مقدمه:

آیا تا به حالا دچار آفتاب سوختگی شده‌اید؟ اگر بله، می‌دانید گرمای خورشید چه توانی می‌تواند داشته باشد! آیا می‌دانستید این گرما را می‌توان به انرژی الکتریکی تبدیل کرد؟ شما ممکن است درباره‌ی سلول‌های خورشیدی شنیده باشید، اما برج مَکشی خورشیدی به گوش‌تان خورده؟ این ساختار بسیار ساده، از خورشید برای گرم کردن هوا استفاده می‌کند، که سپس به یک توربین درون یک برج بزرگ برق می‌دهد. در این فعالیت شما یکی از این برج‌ها را خواهید ساخت. فکر می‌کنید بتوانید یک پره‌ی چرخان صرفا با هوای گرم بسازید؟

پیش‌زمینه:

خورشید یک منبع انرژی بسیار قدرتمند است. در حقیقت، در کمتر از ۱۵ ثانیه خورشید میتواند انرژی که بشر روی زمین در یک روز استفاده می کند را فراهم کند! بیشتر این انرژی بصورت نور و گرما به زمین میرسد. جای تعجب نیست که مردم مدتهاست فکر می‌کنند که چگونه می توان این انرژی را برداشت و برای مصارف مناسب استفاده کرد! در طی ۲ قرن گذشته دانشمندان فناوری‌هایی را برای تبدیل انرژی خورشید به انرژی الکتریکی تحقیق و توسعه دادند. امروزه روش های متفاوتی برای تولید انرژی خورشیدی وجود دارد مانند سلولهای خورشیدی، کُلکتور گرمایی خورشیدی و متمرکزکننده توان خورشید.

یکی از این سیستم‌ها، به نام برج مکشی خورشیدی، یک فناوری جمع کننده گرمای خورشیدی است. یک برج مکشی می‌تواند از دمای پایینِ گرمای خورشید برق تولید کند. مفاهیم علمی پشت این ایده بر اساس اثر گلخانه ای و اثر دودکش است. این نیروگاه ها شامل یک سازه جمع کننده بزرگ و یک برج بسیار بلند و باریک است. ساختار جمع کننده شبیه به گلخانه‌ای غول پیکری است که شامل یک سایبان شفاف و بزرگ است که در ارتفاع ۶ تا ۶۵ پا (۲تا ۲۰ متری) از زمین معلق است. برج در وسط این سازه سایبانی قرار دارد و دارای ورودی های بزرگ هوا در پایه آن است. درون برج توربین‌های بادی بزرگ برای تولید برق قرار دارند.

زمانی که خورشید به درون جمع کننده می‌تابد، گرمای آن در زیر به دام می افتد، مانند یک گلخانه که هوای گرم را بین زمین و سازه سقف نگه می‌دارد. از آنجایی که هوای گرم چگالی کمتری نسبت به هوای سرد دارد، هوای گرم شروع به بالا رفتن می کند و باعث به جریان افتادن هوا می شود، که به آن همرفت گرمایی می‌گویند. هوا هیچ راه دیگری برای فرار بجز از طریق برج ندارد، و بیشتر هوای گرم جمع کننده از طریق ورودی‌های هوا در پایه آن به درون برج مکیده می‌شود. در نتیجه، تابش خورشید موجب افزایش مداوم در برج می‌شود. توربین‌های بادی نصب شده درون برج با حرکت دادن تیغه های خود، انرژی موجود در جریان را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. سپس این حرکت به وسیله ژنراتور تبدیل به انرژی الکتریکی می‌شود.

 

اگر چه این تکنولوژی بسیار ساده به نظر می رسد و می تواند انرژی زیادی تولید کند، اما هنوز هیچ نمونه‌ای در مقیاس کامل در حال اجرا نیست. با این حال، چند نمونه از نمونه ها ساخته و مورد مطالعه قرار گرفته است. در این فعالیت شما نمونه بسیار ساده‌ی برج مکشی خورشیدی اما بدون سازه جمع کننده را خواهید ساخت. آیا می‌توانید از انرژی تولید شده توسط برج مکشی برای چرخاندن یک پره استفاده کنید؟ شروع کنید تا بفهمید!

