تحقیق مقاله آبگرمکن خورشیدی

مقدمه:

سیستم های حرارتی خورشیدی نقش مهمی در انرژی خورشیدی دارد، استفاده از دستگاه های خورشیدی سابقه طولانی دارد، گفته شده است ارشمیدس تقریباً در سال 214 قبل از میلاد از آینه مقعر برای داغ کردن آب استفاده کرده است. سیستم های حرارتی امروزی نیز کم هزینه ترین کاربرد انرژی خورشیدی را دارد.

حرارت خورشید استفاده از حرارت انرژی خورشید را توجیح می کند. بنابراین تعداد متفاوتی از دستگاه های فنی وجود دارد که اضافه بر گرم کردن فضا، داغ کردن آب یا فرآیندهای صنعتی سیستم های انرژی خورشیدی را می توان برای سرمایش یا تولید برق با کارخانه های تولید برق خورشیدی مورد استفاده قرار داد. قسمت های عملیاتی اصلی عبارتند از:

گرم کردن استخر شنای خورشیدی

آبگرمکن های خانگی خورشیدی

حرارت کم خورشید برای گرم کردن فضای داخل ساختمان ها

پردازش حرارتی خورشیدی

تولید برق خورشیدی

چون این حیطه های عملیاتی خیلی دور از دسترس هستند، این بخش فقط جنبه های مهم آبگرمکن های خانگی خورشیدی و استخرهای خورشیدی را با سیستم های دارای صفحات خورشیدی بسته و باز مورد بحث قرار می دهیم. بخش های زیر به کاربرد بعضی کمیت های ترمودینامیک در توضیح اصول نیاز دارد. جدول 1-3 مهمترین پارامترها، علائم آنها و واحدهایشان را نشان می دهد.

جدول 1-3: کمیت های ترمودینامیک را برای محاسبات حرارتی نشان می دهد.

(نمودار و جدول در فایل اصلی موجود است)                                 

هر تغییر درجه حرارت  نیز باعث تغییر حرارت  می شود تغییر در حرارت را می توان با ظرفیت خاص c و جرم m ماده تحت تأثیر قرار گرفته محاسبه کرد.

(فرمول در فایل اصلی موجود است)                                

ممکن است بعضی ابهامات رخ دهد که به استفاده از معیارهای متفاوت دما مرتبط باشد، مقیاس فارنهایت معمولاً برای کار عملی استفاده نمی شود. ولی همزیستی درجه حرارت  در مقیاس سلسیوس و درجه حرارت مطلقT به کلوین مسئله سازی می باشد. تبدیل سلسیوس به کلوین از فرمول زیر استفاده می شود.

(فرمول در فایل اصلی موجود است)    

فرمول تبدیل فارنهایت به سلسیوس و کلوین را می توان در ضمیمه دید. مقدار عددی تفاوت درجه حرارت  به درجه سلسیوس  مانند تفاوت دما در کلوین (k) می باشد. برای تعادل صحیح واحدها تفاوت دما در فرمول بالا برای تغییر حرارت باید به کلوین باشد. همین مورد به معادلاتی مربوط می شود که در بخش بعد ارائه خواهند شد. ولی چون مقیاس سلسیوس نسبت به کلوین رایج تر است، مقیاس سلسیوس برای اکثر تفاوت های درجه حرارتی ومعادلات این بخش مورد استفاده قرار داده می شود. جریان حرارتQo که باعث تغییر حرارت با ظرفیت حرارتی ثابتc می شود به صورت زیر است:

(فرمول در فایل اصلی موجود است)    

برای ظرفیت حرارت مواد متفاوت به جدول 2-3 مراجعه شود.

شکل 1-3 ساخت لایه های n با حیطه سطحی را نشان می دهد. از یک طرف درجه حرارت  و از طرف دیگر   وجود دارد. گردیان دما، جریان دما از طریق لایه ها با فرمول زیر را به دست می آورد.

(فرمول در فایل اصلی موجود است)                     

این جریان دما Qoباعث می شود دما در سمت دارای درجه حرارت کمتر افزایش یابد و در سمت دیگر کاهش داشته باشد تا اینکه هر دو طرف از همان دما برخوردار شوند. اگر میزان دما یک طرف بیشتر از طرف دیگر باشد تغییردرجه حرارت در سمتی که از دمای بالاتری برخوردار است را می توان نادیده گرفت. برای مثال میزان دمای محیط اطراف یک ساختمان خیلی بالاتر از داخل ساختمان است. جریان گرما از طریق دیوارهای ساختمان درجه حرارت هوای خارج را تغییر نمی دهد و این مصداق دارد خواه درجه حرارت محیط نسبت به درجه حرارت ساختمان کمتر باشد یا بیشتر باشد.

