Uchunguzi wa Majaribio wa Utendaji wa Joto kwa Mafuta Fulani katika Uhifadhi wa Nishati ya Jua na Upikaji

1. Utangulizi na Muhtasari

Utafiti huu unachunguza utendaji wa joto wa mafuta yanayopatikana ndani ya nchi nchini Uganda—hasa mafuta ya alizeti yaliyosafishwa, mafuta ya mitende yaliyosafishwa, na mafuta ya madini ya kibiashara Thermia B—kwa ajili ya kutumika katika uhifadhi wa nishati ya joto ya jua na mifumo ya upikaji vijijini. Changamoto kuu inayoshughulikiwa ni kutambua kioevu cha kuhamisha joto (HTF) na kati ya uhifadhi ambacho ni cha bei nafuu, salama, na chenye ufanisi kinachofaa kwa mazingira ya vijijini yasiyo na mitandao ya umeme, ambapo HTF za kibiashara ni ghali mno.

Utafiti huu umesukumwa na mipaka ya vyombo vya kawaida kama hewa (uwezo mdogo wa joto) na maji (hatari ya uvukizi kwenye joto la juu). Mafuta ya mboga yanaonyesha mbadala unaotumainiwa kutokana na uthabiti wao wa juu wa joto, usalama katika tukio la uvujaji, na upatikanaji wa ndani, ambayo inalingana na malengo ya maendeleo endelevu.

2. Mbinu ya Majaribio

Njia ya majaribio iliundwa ili kutathmini uwezo wa kuhifadhi joto tuli na uwezo wa kuhamisha joto kwa nguvu chini ya hali zinazofanana na kuchaji joto la jua.

2.1. Sampuli za Mafuta na Sifa

Mafuta matatu yalichaguliwa kulingana na upatikanaji wa ndani na umuhimu:

Mafuta ya Alizeti Yaliyosafishwa: Mafuta ya kawaida ya mboga.
Mafuta ya Mitende Yaliyosafishwa: Mafuta mengine ya mboga yanayopatikana kwa wingi.
Thermia B: Kioevu cha kibiashara cha kuhamisha joto kinachotokana na madini, kilichotumiwa kama kipimo cha kulinganisha.

Sifa muhimu za joto-kimwili (msongamano $\rho$, uwezo maalum wa joto $c_p$, upitishaji wa joto $k$) zilitolewa kutoka kwa fasihi (Mawire et al., 2014), zikionyesha mafuta ya mboga kwa ujumla yana msongamano na uwezo maalum wa joto wa juu kuliko Thermia B.

2.2. Mtihani wa Uwezo wa Kuhifadhi Joto

Jaribio la msingi lilipima uwezo wa kuhifadhi joto pasifu. Tanki ya silinda ya Lita 4.5, iliyotengenezwa kwa kuzuia joto na kufungwa na heater ya umeme ya kW 1.5, ilijazwa na Lita 4 za kila mafuta. Mafuta yalipashwa joto hadi joto karibu na kiwango cha moshi (kiwango cha usalama na utendaji). Kisha kupashwa joto kulisimamishwa, na mkunjo wa kupoa ulirekodiwa kwa takriban saa 24 kwa kutumia thermocouple za aina K zilizounganishwa na kirekodi data TC-08 (angalia mchoro wa Fig. 1). Jaribio hili lilipima uwezo wa mafuta ya kuhifadhi na kudumisha nishati ya joto bila mzunguko wa kazi.

Maelezo ya Chati/Mchoro (Fig. 1): Mchoro unaonyesha tanki ya silinda iliyotengenezwa kwa kuzuia joto iliyo na sampuli ya mafuta. Kuna heater ya kuzamishwa. Thermocouple tatu zimeingizwa kwa urefu tofauti (zilizotengwa kwa cm 5) ili kupima tabaka la joto. Waya kutoka kwa thermocouple zinaunganishwa na kirekodi data (TC-08), ambacho kinaunganishwa na kompyuta kwa ajili ya ufuatiliaji wa wakati halisi na kurekodi data.

