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AGENGG 311 Lecture 07: सौर ऊर्जा का परिचय, सौर संग्राहक एवं उनके अनुप्रयोग | Hindi Notes

ByRohit Meena
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AGENGG 311 · Renewable Energy in Agriculture
विषय सूची · Quick Navigation02 अधिगम उद्देश्य (Learning Objectives)03 प्रस्तावना एवं मूल अवधारणा (Introduction)04 महत्वपूर्ण वैज्ञानिक परिभाषाएँ (Important Definitions)05 विस्तृत विषय व्याख्या (Detailed Topic Explanation)06 प्रकार एवं वैज्ञानिक वर्गीकरण (Types and Classification)07 महत्वपूर्ण सिद्धांत एवं समीकरण (Important Principles and Concepts)08 वैज्ञानिक एवं व्यावहारिक उदाहरण व गणनाएँ (Scientific & Practical Examples)09 तुलनात्मक सारणियाँ (Comparative Tables)10 महत्वपूर्ण सूत्र एवं तकनीकी मानक (Formulas & Key Metrics)11 व्याख्यान-विशिष्ट माइंड मैप (Lecture-Specific Mind Map)12 प्रक्रिया प्रवाह चित्र एवं आरेख (Flowcharts & Visual Diagrams)13 महत्वपूर्ण तथ्य एवं परीक्षा टिप्स (Important Facts & Exam Tips)14 त्वरित पुनरावृत्ति सारांश (Quick Revision Panel)15 बहुविकल्पीय प्रश्न — उत्तर एवं व्याख्या सहित (10 MCQs with Answers)16 अति-लघु, लघु एवं दीर्घ उत्तरीय प्रश्न व वन-लाइनर्स (Exam Question Bank)
Lecture 07 Source Page Reference in Supplied Pack: 124 (ICAR Theory Lecture 07 – 2 Lectures Weightage)

Lecture 07: सौर ऊर्जा का परिचय, सौर संग्राहक एवं उनके अनुप्रयोग

Introduction of solar energy, solar collectors and their application

02 अधिगम उद्देश्य (Learning Objectives)

इस व्याख्यान (Lecture) के अध्ययन के पश्चात् विद्यार्थी निम्नलिखित में सक्षम होंगे:

  1. सौर ऊर्जा (Solar Energy) की परिभाषा तथा सक्रिय (Active – supply side) और निष्क्रिय (Passive – demand side) सौर तकनीकों के अंतर को समझना।
  2. सूर्य के भौतिक अभिलक्षणों—प्रभावी कृष्णिका तापमान (5762 K), विद्युत-चुंबकीय तरंगदैर्ध्य परास (99% विकिरण 0.2 से 4 माइक्रोन में) तथा स्पेक्ट्रम वितरण (8% UV, 46% दृश्य प्रकाश, 46% अवरक्त)—को जानना।
  3. सौर संग्राहकों (Solar Collectors) को गैर-सांद्रण (Non-concentrating) और सांद्रण (Concentrating) प्रकारों में वर्गीकृत करना।
  4. समतल प्लेट संग्राहक (Flat Plate Collector – FPC) और निर्वात ट्यूब संग्राहक (Evacuated Tube Collector – ETC) की संरचना, हीट पाइप सिद्धांत और कार्यप्रणाली को समझना।
  5. रेखीय फोकस (Line Focusing / Parabolic Trough) और बिंदु फोकस (Point Focusing / Parabolic Dish) सांद्रण संग्राहकों तथा जल/स्थान तापन में उनके अनुप्रयोगों का अध्ययन करना।

03 प्रस्तावना एवं मूल अवधारणा (Introduction)

मूल सामग्री (Core Course Content): सौर ऊर्जा (Solar Energy) सूर्य से प्राप्त होने वाला विकिरण प्रकाश और ऊष्मा (Radiant light and heat) है, जिसका दोहन विभिन्न प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके विद्युत और सौर तापीय ऊर्जा (Solar thermal energy) उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। यह नवीकरणीय ऊर्जा का एक अनिवार्य स्रोत है। प्रकाश-संश्लेषण (Photosynthesis) द्वारा हरे पौधे सौर ऊर्जा को रासायनिक रूप से संचित ऊर्जा में बदलते हैं, जिससे भोजन, लकड़ी और बायोमास बनता है (जिनसे आगे जीवाश्म ईंधन व्युत्पन्न हुए हैं)।

सूर्य के प्रकाश को पकड़ने (Capture), परिवर्तित करने (Convert) और वितरित करने (Distribute) के तरीके के आधार पर सौर प्रौद्योगिकियों को सक्रिय (Active) या निष्क्रिय (Passive) के रूप में अभिलक्षित किया जाता है।

04 महत्वपूर्ण वैज्ञानिक परिभाषाएँ (Important Definitions)

