مقدمه:

اکتشافات، تحقیقات و اختراعات و بهره گیری از انرژی‌های مختلف از اساسی‌ترین و مهمترین گام‌هایی است که انسان‌ها در طول تاریخ در راه پیشرفت خود برداشته‌اند. رشد علم و صنعت و تکنولوژی در جهان امروز، روش‌های استفاده از اشکال ساده انرژی را که در دوران قبل از انقلاب صنعتی معمول بود، دگرگون کرده و شناخت منابع انرژی‌های جدید، تحولی عظیم در توسعه صنعتی و تکامل اجتماعی بشر به وجود آورده است.خورشید عامل و منشأ انرژی‌های گوناگونی است که در طبیعت موجود است از جمله سوخت‌های فسیلی که در اعماق زمین ذخیره شده‌اند، انرژی باد و آب، رشد و نمو گیاهان که حیوانات و انسان برای رشد از آن‌ها استفاده می‌کنند، همه مواد آلی که قابل تبدیل به انرژی حرارتی و مکانیکی هستند، امواج دریاها و اقیانوس‌ها، قدرت جذر و مد که بر اساس جاذبه و حرکت زمین به دور خورشید و ماه حاصل می‌شود، همگی نمادهایی از خورشید هستند.با مطالعه در تاریخ زندگی انسان‌ها در می‌یابیم که انرژی قابل استفاده برای انسان نخستین، تنها قدرت بدنی او بود. مدت‌ها گذشت تا انسان توانست با رام کردن حیوانات یا به خدمت گرفتن نیروی سایر انسان‌ها و هم‌چنین سوزاندن درختان، احتیاجات اولیه خود به انرژی را مرتفع سازد. بالاخره انسان با دست‌یابی به منابع سوخت‌های فسیلی، مثل ذغال سنگ و نفت و گاز، قدرت خویش را به‌طور بی‌سابقه‌ای افزایش داد.
امروزه با مصرف روزافزون سوخت‌های فسیلی و نیاز بیشتر بشر به مصرف انرژی، دست‌یابی به منابع جدید انرژی و بهره‌برداری از آن‌ها یکی از اولویت‌های کشورهای در حال توسعه می‌باشد. استفاده از انرژی خورشیدی نیز به عنوان یکی از انرژی‌های پاک، ارزان و پایان ناپذیر می‌تواند یکی از این منابع جدید انرژی باشد. با پیشرفت تکنولوژی و فن آوری روز دنیا در همه زمینه بهره برداری از انرژی خورشید نیز روز به روز آسان‌تر شده و اهمیت بیشتری می‌یابد. در این تحقیق یکی از انواع استفاده از انرژی خورشیدی یعنی استفاده از انرژی خورشیدی و تبدیل آن به حرارت مورد نظر بوده است.

عنوان مطالب

چکیده …………………………………………………………………………………………….1
مقدمه……………………………………………………………………………………………. 2

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

شماتیک دو نوع از کلکتورهای ترکیبی به همراه بازتاب‌کننده تخت (a) و سهموی (b)

فصل اول : کلیات

اکتشافات، تحقیقات و اختراعات و بهره‌گیری از انرژی‌های مختلف از اساسی‌ترین و مهمترین گام‌هایی است که انسان‌ها در طول تاریخ در راه پیشرفت خود برداشته‌اند. رشد علم و صنعت و تکنولوژی در جهان امروز، روش‌های استفاده از اشکال ساده انرژی را که در دوران قبل از انقلاب صنعتی معمول بود، دگرگون کرده و شناخت منابع انرژی‌های جدید، تحولی عظیم در توسعه صنعتی و تکامل اجتماعی بشر به وجود آورده است.

خورشید عامل و منشأ انرژی‌های گوناگونی است که در طبیعت موجود است از جمله سوخت‌های فسیلی که در اعماق زمین ذخیره شده‌اند، انرژی باد و آب، رشد و نمو گیاهان که حیوانات و انسان برای رشد از آن‌ها استفاده می‌کنند، همه مواد آلی که قابل تبدیل به انرژی حرارتی و مکانیکی هستند، امواج دریاها و اقیانوس‌ها، قدرت جذر و مد که بر اساس جاذبه و حرکت زمین به دور خورشید و ماه حاصل می‌شود، همگی نمادهایی از خورشید هستند.

با مطالعه در تاریخ زندگی انسان‌ها در می‌یابیم که انرژی قابل استفاده برای انسان نخستین، تنها قدرت بدنی او بود. مدت‌ها گذشت تا انسان توانست با رام کردن حیوانات یا به خدمت گرفتن نیروی سایر انسان‌ها و هم‌چنین سوزاندن درختان، احتیاجات اولیه خود به انرژی را مرتفع سازد. بالاخره انسان با دست‌یابی به منابع سوخت‌های فسیلی، مثل ذغال سنگ و نفت و گاز، قدرت خویش را به‌طور بی‌سابقه‌ای افزایش داد.

وابستگی شدید جوامع صنعتی به منابع انرژی بخصوص سوخت‌های نفتی و بکار گیری و مصرف بی‌رویه آن‌ها منابع عظیمی را که طی قرون متمادی در لایه‌های زیرین زمین تشکیل شده بود، تخلیه می‌نماید. [1]

با توجه به این‌که منابع زیر زمینی انرژی با سرعت فوق العاده‌ای مصرف می‌شوند و در آینده‌ای نه چندان دور چیزی از آن‌ها باقی نمی‌ماند نسل فعلی وظیفه دارد به آن دسته از منابع انرژی که دارای عمر و توان زیاد است روی آورد و دانش خود را برای بهره‌برداری از آن‌ها گسترش دهد. بدون تردید مصرف مداوم هر یک از سوخت‌های فسیلی یا هسته‌ای با آهنگ رشد یابنده در درازمدت مخاطرات زیست محیطی مشهود و هزینه‌های اقتصادی و اجتماعی فزاینده‌ای را به وجود می‌آورد که لزوم گسترش منابع دیگر انرژی را قطعی می‌کند. چنانچه به‌طور هوشمندانه رفتار شود، خورشید یکی از منابع انرژی خواهد بود که می‌تواند علاوه بر تأمین آب سرد و گرم مورد نیاز و گرمایش و سرمایش مورد نیاز ساختمان‌ها، انرژی لازم جهت ادامه زندگی صنعتی را فراهم نماید. [1 و 2]

