بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله حاضر، تحلیل اکسرژي و بهینه سازي یک کلکتور حرارتی فتوولتائیک خورشیدي - PV/T - 2 انجام شده است.
بدین منظور، از مدل هاي حرارتی و الکتریکی بهبودیافته براي محاسبه پارامترها و راندمان هاي حرارتی و الکتریکی کلکتور PV/T استفاده شده است. علاوه بر این یک معادله جدید براي راندمان اکسرژي کلکتور PV/T بر حسب اتلافات اکسرژي در سیستم PV/T به دست آمده است. یک برنامه شبیه ساز کامپیوتري جهت انجام محاسبات حرارتی و الکتریکی نیز توسعه داده شده است. نتایج این برنامه در توافق خوبی با داده هاي تجربی گذشتگان بوده و همچنین از نتایج شبیه سازي کامپیوتري دیگران دقیق تر می باشد.
در انتها بهینه سازي اکسرژي و مطالعات پارامتري انجام شده است. نتایج نشان میدهند که معادله جدید راندمان اکسرژي کلکتور PV/T در توافق خوبی با معادله راندمان اکسرژي تحقیقات گذشتگان میباشد - خطاي میان دو معادله کمتر از 4 درصد است - . vمقادیر بهینه سرعت سیال ورودي، ارتفاع مجراي جریان و راندمان اکسرژي حداکثر به ترتیب 8/64m/s، 0/013m و 12/3% به دست آمدند.
-1 مقدمه
یک کلکتور حرارتی فتوولتائیک خورشیدي نوعی مبدل گرمایی است که انرژي تابش خورشیدي را دریافت و به انرژي الکتریکی و حرارتی تبدیل می کند. کلکتور هاي PV/T نسبت به کلکتور هاي خورشیدي معمولی داراي مزایاي زیر میباشند:
-1 استفاده از فضاي بهینه نصب به دلیل ترکیب کلکتور خورشیدي و مدول فتوولتائیک در یک سیستم واحد؛
-2 افزایش راندمان مدول فتوولتائیک به دلیل جذب حرارت تحلیل اکسرژي و بهینهسازي کلکتورهاي حرارتی فتوولتائیک خورشیدي بر اساس نرخ اتلافات اکسرژي از سطح آن توسط سیال جاري در کلکتور خورشیدي؛
-3 عدم نیاز به منبع الکتریکی خارجی براي به چرخش در آوردن سیال عامل در کلکتور خورشیدي توسط استفاده از الکتریسیته تولید شده در مدول فتوولتائیک.
در سالهاي اخیر کلکتورهاي PV/T براي کاربردهاي گوناگونی مورد استفاده قرار می گیرند مانند خشک کن هاي PV/T خورشیدي، گلخانه هاي PV/T، آب شیرین کن هاي فعال PV/T خورشیدي، سیستمهاي گرمایش آب PV/T، کلکتورهاي PV/T سقفی و نماي ساختمان و غیره.
هزینه یک وات توان الکتریکی تولیدي توسط کلکتور هاي PV/T در حدود هفت دلار و دوره بازپرداخت سرمایه گذاري روي چنین سیستم هایی در حدود 10-15 سال میباشد.
واضح است که اگر کارایی یک کلکتور PV/T بهینه شود و افزایش یابد دوره بازپرداخت سرمایهگذاري آن کاهش مییابد.