सक्रिय सौर तकनीकें (Active Solar Techniques)
वे तकनीकें जो सूर्य के प्रकाश को उपयोगी ऊर्जा आउटपुट में बदलने के लिए फोटोवोल्टिक्स (PV), सांद्रित सौर ऊर्जा (CSP), सौर तापीय संग्राहकों, पंपों (Pumps) और पंखों (Fans) जैसे यांत्रिक/विद्युत उपकरणों का उपयोग करती हैं। ये ऊर्जा की आपूर्ति बढ़ाती हैं, अतः इन्हें ‘सप्लाई-साइड तकनीक’ (Supply-side technologies) माना जाता है।
निष्क्रिय सौर तकनीकें (Passive Solar Techniques)
वे तकनीकें जिनमें बिना किसी बाहरी पंप या पंखे के, अनुकूल तापीय गुणों वाली निर्माण सामग्री का चयन कर, प्राकृतिक वायु संचरण (Natural air circulation) वाले स्थान डिजाइन कर और भवन की दिशा सूर्य के सापेक्ष रखकर सौर ऊर्जा का उपयोग किया जाता है। ये वैकल्पिक संसाधनों की मांग घटाती हैं, अतः इन्हें ‘डिमांड-साइड तकनीक’ (Demand-side technologies) माना जाता है।
सूर्य का प्रभावी तापमान (Effective Temperature of the Sun)
सूर्य को 5762 K (केल्विन) के सतही तापमान वाली एक आदर्श कृष्णिका (Black body) माना जाता है। इसे सूर्य का प्रभावी तापमान कहते हैं।
सौर संग्राहक (Solar Collector)
वह उपकरण जो सूर्य से आने वाले सौर विकिरण को एकत्रित (Collect) करता है और/या सांद्रित (Concentrate) करके उसे ऊष्मीय ऊर्जा में बदलता है।
हीट पाइप (Heat Pipe in ETC)
निर्वात ट्यूब संग्राहक (ETC) के भीतर लगी एक विशेष दाब वाली धातु की नली, जिसके ‘गर्म सिरे’ (Hot end) में उबलता हुआ द्रव (Boiling liquid) और ‘ठंडे सिरे’ (Cold end) में संघनित होती वाष्प (Condensing vapour) होती है, जो ऊष्मा को अत्यंत दक्षता से जल तक स्थानांतरित करती है।

05 विस्तृत विषय व्याख्या (Detailed Topic Explanation)

1. सूर्य एवं सौर विकिरण के अभिलक्षण (Sun Characteristics & Solar Spectrum)

  • कृष्णिका तापमान (Black Body Temperature): सूर्य को 5762 K सतही तापमान वाली एक कृष्णिका (Black body) माना जाता है, जिसे सूर्य का प्रभावी तापमान कहते हैं।
  • तरंगदैर्ध्य परास (Wavelength Range): सूर्य द्वारा ऊर्जा विद्युत-चुंबकीय तरंगों (Electromagnetic waves) के रूप में विकिरित होती है, जिनमें से 99% तरंगों की तरंगदैर्ध्य 0.2 से 4 माइक्रोन (Micron / Micimetre, μextm) के परास में होती है (1 extmicron=10−6extm)।
  • सौर स्पेक्ट्रम का संघटन (Spectral Distribution at Top of Atmosphere): पृथ्वी के वायुमंडल के शीर्ष पर पहुँचने वाली सौर ऊर्जा में निम्नलिखित तीन घटक होते हैं:
    1. पराबैंगनी विकिरण (Ultraviolet radiations – UV): लगभग 8%
    2. दृश्य प्रकाश (Visible light): लगभग 46%
    3. अवरक्त विकिरण (Infrared radiations – IR): लगभग 46%

2. गैर-सांद्रण प्रकार के सौर संग्राहक (Non-Concentrating Type Solar Collectors)

इन संग्राहकों में आपतित सौर विकिरण को किसी लेंस या दर्पण से फोकस नहीं किया जाता (संग्राहक क्षेत्रफल और अवशोषक क्षेत्रफल लगभग समान होता है)। इनका उपयोग मुख्यतः जल तापन (Water heating) और स्थान तापन (Space heating) के लिए किया जाता है। इसके दो मुख्य प्रकार हैं:

(A) समतल प्लेट संग्राहक (Flat Plate Collector – FPC)

संरचना (Components): समतल प्लेट संग्राहक धातु के साधारण बॉक्स (Metal boxes) होते हैं जिनमें:
1. पारदर्शी ग्लेजिंग कवर (Transparent Glazing Cover): सबसे ऊपर काँच या प्लास्टिक की पारदर्शी शीट जो सौर विकिरण को अंदर आने देती है पर ऊष्मा को बाहर जाने से रोकती है।
2. काली अवशोषक प्लेट (Black Absorber Plate): ग्लेजिंग के नीचे ऊष्मा के सुचालक धातु—सामान्यतः ताँबा (Copper) या एल्युमिनियम (Aluminum)—से बनी काली प्लेट होती है। ऊष्मा को बेहतर अवशोषित और बनाए रखने के लिए इस पर विशेष चयनात्मक कोटिंग (Selective coating) या काला पेंट किया जाता है।
3. प्रवाह नलिकाएँ (Flow Tubes/Passages): अवशोषक प्लेट से जुड़ी नलिकाएँ जिनमें जल या वायु प्रवाहित होती है।
4. ऊष्मारोधी परत (Insulation): आसपास के वातावरण में ऊष्मा हानि (Heat loss) को न्यूनतम करने के लिए बॉक्स के किनारों (Sides) और तली (Bottom) को इंसुलेट किया जाता है।
कार्यप्रणाली: सौर विकिरण पारदर्शी ग्लेजिंग से गुजरकर काली अवशोषक प्लेट से टकराता है। प्लेट गर्म हो जाती है और अपनी ऊष्मा ग्लेजिंग व प्लेट के बीच नलिकाओं में मौजूद जल या वायु को स्थानांतरित कर देती है।

