آب شیرین کن خورشیدی

آب شیرین کن خورشیدی

آب شیرین کن خورشیدی از انرژی خورشید برای تأمین انرژی مورد نیاز شیرین سازی آبهای شور از طریق فناوری توان حرارتی خورشیدی متمرکز یا فتوولتائیک استفاده می کند.

آب شیرین کن های آبهای شور با کاهش املاح محلول در آب، فرایند شیرین سازی را انجام می دهند. اگر میزان ذرات حل شده داخل آب کمتر از ۵۰۰ میلیگرمبر لیتر باشد، آب را آشامیدنی در نظر می گیرند. همچنین می توان گفت یک فرایند شیرین سازی آب شامل سه الی چهار مرحله می باشد؛ ابتدا برداشت آب از دریا و یا آب های زیر زمینی سپس پیش تصفیه آب برداشت شده که شامل فیلتراسیون و تزریق مواد شیمیایی و در ادامه استفاده از فرایند آب شیرین کن، متناسب با میزان آلودگی آب و در انتها تصفیه نهایی که در بعضی موارد شامل اضافه کردن مواد معدنی می باشد.

با پیشرفت های ایجاد شده در زمینه شیرین سازی آب، روش های مختلفی برای تولید آب شیرین در دسترس می باشد اما متداول ترین روش های موجود فرایند اسمز معکوس، فرایند MSF و فرایند MED می باشد. تمامی فناوری های شیرین سازی بیان شده عمدتا بر اساس انرژی حرارتی بنا یافته اند اما باید در نظر داشت که در مناطق خشک با شدت بالای تابش نور خورشید، بهتر است به جای استفاده از انرژی های حرارتی از انرژی خورشید جهت تصفیه آب این مناطق استفاده شود.

 

فناوری انرژی خورشیدی

فناوری های تجاری استفاده از انرژی خورشیدی به دو گروه تقسیم می شوند. فناوری توان حرارتی خورشیدی متمرکز (concentrating solar power) که بر مبنای افزایش کیفیت انرژی حرارتی خورشید کار می کند و فناوری فتوولتائیک‌ (photovoltaic) که بر مبنای تولید انرژی الکتریکی از تابش خورشید استفاده می کند. فناوری توان حرارتی خورشیدی متمرکز با انعکاس پرتوهای خورشیدی به کانون دریافت کننده انرژی با روشهای مختلف، کیفیت حرارتی انرژی خورشیدی را بالا می برند. در اکثریت مواقع، پرتوهای نور خورشید به روی لوله های جاذب (گیرنده) متمرکز می شوند که این لوله ها حاوی سیال حرارتی نظیر آب یا روغن است. سیال حرارتی در حال چرخش، انرژی حاصل از جذب پرتوهای متمرکز خورشید را در مبدلهای حرارتی به آب بویلر جهت تولید بخار فوق گرم یا بخار اشباع منتقل می کنند. فناوری CSP با استفاده از توربین های بخار و براساس چرخه رانکین قادر به تولید توان است.

نیروگاه خورشیدی سهموی خطی

سطوح سهموی بازتابنده بر مبنای فناوری توان حرارتی خورشیدی متمرکز، برای تولید بخار و الکترسیته از طریق توربین بخار به کار گرفته می شوند. این فناوری با استفاده از یک سطح سهمی گون، مستقیماً پرتو خورشید طبیعی را بر روی لوله گیرنده که توسط یک حفاظ شیشه ای احاطه شده است متمرکز می کند. گیرنده های انرژی تابشی خورشید در طول روز خورشید را از شرق تا غرب ردیابی کرده و این امر باعث تمرکز مداوم خورشید بر روی گیرنده های خورشیدی می شود. این در حالیست که مایع داخل لوله های گیرنده در حدود ۳۵۰ الی ۴۰۰ درجه سانتی گراد گرم شده و انتقال پیدا می کند. ار این فناوری در واحد های نیروگاهی برای تولید بخار در فشار بالا نیز استفاده می شود؛ باید در نظر داشت برای اطمینان از تداوم، در طول دوره کاهش انرژی تابش نور خورشید (ساعات شبانه و یا آب و هوای ابری) می توان از یک منبع ذخیره حرارتی استفاده کرد.