انرژی خورشید بر خلاف انرژی هسته‌ای، خطر و اثرات نامطلوبی از خود باقی نمی‌گذارد و برای کشور‌هایی که فاقد منابع زیر زمینی هستند مناسب‌ترین راه برای دسترسی به نیرو و رشد و توسعه اقتصاد می‌باشد. [2]

در ایران با وجود اینکه یکی از کشورهای نفت خیز جهان به شمار می رود و دارای منابع عظیم گاز طبیعی نیز می‌باشد خوشبختانه به علت تابش خورشید در اکثر مناطق کشور اجرای طرح‌های خورشیدی الزامی و امکان استفاده از انرژی خورشیدی در شهرها و شصت هزار روستای پراکنده در سطح مملکت می‌تواند صرفه‌جویی مهمی در مصرف نفت و گاز را به همراه داشته باشد. از آن‌جا‌که کشور ایران به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی و امکان استفاده از این انرژی جهت تأمین نیازهای خود بسیار غنی است و دریافتی این انرژی حدود 4000 برابر انرژی مصرفی آن می‌باشد، می‌توان کلیه نیازهای کشور را با استفاده از انرژی آفتاب تأمین نمود. البته در وضعیت کنونی بخاطر پایین بودن قیمت سوخت در کشور، استفاده از انرژی خورشیدی به‌جز در موارد استثنایی مقرون به‌صرفه نمی‌باشد. اثر اجتماعی پایین بودن قیمت سوخت باعث مصرف بی‌رویه آن و آلودگی بیش از حد محیط زیست شده است. چنانچه هزینه‌های مربوط به عوامل این آلودگی‌ها در سطح کشور و یا قیمت واقعی سوخت در نظر گرفته شود. آن وقت استفاده از انرژی خورشیدی مقرون به‌صرفه خواهد بود. [1 و 2]

از بدو پیدایش حیات در روی زمین انرژی خورشیدی در پدیده فتوسنتز کاربرد داشته است. در پیدایش ساختمان جهت سکونت، انسان از نور خورشید به‌طور طبیعی برای روشنایی و گرمایش خود استفاده نموده است. اولین و شاید تنها استفاده نظامی از انرژی خورشیدی توسط ارشمیدس در شهر سیراکوز در شرق جزیره سیسیل که در تصرف یونان بود انجام شد. او موفق گردید با منعکس کردن نور خورشید بوسیله چند آینه روی بادبان کشتی‌ها، آن‌ها را به آتش بکشد و بدین ترتیب کشتی‌های جنگی رومیان را که به جزیره سیسیل حمله کرده بودند از کار بیاندازد. امروزه از این اصل یعنی منعکس نمودن نور خورشید توسط چند آینه به یک نقطه، در تبدیل انرژی خورشیدی به گرمایی و سپس الکتریکی استفاده می‌شود. استفاده‌های صنعتی و پیشرفته انرژی خورشیدی از سال‌های 1770 میلادی آغاز گردید. شاید جالب‌ترین استفاده از آفتاب در کشف گاز اکسیژن صورت گرفته باشد. پریستلی در سال 1774 توانست نور خورشید را روی ظروف حاوی اکسید جیوه متمرکز نموده و گازی تولید کند که بعد‌ها اکسیژن نامیده شد. در سال 1872 اولین واحد خورشیدی برای نمک زدایی آب دریا در شمال کشور شیلی ساخته شد. این واحد با سطح 5100 متر مربع می‌توانست حدود 24 متر مکعب آب شیرین در روز تولید نماید. از اواخر سال‌های 1800 تا اوایل سال‌های 1900 ، تعدادی متمرکزکننده خورشیدی جهت دست‌یابی به دماهای بالا برای تولید بخار در فرانسه، آمریکا و مصر ساخته شد که از بخار حاصله برای راه‌اندازی ماشین‌های بخار و آبیاری استفاده می‌گردید. [2]

در سال 1880 اولین کلکتور تخت خورشیدی بوسیله چارلز تلیر ساخته شد. در سال 1888 وستر  پیشنهاد استفاده از انرژی خورشیدی در ترموکوپل‌ها را ارائه داد به این ترتیب که با متمرکز کردن انرژی خورشیدی روی ترموکوپل و با استفاده از اساس کار آن‌ها و ایجاد منابع گرم و سرد، انرژی الکتریکی در دو سر سیم نیکل و آهن ایجاد نمود.

در قرن بیستم استفاده از کلکتورها جهت تولید بخار در نیروگاه‌های برقی مورد توجه زیادی قرار گرفت. گرم کردن ساختمان‌ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه‌ای بود که در سال‌های 1930 مطرح و در یک دهه به پیشرفت‌های قابل توجهی نایل آمد. اولین خانه خورشیدی در انستیتو تکنولوژی ماساچوست آمریکا  در سال 1938 ساخته شد. پیشرفت در طراحی و ساخت خانه‌های خورشیدی و آب‌گرم‌کن‌ها آن چنان سریع بود که تصور می شد تا سال 1970 گرمایش میلیون‌ها خانه در کشورهای مختلف بوسیله انرژی خورشید تأمین خواهد شد اما نه تنها چنین نشد، آمار نشان می‌دهد که گرمایش خورشیدی در سال‌های 1970 نسبت به 1955 کمتر هم شده بود. بالا بودن هزینه‌های اولیه چنین سیستم‌هایی، و در عین حال عرضه نفت و گاز ارزان، سد راه پیشرفت این سیستم‌ها شده بود. اما بحران انرژی در سال 1974 و از طرفی پیشرفت تکنیک ساخت کلکتورهای مختلف خورشیدی، و احتمال کاهش یا اتمام بعضی از منابع زیر زمینی، بار دیگر توجه جهانیان را به انرژی خورشیدی جلب کرده و تلاش‌های زیادی در اکثر کشورهای جهان، در جهت تکامل و پیشرفت این تکنیک صورت می‌گیرد.

