بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
تحليل و ارزيابي انرژي و اکسرژي جمع کننده صفحه تخت سامانه ي آبگرمکن خورشيدي
چکيده
در سامانه هاي آبگرمکن خورشيدي، جمع کننده صفحه تخت به عنوان يکي از اصليترين بخش هاي سامانه است و عملکرد حرارتي بهينه آن در عملکرد کل سامانه تاثير بسزائي دارد. از اين رو بررسي مقدار کيفيت انرژي يا همان اکسرژي جمع آوري شده توسط جمع کننده - هاي خورشيدي از اهميت بالايي برخوردار است . لذا در اين پژوهش به ارزيابي اکسرژي جمع کننده ي صفحه تخت خورشيدي بکارگرفته شده در يک سامانه ي آبگرمکن خورشيدي جهت گرمايش سالن مرغداري مدل پرداخته شد. سامانه آبگرمکن خورشيدي از نوع فعال بوده و داراي دو عدد جمع کننده با مساحت کل ٥.١ مترمربع و نيز يک مخزن آب گرم با ظرفيت ٣٠٠ ليتر ميباشد. با توجه به معادلات و تعادل اکسرژي، بازده انرژي و اکسرژي جمع کننده پ محاسبه شد.
نتايج نشان داد با افزايش دماي محيط ، دماي آب پ خروجي و ميزان شار تابشي از جمع کننده بازده انرژي و اکسرژي افزايش يافته و رفته رفته با کاهش دماي محيط ، دماي آب خروجي از جمع کننده و ميزان شار تابشي بازده انرژي و اکسرژي کاهش مي يابد. ميانگين بازده انرژي براي مدت آزمايش ٣٧.٣٩% به دست آمد، در حاليکه ميانگين بازده اکسرژي براي همين مدت آزمايش ٧٩.١٩% بود.
واژه هاي کليدي
انرژي هاي نو، سامانه آبگرم کن خورشيدي، جمـع کننـده صـفحه تخت ، بازده انرژي، بازده اکسرژي
مقدمه
خورشيد به عنوان منبع انرژي و سرآغاز حيات و منشـاء تمـام انـرژي هاي ديگر شناخته شده است . انرژي خورشـيدي عظـيم تـرين منبـع انرژي در جهان است ، اين انـرژي پـاک، ارزان و بـيپايـان بـوده و در بيشتر مناطق کره زمين قابل استحصال ميباشد. به طور کلي استفاده از منابع جديد انرژي(شامل انرژي هسته اي و انرژي هاي تجديدپذير) هماهنگ با منابع انرژي فسيلي امري ضروري و اجتنـاب ناپـذير مـي باشد[١]. ايران کشوري است که با وجود ٣٠٠روز آفتـابي در بـيش از دو سوم آن و متوسط تابش ٥.٥– ٤.٥ کيلووات ساعت بر مترمربع در روز يکي از کشورهاي با پتانسـيل بـالا در زمينـه انـرژي خورشـيدي معرفي شده است . باتوجه به استانداردهاي بـين المللـي اگـر ميـانگين انرژي تابشي خورشيد در روز بالاتر از ٣.٥ کيلووات ساعت در مترمربع باشد، استفاده از مدل هاي انرژي خورشيدي نظير جمـع کننـده هـاي خورشيدي يا سامانه هاي فتوولتائيک ميتواند اقتصـادي و مقـرون بـه صرفه باشد[٢]. در حال حاضر، بيش از٨١ درصد کل انرژي مصـرفي جهان و بيش از ٩٥ درصد انرژي مصرفي در ايـران را سـوخت هـاي فسيلي تامين ميکنند[٣]. امروزه کاهش منابع انرژي و نياز روزافزون به اين منابع در فرآيندهاي مختلف صنعتي سبب گرديده سامانه