بخشی از مقاله
چکیده -
کلکتورهای خورشیدی نوعی از مبدل های حرارتی هستند که در آن ها انرژی تشعشعی خورشیدی به انرژی داخلی یک ماده انتقال دهنده نظیر آب منتقل می شود. در هر سیستم خورشیدی، کلکتورها جز اصلی آن سیستم محسوب می شوند. در حقیقت یک کلکتور خورشیدی وسیلهای است که انرژی تشعشعی ورودی خورشید را جذب نموده و آن را به حرارت تبدیل می نماید، سپس این حرارت جذب شده، توسط یک سیال - معمولاً هوا، آب و یا روغن - که در میان کلکتور جریان دارد منتقل می شود.
این انرژی خورشیدی جذب شده یا از طریق یک سیال چرخان در کلکتور بطور مستقیم به آب گرم تبدیل میشود و یا به دستگاه های تهویه مطبوع منتقل شده و به مصارف راحتی می رسد. تاکنون روش های متعددی برای مدل سازی و حل مسئله کنترل کلکتورهای سهموی خطی ارائه شده که اکثر آن ها برای کنترل دما مناسب هستند در این مقاله سعی شده تا با روشی مناسب و کارامد به طراحی کنترلر سیستم مذکور پرداخته شود. روش مورد استفاده روش پیش بین بوده که نتایج حاصل از شبیهسازیهای صورت پذیرفته حاکی از عملکرد کنترلر طراحی شده است.
-1 مقدمه
کشور ایران به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی و امکان استفاده از این انرژی جهت تأمین نیازهای خود بسیار غنی است و دریافتی انرژی خورشیدی در آن حدود 4000 برابر انرژی مصرفی آن می باشد، میتوان کلیه نیازهای کشور را با استفاده از انرژی آفتاب تأمین نمود. در تمام تجهیزات مربوط به جذب انرژی تشعشعی خورشید، اصول کار عبارت است از قرار دادن یک سطح تیره در مقابل تشعشع مستقیم خورشید آنگونه که تشعشع خورشید جذب سطح تیره گردد. این سطح تیره را "جاذب" یا "گیرنده" مینامند.
قسمتی از انرژی جذب شده به گیرنده به سیال در حال حرکت که در تماس با طرف دیگر گیرنده میباشد منتقل شده که این انرژی منتقل شده، انرژی مفید جمعآوری شده توسط گیرنده میباشد. قسمت دیگری از انرژی جذب شده توسط گیرنده به وسیله تشعشع و جابجایی و هدایت حرارتی به محیط اطراف منتقل میگردد که جزو تلفات حرارتی محسوب میشود. این وسایل جذب انرژی خورشید را "کلکتور" یا "گردآوردنده" مینامند. چنانچه هیچگونه تمرکز اپتیکی بر سر راه برخورد تشعشع خورشید به گیرنده انجام نشود، کلکتور فوق را "کلکتور صفحه تخت" مینامند. کلکتورهای صفحه تخت معمولاً برای جمعآوری حرارت در سیال با رنج حرارتی 40 تا 100 درجه سانتیگراد استفاده میگردد
انواعی از کلکتورهای خورشیدی که شدت شار تابیده شده به گیرنده را نسبت به شدت شار تابیده شده به دهانه کلکتور افزایش میدهند، متمرکزکننده نامیده میشوند. معمولاً متمرکزکنندهها برای جمعآوری انرژی خورشید در دماهای بالاتر از 100 درجه سانتیگراد استفاده میگردند. علت کاربرد اصلی متمرکزکنندهها را به طور خلاصه میتوان افزایش زیاد دمای انرژی تحویلی جهت استفاده در سیکلهای ترمودینامیکی و استفاده در تجهیزات دیگر با دمای بالا دانست
متمرکز کردن تشعشع خورشید با استفاده از آیینهها یا عدسیها امکانپذیر میباشد. سیستم اپتیکی متمرکزکننده، اشعه مستقیم خورشید را روی یک سطح کوچکتر که اطراف آن را یک پوشش شفاف شیشهای یا پلاستیکی احاطه کرده است، هدایت مینماید. در نتیجه این تمرکز دادن، افتهای اپتیکی کلکتور افزایش پیدا میکند اما به سبب کوچک شدن سطح گیرنده، افتهای حرارتی به محیط اطراف کاهش پیدا میکند
با توجه به اهمیت روزافزون کلکتورهای خورشیدی و همچنین ضرورت طراحی یک سیستم کنترل مناسب برای سیستمهای مذکور، در سالهای گذشته تحقیقات گستردهای در این زمینه صورت گرفته است. بی تردید بدون مهندسی کنترل، هیچ فرآیندی و به طور کلی هیچ تکنولوژی وجود نداشت. در طراحی سیستمهای کنترلی ابتدا به بررسی مدل ریاضیاتی یا منطقی سیستم پرداخته میشود و سپس در ادامه کار با لحاظ تئوریهای مربوطه، کنترلکننده بررسی میگردد
