وبلاگ

:
طبق آمار استخراج شده در سال 2006، %81 انرژی مصرفی در جهان توسط منابع فسیلی تامین می‌گردد [1]. با ادامه‌ی این روند علاوه بر مشکلات حاصل از محدودیت این منابع، شاهد مشکلات زیست محیطی بسیاری نیز خواهیم بود. گرم شدن زمین در اثر افزایش گازهای گلخانه‌ای یکی از مهمترین اثرات استفاده‌ی روز‍ افزون از انرژیهای فسیلی است. افزایش پنج درصدی غلظت دی اکسید کربن که مهمترین گاز گلخانه‌ای محسوب می‌شود، در جو زمین در فاصله‌ی سالهای 1995 تا 2005 [1] نمونه‌ای از خطرات زیست محیطی ناشی از ادامه‌ی روند کنونی مصرف سوختهای فسیلی است که موجب روی آوردن بیشتر بشر به استفاده از انرژیهای پاک و تجدیدپذیر شده است. بطوریکه طبق سیاستهای منتشر شده استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر در فاصله‌ی سالهای 2008 و 2035 سه برابر می‌شود [2]. در میان انواع مختلف انرژیهای تجدیدپذیر انرژی خورشیدی به دلیل دسترسی آسان و هزینه کارکرد پایین همواره مورد توجه خاصی بوده است. استفاده از این انرژی در دو مقیاس صنعتی (عمدتاً با هدف تولید برق ) و خانگی ( عمدتاً به منظور تولید حرارت ) در چند دهه اخیر رشد چشمگیری داشته است. در مناطق با آب و هوای گرم می‎توان تا %75 نیاز گرمایش آب را با بهره گرفتن از سیستمهای حرارتی خورشیدی تامین کرد. این درصد در مناطق با آب و هوای سرد اروپا تا %20 کاهش می‌یابد [1]. آبگرمکنهای خورشیدی به دلیل قیمت پایین و تکنولوژی ساده‌ترش پرکاربردترین سیستم حرارتی خورشیدی در جهان محسوب می‌شوند. اصلی‌ترین بخش این سیستمها، کلکتور خورشیدی است که انرژی تابشی خورشید توسط آن جذب می‌گردد. کلکتور خورشیدی نوع خاصی از مبدل است که انرژی تشعشع خورشید را به حرارت تبدیل می کند اما از جهات مختلف با مبدلهای حرارتی تفاوت دارد. در مبدلهای گرمایی، گرما معمولا از طریق جابجایی یا هدایت به سیال دیگر منتقل می شود و انتقال گرما از طریق تابش در آنها بسیار ناچیز است درحالیکه در یک کلکتور خورشیدی، انتقال حرارت از طریق تابش دارای نقشی اساسی است. در سیستمهای خانگی عموماً از کلکتورهای صفحه تخت و لوله‌ای خلاء استفاده می‌شود. شناخت و ارزیابی دقیق این کلکتورها می‌تواند تاثیر زیادی در طراحی بهینه‌ی آنها داشته باشد. عمده‌ی تحقیقاتی که در سالهای گذشته روی این کلکتورها صورت گرفته بر پایه‌ی قانون اول ترمودینامیک بوده است. اما این تحلیل هیچگونه اطلاعاتی در مورد افت‌ها و بازگشتناپذیریهای داخلی نمی‌دهد و به تنهایی نمی‌تواند معیار مناسبی جهت ارزیابی کارایی کلکتورهای خورشیدی باشد. این امر لزوم استفاده از تحلیلهای بر پایه‌ی قانون دوم ترمودینامیک را نشان می‌دهد. آنالیز اگزرژی واضح ترین تحلیل بر پایه‌ی قانون دوم ترمودینامیک است. که یکی از مهمترین مزایای آن نسبت به قانون اول در نظر گرفتن شرایط محیط است که تاثیر بسیاری بر عملکرد سیستم و افزایش یا کاهش مصرف انرژی دارد. به همین دلیل در این پایان نامه به صورت تئوری و تجربی به بررسی راندمان انرژی و اگزرژی دو نمونه کلکتور صفحه تخت و لوله‌ای خلاء موجود در سایت انرژی خورشیدی دانشگاه آزاد واحد تهران جنوب خواهیم پرداخت.