نیروگاه خورشیدی کلکتورهای فرنل

در این مدل از کلکتور فرنل برای متمرکز کردن نور خورشید بر روی لوله گیرنده استفاده می شود و همانند مدل سهموی خطی، کلکتورها به صورت خطی و در جهت شمال جنوب نصب می شوند. کلکتورها دارای تعداد زیادی آینه تخت با پهنای کم و طول زیاد  هستند که کنار یکدیگر قرار می گیرند و زاویه قرار گیری هر کدام از آینه ها بصورتی است که بازتاب پرتوهای خورشید را روی بخش دریافت کننده متمرکز کنند. بنابراین امکان انتقال انرژی از طریق گیرنده ها به سیال حرارتی(آب یا روغن) به وقوع می پیوندد. ظرفیت دریافت تابش نور خورشید بر روی آیینه ها در حدود ۳۰ برابر بیشتر از انرژی طبیعی نور خورشید است. سیال حرارتی، انرژی حرارتی جذب شده را از طریق مبدل های حرارتی به آب سیکل گرمایی منتقل می کند. آب سیکل گرمایی با جذب حرارت از سیال حرارتی به بخار تبدیل شده و برای مقاصد گرمایی یا تولید انرژی الکتریکی در توربین بخار مورد استفاده قرار می گیرد.

فناوری فتوولتائیک صفحه تخت

پنل های تخت فتوولتائیک‌ با استفاده از نیمه هادی ها انرژی الکتریکی تولید می کنند. این پنلها پرتوهای خورشید و تابش های پراکنده را به الکتریسیته تبدیل می کنند. متداول ترین فناوری فتوولتائیک‌ مدل صفحه تخت با هسته ای از جنس سلول های سیلیکونی یا پلی کریستالی می باشد که یک لایه نازک از جنس کادمیوم روی بستر خود دارند. سلول و فیلم ها، اشعه خورشید را به صورت مستقیم و یا غیر مستقیم جذب می کنند و باعث تحریک الکترون ها شده سپس جریان الکتریکی را القا می کنند همچنین پنل ها به یک مدار مبدل متصل شده اند تا جریان مستقیم را به یک جریان متناوب برای شبکه تبدیل کنند.

فناوری فتوولتائیک‌ متمرکزشونده (Concentrating PV)

فناوری CPV با انرژی بالای تابش نور خورشید بر روی سلول ها و با وجود پراکندگی گرما، به سیستم های خنک کننده احتیاج دارد و همچنین این فناوری تقریبا با فناوری فتوولتائیک‌ صفحه تخت شباهت های بسیاری دارد و دارای تفاوت هایی به شرح زیر می باشد:

  • فناوری فتوولتائیک‌ متمرکزشونده، اجزای نوری مانند آینه ها را با دستگاه های نوری ترکیب می کنند تا پرتوهای مستقیم خورشید بهتر به روی سلول های فتوولتائیک‌ متمرکز شوند.
  • فناوری فتوولتائیک‌ متمرکزشونده از اتصال چندین سلول برای تبدیل یک منطقه طیفی از اشعه خورشیدی استفاده می کنند تا به راندمان قابل قبولی در حدود دو برابر کارایی سلول خورشیدی فتوولتائیک معمولی دست یابند.
  • سیستم CPV فتوولتائیک‌ متمرکزشونده دارای یک سیستم ردیابی بسیار دقیق دو محوره با واحد کنترل می باشد تا به طور مداوم خورشید را برای دریافت حداکثر تابشهای مستقیم موجود در طول روز ردیابی کند.

آب شیرین کن خورشیدی

آب شیرین کن خورشیدی به واحد شیرین سازی آب شوری گفته می شود که انرژی مورد نیاز برای شیرین سازی آب را از خورشید تأمین می کند. فرایندهای تجاری شیرین آب شیرین کن خورشیدی سازی آبهای شور به فرایندهای حرارتی و اسمز معکوس محدود می شوند. در فرایند حرارتی از انرژی حرارتی برای تبخیر آب شور استفاده می شود. میعان آب بخار حاصل از فرایند تبخیر منجر به تولید آب شیرین می شود. در آب شیرین کن خورشیدی حرارتی، از انرژی حرارتی خورشید مبتنی بر نیروگاه های خورشیدی سهموی خطی یا کلکتورهای فرنل برای تأمین انرژی مورد نیاز برای تبخیر استفاده می شود. آب شیرین کن های خورشیدی مبتنی بر اسمز معکوس نیز با استفاده از انرژی الکتریکی حاصل از فناوری فتوولتائیک، توان مورد نیاز الکتروموتورهای پمپ فشار قوی آب شیرین کن را تأمین می کنند.

