عوامل مهم در بازدهی گردآورنده های تخت خورشیدی

بعد از آن که انرژی تابشی خورشید به وسیله صفحه جذب کننده،گردآورنده تخت جذب گردید،گرمای کسب شده باید اخذ و به مصرف برسد. این عمل به وسیله جریان درآوردن یک سیال انتقال دهنده گرما از داخل لوله ها و یا مجاری و یا کانال های گردآورنده صورت می گیرد.اگر گرمای جذب شده توسط صفحه جذب کننده به وسیله سیال انتقال دهنده گرما انتقال داده شود، گرما در صفحه جذب کننده به تدریج افزایش یافته و تا حدی خواهد رسید که اتلاف گرما از آن به محیط اطراف برابر با گرما جذب شده می گردد.

انتقال نادرست گرمای گردآوری شده در صفحه جذب کننده توسط سیال انتقال دهنده گرما نیز می تواند منجر به اشکالاتی گردد مطلوب ترین حالت اخذ گرمای گردآوری شده در گردآورنده خورشیدی هنگامی میسر می گردد که دمای صفحه جذب کننده همواره در پایین ترین مقدار ممکن عملی حفظ شود.عوامل متعددی در تحقق بخشیدن به این حالت دخالت دارند که به توضیح تعدادی از آنها می پردازیم.

1- میزان جریان سیال

دمای سیال انتقال دهنده گرما در نتیجه اخذ گرما به تدریج افزایش می یابد.اگر میزان جریان سیال کم باشد دما افزایش قابل توجهی در هنگام اخذ مقدار معینی گرما خواهد یافت. در چنین حالتی دمای متوسط گردآورنده حتی اگر انتقال گرما به طور کامل صورت گیرد،افزایش خواهد یافت.بنابراین،میزان جریان سیال اثر مهمی بر روی بازدهی گردآورنده داشته و باید در هنگام طراحی در نظر گرفته شود.البته از لحاظ عملی ممکن است به محدودیت هایی برخورد نمود.به عنوان مثال،هنگامی که سیستمی جهت گرم کردن تنها آب مصرفی به کار می رود و خود آب گرم شده در گردآورنده مستقیما مصرف شود(مدارباز)،در این صورت،طبیعی است که باید میزان جریان سیال را محدود نمود تا دمای آب در گردآورنده به حد مطلوبی رسیده و سپس مورد مصرف قرار گیرد.

اما اگر قرار باشد از گرمای سیال انتقال دهنده گرما در سیستم مدار بسته استفاده گردد،از آنجایی که سیال گرم شده مستقیما مورد استفاده قرار نمی گیرد و ابتدا گرمای آن به مخزن ذخیره گرما منتقل میگردد،محدودیتی در مورد میزان جریان سیال وجود نداشته و باید میزان جریان طوری طرح شود که همیشه دمای رویه صفحه جذب کننده در پایین ترین مقدار ممکن که کمی بیشتر از دمای توده ای سیال در تانک ذخیره می باشد،حفظ گردد.

2- انتقال گرما به سیال

میزان درست جریان سیال تنها عامل مهم در انتقال گرما نمی باشد.گرما می بایست به طور کامل به سیال انتقال یابد که این موضوع در مواقعی که سرعت حرکت سیال زیاد است به سهولت تحقق می یابد اما در مواقعی که سرعت حرکت سیال کم باشد،از آنجایی که سیال نمی تواند به طور موثر گرمای رویه لوله و یا کانال ها را اخذ نماید،انتقال گرما به طور کامل صورت نمی گیرد.به طورکلی، انتقال گرما بستگی به عوامل متعددی دارد که رژیم حرکتی سیال یکی از آنها می باشد.در رژیم جریان آرام(جریان لایه ای) لایه های سیال به طور آرام تمام طول لوله ها را طی کرده و خارج می شوند.با افزایش سرعت سیال،جریان از حالت آرام به حالت گذرا می رسد. در این حالت، گردآب های کوچکی در سیال ایجاد گردیده که تا حدودی باعث مخلوط شدن سیال شده ودر نتیجه ،انتقال گرما افزایش می یابد.با افزایش سرعت سیال،رژیم جریان در هم حکم فرما می گردد که باعث مخلوط شدن بسیار کامل سیال گردیده ودر نتیجه،انتقال گرما به طور قابل توجهی افزایش خواهد یافت.بنابراین رژیم جریان در هم ، بهیرین رژیم، از نقطه نظر انتقال گرما می باشد.اما ایجاد جریان در هم همیشه مقرون به صرفه نیست،زیرا چنین جریانی مستلزم استفاده از پمپ و یا هوادهنده کاملا مناسب می باشد. به طور کلی در هنگام استفاده از مایعات آبی میتوان جریان در هم را با صرف انرژی کمی ایجاد نمود. اما در مورد هوا و مایعات غلیظ غیر آبی از آنجایی که ایجاد جریان در هم مستلزم مصرف انرژی زیادی می باشد، طراح باید هنگام طراحی سیستم رژیم حرکتی سیال را با توجه به پارامترهای اقتصادی به گونه ای انتخاب نماید که در منطقه گذرا و یا در نزدیکی رژیم آرام قرار گیرد.