پس ارزیابی کارایی بهینه یک کلکتور PV/T مهم است. کارایی یک کلکتور PV/T وابسته به پارامترهاي جوي، حرارتی، الکتریکی و طراحی مانند دماي محیط، شدت تابش خورشیدي، سرعت باد، دماي سلول خورشیدي، دماي سطح زیرین تدلار، دماي سیال ورودي و خروجی، سرعت سیال ورودي، ولتاژ مدار باز، جریان اتصال کوتاه، ولتاژ و جریان در نقطه توان ماکزیمم، طول و عرض کلکتور PV/T، ضریب اتلاف حرارت کلی و غیره میباشد. ارزیابی عملکرد یک کلکتور PV/T را میتوان بر مبناي قانون اول و دوم ترمودینامیک انجام داد که به ترتیب راندمان انرژي و راندمان اکسرژي نامیده میشود. تحلیل انرژي برخی نقص ها دارد
-1 تحلیل انرژي به جهت فرایندها کاري ندارد. در قانون اول
به تعادل انرژي اهمیت داده میشود مثلاً در این قانون اهمیت ندارد که مقداري گرما خود به خودي از محیط با دماي کمتر به محیط دماي بیشتر برود، مهم فقط مقدار گرماي انتقال یافته میباشد؛
-2 تحلیل انرژي کیفیت انرژي را مشخص نمیکند مثلاً یک وات گرما را برابر با یک وات کار یا الکتریسیته معرفی میکند؛
-3 تحلیل انرژي برخی از فرایندها را درست تفسیر نمیکند مثلاً هواي محیط زمانی که به صورت همدما فشرده میشود تغییر انرژي - آنتالپی - آن برابر با صفر است در حالی که اکسرژي آن از صفر بزرگتر است؛
-4 تحلیل انرژي بازگشتناپذیريهاي داخلی را نشان نمیدهد و معیار کاملی براي ارزیابی کارایی کلکتور PV/T نمیباشد.
بنابراین تحلیل اکسرژي در مقایسه با تحلیل انرژي جنبه عملی و واقعیتري از فرایندها را عرضه میکند. لذا در این ، به ارزیابی کارایی و بهینه سازي یک کلکتور PV/T از دیدگاه اکسرژي پرداخته شده است.
تحقیقات تجربی و تئوري زیادي در خصوص بررسی عملکرد انرژي و یا اکسرژي کلکتور هاي PV/T انجام شده است. ولف [3] در اوایل دهه 1970 میلادي مفاهیم اساسی کلکتور PV/T مطرح کردند. فوجیساوا و تانی در سال 1997 عملکرد سالیانه یک کلکتور مایعی صفحه تخت، یک مدول فتوولتائیک، یک کلکتور PV/T با پوشش شیشه اي و یک کلکتور PV/T بدون پوشش شیشهاي را مقایسه کردند.
ارزیابی انرژي داده هاي اندازه گیريشده نشان داد که کلکتور PV/T با پوشش شیشه اي بهترین عملکرد را دارد ولی بر اساس تحلیل اکسرژي کلکتور PV/T بدون پوشش شیشه اي بهترین عملکرد را دارد .[4] بوساناك و همکاران در سال 2003 تحلیل اکسرژي یک سیستم PV/T مایعی را به صورت مختصر انجام دادند و یک راندمان اکسرژي ماکزیمم حدود %12 و راندمان انرژي کلی حدود %60 را گزارش کردند
شاهین و همکاران در سال 2007 به تحلیل اکسرژي مدول فتوولتائیک خورشیدي پرداختند و ضمن معرفی مؤلفههاي اکسرژي در مدول فتوولتائیک، راندمان اکسرژي مدول فتوولتائیک را بدست آوردند .[6] جوشی و تیواري در سال 2007 تحلیل انرژي و اکسرژي یک کلکتور PV/T را انجام دادند. آن ها راندمان انرژي و اکسرژي کلکتور PV/T به ترتیب بین 55-65% و 12-15% گزارش کردند .[7] نایاك و تیواري در سال 2008 عملکرد اکسرژي یک مدول فتوولتائیک متصل به گلخانه را بررسی کردند و راندمان اکسرژي 4% را براي سیستم مورد بررسی گزارش کردند
جوشی و همکاران در سال 2009 به بررسی آزمایشگاهی عملکرد حرارتی و شبیه سازي کامپیوتري یک کلکتور PV/T پرداختند و نشان دادند با تغییر دبی جریان هوا در کلکتور میتوان دماي سطح مدول فتوولتائیک را کنترل و ثابت نگه داشت و از کاهش راندمان انرژي آن به واسطه تغییرات دادههاي محیطی جلوگیري کرد