(B) निर्वात ट्यूब संग्राहक (Evacuated Tube Collector – ETC)

संरचना एवं सिद्धांत: इस प्रकार के संग्राहक में पानी गर्म करने के लिए निर्वातित काँच की नलियों की एक श्रृंखला (Array of evacuated glass tubes) का उपयोग किया जाता है। दो संकेंद्रित काँच की नलियों के बीच के स्थान में निर्वात (Vacuum / Evacuated space) होता है, जो सूर्य की ऊर्जा को तो पकड़ता है लेकिन वातावरण में संवहन व चालन द्वारा होने वाली ऊष्मा हानि (Heat loss) को पूरी तरह रोक देता है।
हीट पाइप तंत्र (Heat Pipe Mechanism): प्रत्येक ट्यूब के अंदर एक आंतरिक धातु ट्यूब होती है जो अवशोषक प्लेट का काम करती है और तापीय रूप से एक ‘हीट पाइप’ (Heat pipe) से जुड़ी होती है। हीट पाइप के अंदर एक विशेष दाब पर तरल भरा होता है—इस दाब पर पाइप के ‘गर्म सिरे’ (Hot end) में उबलता हुआ द्रव (Boiling liquid) और ‘ठंडे सिरे’ (Cold end) में संघनित होती वाष्प (Condensing vapour) होती है। इससे ऊष्मा एक सिरे से दूसरे सिरे (ऊपरी मैनिफोल्ड के जल) तक अत्यंत तेजी से पहुँचती है।
क्षमता एवं श्रेष्ठता: इससे 100°C तक जल का तापमान प्राप्त किया जा सकता है। कम आपतन कोण (Low incidence angle – सुबह/शाम या बादल) पर भी इसकी दक्षता फ्लैट प्लेट कलेक्टर (FPC) की तुलना में अधिक होती है।

3. सांद्रण प्रकार के सौर संग्राहक (Concentrating Type Solar Collectors)

सांद्रण प्रकार के संग्राहक एकत्रित सौर ऊर्जा को एक छोटे क्षेत्र (Smaller receiver area) पर फोकस करने के लिए दर्पणों (Mirrors) या लेंसों (Lenses) का उपयोग करते हैं ताकि उच्च कार्यकारी तापमान (Higher working temperatures) प्राप्त किया जा सके। इसके दो प्रमुख प्रकार हैं:

(A) रेखीय फोकस संग्राहक (Line Focusing Collector / Parabolic Trough)

संरचना एवं कार्यप्रणाली: इन्हें कभी-कभी परवलयिक ट्रफ (Parabolic troughs) भी कहा जाता है। ये सौर विकिरण से ऊष्मा एकत्र करने और सांद्रित करने के लिए अत्यधिक परावर्तक सामग्री (Highly reflective materials) से बने परवलयिक आकार के खंडों को जोड़कर बनाई गई एक लंबी नाली (Long trough) होते हैं।
• इस ट्रफ के केंद्र (फोकस रेखा) में पानी या तरल ले जाने वाला एक पाइप (Receiver/Absorber pipe) रखा जाता है, ताकि परावर्तक सतह पर पड़ने वाला सारा सूर्य का प्रकाश उस केंद्रीय पाइप पर केंद्रित (Focused) हो जाए और अंदर के तरल को तीव्रता से गर्म कर दे।
• ये उच्च शक्ति वाले संग्राहक हैं जिनका उपयोग आवासीय कार्यों में न करके सौर तापीय विद्युत संयंत्रों (Solar thermal power plants) में भाप (Steam) बनाने के लिए किया जाता है। अधिकतम धूप पकड़ने के लिए ये धुरी पर घूमकर आकाश में सूर्य को ट्रैक (Single-axis Sun tracking) करते हैं।

(B) बिंदु फोकस संग्राहक (Point Focusing Collector / Parabolic Dish)

संरचना एवं कार्यप्रणाली: ये संग्राहक किसी परावर्तक सामग्री से बनी बड़ी परवलयिक डिश (Large parabolic dishes) होते हैं जो सूर्य की संपूर्ण ऊर्जा को एक एकल बिंदु (Single focal point) पर केंद्रित करते हैं।
• यद्यपि ये सूर्य का प्रकाश एकत्र करने में अत्यंत प्रभावी हैं, फिर भी इन्हें निरंतर सक्रिय रूप से सूर्य को ट्रैक (Two-axis active Sun tracking) करना पड़ता है। ये डिश अकेले या अधिक ऊर्जा जुटाने के लिए एक ऐरे (Array) के रूप में काम कर सकती हैं।
• सांद्रित फोटोवोल्टिक्स (Concentrated Photovoltaics – CPV): बिंदु फोकस संग्राहकों का उपयोग CPV के साथ भी किया जा सकता है। इस स्थिति में, ऊष्मा पैदा करने के बजाय, सांद्रित सौर ऊर्जा को सीधे उच्च दक्षता वाले फोटोवोल्टिक सेलों (जैसे GaAs) द्वारा विद्युत में बदल दिया जाता है।

06 प्रकार एवं वैज्ञानिक वर्गीकरण (Types and Classification)

सौर संग्राहकों का मानक वर्गीकरण (Classification of Solar Collectors):

