بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعیین زاویه بهینه سطح شیب دار و تابش کل برای کلکتورهای خورشیدی در خرم آباد
چکیده در این تحقیق با استفاده از مدل های مختلف آسمان زاویه بهینه شیب کلکتورهای خورشیدی به منظور دریافت
بیشترین میزان تشعشع متوسط ماهیانه خورشیدی درشهر خرم آباد بدست آمده است. در کلیه مدل های استفاده شده تاثیرات تشعشع انعکاسی زمین نیز در نظر گرفته شده است. در کار حاضر چهار مدل متفاوت برای به دست آوردن زاویه شیب بهینه و زاویه سمت سطح بهینه در شهر خرم آباد معرفی شده است. در این تحقیق از داده ها و اطلاعات اندازه گیری شده توسط ایستگاه هواشناسی خرم آباد در سال 2008 استفاده شده است. نتایج این تحقیق حاکی از آن است که زاویه کلکتور برابر با عرض جغرافیایی محل باعث افزایش جذب انرژی خورشیدی می شود. همچنین زمانی که زاویه سطح شیبدار متغیر در نظر گرفته می شود و مقدار بهینه برای آن در هر ماه منظور می گردد جذب انرژی خورشیدی افزایش قابل توجهی نسبت به صفحه تخت می یابد.
واژههای کلیدی: انرژی خورشیدی، تابش، کلکتور خورشیدی، زاویه بهینه شیب کلکتور، عرض جغرافیایی.
|
-1 مقدمه
به طور متوسط خورشید در هر ثانیه 1/1×1020 کیلو وات ساعت انرژی ساطع می کند از کل انرژی منتشر شـده توسـط خورشید، تنها %47 به سطح زمین می رسد. با توجه به آمار فوق می توان نتیجه گرفت که سه روز تابش خورشید بـه زمین برابر با تمام انرژی ناشی از احتراق کل سوخت های فسیلی در دل زمین است. چنانچه اگر تنهـا یـک درصـد از صحراهای جهان به اشغال نیروگاههای حرارتی خورشیدی در آید، انرژی تولیدی برای تأمین کل برق سالانه کشورهای دنیا کافی خواهد بود. ایران در بین مدارهای 25 تا 40 درجه عرض شمالی قرار گرفته که این منطقه به لحـاظ دریافـت انرژی خورشیدی در بین نقاط زمین , در بالاترین رده ها قرار دارد به نحوی که میزان تابش خورشیدی در ایـران بـین 1800 تا 2200 کیلو وات ساعت بر متر مربع تخمین زده شده است که بسیار بالاتر از متوسط جهان است . همچنین بـه طور متوسط سالیانه بیش از 300 روز آفتابی در ایران گزارش شده است که بسیار قابل توجه اسـت. ایـن آمـار نشـان دهنده پتانسیل بسیار بالای امکان پذیر در زمین، علی الخصوص در ایران در جهت استفاده از انرژی خورشـیدی مـی باشد. کشور ایران به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی و امکان استفاده از این انرژی جهت تأمین نیازهای خـود بسـیار غنی است و دریافتی انرژی خورشیدی در آن حدود 4000 برابر انرژی مصرفی آن میباشد، مـیتـوان کلیـه نیازهـای کشور را با استفاده از انرژی آفتاب تأمین نمود .[1] امروزه با پیشرفت تکنولوژی و اهمیـت بـیش از پـیش اسـتفاده از انرژی های تجدید پذیر که بدون هرگونه آسیبی به زمین نیاز انرژی بشر را تامین می کنـد کاربردهـای گونـاگونی بـر مبنای تامین انرژی از خورشید ایجاد شده است. در ادامه به ذکر چند نمونه از کاربردهای ایـن انـرژی لایـزال الهـی و توضیح هر یک پرداخته شده است. این نکته را باید متذکر شد که جزء مهم و مشترک بین سیستم های زیـر کلکتـور های زیر می باشد که کار تولید الکتریسیته از نور خورشید را به عهده دارد. افزایش کارایی کلکتور ها افزایش راندمان سیتم خورشیدی را در پی خواهد داشت. حمیدرضا ملک محمدی [2]، در سال 1379 در دانشگاه تهران به بهینهسازی کلکتورهای خورشیدی سهموی پرداخت و مدل ریاضی جامعی از شرایط عملکرد حرارتی و اپتیکی کلکتور را بکار برد. درسال 2005 لومینوسو و همکارانش ضمن ثابت فرض کردن ضریب افت حرارت کلی کلکتور و سـایر ضـرایب انتقـال حرارت، به پیدا کردن شرایط بهینه کارکرد کلکتور صفحه تخت پرداختند .[3] فرزاد و ملائی [4] با چند روش مختلف پارامترهای مختلف کلکتورها را مورد بررسی قرار داده اند. شائو ژیان و همکاران [5]، باشائو [6]، سعید و همکاران [7] و ژوجین [8] بر روی مدل های تابش پخش خورشیدی مطالعات بسیاری انجام دادند.
