استفاده از زئولایت (Zeolite) طبیعی در ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی

به‌طور کلی روش‌های ذخیره انرژی خورشیدی را می‌توان به سه گروه تقسیم‌بندی کرد:

۱- ذخیره‌سازی آشکار گرما (Sensible Heat Storage): در سیستم‌های انرژی خورشیدی با دمای متوسط و کم، آب و سنگ بهترین و ارزانترین واسطه ذخیره انرژی هستند. انرژی گرمایی جمع‌آوری شده توسط کلکتورهای انرژی خورشیدی، دمای جسم واسط را افزایش داده، بنابراین انرژی گرمایی در آن ذخیره می‌شود. هنگام نیاز، انرژی گرمایی برای استفاده بازیابی می‌شود.

۲- ذخیره‌سازی پنهان گرما (Latent Heat Storage): برای این نوع ذخیره‌سازی، لازم است واسطه ذخیره‌ساز انرژی، دارای ویژگی‌هایی از قبیل قابلیت جذب انرژی زیاد، تغییرات کوچک در حجم و اندازه، ثبات شیمیایی و تکرارپذیری خوب باشد. در حال حاضر معمولا" سولفات، نیترات و هیدروکربنات‌ها به‌عنوان واسطه ذخیره انرژی به‌کار می روند.

۳- ذخیره‌سازی انرژی از طریق واکنش شیمیایی (Chemical Reaction Energy Storage): در این روش، واکنش گرماگیر (endothermic) مواد شیمیایی برای ذخیره انرژی گرمایی به‌کار می‌رود هنگامی که واکنش معکوس انجام گیرد، گرما قابل بازیابی است. معمولا" اکسیدهای غیر آلی به‌عنوان ماده واسط به‌کار برده می‌شوند.

روش ذخیره انرژی خورشیدی با استفاده از زئولایت‌ها:

زئولایت، آلومینیوسیلیکات معدنی قلیایی یا فلز خاکی قلیایی است که دارای کریستال آب می‌باشد که فرمول شیمیایی عمومی آن به‌صورت زیر است:

 A m X p O 2 p . n H 2 O

که به‌جای A  :Sr ،Ba ،K ،Na ،Ca  و به‌جای Al : X و Si قرار می‌گیرد. در ساختار آلومینوسیلیکات زئولایت‌ها فضاهای خالی بین کریستالی بین ۲۰ تا ۵۰ درصد حجم کریستال را تشکیل می‌دهند. هنگامی که زئولایت‌ها حرارت داده شوند، مولکول‌های آب بین کریستالی تا اندازه‌ای یا به‌طور کامل خارج می‌شوند. بعد از خارج شدن آب، مولکول‌های آب مجددا" می‌توانند از طریق هوا یا آب جذب شوند و بدین ترتیب ساختار شبکه کریستالی زئولایت آسیب نخواهد دید.

زئولایت‌ها در واکنش جذب آب به‌شدت گرمازا هستند. ویژگی جذب و دفع آب، از زئولایت یک ماده جدید برای جذب انرژی خورشیدی ساخته است. مادامی‌که زئولایت‌هائی که آب خود را از دست داده‌اند دور از آب نگه داشته شوند، انرژی گرمایی ذخیره شده در آن‌ها را می‌توان تا هر زمان دلخواه محفوظ نگه داشت. هنگامی‌که نیاز به بازیابی انرژی گرمایی زئولایت‌ها می‌باشد، می‌توانیم با کنترل سرعت جذب آب، سرعت خروج انرژی را کنترل کنیم. بنابراین زئولایت‌ها قابلیت‌های بهتری نسبت به روش‌های جذب انرژی که پیشتر گفته شد دارند.

معمولا" زئولایت مصنوعی 13 X به‌عنوان ماده ذخیره‌کننده انرژی انتخاب می‌شود. برای مقایسه توانائی جذب گرمای زئولایت مصنوعی با زئولایت‌های طبیعی آزمایش زیر انجام گرفته است.

به گزارش "برق نیوز" نمونه‌هایی از زئولایت‌های طبیعی که دارای خواص لازم بوده را انتخاب کرده و این نمونه‌ها به اندازه‌های متفاوت خرد شده‌اند. این نمونه‌ها به‌منظور حرارت دادن به‌مدت یک ساعت به‌ترتیب در درجه حرارت ۵۰، ۱۰۰،۱۵۰ و ۲۰۰ درجه سانتیگراد درون محفظه‌های مخصوص در یک کلکتور خورشیدی واحد که درمحدوده ۲۰۰- ۵۰ درجه سانتیگراد کار می‌کند قرار گرفته‌اند. با مقایسه نتایج به‌دست آمده برای زئولایت‌های طبیعی و زئولایت مصنوعی 13 X در می‌یابیم که با افزایش دمای گرمادهی، میزان آب از دست داده نمونه‌ها افزایش می‌یابد. در یک نوع مشخصی از زئولایت طبیعی هرچه اندازه دانه‌های زئولایت طبیعی کوچک‌تر باشد، آب بیشتری از دست می‌دهد. تغییرات دمای هر یک از نمونه‌ها با افزایش دما زیادتر می‌شود. بدین خاطر است که آب از دست رفته نمونه‌ها در دمای گرمادهی بالاتر، بیشتر بوده و انرژی ذخیره شده نیز بزرگ‌تر می‌باشد و بالعکس.

بین ۵۰-۱۰۰ درجه سانتیگراد که محدوده گرمادهی پایین می‌باشد، تفاوت تغییرات دمای زئولایت مصنوعی 13 X و سایر نمونه‌ها کم است. دلیل آن این است که آب از دست داده زئولایت مصنوعی 13 X و سایر نمونه‌ها در این محدوده کم است. بین ۱۰۰-۲۰۰ درجه سانتیگراد که محدوده دمای گرمادهی بالا می‌باشد، تفاوت تغییرات دمای زئولایت مصنوعی 13 X و سایر نمونه‌ها به‌تدریج با درجه حرارت افزایش می‌یابد. در ۲۰۰ درجه سانتیگراد این تفاوت به‌خاطر از دست دادن آب حداکثر است.

نتیجه‌گیری

۱- هنگامی‌که دما کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد است، اثر ذخیره انرژی زئولایت‌های طبیعی تقریبا" همانند زئولایت مصنوعی 13 X است. بنابراین می‌توانیم از زئولایت‌های طبیعی به‌عنوان مواد ذخیره کننده انرژی به‌جای زئولایت مصنوعی 13 X در دمای کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد استفاده کنیم. دمای کار کلکتورهای مسطح خورشیدی متداول نیز معمولا" زیر ۱۰۰ درجه سانتیگراد است. بنابراین نتیجه‌گیری ذکر شده دارای اهمیت زیاد است.

۲- در حرارت بین ۱۰۰-۲۰۰ درجه سانتیگراد، زئولایت مصنوعی 13 X مزایای کاملا" مشخصی نسبت به زئولایت طبیعی دارد زیرا:

الف ـ ناخالصی کمتری نسبت به زئولایت طبیعی، که بر ذخیره انرژی تأثیر می‌گذارد، دارد.

ب ـ ساختمان نمونه‌های زئولایت طبیعی به‌خوبی زئولایت مصنوعی نمی‌باشد.