  • 1. गैर-सांद्रण प्रकार (Non-Concentrating Type):
    • (i) समतल प्लेट संग्राहक (Flat Plate Collector – FPC) [द्रव एवं वायु तापन]
    • (ii) निर्वात ट्यूब संग्राहक (Evacuated Tube Collector – ETC) [100°C तक जल तापन]
  • 2. सांद्रण प्रकार (Concentrating Type – दर्पण या लेंस युक्त):
    • (i) रेखीय फोकस संग्राहक (Line Focusing Collector — Parabolic Trough)
    • (ii) बिंदु फोकस संग्राहक (Point Focusing Collector — Parabolic Dish)

07 महत्वपूर्ण सिद्धांत एवं समीकरण (Important Principles and Concepts)

  • ग्लेजिंग का हरितगृह प्रभाव (Greenhouse Effect in Glazed Collector): पारदर्शी काँच (Glazing) सूर्य से आने वाले लघु-तरंगदैर्ध्य विकिरण (0.2–4 µm) के लिए पारगम्य होता है, किंतु गर्म काली अवशोषक प्लेट द्वारा उत्सर्जित दीर्घ-तरंगदैर्ध्य अवरक्त (Long-wave thermal IR) विकिरण के लिए अपारगम्य होता है, जिससे ऊष्मा बॉक्स के अंदर फँस जाती है।
  • थर्मोसाइफन सिद्धांत (Thermosyphon Principle in Solar Water Heating): गर्म होने पर जल का घनत्व कम हो जाता है और वह प्राकृतिक संवहन द्वारा संग्राहक ट्यूबों से ऊपर उठकर इंसुलेटेड स्टोरेज टैंक के ऊपरी भाग में चला जाता है, जबकि टैंक की तली का ठंडा (अधिक घनत्व वाला) जल नीचे से संग्राहक में आ जाता है।

08 वैज्ञानिक एवं व्यावहारिक उदाहरण व गणनाएँ (Scientific & Practical Examples)

व्यावहारिक एवं वैज्ञानिक उदाहरण: सक्रिय व निष्क्रिय स्थान तापन (Passive & Active Space Heating)
  • निष्क्रिय भवन तापन (Passive Space Heating): ठंडे क्षेत्रों में ग्रीनहाउस या भवन की बड़ी काँच की खिड़कियाँ दक्षिण दिशा (उत्तरी गोलार्ध में) की ओर रखी जाती हैं और फर्श/दीवारें उच्च तापीय द्रव्यमान (Thermal mass) वाली बनाई जाती हैं जो दिन में सौर ऊष्मा सोखकर रात में प्राकृतिक रूप से कमरे को गर्म रखती हैं।
  • सक्रिय स्थान व जल तापन (Active Space & Water Heating): छत पर लगे फ्लैट प्लेट कलेक्टर (FPC) या इवैकुएटेड ट्यूब कलेक्टर (ETC) से गर्म पानी या हवा को पंप/ब्लोअर की सहायता से भवन के रेडिएटरों या कृषि ड्रायर में प्रवाहित किया जाता है।

09 तुलनात्मक सारणियाँ (Comparative Tables)

तुलनात्मक सारणी 7.1: विभिन्न प्रकार के सौर संग्राहकों (Solar Collectors) की तुलना
तुलना का बिंदु (Parameter) समतल प्लेट संग्राहक (Flat Plate – FPC) निर्वात ट्यूब संग्राहक (Evacuated Tube – ETC) रेखीय व बिंदु सांद्रण संग्राहक (Concentrating – Line/Point)
अवशोषक एवं संरचना पारदर्शी ग्लेजिंग + तांबे/एल्युमिनियम की काली समतल प्लेट + इंसुलेशन बॉक्स। निर्वातित काँच की ट्यूबों की श्रृंखला + आंतरिक धातु ट्यूब + हीट पाइप। परवलयिक दर्पण/लेंस (Parabolic trough या Parabolic dish) + फोकस रिसीवर।
सूर्य ट्रैकिंग (Sun Tracking) आवश्यक नहीं (स्थिर कोण पर स्थापित)। आवश्यक नहीं (ट्यूब गोल होने से कम आपतन कोण पर भी उच्च दक्षता)। अनिवार्य (Line focus में एकल-अक्ष तथा Point focus में द्वि-अक्ष ट्रैकिंग)।
प्राप्त तापमान परास निम्न से मध्यम (60°C – 80°C)। मध्यम से उच्च (100°C तक जल तापन)। अत्यधिक उच्च (300°C से >1000°C तक भाप व विद्युत उत्पादन)।
मुख्य अनुप्रयोग (Applications) घरेलू जल तापन, स्थान तापन, कृषि फसल शुष्कन (Solar dryers)। ठंडे क्षेत्रों व कम धूप में उच्च दक्षता जल तापन, औद्योगिक प्री-हीटिंग। सौर तापीय विद्युत संयंत्र (CSP), औद्योगिक भाप (CST) एवं CPV।

10 महत्वपूर्ण सूत्र एवं तकनीकी मानक (Formulas & Key Metrics)

सूर्य एवं सौर विकिरण के मानक वैज्ञानिक स्थिरांक (Solar Radiation Constants)
  • सूर्य का प्रभावी कृष्णिका तापमान (Effective Black Body Temp.): Tsun=5762 K
  • सौर विकिरण तरंगदैर्ध्य परास (99% विकिरण): λ=0.2 से 4.0 micron (μm)   जहाँ 1 micron=10−6 m
  • वायुमंडल के शीर्ष पर सौर स्पेक्ट्रम विभाजन:
    Ultraviolet (UV)=8%+Visible Light=46%+Infrared (IR)=46%=100%
  • निर्वात ट्यूब संग्राहक (ETC) अधिकतम जल तापमान: 100∘C तक