جوشی و همکاران در سال 2009 ارزیابی عملکرد سیستم هاي فتوولتائیک و PV/T را بر اساس تحلیل
اکسرژي انجام دادند و گزارش کردند که اگر حرارت به نحوي از سطح مدول فتوولتائیک گرفته شود راندمان اکسرژي آن افزایش مییابد
چو و همکاران در سال 2009 ارزیابی عملکرد کلکتور هاي PV/T مایعی با پوشش شیشه اي و بدون پوشش شیشه اي را بر حسب تحلیل انرژي و اکسرژي انجام دادند و نتایج مشابه نتایج فوجیساوا و تانی را گزارش کردند
آگراوال و تیواري در سال 2010 تحلیل انرژي و اکسرژي دو سیستم کلکتور BIPV/T که در یکی مدولهاي فتوولتائیک به صورت سري و در دیگري مدول هاي فتوولتائیک به صورت موازي متصل بودند را انجام دادند. آن ها گزارش کردند که در سرعت ثابت جریان هوا، سیستمی که به طور موازي متصل است بهترین عملکرد را دارد
سرحدي و همکاران 14]،[13 به ارزیابی و بهینه سازي عملکرد یک آرایه فتوولتائیک از منظر مفهوم اکسرژي پرداختند و نشان دادند حالت بهینه کارکرد سیستم زمانی رخ میدهد که دماي مدول فتوولتائیک نزدیک به دماي
محیط اطراف آن باشد. سرحدي و همکاران در سال 2010 یک معادله بهبودیافته براي راندمان اکسرژي مدول فتوولتائیک بر حسب تخریبات اکسرژي به دست آوردند
سرحدي و همکاران در سال 2010 با استفاده از یک مدل حرارتی و الکتریکی بهبودیافته، عملکرد حرارتی و الکتریکی یک کلکتور PV/T را بررسی کردند .[16] سرحدي و همکاران در سال 2010 ارزیابی عملکرد یک کلکتور PV/T را بر حسب نرخ اکسرژي خالص خروجی از سیستم PV/T انجام دادند و پارامترهاي بهینه آن را یافتند
راندمان اکسرژي یک سیستم کلکتور PV/T را می توان بر حسب اکسرژي خالص خروجی از سیستم یا اتلافات اکسرژي در سیستم محاسبه کرد. در تحقیقات قبلی [3-18]، راندمان اکسرژي کلکتور PV/T را بر حسب اکسرژي خالص خروجی از سیستم PV/T محاسبه کرده اند. راندمان اکسرژي استفاده شده در مطالعات گذشته نقص هایی دارد.
اولاً شامل اکسرژي افت فشار سیال در مجراي جریان نمی باشد. ثانیاً مؤلفه هاي اتلاف اکسرژي در سیستم PV/T را نشان نمیدهد. ثالثاً در شدت تابش خورشیدي کم، داراي خطاي زیادي می باشد. در شدت تابش خورشیدي کم، مقدار راندمان اکسرژي کلکتور PV/T باید به مقدار صفر میل کند ولی معادله گذشتگان مقدار آن را نزدیک به مقدار راندمان الکتریکی در شرایط مرجع میدهد
برخلاف مطالعات گذشته، در تحقیق حاضر ارزیابی عملکرد و بهینه سازي کلکتور PV/T بر اساس نرخ اتلافات
اکسرژي در سیستم PV/T انجام خواهد شد. تحلیل اکسرژي کلکتور PV/T وابسته به تحلیل انرژي آن می باشد. پس ابتدا تحلیل انرژي انجام می شود. سپس مؤلفه هاي اتلاف اکسرژي و راندمان اکسرژي کلکتور PV/T محاسبه و بهینه میگردند.
-2 تحلیل انرژي
-1-2 تحلیل حرارتی
از یک مدل حرارتی بهبودیافته براي محاسبه پارامترهاي حرارتی و راندمان حرارتی کلکتور PV/T استفاده شده است که به جهت اختصار از آوردن اثبات روابط حاکم بر عملکرد حرارتی کلکتور PV/T خودداري میشود 9-18]،.[16
شکل - 1 - نماي شماتیک مقطع کلکتور PV/T را نشان میدهد.
شکل - 1 - نماي شماتیک مقطع کلکتور 9-18] PV/T،[16