مدل سازی دینامیکی به عنوان اولین قدم در راه توسعه، بهینه سازی و بهبود عملکرد یک سیستم صنعتی شناخته می-شود. بدون مدل سازی دقیق تمامی زیر سیستم های یک واحد صنعتی، اصولا هرگونه تغییر و تحول در سیستم با ریسک بسیار بالائی مواجه خواهد بود. پیشبینی رفتار دینامیکی یک سیستم در مواجه با تغییرات مورد نظر در آن، که از جمله مزایای ارزشمند مدل سازی یک سیستم صنعتی میباشد، کمک شایانی جهت بهینهسازی عملکرد سیستم، پیشگیری از بروز بسیاری از خطاهای رایج در آن و همچنین کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری واحد خواهد نمود. بدون تردید، عملکرد مطلوب یک سیستم صنعتی وابسته به عوامل مختلفی است که بررسی آنها تنها بر روی مدل سیستم امکان پذیر میباشد
پس از پیشرفته شدن سیستمهای صنعتی، توسعه گسترده نیروگاهها، پیدایش روباتها، بهرهگیری از روشهای کنترلی نیز گسترش یافت. کنترل کننده، بخش اصلی کلیه سیستمهای کنترلی میباشد که وظیفه اعمال ورودی مناسب جهت بدست آوردن خروجی مطلوب را بر عهده دارد. اصلیترین ویژگی های طراحی کنترل کننده، پایداری، حذف اغتشاش، کاهش حساسیت نسبت به نویز، کاهش حساسیت نسبت به تغییر متغیرها و دنبال کردن ورودی مرجع است. به بیانی دیگر باید یک سیستم کنترلی مناسب اتخاذ کرد تا پارامترها را در محدوده قابل قبول نگه دارد. از سویی دیگر یک کلکتور خورشید، دارای رفتاری پیچیده، غیرخطی و متغیر با زمان بوده که پارامترهای آن با تغییر شرایط کاری دائماً در حال تغییر میباشند
در حال حاضر روش های متعددی برای کنترل حرات، دما و غیره در کلکتورها وجود دارد که میتوان آنها را به دو دسته کلی خطی و غیرخطی تقسیمبندی نمود. بدیهی است که با توجه به طبیعت کلکتور و رفتار خورشید در شبانه روز و فصول مختلف، استفاده از روشهای کنترلی جدید در مقابل روشهای کلاسیک میتواند نتایج دقیق تری نسبت به روش های خطی و کلاسیک در پی داشته باشد. در میان روشهای کنترلی جدید، روش کنترل مدل پیشبین به دلیل برخورداری از انعطاف پذیری بالا، اعمال محدودیتهای دینامیکی نظیر قید روی متغیرهای فیزیکی سیستم، گزینه مناسبی به عنوان روش کنترلی محسوب می شود
-2 پیشینه تحقیق
تکنولوژی های مربوط به انرژی های تجدیدپذیرتقریباً 13,3 % از نیازهای کل جهان به بخش انرژی را تامین می کند . در نتیجه در طی سالهای متمادی دانشمندان زیادی بر روی تحقیق و توسعه این نوع از انرژی کار کردهاند . از جمله دلایل اصلی اینگونه فعالیتها را میتوان در عواملی چون: گرم شدن زمین، افزایش بهای حاملهای انرژی و خبرهایی که از کاهش ذخایر انرژی فسیلی به گوش میرسد دانست. محققان آلودگیهای ناشی از تولید و استفاده از سوختهای فسیلی را دلیل اولیه در گرم شدن کره زمین می دانند.
از دیگر آثار مخرب سوخت-های فسیلی عواملی چون باران اسیدی و اثرات گلخانهای می-باشد. خورشید فراوانترین و در دسترس ترین منبع انرژی برای کره خاکی به شمار میآید. همه انواع دیگر انرژی شامل: باد، سوخت فسیلی، بیومس و غیره ریشه در نور خورشید دارند . انرژی خورشیدی با نرخ 120 پتا وات - هر پتاو ات معادل با 1015وات می باشد. - بر روی سطح زمین میتابد و این بدان معنا است که انرژیای که از خورشید طی یک روز دریافت می-شود میتواند نیازهای جهان را برای 20 سال تامین نماید. در جدول 1 سرمایه گذاریهای جدید در انرژهای تجدیدپذیر در کشور های توسع یافته و در حال توسعه بر اساس تکنولوژی امروزی محاسبه شده است
با پیشرفت هایی که در آینده حاصل می شود، پتانسیل مصرف برای هر یک از منابع انرژی تجدیدپذیر افزایش خواهد یافت .به هرحال نیازهای جهانی منجر به افزایش نرخ مثبت در سال در بخش مصرف انرژی می باشد در نتیجه تنها انرژی خورشیدی می تواند نیازهای رو به رشد و پیوسته جهان را تامین نماید.
