بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه با افزایش روز افزون مصرف انرژی، استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر اهمیت ویژهای پیدا کرده است. در این میان انرژی خورشید به لحاظ عدم تولید آلایندهها جایگاه ویژهای پیدا کرده است. یکی از سادهترین و مؤثرترین وسیلهها برای جمعآوری انرژی خورشید، کلکتور خورشیدی صفحه تخت است. ضخامت کلکتور و نسبت طول به عرض کلکتور از پارامترهای تأثیرگذار بر عملکرد کلکتورهایی هستند که برای گرم کردن هوا استفاده میشوند.
بنابراین به منظور بررسی تأثیر ضخامت و نسبت طول به عرض کلکتور بر عملکرد کلکتور، 35 مدل کلکتور با ابعاد مختلف با استفاده از نرمافزارهای دینامیک سیالات محاسباتی مدلسازی و تحلیل شدند. بررسی نتایج نشان داد که با افزایش ضخامت کلکتور، دبی جرمی هوای خروجی افزایش خطی داشته، اما اختلاف دمای هوای ورودی و خروجی از کلکتور و بازده حرارتی کاهش مییابد. همچنین با افزایش نسبت طول به عرض کلکتور، دبی جرمی هوای خروجی کاهش، اختلاف دمای هوای ورودی و خروجی و بازده حرارتی کلکتور افزایش مییابد.
مقدمه
یکی از سیاستهایی که کشورهای توسعه یافته به ویژه در چند دهه اخیر به شدت دنبال کردهاند، سیاست جایگزینی سوختهای فسیلی توسط انرژیهای تجدیدپذیر میباشد. مهمترین نوع انرژی تجدیدپذیر، انرژی خورشید بوده که میزان تابش آن، تنها بر سطح ایران بیش از دو برابر انرژی مصرفی کل جهان است.
سادهترین و مؤثرترین وسیلهها برای جمعآوری انرژی خورشید به منظور استفاده در سیستمهایی که نیاز به انرژی حرارتی در درجه حرارت نسبتا پایین دارند، کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت هستند.کلکتور صفحه تخت نسبت به انواع متمرکز کننده که در دماهای بالا استفاده میشوند، طراحی ساده و هزینه ساخت پایینی دارد و همچنین علاوه بر جذب تابش مستقیم قادر به جذب تابش دیفیوز نیز است.
کلکتورهای صفحه تخت از یک پوشش شفاف برای عبور تابش خورشید و از یک صفحه جاذب برای جذب تابش عبور داده شده تشکیل شدهاند. ضخامت کلکتور و نسبت طول به عرض کلکتور از عوامل تأثیرگذار بر عملکرد کلکتور هستند. جهتگیری و زاویه شیب کلکتور میزان تابش دریافتی توسط سطح کلکتور را تغییر میدهند بنابراین باید بهترین جهتگیری و زاویه شیب برای کلکتور تعیین شود. در نیمکره شمالی بهترین جهت برای نصب کلکتورها، جهت جنوب است و برای جذب حداکثر تابش کل سالانه زاویه شیب کلکتور برابر با عرض جغرافیایی منطقه در نظر گرفته میشود
با توجه به اینکه ساخت کلکتور با ابعاد مختلف و تجهیزات آزمایش علاوه بر دشواری و صرف وقت هزینه زیادی را نیز دارد باید به دنبال روش دیگری به جای انجام آزمایش بود. دینامیک سیالات محاسباتی - Computational Fluid Dynamics - یا به اختصار CFD دربردارندهی روشهای تحلیلی سیستمهای شامل جریان سیال و انتقال حرارت و سایر پدیدههای همراه میباشد. تطبیق پذیری، دقت و کارآمد بودن این روش باعث افزایش کاربرد آن در اکثر فرآیندها شده است
حالتهای ممکن قرارگیری سیستم تهویه مطبوع را برای دستیابی به بهترین مکان قرارگیری سیستم تهویه مطبوع در یک اتاق استاندارد اداری با استفاده از CFD توسط پژوهشگرانی شبیهسازی شد . - Yongson et al. ,2007 - افراد دیگری نیز از CFD برای تخمین میانگین سرعت و دما درون دودکش خورشیدی استفاده کردند. این افراد دودکش را به صورت دو بعدی، با استفاده از نرمافزار فلوئنت و با فرض یکنواخت بودن توزیع دما در بعد سوم شبیهسازی کردند. بررسی نتایج نشان داد که با افزایش ارتفاع دودکش، سرعت و دمای هوای درون دودکش افزایش مییابد .
پژوهشگرانی با استفاده از مدل ریاضی و مدل CFD دوبعدی شیب بهینهای که باعث جذب ماکزیمم تشعشع و ماکزیمم جریان هوا در دودکشهای خورشیدی میشود را تعیین کردند. آنها دودکش خورشیدی را توسط نرمافزار فلوئنت شبیهسازی و از مدل انتقال تنش برشی - - k- برای مدل تلاطم استفاده کردند. بررسی نتایج نشان داد که با افزایش شیب دودکش سرعت جریان هوا افزایش و دمای هوا کاهش مییابد.مقایسه نتایج نشان داد که همبستگی قابل قبولی بین نتایج تجربی، مدل ریاضی و مدل CFD وجود داشت .
پژوهشگران دیگری نیز با استفاده از CFD و آزمایشات تجربی تاثیر ضخامت و شیب دودکشهای خورشیدی را بر جریان هوای خروجی دودکشهای خورشیدی بررسی کردهاند. آنها با بکارگیری روش حجم محدود معادلات بقای جرم، پیوستگی و معادلهی انرژی را برای دودکش خورشیدی حل کردند.
دودکش بهصورت دو بعدی با استفاده از نرمافزار Fluent شبیهسازی شد و جریان هوا به صورت جریان متلاطم و غیرپایدار در نظر گرفته شد. فشار در ورودی و خروجی دودکش برابر با فشار اتمسفر تعریف شد همچنین از مدل k- استاندارد برای مدل تلاطم استفاده شد. با بررسی نتایج مشخص شد که با افزایش فاصله بین صفحهی جاذب و پوشش شیشهای جریان هوای دودکش خورشیدی افزایش مییابد. مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازی و نتایج آزمایشات نشان داد که تطابق خوبی بین این دو وجود دارد .
برخی جریان هوا را در یک دودکش خورشیدی از طریق CFD و روش حجم محدود بررسی کردند. آنها به منظور بررسی اثر افزایش ارتفاع، عرض دهانه ورودی دودکش و افزایش گرادیان حرارتی دیوارهها بر میزان بهبود کارآیی دودکش خورشیدی، 48 مدل را با استفاده از نرمافزار فلوئنت تحلیل کردند. آنها برای ایجاد شبکه از نرمافزار گمبیت و شبکه سازمان یافته استفاده کردند. بررسی نتایج نشان داد که با افزایش ارتفاع دودکش، نرخ جرمی جریان هوای خروجی از دودکش افزایش مییابد همچنین با افزایش عرض دهانه ورودی دودکش میزان سرعت و نرخ جرمی جریان هوا افزایش مییابد
تاثیر نسبت طول به عرض کلکتور صفحه تخت را بر بازده کلکتور به صورت تئوری و آزمایشگاهی نیز توسط محققانی بررسی شده است. نتایج این افراد نشان داد که در یک سطح کلکتور ثابت با افزایش نسبت طول به عرض و با توجه به ثابت نگهداشتن دبی، سرعت جریان هوا افزایش مییابد که این افزایش منجر به افزایش بازده کلکتور میشود .
با بررسی تحقیقات انجام شده مشخص گردید که پژوهشی در مورد شبیهسازی کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی صورت نگرفته است و با توجه به کارآمد بودن این روش در شبیهسازی سیستمهای شامل جریان سیال و انتقال حرارت در تحقیق حاضر از دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیهسازی کلکتور خورشیدی صفحه تخت به منظور بررسی تأثیر ضخامت و نسبت طول به عرض کلکتور بر عملکرد کلکتور استفاده شد.
تئوری تحقیق
با توجه به نکات تأثیرگذار بر جریان هوا در کلکتور و جذب گرما در کلکتور که ناشی از قوانین و ماهیت پدیدههای علوم مکانیک سیالات، انتقال حرارت و جابهجایی آزاد میباشند، دو پارامتر هندسی مهم که بر بازده کلکتور مؤثر بود، انتخاب شد.
همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است دو پارامتر هندسی ضخامت - t - و نسبت طول به عرض کلکتور - L/W - به عنوان پارامترهای تأثیرگذار انتخاب شدند. صفحه بالایی که در شکل دیده میشود پوشش شفاف است که موجب عبور تابش خورشید به داخل کلکتور میشود و صفحه پایینی صفحه جاذب است که تابش عبور داده شده از پوشش شفاف را جذب میکند. شیشه با ضریب عبور 0/88 به عنوان پوشش شفاف و آلومینیم با پوشش تیره با ضریب جذب 0/95 به عنوان صفحه جاذب انتخاب شد .
