تحقیق مقاله آب گرمکن خانگی خورشیدی

آبگرمکن خانگی خورشیدی

جالب است بدانید که گرمایش آب و فضا مجموعاً بیش از 80% انرژی را در ساختمان‌ها مصرف می‌کند و بنابراین بیش از یک سوم کل انرژی مصرفی جهان در جهت گرمایش مصرف می‌شود. از این میان گرمایش آب به طور متوسط 20 تا 30 درصد کل انرژی مصرفی در خانه را مصرف می‌کند.بنابراین با استفاده از آبگرمکن خورشیدی می‌توان سالیانه 70% انرژی مورد نیاز برای گرمایش آب را تامین کرد.

بخش اصلی یک آبگرمکن خورشیدی کلکتور آن است که خود شامل یک ورق است که به‌وسیله تابش کلی خورشید حرارت یافته و حرارت خود را به یک سیال جذب کننده (مانند آب ) که داخل لوله در حال جریان است، منتقل می‌کند. رنگ این ورق همیشه تیره انتخاب می‌شود و دارای پوشش خاصی است که بتواند ضریب جذب انرژی را به حداکثر و ضریب پخش را به حداقل برساند. برای رسیدن به دمای بالا، مجموعه ورق و لوله‌ها را در داخل یک جعبه عایق با روکش شیشه قرار می‌دهند تا از اثر گلخانه‌ای بتوان استفاده کرد.

آبی که با این روش گرم می‌شود، بر اثر اختلاف دما و با گردش طبیعی وارد یک تانک دوجداره شده و آب مخزن را گرم می‌کند. این آب گرم شده یا به طور مستقیم به مصرف گرمایش خانوار می‌رسد و یا توسط یک مبدل حرارتی دمای آب مصرفی خانواده را افزایش می‌دهد. شکل زیر طرح ساده ای از این آبگرمکن را نشان می‌دهد:

انواع کلکتورهای خورشیدی

کلکتور‌های تخت Flat-plate collectors

این کلکتور ساده‌ترین و پر استفاده‌ترین نوع کلکتور به‌شمار می‌رود. ساختار آن به شکل یک جعبه مستطیل شکل بوده که در داخل آن یک صفحه جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم با پوششی به رنگ‌های خاص است. این صفحه، جاذب انرژی حرارتی خورشید است. در زیر صفحه، لوله‌های کوچکی قرار گرفته که آب یا سیال انتقال حرارت در آن‌ها جریان دارد. اطراف کلکتور به منظور کاهش اتلاف حرارتی عایق بندی شده است. روی سطح جعبه نیز از پلاستیک شفاف یا شیشه پوشیده شده است.

کلکتورهای تحت خلا Evacuated-tube collectors

این کلکتور از تعدادی لوله دو جداره شفاف موازی تشکیل شده است که در داخل آن یک تیوب با پوششی از ماده جاذب قرار دارد. هوا از فضای بین دو جداره خارج گردیده وخلا ایجاد شده از اتلاف حرارت جلوگیری می‌کند. مزیت این نوع کلکتور توانایی در ایجاد دمای بالاتر می‌باشد.

کلکتورهای سهموی Concentrating collectors

این کلکتور‌ها سطح آینه ای داشته و برای تجمع انرژی خورشیدی بر روی تیوب جاذب که شامل سیال انتقال حرارت است، به‌کار می‌رود.

کاربرد انرژی خورشیدی در جهان

تا سال 2005 بیش از 150 میلیون متر مربع معادل 7/92 گیگاوات ساعت، کلکتور گرمایشی نصب شده است. مجموع کلکتورهای نصب شده در سال 2005 نسبت به سال 2003 در حدود 130% افزایش یافته است. بزرگ‌ترین تولیدکنندگان کلکتورهای گرمایشی به ترتیب چین، امریکا، ژاپن و ترکیه هستند. تقریباً بیش از 90%‌رشد مصرف کلکتورهای گرمایشی در چین اتفاق می‌افتد. مجموع هزینه صرف تحقیقات در این زمینه در کشورهای عضو آژانس بین المللی انرژی تا سال 2005 بیش از 3.5 میلیارد دلار بوده است.

