بخشی از مقاله
چکیده
تلفات میوه و سبزی در کشورهای در حال توسعه 30 تا 40 درصد کل محصول برآورد شدهاست که می توان با استفاده از طرح های مناسب خشک کن های خورشیدی در مناطق روستایی تلفات پس از برداشت محصول را به شدت کاهش داد و چون جمعکنندهها یکی از قسمت های مهم خشککن خورشیدی میباشد. بهینه کردن طراحی کلکتورها عمکرد بهتر سی ستم را سبب خواهد شد. لذا در تحقیق حاضر، جمعکننده گرمکن هوای خورشیدی صفحه تخت، که بطور گسترده در خشککنهای خورشیدی کاردبرد دارد، طراحی و توسط مفهوم اکسرژی بهینه سازی گردید. بدین منظور مدل ریاضی جامع ی از شرایط عملکرد حرارتی و اپتیکی کلکتور بدست آمد.
در این مدل ریاضی اغلب پارامترهای هندسی و شرایط عملکرد آن بعنوان متغیر فرض شده اند. پس از این مدلسازی، با معرفی مفهوم اکسرژی و مؤلفههای مختلف معادله تعادل اکسرژی، ضمن متغیر بودن ضریب افت حرارت کلی کلکتور و سایر ضرایب انتقال حرارت و تصحیح رابطه اکسرژی تابشی خورشید ، راندمان اکسرژی جمعکننده بدست آمد. در انتها توسط توابع بهینهسازی جعبه ابزار نرم افزار MATLAB® شرایط عملکرد جمع کننده و پارامترهای هندسی طراحی آن برای حداکثر شدن راندمان اکسرژی جمعکننده پیدا شدهاند و نمودارهای راندمان اکسرژی و حرارتی جمعکننده بر حسب برخی پارامترها رسم و مقایسه شده اند. علاوه بر افزایش راندمان اکسرژی، مفید بودن این روش برای چنین سیستم هایی نتیجه شده است.
مقدمه
انرژی تابش خورشید رسیده به سطح کره زمین، برای مدت 30 دقیقه معاد ل معادل کل انرژی مصرفی جهان میباشد .[Tchinda, 2009] کشور ما ایران به دلیل واقع شدن درمنطقه نیمه گرم و خشک از تابش نور کافی بر خوردار است. بطوریکه انرژی خورشیدی دریافتی آن حدود 4000 برابر انرژی مصرفی آن می باشد و می توان کلیه نیازهای کشور را با استفاده از انرژی خورشیدی تأمین نمود ] بهادری نژاد ، .[1371 فناوری ساده، قابلیت دسترسی در نقاط دور افتاده، رایگان بودن ، حفظ منابع موجود و بالاخره کاهش تولید ترکیبات سمی و اکسیدهای نیتروژن و سولفور و بطور کلی گازهای آلاینده و در نتیجه کاهش آلودگی هوا از دلایل لزوم استفاده از انرژی خورشیدی در کشور است.
یکی از پتانسیل های انرژی خورشیدی تأمین هوای گرم برای خشک کردن محصولات کشاورزی است [Parker, .1980] فرآیند خشککردن یک فرآیند متکی بر انرژی بوده و راه های کاهش مصرف انرژی همیشه مورد توجه محققان بودهاست. منابعی که در حال حاضر انرژی مصرفی خشککن ها را تأمین میکنند سوختهای فسیلی هستند که مقدار آنها محدود و غیر قابل تجدید است . به دلیل افزایش قیمت سوختهای فسیلی ، مشکل آلودگی زیستمحیطی و منبع محدود آنها، توجه زیادی به انرژی خورشیدی به عنوان جایگزین یا متممی برای سوختهای فسیلی جهت گرم کردن هوا و نتیجتاً استفاده در فرآیند خشک کردن شده است.
تلفات میوه وسبزی در کشورهای در حال توسعه 30 تا %40 کل محصول برآورد شده است که می توان با استفاده از طرحهای مناسب خشک کنهای خورشیدی در مناطق روستایی تلفات پس از برداشت محصول را به شدت کاهش داد و چون جمع کننده خورشیدی یکی از قسمت های خیلی مهم در خشک کن خورشیدی می باشد. بهینه کردن طراحی آنها عمکرد بهتر سی ستم را سبب خواهد شد
یک جمعکننده صفحه تخت خورشیدی نوعی خاصی از مبدل گرمایی است - شکل - 1 که در آن انرژی تابشی خورشید توسط جریانی از هوا یا مایع، دریافت شده و سپس مورد استفاده قرار گرفته و یا ذخیره می شود
جمع کننده های گرمکن هوای خورشیدی دو عیب عمده دارند یکی ظرفیت حرارتی کم هوا و دیگری ضریب انتقال حرارت کم بین هوا و صفحه جذب کننده است . اصلاحات مختلفی برای بهبود ضریب انتقال حرارت بین هوا و صفحه جذب کننده پیشنهاد و اعمال شده اند. این اصلاحات شامل استفاده از صفحه جذب کننده پره دار ، صفحه جذب کننده چین دار و صفحه جذب کننده نوع شبکه ایی می باشد
در مقالات رادمان بالای جذب کننده های موجدار BVشکل و پره دار بدون افزایش معنی داری در افت فشار گزارش شده است در حالیکه که جمع کنندههای شبکه ایی بالاترین رادمان را دارند به سبب افت فشار بالای در عبور ازجذبکننده شبکه ایی بالاترین توان مصرفی را نیز دارا می باشند
راهکار استفاده از جمعکنندههای با گردش دوبل ٌ برای کاهش تلفات حرارت از پوشش توسط Satcunanathan و Deonaraine معرفی شد . آنها با آزمایش تجربی برتری جمعکنندههای با گردش دوبل را نسبت به نوع معمول با یک بار عبور جریان هوا نشان دادند
سوندرا و همکاران مطالعه ی Satcunanathan و Deonaraine با جزئیات بیشتر انجام دادند و نظرات آنها را تأیید کردند . به عقده Karim و havlader نیز استفاده از جمعکننده های با گردش دوبل در مقایسه با جمعکنندههای با یک بار عبورجریان هوا نسبتاً افزایش داد
استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان منبع انرژی در کشاورزی به میزان زیادی به توسعه سیستم های خورشیدی دارای عملکرد بهینه، مزیت اقتصادی و قابلیت اعتماد خوب وابسته است . بطوری که با بهینه کردن آنها این منبع عظیم انرژی با منابع انرژی مرسوم و دیگر منابع انرژی قابل مقایسه باشد .
در سیستم های خشک کن خورشیدی، جمعکننده به عنوان اصلی ترین جزء سیستم در نظر گرفته می شود و عملکرد حرارتی بهینه آن در عملکرد کل سیستم تأثیر بسزائی دارد. از اینرو مقدار کیفیت انرژی یا همان اکسرژی جمع آوری شده توسط جمع کننده اهمیت مییابد. از طرف دیگر معادله انرژی هیچگونه اطلاعاتی در مورد افت های داخلی نمی دهد و به تنهایی نمی تواند معیاری از کارایی جمعکننده خورشیدی باشد. لذا با توجه به پتانسل بالای کشور برای استفاده از انرژی خورشیدی و میزان بالای تولید محصولات کشاورزی و لزوم پرداختن به جوانب طراحی، یافتن و تعیین شرایط عملکردی این نوع جمع کنندهها، در پژوهش حاضر ضمن طراحی یک جمع کننده گرمکن هوای خورشیدی پارامترهای موثر بر عملکرد آن برای حصول عملکرد بهینه با استفاده از مفهوم اکسرژی مدل سازی شد تا اکسرژی جمع آوری شده به حداکثر ممکن رسیده و به عبارت دیگر برگشت ناپذیری های موجود به حداقل ممکن کاهش یابد و سپس روابط حاصل با الگوریتم ژنتیک در محیط نرم افزار Matlab® برای تعیین مقادیر بهینه پارامترها مورد بررسی قرار گرفت . لازم به ذکر است استفاده از الگوریتم ژنتیک یک ایده نوع و بدیع در بهینه سازی جمع کننده های خورشیدی است.
مواد و روشها
تحلیل اکسرژی گرمکن هوای خورشیدی را نمی توان بودن مدلسازی از عملکرد حرارتی و اپتیکی آن انجام داد بنابراین ابتدا به بررسی عملکرد حرارتی و اپتیکی گرمکن هوای خورشیدی پرداخته شد . سپس طبق رابطه تعادل اکسرژی گرمکن هوای خورشیدی معادله راندمان اکسرژی بر حسب یکسری از پارامترهای مؤثر در طراحی کلکتور خورشیدی استراج و در نهایت برای پیدا کردن همزمان تمامی پارامتر های بهینه مؤثر در جمعکننده جهت حداکثر شدن راندمان اکسرژی گرمکن از الگوریتم ژنتیک در نرمافزار Matlab® استفاده شد. شایان ذکر است که ایده استفاده از الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی اکسرژی گرمکن هوای خورشیدی ایده جدیدی می باشد.
تحلیل انرژی
عملکرد جمع کنندههای خورشیدی بعنوان انرژی مفید جذب شده توسط سیال واسط انتقال حرارات - هوا - در شرایط پایدار انرژی تعریف میشود. Hottel و Woertz در سال - 1942 - این جمله را بصورت ریاضی مدل سازی کردند و رابطهای - رابطه - 1 برای محاسبه انرژی جذب شده و انرژی اتلافی ارائه کردند [Farahat et al, .2009] از طرفی نرخ انرژی جذب شده توسط جریان هوا در مسیر کانال جمعکننده خورشیدی از رابطه2 بدست میآید. Bliss در سال - 1959 - با معرفی کردن ضریب برداشت حرارت ٍ یک فرم بسیار مفیدتری از این رابطه را بصورت رابطه 3 معرفی کرد
