تحقیق درباره کلکتور های خورشیدی و کاربرد آنها در صنعت

تحقیق درباره کلکتور های خورشیدی و کاربرد آنها در صنعت

فهرست مطالب
چکیده 1
مقدمه 2
فصل اول 4
انرژي خورشيد 4
(1-1)- مشخصات نور خورشید در بالای جو زمین 5
(1-2)- مقدار ثابت خورشید 5
(1-3)- طیف خورشید در بالای جو 6
(1-4)- شدت تابش خورشید در خارج جو 8
(1-5)- مقدار تابش بر روی سطحی به مساحت واحد 10
مشخصات امواج خورشيد در سطح زمين 13
(1-2-1)- اثر جو زمين 14
(1-2-2)- اندازه گيري طيف خورشيد 17
(1-2-3)- شکل خورشید 19
(1-2-4)- مدلهاي رياضي تعيين شدت تابش خورشيد 21
(1-2-5)- زوایای هندسی خورشید نسبت به زمین 27
(1-2-6)- زمان 28
(1-2-7)- زاویه ساعت( ) : 28
(1-2-8)- زمان واقعی خورشید : 29
(1-2-9)- رابطه زمان : 31
(1-2-10)- تبدیل زمان : 35
زاویه انحراف( ) : 35
زاویه عرض جغرافیایی( ) 38
(1-8)- زاویای فراز خورشید، قطبی یا سمت الراس و سمت خورشید : 39
(1-10)- زمانهای مهم روزانه و فصلی 53
فصل دوم 56
کلکتورها 56
انواع گردآورنده خورشیدی : 66
گردآورنده صفحه تخت : 66
گردآورنده بشقابی نوع 1: 67
گردآورنده بشقابی نوع 2 : 67
گردآورنده با آینه ثابت : 68
تکنولوژی کلکتور های خورشیدی 69
گردآورنده تخت خورشیدی : 76
عوامل مهم در بازدهي گردآورندههاي تخت خورشيدي: 80
ميزان جريان سيال : 81
انتقال حرارت به سيال : 82
انتقال حرارت از طريق هدايت : 83
توزيع دما در گردآورندههاي تخت خورشيدي : 88
مبانی انتقال حرارت : 90
ضریب انتقال حرارت جابجایی به شرح زیر محاسبه میشود : 91
جابجايي آزاد از يک رويه تخت : 94
جابجايي آزاد بين دو رويه رويه موازي : 94
ضريب کل انتقال حرارت يک گرد آورنده : 97
اتلاف انرژي حرارتي از قسمت فوقاني گردآورنده : 98
اتلاف انرژي حرارتي از قسمت تحتاني گردآورنده : 109
موازنه حرارتي و ضرايب انتقال حرارت براي يک جذبکننده صفحه تخت با يک پوشش 114
ضرايب انتقال حرارت : 116
روش پيشنهادي، استفاده معادله افت حرارتي در حالت محيطي : 117
ضریب دریافت گرما و ضریب جریان گردآورنده : 126
ثابت زمانی گردآورنده ها : 130
تصحیح زاویه برخورد : 132
فصل سوم 136
کاربرد کلکتورها 136
تاریخچه آبگرمکن خورشیدی: 137
مقدمه ای بر آبگرمکن خورشیدی : 138
کلکتورهای تحت خلا شیشه ایی: 139
سیستم خورشیدی تهیه آبگرم بهداشتی با دو زیر سیستم 140
اجزاء آبگرمکن های خورشیدی : 142
مبدل حرارتی : 142
مخزن ذخیره آبگرم : 142
انواع آبگرمکن خورشیدی : 142
آبگرمکن با گردش طبیعی : 145
آبگرمکن خورشیدی یکپارچه : 145
نیروگاه خورشیدی 250 کیلووات شیراز 148
بهينه‌سازی کلکتور سيستم آبگرم خانگی خورشيدی با روش اکسرژی و مقایسه با تحلیل انرژی 156
مفهوم اکسرژی و راندمان اكسرژي کلکتور 159
تحليل حرارتي 160
تحليل اپتيكي 163
تحليل اكسرژي 163
يافتن مقادير بهينه پارامترهاي موثر در راندمان اكسرژی 166
منابع 172