-2 مشخصات اقلیمی منطقه مورد تحقیق
تحقیق حاضر برای تعیین زاویه بهینه سطح شیب دار و تابش کل روی کلکتورهـای خورشـیدی در شـهر خـرم آبـاد صورت گرفته است. شهر خرم آباد دارای اب و هوای سرد کوهستانی می باشد. این شهر دارای جمعیتی بالغ بر 650000 نفر و در ارتفاع 1147/8 متری از سطح دریا و در میان دره زاگرس قرار دارد. این شهر در 21 دقیقه و 48 درجـه طـول جغرافیایی و 43 دقیقه و 30 درجه عرض جغرافیایی قرار دارد.
-3 کاربرد انرژی خورشیدی
|
در حال حاضر از انرژی خورشیدی در سامانه های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده می شود که به طور کلی عبارتند از:
-1 استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی (مستقیم). -2 تبدیل پرتوهای خورشید به الکتریسیته به وسیله سلول فتوولتائیک (غیرمستقیم) .[9]
یکی از عمده ترین رو ش های فعال استفاده از انرژی خورشیدی کـه در سـاختما ن هـا بـه کـار میـرود، اسـتفاده از کلکتورهای خورشیدی است. گردآور در سامانه حرارتی خورشیدی، دریافت تابش خورشـید و تبـدیل آن بـه انـرژی حرارتی را به عهده دارد. کلکتور های خورشیدی با جذب نور خورشید، حرارت را به یک سیال منتقل نموده و درجـه حرارت آن را تا حد دلخواه بالا می برند سپس حرارت این سیال، برای تامین آبگرم مصرفی، گرمایش، سرمایش و غیره به کار میرود .[10]
کلکتور مسطح، متداولترین کلکتور مکانیکی خورشیدی است. این گردآور، شامل یک صفحه جاذب است که انرژی خورشیدی را جذب و به انرژی حرارتی تبدیل نموده و گرم می شود. به وسیله لوله و یا کانال این حرارت توسط سیال واسط از صفحه به محل مصرف منتقل می شود.معمولاً یک یا چندین صفحه شفاف (پلاستیک یا شیشه) روی صفحه جاذب و یک صفحه عایق در پشت کلکتور قرار می گیرد تا از اتلاف حرارت جلوگیری شود. با این نوع کلکتور می توان به درجه حرارتی تا 125 درجه سانتیگراد دست یافت .[10]
اهمیت کلکتورهای مسطح از این جهت است که نه تنها تابش مستقیم، بلکه تابش پراکنده و تابش بازتاب شده را نیز جذب می نماید. آنهامعمولاً با شیبی به سمت جنوب به طور ثابت نصب می شوند تا زاویه بین شعاع تابش و صفحه جاذب در وقت ظهر حداقل شود. این شیب موجب افزایش انرژی جذب شده در وقت ظهر و در کل روز می شود .[10]
-3 روش های برآورد میزان تابش خورشیدی بر زمین
همانطور که مشخص می باشد برای محاسبه دقیق اطلاعات انرژی خورشـیدی در یـک منطقـه جغرافیـایی از طریـق استفاده از تجهیزات ماهواره ای و هواشناسی مستقر در آن منطقه می باشد. اندازه گیری ها بایـد شـامل متغیرهـای گوناگون اقلیمی و هواشناسی مانند زمان، موقعیت جغرافیایی، ارتفاع از سطح دریا، زاویـه سـمت الـراس خورشـید، شرایط ابر، تعداد ساعات آفتابی، رطوبت نسبی، قدرت انتقال اتمسفری بخار آب، ناحیه آلبدو و ... باشد.
در صورتی که داده ها در دسترس نباشند می توان از مدل های ریاضی وضع شده در این مورد اسـتفاده نمـود. نویـا و همکاران [11] این مدل ها را بررسی کرده و آنها را به مدل فیزیکی و آماری طبقه نمودند. مدل هـای فیزیکـی را مـی توان برای نقاط مختلف ایران که اندازه گیری انرژی خورشیدی پراکنده بوده و یا کمتر موجود مـی باشـد، مـی تـوان استفاده نمود. معروف ترین مدل های ریاضی جهت برآورد انرژی تابشی خورشیدی مدل بیرد و هولشترم 12]،[4، مدل انگستروم [13]، مدل لیو و جردن [13] و کلین [14] می باشند.