3- انتقال گرما از طریق رسانایی

گرمای جذب شده توسط صفحه جذب کننده برای آنکه به سیال جاری در لوله ها و کانال ها منتقل گردد

نخست باید از طریق رسانائی از جداره لوله ها و یا کانال ها بگذرد.این گرما می تواند به دو حالت به سیال انتقال یابد. در حالت اول مطابق مدل (الف)،شکل(3)که در آن گرمای جذب شده به وسیله صفحه جذب کننده پس از عبور از ضخامت صفحه جذب کننده به سیالی که در زیر آن جریان دارد،مستقیما منتقل می گردد.

در حالت دوم ، مطابق مدل (ب)،شکل(3) گرمای جذب شده به وسیله صفحه جذب کننده در ابتدا در طول(یا عرض)صفحه جذب کننده انتقال یافته و سپس به لوله ها یا کانال هایی که در فواصل معینی از یکدیگر قرار گرفته اند،منتقل می گردد.در حالت اول ،گرما فقط باید ضخامت کم و ناچیز صفحه جذب کننده را طی کرده تا به سیال برسد و بنابراین ،ضریب رسانایی گرمایی صفحه جذب کننده چندان مهم نخواهد بود.اما در حالت دوم صفحه جذب کننده نسبت به لوله ها و یا کانال ها در حقیقت به صورت پره عمل کرده و گرمای صفحه جذب کننده باید از سطح مقطع صفحه جذب کننده بگذرد تا به جداره لوله ها ویا کانال ها و بالاخره به سیال برسد.در چنین حالتی ضریب رسانایی گرمایی و ضخامت صفحه جذب کننده اهمیت زیادی پیدا می کند که باید به وسیله طراح در هنگام انتخاب جنس صفحه در نظر گرفته شود.بسیاری از گردآورنده های تخت تجارتی بدون در نظر گرفتن این موضوع مهم ساخته می شوند که در نهایت باعث می شود گردآورنده با بازدهی کمتری کار کند.

Absorber plates 3

4- بیلان انرژی برای یک گردآورنده تخت خورشیدی نمونه

برای ارائه مدل های ریاضی پدیده های فیزیکی در گردآورنده های تخت خورشیدی نخست باید یک گردآورنده نمونه در نظر گرفت.شکل(4)برش عرضی یک گردآورنده تخت را که برای گرم کردن مایعات مناسب می باشد نشان می دهد.قسمت های مهم یک گردآورنده،همانطور که قبلا نیز اشاره شد،عبارتند از یک رویه سیاه جذب کننده به سیال جاری در گردآورنده،حداقل یک صفحه پوشش مناسب مانند یک شیشه که در روی گردآورنده قرار گرفته و از اتلاف گرمایی از طریق جابجایی جلوگیری می کند گرچه گردآورنده تخت نمونه نشان داده شده در شکل (4) از نوع گرمکن مایعات می باشد که قسمت عمده ای از بحث را تشکیل می دهد،اما هوا گرمکن ها را نیز می توان به طور اصولی مانند مایع گرمکن ها در نظر گرفت که فقط در حالت کلی باید جای لوله های جریان مایع را با کانال های مناسب جریان هوا تعویض نمود.

