توسط : پژوهشگران سیستم نوآورانه‌ای طراحی کرده‌اند که یک بخارپز با انرژی خورشیدی را با سیستم ذخیره‌سازی حرارتی مبتنی بر شن و ماسه ترکیب می‌کند. این سامانه بازده حرارتی ۳۸.۹ درصد داشته و دوره بازگشت سرمایه آن حدود ۴.۵ سال برآورد شده است.
گروه پژوهشی در کشور غنا یک بخارپز خورشیدی ISESC را توسعه داده که از انرژی الکتریکی تولیدشده توسط پنل‌های خورشیدی برای گرم‌کردن ماسه و ذخیره‌سازی حرارتی استفاده می‌کند. محققان توضیح دادند:
«با وجود پایداری حرارتی و هزینه پایین ماسه، ظرفیت این سیستم برای ذخیره‌سازی حرارتی به‌طور گسترده مورد بررسی قرار نگرفته است. پژوهش‌های پیشین عمدتاً از دیودها، گرم‌کننده‌های مقاومتی یا سامانه‌های القایی به‌عنوان منبع حرکتی استفاده کرده‌اند و بررسی محدودی در زمینه تولید مستقیم بخار از حرارت ذخیره‌شده در ماسه انجام شده است.»
به گفته پژوهشگران، ترکیب بخارپز خورشیدی با ذخیره‌سازی حرارتی ماسه در سامانه‌های فتوولتائیک‌ـ‌الکتریکی، حوزه‌ای نوظهور است و راندمان آن در تولید بخار و پخت غذا تاکنون به‌طور دقیق مشخص نبوده است.
آزمایش انجام‌شده شامل یک آرایش با ۲۰ ماژول فتوولتائیک (PV) بود که هر ماژول ظرفیت ۵۸۰ وات و بازدهی ۲۲.۶۵ درصدی داشت. این ماژول‌ها روی سازه زمینی با زاویه شیب ۱۰ درجه رو به جنوب و زاویه سمت-ارتفاعی صفر نصب شدند. در این سیستم، برق تولیدی مستقیماً به سامانه ذخیره‌ساز حرارتی (TES) منتقل می‌شود که از دو بخش تشکیل شده است: یک محفظه فولاد نرم (mild steel) پرشده با شن و ماسه معدنی، که درون آن یک المنت حرارتی مقاومتی DC قرار گرفته است.
در بخش بالایی لایه شن، یک محفظه آب با ظرفیت ۱۰ کیلوگرم نصب شده که با تولید بخار، غذای داخل محفظه پخت را گرم می‌کند. محفظه پخت دارای ابعادی برابر با ۱۴۳ سانتی‌متر ارتفاع، ۱۵۰ سانتی‌متر طول و ۵۷/۵ سانتی‌متر عرض است. همچنین ابعاد باتری حرارتی (محفظه شن و ماسه) برابر با ۱۵ سانتی‌متر × ۶۵.۵ سانتی‌متر × ۴۴ سانتی‌متر است.
در آزمایش‌ها، محققان توانستند کارایی واقعی این سامانه پخت‌وپز خورشیدی را در شرایط عملی نشان دهند. آزمایش جوشاندن آب طی چهار روز، از ۲۱ تا ۲۴ اکتبر ۲۰۲۴، هر روز بین ساعت ۱۰ صبح تا ۳ بعدازظهر انجام گرفت و پس از آن، از ۵ تا ۷ نوامبر ۲۰۲۴، آزمون‌های واقعی پخت غذا اجرا شد. برای اندازه‌گیری عملکرد سامانه، از ابزارهایی مانند دستگاه سنجش تابش خورشیدی، دماسنج مادون‌قرمز، ولت‌متر، آمپرمتر و دوربین حرارتی استفاده شد.
بر ساس نتایج به‌دست‌آمده، دمای محفظه پخت بین ۱۰۵ تا ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد تثبیت شد؛ دمایی که برای پخت مواد غذایی مختلف کاملاً مناسب است. این سامانه توانست ۱۶ کیلوگرم برنج را در مدت ۸۰ دقیقه و ۱۶ کیلوگرم لوبیا را در ۱۴۰ دقیقه کاملاً بپزد.
بازده حرارتی سامانه ۳۸.۹ درصد اندازه‌گیری شد که حدود ۱۲ تا ۱۴ درصد بالاتر از سامانه‌های رایج تحت شرایط مشابه است. باتری حرارتی مبتنی بر ماسه نیز توانست بین ۱۳ تا ۱۵ مگاژول انرژی ذخیره کند، که امکان پخت‌وپز پایدار به مدت ۴ تا ۶ ساعت را حتی در شرایط تابش متغیر خورشیدی بین ۴۰۰ تا ۹۰۰ وات بر مترمربع فراهم کرد.
این نتایج نشان می‌دهد که ترکیب ذخیره‌ساز ماسه و سامانه پخت بخار خورشیدی می‌تواند پاسخی عملی، پایدار و کم‌هزینه برای نیاز به پخت‌وپز در مناطق کم‌برخوردار یا بدون شبکه برق باشد.
تحلیل هزینه طول عمر سیستم نشان داد که دوره بازگشت سرمایه آن حدود ۴.۵ سال است و مجموع هزینه‌های آن در بازه‌ای ۲۰ ساله، حدود ۴۷ درصد کمتر از اجاق‌های سنتی زیست‌توده‌ای برآورد شده است.
همچنین صرفه‌جویی سالانه این سامانه در انتشار آلاینده‌ها، شامل ۵۳۱۲.۲۲ کیلوگرم CO₂، حدود ۱۱.۱۰ کیلوگرم NOx و ۷.۰۵ کیلوگرم ذرات معلق PM2.5 بوده که این امر به کاهش نرخ جنگل‌زدایی، بهبود کیفیت هوای داخل محیط و حمایت از اهداف تعیین‌شده اقلیمی غنا (NDC) کمک می‌کند.
این پژوهش در مجله Solar Energy Advances منتشر شده است.
بیشتر بخوانید: بزرگ‌ترین باتری شنی جهان در فنلاند به بهره‌برداری رسید