در ایران نیز تحقیقات زیادی در زمینه برآورد انرژی تابشی خورشیدی و کاربرد آن انجام گرفته است که از جمله مـی توان به کارهای اولیه دانشیار [15] و اشجعی و همکارانش [16] اشاره نمود.
-3 مدل های ریاضی
مدل های ریاضی اگرچه می توان با هزینه کم میزان انرژی تابشی را بـرای منـاطق دور افتـاده بـدون انـدازه گیـری متغیرهای هواشناسی براورد کرد ولی به علت پارامترهای متنوع و گوناگونی که در این فرمول ها وارد می شوند، اعتبار
و قابلیت کاربرد آنها در مناطق مختلف توسط اطلاعات آماری باید مورد ارزیابی قرار گیرد. در ادامه به معرفی برخی از مهمترین آنها پرداخته شده است.
-1-3 روش بیرد و هولشترم
بیرد و هولشترم 12]،[4 برای برآورد تشعشع کلی در آسمان صاف بادر نظـر گـرفتن پارامترهـای عـرض جغرافیـایی، ارتفاع از سطح دریا، مقدار وزن موجود در هوا، تیرگی آسمان، مقدار جذب آب و ... مولفه های مستقیم و پخشی تابش اشعه خورشیدی را به ترتیب زیر ارائه داده اند.
که در آن TA تابعی از تیرگی آسمان و دیگر پارامترهای تابعی از می باشند. خود به رطوبت
دما و ارتفاع محل مورد نظر بستگی دارد. این مقدار برای فصول مختلف بین نوسان دارد.
-3-1-1 تاثیر ابر
روابطی که در بخش قبل ارائه شد برای هوای صاف می باشند. بنابراین برای روزهایی که آسمان ابری می باشد باید یک ضریب برای آن در نظر گرفت. ضریب تاثیر ابر بصورت نسبت تعداد ساعات آفتابی n به ساعات آفتابی مقدور N
بین می گردد. بدین ترتیب، مولفه های تابش مستقیم و پخشی و مقدار کل تابش به صورت زیر منظور می گردد:
که در آن K* بستگی به عرض جغرافیایی داشته و مقدار n/N به صورت تقسیم ساعات آفتابی اندازه گیری شده به
ساعات آفتابی مقدور به صورت روزانه می باشد.
-2-3 روش انگستروم
در این روش مقادیر تابش برای روز متوسط هر ماه به دست می آید. مقادیر a و b بـرای شـهر خـرم آبـاد a 0.30 و b 0.39 محاسبه گردید.
که در آنHo از رابطه زیر تبعیت می کند.
-3-3 روش لیو و جردن
در اینجا با استفاده از تابش پخشی، تابش بر روی سطح شیبدار محاسبه می شود.
-4-3 روش کلین
در این روش محاسبه و برآورد تابش ماکزیمم و زاویه بهینه مستقیما از روابط زیر محاسبه می شوند.
همچنین داریم:
-4 نتایج
- ابتدایی ترین روش در محاسبات تابش خورشیدی، در نظر گرفتن یک زاویه ثابت برای سطح شیبدار است. این زاویه برابر با عرض جغرافیایی است. در این حالت شاهد افزایش جذب انرژی خورشیدی هستیم.
- در اینجا دو مدل دیگر محاسبه تابش بر صفحه شیبدار مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که جدول (1) نشان می دهد این دو روش در محاسبه تابش، انحراف نسبتا کمی از هم دارند در صورتی که اختلاف زیادی با روش قرار دادن یک زاویه ثابت برای سطح شیبدار دارند.
- زمانی که زاویه سطح شیبدار متغیر در نظر گرفته می شود و مقدار بهینه برای آن در هر ماه منظور می گردد جذب انرژی خورشیدی افزایش قابل توجهی نسبت به صفحه تخت می یابد (شکل .(1 با توجه به جدول (1) افزایش جذب
|
خورشیدی سالانه با مقایسه روش کلین و متد لیو و جردن (شکل (2 مقادیر زوایای به دست آمده برای دو روش در بعضی ماه ها مخصوصا ماه های سرد سال اختلاف بیشتری از دیگر ماه ها دارد.
- نکته بسیار مهم در این افزایش جذب انرژی این است که در فصل های گرم سال و در ماه های می، ژوئن جولای تقریبا افزایش جذب انرژی آنچنانی وجود ندارد. زیرا زاویه بهینه صفحه در این ماه ها نزدیک به درجه صفر است(جدول .(2 اما در ماه های سرد سال است که افزایش شیب صفحه افزایش قابل توجهی در جذب انرژی به وجود می آورد شکل .(3)