جدول 2-3: ظرفیت گرمایی (c) برای بعضی مواد در  را نشان می دهد.

(نمودار و تصاویر و جداول در فایل اصلی موجود است)

شکل 1-3 انتقال حرارت از طریق لایه هایn با همان حیطه سطحی A

(نمودار و تصاویر و جداول در فایل اصلی موجود است)

ضریب همبستگی انتقال حرارت به صورت فرمول زیر است:

(فرمول در فایل اصلی موجود است)                  

که می توان با ضریب همبستگی سطح انتقال حرارت a2,a1 هر دو طرف، رسانایی حرارتی  و ضخامت لایه SI، تمام لایه های n محاسبه کرد. جدول 3-3 رسانایی حرارتی  مواد متعدد را نشان می دهد.

سیستم های حرارتی خورشیدی برای آبگرمکن

گرمکن خورشیدی استخر شنا

این بخش ابتدا گرمکن استخر شنا را مورد بحث قرار می دهد، به این دلیل نیست که استخرهای شنای آب گرم مزایای اکولوژیکی ندارد- آنها همیشه نیاز زیادی در ارتباط با آب پاکیزه و انرژی دارد. ولی تقاضا برای دمای پایین برای گرم کردن استخر باعث می‌شود که از سیستم های انرژی خورشیدی ساده و اقتصادی استفاده شود که در این بخش کاربرد گسترده ای دارد.

جدول 3-3: رسانایی گرمایی مواد متفاوت را نشان می دهد.

ماده

رسانایی حرارتی  به (w/mk)

ماده

رسانایی حرارتی  به  (w/mk)

استخرهای شنا در مناطق آب و هوای معتدل معمولاً به سیستم های حرارتی نیاز دارند، در غیر این صورت آانها فقط به مدت چند هفته در سال کاربرد خواهند داشت. برای مثال حدود 500 هزار استخر شنا در آلمان ساخته شده است. چون درجه حرارت متوسط هوا حتی در تاستان زیر 20 درجه سانتی گراد است. پتانسیل عظیمی برای آبگرمکن خورشیدی استخر وجود دارد در موارد زیادی سیستم های گرمایش خورشیدی استخر شنا قبلاً با سیستم های گرمایشی معمولی رقابت داشته است.

نیاز گرمایی برای استخرهای شنای سرباز تا حد زیادی به پرتوهای خورشید متکی می‌باشد. در زمستان وقتی که نور خورشید کم است استخرهای شنای سرباز معمولاً قابل استفاده نمی باشند، در خلال فصل تابستان و دوره های انتقالی حرارت خورشید گزینه خوبی می باشد. امروزه مقادیر خیلی زیادی از سوخت های فسیلی برای گرم کردن استخر سرباز تلف می شود. گرچه گرمایش خورشیدی استخر همان گونه که در شکل 2-3 نشان داده شده است را می توان برای اکثر سیستم های حرارت دهی بر پایه سوخت فسیلی جایگزین کرد.

دمای آب در مناطق آب و هوای اروپای مرکزی در خلال فصل تابستان بین 16 سانتی گراد و 19 درجه سانتی گراد می باشد. افزایش دما تا چند درجه به طور نرمال ممکن است قابل تحمل باشد. برای اینگونه نیاز درجه حرارتی پایین از جذب کننده های حرارتی ساده می توان استفاده کرد. این جذب کننده ها پرتوهای خورشیدی را به حرارت لازم برای استخر شنا تبدیل می سازد. پمپ آب استخر را از طریق جذب کننده حررات هدایت می کند. جذب کننده حرارت آب را داغ می کند و به استخر برمی‌گرداند. تانکر ذخیره آب داغ مانند نمونه ای که در آبگرمکن های خورشیدی خانگی مورد استفاده قرار داده می شود لازم نیست. خود استخر به عنوان منبع ذخیره حرارت می باشد.

اگر در تابستان از رنگ تیره روی قسمتی که در معرض پرتو خورشید قرار می گیرد استفاده شود آب داخل آن قسمت تقریباً در مدت کوتاهی داغ می شود. جذب کننده حرارتی استخر شنا خیلی چیز پیچیده ای نیست. آن را می توان از لوله های سیاه ساخت که به طور دائمی روی سطح بزرگی از سقف نصب می شود.

