بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین مشکلات سیستم های فتوولتائیک راندمان پایین تبدیل انرژی الکتریکی و کاهش راندمان آنها با افزایش دما میباشد، خنک کردن این صفحات از چنین افت نامطلوبی جلوگیری میکند. برای خنککردن سلول فتوولتائیک هم از هوا و هم از آب استفاده میشود. در این مقاله با طراحی و ساخت کلکتور فتوولتائیک حرارتی با خنککاری نانوسیال به عنوان سیال عامل، پس از معرفی پارامترهای موثر بر عملکرد الکتریکی سیستم، به بررسی نتایج آزمایشگاهی اثر تغییر جریان جرمی نانوسیال بر راندمان الکتریکی سیستم پرداخته میشود.
در آزمایشها پارامترهای مختلف جوی، حرارتی و الکتریکی سیستم همچون شدت تابش خورشید، سرعت باد، دمای محیط، دمای نانوسیال ورودی، دمای نانوسیال خروجی، دمای سطح مدول فتوولتائیک، دمای صفحه جاذب، ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه اندازه گیری شده است. با انجام یک سری آزمایش به بررسی تغییرات دبی در سه حالت جریان آرام، گذار و آشفته بر راندمان های انرژی و اکسرژی کلکتور پرداخته می شود. همچنین در این مقاله با حل عددی به بررسی تغییرات دبی بر راندمان الکتریکی کلکتور و مقایسه آنها با نتایچ بدست آمده از کار آزمایشگاهی پرداخته شده است. با بررسی نتایج مشخص میشود که استفاده از سیستم خنککاری باعث افزایش راندمان الکتریکی میشود، که با افزایش دبی جریان این افزایش راندمان روندی صعودی دارد.
مقدمه
توافقات بین المللی با هدف کاهش سطح آلودگی در سالهای اخیر بسیار اهمیت یافته و افزایش جهانی دمای هوا باعث حرکت به سوی محدود شدن انتشارات دی اکسید کربن شده است. در آینده نه چندان دور منابع سوختهای زیرزمینی تمامشده و قبل از آن بشر باید منابع جدیدتری را جستجو کند و از کارآیی آنها مطمئن شود. این مسائل باعث جایگزین نمودن روشهای قدیمی تولید انرژی با روش های جدید میشود. یکی از این تکنولوژیها که خیلی مورد توجه قرار گرفته، تکنولوژی فتوولتائیک است.کلمه فتوولتائیک از دو کلمه فتو به معنی نور و ولتائیک به معنی الکتریسیته تشکیل شده است.
فتوولتائیک سیستمی است که قادر به تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریسیته میباشد. سیستمهای فتوولتاییک، در حدود 5 الی 20 درصد بازدهی دارند.پانل فتوولتاییک که در معرض تابش خورشید قرار گرفته تنها %6 -% 15 تابش رسیده به سطح آن را صرف تولید انرژی الکتریکی میکند و بیش از %85 این تشعشع رسیده به پانل فتوولتاییک منعکس شده و یا صرف بالا رفتن دمای پانل فتوولتاییک میشود. با افزایش دمای پانل فتوولتاییک ، در پانلهای منو کریستالی c-si و پلی کریستالی p-si به ازاء هر درجه افزایش دما، راندمان آنها %0/45 کاهش یافته و نیز برای پانلهای فتوولتاییک غیر سیلیکونی a-si این کاهش راندمان به ازاء هر درجه افزایش دما %0/25 میباشد. پس باید این اثر نامطلوب بالا رفتن دمای پانل را با خنککاری آن از بین برد. برای این کار می توان از حرکت سیال برروی پانلهای فتوولتاییک استفاده کرد، که این سیال میتواند هوا، آب یا هر سیال جاذب گرمای دیگری باشد. با حرکت سیال بخش زیادی از حرارت را توسط انتقال حرارت جابجایی از پانل جذب کرده و باعث پایین آمدن دمای سطح پانل فتوولتاییک و افزایش راندمان الکتریکی آن شد.