در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم‌های مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده می‌شود که اهمّ آن‌ها عبارتند از:

  • سیستم‌های فتوبیولوژیک: تغییراتی که در حیات و زیست گیاهان و جانداران بوسیله نور خورشید و فتوسنتز ایجاد می‌گردد. (فرایند تجزیه کود حیوانات و استفاده از گاز آن)
  • سیستم فتوشیمیایی: تغییرات شیمیایی در اثر نور خورشید (الکترولیزهای نوری، سلول‌های فتوولتائیک الکتروشیمی، تأسیسات تهیه هیدروژن)
  • سیستم‌های فتوولتائیک: تبدیل انرژی خورشید به انرژی الکتریکی (سلول‌های خورشیدی)
  • سیستم‌های حرارتی برودتی: شامل سیستم‌های تهیه آب گرم، گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها، تهیه آب شیرین، سیستم انتقال و پمپاژ، سیستم‌های تولید فضای سبز (گل‌خانه‌ها)، خشک‌کن‌ها و اجاق‌های خورشیدی، سیستم‌های سردسازی، برج‌های نیرو، خشک‌کن‌های خورشیدی. [1]

کشور ایران روی کمربند خورشیدی جهان قرار دارد. این کشور از 2800 ساعت تابش خورشید در طول سال برخوردار است و متوسط تایش خورشیدی در این کشور 2000 کیلووات ساعت بر مترمربع در سال می‌باشد. به همین دلیل ایران، پتانسیل بسیار خوبی جهت استفاده از انرژی خورشیدی دارد. این پتانسیل به گونه‌ای است که در صورت استفاده از 1 درصد مساحت کشور، نیاز انرژی کل کشور قابل تامین خواهد بود. [3] مطالعات انرژی خورشیدی در ایران در حدود سال 1348 شمسی در دانشگاه شیراز و یکی دو سال بعد در دانشگاه صنعتی شریف آغار گردید. این فعالیت‌ها در سال‌های قبل از پیروزی انقلاب اسلامی به اوج خود رسید و در آن زمان مرکز انرژی خورشیدی دانشگاه شیراز و مرکز پژوهش‌های خواص و کاربرد مواد و نیرو در تهران فعالیت‌های قابل توجهی داشتند. از جمله طرح‌های مهم قابل توجه در این مراکز، طرح و توسعه و ساخت سلول‌های فتوالکتریک بوده است. یکی از اولین مطالعات انجام شده در زمینه انرژی خورشیدی در سال‌های آغازین، بررسی امکان استفاده از گرمایش خورشیدی در ایران می‌باشد که توسط دکتر مهدی بهادری‌نژاد در دانشگاه شیراز و برای ساختمانی در حوالی این شهر صورت گرفته و به یازده شهر اصلی دیگر تعمیم داده شده است. [2]

در حال حاضر علاوه بر کارهای پژوهشی انجام شده توسط دانشگاه‌ها ، فعال‌ترین مؤسساتی که به کاربرد انرژی خورشیدی توجه دارند ، مرکز پژوهش‌های مواد و انرژی، سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی کشور، واحد انرژی‌های نوی سازمان انرژی اتمی، سازمان انرژی‌های نو وابسته به وزارت نیرو و شرکت بهینه‌سازی مصرف سوخت کشور می‌باشد. برخی از این طرح‌های انجام شده عبارتند از: ذخیره سازی انرژی خورشیدی با استفاده از گرمای نهان ذوب، ژنراتور گرمازای خورشیدی، سلول خورشیدی سیلیکون، خانه خورشیدی فعال با مساحت 38 متر مربع، حمام‌های خورشیدی نصب شده در روستاهای مرکزی ایران و نیروگاه برق خورشیدی به روش فتوالکتریک در روستای دربید یزد. [1] بر اساس آمار، مجموع ظرفیت سلول‌های فوتوولتاییک نصب شده جهت تولید الکتریسیته 175 کیلووات است. در سال 2007  حدود 71000 کیلووات ساعت الکتریسیته توسط نیروگاه 30 کیلواتی تهران، دربید یزد و سرکویر سمنان تولید شده است. علاوه بر موارد فوق فعالیت‌هایی نیز در زمینه حرارت خورشیدی انجام گرفته است که برای نمونه می‌توان به راه‌اندازی نیروگاه 250 کیلوواتی شیراز اشاره نمود که یکی از مهمترین پروژه‌ها در این زمینه است. متاسفانه بر خلاف برنامه از پیش تعیین شده که می بایست تا پایان برنامه چهارم توسعه کل نیروگاه راه‌اندازی می‌شد، تا کنون تنها فاز اول این نیروگاه که تولید بخار است عملیاتی شده است. از دیگر اقدامات انجام شده در زمینه انرژی خورشیدی نصب و بهره‌برداری از 18000 آب‌گرم‌کن خورشیدی برای استفاده خانگی و تجاری است. در طول برنامه سوم توسعه بیش از 77000 مترمربع کلکتور خورشیدی در ابران نصب شده است. با این حال این فعالیت‌ها در مقایسه با فعالیت‌های انجام شده در کشور‌های دیگر هم‌چون ترکیه، آلمان و چین قابل قیاس نیست و تا آن اهداف راه زیادی در پیش است.[3]

فصل دوم : آشنایی با انواع کلکتور خورشیدی و استانداردهای تست کلکتورهای خورشیدی

کلکتور سهموی یکپارچه

کلکتور سهموی یکپارچه

 2-1- مقدمه………………………………………………………………………………………… 9

مهمترین بخش هر آب‌گرم‌کن، گردآورنده است که کار اصلی آن جذب تابش خورشیدی و تبدیل آن به گرما و انتقال آن به سیال عامل جاری داخل لوله‌ها یا کانال‌ها می‌باشد. یک گردآورنده خورشیدی را می‌توان به‌عنوان یک نمونه ویژه از مبدل گرمایی در نظر گرفت. البته گردآورنده‌های خورشیدی در مقایسه با سیستم‌های مبدل گرمایی دارای تفاوت‌هایی می‌باشد.

