بخشی از مقاله
چکیده
بازدهي کلکتورهاي تخت خورشیدي وابستگی زیادي به شار تشعشع ورودي به آنها دارد، بنابر این لازم است زاویه ي کلکتورها با افق به گونهاي تعیین شود که بیشترین شار تشعشع خورشیدي به آنها برسد. با توجه به اینکه بخش عمدهي تشعشع ورودي به کلکتور، تشعشع مستقیم است همواره بایستی زاویهي کلکتور به گونه اي باشد که تشعشع مستقیم برخوردي با آن کمترین زاویه را با خط عمود بر صفحه ي کلکتور داشته باشد.
در این مقاله به تعیین زاویهي بهینهي کلکتورهاي تخت خورشیدي در شهر زنجان پرداخته شده است. براي تحلیل از داده هاي هشت سالهي ثبت شده در ایستگاه هواشناسی شهر زنجان استفاده شده است. تعیین زاویه ي بهینه براي تنظیم روزانه، ماهانه، فصلی، شش ماهه و سالانه با فرض اینکه کلکتور همواره رو به استوا قرار گیرد، انجام شده است. حداکثر و حداقل زاویه بهینه براي تنظیم ماهیانه، بهترتیب 64/1° براي ماه دسامبر و صفر درجه براي ماه ژوئن و ژولاي می باشد.
همچنین زاویه بهینه براي تنظیم فصلی براي بهار، تابستان، پاییز و زمستان به ترتیب 3/5°، 18/2°، 27/78° و 49/4° میباشد. زاویه بهینه براي تنظیم شش ماهه براي دورهي سرد سال و دورهي گرم سال به ترتیب49/90 و 60/90 میباشد. زاویه بهینه سالانه برابر با 31/9◦ به دست آمد. با تنظیم کلکتور در زاویه ي شیب بهینهي ماهانه، تشعشع کل دریافتی نسبت به قرارگیري افقی کلکتور 23/25 درصد افزایش مییابد.
-1 مقدمه
انرژي خورشیدي پاك، رایگان و بیپایان است. محدودیت منابع فسیلی و پیامدهاي حاصل از تغییرات زیست محیطی و آب و هواي جهانی، فرصتهاي مناسبی را براي رقابت انرژي خورشیدي با انرژيهاي فسیلی به خصوص در کشورهایی با پتانسیل بالاي تابش ایجاد نموده است. کلکتورهاي تخت یک نوع رایج از سیستمهاي خورشیدي است. جهت و زاویه شیب کلکتور بر زاویه برخورد تشعشع خورشیدي روي سطح کلکتور اثر میگذارد. از آنجایی که ضریب جذب کلکتورها وابسته به جهت تشعشع ورودي میباشد هرچه موقعیت کلکتور از این لحاظ مناسب تر باشد، علاوه براینکه تشعشع خورشیدي ورودي به کلکتور بیشتر می شود، سهم بیشتري نیز جذب می شود.
بنابراین انتخاب جهت و زاویه شیب، یک موضوع مهم براي بهبود عملکرد کلکتور میباشد. زاویه شیب بهینه وابسته به عوامل مختلفی مانند عرض جغرافیایی محل، شاخص صافی هوا، آلودگی هوا و توزیع روزهاي آفتابی دارد. در یکی از روشها تنظیم زوایاي قرارگیري کلکتور نسبت به تراز افقی با استفاده از سیستمهاي تعقیب کننده خورشید انجام میشود. در این روش کلکتور با تنظیم پیوسته و همزمان حول چند محور میچرخد تا زاویه بین عمود بر سطح آن و راستاي ورود تشعشع خورشیدي مستقیم همیشه کمترین مقدار باشد.
در روش دیگر که براي کلکتورهاي واقع در نیمکره شمالی توصیه می شود، تنظیم زاویه قرارگیري کلکتور با چرخاندن آن فقط حول یک محور براي قرار دادن آن به سمت جنوب - رو به استوا - انجام میشود. این زاویه که معروف به زاویه شیب کلکتور است، براي یک بازه زمانی که میتواند بین یک دقیقه تا یک سال باشد، ثابت میماند و این تنظیم میتواند دستی یا اتوماتیک باشد.
