بخشی از مقاله
چکیده
بروز بحران کمبود نفت در سالهای اخیر و شروع نگرانی های مربوط به مسایل آلودگی محیط زیست، کشورهای جهان به ویژه کشورهای صنعتی توسعه یافته را بر آن داشته تا از انرژی های تجدیدپذیر بهره بیشتری ببرند. همهی ما میدانیم که انرژی خورشید یکی از مفیدترین و در دسترسترین انرژیها میباشد و با توجه به نیاز روزافزون جامعه به انرژی هر روز بر ارزش آن افزوده میشود.
انرژی خورشید، با توجه به اینکه انرژی کاملا پاک و عاری از هرگونه آلودگی بوده و به عنوان منبع انرژی کاملا ارزان شناخته شده است، اهمیت بیشتری پیدا می کند. انرژی خورشیدی کاربردهای مختلفی دارد از جمله آبگرمکن های خورشیدی، سیستم های گرمایی خورشیدی، سیستمهای تولید برق، نیروگاه خورشیدی و... که عضو اساسی و تشکیل دهنده آنها کلکتور می باشد. بنابراین تحقیق در مورد کلکتورهای خورشیدی و بررسی عواملی که بر روی بازده آنها تاثیر گذار است اهمیت ویژه دارد.
.1مقدمه
انرژی خورشیدی از میلیون ها سال قبل وجود داشته است و منبع اصلی انرژی روزانه در کاربردهای مختلفی بوده است. با شروع عصر مدرن و شهرنشینی کاربرد و استفاده از انرژی خورشیدی تغییر کرد. قبل از عصر مدرن، از انرژی خورشیدی برای روشنایی و تولید غذا و ... استفاده می شد. همانگونه که مطالبه انرژی در زندگی مدرن بیشتر می شود، توجه به انرژی خورشیدی نیز بیشتر می گردد.
بروز بحران کمبود نفت در سالهای اخیر و شروع نگرانی های مربوط به مسایل آلودگی محیط زیست، کشورهای جهان به ویژه کشورهای صنعتی توسعه یافته را بر آن داشته تا از انرژی های تجدیدپذیر بهره بیشتری ببرند. این نوع انرژی ها که به آنها انرژی های نو نیز گفته می شود، شامل انرژی خورشیدی، باد، زمین گرمایی، هیدروژن و امواج دریاست . در این میان انرژی خورشید، با توجه به اینکه انرژی کاملا پاک و عاری از هرگونه آلودگی بوده و به عنوان منبع انرژی کاملا ارزان شناخته شده، اهمیت بیشتری پیدا می کند.انرژی خورشیدی کاربردهای مختلفی دارد از جمله آبگرمکن های خورشیدی، سیستم های گرمایی خورشیدی، سیستمهای تولید برق، نیروگاه خورشیدی و... که عضو اساسی و تشکیل دهنده آنها کلکتور می باشد. بنابراین تحقیق در مورد کلکتورهای خورشیدی و بررسی عواملی که بر روی بازده آنها تاثیر گذار است اهمیت ویژه دارد.
.1.1عملکرد کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت:
تابش خورشید از طریق پوشش شفاف وارد کلکتور می شود و به ماده جاذب می رسد و سپس تابش جذب شده به انرژی حرارتی تبدیل می شود. برای انتقال حرارت جمع آوری شده از صفحه جاذب به لوله های رایزر که در نهایت حرارت را به سیال منتقل می کنند، هدایت حرارتی بالایی مورد نیاز است.
.2.1اجزای کلکتور:
این کلکتورها رایج ترین کلکتور مورد استفاده برای گرم کردن آب و گرمایش محیط در اروپا بشمار می روند. اجزای این کلکتور عبارتند از :
صفحه جاذب پوشش شفاف عایق حرارتی محفظه کلکتور سیال کاری
شکل شماره - 1 - نمای کلی از اجزای یک کلکتور صفحه تخت خورشیدی را نشان داده است.
شکل - : - 1 اجزای کلکتور خورشیدی صفحه تخت
.3.1مروری بر کارهای گذشتگان
مولرو [2] و همکارانش یک مدل حرارتی سه بعدی برای کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت ارائه کردند که این مدل حالت چند بعدی و ناپایدار رادر نظر می گرفت. آنها اثر جریان غیر یکنواخت را بر روی بازده کلکتور بررسی کردند. در این مدل، شرایط پایدار در نظر گرفته شد.
