مقاله بررسی انرژی خورشیدی

مقاله بررسی انرژی خورشیدی در 28 صفحه ورد قابل ویرایش

آبگرمكن خورشیدی

مقدمه:

سیستم های حرارتی خورشیدی نقش مهمی در انرژی خورشیدی دارد، استفاده از دستگاه های خورشیدی سابقه طولانی دارد، گفته شده است ارشمیدس تقریباً در سال 214 قبل از میلاد از آینه مقعر برای داغ كردن آب استفاده كرده است. سیستم های حرارتی امروزی نیز كم هزینه ترین كاربرد انرژی خورشیدی را دارد.

حرارت خورشید استفاده از حرارت انرژی خورشید را توجیح می كند. بنابراین تعداد متفاوتی از دستگاه های فنی وجود دارد كه اضافه بر گرم كردن فضا، داغ كردن آب یا فرآیندهای صنعتی سیستم های انرژی خورشیدی را می توان برای سرمایش یا تولید برق با كارخانه های تولید برق خورشیدی مورد استفاده قرار داد. قسمت های عملیاتی اصلی عبارتند از:

• گرم كردن استخر شنای خورشیدی
• آبگرمكن های خانگی خورشیدی
• حرارت كم خورشید برای گرم كردن فضای داخل ساختمان ها
• پردازش حرارتی خورشیدی
• تولید برق خورشیدی

چون این حیطه های عملیاتی خیلی دور از دسترس هستند، این بخش فقط جنبه های مهم آبگرمكن های خانگی خورشیدی و استخرهای خورشیدی را با سیستم های دارای صفحات خورشیدی بسته و باز مورد بحث قرار می دهیم. بخش های زیر به كاربرد بعضی كمیت های ترمودینامیك در توضیح اصول نیاز دارد. جدول 1-3 مهمترین پارامترها، علائم آنها و واحدهایشان را نشان می دهد.

جدول 1-3: كمیت های ترمودینامیك را برای محاسبات حرارتی نشان می دهد.

انرژی به شكل حرارت Q با جریان گرماQ^o مرتبط می باشد.

1-3                                         

هر تغییر درجه حرارت  نیز باعث تغییر حرارت  می شود تغییر در حرارت را می توان با ظرفیت خاص c و جرم m ماده تحت تأثیر قرار گرفته محاسبه كرد.

2-3                                                  

ممكن است بعضی ابهامات رخ دهد كه به استفاده از معیارهای متفاوت دما مرتبط باشد، مقیاس فارنهایت معمولاً برای كار عملی استفاده نمی شود. ولی همزیستی درجه حرارت  در مقیاس سلسیوس و درجه حرارت مطلقT به كلوین مسئله سازی می باشد. تبدیل سلسیوس به كلوین از فرمول زیر استفاده می شود.

3-3                               

فرمول تبدیل فارنهایت به سلسیوس و كلوین را می توان در ضمیمه دید. مقدار عددی تفاوت درجه حرارت  به درجه سلسیوس  مانند تفاوت دما در كلوین (k) می باشد. برای تعادل صحیح واحدها تفاوت دما در فرمول بالا برای تغییر حرارت باید به كلوین باشد. همین مورد به معادلاتی مربوط می شود كه در بخش بعد ارائه خواهند شد. ولی چون مقیاس سلسیوس نسبت به كلوین رایج تر است، مقیاس سلسیوس برای اكثر تفاوت های درجه حرارتی ومعادلات این بخش مورد استفاده قرار داده می شود. جریان حرارتQ^o كه باعث تغییر حرارت با ظرفیت حرارتی ثابتc می شود به صورت زیر است:

4-3                               

برای ظرفیت حرارت مواد متفاوت به جدول 2-3 مراجعه شود.

شكل 1-3 ساخت لایه های n با حیطه سطحی را نشان می دهد. از یك طرف درجه حرارت  و از طرف دیگر   وجود دارد. گردیان دما، جریان دما از طریق لایه ها با فرمول زیر را به دست می آورد.

5-3                                         

این جریان دما Q^oباعث می شود دما در سمت دارای درجه حرارت كمتر افزایش یابد و در سمت دیگر كاهش داشته باشد تا اینكه هر دو طرف از همان دما برخوردار شوند. اگر میزان دما یك طرف بیشتر از طرف دیگر باشد تغییردرجه حرارت در سمتی كه از دمای بالاتری برخوردار است را می توان نادیده گرفت. برای مثال میزان دمای محیط اطراف یك ساختمان خیلی بالاتر از داخل ساختمان است. جریان گرما از طریق دیوارهای ساختمان درجه حرارت هوای خارج را تغییر نمی دهد و این مصداق دارد خواه درجه حرارت محیط نسبت به درجه حرارت ساختمان كمتر باشد یا بیشتر باشد.

جدول 2-3: ظرفیت گرمایی (c) برای بعضی مواد در  را نشان می دهد.

