بخشی از مقاله
چکیده:
این مطالعه با هدف طراحی و شبیهسازی دستگاه استحصال آب از هوای محیط با استفاده از سلولهای خورشیدی انجام گرفت. سؤال اصلی تحقیقاین است که در صورت استفاده از صفحات خورشیدی برایتأمین انرژییک دستگاه استحصال آب از هوای محیط، نسبت حجم آب تولیدی بر مساحت واحد پنل خورشیدی به کار برده شده چه مقدار میباشد؟ پس از انجام مطالعات لازم و طراحی مفهومییک دستگاه استحصال آب از هوای محیط، با پیشفرضهای لازم از قبیلحداقل رطوبت 40 درصد و دمای محیط 35 درجه به محاسبه مصرف انرژی دستگاه پرداخته شد و شرایط اقلیمی شهر بوشهر به عنوان الگوی عملیاتی مناسب استفاده شد.
در نهایت بررسی گردید که در صورت استفاده از پنلهای خورشیدی برایتأمین انرژی مورد نیاز دستگاه، به چه میزان پنل خورشیدی مورد نیاز است. در نهایتمشخص گردید که حجم آب تولیدی در شرایط گفته شده به چه میزان میباشد که بنا به محاسبات انجام شده مشخص شد حدود 634 گرم آب به ازای هر مترمربع پنل خورشیدی در شبانهروز قابل استحصال است. بدین ترتیب استفاده از انرژی خورشیدی برای این طرح تنها در شرایطی مقرون به صرفه میباشد که دسترسی به آب شیرین با دشواری روبرو باشد.
-1 مقدمه
کشور ایران در یکی از خشک ترین مناطق جهان قرار دارد. متوسط بارندگی کشورمان حدود 250 میلیمتر بوده که برابر یک سوم متوسط جهانی است . شرایط خاص اقلیمی کشور که خشکی و پراکنش نامناسب زمانی و مکانی بارندگی واقعیت گریزناپذیر آن است، هرگونه تولید مواد غذایی و کشاورزی پایدار را منوط به استفاده صحیح و منطقی از منابع آب محدود کشور نموده است
به دلیل بروز دشواری های بسیار در تأمین آب قابل کشت در اقصی نقاط کشور، امروزه دنبال کردن راهکارهای جدید برای استحصال آب به شدت دنبال می شود. یکی از جدیدترین راه های استحصال آب شیرین، استفاده از رطوبت هوای محیط است که تاکنون چند طرح در این زمینه در خارج و داخل از کشور اجرا شده است. در این تکنیک با یک فرآیند سرد کردن هوای محیط و ایجاد شرایط میعان، بخارآب موجود در هوای محیط برداشت شده و آب حاصله شیرین بوده و آلودگیهای احتمالی آن از قبیل ریز گردها و ذرات معلق مختلف با فیلتراسیون تفکیک میشود.
از سویی استفاده از انرژی خورشیدی برای تأمین برق راهکاری است که سال ها است اجرا شده و یکی از منابع انرژی پاک را برای بشریت فراهم ساخته است. ایران کشوری است که به گفته متخصصان این فن با وجود 300 روز آفتابی در بیش از دو سوم آن و متوسط تابش 5،5 - 5،4 کیلووات ساعت بر مترمربع در روز یکی از کشورهای با پتانسیل بالا در زمینه انرژی خورشیدی معرفی شده است.