مواد:

  • کاغذ کاردستی سیاه (حدود ۲۰ در ۲۰ اینچ)
  • مداد
  • قیچی
  • نوارچسب
  • خمیر مجسمه سازی
  • سیخ چوبی
  • سوزن
  • دماسنج
  • چراغ با لامپ رشته ای یا لامپ گرمایی( لامپ های LED برای تولید گرمای کافی خیلی خنک هستند.)
  • آفتاب و ناحیه حفاظت شده با باد در بیرون (اختیاری)
  • کاغذ کاردستی سفید

آماده سازی:

  • کاغذ سیاه را بصورت یک مخروط با دهانه ی کوچک در بالا (قطر ۲اینچ) و دهانه ی بزرگتر در پایین ( قطر ۴ اینچ) لوله کنید.
  • با استفاده از نوار چسب مخروط را در محل نگه دارید. سپس بالا و پایین را ببرید تا صاف شوند. مخروط باید حدود ۱۰ تا ۱۵ اینچ طول داشته باشد و بتواند خود به خود به ایستد.
  • در پایین مخروط ۳ برش در فاصله‌ی مساوی ۲ اینچ با عرض نیم اینچ ببرید. این ها دریچه ورودی هوای شما خواهند بود. اطمینان حاصل کنید که مخروط همچنان می‌تواند روی لبه ی باقی مانده ایستاده بماند.
  • پره‌ای به قطر ۳ اینچ را روی کاغذ ببرید. شما می‌توانید قالب‌های آماده پره را بصورت آنلاین پیدا کنید. پره‌ها را در حدود زاویه ۴۵ درجه به پایین خم کنید.
  • با نوار چسب، به دقت سوزن را به بالای سیخ چوبی با نقطه ی انتهایی رو به بالا وصل کنید.
  • با خمیر مجسمه سازی یک توپ درست کرده و آن را بر روی محیط کاری خود فشار دهید.

روش:

  • در داخل منزل به دنبال یک فضای محافظت شده با باد برای راه‌اندازی برج روشنایی خورشیدی خود بگردید. یک نکنه مهم این است که هیچ جریان خارجی در حین انجام آزمایش شما اتفاق نیوفتد. چرا محیط آزمایش شما نیاز به فضای محافظت شده از باد دارد؟
  • مخروط کاغذی سیاه را روی خمیر مجسمه سازی قرار دهید تا در مرکز مخروط قرار گیرد.
  • سیخ چوبی  را از طریق بالای باز برج به درون خمیر مجسمه‌سازی بچسبانید، بطوریکه سیخ به وسطه مخروط بچسبد. سوزن سر سیخ باید حدود ۱٫۵ تا ۲ اینچ بالای مخروط چسبیده باشد.
  • پره را بردارید و آن را به سوزن فشار دهید. پس از نصب پره، باید آن را متعادل کنید که بتواند آزادانه بچرخد. ممکن است به کمی تمرین احتیاج داشته باشید که مطمئن شوید پره بطور صحیح بر روی سوزن قرار گرفته است. چه اتفاقی برای پره‌ای که بالای سوزن است می افتد ؟ آیا حرکت می‌کند؟
  • دمای هوا داخل و خارج برج را اندازه گیری کنید. درجه ی هوای داخل در مقایسه با درجه هوای بیرون در چه دمایی اندازه گیری می‌شود؟
  • لامپ را در کنار برج قرار دهید و آن را به سمت پایه برج هدایت کنید. اطمینان حاصل کنید که لامپ در طی آزمون رها نشود. فکر می‌کنید که لامپ چه کاری انجام خواهد داد؟
  • لامپ را روشن کنید و برج مکشی را برای مدتی مشاهده کنید. چه اتفاقی می افتد؟
  • بعد از حدود ۵ دقیقه مجددا دمای بیرون و درون مخروط را اندازه گیری کنید. این بار چه دمایی را اندازه گیری میکنید؟
  • لامپ را خاموش کنید و برج خود را برای ۵ الی ۱۰ دقیقه مشاهده کنید. زمانی که لامپ را خاموش کردید چه اتفاقی افتاد؟
  • دوباره پس از ۵ دقیقه دمای درون و بیرون مخروط را برای بار دیگر اندازه گیری کنید. دما تغییری کرد؟ اگر بله، چگونه؟