جدول 2-1- مشخصات انواع کلکتورهای متداول

حرکت نوع کلکتور نوع کلکتور

(نام لاتین)

نوع جاذب نسبت تمرکز[1] حدود درجه حرارت تولیدی (C°)
ثابت کلکتور صفحه تخت Flat-palte collector (FPC) تخت 1 30-80
کلکتور لوله خلا Evacuated tube collector (ETC) تخت 1 50-200
کلکتور سهموی ترکیبی Compound parabolic collector (CPC) لوله‌ای 1-5 60-240
ره‌گیری تک محوری 5-15 60-300
بازتاب‌کننده خطی فرسنل Linear Fresnel reflector (LFR) لوله‌ای 10-40 60-250
کلکتور دنبال کننده استوانه‌ای Cylindrical trough collector (CTC) لوله‌ای 15-50 60-300
کلکتور دنبال کننده سهموی Parabolic trough collector (PTC) لوله‌ای 10-85 60-400
ره‌گیری دو محوری بشقاب بازتاب‌کننده سهموی Parabolic dish reflector (PDR) نقطه 600-2000 100-1500
کلکتور مزرعه خورشیدی Heliostat field collector (HFC) نقطه 300-1500 150-2000
توضیح: نسبت تمرکز عبارتست از مساحت دهانه تقسیم بر مساحت دریافت‌کننده یا جاذب یک کلکتور

 در مبدل‌های گرمایی، گرما معمولا از طریق جابجایی یا هدایت به سیال دیگر منتقل می‌شود و انتقال گرما از طریق تابش در آنها بسیار ناچیز است درحالی‌که در یک گردآورنده خورشیدی، انتقال حرارت از طریق تابش نقش اساسی دارد. میزان تابش انرژی خورشیدی بدون متمرکز کردن آن در بهترین شرایط عملی حدود W/m2 1100 است، و با شرایط جوی تغییر می‌کند. [4]

کلکتورهای خورشیدی را می‌توان نوع خاصی از مبدل‌های حرارتی دانست که انرژی تشعشع خورشید را به انرژی داخلی ماده ناقل تبدیل می‌کند. مهمترین بخش هر سیستم خورشیدی کلکتور خورشیدی آن است. این وسیله ابزاری است که تشعشع ورودی خورشید را جذب نموده، آن را تبدیل به حرارت می‌نماید و سپس  حرارت تولید شده را به سیالی که ( معمولا هوا، آب یا روغن) در کلکتور در جریان است انتقال می‌دهد. انرژی خورشیدی جذب شده توسط سیال در گردش هم می‌تواند به‌طور مستقیم به آب گرم مصرفی یا دستگاه‌های گرم کننده فضا منتقل شود، هم به به مخزن ذخیره کننده انرژی حرارتی منتقل شود تا بتوان در طول شب یا روزهای ابری از حرارت آن استفاده نمود.

به‌طور کلی کلکتور‌ها را در دو دسته طبقه می‌کنند: کلکتور‌های غیرمتمرکزکننده[2] یا ثابت[3]، و کلکتورهای متمرکزکننده[4]. کلکتورهای غیرمتمرکزکننده دارای سطح یکسانی برای دریافت و جذب تشعشع خورشیدی دارند درحالی‌که کلکتور متمرکزکننده و دنبال‌کننده خورشیدی[5] معمولا دارای سطح بازتاب‌کننده مقعری برای دریافت تشعشع خورشیدی و متمرکز کردن اشعه مستقیم خورشید بر سطح کوچکتر جاذب هستند، که بدین‌وسیله شار تشعشع افزایش می‌یابد. کلکتورهای متمرکزکننده برای کاربرد در دماهای بالا مناسب هستند.

علاوه بر این کلکتورهای خورشیدی را می‌توان به روش‌های دیگری از قبیل نوع سیال انتقال‌دهنده حرارت مورد استفاده (آب، مایع ضدیخ[6]، هوا یا روغن) یا بر اساس داشتن پوشش یا نداشتن پوشش نیز تقسیم‌بندی نمود. انواع مختلف کلکتور‌های خورشیدی در بازار موجود است. در جدول 2-1 انواع کلکتورهای موجود با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

کلکتورها اساسا بر پایه نحوه حرکت – ثابت، ره گیری تک محوری[7] و ره گیری دو محوری[8]- و دمای کاری طبقه‌بندی می‌شوند.

