بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
استخرهای خورشیدی و نحوه محاسبه بازده آنها
چکیده
استخرهای خورشیدی بر پایه اختلاف چگالی بین سطوح ساخته می شوند که این امر باعث می شود که در مدت طولانی بـا تـابش خورشید با مقادیر پایین تشعشع بتواند مقدار قابل توجهی انرژی گرمایی را در خود ذخیره کنند در این مقاله سعی شده تا بـا ذکـر توضیحی مختصر از نحوه عملکرد استخر خورشیدی به بررسی بازده قسمت های مختلف اسـتخرهای خورشـیدی پرداختـه شـده و عوامل متفاوتی که بر بازده این استخرها موثر می باشد ذکر می شود. در پایان این نتیجه حاصل شد که علاوه بـر عوامـل محیطـی همچون شدت تابش خورشید و دمای محیط، عواملی همچون میزان ضخامت لایه های استخرها و گرادیان دمایی ایجاد شـده بـین لایه ها در استخر خورشیدی بر اثر تابش نیز نقش بسزایی در راندمان استخرهای خورشیدی دارند. همچنین گرادیـان دمـایی بـین لایه ها نیز نقش بسزایی در راندمان استخرهای خورشیدی ایفا می کند.
واژههای کلیدی: استخر خورشیدی،اختلاف چگالی، شدت تابش، راندمان، گرادیان دمایی، مساحت لایه ها.
-1 مقدمه:
استخرهای خورشیدی از جمله ابداعات جدید تولید انرژی می باشند ومی توان از این سیستم ها برای تامین انرژی مورد نیاز صنعت از طریق ذخیره سازی انرژی رایگان خورشید در آب استخراستفاده نمود. این استخر ها از آب نمک تشکیل شده اند که به کمک آن می توان انرژی خورشیدی را در قسمت پایین استخر ذخیره نمود. در این استخرها سه لایه آب نمک به عمق های متفاوت وجود دارد. لایه اول 1لایه نازکی از آب نمک می باشد که معمولا غلظت آن به اندازه غلظت آب دریا می باشد. لایه دوم 2دارای غلظتی متغیر می باشد به طوری که پروفیل غلظت آن یک پروفیل خطی خواهد بود و غلظت در آن از بالا به پایین زیاد می شود .به بیان دیگر به واسطه گرادیان غلظت شدیدی که از کف تا سطح وجود دارد، از ایجاد جریانهای همرفتی که معمولاً به خاطر وجود آب گرم در کف و آب سرد در بالا ایجاد میشود، ممانعت بهعمل میآید. این گرادیان غلظت با استفاده از غلظت بالای یک نمک مناسب مانند NaCl در کف استخر و غلظت قابل چشم پوشی نمک در سطح بهدست میآید. لایه آخر داری غلظت بسیار زیاد در حد اشباع می باشد .لایه دوم به دلیل داشتن غلظت متغیر از ایجاد جابه جایی آزاد جلوگیری می کند و فقط انتقال حرارت کمی از طریق هدایت صورت می گیرد به همین دلیل این لایه همانند یک عایق حرارتی عمل می کند و گرمای خورشید را ذخیره می کند. درجه حرارت در لایه اول مساوی یا نزدیک درجه حرارت محیط می باشد. در لایه آخردرجه حرارت می تواند به 90 درجه سانتیگراد نیز برسد( در بعضی اوقات حتی بیشتر). لایه سوم در نرخی متناسب با تابش خورشیدی ورودی گرم می شود و نسبت معکوس با ضخامتش دارد( یعنی هر چه ضخامتش بیشتر باشد ؛کمتر گرم می شود) .درجه حرارت منطقه ذخیره3 (لایه آخر) وابسته به فاکتورهای متعددی همچون شدت و مدت تابش خورشیدی ،ضخامت لایه میانی،درجه حرارت محیط و پایداری گرادیان آب نمک است. با توجه به اهمیت این استخر ها در تولید انرژی گرمایی مطالعات تجربی و عددی زیادی در مورد آنها انجام شده است(جعفرزاده،281،(290-2004 و (نیوول،231،.(239-1990 در برخی مقالات نیز به طراحی بهینه استخرها پرداخته شده است.(کورت،939،.(944-2000
-2 بازده استخر خورشیدی
در این بخش به بررسی بازده حرارتی سه لایه ی اصلی استخر خورشیدی و عوامل تاثیر گذار بر آنها پرداخته می شود. برای اینکار یک استخر مستطیلی شکل که سطوح درونی آن رنگ مشکی شده (جهت جذب بیشتر تشعشع خورشید) را درنظر می گیریم. شکل (1) گرادیان استخر خورشیدی در سه ناحیه کلی نشان می دهد که در آن ارتفاع های ucz ، ncz و Hsz به ترتیب برابر با
، و می باشد.
شکل(:(1 تابش تشعشع خورشید به استخر خورشیدی
-3 راندمان ucz
با توجه به نحوه ی تابش نور خورشید به ucz (شکل(((2، راندمان حرارتی در ucz در حالت کلی از رابط زیر محاسبه می شود.
شکل(:(2 تابش تشعشع خورشید به ناحیه همرفتی بالا
(1) که در آن مجموعه گرمای وارد شده به استخر و برابر است با
(2)
که در آن مجموع حرارت ذخیره شده در ucz است، مجموع تشعشع خورشیدی جذب شده توسط ucz می باشد . مجموع گرمای انتقال یافته از ناحیه زیر به UCZ ، مجموع انتقال از دست رفته از دیواره های استخر
ص ف ح ه |
مجموع گرمای از دست رفته به محیط در ucz می باشد . با ترکیب روابط (21-4) و (22-4) بازده برای ucz به شکل زیر بیان می گردد(کاراکیلسیک،2006،:(735-727
(3)
و
(4)
که در آن Tamb دمای هوا ، ضخامت ucz ، ∆ ضخامت ، A مساحت سطح بالایی استخر ، ρ چگالی لایه ucz می باشد . ترم مقاومت حرارتی سطح زنگ شده فلزی که از رابطه زیر حساب می شود :
(5)
که در آن Kp و Ks به ترتیب ضریب انتقال حرارت هدایتی رنگ و ورقه فلزی می باشد و و ضخامت متناظر آن می باشد . همچنین کسر تابش خورشیدی ورودی به استخر می باشد که از رابطه ی زیر بیان می شود (هالادر،461،:(464-1980
(6)
h سهم تابش خورشیدی تابیده شده به سطح I توسط بریانت وکولبک توسط رابطه ی زیر به دست می آید.(برایانت،1977، (321
(7)
همچنین Aucz مساحت سطح خالص بالای ucz می باشد که از رابطه ی زیر بیان می شود :
(8)
که در آن زاویه ی تابش خورشید به سطح می باشد. ∆x ضخامت ucz و و عرض و ارتفاع استخر می باشد.
-4 راندمان Ncz
با توجه به تابش خورشید و میزان تشعشع انتقال یافته به Ncz ، دمای Ncz افزایش پیدا می کند و همانطور که در بالا توضیح داده شد گرادیان نمک تشکیل شده در این لایه همانند سپر حرارتی عمل کرده و از خروج مقدار بسیار زیاد گرما از ناحیه ذخیره ساز جلوگیری می کند.