11 व्याख्यान-विशिष्ट माइंड मैप (Lecture-Specific Mind Map)

Lecture 07 Mind Map: सौर ऊर्जा के अभिलक्षण एवं सौर संग्राहकों का वर्गीकरण
  • सौर ऊर्जा एवं संग्राहक (Sun Black Body: 5762 K | 99% तरंगदैर्ध्य: 0.2–4 µm | UV 8%, Visible 46%, IR 46%)
    • सौर प्रौद्योगिकी के प्रकार (Solar Technologies)
      • सक्रिय (Active – Supply Side): PV, CSP, सोलर थर्मल कलेक्टर, पंप व पंखे
      • निष्क्रिय (Passive – Demand Side): तापीय गुणों वाली भवन सामग्री, प्राकृतिक वायु संचरण, सूर्य सापेक्ष भवन अभिविन्यास
    • गैर-सांद्रण संग्राहक (Non-Concentrating Collectors – जल व स्थान तापन)
      • समतल प्लेट (Flat Plate Collector – FPC): पारदर्शी ग्लेजिंग + तांबा/एल्युमिनियम काली अवशोषक प्लेट + इंसुलेटेड बॉक्स
      • निर्वात ट्यूब (Evacuated Tube Collector – ETC): काँच ट्यूबों के बीच निर्वात + हीट पाइप (गर्म सिरा उबलता द्रव, ठंडा सिरा संघनित वाष्प) ➔ 100°C तक ताप
    • सांद्रण संग्राहक (Concentrating Collectors – दर्पण/लेंस द्वारा उच्च ताप)
      • रेखीय फोकस (Line Focusing / Parabolic Trough): परवलयिक परावर्तक नाली + केंद्रीय पाइप + ट्रैकिंग ➔ पावर प्लांट भाप निर्माण
      • बिंदु फोकस (Point Focusing / Parabolic Dish): बड़ी परवलयिक डिश + एकल बिंदु फोकस + सक्रिय ट्रैकिंग ➔ उच्च ताप व CPV विद्युत

12 प्रक्रिया प्रवाह चित्र एवं आरेख (Flowcharts & Visual Diagrams)

प्रक्रिया प्रवाह चित्र (Process Flowchart): फ्लैट प्लेट और इवैकुएटेड ट्यूब (हीट पाइप) संग्राहक में ऊष्मा अंतरण
सौर विकिरण आपतन
(0.2–4 µm: UV 8%, Vis 46%, IR 46%) ➔ पारदर्शी ग्लेजिंग / निर्वात ट्यूब
(विकिरण प्रवेश व ऊष्मा हानि रोधन) ➔ काली अवशोषक प्लेट (Cu/Al)
(चयनात्मक कोटिंग द्वारा ऊष्मा अवशोषण) ➔ द्रव नलिका / हीट पाइप
(उबलना ➔ संघनन तापीय अंतरण) ➔ उपयोगी गर्म जल / वायु
(जल तापन, स्पेस हीटिंग, फसल सुखाना)

13 महत्वपूर्ण तथ्य एवं परीक्षा टिप्स (Important Facts & Exam Tips)

  • सूर्य के तीन संख्यात्मक तथ्य हर प्रतियोगी परीक्षा में पूछे जाते हैं: (1) सूर्य का प्रभावी कृष्णिका तापमान = 5762 K, (2) 99% सौर विकिरण की तरंगदैर्ध्य = 0.2 से 4 माइक्रोन (1 माइक्रोन = 10⁻⁶ m), और (3) सौर स्पेक्ट्रम में 8% पराबैंगनी (UV), 46% दृश्य प्रकाश (Visible) और 46% अवरक्त (Infrared) विकिरण होता है।
  • सक्रिय सौर तकनीकें (Active solar) ऊर्जा की आपूर्ति बढ़ाती हैं इसलिए इन्हें ‘Supply-side technology’ कहते हैं, जबकि निष्क्रिय सौर तकनीकें (Passive solar) ऊर्जा की मांग घटाती हैं इसलिए इन्हें ‘Demand-side technology’ कहते हैं।
  • फ्लैट प्लेट कलेक्टर (FPC) की अवशोषक प्लेट (Absorber plate) उच्च चालकता वाली धातु जैसे ‘ताँबा (Copper) या एल्युमिनियम (Aluminum)’ की बनी होती है।
  • निर्वात ट्यूब संग्राहक (Evacuated Tube Collector – ETC) से पानी को 100°C तक गर्म किया जा सकता है और कम आपतन कोण (Low incidence angle) पर इसकी दक्षता FPC से अधिक होती है।
  • परवलयिक ट्रफ (Parabolic trough) एक ‘Line focusing collector’ है, जबकि परवलयिक डिश (Parabolic dish) एक ‘Point focusing collector’ है।

14 त्वरित पुनरावृत्ति सारांश (Quick Revision Panel)

  • सूर्य (Black Body): तापमान = 5762 K | तरंगदैर्ध्य = 0.2–4 μm | स्पेक्ट्रम = 8% UV+46% Visible+46% IR।
  • Non-Concentrating Collectors: Flat Plate Collector (FPC) एवं Evacuated Tube Collector (ETC – Heat pipe, 100∘C)।
  • Concentrating Collectors: Line Focusing (Parabolic Trough) एवं Point Focusing (Parabolic Dish / CPV)।