3. Matokeo na Uchambuzi

3.1. Ulinganisho wa Utendaji wa Joto

Data ya majaribio ilifunua safu wazi za utendaji:

Kiwango cha Kupata Joto

Mafuta ya Mboga > Thermia B
Mafuta ya alizeti na mafuta ya mitende yalifikia joto lengwa kwa haraka zaidi kuliko mafuta ya madini wakati wa awamu ya kuchaji, ikionyesha uwezekano wa kunyonya joto bora katika mkusanyiko wa jua.

Muda wa Kuhifadhi Joto

Mafuta ya Alizeti > Mafuta ya Mitende > Thermia B
Mafuta ya alizeti yalionyesha kiwango cha kupoa polepole zaidi, ikihifadhi joto linaloweza kutumika kwa muda mrefu zaidi baada ya chanzo cha joto kuondolewa.

Jumla ya Nishati Iliyohifadhiwa

Mafuta ya Alizeti > Mafuta ya Mitende > Thermia B
Hesabu kulingana na mikunjo ya kupoa na uwezo wa joto ilionyesha mafuta ya alizeti yalihifadhi kiasi kikubwa zaidi cha nishati ya joto kwa kila kitengo cha ujazo.

3.2. Matokeo Muhimu na Takwimu

Utafiti huu ulitambua kwa uhakika mafuta ya alizeti yaliyosafishwa kama mgombea mzuri zaidi miongoni mwa mafuta yaliyojaribiwa kwa ajili ya kuhamisha na kuhifadhi joto katika mifumo ya upikaji ya jua. Uwezo wake bora wa joto maalum na uwezo wa kuhifadhi joto unabadilika moja kwa moja kuwa ufanisi wa juu wa mfumo na nyakati za muda mrefu zaidi za kupikia kutoka kwa kuchaji kimoja. Mafuta ya mitende yalifanya vizuri lakini yalishindwa na mafuta ya alizeti. Thermia B, ingawa ni kioevu maalum cha kiindasitiri, haikufanya vizuri katika muktadha huu maalum wa matumizi, labda kutokana na uwezo wake wa chini wa joto kwa ujazo.

Ufahamu Muhimu: Mwenye utendaji bora haikuwa kioevu maalum cha kiindasitiri bali mafuta ya mboga ya kiwango cha chakula yanayopatikana ndani ya nchi, ikionyesha thamani ya teknolojia inayofaa kwa muktadha.

4. Uchunguzi wa Kina wa Kiufundi

4.1. Miundo ya Hisabati na Fomula

Nishati iliyohifadhiwa katika mafuta wakati wa jaribio inaweza kuigwa kwa kutumia mlinganyo wa msingi wa kalorimetri:

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

Ambapo $Q$ ni nishati ya joto (J), $m$ ni wingi wa mafuta (kg), na $c_p(T)$ ni uwezo maalum wa joto unaotegemea joto (J/kg·K). Utafiti huu ulitumia fomula za majaribio za $c_p$ kutoka kwa Mawire et al. (2014), kwa mfano, kwa mafuta ya alizeti: $c_p = 2115.00 + 3.13T$.

Mchakato wa kupoa unaweza kuchambuliwa kwa kutumia Sheria ya Newton ya Kupoa, ikikadiria kiwango cha kupoteza joto:

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

Ambapo $k$ ni mara kwa mara ya kupoa inayotegemea sifa za mafuta na uzio wa joto wa mfumo. $dT/dt$ ya polepole zaidi kwa mafuta ya alizeti inaonyesha $k$ nzuri zaidi kwa ajili ya uhifadhi wa nishati.

4.2. Maelezo ya Usanidi wa Majaribio

Kifaa kikuu kilikuwa tanki iliyotengenezwa vizuri kwa kuzuia joto ili kupunguza upotezaji wa joto kwa mazingira, kuhakikisha mikunjo ya kupoa iliyopimwa ilionyesha sifa za asili za mafuta. Matumizi ya thermocouple nyingi yaliruhusu uchunguzi wa tabaka la joto—tabaka la joto juu ya la baridi—ambalo ni la kawaida katika uhifadhi wa majimaji yasiyo na mwendo. Mfumo wa kurekodi data ulitoa data ya joto ya wakati wa usahihi wa juu muhimu kwa ajili ya hesabu sahihi za nishati na uchambuzi wa kulinganisha.

