مقاله بررسی جامع انرژي خورشيدي

دسته بندي : فنی و مهندسی » مهندسی شیمی
مقاله بررسي جامع انرژي خورشيدي در 28 صفحه ورد قابل ويرايش

آبگرمكن خورشيدي

مقدمه:

سيستم هاي حرارتي خورشيدي نقش مهمي در انرژي خورشيدي دارد، استفاده از دستگاه هاي خورشيدي سابقه طولاني دارد، گفته شده است ارشميدس تقريباً در سال 214 قبل از ميلاد از آينه مقعر براي داغ كردن آب استفاده كرده است. سيستم هاي حرارتي امروزي نيز كم هزينه ترين كاربرد انرژي خورشيدي را دارد.

حرارت خورشيد استفاده از حرارت انرژي خورشيد را توجيح مي كند. بنابراين تعداد متفاوتي از دستگاه هاي فني وجود دارد كه اضافه بر گرم كردن فضا، داغ كردن آب يا فرآيندهاي صنعتي سيستم هاي انرژي خورشيدي را مي توان براي سرمايش يا توليد برق با كارخانه هاي توليد برق خورشيدي مورد استفاده قرار داد. قسمت هاي عملياتي اصلي عبارتند از:

گرم كردن استخر شناي خورشيدي
آبگرمكن هاي خانگي خورشيدي
حرارت كم خورشيد براي گرم كردن فضاي داخل ساختمان ها
پردازش حرارتي خورشيدي
توليد برق خورشيدي

چون اين حيطه هاي عملياتي خيلي دور از دسترس هستند، اين بخش فقط جنبه هاي مهم آبگرمكن هاي خانگي خورشيدي و استخرهاي خورشيدي را با سيستم هاي داراي صفحات خورشيدي بسته و باز مورد بحث قرار مي دهيم. بخش هاي زير به كاربرد بعضي كميت هاي ترموديناميك در توضيح اصول نياز دارد. جدول 1-3 مهمترين پارامترها، علائم آنها و واحدهايشان را نشان مي دهد.

جدول 1-3: كميت هاي ترموديناميك را براي محاسبات حرارتي نشان مي دهد.

نام


نشانه


واحد

حرارت، انرژي

جريان حرارت

درجه حرارت

درجه حرارت ترموديناميك

ظرفيت حرارتي خاص

رسانايي حرارتي

ضريب همبستگي انتقال حرارت

ضريب همبستگي انتقال حرارت

ضريب همبستگي سطحي انتقال حرارت







انرژي به شكل حرارت Q با جريان گرماQo مرتبط مي باشد.

1-3

هر تغيير درجه حرارت نيز باعث تغيير حرارت مي شود تغيير در حرارت را مي توان با ظرفيت خاص c و جرم m ماده تحت تأثير قرار گرفته محاسبه كرد.

2-3

ممكن است بعضي ابهامات رخ دهد كه به استفاده از معيارهاي متفاوت دما مرتبط باشد، مقياس فارنهايت معمولاً براي كار عملي استفاده نمي شود. ولي همزيستي درجه حرارت در مقياس سلسيوس و درجه حرارت مطلقT به كلوين مسئله سازي مي باشد. تبديل سلسيوس به كلوين از فرمول زير استفاده مي شود.

3-3

فرمول تبديل فارنهايت به سلسيوس و كلوين را مي توان در ضميمه ديد. مقدار عددي تفاوت درجه حرارت به درجه سلسيوس مانند تفاوت دما در كلوين (k) مي باشد. براي تعادل صحيح واحدها تفاوت دما در فرمول بالا براي تغيير حرارت بايد به كلوين باشد. همين مورد به معادلاتي مربوط مي شود كه در بخش بعد ارائه خواهند شد. ولي چون مقياس سلسيوس نسبت به كلوين رايج تر است، مقياس سلسيوس براي اكثر تفاوت هاي درجه حرارتي ومعادلات اين بخش مورد استفاده قرار داده مي شود. جريان حرارتQo كه باعث تغيير حرارت با ظرفيت حرارتي ثابتc مي شود به صورت زير است:

4-3

براي ظرفيت حرارت مواد متفاوت به جدول 2-3 مراجعه شود.

شكل 1-3 ساخت لايه هاي n با حيطه سطحي را نشان مي دهد. از يك طرف درجه حرارت و از طرف ديگر وجود دارد. گرديان دما، جريان دما از طريق لايه ها با فرمول زير را به دست مي آورد.

5-3

اين جريان دما Qoباعث مي شود دما در سمت داراي درجه حرارت كمتر افزايش يابد و در سمت ديگر كاهش داشته باشد تا اينكه هر دو طرف از همان دما برخوردار شوند. اگر ميزان دما يك طرف بيشتر از طرف ديگر باشد تغييردرجه حرارت در سمتي كه از دماي بالاتري برخوردار است را مي توان ناديده گرفت. براي مثال ميزان دماي محيط اطراف يك ساختمان خيلي بالاتر از داخل ساختمان است. جريان گرما از طريق ديوارهاي ساختمان درجه حرارت هواي خارج را تغيير نمي دهد و اين مصداق دارد خواه درجه حرارت محيط نسبت به درجه حرارت ساختمان كمتر باشد يا بيشتر باشد.

جدول 2-3: ظرفيت گرمايي (c) براي بعضي مواد در را نشان مي دهد.

نام

شكل 1-3 انتقال حرارت از طريق لايه هايn با همان حيطه سطحي A

شكل

ضريب همبستگي انتقال حرارت به صورت فرمول زير است:

6-3

كه مي توان با ضريب همبستگي سطح انتقال حرارت a2,a1 هر دو طرف، رسانايي حرارتي و ضخامت لايه SI، تمام لايه هاي n محاسبه كرد. جدول 3-3 رسانايي حرارتي مواد متعدد را نشان مي دهد.

سيستم هاي حرارتي خورشيدي براي آبگرمكن

گرمكن خورشيدي استخر شنا

اين بخش ابتدا گرمكن استخر شنا را مورد بحث قرار مي دهد، به اين دليل نيست كه استخرهاي شناي آب گرم مزاياي اكولوژيكي ندارد- آنها هميشه نياز زيادي در ارتباط با آب پاكيزه و انرژي دارد. ولي تقاضا براي دماي پايين براي گرم كردن استخر باعث مي‌شود كه از سيستم هاي انرژي خورشيدي ساده و اقتصادي استفاده شود كه در اين بخش كاربرد گسترده اي دارد.



استخرهاي شنا در مناطق آب و هواي معتدل معمولاً به سيستم هاي حرارتي نياز دارند، در غير اين صورت آانها فقط به مدت چند هفته در سال كاربرد خواهند داشت. براي مثال حدود 500 هزار استخر شنا در آلمان ساخته شده است. چون درجه حرارت متوسط هوا حتي در تاستان زير 20 درجه سانتي گراد است. پتانسيل عظيمي براي آبگرمكن خورشيدي استخر وجود دارد در موارد زيادي سيستم هاي گرمايش خورشيدي استخر شنا قبلاً با سيستم هاي گرمايشي معمولي رقابت داشته است.

نياز گرمايي براي استخرهاي شناي سرباز تا حد زيادي به پرتوهاي خورشيد متكي مي‌باشد. در زمستان وقتي كه نور خورشيد كم است استخرهاي شناي سرباز معمولاً قابل استفاده نمي باشند، در خلال فصل تابستان و دوره هاي انتقالي حرارت خورشيد گزينه خوبي مي باشد. امروزه مقادير خيلي زيادي از سوخت هاي فسيلي براي گرم كردن استخر سرباز تلف مي شود. گرچه گرمايش خورشيدي استخر همان گونه كه در شكل 2-3 نشان داده شده است را مي توان براي اكثر سيستم هاي حرارت دهي بر پايه سوخت فسيلي جايگزين كرد.

·محفظه كلكتور

·جذب كننده (سلول خورشيدي)

جذب كننده در داخل محفظه كلكتور صفحه اي مسطح قرار دارد. اين جذب كننده نور خورشيد را به حرارت تبديل مي سازد و آن را به آب موجود در لوله هايي انتقال ميد هد كه از درون سيستم عبور مي كنند.

محفظه كلكتوردر قسمت پشت آن و اطراف آن كاملاً عايق بندي مي شود تا اتلاف حرارتي به حداقل ممكن برسد. ولي هنوز بعضي اتلاف هاي حرراتي كلكتوري كه عمدتاً به تفاوت درجه حرارت بين جذب كننده و هواي محيط بستگي دارد. اين اتلاف‌هاي حرارتي به انتقال گرما (همرفت) و اتلاف هاي پرتويي مربوط مي شود. جابجايي هوا باعث اتلاف هاي انتقال گرمايي (همرفتي) مي شود.

قاب شيشه اي روي كلكتورها را مي پوشاند و باعث جلوگيري از اكثر اتلاف هاي حرارتي ناشي از انتقال گارما مي شود. اضافه بر اين آن منتشر شدن حرارت از جذب كننده به محيط را به همين روش مانند وضعيت گلخانه اي كاهش مي دهد. ولي شيشه نيز قسمت كمي از نور خورشيد را منعكس مي سازد.

كه نمي تواند به جذب كننده (سلول خورشيدي) برسد. شكل 6-3 و 7-3 مكانيزم و جريان انرژي در كلكتورهاي صفحه اي مسطح را نشان مي دهد.

پوشش شيشه اي جلويي قسمت اندكي از نيروي تابش خورشيد همانطور كه در شكل 8-3 نشان داده شده است منعكس و جذب مي كند اكثر پرتو خورشيدي از شيشه عبور مي كند.

انعكاس P، جذبa، مقدار عبورT را مي توان در اين فرايندها توضيح داد. جمع اين مقدار بايد هميشه مساوي با 1 باشد.

(7-3) P+P+T=1

نيروهاي تابشي هماهنگ به صورت فرمول ذيل مي باشد.

8-3

شكل 6-3 فرايند در كلكتور صفحه اي مسطح را نشان مي دهد.

جذب پرتوهاي خورشيدي باعث بالارفتن حرارت قاب شيشه اي مي شود. اگر شيشه داراي تعادل حرارتي برخوردار باشد، آن بايد پرتو جدا شده را ساطع نمايد. پس برق ناشي از پرتو ساطع شده مساوي با برق پرتو جذب شده مي باشد در غير اينصورت شيشه به طور نامحدودي گرم مي شود. بنابراين شدت انتشار با ميزان جذب a برابر است:

(9-3) a=E

از يك طرف پوشش جلويي بايد در اكثر پرتوهاي خورشيدي قابل نفوذ باشد. از طرف ديگر آن همينطور بايد پرتو حرراتي جذب كنند (سلول خورشيد) را در عقب نگه دارد و اتلاف هاي انتقال حررات به محيط را كاهش دهد. اكثر كلكتورها از شيشه تك لايه ساخته شده و از شيشه خورشيدي به طور حرارتي با آهن كم عمل آوري شده استفاده مي كنند. اين شيشه داراي شدت انتشار بالا (t-1) است و مقاومت خوبي در مقابل تأثيرات محيطي دارد.

پوشش هاي جلويي ساخته شد و از شيشه نسبت به نمونه هاي ساخته شده از پلاستيك برتري دارند و به اين دليل است كه طول عمر پلاستيك به خاطر مقاومت كمتر در مقابل تابش ماوراء بنفش و تأثيرات آب و هوايي كمتر است.

لعاب دادن دوگانه مي تواند باعث كاهش اتلاف هاي حرارتي شود همين طور قدرت پرتو تابشي خورشيد را كاهش مي دهد و هزينه ها را افزايش مي دهد.

شكل 7-3 تبديل انرژي در كلكتور خورشيدي و اتلاف هاي حرارتي را نشان مي دهد.

1

استفاده از مواد خالص براي پوشش دهي جلويي مي تواند كارآيي كلكتور را افزايش دهد.

اين مواد بايد باعث وارد شدن پرتو شوند، اما انتشارات infrares به سمت خارج از پشت صفحه جذب كننده را منعكس سازند. انعكاس هاي infrared شيشه مانند in2o3 يا zno2 با شدت انتشار بالا براي نور قابل رؤيت مي باشد.اما انعكاس بالا براي infrared اين لايه ها را برآورده مي سازد. جدول 5-3 پارامترهاي در ارتباط با اين مواد را نشان مي دهد، ولي هزينه هاي بالاتر و شدت انتشار ضعيف تر نور قابل رؤيت در مقايسه با شيشه استاندارد باعث جلوگيري از استفاده گسترده اين مواد گرديده است.

محفظه كلكتور را مي توان از پلاتسكي، فلز يا چوب ساخت، محفظه آن بايد پوشش شيشه اي جلويي را آب بندي نمايد تا هيچ حرارتي نتواند از داخل آن به خارج انتقال داده شود و گرد و خاك حرارت يا رطوبت به داخل كلكتور سرايت نكند. تعداد زيادي از كلكتورها داراي تهويه كنترل شده مي باشند تا از ايجاد شدن در داخل آنها جلوگيري كرد كلكتورها روي طرف داخل پوشش شيشه اي قرار داده مي شوند.