15 बहुविकल्पीय प्रश्न — उत्तर एवं व्याख्या सहित (10 MCQs with Answers)

1. सूर्य को एक कृष्णिका (Black body) मानते हुए उसका प्रभावी सतही तापमान (Effective temperature) कितना माना जाता है?
(A) 1360 K
(B) 3000 K
(C) 5762 K
(D) 10,000 K
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (C) 5762 K
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): सूर्य को 5762 K के सतही तापमान वाली एक कृष्णिका माना जाता है, जिसे सूर्य का प्रभावी तापमान कहते हैं।
2. पृथ्वी के वायुमंडल के शीर्ष पर पहुँचने वाली सौर ऊर्जा में पराबैंगनी (UV), दृश्य प्रकाश (Visible) और अवरक्त (Infrared) विकिरणों का प्रतिशत क्रमशः कितना होता है?
(A) 46% UV, 46% दृश्य, 8% IR
(B) 8% UV, 46% दृश्य प्रकाश, 46% अवरक्त (IR)
(C) 20% UV, 40% दृश्य, 40% IR
(D) 50% UV, 25% दृश्य, 25% IR
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) 8% UV, 46% दृश्य प्रकाश, 46% अवरक्त (IR)
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): सौर विकिरण में लगभग 8% पराबैंगनी (UV), 46% दृश्य प्रकाश और 46% अवरक्त (Infrared) विकिरण होता है।
3. सूर्य द्वारा विकिरित विद्युत-चुंबकीय तरंगों के 99% भाग की तरंगदैर्ध्य (Wavelength) किस परास में होती है?
(A) 0.2 से 4 माइक्रोन (µm)
(B) 10 से 100 माइक्रोन
(C) 1 से 10 मिलीमीटर
(D) 0.001 से 0.01 माइक्रोन
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (A) 0.2 से 4 माइक्रोन (µm)
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): सूर्य से निकलने वाली 99% विद्युत-चुंबकीय तरंगों की तरंगदैर्ध्य 0.2 से 4 माइक्रोन (1 माइक्रोन = 10⁻⁶ m) के बीच होती है।
4. समतल प्लेट संग्राहक (Flat Plate Collector) में काली अवशोषक प्लेट सामान्यतः किस सुचालक धातु से बनाई जाती है?
(A) सीसा या टिन
(B) तांबा या एल्युमिनियम (Copper or Aluminum)
(C) कच्चा लोहा
(D) नाइक्रोम
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) तांबा या एल्युमिनियम (Copper or Aluminum)
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): अवशोषक प्लेट ऊष्मा के अच्छे सुचालक जैसे तांबा (Copper) या एल्युमिनियम (Aluminum) से बनाई जाती है।
5. निर्वात ट्यूब संग्राहक (Evacuated Tube Collector – ETC) में हीट पाइप की सहायता से जल का तापमान कहाँ तक प्राप्त किया जा सकता है?
(A) केवल 40°C तक
(B) 60°C तक
(C) 100°C तक
(D) 500°C तक
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (C) 100°C तक
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): इवैकुएटेड ट्यूब कलेक्टर (ETC) में निर्वात और हीट पाइप के कारण जल का तापमान 100°C तक प्राप्त किया जा सकता है।
6. ‘परवलयिक ट्रफ’ (Parabolic Trough) किस प्रकार के सौर संग्राहक का उदाहरण है?
(A) गैर-सांद्रण समतल प्लेट संग्राहक
(B) रेखीय फोकस सांद्रण संग्राहक (Line focusing concentrating collector)
(C) बिंदु फोकस संग्राहक (Point focusing collector)
(D) निष्क्रिय सौर संग्राहक
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) रेखीय फोकस सांद्रण संग्राहक (Line focusing concentrating collector)
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): रेखीय फोकस संग्राहकों को परवलयिक ट्रफ (Parabolic troughs) कहा जाता है जो ट्रफ के केंद्र में रखे पाइप पर धूप फोकस करते हैं।
7. निम्नलिखित में से कौन-सी तकनीक ‘डिमांड-साइड तकनीक’ (Demand-side technology) मानी जाती है?
(A) सक्रिय सौर तकनीक (Active solar technology)
(B) निष्क्रिय सौर तकनीक (Passive solar technology)
(C) सांद्रित सौर ऊर्जा (CSP)
(D) फोटोवोल्टिक पंपिंग
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) निष्क्रिय सौर तकनीक (Passive solar technology)
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): सक्रिय सौर तकनीकें ऊर्जा आपूर्ति बढ़ाती हैं (Supply-side), जबकि निष्क्रिय सौर तकनीकें वैकल्पिक संसाधनों की मांग घटाती हैं (Demand-side)।
8. कम आपतन कोण (Low incidence angle) पर फ्लैट प्लेट कलेक्टर की तुलना में किस संग्राहक की दक्षता अधिक होती है?
(A) निर्वात ट्यूब संग्राहक (Evacuated tube collector)
(B) साधारण काले ड्रम
(C) खुले तालाब
(D) इनमें से कोई नहीं
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (A) निर्वात ट्यूब संग्राहक (Evacuated tube collector)
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): बेलनाकार ट्यूब आकृति और निर्वात इंसुलेशन के कारण कम आपतन कोण पर ETC की दक्षता FPC से अधिक होती है।
9. सांद्रित फोटोवोल्टिक्स (Concentrated Photovoltaics – CPV) में उच्च दक्षता वाले पीवी सेलों पर धूप केंद्रित करने के लिए किसका उपयोग किया जा सकता है?
(A) फ्लैट प्लेट कलेक्टर
(B) बिंदु फोकस संग्राहक (Point focus collector)
(C) निर्वात ट्यूब
(D) बायोगैस गुंबद
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) बिंदु फोकस संग्राहक (Point focus collector)
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): बिंदु फोकस संग्राहकों (Parabolic dishes/lenses) का उपयोग सांद्रित फोटोवोल्टिक्स (CPV) में सीधे बिजली बनाने हेतु भी किया जाता है।
10. 1 माइक्रोन (Micron / Micrometre) कितने मीटर के बराबर होता है?
(A) 10⁻³ m
(B) 10⁻⁶ m
(C) 10⁻⁹ m
(D) 10⁻¹² m
उत्तर एवं व्याख्या देखें (Show Answer & Explanation)
सही उत्तर (Answer): (B) 10⁻⁶ m
वैज्ञानिक व्याख्या (Explanation): 1 माइक्रोन (माइक्रोमीटर) = 10⁻⁶ मीटर।