کادالاچ [3] یک مدل عددی برای کلکتور خورشیدی صفحه تخت ارائه کرد. او نشان داد که انتقال حرارت داخل کلکتور یک بعدی است و حالت دوبعدی و سه بعدی همیشه بدلیل اثر لبه ها و اثرات غیر یکنواختی بوجود می آیند و جریان انتقال حرارت اصلی یکبعدی باقی می ماند.
اندرسون [4] و همکارانش عملکرد کلکتور خورشیدی با رنگ مختلف را بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد که بازده حرارتی این کلکتورها کمتر از حالتی است که از جاذب های پوششی استفاده می شود.
سین [5] و همکارانش ضریب اتلاف حرارتی کلی جاذب دارای حفره های ذوزنقه ای را برای انواع مختلف کلکتورها محاسبه کردند. آنها با فرض اینکه نرخ جریان ثابت و دما پایدار است نشان دادند که ضریب اتلاف حرارت با افزایش دمای جاذب افزایش می یابد و همچنین نشان دادند که پوشش شیشه ای دو لایه در مقایسه با پوشش شیشه ای تک لایه حدود 10 الی %15 ضریب اتلاف حرارت را کاهش می دهد.
مارتینوپولوس [6] و همکارانش یک کلکتور پلیمری خورشیدی را که در آن انرژی خورشیدی مستقیما" توسط سیال کاری سیاه رنگ جذب می شود در حالت پایدار بررسی کردند. این مدل، هم بصورت آزمایشگاهی و هم توسط دینامیک سیالات محاسباتی بررسی شد.
.4.1هدف تحقیق
آب گرم خورشیدی یکی از موثرترین روشها برای تقاضای گرما در کاربردهای خانگی است. کلکتور یکی از عضوهای اصلی هر آبگرمکن خورشیدی است. بنابراین بررسی، تحقیق و تجزیه و تحلیل عملکرد و بازده کلکتور امری ضروری است. با توجه به اینکه تحقیقات تجربی و آزمایشگاهی بسیار گرانقیمت و وقتگیر میباشد ما را بر این میدارد تا با استفاده از روشهای عددی، طرحهای موضوعی مختلفی را در زمان و هزینه کمتر مورد مطالعه قرار دهیم. هدف اصلی در این تحقیق، بررسی عددی کارکرد یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و مطالعه تاثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد کلکتور است. مسلما افزایش راندمان سبب کاهش ابعاد و عملکرد بهتر کلکتور خواهد شد.
در این مطالعه معادله انتقال حرارت تشعشعی با استفاده از روش راستاهای مجزا1 و معادله انرژی حاکم از طریق روش حجم محدود2 حل میشود. برای محاسبات با فرض ثابت در نظر گرفتن شرایط در لولههای رایزر کلکتور یک عدد از لولههای رایزر توسط نرم افزار انسیس فلوئنت14/5 3 به صورت سه بعدی شبیه سازی و تحلیل حرارتی انجام میگیرد. پس از اعتبارسنجی نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج معتبر دیگر محققین، تحلیل حرارتی و سیالاتی کلکتور با سیال پایه آب انجام میشود، سپس اثر پارامترهای مختلف بر بازده کلکتور به صورت عددی بررسی میگردد.
.2معادلات حاکم
در این مطالعه، تحلیل انتقال حرارت مرکب تابشی و جابجایی در کلکتور خورشیدی صفحه تخت انجام میگیرد. هندسه مساله یک لوله رایزر کلکتور، صفحه جاذب و هوا به صورت سه بعدی است. تمامی خواص فیزیکی سیستم بجز چگالی هوا ثابت در نظر گرفته میشود. محیط دخیل در تشعشع به صورت جذب کننده و صادر کننده در نظر گرفته و قابلیت انتشار دیوارهها ثابت فرض میشود.
معادلات حاکم برای جریان سه بعدی، تراکم ناپذیر، آرام و با خواص ثابت به صورت ذیل میباشد