با مطالعات انجام شده توسط DLR آلمان، در مساحتی بیش از 2000 کیلومترمربع، امکان نصب بیش از 60000 MW نیروگاه حرارتی خورشیدی وجود دارد .[2]انرژی خورشید یکی از منابع تأمین انرژی رایگان، پاک و بدون اثرات مخرب زیست محیطی است. با توجه به بحران انرژی در سال های اخیر و همچنین کاهش آلودگی و صرفه جویی در مصرف انرژی و کنترل عرضه و تقاضای انرژی، جایگزینی انرژی های تجدید پذیر مانند انرژی خورشیدی با انرژی های فسیلی اهمیت زیادی یافته است با توجه به جغرافیای کشور ایران امکان استفاده حداکثری از انرژی خورشید در بخش های مختلف کشور در کل ایام سال وجود دارد
اگرچه سطح مکانیزاسیون در سیستمهای رایج کشاورزی موجب افزایش تولید گردیده است اما باید اشاره نمود که مصرف انرژی در این بخش، به طور روز افزون افزایش و کارایی انرژی مصرفی کاهش یافته است. و از سوی دیگر آثار مخرب زیست محیطی مانند تخریب ساختار خاک و فرسایش آن، آلودگی محیط زیست ناشی از انتشار گاز دی اکسید کربن، افت کیفیت مواد غذایی و خطر مسمومیت آن ها و همچنین هزینههای بالای انرژی در این سیستمها نسبت به سیستمهای سنتی و در نتیجه ناپایداری و عدم ثبات را به دنبال داشته است. از این رو به منظور دستیابی به توسعه پایدار در کشورهای صنعتی، گسترش استفاده از سیستم های انرژی تجدید پذیر در بخش کشاورزی به ویژه انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گرفته است
اما سؤالی که در این زمینه قابل طرح است و این تحقیق به دنبال پاسخ آن می باشد این است که در صورت استفاده از صفحات خورشیدی برای تأمین انرژی یک دستگاه استحصال آب از هوای محیط، نسبت حجم آب تولیدی بر مساحت واحد پنل خورشیدی به کار برده شده چه مقدار میباشد؟
-2 فناوری برداشت آب از هوای محیط
ایده تولید آب از رطوبت موجود در هوا از قرنها پیش، شاید از آغاز زراعت و کشاورزی ذهن بشر را به خود مشغول کرده است. مشاهده گیاهانی که به طور طبیعی، رطوبت هوا را به صورت شبنم بر روی برگهای خود ظاهر میکردند و یا در زمان مه های غلیظ، باریکه ای از جریان آب بر روی تنه آنها قابل مشاهده بود، امکان تهیه آب از هوا ی مرطوب را در اذهان قوت میبخشد.
جمع آوری مه توسط گیاهان و انجام آزمایشات علمی و تجربی بر پوشش گیاهی از اواخر قرن هجدهم شروع شده است. از طرف دیگر جمع آوری مه های وزشی توسط جمعکنندههایمصنوعی ساخت بشر یک زمینهنسبتاً جدید تحقیقات را ایجاد کرده است. در جاهایی که تهیه آب به مقادیر کم، حتی با هزینه زیاد توجیه پذیر است، طراحی و ساخت دستگاههایی که با مصرف انرژی،یک سیستم خنک کننده ایجاد و با استخراج رطوبت از هوا و تراکم آن به آب، مقادیری آب شیرین تولید می کند،عملاً رایج گردیده است
دستگاه های استحصال آب از هوای محیط به طور کلی از فناوری یکسانی استفاده می کنند که مبتنی بر ایجاد میعان و تشکیل قطرات آب و گردآوری این قطرات میباشد، اما توجه به مختصات اقلیمی از قبیل دما و رطوبت نسبی محل استقرار دستگاه، بر میزان آب استحصال شده از آن تأثیر داشته و مصرف انرژی آن را نیز دچار تغییرات عمده می کند. شکل 1 مکانیزم کلی کار را نشان میدهد.
-3 کلیات طراحی دستگاه برداشت آب از هوای محیط
بنا به آنچه تشریح شد، باید ابتدا توسط دمنده هوای محیط را به درون دستگاه بفرستیم. سپس با ایجاد سرمایش لازم دمای هوای ورودی را به نقطه میعان برسانیم. در این حالت قطرات آب تشکیل می شوند و ضمن گردآوری قطرات شکل گرفته، باید هوای خشک شده - با درصدی اتلاف در جذب آب - را به بیرون هدایت کنیم.