چکیده
در این فصل ابتدا مشخصات تابش خورشید در خارج از جو زمین، سپس مقدار آن با روش ریاضی در روی سطح زمین تشریح می¬گردد. آنگاه روشی که با کمک آن براحتی می¬توان مقدار انرژی رسیده به یک محل دلخواه را محاسبه نمود. ملاحظه خواهد شد در صو رتیکه اطلاعات هواشناسی موجود باشد، بهتر است از آن برای بهینه نمودن طراحی سیستم خورشیدی استفاده نمود.
برای آنکه طراح سیستم خورشیدی شدت تابش رسیده به دهانه ورودی کلکتور را پیش¬بینی نماید باید بداند که چه مقدار تابش خورشید به واحد سطح در آن نقطه می رسد و امتداد این تابش چگونه است. لذا ابتدا محل خورشید در آسمان باید مشخص شود سپس از ترکیب شدت تابش و امتداد کلکتور نسبت به خورشید، طراح مقدار انرژی رسیده به کلکتور را برآورد می¬نماید.

مقدمه
خورشید تنها منبع انرژی تجدید پذیر، در مرکز منظومه¬ی شمسی است. انرژی خورشید در 24 ساعت شبانه¬روز و در 365 روز سال به صورت امواج الکترومگنتیک به زمین می¬تابد.
درجه حرارت سطح خارجی خورشید حدود 6000 درجه کلوین است. قسمت کوچکی از انرژی خورشید به ما در زمین می رسد زیرا، اولا ً: این انرژی در تمام جهات منتشر شده و یک قسمت جزئی از آن بعد از طی فاصله بین زمین و خورشید به سطح خارج اتمسفر زمین می رسد. ثانیا ً: با گردش زمین حول محورش، هر وسیله برای دریافت انرژی خورشید در روی زمین صرفا ً در روز ( تقریبا ً نصف شبانه روز ) انرژی خورشید را دریافت می¬کند. ثالثاً: از امواج رسیده به خارج جو زمین، تا رسیدن آنها به سطح زمین حدود 30 % دیگر از آن تلف می¬شود. بعلاوه شرایط آب و هوا می تواند انرژی رسیده به زمین را بیش از درصد فوق باز هم کاهش دهد.
مقدار انرژی که به واحد سطح زمین در واحد زمان می¬رسد، بنام شدت تابش خورشید نامیده می-شود. واحد اندازه¬گیری شدت تابش خورشید وات بر متر مربع ( ) است. شدت تابش مقداری لحظه¬ای است و با زمان می¬تواند تغییر نماید. ماکزیمم شدت تابش برای تعیین شرایط پیک انرژی دریافتی سیستم بکار می¬رود. اگر مکانیزم ذخیره¬سازی در طراحی سیستم مورد نظر باشد، طراح می¬بایست از تغییرات شدت تابش خورشید نسبت به زمان آگاه باشد، تا بتواند طراحی سیستم را بهینه کند.
بعلاوه، طراح سیستم خورشبدی لازم است بداند چه مقدار انرژی خورشیدی در روز، ماه یا سال به سیستم خورشیدی رسیده است. جمع مقدار انرژی رسیده، مقدار تابش خواهد بود. مقدار تابش با واحد ژول بر متر مربع ( ) و یا بیشتر با واحد ( ) اندازه¬گیری می¬شود. همانطور که در بخش بعد شرح داده خواهد شد، مقدار تابش و یا مقدار تشعشع به طور ساده جمع انرژی امواج رسیده در طول یک زمان دلخواه است.

