مقاله سیستم های فعال خورشیدی در بهینه سازی مصرف انرژی

بخشی از مقاله

سیستم های فعال خورشیدی در بهینه سازی مصرف انرژی
چکیده
رشد شتابان درتعداد، دراستفاده ازمنابع پایان پذیر، در شهرگرایی ودرتولید آلودگی، چه اطلاعاتی و چه محیطی ، انسان تکنولوژیک را به راهی می برد که شرایط زیست محیطی سیاره ی خویش را که وجودش به آنها بسته است ، به گونه ای خطرناک و شاید برگشت ناپذیر دگرگون سازد. شتاب زدگی درمصرف بی منطق آب،خاک، هوا، انرژی و...و به صدا درآمدن زنگ خطر، در زمانی اتفاق می افتد که تنها یک سوم جمعیت زمین به عصر تکنولوژیک پای نهاده و انسان تکنولوژیک را تنها می توان در کشورهای صنعتی شده جستجو کرد . از زمان انقلاب صنعتی ، یعنی حدود دویست و پنجاه سال قبل ، اتکاء بشر به انرژی و بویژه انرژی فسیلی ، به صورت تصاعدی رو به افزایش بوده است. اگرچه مصرف سوخت جهت تولیدات صنعتی ، حمل ونقل و فراهم ساختن شرایط آسایش محیطی برای انسان بسیار حیاتی و ضروری بوده ، ولی در عین حال ، مصرف انرژی فسیلی باعث آلودگی وتخریب محیط زیست شده است که نتیجه آن ، به مخاطره افتادن زیست بوم و ادامه ی حیات در کره زمین است.
در این میان استفاده بهینه از انرژی های تجدید پذیر ضروری به نظر می رسد . که به علت آفتابخیز بودن کشورمان سیستمهای مختلف انرژی خورشیدی بیشتر از بقیه انرژی ها، کارا هستند استفاده ازانرژی های خورشیدی به دو صورت فعال و غیرفعال صورت می گیرد که در این نوشتار ضمن پرداختن روشهای استفاده از انرژی خورشید یعنی: .1 سیستمهای فعال. .2 سیستمهای غیرفعال. .3 سیستمهای مرکب به تشریح انواع اصلی سیستمهای خورشیدی فعال در ساختمان خواهیم پرداخت.
- سیستمهای خورشیدی فعال (a گردآورنده مسطح با سیال مایع. (b گردآورنده مسطح با سیال هوا. (c گردآورنده غیر متمرکز.
(d پمپ گرمایی.
(e پمپ گرمایی خورشیدی. (f سلول خورشیدی.

واژه های کلیدی

-1 مقدمه
دلیل مهمی که منابع انرژی قابل تجدید به عنوان جزء ضروری توسعه پایدار محسوب میگردد این است که در شرایط خاصی می توان از آنها به طور مؤثر در محیط شهری استفاده نمود و این امر برای طراحی و ایجاد یک شهر پایدار ضروری است. درصد عمده و رو به افزایشی از جمعیت کره زمین در شهرها زندگی می کنند، از این رو حیات این مردم و بقای شهرهایی که در آنها زندگی می کنند به جریان گسترده و دائمی منابع طبیعی از جمله انرژی بستگی دارد. در اکثر موارد انرژی مورد استفاده در شهرها توسط منابعی تأمین می گردد که در جای دیگر استخراج، تبدیل و پردازش می شوند. این جدائی مکان تولید و مصرف انرژی مشکلات متعددی به وجود می آورد که توسعه پایدار یک شهر را به تدریج دستخوش اضمحلال می نماید، به عنوان مثال انتقال یا حمل انرژی به اشکال گوناگون از مسافتهای طولانی همزمان با افزایش تقاضا در شهر به طور روزافزون با صرف انرژی بیشتری همراه است.

-2 روشهای استفاده از انرژی خورشید
انرژی خورشید از طریق تابش بر زمین منتقل می شود؛ پس برای استفاده باید تابش خورشید را به انرژی مورد نیاز تبدیل کرد. انرژی خورشید به دو صورت مستقیم وغیرمستقیم می تواند مورد استفاده قرار گیرد سالیان متمادی است که انسان از انرژی خورشید به دو صورت مستقیم و غیرمستقیم استفاده میکند، مثل استفاده از سوختهای فسیلی یا آسیابهای بادی، تابش مستقیم خورشید برای گرمایش فضاهای زندگی و. …
یکی از بخشهایی که میتوان از انرژی خورشید بهره برد، بخش ساختمان است. استفاده از انرژی خورشید در این بخش سالیان متمادی است که در اغلب نقاط جهان رواج دارد. استفاده از گرمای خورشید برای تأمین حرارت در زمستان و همچنین استفاده از وزش باد و تهویه به منظور تأمین هوای تازه و ایجاد سرما در تابستان از جمله روشهای متداول استفاده از انرژی خورشیدی میباشد.
امروزه با توجه به نوآوری هایی تکنولوژیک در استفاده از انرژی خورشید، سه روش عمده شناخته شده است که

عبارتند از :
(1 سیستمهای فعال. (2 غیرفعال. (3 مرکب.