16 अति-लघु, लघु एवं दीर्घ उत्तरीय प्रश्न व वन-लाइनर्स (Exam Question Bank)

(A) 5 महत्वपूर्ण वन-लाइनर्स (5 Important Exam One-Liners)

  1. सूर्य का प्रभावी कृष्णिका तापमान 5762 K होता है और इसके 99% विकिरण की तरंगदैर्ध्य 0.2 से 4 माइक्रोन होती है।
  2. वायुमंडल के शीर्ष पर सौर ऊर्जा में 8% पराबैंगनी (UV), 46% दृश्य प्रकाश और 46% अवरक्त (IR) विकिरण होता है।
  3. सक्रिय सौर तकनीकें ‘सप्लाई-साइड’ तथा निष्क्रिय सौर तकनीकें ‘डिमांड-साइड’ तकनीकें मानी जाती हैं।
  4. निर्वात ट्यूब संग्राहक (ETC) में हीट पाइप तंत्र द्वारा पानी को 100°C तक गर्म किया जा सकता है।
  5. परवलयिक ट्रफ (Parabolic trough) रेखीय फोकस संग्राहक है जबकि परवलयिक डिश (Parabolic dish) बिंदु फोकस संग्राहक है।

(B) 5 अति-लघु उत्तरीय प्रश्न (5 Very Short Answer Questions)

1. सक्रिय (Active) और निष्क्रिय (Passive) सौर तकनीकों का एक-एक उदाहरण दीजिए।
उत्तर: सक्रिय: सोलर पीवी पैनल या पंप युक्त सोलर वाटर हीटर; निष्क्रिय: सूर्य की दिशा में उन्मुख व प्राकृतिक वायु संचरण वाला भवन (Greenhouse)।
2. सौर संग्राहक (Solar collector) किसे कहते हैं?
उत्तर: वह उपकरण जो सूर्य से आने वाले सौर विकिरण को एकत्रित (Collect) और/या सांद्रित (Concentrate) करता है, सौर संग्राहक कहलाता है।
3. गैर-सांद्रण प्रकार के दो मुख्य सौर संग्राहकों के नाम लिखिए।
उत्तर: (1) समतल प्लेट संग्राहक (Flat Plate Collector) और (2) निर्वात ट्यूब संग्राहक (Evacuated Tube Collector)।
4. फ्लैट प्लेट कलेक्टर के किनारों और तली को इंसुलेट क्यों किया जाता है?
उत्तर: आसपास के वातावरण में होने वाली चालन व संवहन ऊष्मा हानि (Heat losses to the surroundings) को न्यूनतम करने के लिए।
5. बिंदु फोकस संग्राहक (Point focusing collector) की आकृति कैसी होती है?
उत्तर: बड़ी परवलयिक डिश (Large parabolic dish) जैसी, जो सूर्य की ऊर्जा को एक एकल बिंदु पर केंद्रित करती है।

(C) 5 लघु उत्तरीय प्रश्न (5 Short Answer Questions)

