بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی عملکرد لوله حرارتی در کلکتورهاي خورشیدي متمرکزکننده بمنظور بهبود
کارایی آن
چکیده
انرژي خورشید منبع اولیه تمامی انرژيهاي موجود در طبیعت است، به بیان دیگر تمامی انرژيها از آن ناشی میشوند. از این رو تبدیل مستقیم انرژي خورشید به انرژيهاي قابل استفاده امر بسیار مهمی است. تجهیزات حرارتی خورشیدي بسیاري وجود دارند که از آن جمله کلکتورهاي متمرکز کننده هستند که سیال را به دماي 100 تا 400 درجه سانتیگراد میرسانند. از آنها براي کاربردهاي مختلفی مانند تولید توان، تولید بخار صنعتی و تولید آب داغ استفاده میشود. از آنجایی که در کلکتورهاي متمرکز کننده سهموي میتوان به دماهاي بالا دست یافت، بنابراین از آنها بیشتر در تولید بخار استفاده میشود. کلکتورهاي متمرکز کننده سهموي خطی شامل متمرکز کننده و یک لوله دریافت کننده حرارت هستند. سیستم پوشش انتخابی سطح لولهها از اتلاف انرژي (همر فتی و تشعشعی) از آنها جلوگیري میکند و عملکرد کلکتور را افزایش میدهد. همچنین یک مجراي خلاء جهت کاهش اتلاف حرارتی و همچنین کاهش خوردگی سطح متمرکز کننده، ایجاد میشود.
سیستم دیگري نیز براي ردیابی تابش خورشید در کلکتورها استفاده میشود. در این مطالعه، دو نوع متفاوت از پوششهاي شیشهاي بصورت محاسباتی تحلیل شدهاند: (الف) پوشش تک لایه شیشهاي بر روي دریافت کننده، (ب) پوشش دو لایه شیشهاي بر روي دریافت کننده. با توجه به نتایج بدست آمده راندمان متمرکز کننده خورشیدي تابعی از شدت تابش می باشد و متمرکز کننده با یک پوشش شیشه اي بر روي لوله جاذب بیشترین راندمان را دارد.
واژههاي کلیدي: انرژي خورشید، کلکتورهاي متمرکز کننده، لوله جاذب، پوشش شیشهاي، راندمان آنی.
-1 مقدمه
در دنیاي امروزي انرژي یک نیاز حیاتی براي نسل بشر است. کشوري که داراي بیشترین تولید انرژي باشد بیشترین پیشرفت نسبت به سایر کشورها را دارد. انرژي براي انجام هر کاري ضروري است. انرژي خورشید یکی از منابع ضروري انرژي تجدیدپذیر جهان است. تجهیزات حرارتی خورشیدي بسیاري وجود دارند که از آن جمله کلکتورهاي متمرکز کننده هستند که سیال را به دماي 100 تا 400 درجه سانتیگراد میرسانند. از آنها براي کاربردهاي مختلفی مانند تولید توان، تولید بخار صنعتی و تولید آب داغ استفاده میشود. از آنجایی که در کلکتورهاي متمرکز کننده سهموي میتوان به دماهاي بالا دست یافت، بنابراین از آنها بیشتر در تولید بخار استفاده میشود. کلکتورهاي متمرکز کننده سهموي خطی شامل متمرکز کننده و یک لوله دریافت کننده حرارت هستند. لوله دریافت کننده، تابش ورودي را جذب میکند و آن را به انرژي گرمایشی تبدیل میکند، سپس این انرژي توسط مایع عبوري از درون لوله دریافت کننده جذب، انتقال و ذخیره میشود. مزیت این شیوه جمعآوري انرژي خورشیدي،کارایی بالا و هزینه کم آن است و میتوان از آن براي ذخیره انرژي گرمایشی و تولید الکتریسیته نیز بهره برد. از این رو این شیوه یک متد مهم جهت بهرهبرداري از انرژي خورشیدي است و نیروگاههاي برق مختلفی با استفاده از این فناوري ساخته شدهاند و بسیاري دیگر در حال ساخت هستند.