همچنین میتوان از سیالی که با جذب حرارت دمای آن افزایش یافته جهت مصارف مختلفی استفاده کرد. تمامی این فرآیند را میتوان در یک مجموعه جای داد که این مجموعه را سیستم فتوولتاییک/حرارتی خورشیدی مینامند. لذا در سالهای اخیرسیستمهای فتولتاییک/حرارتی مورد توجه بسیاری قرارگرفته و توسط محققین بسیاری از لحاظ آزمایشگاهی مورد بررسی قرارگرفته است.
درسال 1979 ، هنری، مدل تئوریکالی برای سیستمهای فتوولتائیک/حرارتی ارائه کرد.[1] درسال 1979، فلورشیتز، با استفاده از معادله هاتل- ویلیر-بلیس، تحقیقاتی نظری بر روی سیستمهای فتوولتائیک/حرارتی انجام داد که نتیجه آن رابطه خطی میان راندمان فتوولتائیک و دمای عملکرد آن بود.[2] در سال 1985، کاکس و راگورامن، شبیه سازی کامپیوتری بر روی میزان جذب تابش خورشید و میزان صدور اشعه مادون قرمز در سیستمهای فتوولتائیک/حرارتی انجام داده و به این نتیجه رسیدند که راندمان سیستم فتوولتائیک/حرارتی که توسط سیال عامل هوا کار میکند، کمتر از نوعی است که توسط سیال عامل آب کار میکند. دلیل این امر اینست که در سیستم فتوولتائیک/حرارتی با سیال عامل هوا، جذب تابش کم بوده اما صدور اشعه مادون قرمز زیاد می باشد
در سال 2003، چاو، سیستمهای فتوولتائیک/حرارتی را توسط مدل صریح دینامیکی مورد بررسی قرار داد.[4] در سال 2005، تونی و تری پاناگنوستوپولوس، ارزیابی اقتصادی بر روی هزینه سیستمهای فتوولتائیک/حرارتی و پانلهای فتوولتائیک انجام دادند.[5] در سال در سال 2006 تیواری و سودها [6] تلاش کردند تا مدل حرارتی یک جمع کننده فتوولتائیک و سیستم خورشیدی گرمایی را با کمک از تحقیقات گذشتگان ارتقا دهند و بر اساس بالانس انرژی برای هرکدام از مولفههای جمع کننده فتوولتائیک/حرارتی، مقدار عددی برای دمای مدول فتوولتائیک و آب بدست آمد.
در سال 2007 جوشی و تیواری[7] راندمانهای جمع کنندههای فتوولتائیک/حرارتی را به دو صورت انرژی و اکسرژی مورد بررسی قرار دادند که راندمان انرژی را حدود 55-56 درصد و راندمان اکسرژی را حدود 12-15 درصد بیان کردند. در سال 2010 سرحدی، فراهت و همکاران [8-10] یک مدل مفصل الکتریکی و حرارتی برای یک گردآورنده هوایی و آبی فتوولتائیک حرارتی خورشیدی برای محاسبه پارامترهای الکتریکی و حرارتی،گسترش دادند و آن را از منظر اکسرژی بهینه سازی کردند و یک بیان تحلیلی برای کارایی انرژی کل آن در ترم های حرارتی، الکتریکی، طراحی و پارامترهای آب وهوایی استنتاج، و یک برنامه شبیه سازی کامپیوتری به منظور محاسبه پارامترهای گردآورنده هوایی فتوولتائیک حرارتی خورشیدی ایجاد کردند. آنها مشاهده کردند که نتایج شبیه سازی الکتریکی و حرارتی بدست آمده در تحقیقاتشان دقیقتر از داده های مقالات قبلی است.
در سال 2012، یوسفی، ویسی و همکاران [11] در دانشگاه کرمانشاه یک کلکتور صفحه تخت خورشیدی ساخته و به بررسی آزمایشگاهی تاثیر %2 و%4 وزنی نانوذرات اکسید آلومینیوم بر راندمان سیستم پرداخته و آزمایشات را در دبیهای مختلف و با و بدون حضور سورفکتانت انجام داده و همچنین تاثیر PH های مختلف را بر راندمان سیستم بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که سورفکتانت باعث افزایش انتقال حرارت شده و با استفاده از نانوسیال %2 وزنی بازده کلکتور در مقایسه با آب %28,3 افزایش مییابد.
در سال 2012، سیادر، منگ و همکاران [12] به بررسی تاثیر نانو سیال به عنوان سیال پایه در مجموعه کلکتور فتوولتائیک حرارتی پرداختند. و راندمان سیستم فتوولتائیک حرارتی را با سیالهای آب و هوا ونانو سیال آلومینیوم با هم مقایسه کردند و با تغییر اندازه نانوذرات و کسر حجمی میزان جذب انرژی در طول موجهای مختلف را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند و به این نتیجه دست یافتند که استفاده از نانو سیال در طول موج بهینه راندمان سیستم را نسبت به حالتی که سیال عامل آب است %11 افزایش میدهد.
ویژگی این تحقیق نسبت به تمامی کارهای قبلی انجام شده این میباشد که در این تحقیق با ترکیب پانلهای فتوولتاییک با جمعکننده حرارتی در ابتدا راندمان الکتریکی را با خنکسازی سطح پانلهای فتوولتاییک افزایش داده میشودو با گرفتن حرارت از پانلهای فتوولتاییک و جمع کننده حرارتی خورشیدی توسط جریان سیال با خصوصیات حرارتی بهتر نسبت به آب و هوا، در کنار انرژی الکتریکی تولیدی، انرژی حرارتی نیز تولید شده و میزان انرژی تولیدی بر واحد سطح به مقدار قابل توجهی افزایش مییابد.
در مجموع راندمان کلی جمع کننده فتوولتاییک/حرارتی که نسبت به راندمان پنلهای فتوولتاییک و راندمان جمع کننده حرارتی خورشیدی در صورتی که جداگانه عمل کنند، بیشتر میباشد.در این تحقیق پس از تهیه نانوسیال نقره با پایداری بسیار بالا [13] در دو غلظت جرمی 2 و4 درصد جرمی تاثیر دبیهای مختلف جریان بر راندمانهای الکتریکی و حرارتی و راندمان کل سیستم از دیدگاه قانون دوم مورد ارزیابی قرار میگیرد.
مشخصات سیستم
برای ساخت گردآورنده فتوولتائیک یک پانل glass_glass از نوع مونو کریستالین سیلیکونی به صورت آماده با سایز مورد نیاز - ابعاد 1300×560×5 میلیمتر - تهیه گردید. برای این پانل فتوولتائیک ابتدا نیاز به ساخت یک بدنه - قاب - برای دستگاه می-باشد، برای ساخت بدنه ترجیحاً از جنس چوب MDF استفاده شده، این انتخاب بدلیل وجود مواد پلاستیکی و نیز خاصیت عایقبندی خوب آن است. قطر این چوب در حدود 50 میلیمتر میباشد و براحتی قابلیت تحمل گردآورنده و تجهیزات دیگر را دارد.
از یک صفحه مسی با ابعاد 110×56 سانتی متر مربع و ضخامت 0/5 میلی متر به عنوان جاذب حرارت از پانل فتوولتائیک استفاده می شود. با توجه به اینکه پانل موجود متشکل از چهار ردیف سل میباشد، چهار لوله مسی با قطر متوسط 12 میلی متر را در درون شیارهایی که در صفحه مسی با دستگاه پرس ایجاد کرده ایم قرار دادهایم - لوله های مسی بین پنل فتوولتائیک و صفحه مسی قرار می گیرند و هر لوله دقیقا در وسط سلها قرار میگیرد. - و برای کم کردن مقاومت حرارتی بین لوله و صفخه مسی، محل تماس آنها با سطح پنل را با گرافیت پر می کنیم و توسط گیرههای ساخته شده قاب چوبی را که صفحه جاذب مسی و لولهها روی آن قرار میگیرند به شیشه زیرین پانل میچسبانیم. برای ایجاد جریان یکنواخت و مساوی سیال ، لولههای مسی را بصورت موازی بایکدیگر در زیر پنل قرار داده و توسط سهراهههای برنجی آنها را به هم متصل نمودهایم.