فراتر: چقدر سریع میتوانید پره‌ی خود را بچرخانید؟ یکی از تیغه های پره خود را با یک مداد علامتگذاری کنید و سپس تعداد چرخشها را در ۱۵ ثانیه با استفاده از یک کرونومتر شمارش کنید. چهار بار این کار را تکرار کنید و سرعت چرخش پره خود را در دور موتور (چرخش در دقیقه) بدست آورید.

فراتر: دوباره این کار را تکرار کنید اما این بار از کاغذ سفید برای ساخت برج خود کمک بگیرید. آیاد رنگ کاغذ تفاوتی ایجاد میکند؟ چرا؟

فراتر: به بیرون بروید و بجای لامپ از خورشید کمک بگیرید. اطمینان حاصل کنید که یک نقطه محافظت شده از باد را پیدا می‌کنید. آیا قدرت خورشید هم باعث چرخش پره می‌شود؟

مشاهدات و نتایج:

آیا پره‌ی شما چرخید؟ در ابتدا پره نباید حرکت کند. اگر این کار را کرد، جریان هوای خارجی از در یا باد احتمالا باعث حرکت پره شده است. دمای هوای داخل و خارج از برج باید بسیار شبیه به هم باشند. با این حال، هنگامی که لامپ را روشن کردید، دما باید تغییر کند. لامپ رشته ای، مانند نور خورشید، نور و گرما را ساطع می‌کند. شما با نگه داشتن دست خود در نزدیکی نور لامپ، متوجه این قضیه خواهید شد.

هنگامی که نور بر روی کاغذ سیاه رنگ می‌تابد، بیشتر نور را جذب می‌کند و شروع به گرم شدن می کند. سپس گرما در داخل مخروط به دام می افتد، و دمای هوای درون آن را افزایش می دهد. از آنجا که چگالی هوای گرم کم تر از هوای سرد است، شروع به بالا آمدن درون مخروط کاغذی می کند. این حرکت باعث می‌شود بعد از مدتی پره در بالای مخروط بچرخد.

با بالا رفتن هوا، فشار درون مخروط کاهش می یابد، به همین دلیل هوای تازه به داخل مخروط کاغذی از طریق ورودی هوا که شما در پایین آن را برش دادید مکیده می شود. این هوای جدید گرم می‌شود و به طور مداوم چرخش پره را حفظ می کند. این چرخه تنها زمانی قطع می‌شود که شما لامپ را خاموش می‌کنید.

از آنجا که هیچ منبع حرارتی وجود ندارد، هوای داخل مخروط به آرامی شروع به خنک شدن می کند، دما بعد از مدتی به همان دمای هوای بیرون، باز می‌گردد. در آن زمان چرخش پره باید متوقف شده باشد. شما ممکن است متوجه شده باشید که مدت زمان بیشتری طول می‌کشد که پره در کاغذ سفید به چرخش در بیاید و همچنین پره با سرعت زیادی نمی‌چرخد. این به این دلیل است که کاغذ سفید گرما را از لامپ بخوبی کاغذ سیاه جذب نمی‌کند.


Mehrnoosh Moallemi

منبع: Scientific American

منابع مفید: توربین باید چگونه کار می‌کند؟ (فرهاد ذکاوت-سایت رشد)

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *