بخشی از مقاله
بررسی عملکرد سامانه فتوولتائیک-گرمائی آبی توسط نرم افزار (TRNSYS)
چکیده
امروزه تولید انرژی به طور موثر توسط جمع کنندههای گرمائی و فتوولتائیک خورشیدی در ساختمانها انجام میشود. یکی از راههای تولید انرژی در ساختمان استفاده از سامانه فتوولتائیک میباشد. سلولهای فتوولتاییک 4 تا 17 درصد از تابش دریافتی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند و بیش از 50 درصد انرژی خورشیدی به گرما تبدیل میشود. با خنک کردن سلولهای خورشیدی به وسیله جریان سیال مانند آب یا هوا، عملکرد الکتریکی آنها بهبود مییابد . برای تولید همزمان انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی توسط سامانه فتوولتائیک-گرمائی از تجهیزاتی مانند جمع کننده فتوولتائیک-گرمائی، پمپ انتقال سیال، مبدل حرارتی(مخزن)، لولههای انتقال دهنده سیال، گرمکن کمکی استفاده میشود. هدف از انجام این تحقیق بررسی اثر دبیهای مختلف سیال خنک کننده بر عملکرد سامانه فتوولتائیک-گرمائی آبی در شهر کرمان بهوسیله شبیهسازی توسط نرمافزار TRNSYS میباشد. این آزمایشها در دبی ثابت پمپ مربوط به سامانه تامین آب گرم مصرفی 120) کیلوگرم بر ساعت) و چهار دبی مختلف پمپ مربوط به سامانه گردش آب در جمعکنندههای فتوولتائیک-گرمائی 120)،90،60،30 کیلوگرم بر ساعت) صورت گرفته است. نتایج تحقیق نشان داد که افزایش دبی آب عبوری از داخل جمعکنندهی فتوولتائیک-گرمائی، موجب کاهش دمای سلول و آب خروجی از آن گردید. دمای کاری جمعکننده فتوولتائیک-گرمائی شامل دمای سلول و آب خروجی در خرداد بیشتر از دی ماه بود. همچنین، دمای آب خروجی از مخزن، در خردادماه به دلیل بالاتر بودن توان تابشی خورشید و دمای محیط بیشتر از دی ماه است. بعلاوه، بالاترین دبی گردش آب در جمعکننده موجب بیشترین دمای آب خروجی از منبع شد.
کلمات کلیدی: بازده حرارتی، فتوولتائیک-گرمائی، دبی سیال، شبیهسازی، نرم افزار TRNSYS
مقدمه
امروزه تولید انرژی به طور موثر توسط جمع کنندههای گرمائی و فتوولتائیک خورشیدی در ساختمانها به انجام می-شود..[Florschuetz, 1979]علاوه بر این بازده تبدیل به نسبت کم سلولهای فتوولتائیک( به طور معمول در محدوده 10 تا 20 درصد )، جذب بالای تابش خورشید منجر به افزایش دمای سطح سلول شده، و با افزایش دمای سلول، بازده آن کم میشود.[Dupeyrat, et al.,2014] سلولهای فتوولتاییک 4 تا17 درصد از تابش دریافتی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند و بیش از 50 درصد انرژی خورشیدی به گرما تبدیل میشودFortuin, et ] .[al.,2014 با خنک کردن سلولهای خورشیدی به وسیله جریان سیال مانند آب یا هوا عملکرد تولید برق آنها بهبود
1
مییابد. ماهیت طراحی بهتر است به گونهای باشد که از گرمای سیال خنک کننده بتوان استفاده کرد، با استفاده از این روش عملکرد انرژی در واحد سطح سلول بهبود مییابد.[Chow, 2010] سامانه فتوولتائیک-گرمائی ترکیبی از سامانه فتوولتائیک و گرمایی که هر کدام به ترتیب الکتریسیته و گرما تولید میکنند.[Chow, 2010] نتایج تحقیقی نشان میدهد که درصد پوشش لولههای جمع کننده و دبی آب عبوری، مهمترین فاکتورها در عملکرد بازده گرمائی و بازده الکتریکی سامانه فتوولتائیک-گرمائی میباشند.[Herrando, et al.,2014 ]هدف از انجام این تحقیق بررسی اثر دبی-های مختلف سیال خنک کننده بر عملکرد سامانه فتوولتائیک-گرمائی آبی در شهر کرمان بهوسیله شبیهسازی توسط نرمافزار TRNSYS میباشد.
مواد و روشها
مشخصات سامانه فتوولتائیک-گرمائی آبی
سامانه فتوولتائیک -گرمائی آبی، به صورت همزمان انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی تولید میکند. و این امر باعث بهبود بازده کلی سامانه میگردد. برای تولید همزمان انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی توسط سامانه فتوولتائیک-گرمائی از تجهیزاتی مانند، جمع کننده فتوولتائیک-گرمائی، پمپ انتقال سیال، مبدل حرارتی(مخزن)، لولههای انتقال دهنده سیال، گرمکن کمکی استفاده میشود . با برخورد تابش خورشید به سطح پنل، فتونهای نوری جذب شده توسط پنل باعث تولید الکتریسیته در سلولهای پنل شده و درصد زیادی از تابش به صورت گرما منتشر میشود. گرمای زیاد باعث کاهش بازده الکتریکی پنل شده، ور برای رفع این مشکل از تجهیزات خنک کننده استفاده میشود. در سامانه فتوولتائیک گرمائی سیال خنک کننده که بیشتر از نوع آب میباشد، توسط یک پمپ به جریان انداخته شده. آب با عبور از میان شبکه جمع کننده مقداری از گرمای پنل را به خود جذب کرده و با ورود به مبدل حرارتی گرمای آب به مبدل منتقل میشود. آب گرم مصرفی کاربر ابتدا وارد مبدل شده . در این مرحله پیش گرمایش آب صورت میگیرد، و در مرحله بعدی آب وارد گرمکن شده تا به وسیله گرمکن دمای آب به دمای مطلوب رسد. نرم افزار (TRNSYS) با دریافت پارامتر و ورودی متناسب با نوع آزمایش، اعمال ریاضی را روی اطلاعات دریافتی انجام داده و خروجی را به صورت گرافیکی و عددی نمایش میدهد. در سامانه شبیهسازی شده دو فاز جریان سیال جداگانه وجود دارد. فاز اول جریان سیال به صورت یک مدار جریان بسته میباشد، جریان سیال به صورت اجباری توسط یک پمپ از مخزن دریافت و به شبکه جمع کنندهای که در زیر سلول فتوولتائیک است ارسال میشود، و بعد از عبور سیال از میان لوله-های شبکه جمع کننده به مخزن بازگرداننده میشود. برای پیدا کردن حالت بهینه، دبی سیال خنک کننده را در چهار سطح آزمایش کرده. فاز دوم جریان سیال به صورت مدار باز بوده، که در این فاز سیال از لوله آب شهر گرفته شده و توسط یک پمپ به مخزن و از آنجا به گرمکن ارسال شده. در آخر توسط کاربر سطح مقطع پنلهای فتووتائیک، دبی پمپ انتقال دهنده سیال، توان مصرفی گرمکن کمکی و دمای سیال خروجی از گرمکن کمکی انتخاب میشود. آزمایشها در دو روز از سال(15 دی 15- خرداد) انجام شده، و این آزمایش در دبی ثابت پمپ مدار باز 120) کیلوگرم بر ساعت) و چهار دبی مختلف پمپ مدار بسته(120،90،60،30 کیلوگرم بر ساعت) صورت گرفته است.با حرکت سیال در مدار جریان بسته(فاز اول)، سیال که از نوع آب میباشد، گرمای شبکه جمع کننده راکه در تماس مستقیم با سلول-های خورشیدی بوده، به خود جذب کرده. و با انتقال سیال به مخزنی که از نوع مبدل حرارتی میباشد، گرمای سیال جذب شده و این امر باعث افزایش دمای درونی مبدل حرارتی شده. سیالی که وارد مبدل حرارتی شده مقداری ار دمای خود را به مبدل حرارتی داده، دوباره توسط پمپ به جریان انداخته شده و وارد مدار جریان بسته شده و این چرخه تکرار میشود. افزایش دمای درونی مبدل باعث بالا رفتن دمای آب مصرفی کاربران شده و آب مصرفی کاربر توسط یک
2
پمپ به جریان انداخته میشود. جریان آبی که از مخزن عبور میکند وارد گرمکن کمکی شده و در صورت نیاز کاربر گرمکن فعال شده، تا دمای آب مصرفی را به دمای مورد نیاز برساند.
شکل -1 سامانه فتوولتائیک-گرمائی آبی شبیه سازی شده با نرمافزار TRNSYS
نتایج و بحث
تمرکز اصلی این مقاله بر روی تاثیر دبیهای مختلف سیال خنک کننده بر بازده حرارتی سامانه در دو فصل متفاوت از یک سال میباشد. در این آزمایشها، دبی سیال خنک کننده در چهار سطح 120)،90،60،30 کیلوگرم بر ساعت) بر عملکرد حرارتی و الکتریکی سامانهی فتوولتائیک-گرمائی بررسی شد. در شکل2و3، نحوهی تغییر دمای سطح پنل با تغیر دبی سیال در فصلهای مختلف سال مشاهده میشود. هرچه دمای سطح پنل کمتر باشد بازده الکتریکی بشتر میباشد. در خرداد ماه به دلیل موقعیت کره زمین نسبت به خورشید دمای هوا و شدت تابش خورشید با دی ماه متفاوت میباشد و در خرداد دمای سطح پنل بیشتر است بوده. در دی ماه پنل فتوواتائیک بازده الکتریکی بهتری نسبت به خرداد ماه دارد.
3
شکل -2 دمای میانگین سطح پنل در چهار دبی مختلف در 15 خرداد ماه
شکل -3 دمای میانگین سطح پنل در چهار دبی مختلف در 15 دی ماه
همان طور که در شکل 2و3، مشاهده میکنید کمترین دمای میانگین سطح پنل در دبی 120 کیلوگرم بر ساعت، و بیشترین دمای میانگین سطح پنل در دبی 30 کیلوگرم بر ساعت میباشد. پنل فتوولتائیک-گرمائی در دمای میانگین سطحی کمتر که در دبی بالاتر بدست میآید دارای بازده الکتریکی است. از طرفی در دبی بالای سیال بازده حرارتی
4