 2-2- انواع کلکتورها………………………………………………………………………………. 10
2-2-1- کلکتورهای صفحه تخت………………………………………………………………… 10
2-2-2- کلکتورهای ترکیبی سهموی ثابت…………………………………………………….. 12
2-2-3- کلکتور لوله خلاء…………………………………………………………………………. 13
2-2-4- کلکتورهای دنبال‌کننده خورشیدی…………………………………………………….. 17
2-3- استانداردهای تست کلکتورهای خورشیدی……………………………………………. 19
2-3-1- استاندارد ASHRAE 93 ا…………………………………………………………………19
2-3-1-1- تست ثابت زمانی- τا………………………………………………………………… 19
2-3-1-2- تست بازده حرارتی – ηg ا……………………………………………………………19
2-3-1-3- تست اصلاح‌کننده زاویه تابش – Kθb(θ)ا…………………………………………. 20
2-3-1-4- توزیع دمای ورودی به کلکتور برای تست بازده حرارتی…………………………. 21
2-3-1-5- مدت زمان انجام تست ………………………………………………………………21
2-3-2- استاندارد ISO 9806-1 و EN 12975-2 ا……………………………………………..21
2-3-2-1- تست ثابت زمانی- τ ا………………………………………………………………..21
2-3-2-2- تست بازده حرارتی…………………………………………………………………. 22
2-3-2-3- تست اصلاح‌کننده زاویه تابش – Kθb(θ) ا………………………………………….23
2-3-2-4- توزیع دمای ورودی به کلکتور برای تست بازده حرارتی…………………………. 23
2-3-3- روش تست شبه‌دینامیکی استاندارد EN12975-2ا……………………………….. 23
2-4- مقایسه استانداردها ……………………………………………………………………..24
2-4-1- مقایسه سه استاندارد 9806-1 ISO، EN 12975-2 و ASHRAE 93 ا…………….26
2-4-2- مقایسه دو استاندارد ISO 9806-1 و EN 12975-2ا………………………………. 29

مدار آزمون باز  استاندارد ASHRAE با حرکت دائمی سیال

مدار آزمون باز استاندارد ASHRAE با حرکت دائمی سیال

فصل سوم : آشنایی با انواع سیستم‌های تست کلکتورهای خورشیدی و استانداردهای تست آن‌ها

کارایی حرارتی کلکتورهای خورشیدی می‌تواند به وسیله ویژگی‌های اپتیکی و گرمایی مواد تشکیل دهنده کلکتور و طراحی کلکتور تعیین شود. باید توجه داشته باشیم که دقت آنالیز انتقال حرارت به تعیین خطاهای‌ اندازه‌گیری ضریب انتقال حرارت بستگی دارد، که به دلیل عدم یکنواختی دمای شرایط مرزی که در کلکتور وجود دارد، تعیین آن‌ها مشکل است. این آنالیزها معمولا هنگام طراحی نمونه‌ها که بعدا تحت شرایط مشخص محیطی تست می‌گردند، انجام می‌شوند. به‌طور کلی، تعیین مشخصات کلکتور به‌طور تجربی و آزمایشگاهی، لازم است و باید برای تمام کلکتورهایی که ساخته می‌شوند انجام شود. در برخی از کشور‌ها جهت حمایت از مشتریان، فروش و ورود کلکتورها به بازار تنها پس از گواهی‌نامه‌های تست که توسط آزمایشگاه‌ها صادر می‌شود مجاز است.

تعدادی از استاندارد‌ها، روش‌های تست کارایی حرارتی کلکتورهای خورشیدی را تشریح کرده‌اند. معروف‌ترین این استاندارد‌ها عبارتند از ISO 9806-1994 ، ASHRAE Standard 93:2003 و EN 12975-2:2001 [8 و 9 و 10]. این استاندارد‌ها می‌توانند برای تعیین کارایی هر دو نوع کلکتور صفحه تخت و متمرکزکننده به کار روند. کارایی حرارتی کلکتورهای خورشیدی با بدست آوردن مقادیر بازده لحظه‌ای در زاویه‌های تابش، دماهای محیطی و دماهای ورودی سیال به کلکتور مختلف بدست می‌آید. این امر نیازمند آن است که‌ اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی نرخ تابش تشعشع خورشیدی که بر کلکتور می‌تابد و هم‌چنین ‌اندازه‌گیری نرخ انرژی افزوده شده به سیال انتقال حرارت که در کلکتور در جریان است، انجام شود؛ و تمام این ‌اندازه‌گیری‌ها باید در شرایط یکنواخت یا شرایط شبه یکنواخت انجام شوند. به علاوه، تست‌هایی نیز برای تعیین مشخصات پاسخ حرارتی گذرای کلکتور باید انجام گیرند. تغییرات کارایی حرارتی در شرایط یکنواخت با زوایای تابش مختلف در موقعیت مختلف خورشید و کلکتور نیز مورد نیاز است.

استاندارد‌های ISO 9806-1، ASHRAE standard 93 و EN 12975-2 اطلاعات لازم جهت تست کلکتورهایی که با سیال یک فازی کار می‌کنند و منبع ذخیره داخلی ندارند را در اختیار قرار می‌دهند. وقتی بار، شرایط آب و هوایی و نوع عایق کاری مشخص باشند، داده‌ها می‌توانند برای پیش بینی کارایی کلکتور در هر محل و تحت هر شرایط آب و هوایی مورد استفاده قرار گیرند.

کلکتورهای خورشیدی می‌توانند به دو طریق تست شوند: تحت شرایط یکنواخت و پایدار یا با استفاده از روش تست دینامیکی. روش اول بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد و روش‌های تست آن برای کلکتورهای پوشش دار در استاندارد‌های نام برده شده به تفصیل بیان شده است. برای تست در شرایط یکنواخت، شرایط آب و هوایی و کارکردی کلکتور باید در طول تست ثابت باشند. برای مناطقی یا آسمان صاف و هوای خشک، شرایط خواسته شده به خوبی ارضا شده و مدت زمان تست چند روز است. اما، در بسیاری از نقاط دنیا رسیدن به شرایط یکنواخت دشوار است و انجام تست تنها در زمان‌های مشخصی از سال، عموما تابستان‌ها، امکان‌پذیر است که حتی در این زمان هم مدت طولانی‌تری برای تست مورد نیاز خواهد بود. به همین دلیل روش‌های تست گذرا یا دینامیکی مورد استفاده قرار گرفتند. شرایط تست گذار شامل بررسی کارایی کلکتور در طول مدت زمان یا تشعشع یا زاویه تابش است. پس از آن، از یک مدل ریاضی وابسته به زمان[1] برای مشخص کردن پارامترهای کارایی کلکتور از داده‌های گذرا استفاده می‌شود. مزیت روش گذرا این است که نسبت به روش شرایط یکنواخت، می‌تواند پارامترهای کارایی گستره وسیعتری از کلکتورها را تعیین کند. روش تست دینامیکی از استاندارد EN12975-2 اقتباس شده است. استانداردهای اروپایی عموما بر اساس استاندارد ISO هستند ولی سختگیرانه‌ترند.

