Φακοί Fresnel, κάτοπτρα και μηχανές Stirling. Εφαρμογές σε Ηλιακά καί άλλα.

Οι φακοί Fresnel είναι γνωστοί απο πολύ παλιά και χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές κάθε κλίμακας.

Οι φακοί Fresnel είναι σφαιρικοί φακοί των οποίων έχει περιοριστεί το πάχος κατά το μέρος εκείνο που δεν συνεισφέρει στο σχηματισμό ειδώλου (τομείς σχήματος κυλίνδρου). Αυτό εξηγείται στη φωτογραφία αριστερά. Για τη περίπτωση του φακού της φωτογραφίας, μια σημειακή πηγή μπορεί να δώσει είδωλο με διάμετρο το μέγεθος του φακού σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Και αντίστροφα μια πηγή που είναι πολύ μακριά πχ. ο ήλιος, μπορεί να εστιάσει το φώς της σε ένα σημείο πίσω από το φακό. Παρατηρείστε τη δυνατότητα περαιτέρω αύξησης της διαμέτρου του μακρινού ειδώλου του φακού Fresnel με τη βοήθεια κατάλληλων πρισμάτων.
Ας δούμε πρώτα τη χρήση των φακών Fresnel στη κατασκευή ενός solar grill, ενός ηλιακού φούρνου. όπως αυτός στις δύο φωτογραφίες που ακολουθούν. Ο φούρνος αυτός έχει μερικά ωραία χαρακτηριστικά γι’ αυτό και σας τον παρουσιάζω. Μπορεί να λειτουργεί 24 ώρες, διότι με τη θερμότητα του ήλιου λειώνει μέσα σε ένα μεταλικό δοχείο με Lithium Nitrate (LiNO3) (ένα υλικό που λειώνει στους 255 °C και βράζει στους 873 °C), που χρησιμοποιείται σαν πηγή θερμότητας  για τη θέρμανση του φαγητού.

image
Το μεταλικό δοχείο είναι ακριβώς κάτω απο τη θέση του φαγητού και φυσικά τοποθετημένο μέσα σε ένα άλλο δοχείο κατασκευασμένο από μονωτικό θερμότητας. Ετσι, όταν το μεταλικό σκεύος με το φαγητό αφαιρείται από το φούρνο, αυτό συνεχίζει να θερμαίνεται απο τον ήλιο. Η ιδέα να χρησιμοποιήσεις ένα υλικό σαν heat buffer είναι καλή. Ο φούρνος αυτός μπορεί να βρεί εφαρμογή σε χώρες με μεγάλη ηλιοφάνεια και μπορεί να τοποθετηθεί και εντός σπιτιών ειδικής κατασκευής. Απο κεί και πέρα ο συγκεκριμένος φούρνος μπορεί να σχεδιασθεί με πολλούς τρόπους.

LighthouseΣτη φωτογραφία αριστερά είναι μιά άλλη εφαρμογή των φακών Fresnel. Σύμφωνα με όσα σας είπα στην αρχή ο φακός Fresnel μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη κατασκευή φάρων, όπου το φώς που εκπέμπουν πρέπει να μεταδίδεται μακρυά. 

Δείτε ενδεικτικά ένα βίντεο για το πως λειτουργεί ένας φακός Fresnel: 

Εκτός όμως από τους φακούς Fresnel, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και κάτοπτρα διαφόρων μορφών στη συγκέντρωση ηλιακής ακτινοβολίας. 
Αυτά συσσωρεύουν την ηλιακή ενέργεια πάλι σε ένα σημείο, στο οποίο μια ειδική συσκευή να μετατρέψει κατά κάποιο σημαντικό ποσσοστό την ηλιακή ενέργεια σε μηχανική (π.χ. με τη βοήθεια μηχανών Stirling, με ένα σύστημα μεταφοράς θερμότητας) και εν συνεχεία σε ηλεκτρική αν επιθυμείται ή κατευθείαν σε ηλεκτρική (π.χ. θερμοβολταικές κυψελλίδες υψηλής θερμοκρασίας) ή σε κάτι άλλο. Το πεδίο έρευνας είναι ανοικτό.

Stirling MachineΗ μηχανή Stirling είναι μια μηχανή που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανική και χρησιμοποιείται μεταξύ άλλων τεχνολογιών για τη συλλογή της θερμικής ενέργειας στο εστιακό σημείο ή τα εστιακά σημεία κατάλληλα επιλεγμένων φακών ή κατόπτρων και τη μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια.  Στη φωτογραφία αριστερά, το σημείο που αναβοσβύνει κόκκινο είναι στη περιοχή εστίασης. Το αέριο που χρησιμοποιεί η μηχανή Stirling είναι συνήθως υδρογόνο.
Η μηχανική κίνηση μπορεί να μετατραπεί με τη σειρά της σε ηλεκτρική με τη βοήθεια ενός γεννήτορα ισχύος που κινείται με μηχανική ενέργεια, κάτι ανάλογο του τρόπου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας απο τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια ή από τα εργοστάσια χρήσης γεωθερμικής ενέργειας. Aυτός ο γεννήτορας μπορεί να είναι ενσωματωμένος στη μηχανή Stirling.

Stirling Machine Solar Power Plant

Στη φωτογραφία αριστερά βλέπετε μια σειρά κατόπτρων που χρησιμοποιούν μηχανές Stirling για να μετατρέψουν την ηλιακή ενέργεια σε μηχανική/ηλεκτρική. Ενα εννοιολογικό διάγραμμα περιγραφής της διαδικασίας μετατροπής φαίνεται στη φωτογραφία δεξιά.

Linear Fresnel Lens Solar Power Plant

Στη φωτογραφία αριστερά, κυλινδρικά κάτοπτρα μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε θερμική που αυξάνει τη κινητική ενέργεια του αερίου που κυκλοφορεί μέσα στη σωλήνα, που ειναι τοποθετημένη ανα μία στην εστία τους. Το θερμό αέριο των σωλήνων με τη σειρά του θερμαίνει ατμό που θέτει σε λειτουργία έναν ατμοστρόβιλο παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Τα κυκλώματα ροής θερμότητας ρυθμίζονται από κατάλληλα συστήματα ελέγχου. Στη φωτογραφία δεξιά φαίνεται ένας εναλλακτικός σχεδιασμός, όπου αντί για κυλινδρικά κάτοπτρα σε σειρές χρησιμοποιούνται σειρές απο παράλληλα πρίσματα που εστιάζουν σε μία μόνο γραμμή μεταφοράς και τα οποία συνιστούν κάτοπτρο Fresnel.
Οι αποδόσεις των συστημάτων μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική με χρήση μηχανών Stirling και αυτών με κάτοπτρα και χρήση ατμού είναι συγκρίσιμες.

Use of High Temperature Thermovoltaic Cell

Στη φωτογραφία αριστερά, παρουσιάζεται ένα ακόμη ένα σχέδιο μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική με μια θερμοβολταική κυψελλίδα υψηλής θερμοκρασίας, σύμφωνα με το οποίο το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται στη κυψελλίδα φυλάσσεται σε μπαταρία που με τη σειρά της τροφοδοτεί μια ηλεκτρική αντίσταση, που θερμαίνει τη ψησταριά με τα παϊδάκια.
More from Χαράλαμπος Δαμαλάς

Στάση λεωφορείου σε σχήμα δένδρου!!!

Όταν χρειάζεστε μια προστασία από τον ήλιο ή τη βροχή, είναι φυσικό...
Read More