فصل اول
انرژي خورشيد

(1-1)- مشخصات نور خورشید در بالای جو زمین
منبع اصیل انرژی ما خورشید، در مقایسه با سایر ستارگان ستاره¬ای با اندازه، عمر و نوری متوسط است که در روی یکی از بازوهای کهکشان راه شیری قرار دارد. روشنایی این ستاره را نیز با توجه به دمای سطحی آن که معادل 6000 درجه کلوین است در مقایسه با گروهی از ستارگان با دمای 16000 درجه کلوین و گروهی دیگر با دمای 3000 درجه کلوین می¬توان به طور نسبی متوسط دانست.
حدس بر آنست که در خورشید گازهای هیدروژن و هلیم ترکیب شده و در آن پدیده ذوب اتمی انرژی¬ای با شدت وات در بدنه خورشید آزاد می¬شود.
قسمت اعظم انرژی الکترومگنتیک رسیده به زمین از پوسته خارجی خورشید بنام فتوسفر است. قطر تقریبی خورشید بوده و در فاصله از زمین قرار دارد.
(1-2)- مقدار ثابت خورشید
شدت تابش خورشید در سطح خارجی آن حدود است. اما چون تابش منتشر شده و مقدار آن با نسبت مربع فاصله کاهش می¬یابد، بنابراین با توجه به فاصله زمین از خورشید (شکل1-1)، شدت تابش خورشید که مقدار انرژی رسیده به یک متر مربع از سطح عمود بر تابش خورشید در خارج جو زمین در واحد زمان است، معادل 1376 وات بر متر مربع تعیین می¬شود که آن را با نشان می¬دهیم و مقدارش از طریق زیر محاسبه می¬شود :

شکل (1-1) : کاهش شدت تابش انرژی از سطح خورشید به سطح خارج از جو

در مدارک و کتابهای قدیمی ایرانی و خارجی مقدار ثابت خورشید 1353 وات بر متر مربع ذکر شده که می¬بایست به مقدار 1367 وات بر متر مربع اصلاح گردد. این مقدار نه تنها توسط محاسبه مشخص می¬شود، بلکه به علت اندازه¬گیری¬های دقیق صورت گرفته در خارج از جو زمین نیز به اثبات رسیده است.
اندازه ظاهری زاویه¬ی قرص خورشید به کمک قطر فتوسفر و فاصله زمین تا خورشید قابل محاسبه است. در فاصله 1.000AU اندازه زاویه ای قرص خورشید 9.3 میلی رادیان (0.553 درجه ) است. با تغییر فاصله زمین از خورشید در طول سال، اندازه ظاهری زاویه¬ی خورشید به میزان 1.7 % تغییر می¬کند.
(1-3)- طیف خورشید در بالای جو
45 درصد از امواج رسیده از خورشید به جو زمین از امواج قابل رؤیت¬اند که طول موج آنها در محدوده بین 0.3 تا 0.7 میکرون قرار دارند. کمی بیش از یک درصد از انرژی خورشید در محدوده طول موج کوتاه ( شامل اشعه ایکس X و ماورای بنفش UV ) و 54 درصد بقیه انرژی در ناحیه¬ی مادون قرمز است. به طوریکه در بخش بعد شرح داده خواهد شد، طیف خورشید بعد از ورود به جو زمین تا رسیدن به سطح زمین دچار تغییر می¬شود.

شکل(1-2):طیف خورشی قبل و بعد از ورود به زمین
اطلاع از مقدار انرژی امواج مختلف خورشید، طراح را در برآورد سهم انرژی طول موج¬های مختلف در کل انرژی دریافتی از خورشید قادر ساخته و در نتیجه طراحی سیستم خورشیدی را بهینه می¬نماید.
(1-4)- شدت تابش خورشید در خارج جو
می¬دانیم شدت نور در یک نقطه نسبت عکس با مجذور فاصله آن نقطه از منبع نور دارد. چون مدار گردش زمین بدور خورشید کمی بیضوی است، شدت تابش رسیده به خارج جو زمین 3.4 درصد نسبت به مقدار ثابت خورشید تغییر می¬کند، به طوریکه ماکزیمم آن در نزدیک ” نقطه حضیض ” یعنی در حالت کمترین فاصله زمین از خورشید (2 الی 5 ژانویه و یا 13 الی 15 دیماه) و مقدار مینیمم آن در نزدیک ” نقطه اوج ” ، یعنی در حالت دور ترین فاصله زمین از خورشید (5 جولای یا 14 تیر ماه )رخ می دهد. تغییرات شدت تابش برای روزهای مختلف سال با استفاده از رابطه زیر قابل محاسبه است . مقدار شدت تابش که از این رابطه به دست می آید، با دقت خوب برای محاسبات مهندسی قابل استفاده است.