برای انجام دقیق و بدون نقص تست‌ها، به یک مدار تست نیاز است. دو نوع مدار می‌توان به کار برد: مدار باز و مدار بسته. این مدار‌ها که در استاندارد‌های ISO، EN و ASHRAE نیز نمونه‌های آن‌ها نشان داده شده است، در شکل‌های 3-1 تا 3-5 نمایش داده شده‌اند.

در تمامی تست‌ها، پارامتر‌های زیر باید ‌اندازه‌گیری شوند:

  • تشعشع خورشیدی کلی روی صفحه کلکتور، Gt
  • تشعشع خورشیدی پراکنده روی دهانه کلکتور
  • سرعت هوای بالای دهانه کلکتور
  • دوای هوای محیط، Ta
  • دمای سیال در ورودی کلکتور، Ti
  • دمای سیال در خروجی کلکتور، To
  • دبی سیال گذرنده،

به علاوه سطح ناخالص دهانه کلکتور، Aa، نیز باید با دقت خوبی ‌اندازه‌گیری شود. در این بخش ابتدا روش شرایط یکنواخت را به اختصار شرح داده و سپس به توضیح روش دینامیکی می‌پردازیم.

10

3-1- کارایی کلکتورهای خورشیدی………………………………………………………………… 36
3-2- کارایی حرارتی کلکتور…………………………………………………………………………. 37
3-3- روش تست دینامیکی…………………………………………………………………………. 41

فصل چهارم : روابط حاکم بر کلکتور‌های لوله خلاء و حل نمونه عددی

شکل شماتیک یک کلکتور لوله خلاء

شکل شماتیک یک کلکتور لوله خلاء

4-1- مقدمه………………………………………………………………………………………….. 44

در بسیاری از کاربرد‌ها  نیازمند آن هستیم که انرژی را در دمای بالاتری نسبت به مواردی که با کلکتور صفحه تخت قابل انجام است، تحویل گردد. با کاهش سطح اتلاف حرارت می‌توان دمای انرژی تحویل شده را افزایش داد. این امر با قرار دادن لوازم اپتیکی بین منبع تشعشع و سطح جاذب انرژی قابل انجام است. در دمای یکسان، سطح کوچکتر جاذب دارای اتلاف حرارت کمتری نسبت به سطح جاذب کلکتور صفحه تخت است.

برای جلوگیری از بروز خطا در برداشت از معنای کلمات در این بخش، واژه کلکتور به مجموعه سیستم، شامل دریافت‌کننده[1] و متمرکزکننده[2] اتلاق می‌شود. واژه دریافت‌کننده، به بخشی از سیستم اتلاق می‌شود که تشعشع در آن جذب شده و به نوع دیگری از انرژی تبدیل می‌شود؛ این بخش شامل جاذب[3]، پوشش‌ها و عایق‌کاری آن می‌شود. متمرکزکننده یا سیستم اپتیکی، به بخشی از کلکتور اتلاق می‌شود که تشعشع را به سمت دریافت‌کننده هدایت می‌کند. دهانه[4] یک متمرکزکننده عبارتست از دهانه‌ای که تشعشع خورشید از طریق آن وارد متمرکزکننده می‌شود. [13]

4-2- محاسبه کارایی حرارتی کلکتور ……………………………………………………………..44
4-3- توزیع دما در مسیر سیال……………………………………………………………………. 48
4-4- ضریب دفع گرمای کلکتور و ضریب جریان………………………………………………….. 49
4-5- بازده کلکتور …………………………………………………………………………………..51
4-6- مشخصات تجهیزات مورد استفاده………………………………………………………… 51
4-7- حل نمونه عددی…………………………………………………………………………….. 55

نمونه‌ای کلکتور‌های دنبال کننده خورشیدی

نمونه‌ای کلکتور‌های دنبال کننده خورشیدی

فصل پنجم : آزمایش، نتایج و ترسیم نمودارهای مربوطه

 5-1- مقدمه ……………………………………………………………………………………………………61

پیش از ارائه نتایج حاصل از این تحقیق آزمایشگاهی، ابتدا به تشریح روند انجام آزمایش می‌پردازیم. لازم به ذکر است که‌این آزمایش در دو روز آفتابی در تابستان و در شرایط آب و هوایی شهر تهران انجام شده است.

5-2- روش انجام آزمایش……………………………………………………………………………………. 61
5-3- نتایج…………………………………………………………………………………………………….. 62
5-4- نمودارها و تحلیل……………………………………………………………………………………… 67
5-4-1- داده‌های هواشناسی ……………………………………………………………………………..67
5-4-2- تغییرات دمای خروجی از کلکتور بر حسب تغییرات دبی………………………………………. 69
5-4-3- نمودارهای بازده مدل تئوری و آزمایش تجربی………………………………………………….. 74
5-4-4- نمودارهای حرارت دریافتی مدل تئوری و آزمایش تجربی……………………………………… 78
5-4-5- نمودارهای افت دما در مسیر آب ورودی………………………………………………………… 85
5-5- نتیجه گیری کلی…………………………………………………………………………………….. 86
5-6- پیشنهادات برای ادامه تحقیق………………………………………………………………………. 87
منابع و ماخذ…………………………………………………………………………………………………. 88
فهرست منابع فارسی……………………………………………………………………………………… 88
فهرست منابع لاتی………………………………………………………………………………………… 89
چکیده انگلیسی……………………………………………………………………………………………. 91
اصالت نامه…………………………………………………………………………………………………..92