بازدهي کلکتورهاي تخت خورشیدي وابستگی زیادي به شار تشعشع ورودي به آنها دارد، بنابر این لازم است زاویه ي کلکتورها با افق به گونه اي تعیین شود که بیشترین شار تشعشع خورشیدي به آنها برسد. با توجه به اینکه بخش عمدهي تشعشع ورودي به کلکتور، تشعشع مستقیم است همواره بایستی زاویهي کلکتور به گونهاي باشد که تشعشع مستقیم برخوردي با آن کمترین زاویه را با خط عمود بر صفحهي کلکتور داشته باشد.
کیانیفر و همکاران [1] دادههاي تابش خورشیدي اندازهگیري شده بر یک سطح افقی طی سال هاي 2001 تا 2006 را با مقادیر محاسبه شده بهکمک روابط تجربی مقایسه کردند و سپس با توجه به روش آنگستروم، از این روش پایه در محاسبه میزان تابش خورشیدي روي سطح شیبدار استفاده کردند. نتایج آنها نشان داد که استفاده از سطوح شیبدار به جاي سطوح افقی با تنظیم ماهانه در منطقه مشهد حدود 19 درصد جذب انرژي را افزایش میدهد.
بن قانم ب2م زاویهي بهینه صفحات خورشیدي را براي شهر مدینه، با فرض آنکه همواره صفحات به طرف استوا - یعنی با زاویه آزیموس صفر - قرار دارند، تعیین نمود. او براي تعیین زاویه بهینه از مقادیر اندازهگیري شده تشعشع کل و پخش شده روي سطح افقی استفاده کرد و زاویه ي بهینه سالانه صفحات خورشیدي را برابر عرض جغرافیایی شهر مدینه یعنی 23/5°، زاویهي بهینهي فصل زمستان را 13° بیشتر از عرض جغرافیایی و زاویه بهینه فصل تابستان را 12° کمتر از عرض جغرافیایی به دست آورد. بر اساس نتایج او چنانچه صفحات خورشیدي در زاویه بهینه سالانه قرار گیرد 8% نسبت به قرارگیري در زاویههاي بهینه ماهانه کاهش دریافت تشعشع خورشیدي دارند.
مقدم و همکاران زاویه بهینه کلکتورهاي تخت خورشیدي را با کمک اندازهگیري تشعشع کل روي سطح افقی براي شهر زاهدان و بندرعباس تعیین کردند. آنها با کمک برنامه کامپیوتري در محیط متلب جتهئصهقض زاویه بهینه سالانه را براي زاهدان 27/9° و براي بندرعباس 25/7° تعیین نمودند، که در هر دو حالت حدود 2° کمتر از عرضهاي جغرافیایی این دو شهر است.
بر اساس نتایج آنها زاویه بهینه شش ماهه اول سال براي زاهدان و بندرعباس به ترتیب 5° و 2/7° و براي شش ماهه دوم سال به ترتیب 50/3° و 48/2° میباشد. سیرکی و پیلاي ب4م زاویه بهینه صفحات خورشیدي را براي کاربردهاي شهري در عرض هاي جغرافیایی مختلف تعیین نمودند. آنها گزارش کردند که زاویه بهینه وابسته به عرض جغرافیایی و شرایط آب و هوایی مناطق مختلف میباشد.
همچنین بر اساس نتایج آنها زاویه بهینه سالانه براي مناطق با عرض جغرافیایی کم نزدیک به عرض جغرافیایی و براي مناطق با عرض جغرافیایی بیشتر، کمتر از عرض جغرافیایی می باشد. گونرهان و هپباسلی ب5م زاویه بهینه کلکتورهاي خورشیدي را در ازمیر ترکیه با کمک دادههاي ایستگاه هاي هواشناسی براي یک دوره سه ساله تعیین نمودند. آنان گزارش کردند که بیشترین دریافت تشعشع خورشیدي براي ازمیر زمانی است که زاویه شیب کلکتور به صورت ماهانه تنظیم شود. آنها زاویه بهینه سالانه را برابر 36/6° گزارش نمودند.