در این رابطه مقدار تابش در خارج جو زمین و N شماره روز ( با شروع از اول ژانویه یا 11 دی) است.
یک صفحه مسطح درست در خارج جو زمین و موازی سطح زمین فرض می کنیم. هنگامیکه این صفحه رو به خورشید و عمود بر شعاع تابش آن قرار دارد، مقدار شدت تابش رسیده به آن معادل ، مقدار تابش ماکزیمم ممکن بر صفحه است. اگر صفحه بر شعاع تابش عمود نباشد، شدت تابش رسیده به آن به اندازه کسینوس زاویه بین خط عمود بر صفحه و امتداد شعاع مرکزی تابش خورشید کاهش می¬نماید.

تحقیق درباره کلکتور های خورشیدی و کاربرد آنها در صنعت

شکل(1-3) : اثر کسینوس مربوط به کاهش شدت تابش خورشید
ملاحظه می¬شود که مقدار انرژی رسیده به هر دو صفحه یکسان است. در حالیکه سطح A بزرگتر از سطح B تصویر آن در امتداد عمود بر شعاع مرکزی خورشید است. بنابراین شدت تابش رسیده به یک سطح موازی سطح زمین در خارج از جو ( ) با رابطه زیر قابل ملاحظه است.

در این رابطه شدت تابش در خارج از جو زمین، و زاویه ی بین دو سطح است، این زاویه خط-الرأس نام دارد. کاهش مقدار شدت تابش با کسینوس زاویه بین شعاع مرکزی خورشید و قائم بر سطح، اثر کسینوس نامیده می¬شود. اثر کسینوس در بهینه نمودن جهت کلکتور خورشیدی بسیار مهم است.
بعلت گردش زمین حول محورش و اثر کسینوس، شدت تابش در روی سطح افقی در خارج از جو زمین مداوماً در حال تغییر بوده و این تغییرات هر روز تکرار می¬شود.

(1-5)- مقدار تابش بر روی سطحی به مساحت واحد
مقدار انرژی خورشید بر روی سطحی به مساحت واحد در خارج از جو در طول یک زمان مشخص با انتگرال¬گیری ( یا جمع بندی ) شدت تابش در آن زمان به دست می¬آید. با این انتگرال¬گیری، مقدار تابش رسیده به سطحی به مساحت واحد به دست می¬آید. که در این مقدار تابش با نشان داده شده و واحد آن، واحد انرژی تقسیم بر واحد سطح، یعنی ( ) است .
اغلب نیاز است که کل انرژی رسیده به یک سطح در طول یک روز در خارج از جو محاسبه شود. این مقدار را می¬توان با انتگرال¬گیری از شدت تابش خورشید در خارج از جو بین طلوع تا غروب آن بدست آورد.

در این رابطه : t نمایش زمان و واحد آن ثانیه است.
با استفاده از رابطه بدست آمده برای زاویه بین سطح موازی زمین و خورشید، می¬توان رابطه زیر را برای مقدار تابش روزانه رسیده به یک سطح موازی زمین در خارج از جو بدست آورد.