فصل اول: کلیات
1-1) هدف
انرژی خورشیدی یکی از مهمترین منابع انرژیهای تجدید پذیر و پاک به جهت جایگزینی سوختهای فسیلی است که استفاده از آن در سراسر جهان رو به گسترش است. این انرژی به صورت عمده به دو مصرف تولید برق و تولید حرارت می رسد. عمومی ترین مصرف این انرژی در آبگرمکن های خورشیدی است. در ارزیابی کارایی آبگرمکنهای خورشیدی از آنالیز انرژی ( قانون اول ) به طور گسترده ای استفاده شده، اما آنالیز قانون اول به تنهایی معیار مناسبی برای ارزیابی کارایی این سیستمها نیست، یکی از مهمترین مزایای آنالیز قانون دوم نسبت به قانون اول در نظر گرفتن شرایط محیط است که تاثیر بسیاری بر عملکرد سیستم و افزایش یا کاهش مصرف انرژی دارد، به همین دلیل لازم است سیستم بر مبنای قانون دوم ( آنالیز اگزرژی ) نیز بررسی شود تا بتوان تحلیل بهتری برای بازدهی سیستم و همچنین یافتن نقایص ترمودینامیکی و فرایندهایی از سیستم که امکان رشد و پیشرفتشان از لحاظ ترمودینامیکی وجود دارد ارائه داد.
در این پایان نامه روابط ترمودینامیکی و انتقال حرارت در کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت و لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی برای تحلیل آنها بر پایه‌ی قوانین اول و دوم ترمودینامیک با بهره گرفتن از کمترین فرضیات به منظور بدست آوردن راندمانهای انرژی و اگزرژی آنها و همچنین بررسی تاثیر تغییر پارامترهای طراحی بر عملکرد کلکتورها مورد بررسی قرار می‌گیرند. مطمئناً نتایج حاصله در کلیه سیستمهای حرارتی خورشیدی از قبیل گرمایشی و سرمایشی که از این کلکتورها استفاده می‌کنند قابل استفاده می‌باشند.
1-2) پیشینه‌تحقیق
در سیستمهای خورشیدی به دلیل هزینه اولیه نسبتاً زیاد، نیاز به ارزیابی دقیق و ارائه راهکارهایی جهت بهبود عملکرد و کارایی ضروری به نظر می رسد. در سالهای اخیر مطالعاتی در زمینه آنالیز اگزرژی انواع مختلف سیستمهای خورشیدی صورت گرفته که عمده‌ی آنها روی کلکتورهای صفحه تخت می‌باشد. در این بخش به بررسی و چند نمونه از تحقیقاتی که روی آبگرمکنهای خورشیدی و کلکتورهای خورشیدی که در واقع مهمترین بخش آبگرمکن است انجام شده‌اند خواهیم پرداخت.

در سال 1986 جی. آر. هال [3] به وسیله‌ی مدلسازی یک کلکتور خورشیدی لوله‌ای خلاء با لوله‌ی حرارتی به بررسی مراحل انتقال حرارت از سطح جاذب کلکتور به آب پرداخته و با بهره گرفتن از پارامترهای بدست آمده، راندمان حرارتی کلکتور را مورد بررسی قرار داده است. نویسنده در این تحقیق به بررسی فرایندهای انتقال حرارت در کلکتور نپرداخته اما مدل کارامدی برای استفاده از روابط کلی انتقال حرارت 

مفید در کلکتورهای با تعداد مختلف لوله‌های خلاء ارائه کرده است.

در سال 1988 آکیو سوزوکی [4] در مقاله‌ای به بررسی روابط اساسی در تحلیل اگزرژی کلکتورهای خورشیدی پرداخته و پس از آن دو مدل کلکتور صفحه تخت و لوله‌ای خلاء را با فرض ثابت بودن ضریب افت حرارت کلی از دیدگاه اگزرژی مقایسه کرده است. که به دلیل افت راندمان اپتیکی در نتیجه‌ی وجود فاصله بین لوله‌های شیشه‌ای در کلکتور لوله‌ای خلاء، نتایج مقایسه‌ی صورت گرفته بسیار به هم نزدیک بوده‌اند.