عبدلزاده و همکاران [6] با استفاده از مدل هاي مختلف، زاویه بهینه شیب صفحات خورشیدي را براي دریافت بیشترین میزان تشعشع متوسط ماهانه خورشیدي در شهر کرمان بهدست آوردند. نتایج بهدست آمده از این تحقیق نشان میدهد که دریافت بیشینه انرژي در ماههاي مختلف سال در زوایاي مختلفی که با زاویه عرض جغرافیایی برابر نمی باشد، روي میدهد. با این وجود چنانچه هدف دریافت بیشینه انرژي تشعشعی سالانه باشد، زاویه بهینه شیب صفحه خورشیدي به عرض جغرافیایی محل نزدیک خواهد شد.
عبدلزاده و محرابیان [7] براي پنج شهر کرمان، یزد، زاهدان، بیرجند و طبس، بر اساس داده هاي تجربی زاویههاي شیب ماهیانه، فصلی و سالیانه را بهدست آوردند. بر اساس نتایج آنها تغییر زوایاي شیب ماهیانه و فصلی تاثیر قابل ملاحظهاي در دریافت تابش متوسط سالیانه خورشیدي براي ناحیه تحت بررسی دارد.
صلواتیپور و همکاران [8] از مدل ریاضی لیو و جردن براي تخمین تشعشع کل روي سطوح شیبدار رو به جنوب و همچنین تعیین زاویه شیب بهینه کلکتورهاي خورشیدي استفاده کردند. بر اساس نتایج آنها زاویه شیب بهینه سالانه در اصفهان 28/89 درجه است که نزدیک به عرض جغرافیایی آن میباشد.
تاکنون مطالعهاي در خصوص تعیین زاویه بهینه شیب کلکتور خورشیدي تخت در شهر زنجان، که مرکز آن در طول جغرافیایی 48° و عرض جغرافیایی36° قرار دارد، انجام نشده است. در این مطالعه، زاویه شیب بهینه کلکتورهاي تخت خورشیدي واقع در این شهر براي تنظیم روازانه، ماهیانه، فصلی، شش ماهه و سالانه بررسی شده است.
-2 مدل ریاضی
اغلب دادههاي تشعشع خورشیدي روي سطح افقی اندازهگیري میشود، لذا لازم است با مدل سازي ریاضی، تشعشع خورشیدي بر روي سطح زاویهدار حساب شود. تشعشع خورشیدي روزانه بر روي سطح زاویهدار عبارت است از :
HT تشعشع روزانه کل روي سطح شیبدار، Hb تشعشع روزانهي مستقیم روي سطح افقی، Hd تشعشع روزانهي پخش شده روي سطح افقی و Hg تشعشع انعکاسی از زمین روي سطح افقی میباشد. محاسبه این عبارتها بر اساس روش ارائه شده توسط کلین جغطکئفض انجام میشود. در روش کلین تشعشع پخشی و تشعشع انعکاسی از زمین با فرض مدل ایزوتروپیک محاسبه میشود و عبارت است از :
β زاویه سطح شیبدار نسبت به افق بوده و ρg ضریب انعکاس زمین میباشد که وابسته به جنس زمین اطراف محل قرارگیري سطح شیبدار است. H معرف تشعشع روزانه روي سطح افقی میباشد. Rb نسبت تشعشع مستقیم روي سطح زاویهدار به تشعشع مستقیم روي سطح افقی میباشد ب9م و براي نیمکرهي شمالی عبارت است از :
φ عرض جغرافیایی محل قرارگیري سطح شیبدار است. کω زاویهي ساعت در غروب خورشیدي بوده است.