ماده جذب کننده حرارتی معمولاً پلاستیک است ولی این ماده باید در مقابل تخریب شدن که توسط نور ماوراء بنفش خورشید و آب کلردار استخر ایجاد می شود مقاوم باشد. بعضی مواد مناسب شامل پلی اتیلن (PE)، پلی پروپلین (PP) و مونومر اتیلن پروپلین دین (EPDM) می باشند. EPDM طول عمر بیشتر دارد اما هزینه اش گرانتر می‌باشد، PVC نباید به خاطر دلایل اکولوژیکی مورد استفاده قرار داده شود، چون می‌تواند دکوگسین های بسیار سمی از خود منتشر سازد اگر که سوزانده شوند.

پمپ سیستم فقط باید راه اندازی شود اگر جذب کننده بتواند افزایش درجه حرارت آب استخر را فراهم سازد. اگر پمپ تحت شرایط هوای ابری شدید یا در خلال شب راه اندازی شود.

آب استخر در جذب کننده سرد می شود که اکنون به عنوان یک رادیاتور عمل می کند. یک کنترل کننده ساده دو مرحله ای پسماند مغناطیسی می توان از این فرایند جلوگیری نماید. اگر سنسورها تفاوت درجه حرارت بین استخر و جذب کننده بالاتر از سطح آستانه ای خاص تشخیص دهند، پمپ روشن می شود.

یک سیستم گرمایش کمکی معمولی را می توان همراه با دستگاه تلفیق ساخت تا مطمئن شویم که درجه حرارت دلخواه استخر همیشه به دست می آید. اگر استخر فقط از انرژی خورشیدی استفاده می کند، درجه حرارت آب با آب و هوا تغییر خواهد داشت. در خلال دوره های آب و هوایی بد، دمای آب کمی پایینتر است، ولی غالباً قابل قبول است چون استخر تحت این شرایط خیلی مورد استفاده قرار داده نمی شود.

نیاز حرارتی خاص استخرهای شنای سرباز در شرایط آب و هوایی معتدل بین 150 کیلووات در ساعت و 450 کیلووات در ساعت برای هر متر مربع از سطح استخر می‌باشد. یک سیستم گرمایش خورشیدی که درست طراحی شده می تواند درجه حرارت پایهه23 سانتی گراد را برقرار سازد. بنابراین سیستم گرمایش فسیلی لازم نمی‌باشد. برای استخر با مساحت m2 200 متر مربع، سیستم گرمایش خورشیدی می‌تواند از مصرف 75000 لیتر نفت تولید 000/150 کیلوگرم CO2 (با بویلر دارای کارآیی 80% درصد) در هر فصل جلوگیری نماید. پوشیدن استخر در خلال شب می‌تواند اتلاف حرارت را کاهش دهد و انرژی اضافی را ذخیره سازد.

به عنوان یک قاعده سرانگشتی، اندازه سطح جذب کننده خورشیدی باید 80-50 درصد سطح استخر باشد. ولی این به طور قابل توجه به شرایط آب و هوا بستگی دار. تجارب به دست آمده از دستگاه های قبلاً نصب شده یا شبیه سازی های کامپیوتری می تواند معیارهای دقیق تری را برای طراح سیستم فراهم آورند. هزینه های جذب کننده به صورتm2/100 در متر مربع می باشد. معمولاً هزینه های سیستم گرمایش خورشیدی کمتر از سیستم های استفاده کننده از سوخت فسیلی می باشد. فقط اگر استخر شنا سرباز در تمام طول سال فعال باشد یا اگر دمای استخر باید نسبتاً بالا باشد یک سیستم گرمایش فسیلی هزینه ها را در مقایسه با تنها راه حل انرژی خورشیدی کاهش می دهد.

برق برای روشن کردن پمپ سیستم گرمایشی خورشیدی استخر شنا لازم است (به بخش6، قسمت هزینه های سیستم گرمایش خورشیدی در ارتباط با آبگرمکن های خانگی خورشیدی، صفحه 240 مراجعه شود).

ولی سیستم دارای سلول های خورشیدی کوچک می تواند این برق را تولید نماید. سپس کنترل درجه حرارت را می توان در بعضی موارد حذف کرد چون ژنراتور تولید برق با سلول های خورشیدی فقط وقتی پمپ را روشن می سازد که خورشید در حال تابیدن باشد. بخش 4 سیستم استفاده کننده از سلول های خورشیدی را با جزئیات توضیح می دهد.