عناصر مورد نیاز در سیستمهای خورشیدی:
باید توجه داشت که استفاده از سیستمهای خورشیدی در ساختمان نیاز به عوامل اساسی زیر دارد:

الف- عنصر خورشیدی و ملحقات وابسته به آن : به عنوان مبدل انرژی تابشی به الکتریکی، حرارتی و یا شیمیایی. ب- خازن گرمایی برای ذخیره مازاد انرژی تولید شده.

ج- عایق حرارتی برای کاهش اتلاف حرارتی ساختمان. د - گرمایش کمکی.

-3 سیستمهای خورشیدی فعال

سیستمهای خورشیدی فعال (active) به سیستم هایی اطلاق می شود که در آن ها برای انتقال انرژی حرارتی حاصله به فضاهای مورد نظر و یا خازنها و یا مبدلهای حرارتی، از انرژی دیگری (معمولاً الکتریکی) استفاده شود.

اجزای مصرف کننده انرژی الکتریکی مزبور پمپها و یا بادبزنهایی هستند که در مسیر انتقال انرژی حرارتی حاصله قرار داده شده اند.

- انواع اصلی سیستم های خورشیدی فعال در ساختمان : (a گردآورنده مسطح با سیال مایع.

(b گردآورنده مسطح با سیال هوا.

(c گردآورنده غیر متمرکز. (d پمپ گرمایی.

(e پمپ گرمایی خورشیدی. (f سلول خورشیدی.

(1-3 گردآورنده مسطح با سیال مایع

گردآورنده مسطح با سیال مایع ، صفحات جاذب انرژی خورشید هستند که از چهار جزء اصلی تشکیل شدهاند، اجزای مزبور عبارتند از: جعبه نگهدارنده، لایه عایق حرارت، صفحه جاذب و پوشش. (جعبه نگهدارنده) تمامی مجموعه گردآورنده را به صورت واحد در خود جای میدهد. (لایه عایق حرارتی) مانع از اتلاف حرارت گردآورنده به محیط اطراف یا کاهش اتلاف مزبور می شود. (صفحه جاذب) مهمترین بخش یک گردآورنده مسطح است؛ زیرا در اینجا انرژی تابشی خورشید به انرژی حرارتی تبدیل شده و به سیال درون گردآورنده منتقل می شود جاذب، از فلزات مختلفی مثل مس، فولاد و گالوانیزه ساخته می شود. برای افزایش بازده حرارتی صفحه جاذب،

سطح آنرا تیره رنگ می کنند تا حد اکثر انرژی تابشی به انرژی حرارتی تبدیل شود. لوله های حاوی سیال در زیر و یا در روی صفحات جاذب نصب می شوند. نحوه اتصال باید به گونه ای باشد تا حد اکثر حرارت تولید شده ازطریق هدایت به سیال منتقل شود. به منظور افزایش افزایش بازده صفحات جاذب و رفع مشکلات مربوط به انتقال گرما از صفحه مزبور به سیال، غالباً صفحات جاذب به نحوی طراحی و ساخته می شوند که لوله های حاوی سیال جزئی از صفحات جاذب راتشکیل دهند. سیال درون لوله ها معمولاً آب بوده که برای محافظت در برابر یخ زدگی به آن مواد ضد یخ اضافه می شود. در این حالت آب درون سیستم نمی تواند مستقیماً مورد استفاده قرار گیرد. تنها از حرارت آن استفاده خواهد شد.

پوشش گردآورنده های مسطح معمولاً ازشیشه انتخاب میشود ( برای ایجاد اثر گلخانه ای) شیشه به صورت یک جداره یا دو جداره به کار می رود. افزایش جداره گرچه باعث کاهش اتلاف دما گردآورنده می شود، اما مقدار تابش خورشید بر صفحه جاذب به میزان %10 کاهش میدهد. شیشه به دلیل شفافیت و دوام بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. به جای شیشه می توان از پلاستیک های شفاف نیز استفاده کرد. ورقه های پلاستیکی هرچند در مقابل عامل شکستگی بر اثر طوفان و تگرگ و سنگ و امثال آنها مقاومند وکاملاً سبک و انعطاف پذیرند ولی به دلیل تغییر شکل و کیفیت دراثر دمای زیاد یا اشعه ماورا بنفش ازکارآیی کمتری برخوردار هستند. در صورتی که ازگردآورنده برای دماهای متوسط و پایین استفاده شود، نصب یک دیوار شیشه ای مناسب خواهد بود.

طرزکار سیستم گردآورنده مسطح به این ترتیب است که مایعی (معمولاً)آب در یک مدار اولیه پس از عبور گردآورنده، دراثر تابش خورشید گرم می شود. گرمای حاصله از طریق مبدلی به یک مخزن حرارتی منتقل می شود. گرمای انتقال یافته، یا مستقیماً از طریق آب درون مخزن و یا به طور غیرمستقیم از طریق مبدل دومی به مدار توزیع منتقل می شود. گرمای داخل جدار بهروشهای گوناگون مثلاً صفحات بزرگ رادیاتور، دمیدن هوا از روی لوله های آب گرم، لوله های خوابانده در کف اتاق و غیره به فضای مورد نظر هدایت می شود. تأمین گرمایش اضطراری در اوقات ابری، یک سیستم گرمایش کمکی بر سر راه مدار توزیع قرار داده می شود. سیستم گرمایش کمکی میتواند دیگی با سوخت فسیلی یا گرمکن برقی در درون مخزن حرارتی پیش گفته باشد.

از گرمای حاصله در مخزن حرارتی نیز می توان برای گرم کردن آب بهداشتی مورد نیاز استفاده کرد. (شیب مناسب برای نصب گردآورنده مسطح معادل عرض جغرافیایی محل یا عرض جغرافیایی محل 10 میباشد.

(2-3 گردآورنده مسطح با سیال هوا
گردآورنده مسطح با سیال هوا همانند گردآورنده با سیال مایع است، با این تفاوت که سیال گردآورنده، هوا است. در نتیجه مقطع گردآورنده نیز متفاوت خواهد بود. به علت انتقال حرارت اندک هوا نسبت به آب، لازم است سطح تماس هوا و صفحه جاذب افزایش یابد. به همین منظور مقاطع مختلفی برای این نوع گردآورنده پیشنهاد شده است که نمونهای از آن درتصویر 2 نشان داده شده است. در این گردآورنده بر خلاف گردآورنده مورد قبل، مشکل یخ زدن و یا جوش آمدن سیال وجود ندارد. اما در صورت وجود نشتی در سیستم، پیدا کردن این نشتی مشکل خواهد بود. در اینجا نیز به جعبه نگهدارنده، عایق حرارت، صفحه جاذب و پوشش نیاز است. صفحه جاذب گردآورندههای هوا علاوه بر آنچه پیش از این ذکر شد (مس، فولاد و گالوانیزه)، میتواند از جنس آلومینیوم نیز باشد.

سیستم گرمایش به کمک گردآورنده هوا، همانند سیستم گردآورنده با سیال مایع دو مدار مجزا دارد، این دو مدار می توانند جدا از یکدیگر طراحی شوند و یا با یکدیگر تلفیق گردند. در مدار اولیه، هوا در اثر تابش خورشید بر گردآورنده گرم می شود. هوای گرم شده به درون انباره سنگی که به عنوان خازن حرارت عمل میکند دمیده میشود. در این مرحله مسیر حرکت هوای گرم، با توجه به نیازهای حرارتی داخل فضا قابل کنترل خواهد بود.

مقدار حرارتی که به وسیله یک کلکتور تخت خورشیدی گردآوری میشود. به عوامل مختلف زیادی بستگی دارد که میتوان این مقدار حرارت را با رابطه (Q1=F.Q.Ac) نشان داد.

در رابطه فوق F نماینده ضریب بهره گردآور بوده و به ساختمان و طرح گردآور دبی سیال سرعت باد محیط و به تمام عوامل افت حرارتی کلکتور بستگی دارد. Q عبارت است از مقدار حرارت رسیده به واحد سطح کلکتور که مقدار آن بستگی به ایام سال و وقت روز و عرض جغرافیایی محل به زاویه انحراف خورشید درجه حرارت محیط درجه حرارت سیال و سرعت باد در منطقه خصوصیات تشعشعی پوشش گردآور با روکش شیشه و Ac عبارت از میزان سطح کلکتور میباشد.

لازم به ذکر است که مدار این نوع گردآورنده ها مشابه مدار گردآورندههای مسطح با سیال است. معمولاً 24 عدد از این لولهها به قطر 5 سانتیمتر و طول 100 سانتیمتر را به صورت یک مدل روی هم نصب میکنند و کلکتوری تا ابعاد حدود 130*260 سانتیمتر ساخته شود. فاصله لوله ها از هم 5 سانتیمتر و از سطح منعکس کننده در حدود 15 سانتیمتر میباشد. در این صورت دمای سیال گرم شده به 85 -115 درجه سانتیگراد میتواند برسد میدهد. تفاوت دمای سیال، صفحه جاذب در گردآورنده های هوا بیشتر از گردآورنده های با سیال مایع می باشد. نکته دیگری که