1. सक्रिय (Active) और निष्क्रिय (Passive) सौर प्रौद्योगिकियों में अंतर स्पष्ट कीजिए।
उत्तर: सक्रिय सौर तकनीकें सूर्य के प्रकाश को उपयोगी आउटपुट में बदलने के लिए फोटोवोल्टिक्स, सांद्रित सौर ऊर्जा, सौर तापीय संग्राहकों, पंपों और पंखों का उपयोग करती हैं; ये ऊर्जा की आपूर्ति बढ़ाती हैं इसलिए ‘Supply-side technologies’ कहलाती हैं। इसके विपरीत, निष्क्रिय सौर तकनीकों में अनुकूल तापीय गुणों वाली भवन सामग्री, प्राकृतिक वायु संचरण और सूर्य के सापेक्ष भवन की स्थिति का उपयोग होता है; ये ऊर्जा मांग घटाती हैं इसलिए ‘Demand-side technologies’ कहलाती हैं।
2. समतल प्लेट संग्राहक (Flat Plate Collector – FPC) की संरचना और कार्यप्रणाली समझाइए।
उत्तर: FPC धातु का एक बॉक्स होता है जिसके ऊपर पारदर्शी ग्लेजिंग कवर और नीचे तांबे या एल्युमिनियम से बनी काले रंग की अवशोषक प्लेट (Absorber plate) होती है। बॉक्स के किनारे और तली इंसुलेटेड होते हैं। सौर विकिरण ग्लेजिंग से गुजरकर काली अवशोषक प्लेट को गर्म करता है, और यह प्लेट अपनी ऊष्मा ग्लेजिंग व प्लेट के बीच स्थित नलिकाओं के जल या वायु को स्थानांतरित कर देती है।
3. निर्वात ट्यूब संग्राहक (Evacuated Tube Collector – ETC) में निर्वात और हीट पाइप किस प्रकार कार्य करते हैं?
उत्तर: ETC में काँच की ट्यूबों के बीच निर्वात (Vacuum) होता है जो सूर्य की ऊर्जा को अंदर आने देता है पर वातावरण में ऊष्मा हानि को रोकता है। प्रत्येक ट्यूब के अंदर अवशोषक धातु ट्यूब से एक विशेष दाब वाला ‘हीट पाइप’ जुड़ा होता है, जिसके गर्म सिरे में उबलता द्रव और ठंडे सिरे में संघनित वाष्प होती है। यह अवस्था परिवर्तन ऊष्मा को अत्यंत दक्षता से जल तक पहुँचाता है और 100°C तक तापमान देता है।
4. रेखीय फोकस संग्राहक (Line focusing collector / Parabolic trough) की संरचना और उपयोग लिखिए।
उत्तर: ये उच्च परावर्तक सामग्री से बने परवलयिक खंडों को जोड़कर बनाई गई लंबी नाली (Trough) होते हैं। ट्रफ के केंद्र में पानी का एक पाइप रखा जाता है जिस पर परावर्तित धूप केंद्रित होकर पानी को गर्म करती है। ये सूर्य को ट्रैक कर सकते हैं और इनका उपयोग आवासीय कार्यों के बजाय सौर तापीय विद्युत संयंत्रों में भाप (Steam) बनाने में होता है।
5. सूर्य के भौतिक अभिलक्षणों एवं सौर स्पेक्ट्रम संघटन का संक्षिप्त विवरण दीजिए।
उत्तर: सूर्य को 5762 K प्रभावी सतही तापमान वाली कृष्णिका (Black body) माना जाता है। इससे निकलने वाली 99% विद्युत-चुंबकीय तरंगों की तरंगदैर्ध्य 0.2 से 4 माइक्रोन (10⁻⁶ m) के बीच होती है। वायुमंडल के शीर्ष पर सौर ऊर्जा में 8% पराबैंगनी (UV), 46% दृश्य प्रकाश और 46% अवरक्त (IR) विकिरण होता है।

(D) 3 दीर्घ उत्तरीय प्रश्न (3 Long Answer Questions)

1. सौर संग्राहकों (Solar Collectors) का विस्तृत वर्गीकरण प्रस्तुत करते हुए गैर-सांद्रण संग्राहकों (Flat Plate एवं Evacuated Tube Collectors) की संरचना, कार्यप्रणाली और दक्षता की तुलना कीजिए।
उत्तर रूपरेखा एवं मुख्य बिंदु: सौर संग्राहकों का वर्गीकरण वृक्ष (Non-concentrating: FPC, ETC; Concentrating: Line focusing, Point focusing) बनाएँ। FPC के सभी भागों (ग्लेजिंग, Cu/Al काली अवशोषक प्लेट, ट्यूब, इंसुलेशन) और ETC के निर्वात व हीट पाइप तंत्र (100°C जल तापन, कम आपतन कोण पर उच्च दक्षता) का विस्तार से वर्णन करें।
2. सांद्रण प्रकार के सौर संग्राहक (Concentrating Solar Collectors) क्या हैं? रेखीय फोकस (Parabolic Trough) और बिंदु फोकस (Parabolic Dish) संग्राहकों की कार्यप्रणाली, सन ट्रैकिंग आवश्यकता और अनुप्रयोगों का सविस्तार वर्णन कीजिए।
उत्तर रूपरेखा एवं मुख्य बिंदु: दर्पण/लेंस द्वारा छोटे क्षेत्र पर सौर ऊर्जा केंद्रित कर उच्च तापमान प्राप्त करने का सिद्धांत समझाएँ। Parabolic trough द्वारा पावर प्लांट हेतु भाप निर्माण और Parabolic dish द्वारा एकल बिंदु फोकस व सांद्रित फोटोवोल्टिक्स (CPV) के अनुप्रयोगों की व्याख्या करें।
3. सौर ऊर्जा के स्वरूप, सूर्य के विकिरण अभिलक्षणों तथा सक्रिय एवं निष्क्रिय (Active and Passive) सौर तापन प्रणालियों पर विस्तृत निबंध लिखिए।
उत्तर रूपरेखा एवं मुख्य बिंदु: प्रकाश-संश्लेषण, सूर्य के 5762 K तापमान, 0.2-4 µm तरंगदैर्ध्य, स्पेक्ट्रम (8% UV, 46% Visible, 46% IR) तथा Active (Supply-side) और Passive (Demand-side) जल व स्थान तापन प्रणालियों की सचित्र व्याख्या करें।

आधार: उपयोगकर्ता द्वारा उपलब्ध AGENGG 311 notes। पुराने उपकरणों के model-specific data को वर्तमान सार्वभौमिक specification न मानें।

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