5. Uchambuzi Muhimu na Mtazamo wa Sekta

Ufahamu Mkuu: Karatasi hii inatoa pigo lenye nguvu, lisilo la kawaida: katika nafasi ya uhifadhi wa joto la jua la bei nafuu, vijijini, kitu cha kawaida cha jikoni (mafuta ya alizeti) kinaweza kushinda kioevu maalum cha kiindasitiri (Thermia B). Mafanikio halisi sio nyenzo mpya, bali ni ufafanuzi mpya wa kimsingi wa ile iliyopo. Inabadilisha mwelekeo wa uvumbuzi kutoka kwa usanisi wa teknolojia ya hali ya juu hadi kuchagua teknolojia inayofaa na yenye akili.

Mkondo wa Mantiki: Mantiki ya utafiti ni ya kustaajabisha na inaendeshwa na matumizi. Huanza na shida wazi ya ulimwengu halisi (gharama na usalama wa HTF kwa ajili ya upikaji vijijini), inafafanua viashiria vya utendaji vinavyohusika (kupata joto, kuhifadhi, jumla ya uhifadhi), na kuanzisha jaribio lililodhibitiwa ambalo linaiga moja kwa moja shughuli muhimu za mfumo (kuchaji na kupoa pasifu). Ulinganisho kati ya mafuta ya mboga ya ndani na kipimo cha kiindasitiri ni hatua yake kuu, ikitoa umuhimu wa haraka na unaoweza kutekelezwa.

Nguvu na Kasoro:
Nguvu: Nguvu kubwa ya utafiti huu ni uthibitishaji wake wa vitendo. Hali za majaribio (joto karibu na kiwango cha moshi, kupoa kwa saa 24) zinafanana sana na hali halisi za matumizi. Uchaguzi wa mafuta yanayopatikana ndani ya nchi unahakikisha matokeo yanaweza kutekelezwa mara moja, na hivyo kupunguza vikwazo vya uhamishaji wa teknolojia. Hii inalingana na uwanja unaokua wa "uvumbuzi wa kifedha" uliorekodiwa na taasisi kama Programu ya Usaidizi wa Usimamizi wa Sekta ya Nishati ya Benki ya Dunia (ESMAP).
Kasoro: Uchambuzi ni wa majaribio na wa kulinganisha hasa, ukikosa kuchunguza kwa kina kwa nini nyuma ya tofauti za utendaji. Ingawa inataja data ya mali, haichunguzi kikamilifu sababu za kimolekuli au muundo kwa nini mafuta ya alizeti yanashinda mafuta ya mitende. Zaidi ya hayo, utafiti huu haujumuisha majaribio ya muda mrefu ya uthabiti—muhimu kwa matumizi halisi. Mafuta ya mboga yanaweza kuwa na polima, kuoksidishwa, na kuharibika chini ya mzunguko wa joto unaorudiwa (jambo lililosomwa vizuri katika utafiti wa mafuta ya kukaanga). Je, mafuta ya alizeti yataunda matope baada ya mizunguko 100 ya kupashwa joto? Karatasi hii haijibu swali hili muhimu la uendeshaji. Pia haishughulikii athari zinazoweza kutokea kwa ubora wa chakula cha kupikia au uhamishaji wa harufu.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wahandisi na mashirika yasiyo ya kiserikali yanayofanya kazi kwenye vikokotozi vya jua kwa maeneo yanayoendelea, agizo ni wazi: tengeneza mfano wa kwanza na mafuta ya alizeti sasa. Faida ya utendaji imethibitishwa. Awamu inayofuata muhimu ya Utafiti na Uendelezaji lazima iwe majaribio ya kudumu na mzunguko wa maisha. Shirikiana na wanasayansi wa chakula ili kuelewa na kupunguza uharibifu wa joto. Chunguza mikakati rahisi ya kuchuja au viongezi ili kupanua maisha ya mafuta. Zaidi ya hayo, kazi hii inapaswa kuchochea utafutaji mpana wa nyenzo: ikiwa mafuta ya alizeti yanafanya kazi, vipi kuhusu vinywaji vingine vya ndani vilivyo na uwezo wa juu wa joto kama vile mafuta fulani ya mbegu au hata suluhisho za sukari? Mfumo wa utafiti ulioanzishwa hapa ni kiolezo kamili cha mchakato huo wa utafutaji maalum wa eneo.

6. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Kesi

Mfumo wa Kutathmini Vinywaji vya Uhifadhi wa Joto vya Ndani:
Utafiti huu hutoa mfumo unaoweza kurudiwa wa kutathmini kioevu chochote kinachowezekana katika muktadha maalum wa kijamii na kiteknolojia. Mfumo huo una vichujio vinne vinavyofuatana:

Kichujio cha Muktadha (Upatikanaji na Usalama): Je, nyenzo zinapatikana ndani ya nchi, zina bei nafuu, na hazina hatari (kwa mfano, zisizo na sumu, zisizo na moto kwa njia ambayo maji yanafanya)? Mafuta ya alizeti yanapita; mafuta ya sintetiki yanaweza kushindwa kwa gharama/upatikanaji.
Kichujio cha Mali (Joto-Kimwili): Je, ina uwezo wa juu wa joto kwa ujazo ($\rho c_p$) na anuwai ya joto la uendeshaji? Data kutoka kwa fasihi au majaribio rahisi ya maabara inatumika hapa.
Kichujio cha Utendaji (Majaribio): Je, inafanya kazi vipi katika mfumo ulioigwa? Hii inajumuisha majaribio ya kupata joto na kuhifadhi joto yaliyoelezewa kwenye karatasi.
Kichujio cha Kudumu na Mzunguko wa Maisha (Muda mrefu): Je, inadumisha utendaji katika mizunguko inayorudiwa? Je, ni wasifu gani wa uharibifu wake na jumla ya gharama ya mzunguko wa maisha?

Utumizi wa Mfano wa Kesi:
Shirika lisilo la kiserikali nchini India linataka kuendeleza kitengo cha uhifadhi wa joto la jua kwa ajili ya upikaji wa jamii. Kwa kutumia mfumo huu:
1. Muktadha: Wanatambua mafuta ya haradali na mafuta ya nazi kama yanayopatikana kwa wingi, ya bei nafuu, na salama kwa mguso wa bahati mbaya na chakula.
2. Mali: Utafutaji wa fasihi unaonyesha mafuta ya nazi yana uwezo maalum wa juu wa joto (~2000 J/kg·K) na kiwango cha juu cha moshi (~177°C), na hivyo kuwa na matumaini.
3. Utendaji: Wanajenga usanidi wa jaribio sawa na Fig. 1 ya karatasi, wakilinganisha mafuta ya haradali, mafuta ya nazi, na msingi wa maji. Wanapata mafuta ya nazi yanahifadhi joto kwa muda mrefu zaidi kwa 40% kuliko maji kwa bendi yao ya joto lengwa.
4. Kudumu: Wanafanya mizunguko 50 mfululizo ya joto-baridi kwenye mafuta ya nazi, wakifuatilia mnato na asidi. Kuongezeka kwa mnato baada ya mizunguko 30 kunadokeza hitaji la kubadilisha au kutibu mafuta, na hivyo kufafanua itifaki za matengenezo kwa ajili ya muundo wa mwisho wa mfumo.

7. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

Matokeo ya utafiti huu yanapanuka zaidi ya vikokotozi rahisi vya jua:

Mifumo ya Joto ya Jua ya Kutelemka: Uhifadhi wa mafuta ya alizeti unaweza kutoa sio tu joto la kupikia bali pia joto la kiwango cha chini kwa ajili ya kupasha hewa nafasi au kupasha maji awali katika kliniki za vijijini au shule, na hivyo kuboresha uchumi wa jumla wa mfumo.
Unganisho na Vichungi vya Jua vya Parabolic: Vikusanyaji vidogo vya parabolic vinaweza kutumia mafuta ya mboga kama HTF ya moja kwa moja na kati ya uhifadhi, na hivyo kurahisisha usanidi wa mfumo kwa matumizi yasiyo ya kati.
Mchanganyiko wa Sayansi ya Nyenzo: Utafiti wa baadaye unapaswa kuchunguza kuunda "mafuta ya mboga yaliyoboreshwa" na chembe ndogo ndogo zilizotawanyika (kwa mfano, alumina, grafiti) ili kuongeza upitishaji wa joto ($k$) bila kukataa usalama au gharama, dhana iliyochunguzwa katika utafiti wa juu wa nanofluids (kwa mfano, masomo yaliyochapishwa katika International Journal of Heat and Mass Transfer).
Mchanganyiko Unaoboreshwa na AI: Miundo ya kujifunza ya mashine inaweza kufunzwa kwenye hifadhidata za mali za joto-kimwili ili kutabiri mchanganyiko bora wa mafuta tofauti ya ndani ili kuongeza $\rho c_p$ na kupunguza gharama kwa eneo fulani la hali ya hewa.
Miundo ya Uchumi wa Mzunguko: Utafiti katika kutumia mafuta ya kupikia yaliyotumika (baada ya matibabu sahihi) kama kati ya uhifadhi wa joto kunaweza kuunda mzunguko wa kuvutia wa uchumi wa mzunguko, na hivyo kupunguza zaidi gharama na taka.

Hatua inayofuata muhimu ni kuhamia kutoka kwa utendaji wa maabara hadi muundo wa mfumo unaothibitishwa shambani na unaodumu, kushughulikia maswali ya uthabiti wa muda mrefu ambayo utafiti huu wa msingi unaufungua.

8. Marejeo

Nyeinga, K., Okello, D., Bernard, T., & Nydal, O. J. (2017). Uchunguzi wa Majaribio wa Utendaji wa Joto kwa Mafuta Fulani kwa Ajili ya Uhifadhi wa Nishati ya Joto ya Jua na Matumizi ya Upikaji Vijijini. ISES Solar World Congress 2017 Proceedings. doi:10.18086/swc.2017.14.05
Mawire, A., McPherson, M., & van den Heetkamp, R. R. J. (2014). Utendaji Ulioigwa wa Nyenzo za Uhifadhi kwa Mifumo ya Uhifadhi wa Nishati ya Joto (TES) ya Kitanda cha Kokoto. Applied Energy, 113, 1106-1115. (Chanzo cha data ya mali ya joto-kimwili).
Okello, D., Nyeinga, K., & Nydal, O. J. (2016). Uchunguzi wa majaribio wa mfumo wa uhifadhi wa nishati ya joto wa kitanda cha mawe kwa ajili ya upikaji wa jua. International Journal of Sustainable Energy.
Benki ya Dunia / ESMAP. (2020). Uvumbuzi wa Kifedha katika Sekta ya Nishati: Mwongozo wa Kufanya Zaidi kwa Kidogo. [Ripoti ya Mtandaoni].
Programu ya Joto na Kupoa ya Jua ya Shirika la Nishati la Kimataifa (IEA) (SHC). (2021). Kazi ya 58: Uendelezaji wa Nyenzo na Vipengele kwa Uhifadhi wa Nishati ya Joto. [Programu ya Utafiti].
Said, Z., et al. (2021). Maendeleo ya hivi karibuni kwenye nanofluids kwa vikusanyaji vya joto la jua la joto la chini hadi la kati: uchambuzi wa nishati, exergy, uchumi na athari za kimazingira. Progress in Energy and Combustion Science, 84, 100898. (Kwa muktadha wa uboreshaji wa nanofluid).