نخستین کلکتور سهموي شکل در سال1880 توسط اریکسون ساخته شد. سپس در سال 1907 دو آلمانی به نامهاي مایر1 و
ریمشگریلت2، اولین حق ثبت اختراع فناوري کلکتور سهموي شکل را دریافت کردند. والنتینا3 بر روي کلکتورهاي سهموي کار کرد
و توانست دماي سیال عامل عبوري از آن را به دماي حدود 550 درجه سانتیگراد برساند. روغنهاي هیدروکربنی مصنوعی که اشتعالپذیر، گران قیمت و ناپایدار در دماهاي بالاي 400 درجه سانتیگراد می باشند، با مخلوطی از نمکهاي مذاب (سدیم و پتاسیم نیترات) جایگزین شدند که به صورت گستردهاي در کاربردهاي صنعتی استفاده میشود و از لحاظ شیمیایی در مصارف حدود 600 درجه سانتیگراد به عنوان سیال عامل بکار می رود.
فلومانی4 طرح، ساخت و آزمایش یک تولید کننده بخار خورشیدي سهموي شکل را ارائه کرد که با انرژي خورشید کار می کرد
و گرماي خورشید بر روي یک جذب کننده سیاه که در نقطه وسط متمرکز کننده بود، متمرکز میشد و در آن آب تا دماي بسیار بالایی گرم میشد تا به شکل بخار درآید. در یک روز آفتابی معمولی بدون ابر، نتایج آزمایش دمایی بالاتر از 200 درجه سانتیگراد را نشان داد.
اوده5 آزمایشی را بر روي کلکتور سهموي شکل انجام داد تا تاثیر فضاي خلاء بین لوله فولادي و پوشش شیشهاي را بر کاهش اتلاف گرمایی کلی به دست آورد. محاسبات جهت محاسبه اتلاف گرمایی کلی از دیواره بیرونی لوله فولادي جاذب به فضاي خلاء توسط فرآیند تشعشع انجام شد. اتلاف گرما از پوشش شیشهاي توسط تشعشع به آسمان و با جابجایی به هواي اطراف توسط باد یا جابجایی طبیعی رخ میدهد.
مطالعات زیادي بر روي ساختار و عملکرد کلکتورهاي متمرکز کننده سهموي انجام شده است. در این مطالعه، دو نوع متفاوت از پوششهاي شیشهاي بصورت محاسباتی تحلیل شدهاند: (الف) پوشش تک لایه شیشهاي بر روي دریافت کننده، (ب) پوشش دو لایه شیشهاي بر روي دریافت کننده.
-2 تابش خورشیدي و متمرکز کننده سهموي
جهت طراحی فرآیند تابش خورشیدي و محاسبه عملکرد متمرکز کننده اغلب لازم است که میزان تشعشع ساعتی بر روي یک سطح خمیده کلکتور را از طریق اندازهگیري یا تخمین تشعشع خورشیدي در یک سطح افقی، محاسبه کنیم. در این مقاله براي بررسی رفتار حرارتی متمرکز کننده، شهر ارومیه 37.32 N) و (45.4 E انتخاب شده است.
ضریب هندسی یا ضریب انحنا براي پرتوهاي تشعشعی (Rb)، نسبت شار پرتوهاي تشعشعی تابیده شده روي سطح خمیده بر شار پرتوهاي تشعشعی تابیده شده بر سطحی افقی میباشد:
ضریب هندسی یا ضریب انحنا براي تابش پخش شده (Rd)، بصورت نسبت شار تشعشعی پخش شده بر روي سطح خمیده بر تابش پخش شده بر روي یک سطح افقی است. ضریب انحنا براي تابش پخش شده بر روي سطح خمیده با شیب β به صورت زیر میباشد:
بطو مشابه ضریب انحنا براي تابش بازتاب شده به صورت زیر است:
که P برابر مقدار بازتابندگی است.
بنابراین کل شار تابشی خورشید که بر روي سطح خمیده میتابد برابر است با:
-3 عملکرد متمرکز کننده سهموي خورشیدي
اجزاي اصلی یک کلکتور خورشیدي عبارتند از: (الف) لوله جاذب که در محور کانونی کلکتور قرار میگیرد و مایع عبوري را گرم میکند، (ب) حفاظ شیشهاي شفاف هم مرکز با لوله جاذب، (ج) صفحه بازتابنده و (د) سازه نگهدارنده اجزا. لوله جاذب و حفاظ شیشهاي آن با هم دریافت کننده کلکتور را تشکیل می دهند. دماهاي تحویل انرژي را میتوان از طریق کاهش سطح نواحی که از آنها اتلاف انرژي رخ میدهد، افزایش داد یعنی نسبت تمرکز تابش را افزایش دهیم. براي بیشتر کردن میزان تابش تشعشعی خورشید از سیستم جهتیابی جهت دنبال کردن تابش خورشید استفاده میشود تا اینکه پرتوهاي تابشی به صورت مستقیم بر سطح جاذب بتابند. همچنین از تجهیزاتی جهت نگهداري از سیستم استفاده میشودمخصوصاَ براي حفظ کیفیت سیستمهاي نوري براي مدت طولانی از وجود گرد و خاك و زنگ زدگی یا خورندگی مواد موجود در اتمسفر.
-1-3 عبور تابش از میان حفاظ شیشهاي عبور تابش از میان حفاظ شیشهاي تابعی از تشعشع رسیده، ضخامت، ضریب شکست و ضریب جذب مواد است. در ادامه فرض
میشود که تمام این فاکتورها مستقل از طول موج میباشند.
وقتی که پرتو نوري با شدت Ibn از طریق محیط واسط 1 عبور میکند فضاي مابین جدا کننده محیط واسط 1و محیط واسط 2
را طی میکند، بازتاب و بازشکست میشود. شدت پرتوهاي بازتاب شده، Ir میشود و جهتی میگیرند که زاویه بازتاب برابر با زاویه برخورد است و قانون اسنل6 عنوان میکند که:
که θ1 زاویه برخورد و θ2 برابر با زاویه شکست و n برابر با ضریبهاي شکست نسبی 2 محیط است.
فرنل معادلهاي براي مولفههاي موازي و عمودي تشعشع تابیده شده بر روي سطح ارایه کرده است:
و
بنابراین، میزان بازتابش (r=Ir/Ibn) وابسته به زوایاي برخورد و بازتاب است.
نفوذپذیري τ، براي تعداد N پوشش بصورت زیر میشود:
افت جذب نیز میشود:
در اینجا K برابر ضریب جذب ماده میباشد و L برابر با ضخامت پوشش است.
نفوذپذیري سیستم پوششی یک کلکتور را میتوان با در نظر گرفتن بازتابش، بازشکست و جذب به صورت جداگانه به دست آورد و به صورت زیر می باشد:
τ = τa τr
که τr برابر با نفوذپذیري بدست آمده با در نظر گرفتن تنها بازتابش و بازشکست است.
τa برابر با نفوذپذیري بدست آمده با در نظر گرفتن تنها جذب است.
میزان تقریبی جذب یک کلکتور خورشیدي را میتوان به صورت زیر نوشت:
α= 1- τa
همچنین بازتابش نیز به صورت زیر است:
ρ = τa - τ
در اینجا عملکرد دو نوع مختلف از سیستم حفاظ شیشهاي به صورت محاسباتی تحلیل و راندمان آنی آنها نیز مقایسه میشود.
راندمان آنی به صورت نسبت نرخ انرژي مفید داده شده به سیال عامل بر واحد شار تابشی تابیده شده بر سطح دهانه کلکتور تعریف میشود. راندمان آنی متمرکز کننده سهموي را میتوان از معادله تعادل انرژي در لوله جاذب محاسبه کرد.
فرضیات:
-1 فرض میشود انتقال حرارت تحت شرایط حالت پایدار رخ می دهد. -2 جریان گرما در یک جهت می باشد.
-3 گرادیان دما ثابت است و پروفیل دما خطی است. -4 هیچگونه تولید گرماي درونی وجود ندارد.
-5 مواد همگن و ایزوتروپیک هستند.
-6 نرخ جریان جرم ثابت است.
-7 فضاي بین پوشش شیشهاي و لوله جاذب خلاء میباشد.
براي متمرکز کننده سهموي پارامترهاي هندسی و نوري زیر را در نظر میگیریم:
