بخشی از مقاله
چکیده:
امروزه کاربرد انرژی های خورشیدی برای جایگزینی منابع فسیلی با استفاده از متمرکز کننده های خورشیدی در حال گسترش است و نوآوری هایی از جمله متمرکز کننده فرنل، برای افزایش توجیه پذیری استفاده از آنها صورت میگرد. در این تحقیق پارامترهای موثر بر متمرکز کننده های فرنل از جمله ارتفاع کانون، مساحت و تعداد المان های طولی و عرضی مورد بررسی قرار گرفت.
در مدلسازی ها، ارتفاع کانون بیشترین تاثیر را در راندمان بازتاب کننده داشت و در یک مساحت معین، سطحی با عرض بیشتر عملکرد بهتری را از خود نشان داد وهمچنین با زیاد تر شدن تعداد المانها به صورت محدود میتوان به میزان بازدهی موثر سطح دست یافت. و در نهایت مشخص شد که پس از برآورد میزان انرژی مورد نیاز و تخمین مساحت، با تعیین نمودن ارتفاع مناسب کانون، می توان به بازدهی یا سطح موثر بالغ بر %90 نیز دست یافت.
1. مقدمه:
امروزه توسعه ی پایدار، الزام به بکارگیری از انرژی های تجدید شونده را در مصارف خانگی و صنعتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است و استفاده از انرژی خورشیدی در حوزه های مختلف تامین انرژی حرارتی و الکتریکی، تهویه مطبوع، آب-شیرینکن ها و همچنین استفاده های خانگی همچون اجاق خورشیدی، در حال تحقیق و توسعه و جایگزین برای سوخت های فسیلی است. برای بهرهگیری مناسب از انرژی خورشیدی، از مدل های مختلفی از کالکتور ها، استفاده میگردد.
برای کاهش اتلافات حرارتی ناشی از انتقال حرارت به روش های جابه جایی و تابشی، بهتر است تا سطوح داغ، کوچکتر باشند، بنابر این استفاده از متمرکز کننده های حرارتی توجیه پیدا میکند. متمرکز کننده ها بر اساس قوانین اپتیک، پرتوهای تابشی حرارتی را، بر روی کانون متمرکز میکنند و موجب بالارفتن دمای کانون میشوند.
برای متمرکز نمودن پرتو های تابش حرارتی، از رویه های سهموی و کروی برای ایجاد کانون های خطی و نقطه ای استفاده که این رویه ها، برای کارآیی بالاتر، باید مساحت دریافت تابشی بیشتری در اختیار داشته باشند تا بتوانند انرژی نسبتا زیادی را بخصوص برای مصارف صنعتی فراهم آورند. بنابر این یکی از شاخصه های مهم ساخت این رویه ها، تجهیزات شکل دهی به ورقه های فلزی به عنوان بازتابکننده ها است و دیگری ابزار آلات نگهدارنده آن هاست. از جهتی به خاطر شرایط محیطی و امکان تعمیر و جایگزینی این رویه ها، بهتر است تا آن ها به صورت المان های بازتاب کنندهی کوچکتر درآیند.
از جهت دیگر، میزان فضای مورد نیاز برای نصب و راه اندازی امر مهمی است که بایستی در بسیاری از فضا ها امکان بهره مندی از این تجهیزات فراهم باشد. متمرکز کننده های فرنل، نسبت به متمرکز کننده های دیگر، از نظر اقتصادی و سهولت ساخت و بهره برداری، دارای مزیت هستند و لذا تحقیقات جدید در حوزه متمرکز کننده ها، به این سبک از متمرکز کننده ها، پرداخته شده است.
ولازکوئیز و همکاران[1] از یک کالکتور فرنل خطی، برای تامین حرارت یک سیکل تبرید جذبی شبیه سازی نموده و امکانسنجی کاربرد آن را مورد تحلیل قرار داده اند. مقیمی و همکاران[2]، بهینه سازی فاصله جذب کننده از بازتاب کننده ثانویه و صفحه متمرکز کننده در یک کالکتور فرنل خطی با استفاده از نرم افزار Ansys Design Explorer بررسی نمودند و دراین تحقیق نوع و شکل جذب کننده را بر میزان اتلافات حرارتی، موثر دانسته و مشخصات ابعادی و فاصله کانونی را بر میزان بازدهی پر اهمیت خوانده اند.
ژنگ و همکارانش[3] یک کالکتور فرنل به همراه بازتابکننده ثانویه، را بررسی کردند که انرژی جذب شده که بر اساس قوانین اپتیک محاسبه شده بود را با داده های تجربی، مقایسه نمودند و با استفاده از بازتاب کننده ثانویه، به ضریب تمرکز 33/5 دستیافته و بازدهی میزان سطح موثر را به %84 رساندند. بالاجی و همکارانش[4] در تحقیق خود، یک متمرکز کننده سهموی خطی فرنل با مساحت 154 متر مربع را با روش مونت کارلو مورد بررسی قرار دادند و نشان دادند که یک متمرکز کننده فرنل معمولی بازدهی در حدود%63 دارد و با استفاده از بازتاب کننده ثانویه، این بازدهی به 83,3% خواهد رسید.
رونگاسامی و همکارانش[5] اثر تغییر زاویه خورشید را در دو حالت ثابت و با استفاده از ردیاب خورشیدی، بر روی متمرکز کننده های فرنل و تاثیر آن بر میزان شار دریافتی، با استفاده از نرم افزار های متلب و انسیس فلوئنت را با هدف کاهش اتلاف حرارتی ناشی از بازتابش دریافت کننده، مدل سازی نمودند که نتیجتا راندمان اپتیک را به دو عامل ابعاد و جنس بازتابکننده ها وابسته دانستند واینکه تنها با بازتاب کننده ثانویه میتوان این مقدار را افزایش داد.
میلز و ماریسون[6] یک کالکتور فرنل را در مقیاس صنعتی، از جهت میزان سایهی هر المان با تنظیم ارتفاع کانونی و چینش پیشنهادی برای رسیدن به این هدف، از یک عدسی برای کمتر نمودن فاصله کانونی استفاده کردند که در نتیجه آن مدل مذکور از حالت سابق عملکرد بهتری داشت. زنگ و همکارانش [7] با استفاده از روش محاسبات اپتیک، و روش ردیابی اشعه، زوایای المان ها در یک کالکتور فرنل با ارتفاع های کانون متفاوت بررسی نمودند. نتیجه تحقیق بر این بود که هر چقدر طول کالکتور کمتر و ارتفاع کانون بیشتر باشد، به وضعیت بهینه نزدیک تر خواهیم بود. نهایتا به بازدهی %80 دست یافتند.
باربن و همکارانش[8]بر اساس محاسبات ریاضی و اپتیک، فاصله و تعداد و عرض المان ها در یک متمرکز کننده فرنل خطی، و به همراه بازتاب کننده ثانویه، مورد بررسی قرار دادند. بررسی ها نشان داد که یک متمرکز کننده فرنل خطی، برای بازه دمایی 100 تا 250 درجه مناسب بوده و در چند نیروگاه مورد استفاده قرارگرفته شده است و نیز مصارف خانگی را به این روش می توان تامین نمود که این رقم در حدود %85 از مصارف خانگی انرژی است.
بویتو و گرنا[9] برای بهبود عملکرد متمرکز کننده فرنل خطی، پارا متر های طول و عرض و فاصله کانونی را بررسی نموده و با تحقیق بر چهار مدل پیشنهادی، مدلی که در آن اندازه المان ها مساوی و در مجاورت یکدیگر بود، به بازدهی %12 بیشتر از حالات دیگر رسید. آن ها عامل فاصله کانونی را از سایر عوامل موثر تر دانستند.
ایده کلی این طرح، مبنی بر رسیدن به ظرفیت و توان یک متمرکز کننده کروی - بشقابی - است. متمرکز کننده های بشقابی، آینه هایی مقعر هستند که پرتو های تابش حرارتی را بر روی یک نقطه - کانون - جمع آوری میکنند. برای آنکه مقدار انرژی لازم در یک فعالیت تامین شود، لازم است تا سطح این رُویه های کروی بزرگ باشد و در مقیاس های صنعتی در حدود 10 متر مربع باشد.
ساخت چنین رویه هایی، بسیار هزینه بر بوده و نیز در هنگاه تعویض یا تعمیر از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیستند. همچنین سازهی نگهدارندهی این متمرکز کننده ها یک سازه سه بعدی است و لازم است تا خود رویه نیز به درستی بر روی آن نصب شود فلذا امکان چرخش و حرکت سخت بوده و فضای زیادی نیاز دارند.
بنابر این از ایده متمرکزکننده های فرنل، در این طرح بهره گیری شده و به جای ایجاد کانون خطی، کانونی نقطه ای در یک سازه تخت به واسطه چینش المان های بازتابکننده در کنار هم، فراهم شده است.
تا کنون این ایده که متمرکز کننده ها، به المان های کوچکتر تبدیل شوند - که این مدل از متمرکز کننده ها به نام متمرکز کننده فرنل معروفند- مورد استفاده قرار گرفته است، اما لازم است تا بر روی بهینه سازی هندسه این متمرکز کننده ها و متغیر های آن گسترده تر بحث شود. سازه ای که این نوع متمرکز کننده بر روی آن سوار میگردد نیز باید مقرون به صرفه باشد.
2. طرح مسئله:
در زاویه معین تابش - عمود بر سطح دریافت کالکتور - متغیر های ارتفاع کانون، تعداد المان های بازتابکننده کار شده در یک مساحت معین، در دو جهت طولی و عرضی و هم چنین شاخصه های اصلی طول و عرض، با استفاده از روش هندسی اپتیک، مورد بررسی قرار میگیرد و حالت بهینه آن محاسبه میگردد.
3. محاسبات و طراحی
در متمرکزکننده های فرنل، با توجه به محل قرار گرفتن کانون، بازتاب کننده هایی در کنار هم قرار میگیرند که پرتوی های نور را بر روی کانون متمرکز میکنند و این فرایند با تنظیم زاویهی بازتاب کننده ها حاصل خواهدشد. هر بازتابکننده، با توجه به فاصلهی طولی که از کانون دارد، زاویه اش مشخص خواهد شد.
شکل-1 تنظیم شدن زاویه بازتاب کننده، بر اساس ارتفاع کانونH و فاصله طولی از کانونL
همانطور که در شکل1 مشخص است، پرتوی عمود بر صفحه ی متمرکزکننده، توسط بازتابکننده ای که از کانون فاصله عرضی L دارد و ارتفاع کانون نیز H است، باید از روی کانون عبور کند، بنابر این طبق محاسبات هندسی، زاویه بازتابکننده، به شکل زیر محاسبه خواهد شد.
پرتوی تابش با همان زاویه که به بازتابکننده برخورد نموده است از آن بازتاب میشود. از طرفی پرتوی تابش موازی با ارتفاعH نیز هست. بنابراین با محاسبات هندسی - مجموع زوایای مثلث و اصل توازی - ، در صورتی که زاویه ای که پرتوی نور به کانون میرسد 2 باشد، زاویهی بازتاب کننده نسبت به صفحهی متمرکز کننده خواهد بود. حال از آنجا که فاصله ی طولی و ارتفاع کانون، برای هر بازتابکننده باید تعیین کننده باشد.