نام

شكل 1-3 انتقال حرارت از طریق لایه هایn با همان حیطه سطحی A

شكل

ضریب همبستگی انتقال حرارت به صورت فرمول زیر است:

6-3                               

كه می توان با ضریب همبستگی سطح انتقال حرارت a₂,a₁ هر دو طرف، رسانایی حرارتی  و ضخامت لایه S_I، تمام لایه های n محاسبه كرد. جدول 3-3 رسانایی حرارتی  مواد متعدد را نشان می دهد.

سیستم های حرارتی خورشیدی برای آبگرمكن

گرمكن خورشیدی استخر شنا

این بخش ابتدا گرمكن استخر شنا را مورد بحث قرار می دهد، به این دلیل نیست كه استخرهای شنای آب گرم مزایای اكولوژیكی ندارد- آنها همیشه نیاز زیادی در ارتباط با آب پاكیزه و انرژی دارد. ولی تقاضا برای دمای پایین برای گرم كردن استخر باعث می‌شود كه از سیستم های انرژی خورشیدی ساده و اقتصادی استفاده شود كه در این بخش كاربرد گسترده ای دارد.

        ·محفظه كلكتور

        ·جذب كننده (سلول خورشیدی)

جذب كننده در داخل محفظه كلكتور صفحه ای مسطح قرار دارد. این جذب كننده نور خورشید را به حرارت تبدیل می سازد و آن را به آب موجود در لوله هایی انتقال مید هد كه از درون سیستم عبور می كنند.

محفظه كلكتوردر قسمت پشت آن و اطراف آن كاملاً عایق بندی می شود تا اتلاف حرارتی به حداقل ممكن برسد. ولی هنوز بعضی اتلاف های حرراتی كلكتوری كه عمدتاً به تفاوت درجه حرارت بین جذب كننده و هوای محیط بستگی دارد. این اتلاف‌های حرارتی به انتقال گرما (همرفت) و اتلاف های پرتویی مربوط می شود. جابجایی هوا باعث اتلاف های انتقال گرمایی (همرفتی) می شود.

قاب شیشه ای روی كلكتورها را می پوشاند و باعث جلوگیری از اكثر اتلاف های حرارتی ناشی از انتقال گارما می شود. اضافه بر این آن منتشر شدن حرارت از جذب كننده به محیط را به همین روش مانند وضعیت گلخانه ای كاهش می دهد. ولی شیشه نیز قسمت كمی از نور خورشید را منعكس می سازد.

كه نمی تواند به جذب كننده (سلول خورشیدی) برسد. شكل 6-3 و 7-3 مكانیزم و جریان انرژی در كلكتورهای صفحه ای مسطح را نشان می دهد.

پوشش شیشه ای جلویی قسمت اندكی از نیروی تابش خورشید همانطور كه در شكل 8-3 نشان داده شده است منعكس و جذب می كند اكثر پرتو خورشیدی از شیشه عبور می كند.

انعكاس P، جذبa، مقدار عبورT را می توان در این فرایندها توضیح داد. جمع این مقدار باید همیشه مساوی با 1 باشد.

(7-3)                                       P+P+T=1

نیروهای تابشی هماهنگ به صورت فرمول ذیل می باشد.

8-3                      

شكل 6-3 فرایند در كلكتور صفحه ای مسطح را نشان می دهد.

جذب پرتوهای خورشیدی باعث بالارفتن حرارت قاب شیشه ای می شود. اگر شیشه دارای تعادل حرارتی برخوردار باشد، آن باید پرتو جدا شده را ساطع نماید. پس برق ناشی از پرتو ساطع شده  مساوی با برق پرتو جذب شده  می باشد در غیر اینصورت شیشه به طور نامحدودی گرم می شود. بنابراین شدت انتشار  با میزان جذب a برابر است:

(9-3)                              a=E

از یك طرف پوشش جلویی باید در اكثر پرتوهای خورشیدی قابل نفوذ باشد. از طرف دیگر آن همینطور باید پرتو حرراتی جذب كنند (سلول خورشید) را در عقب نگه دارد و اتلاف های انتقال حررات به محیط را كاهش دهد. اكثر كلكتورها از شیشه تك لایه ساخته شده و از شیشه خورشیدی به طور حرارتی با آهن كم عمل آوری شده استفاده می كنند. این شیشه دارای شدت انتشار بالا (t-1) است و مقاومت خوبی در مقابل تأثیرات محیطی دارد.

پوشش های جلویی ساخته شد و از شیشه نسبت به نمونه های ساخته شده از پلاستیك برتری دارند و به این دلیل است كه طول عمر پلاستیك به خاطر مقاومت كمتر در مقابل تابش ماوراء بنفش و تأثیرات آب و هوایی كمتر است.

لعاب دادن دوگانه می تواند باعث كاهش اتلاف های حرارتی شود همین طور قدرت پرتو تابشی خورشید را كاهش می دهد و هزینه ها را افزایش می دهد.

شكل 7-3 تبدیل انرژی در كلكتور خورشیدی و اتلاف های حرارتی را نشان می دهد.

1

استفاده از مواد خالص برای پوشش دهی جلویی می تواند كارآیی كلكتور را افزایش دهد.