هـاي داراي پتانســيل و کيفيــت بــالاي انــرژي مــورد شناســايي وارزيــابي قرارگيرند. بديهي است سامانه هاي داراي پتانسيل بـازدهي بـالا مـي- توانند در کاهش مصرف منـابع فسـيلي و يـا گـران قيمـت انـرژي در فرآيندهاي مختلف موثر واقع شوند. کاربرد تجزيه و تحليـل اکسـرژي در فرآينـدهاي سـامانه هـاي آب گـرمکن خورشـيدي از نقطـه نظـر ترموديناميکي از اهميت ويژه اي براي شناسـايي مکـان هـاي تلفـات و بهبود عملکرد فرآيندها برخوردار است . ايـن شناسـايي مـيتوانـد بـه تصميم گيري در بهبود فرآيند، جهت کاهش مصرف انرژي يـا کـاهش ميزان مواد زائد تخليه شده به محيط منجرگـردد، بـه همـين منظـور شناخت تاثير عوامل مختلف روي بازده اکسرژي ميتواند سـبب شـود تا با در نظرگرفتن اين عوامل و پيـدا کـردن شـرايط بهينـه در جمـع کننده ها بيشترين بازده ممکن را از انرژي خورشيدي موجود به دست آورد. در اين راستا جعفرکاظمي و احمدي فرد در تحقيقي، يک مـدل نظري و جامع براي تجزيه و تحليـل انـرژي و اکسـرژي جمـع کننـده خورشيدي صفحه تخت را ارائه دادند که از طريق آن اثر پارامترهـاي طراحي برعملکرد را ميتوان مورد بررسي قرار داد. پـس از بررسـي و تاييد مدل بر اساس داده هـاي آزمايشـگاهي، اثـر پارامترهـايي ماننـد سرعت جريان سيال و دما، نـوع کـار سـيال و ضـخامت عـايق پشـت درميزان بازده انرژي و اکسرژي از جمـع کننـده مـورد بررسـي قـرار گرفت و بر اساس تجزيه و تحليل و مقايسه نتايج ، شرايط کار مطلوب از سامانه مشخص شـد[٤]. چنـگ هـين و زموريـانو در پـروژه اي بـه بهينه سازي يک سيستم گرمايش خورشيدي که براي تـامين گرمـا و توليد آب گرم براي مصارف خانگي بـود پرداختنـد. نتـايج ارائـه شـده شامل چهار تنظيمات بهينه ي مختلف بسته به تـابع هـدف بـراي بـه حداقل رساندن هزينه چرخه عمر، مصرف انرژي و اکسـرژي تخريـب شده بود[٥]. فودهلي وهمکاران يک سيستم خشک کـن خورشـيدي، براي خشک کردن جلبک دريايي طراحي و ساختند. جلبـک دريـايي منبع بالقوه انرژي تجديدپذير است و مي توان آن را بـه انـرژيهـايي مانند سوخت هاي زيستي، بيوديزل و گاز تبديل کرد. اين مطالعـه بـه تجزيه و تحليل انرژي و اکسرژي فرآينـد خشـک کـردن خورشـيدي جلبک دريايي قرمز پرداخته است [٦]. خاليد و همکـاران از دو منبـع انرژي تجديد پذير ترکيبي، زيست توده و سيستم يکپارچه خورشيدي براي توليد خروجي هاي متعدد به عنوان مثال ، توان ، خنـک کننـده ، آب گرم ، هواي گرم استفاده کردند.ازتجزيه و تحليل انرژي و اکسرژي براي ارزيابي عملکرد چرخه استفاده شد و اثرات پارامترهـاي مختلـف در بازدهي انرژي و اکسرژي سيستم مورد بررسي قـرار گرفـت . بـازده کلي انرژي و اکسرژي سيستم ها به ترتيب ٦٦.٥% و ٣٩.٧% بـود[٧].