شکل .1 مکانیزم کلی برداشت آب از هوای محیط
در واقع می توان این فرآیند را بدین صورت توضیح داد: ابتدا هوا توسط بلوور به داخل دستگاه پمپاژ می شود. سپس هوای ورودی به بخش سردکننده می رسد و دمای آن کاهش می یابد. هوا در ضمن حرکت در دستگاه سرد شده و در نتیجه تدرجاًی قطرات آب بر سطوحی که با هوای محیط برخورد دارند شکل می گیرد. این قطرات بر اثر جاذبه زمین به سمت پایین حرکت کرده و در نقاط پایینی دستگاه تخلیه می شوند. هوا که تا حد مناسبی رطوبت خود را از دست داده است، از دستگاه تخلیه می شود. بدین ترتیب لازم است برای این موارد انرژی صرف کنیم: دمیدن هوا به درون دستگاه، کاهش دمای هوای ورودی، تخلیه هوا از دستگاه.
بهتر است طراحی به نحوی انجام گیرد که سرمایش ایجاد شده در هوای ورودی در انتها استفاده شود. بدین معنی که برای کاهش دمای هوای ورودی علاوه بر تجهیزات سردکننده، از بازخورد هوای سرد شده در حال تخلیه استفاده کنیم تا راندمان مصرف انرژی بهتری داشته باشیم.
-2-3 طراحی دستگاه برداشت آب از هوای محیط
نمای شماتیک دستگاه در شکل 2 به نمایش گذاشته شده است.
-1-3 استفاده از سیکل تبرید تراکمی
یکی از ساده ترین روشها برای سرد کردن هوای مرطوب ورودی،استفاده از کویلهای اواپراتور در یک سیکل تبرید است. با توجه به توسعه گسترده فناوری سیکلهای تبرید که در سالهای اخیر به دست آمده است و به دلیل سادگی عملکرد و تعمیرات و نگهداری آنها، حوزه کاری وسیعی در بررسی بهبود عملکرد این سیکلها درزمینه استحصال آب به وجود آمده است
در این پژوهش با طراحی کامل سیکل تبرید تراکمی علاوه بر پارامترهای آب و هوایی تأثیر پارامترهای سیکل بر میزان تولید آب و شدت مصرف انرژی باید مورد بررسی قرارگیرد. در ادامه با توجه به شرایط مناسب تعیینشده برای عملکرد سیستم، مطالعه موردی در شهر بوشهر برای بهکارگیری این روش انجامشده است.
روش جذب رطوبت از هوای مرطوب به کمک سیکل تبرید تراکمی بر این مبنا استوار است که باید سرد کردن هوا با عبور از روی سطح سرد اواپراتور انجام شود. با سرد شدن سطح کویلهای اواپراتور به دمایی کمتر از نقطه شبنم، فشار بخارآب موجود در هوا کاهش پیدا می کند و بخارآب روی سطحمبدل حرارتی چگالیده میشود.
سپس لازم است تا گرمای نهان آزادشده در این مرحله توسط سیکل تبرید جذب شود. با توجه به هدف اصلی این طرح که ایجاد فرآیند فیزیکی میعان برای بخارآب موجود در هوا است،
شکل .2 نمایش شماتیک دستگاه طراحی شده.
مطابق شکل این دستگاه از یک کانال تشکیل شده است، و با استفاده از یک فن هوا جریان می یابد. ابتدا دمای هوا با عبور از روی سطح سرد اواپراتور،کاهش داده شده و مقداری از رطوبت خود را نیز از دست میدهد. آب شیرین در قسمت زیرین اواپراتور گردآوری می شود. در ادامه این جریان هوا از روی سطح کندانسور عبور کرده و ضمن خنک نمودن مبرد درون کندانسور از سیستم تخلیه می شود. از مزایای این سیکل این می باشد که هوای عبوری از روی کندانسور دارای دمای کمتری نسبت به هوای محیط است که در نتیجه میتواند موجب کاهش سطح موردنیاز برای کندانسور گردد و مصرف انرژی دستگاه را نیز کاهش دهد.
در بخش دیگر سیکل تبرید از مبرد R134a استفاده شد. ابتدا فشار مبرد درون کمپرسور افزایش یافته و سپس با عبور از کندانسور خنک می شود. در ادامه با عبور از شیر اختناق دوباره فشار را کاهش داده و در انتها وارد اواپراتور میگردد.