برنامه‌های شرکت بهینه سازی در زمینه به‌کار گیری آبگرمکن‌های خورشیدی

شرکت بهینه‌سازی مصرف سوخت در شهرها و روستاهایی که دارای شرایط اقلیمی مناسب برای نصب هستند، پروژه‌هایی را انجام داده و طرح استفاده از آبگرمکن خورشیدی خانگی و آبگرمکن خورشیدی عمومی (حمام خورشیدی) را در دست اقدام دارد . در این راستا پروژه‌های تعریف شده در بخش ساختمان شرکت بهینه سازی مصرف سوخت در زمینه آبگرمکن‌های خورشیدی خانگی و عمومی به صورت زیر است:

فاز اول:

نصب و راه اندازی 350 آبگرمکن‌های خانگی و 3 حمام عمومی (اتمام یافته)

فاز دوم:
ساخت و توزیع 10000 آبگرمکن خانگی و 10 حمام عمومی (اتمام یافته)
در طی این فاز 3 میلیون دلار به عنوان یارانه دولتی به مصرف کنندگان پرداخت شده است.

فاز سوم (در حال اجرا):

(دوره پنج ساله) ساخت توزیع 7840 دستگاه آبگرمکن خانگی و 1000 حمام عمومی که در آن 97/19 میلیون دلار بودجه به عنوان یارانه دولتی به مصرف کننده پرداخت می‌شود. (در حال اجرا)

آبگرمکن‌های عمومی در کلیه اماکن عمومی کشور که فاقد لوله‌کشی گاز طبیعی هستند، با پرداخت یارانه‌ای بالغ بر 20 میلیون تومان به ازای هر دستگاه آبگرمکن عمومی 100 نفره نصب می‌شوند.

آبگرمکن‌های خانگی در کلیه مناطق کشور و با پرداخت یارانه‌ای به ازای هر نفر 36000 تومان نصب می‌شوند

چکیده

در این مقاله تاثیر تراکم گرد و غبار بر عملکرد کلکتورهای سهموی خورشیدی بررسی شده است.اصول کار بر این منوال است که ابتدا مقادیر ضریب عبور شیشه ها در حالتهای مختلف از نظر میزان آلوده بودن به گرد وغبار اندازه گیری شده و مقدار ضریب تصحیح نوری در حالتهای مختلف حساب شده است.سپس از طریق شیه سازی کامپیوتری تاثیر گرد و غبار بر عملکرد کلکتور خورشیدی بررسی شده است.در خاتمه میزان کاهش راندمان کلکتور در اثرگرد و غبار مشخص شده و درصد کاهش راندمان عملی کلکتور خورشیدی نسبت به راندمان تئوری بیان شده است. 

واژه های کلیدی: کلکتورخورشیدی-راندمان نوری وحرارتی-گردوغبار

فهرست علائم

A مساحت معادل کلکتور (Aperture Area )

Ar سطح مقطع لوله گیرنده

FR فاکتور جابجایی گرما

Frt ضریب تصحیح نوری

Fr ضریب تصحیح انعکاسی

Ft ضریب تصحیح عبوری

Ib تابش مستقیم خورشید

K(q) زاویه برخورد اصلاحی

qu انرژی مفید جذب شده بر واحد سطح کلکتور

Ta درجه حرارت محیط

Ti درجه حرارت روغن ورودی به کلکتور

UL ضریب افت حرارتی

فهرست علائم یونانی

g ضریب دریافت

hc راندمان حرارتی

ho راندمان نوری

r ضریب انعکاس آینه ها

(ta)n ضریب جذب - عبور نرمال

مقدمه

انرژی مفید جذب شده درکلکتورهای سهموی خورشیدی و راندمان این سیستمها در عمل ، همواره کمتر از مقدار محاسبه  شده توسط روابط تئوری می باشد . از  دلایل این اختلاف می توان به انواع نواقص و خطاها درهنگام ساخت اشاره کرد . انحراف آینه ها از حالت سهموی ، پخش نور بازتاب شده توسط آینه ها ، عدم قرارگیری لوله گیرنده درکانون آینه ، عدم ردیابی خورشید و... از جمله مواردی است که می توان برشمرد [1و2] . علاوه برخطاهای فوق تاثیر گرد وغبار و تراکم آن برروی سطوح شیشه ای (آینه ها و لوله شیشه ای ) سبب کاهش نرخ میزان انرژی دریافتی در کلکتورهای سهموی خطی می شود . و این پدیده به نوبه خود سبب کاهش میران راندمان عملی این سیستمها می شود [3و4] . البته میزان گرد وغبار با توجه به شرایط محیطی و محل قرارگیری کلکتور ، اثرات متفاوتی برکارکرد آن می گذارد و برای تعیین تاثیر آن بر کارکرد کلکتور نیاز به اطلاعات آماری روزها مختلف سال در مکانهای مختلف می باشد . در سالهای اخیر براساس سیاست معاونت انرژی وزارت نیرو در بهره برداری از انرژیهای تجدید پذیر ، اقدام به ساخت نیروگاه خورشیدی پایلوت 250 کیلوواتی شیراز شده است . از آنجا که مهمترین عنصر این نیروگاه ، کلکتورهای آن می باشد ، قبل از ساخت آن یک کلکتور خورشیدی نمونه ساخته شده که درحال حاضر درمرحله آزمایش می باشد . دراین مقاله سعی شده است تا با اطلاعات بدست آمده از کارکرد کلکتور سهموی نیروگاه خورشیدی شیراز رابطه ای برای راندمان این دستگاه ارائه شود و در ساخت نیروگاه از اطلاعات بدست آمده از کارکرد کلکتور استفاده گردد .

تئوری

در شکل 1 طرح شماتیکی از سیکل الحاقی رسم شده است . این سیکل شامل کلکتور خورشیدی ، مخزن ذخیره روغن ، پمپ ، لوله های اتصال و شیرهای  تنظیم جریان می باشد . در ضمن سیکل به وسایل اندازه گیری دبی جریان و دمای روغن ، سرعت باد ، شدت تابش مستقیم خورشید مجهز می باشد.

شکل 1- طرح شماتیکی از سیکل کلکتور خورشیدی

تصویر کلکتور خورشیدی در شکل 2 نشان داده شده است.  هر کلکتور خورشیدی سهموی دارای یک سری  آینه های خمیده می باشد که پرتوهای تابیده شده را بر روی لوله گیرنده انرژی متمرکز می کنند . کل این مجموعه بر روی یک سازه نگهدارنده نصب می شود و توسط یک سیستم ردیاب ، خورشید را در طول روز تعقیب می کند .  انرژی پرتوهای خورشید توسط لوله گیرنده جذب شده وبه روغن انتقال می یابد و بدین طریق دمای روغن در سیکل افزایش می یابد.

شکل 2- کلکتور خورشیدی سهموی دانشگاه شیراز

مشخصات عمومی کلکتور عبارتند از :

عرض کلکتور340 سانتیمتر ، طول کلکتور 25 متر ، زاویه دور (rim angle)90 درجه ، فاصله کانونی 88 سانتیمتر ، قطر خارجی لوله جاذب 2/4 سانتیمتر ، قطر داخلی لوله جاذب 5/3 سانیتمتر ، قطر خارجی پوشش شیشه ای 7 سانتیمتر ، ضخامت لوله شیشه ای 3 میلیمتر،ضریب جذب لوله گیرنده 0.94 ، در دمای 300 درجه سانتیگراد ضریب صدور لوله جاذب 25/0 می باشد .

راندمان کلکتور از موازنه انرژی برلوله گیرنده بدست می آید که می توان آنرا بصورت نسبت نرخ انرژی مفید به شدت تابش مستقیم  برواحد سطح کلکتور تعریف کرد

FR ، UL و ho سه پارامتر مهم در طراحی کلکتورهای سهموی می باشند . فاکتورجابجایی گرما ( FR ) ، راندمان لوله گیرنده انرژی می باشد وقتیکه بصورت یک مبدل حرارتی در نظر گرفته شود و بیانگر قابلیت سیال از نظر انتقال میزان انرژی تشعشعی جذب شده می باشد .  ضریب افت حرارتی ( UL ) به میران افت حرارتی از لوله گیرنده بصورت هدایتی ، جابجایی و تشعشی بستگی دارد . ho راندمان نوری کلکتور به ضریب انعکاس آینه ها ، ضریب عبور لوله شیشه ای ، ضریب جذب لوله گیرنده انرژی و خطاهای اپتیکی بستگی دارد

روابط (1) و(2) بیانگر راندمان حرارتی و راندمان نوری کلکتور می باشند . درروابط فوق ضریب انعکاس آینه ها و ضریب عبور لوله شیشه ای در حالت تمیز و نو در نظر گرفته شده است و اثرات گرد و غبار که درعمل باعث کاهش راندمان سیستمهای خورشیدی می شود ، منظور نشده است . برای اینکه مقادیر بدست آمده از رابطه (1) با واقعیت مطابقت بیشتری داشته باشد رابطه (1) بصورت زیر اصلاح می شود

Frt ضریب تصحیح نوری بیانگر نرخ کاهش راندمان نوری کلتور می باشد که بصورت حاصلضرب ضریب تصحیح انعکاسی در ضریب تصحیح عبوری تعریف می شود .

Ft نسبت ضریب عبور لوله شیشه ای در عمل به ضریب عبور لوله شیشه ای نو و تمیز و Fr نسبت ضریب انعکاس آینه ها در عمل به ضریب انعکاس آینه های نو و تمیز می باشد . ضریب تصحیح نوری به موقعیت نصب کلکتور ، وضعیت آب و هوایی محیط ، تعداد شستوهای انجام شده در مدت زمان مشخص و مرغوبیت جنس مواد از نظر طول عمر و کارکرد مناسب بستگی دارد . برای تعیین مقدار ضریب تصحیح نوری دور روش بیان شده است . دراین مقاله از روش ارائه شده در مرجع   برای کلکتورهای خورشیدی استفاده شده است. روش ارائه شده بصورت یک تکنیک تجربی براساس انجام آزمایشهای متعدد       می باشد . اصول کار بر این اساس است که سطوح نوری را به گرد و غبار با غلظتهای متفاوت آلوده کرده و تاثیر آنرا بر راندمان کلکتور از طریق شبیه سازی کامپیوتری سیستم برآورد می کنند . در نتیجه می توان تعییرات راندمان نوری و راندمان حرارتی کلکتور را با تعییر میزان آلودگی براحتی محاسبه کرد.

روش دوم نیر یک روش تجربی است . دراین روش عملکرد کلکتور سهموی درروزهای مختلف سال ارزیابی می شود و کلیه اطلاعات مربوط به شرایط کارکرد شامل میزان آلودگی هوا ، وزش باد ، دمای محیط، دبی جریان ، میزان تشعشع خورشید و دفعات شستشو و ... ثبت می شود سپس راندمان کلکتور محاسبه شده و راندمان عملی سیستم را با راندمان بدست آمده از شبیه سازی کامپیوتری مقایسه کرده و بدین طریق مقدار ضریب تصحیح نوری بصورت نسبت راندمان تئوری تقسیم بر راندمان عملی محاسبه می شود [7] البته این روش به شرطی قابل اجراست که تمام نواقص و خطاهای موجود در کلکتور ساخته شده معلوم و محاسبه شده باشد .

برای دستیابی به اطلاعات بیشتر علاوه بر شبیه سازی کامپیوتری ، ضریب عبور لوله شیشه ای و شیشه آینه ها در سه حالت خیلی تمیز (بدون هرگونه آلودگی ) تمیز (عاری از گرد و غبار ولی دارای لکه های حاصل از خشک شدن آب )  و کثیف آلوده به گرد و غبار اندازه گیری شده است [5] و راندمان کلکتور برحسب تغییرات فوق رسم شده است

نتایج :در شکل 3 ضریب عبور لوله شیشه ای برای سه حالت خیلی تمیز ( عاری از گرد و غبار ) ، تمیز ( شامل لکه های ایجاد شده از خشک شدن طبیعی قطرات آب ) و کثیف ( آلوده به گرد و غبار ) رسم شده است . جنس لوله    شیشه ای از نوع شیشه پیرکس می باشد . متوسط ضریب عبور شیشه برای این سه حالت بترتیب برابر 86/0 ، 81/0 و 55/0  می باشد . لذا میزان ضریب تصحیح عبوری برای لوله شیشه ای در حالت 2 و 3 نسبت به حالت 1 بترتیب برابر 94/0 و 64/0 می باشد .