio-teknikal tertentu. Kerangka ini terdiri daripada empat penapis berurutan:

Penapis Konteks (Ketersediaan & Keselamatan): Adakah bahan itu tersedia secara tempatan, mampu milik, dan tidak berbahaya (contohnya, tidak toksik, tidak mudah terbakar seperti air)? Minyak bunga matahari lulus; minyak sintetik mungkin gagal pada kos/ketersediaan.
Penapis Sifat (Termofizikal): Adakah ia mempunyai kapasiti haba isipadu tinggi ($\rho c_p$) dan julat suhu operasi? Data daripada literatur atau ujian makmal mudah terpakai di sini.
Penapis Prestasi (Eksperimen): Bagaimanakah ia sebenarnya berkelakuan dalam sistem simulasi? Ini melibatkan ujian perolehan haba dan pengekalan yang diterangkan dalam kertas kerja.
Penapis Ketahanan & Kitaran Hayat (Jangka Panjang): Adakah ia mengekalkan prestasi sepanjang kitaran berulang? Apakah profil degradasi dan jumlah kos kitaran hayatnya?

Aplikasi Contoh Kes:
Sebuah NGO di India ingin membangunkan unit penyimpanan terma solar untuk memasak komuniti. Menggunakan kerangka ini:
1. Konteks: Mereka mengenal pasti minyak sawi dan minyak kelapa sebagai tersedia secara meluas, mampu milik, dan selamat untuk sentuhan tidak sengaja dengan makanan.
2. Sifat: Carian literatur menunjukkan minyak kelapa mempunyai muatan haba tentu tinggi (~2000 J/kg·K) dan takat asap tinggi (~177°C), menjadikannya menjanjikan.
3. Prestasi: Mereka membina rig ujian yang sama dengan Rajah 1 kertas kerja, membandingkan minyak sawi, minyak kelapa, dan garis dasar air. Mereka mendapati minyak kelapa mengekalkan haba 40% lebih lama daripada air untuk jalur suhu sasaran mereka.
4. Ketahanan: Mereka menjalankan 50 kitaran panas-sejuk berturut-turut pada minyak kelapa, memantau kelikatan dan keasidan. Peningkatan ketara dalam kelikatan selepas 30 kitaran menunjukkan keperluan untuk penggantian atau rawatan minyak, mentakrifkan protokol penyelenggaraan untuk reka bentuk sistem akhir.

7. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

Implikasi penyelidikan ini melangkaui periuk nasi solar mudah:

Sistem Terma Solar Berperingkat: Penyimpanan berasaskan minyak bunga matahari bukan sahaja boleh menyediakan haba memasak tetapi juga haba gred lebih rendah untuk pemanasan ruang atau pemanasan awal air di klinik atau sekolah luar bandar, meningkatkan ekonomi sistem keseluruhan.
Integrasi dengan Parabolik Trough Solar: Pengumpul parabolik trough berskala kecil boleh menggunakan minyak sayuran sebagai HTF langsung dan media penyimpanan, memudahkan seni bina sistem untuk aplikasi terdesentralisasi.
Hibrid Sains Bahan: Penyelidikan masa depan harus menyiasat penciptaan "minyak sayuran dipertingkatkan" dengan nanopartikel terampai (contohnya, alumina, grafit) untuk meningkatkan kekonduksian terma ($k$) tanpa mengorbankan keselamatan atau kos, konsep yang diterokai dalam penyelidikan bendalir nano termaju (contohnya, kajian diterbitkan dalam International Journal of Heat and Mass Transfer).
Campuran Dioptimumkan AI: Model pembelajaran mesin boleh dilatih pada pangkalan data sifat termofizikal untuk meramalkan campuran optimum minyak tempatan berbeza untuk memaksimumkan $\rho c_p$ dan meminimumkan kos untuk zon iklim tertentu.
Model Ekonomi Kitaran: Penyelidikan ke dalam penggunaan minyak masak terpakai (selepas rawatan sewajarnya) sebagai media penyimpanan terma boleh mencipta gelung ekonomi kitaran yang menarik, seterusnya mengurangkan kos dan sisa.

Langkah kritikal seterusnya adalah beralih daripada prestasi makmal kepada reka bentuk sistem tahan lama yang disahkan di lapangan, menangani persoalan kestabilan jangka panjang yang dibuka oleh kajian asas ini.

8. Rujukan

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. (Sumber untuk data sifat termofizikal).
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. [Laporan Atas Talian].
International Energy Agency (IEA) Solar Heating and Cooling Programme (SHC). (2021). Task 58: Material and Component Development for Thermal Energy Storage. [Program Penyelidikan].
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. (Untuk konteks peningkatan bendalir nano).