فهرست جدول‌ها

2-1- مشخصات انواع کلکتورهای متداول 9
2-2- شرایط تست شبه‌دینامیکی 23
2-3- دمای متوسط سیال و شرایط آب و هوایی برای هر نوع روز 24
2-4- بیشترین دمای خروجی  بر اساس نوع کلکتور 24
2-5- مقایسه حدود مجاز پارامتر‌های مختلف جهت دست‌یابی به شرایط یکنواخت در سه استاندارد 24
2-6- شرایط آب و هوایی لازم در سه استاندارد 25
2-7- شرایط زمانی بازه داده و پیش بازه داده برای تست در حالت کلکتور ساکن 25
2-8- تشابه پارامتر‌های تست کلکتور خورشیدی در ISO 9806-1،

 EN 12975-2، ASHRAE 93

26
2-9 تفاوت‌ پارامتر‌های تست کلکتور خورشیدی در ISO 9806-1،

 EN 12975-2، ASHRAE 93

27
2-10- جدول تشابه پارامترهای تست کلکتور خورشیدی در دو استاندارد

 ISO 9806-1 و EN 12975-2

29
2-11- جدول تفاوت پارامترهای تست کلکتور خورشیدی در دو استاندارد

ISO 9806-1 و EN 12975-2

33
4-1 – مشخصات فیزیکی کلکتور لوله حرارتی مورد آزمایش، ساخت شرکت sunrain 54
4-2 – پارامترهای موثر جهت حل یک نمونه عددی 56
5-1 – مقایسه نتایج تئوری و تجربی برای کلکتور با 19 لوله حرارتی

و دبی 100 لیتر بر ساعت

63
5-2 – مقایسه نتایج تئوری و تجربی برای کلکتور با 19 لوله حرارتی

و دبی 150 لیتر بر ساعت

63
5-3 – مقایسه نتایج تئوری و تجربی برای کلکتور با 19 لوله حرارتی

و دبی 200 لیتر بر ساعت

64
5-4 – مقایسه نتایج تئوری و تجربی برای کلکتور با 4 لوله حرارتی

و دبی 50 لیتر بر ساعت

64
5-5 – مقایسه نتایج تئوری و تجربی برای کلکتور با 4 لوله حرارتی

و دبی 37.5 لیتر بر ساعت

65
5-6 – مقایسه نتایج تئوری و تجربی برای کلکتور با 4 لوله حرارتی

و دبی 25 لیتر بر ساعت

65
5-7 – داده‌های ضریب جریان کلکتور بر حسب نرخ ظرفیت بدون بعد کلکتور 66

  فهرست شکل‌ها

2-1-  شکل شماتیک بخش‌های مختلف یک کلکتور صفحه تخت 11
2-2 – صفحه جاذب یکپارچه 11
2-3 – صفحه جاذب با پره‌های جداگانه 11
2-4 – شماتیک انواع کلکتور‌های سهموی 12
2-5 – کلکتور سهموی تکی 13
2-6 – کلکتور سهموی یکپارچه 13
2-7 – کلکتور نوع لوله خلا 14
2-8 –  نمونه یک لوله حرارتی 14
2-9 – شکل شماتیک یک لوله حرارتی 15
2-10 – نمای برش خورده از یک کلکتور لوله خلا جهت نمایش عملکرد آن 15
2-11 –  نمونه لوله از یک کلکتور لوله خلاء‌تر (Dewar Type) 16
2-12 –  نمونه لوله از یک کلکتور با لوله حرارتی U-type 16
2-13 –  شماتیک دو نوع از کلکتورهای ترکیبی به همراه بازتاب‌کننده تخت (a) و سهموی (b) 17
2-14 –  شماتیک دو نوع از کلکتورهای ترکیبی سهموی یکپارچه 17
2-15 –  نمونه‌ای کلکتور‌های دنبال کننده خورشیدی 18
3-1 –  مدار آزمون بسته استاندارد‌های ISO و EN 38
3-2 –  مدار آزمون باز استاندارد‌های ISO و EN 38
3-3 –  مدار آزمون بسته استاندارد ASHRAE 39
3-4 –  مدار آزمون باز استاندارد ASHRAE 39
3-5 –  مدار آزمون باز استاندارد ASHRAE با حرکت دائمی سیال 40
3-6 –  نمودار مقایسه‌ای بازده دو کلکتور لوله خلاء و صفحه تخت 41
4-1 –  مدار مقاومت حرارتی جهت مدل تئوری کلکتور لوله خلاء با لوله حرارتی 45
4-2 – شکل شماتیک یک کلکتور لوله خلاء 46
4-3 – موازنه حرارتی روی سیال جریان یافته در یک لوله 49
4-4 –  نمونه‌ای از نمودار تغییرات ضریب جریان کلکتور 50
4-5 –  تجهیزات مورد استفاده در آزمایش تجربی 53
4-6 – یکی از لوله‌های حرارتی کلکتور مورد آزمایش به همراه تصویر بزرگ شده بخش کندانسور و اواپراتور 55
4-7 –  تصویر مجموعه تجهیزات تست کلکتور خورشیدی 55
5-1 – دیاگرام شماتیک مدار مورد استفاده جهت تست کلکتور خورشیدی 61
5-2 –  ضریب جریان کلکتور بر حسب نرخ ظرفیت بدون بعد کلکتور

با استفاده از نتایج آزمایش

66
5-3 – داده‌های هواشناسی روز 8 آگوست 2011 67
5-4 –  دمای هوا و میزان تشعشع در روز 8 آگوست 2011 برای نقاط داده 68
5-5 – داده‌های هواشناسی روز 15 آگوست 2011 68
5-6 –  دمای هوا و میزان تشعشع در روز 15 آگوست 2011 برای نقاط داده 68
5-7 – اختلاف دمای ورودی و خروجی در حالت‌های تئوری و تجربی