آب شیرین کن اسمز معکوس-فتوولتائیک‌

بسیاری از واحد های اسمز معکوس با سیستم فتوولتائیک‌ خورشیدی در ارتباط قرار گرفته اند و انرژی الکتریکی مورد نیاز در سیستم اسمز معکوس را تامین می کنند؛ اما بر خلاف نیاز سیستم اسمز معکوس به جریان متناوب، جریان تولیدی از سیستم فتوولتائیک‌ به صورت مستقیم است و به عنوان یک روش متداول با استفاده از اینورتر، جریان مستقیم ایجاد شده از پنل های فتوولتائیک‌ به متناوب تبدیل می شود. همچنین جریان ایجاد شده بلافاصله در پمپ های سیستم اسمز معکوس مورد استفاده قرار می گیرد. در حال حاضر پیشرفت هایی برای اتصال پنل ها به یک موتور DC بدون نیاز به اینورتر در پمپ های کم فشار صورت گرفته است. در این حالت اتصال مستقیم از پنل فتوولتائیک‌ به پمپ امکان پذیر است. با اطلاع از اهمیت کارکرد مداوم سیستم اسمز معکوس و برای جلوگیری از خاموش شدن سیستم، با افزودن یک منبع ذخیره انرژی در ساعات شبانه، ادامه روند فعالیت سیستم اسمز معکوس امکان پذیر می شود.

امروزه واحدهای ادغام شده اسمز معکوس و فتوولتائیک‌ با ظرفیت های ۰٫۵ تا ۵۰ متر مکعب در روز با موفقیت اجرا شده اند. هزینه های سرمایه گذاری برای احداث چنین واحدی در مقایسه با سیستم اسمز معکوس معمول، بالاتر است. ولی در بعضی موارد با در نظر داشتن موقعیت جغرافیای، میزان شوری آب و ظرفیت آب تولیدی، این فناوری از لحاظ اقتصادی برای شیرین سازی آبهای شور، جذاب است.

آب شیرین کن MSF و نیروگاه خورشیدی سهموی خطی

فرایند MSF به عنوان یک فرایند حرارتی شیرین سازی آبهای شور می تواند با بهره گیری از نیروگاه خورشیدی سهموی خطی از انرژی خورشیدی بهره ببرد. بخار ایجاد شده از مدل سهموی خطی به عنوان منبع گرما از طریق مبدل حرارتی برای جریان ورودی به فرایند MSF استفاده می شود. بخار آب حاصل از نیروگاه خورشیدی انرژی مورد نیاز برای تبخیر آب شور را در بویلر تأمین می کند.

یک سیستم ذخیره سازی حرارتی می تواند برای ثابت نگه داشتن تغییرات انرژی حرارتی به سیستم اضافه شود و امکان تولید مدوام آب شیرین در طول شب و یا هنگامیکه میزان تابش نور خورشید کاهش پیدا می کند فراهم شود. هزینه آب شیرین تولیدی در واحد های تجاری کوچک که با فرایند های MSF و تولید بخار CSP ترکیب شده اند، تقریباً در حدود ۷ الی ۹ دلار به ازای هر متر مکعب آب شیرین تولید شده می باشد.

MSF خورشیدی

 

آب شیرین کن های خورشیدی یا دستگاه های تصفیه آب صنعتی با استفاده از انرژی خورشید، بدون در نظر گرفتن مزیتهای زیست محیطی از منظر اقتصادی با واحدهای اسمز معکوس متکی بر نیروگاه های حرارتی قابل رقابت نیستند. بهای آب شیرین تولیدی در آب شیرین کن های خورشیدی در مقایسه با واحدهای اسمز معکوس بسیار بالاتر است. ولی مهمترین مزیت آب شیرین کن های خورشیدی، کاهش گازهای گلخانه ای و امکان نصب در مکانهای خارج از دسترس شبکه های توزیع برق است که آن را یکی از گزینه های جدی برای تحقق توسعه پایدار در کشورهای کم آب مطرح نموده است.

Prepared by:Seyed Ahmad Mohamadi