ایده استفاده از کلکتورهای خورشیدی و به تسخیر درآوردن توان خورشید، به دوران پیش از تاریخ باز می گردد. یعنی زمانی که در سال 212 قبل از میلاد دانشمند یونانی ارشمیدوس روشی برای به آتش کشیدن کشتی های رومی ها ابداع کرد .
جدول 1 سرمایه گذاری های جدید در انرژیهای تجدید پذیر توسط تکنولوژی در کشور های توسع یافته و در حال توسعه
کاری که توان مورد نیاز برای به حرکت در آوردن وسایل مکانیکی را فراهم میکنند، صورت گرفته است. دو تکنولوژی خورشیدی ابتدایی کهمعمولاً استفاده شدند شامل: دریافت کنندههای مرکزی و دریافت کنندههای پخشی می باشند . سیستم های دریافت کنندههای مرکزی از چرخ آیینهای - آینه های دو محوره تعقیب کننده - استفاده مینمایند تا انرژی تابشی خورشید را بر روی یک دریافت کننده متمرکز کند. تکنولوژی دریافت کننده های پخشی، شامل بشقاب های سهموی، عدسی های فرنسل، ظرف های سهموی و کاسه های مخصوص هستند. بشقاب های سهموی، خورشید را در دو محور با استفاده از آینه هایشان تعقیب میکنند تا انرژی تشعشعی را بر روی یک دریافت کننده نقطه ای متمرکز کنند.
باید به این نکته اشاره نمود که اولین کاربرد از انرژی خورشیدی به استفاده از آن در کلکتورهای متمرکز کننده بر می گردد. درطول قرن هجدهم میلادی، صنعتگران با استفاده از کوره های خورشیدی که قابلیت ذوب آهن، مس و دیگر فلزات را داشتند به ساخت آهن روکش شده، لنز شیشه ای و آینه روی آوردند. این کوره ها در سراسر اروپا و خاورمیانه استفاده میشدند. یکی از این کوره توسط دانشمند فرانسوی بنام لاوژیر طراحی شد که قابلیت رسیدن به دمای 1750 درجه سانتی گراد را داشت.
این کوره از یک عدسی اولیه به قطر 1/32 متر و یک عدسی ثانویه به قطر 20 سانتی متر استفاده میکرد، تا ماکسیمم دمایی که بشر تا صد سال پس از آن به بیشتر از آن دست نیافت را تولید کند. در طی قرن 19 میلادی تلاش هایی صورت گرفت تا انرژی خورشیدی را به دیگر اشکال از جمله بخار فشار پایین برای استفاده در موتورهای بخار تبدیل کنند.
آگوست مونچوت از جمله پیشگامان در تولید و استفاده از بخار تولیدی توسط توان خورشیدی بین سال های 1864 تا 1878 بود .در سال 1875 موچوت نوآوری قابل توجهی در ساخت کلکتورهای خورشیدی انجام داد .نوآوری او در ساخت فرم مخلوط ناقص بازتابنده بود. کلکتورهای موچوت شامل صفحه فلزی نقره ای بودند که قطری برابر با 5/4 متر داشتند و سطح جمع آوری کننده آن ها 18/6 متر مربع بود. همچنین وزن قسمت متحرک برابر با 1400 کیلوگرم بود
-3 مدل سیستم
از آنجایی که عملکرد هر کلکتور خورشیدی با افزایش راندمان آن بهبود پیدا میکند، بنابراین برای کاربرد اول راندمان قانون اول کلکتور معیاری برای انرژی جمعآوری شده در واحد سطح کلکتور میباشد که باید جهت حداکثر شدن آن تلاش کرد و برای کاربرد دوم، راندمان قانون دوم کلکتور یا همان راندمان اگزرژی معیاری برای اگزرژی جمعآوری شده در واحد سطح کلکتور میباشد که باید جهت حداکثر شدن آن تلاش کرد.
پارامترهایی که میتوانند بر روی راندمان تأثیرگذار باشند و تابع محیطهای مختلف طراحی نیز میشوند به صورت زیر دستهبندی میشوند:
- 1 شرایط عملکردی کلکتور o دمای ورود سیال به کلکتور
- مقدار دبی جرمی گذرنده از کلکتور o میزان شار تشعشعی بر روی کلکتور o نحوه تعقیب خورشید
- دمای محیط
- 2 هندسه طراحی کلکتور o میزان نسبت تمرکز o زاویه دور
- قطر پوشش شیشهای
