مقاله طراحی آبگرمکن های خورشیدی جهت بهینه سازی و مدیریت مصرف انرژی در ساختمان ها

بخشی از مقاله

چکیده

مخزن ذخیرهساز انرژي1 یکی از فناوريهاي کلیدي براي محافظت و صرفه جویی انرژي می باشد. میتوان گفت نیروگاههایی که با سیستم ذخیرهاي ثقلی ساخته شده اند، با استفاده از این ایده عمل میکنند به طوري که زمانیکه نیروگاه مازاد تولید دارد این انرژي اضافی صرف پمپاژ آب به ارتفاع می شود و در مواقع پیک بار شبکه برق این انرژي در نیروگاه برق آبی تخلیه می شود.از فواید مهم مخزن ذخیره ساز انرژي میتوان به مناسب بودن آن براي کاربردهاي سرمایش و گرمایش اشاره کرد.یک سیستم نگهداري انرژي گرمایی که ابتدا براي ذخیره سازي انرژي خورشیدي طراحی شده است لازم نیست که ضرورتا" براي همین استفاده محدود شود. این سیستم ممکن است براي ذخیرهسازي انرژي مازاد نیروگاهها، انرژي اضافی سیستم هاي تهویه مطبوع، فرایندهاي صنعتی و ... مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین می تواند در نیروگاه ها و صنایع نفت و پتروشیمی استفاده گردد.

مخزن ذخیرهساز انرژي میتواند نقش بسیار مهمی براي پاسخگویی به نیاز جوامع براي انرژي تمیز و سازگار با محیط باشد.نگهداري انرژي گرمایی یک بخش کلیدي بسیاري از سیستم هاي گرمایی موفق می باشد. به طور کلی دو نوع سیستم ذخیره انرژي وجود دارد: -1 محسوس -2 پنهانبراي هر کدام از این محیطهاي ذخیره، بسته به نوع استفاده و محدوده دمایی, امکان انتخاب هاي متعددي وجود دارد. نگهداري انرژي گرمایی از طریق خنک کردن، گرم کردن، ذوب کردن، انجماد و یا تبخیر یک ماده, با ذخیره سازي انرژي در ارتباط است. انرژي به شکل گرما و یا سرما وقتی که فرایند برعکس می شود, قابل استحصال است.در پروه حاضر آبگرمکن توسط سلولهاي خورشیدي سیال ذخیره ساز درون آبگرمکن را گرم و این گرما در سیال ذخیره میگردد تا در زمانهاي دیگر مصرف گردد.

کلمات کلیدي: نگهداري انرژي گرمایی، سلول هاي خورشیدي، آبگرمکن خورشیدي، سیال ذخیره ساز انرژي

مقدمه

قدمت ذخیره سازي انرژي شاید به قدمت تمدن بشر برمی گردد,زمانی که انسانهاي اولیه یخ را براي استفاده هاي بعدي ذخیره می کردند. سیستمهاي بزرگ نگهداري انرژي گرمایی جدید، براي کاربردهاي متعددي - در مقیاس وسیع - ، ازجمله براي نگهداري انرژي گرمایی خورشید جهت سیستم هاي تهویه ساختمانها مورد استفاده قرار گرفته است. فناوري نگهداري انرژي گرمایی اخیرا به اندازه اي پیشرفت کرده است که میتواند تاثیر مهمی بر فناوري مدرن داشته باشد. بیشتر کاربردهاي نگهداري انرژي گرمایی شامل سیکل هاي ذخیره روزانه است اگرچه ذخیره سازي فصلی را هم شامل می شود.کاربردهاي انرژي خورشیدي احتیاج به ذخیره کردن انرژي گرمایی براي دوره هاي زمانی در محدوده چند ساعت تا چند ماه را دارد.بیشتر سیستم هاي خورشیدي از ذخیره سازي روزانه استفاده میکنند.

به منظور ذخیرهسازي انرژي، معمولا انرژي به صورت شیمیایی در محلولهاي مجزایی ذخیرهسازي میگردد. با برگرداندن جهت کارکرد، محلولهاي الکترولیتی می توانند انرژي ذخیره شده شیمیایی را به صورت الکترولیتی پس دهند. با استفاده از راکتورهاي شیمیایی به عنوان محور اصلی کارکرد، کل سیستم فوق می تواند به صورت پیل سوختی نیز عمل نماید. میزان انرژي قابل ذخیره سازي وابسته به شکل و اندازه الکترودها می باشند. سلولی وجود دارد که امکان تبادل یون بین الکترولیت ها را فراهم می آورد.اما پروژه حاضر در بردارنده تولید انرژي بوسیله سیستم فتوولتاییک و ذخیزه در مخزن آب می باشد - در پروژه حاضر ذخیره انرژي بجاي استفاده در سیستم شیمیایی در یک مخزن آب می باشد -

نوع سیال ذخیره ساز انرژي

در مورد ماده ذخیره ساز, بسته به نوع استفاده و دامنه دمایی، دامنه زیادي از انتخابها وجود دارد. براي ذخیره سازي گرماي محسوس, آب یک انتخاب عمومی است. زیرا در میان خصوصیات مثبت آن, این سیال در دماي محیط یکی از بالاترین ظرفیتهاي حرارتی را دارا میباشد. اگرچه گرماي ویژه آب به بزرگی بسیاري از جامدات نیست اما آب ازخاصیت سیال بودن برخوردار است بنابراین میتواند به آسانی پمپ شود و انرژي را منتقل کند. علاوه بر آن آب امکان انتقال حرارت با سرعت مناسب را فراهم میکند.یک فرایند کامل ذخیره سازي حداقل شامل سه مرحله است:

-1شارژکردن

-2ذخیره سازي

-3تخلیه کردن ذخیره انرژي گرمایی استفاده هاي زیادي دارد که عمده آن درارتباط با استفاده هاي سرمایشی یا گرمایشی است. نگهداري انرژي گرمایی یک ارتباط و میانجی بین منبع گرمایی و استفاده کننده آن ایجاد میکند. یک مثال عمومی از این نمونه سیستمهاي ذخیره سازي, آبگرمکن خورشیدي میباشد که منبع انرژي آن خورشید است و استفاده کننده آن نیز بشر میباشد. در این میانه, ذخیره سازي مورد نیاز است زیرا روند ذخیره سازي و تولید در مقایسه با تقاضاهاي لحظه اي و زیاد, کند است. به علاوه، انرژي تابشی خورشید همیشه در دسترس نیست.

روش کار سلولهاي خورشیدي

سلولهاي خورشیدي که در ماشینحسابها و ماهوارهها دیده میشوند، سلولهاي فتوولتاییک یا مدول هستند. گروهی از سلولهاي خورشیدي که به صورت الکتریکی به یکدیگر متصل شدهاند و در یک قاپ به یکدیگر متصل شدهاند، مدول نامیده میشود. فتوولتاییک همانطور که خود کلمه نشان میدهد - فتو=نور+ولتاییک= الکتریسیته - نور خورشید را مستقیما به الکتریسیته تبدیل میکنند. فتوولتاییک از نیمههادیهایی مانند سیلیکون که هماکنون رایجترین ماده مورد استفاده است، ساخته میشوند. هنگامیکه نور به سلول برخورد میکند مقدار مشخصی از آن جذب میشود. انرژي جذب شده باعث میشود الکترونها آزادانه حرکت کنند. سلولهاي فتوولتاییک یک یا تعداد بیشتري میدان الکتریکی دارند که الکترونهاي آزاد شده در این میدانها حرکت میکنند. حرکت این الکترونها جریان الکتریکی را به وجود میآورد و با قرار دادن اتصال فلزي در بالا و پایین سلول فتوولتاییک میتوان این جریان را براي استفاده خارجی از پانلها استخراج کرد مثلا این جریان میتواند توان مورد نیاز یک ماشین حساب را تامین کند. این جریان به اضافه ولتاژ سلول - که در نتیجه وجود میدانهاي الکتریکی به وجود میآید - توان تولیدي فتوولتاییک را تشکیل میدهند.[1]

ساختار سلول خورشیدي

اولین اجزاي سلول خورشیدي نیمههاديهاي نوع n و p است که در تماس با یکدیگر قرار میگیرند. قسمت دیگر شبکه ارتباط سلولی است. سیلیکون مادهاي درخشان است بنابراین ضریب بازتابش بزرگی دارد. فوتونهایی که بازتاب میشوند نمیتوانند به وسیله سلول مورد استفاده قرار گیرند. به همین دلیل براي جلوگیري از بازتابش نور یک لایه ضد بازتابش روي سلول اضافه می شود که مقدار بازتابش را به کمتر از 5 درصد میرساند. مدولهاي فتوولتاییک با اتصال سلولها - معمولا 36 سلول - به صورت سري و موازي براي تولید ولتاژ و آمپراژ مطلوب، ساخته میشوند. پس از قرار دادن یک پوشش شیشهاي روي مدول آن را در یک قاب فلزي قرار میدهند و خروجیهاي مثبت و منفی به پشت آن متصل میشود. شکل 1 و2اجزاو ساختمان مختلف یک سلول خورشیدي را نشان میدهد.
بدون در نظر گرفتن اندازه سلولها ولتاژ خروجی هر سلول در حالت مدار باز 0/5 تا 0/6 ولت است. مقدار آمپراژ خروجی به اندازه و بازده سلول، همچنین شدت نوري که به سطح سلول برخورد میکند
وابسته است.در حالت معمولی، توان تولیدي سطحی با اندازه cm23600 ، 45 وات است.

نمودار عملکرد پانلهاي فتوولتاییک

شکل معمول نمودار عملکرد پانلهاي فتوولتاییک در شکل3آمده است. همانطور که دیده میشود ولتاژ و آمپراژ تولیدي وابستگی شدیدي به مقدار تابش دریافتی روي سطح پانلها دارد. دراین شکل I mp و Vmp به ترتیب آمپراژ و ولتاژ تولیدي هنگامیکه توان تولیدي ماکزیمم است، میباشند. I sc آمپراژ تولیدي پانل در حالت اتصال کوتاه است. Voc نیز ولتاژ مدار در حالت بدون بار است.

مخازن ذخیره گرمایی

با توجه به مطالب گفته شده بعد از تولید انرژي آنچه اهمیت دارد نگهداري انرژي تولیدي است، بنابر بعد از استفاده از سلول هاي خورشیدي به عنوان تولید کننده انرژي جهت تولید این انرژي در زمان هاي دیگر نیازمند استفاده از مخازن گرمایی هستیم.[1]

مخازن لایه لایه شده گرمایی - - Thermally stratified نگهداريانرژي گرمایی

یکی از کاربرد هاي استفاده از سلول هاي خورشیدي استفاده در مخازن گرمایی است .بعد از تولید انرژي آنچه اهمیت دارد نگهداري انرژي تولیدي است.چون این مخازن انرژي گرمایی را براي دوره هاي متناوب ذخیره می کنند، اتلاف حرارتی در این مخازن بسیار حایز اهمیت است، زیرا چگونگی عملکرد این مخازن در نگهداري انرژي گرمایی یکی از عوامل مهم در طراحی آنها است. سیستم هاي معمول نگهداري انرژي گرمایی امروزي, معمولا از نوع محسوس - - Sensibleهستند، و آب را به عنوان ذخیره کننده مورد استفاده قرار می دهند.یک مخزن نگهداري انرژي گرمایی مناسب باید نیازهاي زیر رابرآورده کند:

9مخزن باید لایه بندي شده باشد، یعنی دو سیال با دماي متفاوت را جدا از هم نگاه داشته و اختلاط دو سیال حتی در زمان شارژ وتخلیه، مینیمم باشد.9 ظرفیت موثر نگهداري باید به گونه اي باشد که حجمسیال مرده در مخزن را مینیمم کند.انتقال حرارت از مخزن باید مینیمم باشد. نمونه اي از این نوع مخازن در شکل 4 نشان داده شده است.
براي اینکه شرایط بالا ارضا شود, انواع متفاوتی از مخازن نگهداري انرژي گرمایی ساخته شده اند. مخازن نگهداري انرژي گرمایی که بطور طبیعی لایه بندي می شوند، یکی از این موارد هستند که بدون هیچ گونه مانع داخلی با استفاده از این پدیده که سیال گرم به علت چگالی کم در بالاي مخزن و سیال سرد به علت چگالی بیشتر نسبت به سیال گرم در پایین قرار میگیرد، کار میکنند.به همین جهت حجم این مخازن در مقایسه با انواع دیگر کاهش یافته و حجم سیال مرده نیز در آنها کم و بازده آنها زیاد است. [2]

پیشینه تحقیق

مخازن نگهداري انرژي گرمایی منفرد که در آن سیال از نظر دمایی به صورت لایه هاي مجزا وجود دارد, موضوع مطالعات تجربی و تئوري زیادي بوده است, که از اوایل سال 1970 میلادي در جهت ذخیره سازي انرژي خورشیدي آغاز شده است.براملیو - [3] - Brumleve در سال1974 عملی بودن موضوع استفاده از