liquid sweat

گردآورنده های تخت در حالت کلی برای تولید آب گرم،هوای گرم و یا بخار آب در فشار پایین به کار می روند.گردآورنده های تخت را معمولا به طور ثابت با شیب و جهت مطلوبی که بستگی به موقعیت جغرافیایی محل و نوع و زمان استفاده از گردآورنده دارد،نصب می کنند.تحت شرایط ماندگار،کارآیی یک گردآورنده تخت خورشیدی را می توان به وسیله بیلان انرژی که در حالت کلی رابطه ای بین انرژی خورشیدی رسیده به گردآورنده و تبدیل آن به انرژی مفید قابل استفاده و اتلاف های گرمایی و اپتیکی می باشد بیان نمود.تابش جذب شده به وسیله یک گردآورنده، S  برابر با تفاضل تابش خورشیدی رسیده به گردآورنده و اتلاف های اپتیکی می باشد چگونگی محاسبه S با رابطه (1) بیان گردیده است.انرِژی گرمایی تلف شده از طریق رسانایی، جابجایی و تابش مادون قرمز از گردآورنده را می توان از حاصل ضرب یک ضریب انتقال گرما، در تفاضل دمای متوسط صفحه جذب کننده و دمای محیط اطراف به دست آورد.

بنابراین،انرژی مفید کسب شده از یک گردآورنده در شرایط ماندگار از تفاضل تابش خورشیدی جذب شده و اتلاف های گرمایی به دست می آید که به صورت رابطه(2)نشان داده می شود.

formul1

مشکل اساسی در استفاده از رابطه (2)آن است که محاسبه و یا اندازه گیری دمای متوسط صفحه جذب کننده که خود تابعی از چگونگی طرح گردآورنده، تابش خورشیدی رسیده به آن و شرایط ورودی سیال می باشد مشکل است.هدف اساسی این است که رابطه (2) به صورتی بیان شود که بتوان انرژی مفید کسب شده را بر حسب دمای سیال ورودی و پارامتری به نام ضریب اخذ گرمای گرد آورنده که به طور تحلیلی از اصول فیزیکی و یا اندازه گیری قابل محاسبه می باشد، عرضه نمود:

رابطه (2) بیان کننده میزان انرژی بوده و،انرژی مفید کسب شده بر حسب وات(ژول بر ثانیه)به دست خواهد آمد. در بسیاری از مواقع،متداول ترین و مناسب ترین روش اندازه گیری انرژی تابشی خورشید در فواصل زمانی یک ساعته است و فواصل زمانی یک ثانیه ای چندان موردنظر نیست.زیرا اغلب اندازه گیری های عوامل آب و هوایی را نیز در فواصل زمانی یک ساعته بر حسب ژول بر متر مربع عرضه کرده است.این موضوع در محاسبه به رابطه (1) نیز رعایت گردیده، زیرا میزان ساعتی انرژی بر حسب ژول بر متر مربع می باشد.S را می توان به عنوان میزان متوسط انرژی در عرض یک ساعت بر حسب ژول بر متر مربع در نظر گرفت که در این صورت جزء اتلاف گرما یعنی Ut=(Tp.m –Ta) ساعت را باید در 3600 ثانیه ضرب نمود تا مقادیر عددی انرژی کسب شده مفید بر حسب ژول در ساعت به دست آیند.اگر چه در سیستم بین الملی استفاده از فواصل ساعتی چندان صحیح نیست ولی این نوع استفاده در بعضی از مواقع مناسب تر می باشد.البته می توان رابطه (2) را نیز در طول زمان یک ساعت انتگرال گیری نمود.اما با توجه به آنکه در اغلب موارد ارقام اندازه گیری شده در فواصل یک ساعته می باشند، نه در فواصل کوتاه تر،بنابراین باید فرض نمود که مقادیر در طول یک ساعت ثابت مانده اند که در نتیجه شکل رابطه(2) بدون تغییر باقی می ماند و فقط باید طرفین آن را در3600 ثانیه ضرب نمود.

البته برای اجتناب از به وجود آمدن یک ضریب جدید 3600 در رابطه (2) می توان از علائم مختلف برای نشان دادن انرژی مفید کسب شده در فواصل زمانی یک ثانیه یا یک ساعت استفاده به عمل آورد.

یکی از محک های کارایی گردآورنده ها،بازدهی گردآوری است و آن عبارت است از نسبت بین انرژی مفید کسب شده در یک فاصله زمانی معین به میزان انرژی خورشیدی رسیده در همان فاصله زمانی است.

طراحی یک سیستم خورشیدی همیشه در رابطه با به دست آوردن انرژی در حداقل قیمت می باشد بنابراین، شاید طرح یک گردآورنده با بازدهی کمتر از آنچه که عملا امکان پذیر است،در صورتی که هزینه ها را به طور محسوس کاهش دهد،مطلوب و قابل قبول باشد.