در طول زمان با دبی آب 200 لیتر بر ساعت

69
5-8 – اختلاف دمای ورودی و خروجی در حالت‌های تئوری و تجربی

در طول زمان با دبی آب 150 لیتر بر ساعت

70
5-9 – اختلاف دمای ورودی و خروجی در حالت‌های تئوری و تجربی

در طول زمان با دبی آب 100 لیتر بر ساعت

70
5-10 – اختلاف دمای ورودی و خروجی در حالت‌های تئوری و تجربی

در طول زمان با دبی آب 50 لیتر بر ساعت

71
5-11 – اختلاف دمای ورودی و خروجی در حالت‌های تئوری و تجربی

در طول زمان با دبی آب 37.5 لیتر بر ساعت

71
5-12 – اختلاف دمای ورودی و خروجی در حالت‌های تئوری و تجربی

در طول زمان با دبی آب 25 لیتر بر ساعت

72
5-13 – مقایسه دمای خروجی‌ اندازه‌گیری شده و مورد انتظار برای کلکتور

با 4 و  19 لوله حرارتی و دبی‌های مختلف

73
5-14 – اختلاف دمای خروجی تجربی و دمای ورودی در دبی‌های مختلف

برای کلکتور با 19 لوله حرارتی

73
5-15 – اختلاف دمای خروجی تجربی و دمای ورودی در دبی‌های مختلف

برای کلکتور با 4 لوله حرارتی

74
5-16 – بازده مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده 200 لیتر بر ساعت

و 19 لوله حرارتی برای کلکتور

75
5-17 – بازده مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده 150 لیتر بر ساعت

و 19 لوله حرارتی برای کلکتور

75
5-18 – بازده مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده 100 لیتر بر ساعت

و 19 لوله حرارتی برای کلکتور

76
5-19 – مقایسه بازده مدل تئوری و تجربی با دبی‌های آب گذرنده متفاوت

و 19 لوله حرارتی برای کلکتور

76
5-20 – بازده مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده 50 لیتر بر ساعت

و 4 لوله حرارتی برای کلکتور

77
5-21 – بازده مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده 37.5 لیتر بر ساعت

و 4 لوله حرارتی برای کلکتور

77
5-22 – بازده مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده 25 لیتر بر ساعت

و 4 لوله حرارتی برای کلکتور

77
5-23 – مقایسه بازده مدل تئوری و تجربی با دبی‌های آب گذرنده متفاوت

و 4 لوله حرارتی برای کلکتور

78
5-24 – حرارت دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده

200 لیتر بر ساعت و 19 لوله حرارتی برای کلکتور

79
5-25 – حرارت دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده

150 لیتر بر ساعت و 19 لوله حرارتی برای کلکتور

79
5-26 – حرارت دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده

100 لیتر بر ساعت و 19 لوله حرارتی برای کلکتور

80
5-27 – مقایسه حرارت دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی‌های آب گذرنده مختلف و 19 لوله حرارتی برای کلکتور 80
5-28 – حرارت دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده

50 لیتر بر ساعت و 4 لوله حرارتی برای کلکتور

81
5-29 – حرارت دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده

37.5 لیتر بر ساعت و 4 لوله حرارتی برای کلکتور

81
5-30 – حرارت دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی آب گذرنده

25 لیتر بر ساعت و 4 لوله حرارتی برای کلکتور

81
5-31 – مقایسه حرارت دریافتی در مدل تئوری و تجربی با دبی‌های آب گذرنده مختلف و 4 لوله حرارتی برای کلکتور 82
5-32 – مقایسه حرارت‌ اندازه‌گیری شده و مورد انتظار برای کلکتور

با دبی 200 لیتر بر ساعت و 19 لوله حرارتی

82
5-33 – مقایسه حرارت‌ اندازه‌گیری شده و مورد انتظار برای کلکتور

با دبی 150 لیتر بر ساعت و 19 لوله حرارتی

83
5-34 – مقایسه حرارت‌ اندازه‌گیری شده و مورد انتظار برای کلکتور

با دبی 100 لیتر بر ساعت و 19 لوله حرارتی

83
5-35 – مقایسه حرارت‌ اندازه‌گیری شده و مورد انتظار برای کلکتور

با دبی 50 لیتر بر ساعت و 4 لوله حرارتی

84
5-36 – مقایسه حرارت‌ اندازه‌گیری شده و مورد انتظار برای کلکتور

با دبی 37.5 لیتر بر ساعت و 4 لوله حرارتی

84
5-37 – مقایسه حرارت‌ اندازه‌گیری شده و مورد انتظار برای کلکتور

با دبی 25 لیتر بر ساعت و 4 لوله حرارتی

84
5-38 – افت دمای مسیر مخزن تا ورودی کلکتور برای کلکتور با 19 لوله حرارتی و دبی‌های مختلف 85
5-39 – افت دمای مسیر مخزن تا ورودی کلکتور برای کلکتور با 4 لوله حرارتی

و دبی‌های مختلف

86


 

ABSTRACT 

In this research, an evacuated solar heat pipe collector is investigated theoretically and experimentally under the meteorological conditions of Iran. Heat transfer formulas were used for theoretical modeling, and a test method was adapted from ISO 9806-1 to compare the theoretical model with the experimental results. The collector efficiency and useful heat gain were compared between the theoretical and experimental methods. The effect of the working fluid flow rates and collector area were also investigated and discussed. The comparison shows that the theoretical model is in good agreement with the experimental results and is capable of predicting the efficiency, useful heat gain and working fluid outlet temperature of an evacuated heat pipe collector with good accuracy.



  مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان