بخشی از مقاله
چکیده
در سامانههای آبگرمکن خورشیدی، جمعکننده صفحه تخت به عنوان یکی از اصلیترین بخشهای سامانه است و عملکرد حرارتی بهینه آن در عملکرد کل سامانه تاثیر بسزائی دارد. از این رو بررسی مقدار کیفیت انرژی یا همان اکسرژی جمع آوری شده توسط جمع کننده-های خورشیدی از اهمیت بالایی برخوردار است. لذا در این پژوهش به ارزیابی اکسرژی جمعکنندهی صفحه تخت خورشیدی بکارگرفته شده در یک سامانهی آبگرمکن خورشیدی جهت گرمایش سالن مرغداری مدل پرداخته شد.
سامانه آبگرمکن خورشیدی از نوع فعال بوده و دارای دو عدد جمعکننده با مساحت کل 5/1 مترمربع و نیز یک مخزن آبگرم با ظرفیت 300 لیتر میباشد. با توجه به معادلات و تعادل اکسرژی، بازده انرژی و اکسرژی جمعکننده پ محاسبه شد.
نتایج نشان داد با افزایش دمای محیط، دمای آب پ خروجی و میزان شار تابشی از جمعکننده بازده انرژی و اکسرژی افزایش یافته و رفته رفته با کاهش دمای محیط، دمای آب خروجی از جمعکننده و میزان شار تابشی بازده انرژی و اکسرژی کاهش می یابد. میانگین بازده انرژی برای مدت آزمایش %37/39 به دست آمد، در حالیکه میانگین بازده اکسرژی برای همین مدت آزمایش %79/19 بود.
مقدمه
خورشید به عنوان منبع انرژی و سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژی های دیگر شناخته شده است. انرژی خورشیدی عظیمترین منبع انرژی در جهان است، این انرژی پاک، ارزان و بیپایان بوده و در بیشتر مناطق کره زمین قابل استحصال میباشد. به طور کلی استفاده از منابع جدید انرژی - شامل انرژی هستهای و انرژی های تجدیدپذیر - هماهنگ با منابع انرژی فسیلی امری ضروری و اجتناب ناپذیر می باشد.
ایران کشوری است که با وجود 300روز آفتابی در بیش از دو سوم آن و متوسط تابش 4/5 - 5/5 کیلووات ساعت بر مترمربع در روز یکی از کشورهای با پتانسیل بالا در زمینه انرژی خورشیدی معرفی شده است. باتوجه به استانداردهای بینالمللی اگر میانگین انرژی تابشی خورشید در روز بالاتر از 3/5 کیلووات ساعت در مترمربع باشد، استفاده از مدلهای انرژی خورشیدی نظیر جمع کنندههای خورشیدی یا سامانههای فتوولتائیک میتواند اقتصادی و مقرون به صرفه باشد.
در حال حاضر، بیش از81 درصد کل انرژی مصرفی جهان و بیش از 95 درصد انرژی مصرفی در ایران را سوخت های فسیلی تامین میکنند.
امروزه کاهش منابع انرژی و نیاز روزافزون به این منابع در فرآیندهای مختلف صنعتی سبب گردیده سامانههای دارای پتانسیل و کیفیت بالای انرژی مورد شناسایی وارزیابی قرارگیرند. بدیهی است سامانههای دارای پتانسیل بازدهی بالا می-توانند در کاهش مصرف منابع فسیلی و یا گران قیمت انرژی در فرآیندهای مختلف موثر واقع شوند. کاربرد تجزیه و تحلیل اکسرژی در فرآیندهای سامانه های آب گرمکن خورشیدی از نقطه نظر ترمودینامیکی از اهمیت ویژهای برای شناسایی مکانهای تلفات و بهبود عملکرد فرآیندها برخوردار است.
این شناسایی میتواند به تصمیمگیری در بهبود فرآیند، جهت کاهش مصرف انرژی یا کاهش میزان مواد زائد تخلیه شده به محیط منجرگردد، به همین منظور شناخت تاثیر عوامل مختلف روی بازده اکسرژی میتواند سبب شود تا با در نظرگرفتن این عوامل و پیدا کردن شرایط بهینه در جمع کنندهها بیشترین بازده ممکن را از انرژی خورشیدی موجود به دست آورد. در این راستا جعفرکاظمی و احمدی فرد در تحقیقی، یک مدل نظری و جامع برای تجزیه و تحلیل انرژی و اکسرژی جمعکننده خورشیدی صفحه تخت را ارائه دادند که از طریق آن اثر پارامترهای طراحی برعملکرد را میتوان مورد بررسی قرار داد.
پس از بررسی و تایید مدل بر اساس دادههای آزمایشگاهی، اثر پارامترهایی مانند سرعت جریان سیال و دما، نوع کار سیال و ضخامت عایق پشت درمیزان بازده انرژی و اکسرژی از جمع کننده مورد بررسی قرار گرفت و بر اساس تجزیه و تحلیل و مقایسه نتایج، شرایط کار مطلوب از سامانه مشخص شد.[ 4] چنگهین و زموریانو در پروژه ای به بهینهسازی یک سیستم گرمایش خورشیدی که برای تامین گرما و تولید آبگرم برای مصارف خانگی بود پرداختند. نتایج ارائه شده شامل چهار تنظیمات بهینهی مختلف بسته به تابع هدف برای به حداقل رساندن هزینه چرخه عمر، مصرف انرژی و اکسرژی تخریب شده بود.
فودهلی وهمکاران یک سیستم خشککن خورشیدی، برای خشک کردن جلبک دریایی طراحی و ساختند. جلبک دریایی منبع بالقوه انرژی تجدیدپذیر است و می توان آن را به انرژیهایی مانند سوختهای زیستی، بیودیزل و گاز تبدیل کرد. این مطالعه به تجزیه و تحلیل انرژی و اکسرژی فرآیند خشک کردن خورشیدی جلبک دریایی قرمز پرداخته است.
خالید و همکاران از دو منبع انرژی تجدید پذیر ترکیبی، زیست توده و سیستم یکپارچه خورشیدی برای تولید خروجی های متعدد به عنوان مثال، توان، خنک کننده، آب گرم، هوای گرم استفاده کردند.ازتجزیه و تحلیل انرژی و اکسرژی برای ارزیابی عملکرد چرخه استفاده شد و اثرات پارامترهای مختلف در بازدهی انرژی و اکسرژی سیستم مورد بررسی قرار گرفت. بازده کلی انرژی و اکسرژی سیستم ها به ترتیب %66/5 و %39/7 بود.
بوادیلا و همکاران در یک تحقیق یک بخاری هوا خورشیدی با سیستم انرژی ذخیره سازی پنهان کروی با بستر PCM پیشنهاد دادند.اثر برخی از پارامترها مانند تابش خورشیدی کلی و نرخهای متفاوت جریان جرمی بر جذب، استفاده شد. از نتایج تجربی برای تجزیه و تحلیل عملکرد سیستم استفاده شد. بهرهوری انرژی روزانه بین 32 و 45 متفاوت بود، در حالی که بازده اکسرژی روزانه بین 13 و 25 متفاوت بود.
با توجه به مصرف بسیار بالای سوخت-های فسیلی نیاز به بهینهسازی و کاهش اتلاف انرژی در ساختمانها، در این تحقیق به تحلیل و ارزیابی انرژی و اکسرژی آبگرمکن خورشیدی واقع در پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران[9]، پرداخته شد.
مواد و روشها
کاربرد تجزیه و تحلیل اکسرژی در فرآیندهای سامانه های آب گرمکن خورشیدی از نقطه نظر ترمودینامیکی از اهمیت ویژهای برای شناسایی مکانهای تلفات و بهبود عملکرد فرآیندها برخوردار است.
تحلیل انرژی
انرژی مفید کسب شده توسط کلکتور برابر است با:
که در رابطه فوق Tin و Tout به ترتیب دمای ورودی و خروجی سیال از جمعکننده و Cp و m. به ترتیب ظرفیت حرارتی و دبی جرمی سیال میباشند.
با در نظر گرفتن اتلاف حرارتی جمع کنندهبه محیط مجدداً میتوان رابطه انرژی را به صورت زیر بدست آورد:[4]
که در رابطه فوق Ap مساحت صفحه جاذب، UL ضریب تلفات حرارتی از سطح رویی کلکتور، I تابش خورشیدی، Ta دمای محیط و بازده نوری کلکتور میباشد.
FR ضریب برداشت حرارت1 جمعکننده میباشد
در رابطه فوق F ضریب بازده کلکتور میباشد.
بازده انرژی آبگرمکن خورشیدی با توجه به معادلات بالا، بازده انرژی آبگرمکن خورشیدی برابر است با:
تحلیل اکسرژی
در زیر به وسیلهی معادلات بسط داده شده و معادلهی بنیادی اکسرژی، سامانه آبگرمکن خورشیدی مورد تحلیل اکسرژی قرار گرفته است. نرخ اکسرژی ورودی به وسیله ی جریان سیال به جمع کننده در زیر نشان داده شده است:
که در آن T1 و m1 به ترتیب دما و دبی جرمی سیال ورودی به جمع-کننده می باشد.
نرخ اکسرژی تشعشعی جذب شده خورشیدی به صورت زیر است:
که در این رابطه بازده نوری جمعکننده، Ts دمای ظاهری خورشید است و برابر با %75 دمای یک جسم سیاه در مقابل خورشید است که برابر 4350K در نظر گرفته شد. در شرایط پایداری نرخ اکسرژی ذخیره شده صفر است.
نرخ اکسرژی خروجی تنها برابر با نرخ اکسرژی خروجی ناشی از جریان سیال است:
بازده اکسرژی جمعکننده خورشیدی مشخص کنندهی زیاد شدن اکسرژی جریان سیال نسبت به اکسرژی تشعشع ورودی ناشی از تشعشع خورشیدی می باشد.
نتایج و بحث:
در این قسمت سامانه آبگرم کن خورشیدی از دیدگاه انرژی مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. جمعکننده خورشیدی مورد آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است.
انرژی به شار تابشی و دمای آب خروجی از جمع کننده برای یک روز آزمایش در شکل 2 و 3 نشان داده شده است.
شکل :1 جمعکننده خورشیدی مورد آزمایش
در جدول 1 مشخصات جمعکننده مورد آزمایش آورده شده است.
جدول 1 مشخصات جمعکننده مورد آزمایش
دادهبرداری به مدت 15روز صورت گرفت، دمای آب ورودی و خروجی از جمعکننده و دمای محیط یادداشت شد. آزمایشها هر روز از ساعت 8:30 صبح الی غروب آفتاب صورت گرفت. میانگین مقدار تابش خورشید بر روی جمعکننده در این مدت برابر با 400 وات بر مترمربع بود، که از دادههای مربوط به سازمان هواشناسی استان البرز جمعآوری شد. با توجه به دادههای آزمایش، میانگین دما در 15 روز آزمایش برابر9/5œC، میانگین بیشینهی دما برای سطح جمعکننده برابر43œC، میانگین بیشینهی دما برای آب خروجی از جمعکننده برابر37/1œC و میانگین آب ورودی به جمعکننده برابر با 32/81œC بود. دبی عبوری سیال داخل سامانهی آبگرمکن خورشیدی 4 لیتر بر دقیقه انتخاب شد.
به کمک روابط 1 - 4 بازده انرژی محاسبه شد. میانگین بازده انرژی برای مدت آزمایش %37/39 بدست آمد. نسبت تغییرات بازده با استفاده از روابط 4 - 8 بازده اکسرژی برای مدت آزمایش محاسبه شد. میانگین بازده اکسرژی برای مدت آزمایش %79/19 بدست آمد. نسبت تغییرات بازده اکسرژی به شار تابشی و دمای آب خروجی از جمع کننده برای یک روز آزمایش در شکل 4 و 5 نشان داده شده است.
شکل :2 تغییرات بازده انرژی به شار تابشی
شکل :3 تغییرات بازده انرژی به دمای آب خروجی از جمع کننده
شکل :4 تغییرات بازده اکسرژی به شار تابشی