زوایای و عرض جغرافیایی و انحراف می باشند و زاویه¬ی ساعت غروب می¬باشد.
در شکل زیر مقادیر تابش روزانه خورشید بر یک سطح افقی در خارج از جو در طول سال توسط رابطه قبلی برای سه عرض جغرافیایی در طول سال ترسیم شده است. این شکل نکات جالبی را در مورد انرژی خورشیدی رسیده به زمین نشان می¬دهد. بالاترین مقدار تابش روزانه در بزرگترین عرض جغرافیایی انتخابی رخ می¬دهد. این تابش ماکزیمم در زمانی که هرگز خورشید غروب نمی¬کند رخ می¬دهد.
نکته جالب دیگر آنکه در خط استوا بالاترین تابش روزانه در پاییز و بهار رخ می¬دهد نه در تابستان که ممکن است انتظار برود. ماکزیمم تابش در تابستان فقط در مدار بالای 23.5 درجه رخ می¬دهد. کل انرژی جمع شده در طول سال بصورت مقدار متوسط تابش خورشید در شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که انتظار می¬رود جمع سالیانه تابش روزانه خورشید بر روی یک سطح افقی در استوا ماکزیمم است . سطوح واقع در عرض بیشتر قسمتی از انرژی موجودرا بعلت اثر کسینوس که قبلا ً گفته شد از دست می¬دهند.

تحقیق درباره کلکتور های خورشیدی و کاربرد آنها در صنعت

شکل(1-4) : تغییرات سالیانه تابش روزانه خورشید بر روی یک سطح افقی خارج از جو در نیمکره شمالی برای عرض جغرافیایی صفر،40،80درجه
اگر سطحی در خارج از جو زمین همواره رو بسمت خورشید و بر شعاع مرکزی آن عمود باشد، مقدار تابش روزانه بر سطح آن مطابق شکل زیر در طول سال تغییر می¬کند. بطوریکه در این شکل ملاحظه می¬شود با زیاد شدن عرض جغرافیایی مقدار انرژی دریافتی آن در تابستان افزایش و در زمستان کاهش می¬یابد.
نتیجه جالب از شکل زیر آنست که مقدار انرژی سالیانه دریافتی توسط صفحه¬ایکه همواره عمود بر شعاع مرکزی خورشید قرار گرفته، تابع عرض جغرافیایی نبوده و در کلیه عرض¬های جغرافیایی یکسان است.

شکل1-5 : تغییرات سالیانه تابش روزانه خورشید بر روی یک سطح افقی خارج از جو در نیمکره شمالی قرار گرفته و همواره عمود بر شعاع مرکزی خورشید آنرا تعقیب می¬کند
زیرا دراین حالت هر نقطه از 4380 ساعت آفتاب برخوردار می¬شود. بنابراین بغیر از تغییرات جزئی ناشی از شدت تابش در بالای اتمسفر که حدود 6 درصد در زمستان بشتر از تابستان است، مقدار تابش سالیانه خارج از جو در هر نقطه از زمین یکسان است.
بعلاوه ملاحظه می¬شود که مقدار متوسط روزانه تابش عمود خیلی نزدیک به حاصل ضرب 12 ( طول متوسط روز ) در مقدار ثابت خورشید است، که 59.1 مگا ژول بر متر مربع می¬شود. از مقایسه دو شکل قبل با هم نتیجه می¬شود که اثر کسینوس در طول سال موجب 39 درصد کاهش تابش خورشید بر صفحه افقی در خط استوا می¬شود، در حالیکه کاهش تابش در عرض 40 درجه 52 درصد و در عرض 80 درجه 74 درصد است.
در بخش¬هاي فوق مقدار تابش خورشيد را بر صفحات فرضي در خارج از جو زمين مورد توجه قرار داديم، تا خواننده با منبع انرژي خورشيد و مكانيك سيستم خورشيد و زمين آشنا شود.
مشخصات امواج خورشيد در سطح زمين
همچنانكه امواج خورشيد وارد اتمسفر زمين مي¬شود، توسط آن هم جذب شده ( موجب گرم شدن اتمسفر زمين شده)، هم منعكس شده (به همين دليل زمين توسط فضا نوردان قابل مشاهده است)، و هم پخش شده ( به همين دليل اين پروژه را در سايه ي يك درخت مي¬توان خواند ) و هم بطور مستقيم منتقل مي¬شود ( دليل وجود سايه). در

تحقیق درباره کلکتور های خورشیدی و کاربرد آنها در صنعت

پسورد فایل: www.bazaarfile.ir

مطالعه بیشتر