مقاله بررسی جامع انرژی خورشیدی در 28 صفحه ورد قابل ویرایش

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.

نام


نشانه


واحد

حرارت، انرژی

جریان حرارت

درجه حرارت

درجه حرارت ترمودینامیک

ظرفیت حرارتی خاص

رسانایی حرارتی

ضریب همبستگی انتقال حرارت

ضریب همبستگی انتقال حرارت

ضریب همبستگی سطحی انتقال حرارت







انرژی به شکل حرارت Q با جریان گرماQo مرتبط می باشد.

1-3

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.

2-3

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.

3-3

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:

4-3

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.

5-3

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.

نام

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

شکل

ضریب همبستگی انتقال حرارت به صورت فرمول زیر است:

6-3

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.



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.

·محفظه کلکتور

·جذب کننده (سلول خورشیدی)

جذب کننده در داخل محفظه کلکتور صفحه ای مسطح قرار دارد. این جذب کننده نور خورشید را به حرارت تبدیل می سازد و آن را به آب موجود در لوله هایی انتقال مید هد که از درون سیستم عبور می کنند.

محفظه کلکتوردر قسمت پشت آن و اطراف آن کاملاً عایق بندی می شود تا اتلاف حرارتی به حداقل ممکن برسد. ولی هنوز بعضی اتلاف های حرراتی کلکتوری که عمدتاً به تفاوت درجه حرارت بین جذب کننده و هوای محیط بستگی دارد. این اتلاف‌های حرارتی به انتقال گرما (همرفت) و اتلاف های پرتویی مربوط می شود. جابجایی هوا باعث اتلاف های انتقال گرمایی (همرفتی) می شود.

قاب شیشه ای روی کلکتورها را می پوشاند و باعث جلوگیری از اکثر اتلاف های حرارتی ناشی از انتقال گارما می شود. اضافه بر این آن منتشر شدن حرارت از جذب کننده به محیط را به همین روش مانند وضعیت گلخانه ای کاهش می دهد. ولی شیشه نیز قسمت کمی از نور خورشید را منعکس می سازد.

که نمی تواند به جذب کننده (سلول خورشیدی) برسد. شکل 6-3 و 7-3 مکانیزم و جریان انرژی در کلکتورهای صفحه ای مسطح را نشان می دهد.

پوشش شیشه ای جلویی قسمت اندکی از نیروی تابش خورشید همانطور که در شکل 8-3 نشان داده شده است منعکس و جذب می کند اکثر پرتو خورشیدی از شیشه عبور می کند.

انعکاس P، جذبa، مقدار عبورT را می توان در این فرایندها توضیح داد. جمع این مقدار باید همیشه مساوی با 1 باشد.

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

نیروهای تابشی هماهنگ به صورت فرمول ذیل می باشد.

8-3

شکل 6-3 فرایند در کلکتور صفحه ای مسطح را نشان می دهد.

جذب پرتوهای خورشیدی باعث بالارفتن حرارت قاب شیشه ای می شود. اگر شیشه دارای تعادل حرارتی برخوردار باشد، آن باید پرتو جدا شده را ساطع نماید. پس برق ناشی از پرتو ساطع شده مساوی با برق پرتو جذب شده می باشد در غیر اینصورت شیشه به طور نامحدودی گرم می شود. بنابراین شدت انتشار با میزان جذب a برابر است:

(9-3) a=E

از یک طرف پوشش جلویی باید در اکثر پرتوهای خورشیدی قابل نفوذ باشد. از طرف دیگر آن همینطور باید پرتو حرراتی جذب کنند (سلول خورشید) را در عقب نگه دارد و اتلاف های انتقال حررات به محیط را کاهش دهد. اکثر کلکتورها از شیشه تک لایه ساخته شده و از شیشه خورشیدی به طور حرارتی با آهن کم عمل آوری شده استفاده می کنند. این شیشه دارای شدت انتشار بالا (t-1) است و مقاومت خوبی در مقابل تأثیرات محیطی دارد.

پوشش های جلویی ساخته شد و از شیشه نسبت به نمونه های ساخته شده از پلاستیک برتری دارند و به این دلیل است که طول عمر پلاستیک به خاطر مقاومت کمتر در مقابل تابش ماوراء بنفش و تأثیرات آب و هوایی کمتر است.

لعاب دادن دوگانه می تواند باعث کاهش اتلاف های حرارتی شود همین طور قدرت پرتو تابشی خورشید را کاهش می دهد و هزینه ها را افزایش می دهد.

شکل 7-3 تبدیل انرژی در کلکتور خورشیدی و اتلاف های حرارتی را نشان می دهد.

1

استفاده از مواد خالص برای پوشش دهی جلویی می تواند کارآیی کلکتور را افزایش دهد.

این مواد باید باعث وارد شدن پرتو شوند، اما انتشارات infrares به سمت خارج از پشت صفحه جذب کننده را منعکس سازند. انعکاس های infrared شیشه مانند in2o3 یا zno2 با شدت انتشار بالا برای نور قابل رؤیت می باشد.اما انعکاس بالا برای infrared این لایه ها را برآورده می سازد. جدول 5-3 پارامترهای در ارتباط با این مواد را نشان می دهد، ولی هزینه های بالاتر و شدت انتشار ضعیف تر نور قابل رؤیت در مقایسه با شیشه استاندارد باعث جلوگیری از استفاده گسترده این مواد گردیده است.

محفظه کلکتور را می توان از پلاتسکی، فلز یا چوب ساخت، محفظه آن باید پوشش شیشه ای جلویی را آب بندی نماید تا هیچ حرارتی نتواند از داخل آن به خارج انتقال داده شود و گرد و خاک حرارت یا رطوبت به داخل کلکتور سرایت نکند. تعداد زیادی از کلکتورها دارای تهویه کنترل شده می باشند تا از ایجاد شدن در داخل آنها جلوگیری کرد کلکتورها روی طرف داخل پوشش شیشه ای قرار داده می شوند.