در سال 1989 سی. آی. ازکوی [5] در یک سیستم حرارتی خورشیدی از لوله‌های حرارتی برای جذب و انتقال انرژی تابشی خورشید به آب استفاده کرده است. البته این سیستم با کلکتورهای لوله‌ای خلاء تفاوت دارد. و بیشتر شبیه کلکتور صفحه تختی است که از لوله حرارتی به جای صفحه جاذب و لوله‌های داخل آن استفاده شده باشد. نتایج حاصل از بررسی مدل طراحی شده نشان‌دهنده‌ی پایینتر بودن ضریب دفع حرارت[2] در این کلکتور به نسبت کلکتورهای صفحه تخت معمولی است.
در سال 2000 سی. یاپ و همکارانش [6] به بررسی روابط انتقال حرارت در کلکتور لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی پرداختند. نویسندگان در این مقاله با بررسی مقاومتهای حرارتی در مسیر انتقال حرارت از سطح جاذب به آب، روابطی برای محاسبه‌ی ضریب اتلاف حرارت و حرارت مفید منتقل شده به آب ارائه کردند. هرچند که در این تحقیق از مدل مقاومت الکتریکی مناسبی جهت تحلیل رفتار کلکتور ارائه شده، اما برخی از روابط انتقال حرارتی استفاده شده مختص جریانهای داخلی مغشوش[3] هستند و استفاده‌ی آنها برای جریانهای آرام مناسب نیست.
در سال 2003 لاندانو و ریورا [7] مدلی برای مطالعه رفتار کلکتورهای حجمی خورشیدی[4] تهیه کرده اند که تاثیر پارامترهای طراحی را روی عملکرد کلکتور بررسی می‌کند. این مدل بر پایه استفاده از اعداد بی بعد است که مفهوم فیزیکی مشخصی در سیستم دارند و از این مدل جهت تحلیل ترمودینامیکی کلکتورهای حجمی برای افزایش اگزرژی خروجی در آنها استفاده شده است. کلکتور حجمی کلکتوری است که از رابط نیمه شفاف برای جمع کردن تشعشع خورشید روی ماده جامد یا نیمه شفاف ناقل حرارت استفاده می کند. نمونه‌ی این نوع کلکتورها حوضچه های خورشیدی[5] می باشند. در این مقاله ابتدا با بهره گرفتن از معادلات بی بعد شدهی انتقال حرارت توزیع دما در کلکتور مورد بررسی قرار گرفته و در مرحله بعد اگزرژی خروجی از کلکتور به عنوان نشانه‌ای از ارتباط بین راندمان و دمای پایین کلکتور، که می تواند معیار مناسبی جهت سنجش راندمان و دمای بهینه‌ای که اگزرژی خروجی را حداکثر می کند باشد، به صورت رابطه‌ای بی بعد بدست آورد شده است. در حقیقت این رابطه نشان دهنده‌ی درصدی از انرژی خورشید می باشد که توسط کلکتور جذب شده و می تواند به کار تبدیل شود. در مرحله بعد تغییرات اگزرژی خروجی با راندمان انرژی بر حسب مقادیر مختلف پارامتر بی بعد عرض کلکتور بررسی شده که نتایج آن نشان می دهد برای یک راندمان مشخص عمق بهینه ای وجود دارد که اگزرژی خروجی را بیشینه می کند و با رعایت این نکته می توان به راندمان بالاتر، عمق کمتر و اگزرژی خروجی بیشتر دست یافت. عدد بی بعد دیگری نیز برای خواص مواد بکار رفته در کلکتور تعریف شده که نتایج نشان می دهد بالاتر بودن این عدد موجب افزایش اگزرژی خروجی می گردد. در ادامه نویسندگان به بهینه سازی عملکرد کلکتور بر حسب پارامترهای بی بعد و همچنین متغیر عمق کلکتور پرداخته اند که حاصل آن بدست آمدن رابطه ای برای تغییرات راندمان بهینه کلکتور با عمق آن است. در صورتی که عمق کلکتور صفر فرض شود ، کلکتور حجمی تبدیل به کلکتور صفحه تخت می گردد ، اما گرافهای بدست آمده نشان می دهند که اگزرژی خروجی از کلکتور حجمی بسیار بیشتر از کلکتور صفحه تخت در شرایط مشابه می باشد.
در سال 2005 لومینوسا و فارا [8] تحقیقی با هدف نشان دادن وابستگی اگزرژی به نرخ جریان سیال و سطح کلکتور صفحه تخت و تاثیر این دو پارامتر در عملکرد کلکتور انجام دادند. روش بکار رفته شده در این تحقیق دامنه وسیعی از مقادیر ممکن برای دبی سیال ورودی ارائه می‌دهد اما در مورد اینکه مدل انتخاب شده بهترین حالت باشد با اطمینان اظهار نظر نمی کند. مدلهای تحلیلی برای راندمان انرژی و اگزرژی با در نظر گرفتن فرضیات مسئله مورد بررسی قرار گرفته وسپس این مدلها به یک برنامه محاسباتی به نام رِکس که در محیط نرم افزار توربو پاسکال نوشته شده منتقل شده‌اند. در این برنامه راندمان اگزرژی، راندمان انرژی، دمای خروجی سیال از کلکتور، شدت جریان سیال و سطح کلکتور به عنوان پارامترهای قابل تغییر در نظر گرفته شده اند. راندمان اگزرژی به صورت تابعی از دبی و سطح مورد بررسی قرار گرفته و توسط برنامه کامپیوتری یک نقطه ماکزیمم کلی بدست آمده است. آنالیز اگزرژی ارائه شده در این مقاله بر پایه فرض برابری دمای ورودی سیال به کلکتور با دمای محیط و ثابت بودن ضریب افت حرارت کلی می باشد.
در سال 2005 هاوُ بن و وانگ ژیائو [9] با هدف دستیابی به روش های جدید صرفه جویی در هزینه ها و حفظ و بالا بردن راندمان آبگرمکنهای خورشیدی در مقیاس خانگی و همچنین سنجش میزان اتلاف اگزرژی به تحلیل اگزرژتیک آبگرمکنهای خورشیدی پرداختند. آنالیز صورت گرفته بر مبنای تئوری است که تحلیل فرایندها را به سه مرحله تقسیم می کند. بر اساس این تئوری که توسط پرفسور هاوُ بن ارائه شده است [10] می‌توان فرایندهای تکنولوژیک را به سه زیر مجموعه‌ی نزدیک به هم تقسیم کرد. فرایند تبدل، پروسه ی بهره برداری و پروسه ی بازگشت به حالت ابتدایی. در مقایسه با سایر تئوریهای آنالیز انرژی، تئوری فرایند سه مرحله ای مزایای قابل توجهی نشان داده است. در حقیقت این تئوری سیستم را در یک ساختار مناسبتری جهت آنالیز انرژی در اختیار ما قرار می دهد. روابط تئوری اگزرژی برای آبگرمکنهای ترموسیفون و با فرض توزیع خطی دما در مخزن ذخیره آب ساده شده اند. داده های مورد استفاده در روابط تئوری به صورت تجربی و توسط مرکز تست آبگرمکنهای خانگی خورشیدی چین بدست آمده است. راندمان انرژی و اگزرژی سیستم تست شده به ترتیب در حدود 15 و 77/0 درصد می‌باشند. پایین بودن راندمان اگزرژی می تواند نشان دهنده ی کیفیت خیلی پایین انرژی خروجی از آبگرمکن باشد. در ادامه با بهره گرفتن از داده های تجربی تغییرات رندمان اگزرژتیک کلکتور صفحه تخت بر حسب عرض آن و با در نظر گرفتن مقادیر مختلف ضریب اتلاف حرارتی کلکتور که نشان دهنده ی سه نوع کلکتور با پوشش تک لایه ، دو لایه و سه لایه می باشد بررسی شده است. و طی آن مشاهده می شود که راندمان اگزرژی کلکتور با افزایش عرض و ضریب اتلاف حرارتی کاهش می یابد. در نتیجه برای دستیابی به راندمان بالاتر می بایست کلکتور کوچکتر و با اتلاف حرارتی کمتر طراحی طراحی شود. با توجه به نتایج بدست آمده کلکتور با پوشش دو لایه و عرض صفحه بین 5 تا 10 سانتی متر برای آبگرمکنهای خنگی خورشیدی پیشنهاد شده است.