بواديلا و همکاران در يـک تحقيـق يـک بخـاري هـوا خورشـيدي بـا سيستم انرژي ذخيره سازي پنهـان کـروي بـا بسـتر PCM پيشـنهاد دادند.اثر برخي از پارامترها مانند تابش خورشيدي کلـي و نـرخ هـاي متفاوت جريان جرمي بر جذب ، استفاده شـد. از نتـايج تجربـي بـراي تجزيه و تحليل عملکرد سيستم استفاده شد. بهره وري انـرژي روزانـه بين ٣٢٪ و ٤٥٪ متفاوت بود، در حالي که بازده اکسرژي روزانه بـين ١٣٪ و ٢٥٪ متفاوت بود[٨]. با توجه به مصرف بسيار بالاي سوخت - هاي فسيلي نياز به بهينه سازي و کاهش اتلاف انرژي در ساختمان ها، در ايـن تحقيـق بـه تحليـل و ارزيـابي انـرژي و اکسـرژي آبگـرمکن خورشـيدي واقــع در پــرديس کشــاورزي و منــابع طبيعــي دانشــگاه تهران [٩]، پرداخته شد.
مواد و روش ها
کـاربرد تجزيـه و تحليـل اکسـرژي در فرآينـدهاي سـامانه هـاي آب گرمکن خورشيدي از نقطه نظر ترموديناميکي از اهميت ويژه اي براي شناسايي مکان هاي تلفات و بهبود عملکرد فرآيندها برخوردار است .
تحليل انرژي
انرژي مفيد کسب شده توسط کلکتور برابر است با[٤]:
که در رابطه فوق Tin و Tout به ترتيب دماي ورودي و خروجي سـيال از جمع کننده و Cp و .m به ترتيـب ظرفيـت حرارتـي و دبـي جرمـي سيال ميباشند.
با در نظر گرفتن اتلاف حرارتـي جمـع کننـده بـه محـيط مجـددا ميتوان رابطه انرژي را به صورت زير بدست آورد[٤]:
که در رابطه فوق Ap مساحت صفحه جاذب ، UL ضريب تلفات حرارتي از سطح رويي کلکتور، I تابش خورشيدي، Ta دماي محيط و τα بازده نوري کلکتور ميباشد.
FR ضريب برداشت حرارت ١ جمع کننده ميباشد که برابر است با[٤]:
در رابطه فوق ́F ضريب بازده کلکتور ميباشد.
بازده انرژي آبگرمکن خورشيدي با توجه به معـادلات بـالا، بـازده انرژي آبگرمکن خورشيدي برابر است با[٤]:
تحليل اکسرژي
در زير به وسيله ي معادلات بسط داده شده و معادله ي بنيادي اکسرژي، سامانه آبگرمکن خورشيدي مورد تحليل اکسرژي قرار گرفته است . نرخ اکسرژي ورودي به وسيله ي جريان سيال به جمع کننده در زير نشان داده شده است [٤]:
که در آن T1 و m1 به ترتيب دما و دبي جرمي سيال ورودي به جمع - کننده مي باشد.
نرخ اکسرژي تشعشعي جذب شده خورشيدي به صورت زير است [٤]:
که در اين رابطه ηo بازده نوري جمع کننده ، Ts دماي ظاهري خورشيد است و برابر با ٧٥% دماي يک جسم سياه در مقابل خورشيد است که برابر K٤٣٥٠ در نظر گرفته شد. در شرايط پايداري نرخ اکسرژي ذخيره شده صفر است .
نرخ اکسرژي خروجي تنها برابر با نرخ اکسرژي خروجي ناشي از جريان سيال است [٤]:
بازده اکسرژي جمع کننده خورشيدي مشخص کننده ي زياد شدن اکسرژي جريان سيال نسبت به اکسرژي تشعشع ورودي ناشي از تشعشع خورشيدي مي باشد. معادله ي بازده اکسرژي براي جمع کننده ي خورشيدي به صورت زير مي باشد[٤]:
