بخشی از مقاله
مروری بر انواع سیستم های سرمایش خورشیدی
چکیده
امروزه بشر با دو بحران بزرگ روبرو است که به شکل گسترده ای با یکدیگر ارتباط دارند، از یک طرف جوامع صنعتی و همچنین شهرهای بزرگ با مشکل آلودگی محیط زیست مواجهاند و از طرف دیگر مشاهده میشود که مواد اولیه و سوخت مورد نیاز با شتاب روزافزون در حال اتمام است. یک تقابل بین تقاضای سرما و افزایش تابش و میزان ساعات آفتابی در تابستان وجود دارد پس با استفاده از انرژی خورشید می توان تا حدود زیادی نیاز به تولید سرما را برطرف ساخت. در این مقاله انواع روشهایی که با حرارت خورشیدی تولید سرما می کنند توضیح و مورد مقایسه قرار گرفته اند.
واژههای کلیدی: سرمایش خورشیدی- سیکل جذبی- دسیکانت
-1 مقدمه
امروزه بشر با دو بحران بزرگ روبرو است که به شکل گسترده ای با یکدیگر ارتباط دارند، از یک طرف جوامع صنعتی و همچنین شهرهای بزرگ با مشکل آلودگی محیط زیست مواجهاند و از طرف دیگر مشاهده میشود که مواد اولیه و سوخت مورد نیاز با شتاب روزافزون در حال اتمام است. خورشید بعنوان یک منبع بی پایان انرژی می تواند یک راه حل مناسب برای مشکلات موجود در ارتباط با انرژی و محیط زیست باشد.[1,2] تقریبا 15 درصد از انرژی دنیا صرف تولید سرما می شود[3]، که مقدار زیادی از آن صرف تهویه مطبوع می گردد یکی از مواقعی که مصرف این انرژی بالا می باشد در تابستان است در همین زمان نیز تابش خورشید به حداکتر مقدار خود نیز می رسد در شکل 1)و(2 ساعات آفتابی و حداکثر دمای محیط در روز شهر رفسنجان را از ابتدای خرداد تا انتهای شهریور مشاهده می گردد.
یک تقابل بین تقاضای سرما و افزایش تابش و میزان ساعات آفتابی در تابستان وجود دارد پس با استفاده از انرژی خورشید می توان تا حدود زیادی نیاز به تولید سرما را برطرف ساخت برای تولید سرما توسط خورشید بر خلاف تولید گرما، با عملیاتی دشوارتر و هزینه بیشتری مواجه هستیم استفاده از انرژی خورشیدی جهت سرمایش را می توان به 2 دسته کلی تقسیم کرد:
-1 تولید الکتریسیته خورشیدی و سپس استفاده از تکنیکهای تولید سرما -2 تولید حرارت خورشیدی و سپس استفاده از تکنیکهای تولید سرما
همانطور که در شکل((3 مشخص می باشد در روش اول تولید الکتریسیته خورشیدی با استفاده از پنل های فتوولتاییک صورت می گیرد که برق DC تولید می کنند، در این شرایط هم می توان از برق DC (با استفاده از سیستمهایی که با برق DC کار می کنند) تولید سرما کرده و یا اینکه آنرا تبدیل به AC کرده و تولید سرما نماییم که نیازمند تجهیزات بیشتری از جمله اینورتر و ... می باشیم. تکنولوژی های سرمایش با استفاده از این روش را می توان به پنج دسته اصلی تقسیم کرد: -1 کمپرسور گاز -2 ترموالکتریک پلتیر[4]
-3 ترمواکوستیک[5]
-4 استرلینگ
-5 مغناطیس[6]
در این مقاله به سیستمهای الکتریکی تولید سرما پرداخته نخواهد شد.
در روش دوم با استفاده از انرژی خورشیدی تولید حرارت کرده که اینکار توسط کلکتورها صورت می گردد و در نهایت از حرارت موجود سرما تولید می گردد. برای تولید سرما با استفاده از حرارت نیز 2 روش کلی وجود دارد که هرکدام نیز به انواعی تقسیم می شوند شکل 3 :
1 – ترموکانیکال
2 – سیکل جذبی
با توجه به اینکه همزمان از یک کلکتور خورشیدی می توان بعنوان یک سیستم گرمایشی هم استفاده کرد پس بسیاری از مشکلات در این زمینه مثل جمع آوری کلکتورها در تابستان و ... را برطرف می نماید. در این مقاله به روشهای سرمایشی که با استفاده از حرارت خورشیدی تولید سرما میکنند پرداخته شده است. در ابتدا با توجه به اینکه حرارت مورد نیاز توسط کلکتورهای خورشیدی تولید می شود مختصرا انواع آنرا توضیح داده و سپس به انواع سیستم های سرمایش خورشیدی پرداخته شده و در نهایت نتیجه گیری ذکر گردیده است.
-2 کلکتور
کلکتورهای خورشیدی یکی از اجزای اصلی و اساسی سیستم های گرمایش خورشیدی هستند که وظیفه آنها جذب تشعشعات خورشید و تبدیل آنها به گرما میباشد. کلکتورها گرما و حرارت تولید شده را در اختیار سیال واسطی که در درون لولههای آنها جریان دارد قرار میدهند. کلکتورها برای جذب تشعشعات خورشید از صفحات فلزی تیره رنگی که به عنوان جاذب عمل می کنند، استفاده می نمایند. برای اینکه حرارت جذب شده توسط کلکتور به بیشترین مقدار خود برسد از یک پوشش شیشه ای بر روی صفحات جاذب استفاده می کنند تا هم بتوان از اثر گلخانه ای بهره گرفت و هم از اتلاف حرارت به محیط جلوگیری بعمل آید.
کلکتورهای خورشیدی را به طور کلی میتوان به سه گروه تقسیم بندی نمود:
-1 کلکتورهای صفحهای تخت
-2 کلکتورهای لولهای تحت خلاء
-3 کلکتورهای سهموی
1-2 کلکتور صفحه ای تخت
این کلکتور سادهترین و پر استفادهترین نوع کلکتور بشمار میرود. ساختار آن به شکل یک جعبه مستطیل شکل بوده(شکل(((4 که در داخل آن یک صفحه جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم با پوششی به رنگهای خاص است. این صفحه، جاذب انرژی حرارتی خورشید است. زیر صفحه لولههای کوچکی قرار گرفته که آب یا سیال انتقال حرارت در آنها جریان دارد. اطراف کلکتور به منظور کاهش اتلاف حرارتی، عایق بندی شده است. روی سطح جعبه از پلاستیک شفاف یا شیشه پوشیده شده است.
2-2 کلکتور لوله ای تحت خلاء
این کلکتور از تعدادی لوله دو جداره شفاف موازی تشکیل شده است که در داخل آن یک تیوب با پوششی از ماده جاذب قرار دارد (شکل(.((5 هوا از فضای بین دو جداره خارج گردیده وخلا ایجاد شده که از اتلاف حرارت جلوگیری میکند. راندمان این کلکتور نسبت به کلکتور صفحه ای بیشتر میباشد.
3-2 کلکتور سهموی
در یک کلکتور سهموی (شکل(((6، تابش خورشید بر روی لوله گیرنده منعکس و متمرکز میشود و انرژی تابشی توسط فلز لوله گیرنده جذب شده و به سیال انتقال حرارت در لوله منتقل میشود.[7]
2 نوع کلکتور سهموی خطی وجود دارد:
-1 کلکتور سهموی مرکب : (compound parabolic concentrating(CPC) ) این کلکتور نیازی به سیستم ردیاب ندارد و بطور ثابت نصب می گردد(شکل(.((7
-2 کلکتور سهموی((: (parabolic-trough concentrating(PTC این کلکتور حتما باید با سیستم ردیاب خورشید نصب گردد(شکل(.((7
در جدول((1 انواع کلکتورهای خورشیدی مورد مقایسه قرار گرفته اند.
-3 سرمایش ترمومکانیکال خورشیدی
در این نوع سیستم انرژی حرارتی تولید شده توسط کلکتورهای خورشیدی به انرژی مکانیکی تبدیل شده و سپس از انرژی مکانیکی جهت تولید سرما استفاده می شود که به 2 روش اجکتور و سیکل رانکین تقسیم می شود که در ادامه توضیح داده خواهند شد.
1-3 اجکتور
در شکل((8 یک سیستم ترمومکانیکال جت بخار نشان داده شده است. در این شکل بخار تولید شده، از میان یک اجکتور جت بخار عبور داده می شود، در طول پروسه فشار داخل اواپراتور کاهش پیدا کرده و آب داخل اواپراتور با جذب گرما از آب سرد، تبدیل به بخار می شود و دمای آب نیز کاهش پیدا می کند. در این سیستم وقتی که تولید سرما مورد نیاز نباشد می توان از یک توربین بخار جهت تولید برق استفاده نمود. معمولا فشار تولیدی در این حالت بین 0.1-1 MPA و دمای آن بین 120 تا 180 درجه سانتیگراد می باشد.[9] در جدول((2 انواع سیالات مورد استفاده در یک اجکتور خورشیدی مورد مقایسه قرار گرفته اند[10] در این جدول tg دمای ژنراتور، tc دمای کندانسور37} درجه سانتیگراد توسط برج خنک کننده و 30 درجه سانتیگراد توسط آب سرد{، pg فشار در ژنراتور، pe فشار اواپراتور، Qsc گرمای مورد نیاز تولید شده با کلکتور خورشیدی در ژنراتور و Asc مساحت مورد نیاز کلکتور خورشیدی است. در این جدول دمای 85 درجه سانتیگراد مورد نیاز ژنراتور را می توان با کلکتور تخت و دمای 130 درجه سانتیگراد توسط کلکتور لوله ای تحت خلا و یا سهموی تولید کرد.
2-3 سیکل رانکین
در این سیستم انرژی حرارتی بدست آمده از خورشید به یک موتور حرارتی منتقل شده و درنهایت انرژی مکانیکی بدست آمده برروی یک کمپرسور عمل کرده و در نهایت تولید سرما می نماید (شکل(((9، در این سیستم بازده کلکتور از رابطه((1 بدست می آید در اینجا Ip شدت تابش خورشید و As مساحت کلکتور و Qg گرمای تولیدی کلکتور که به موتور حرارتی انتقال پیدا می کند و بازده یک موتور حرارتی از رابطه((2 قابل محاسبه می باشد که در اینجا w کار تولیدی موتور حرارتی و Qg گرمای جذب شده می باشد و در نهایت کمپرسور گرمای Qe را از اواپراتور و گرمای Qc را به محیط می دهد رابطه((3 نحوه بازده را نشان می دهد. و در
