باطری خورشیدی

[Siamak 109]

چكيده

 

در اين مقاله تاثير تراكم گرد و غبار بر عملكرد كلكتورهاي سهموي خورشيدي بررسي شده است.اصول كار بر اين منوال است كه ابتدا مقادير ضريب عبور شيشه ها در حالتهاي مختلف از نظر ميزان آلوده بودن به گرد وغبار اندازه گيري شده و مقدار ضريب تصحيح نوري در حالتهاي مختلف حساب شده است.سپس از طريق شيه سازي كامپيوتري تاثير گرد و غبار بر عملكرد كلكتور خورشيدي بررسي شده است.در خاتمه ميزان كاهش راندمان كلكتور در اثرگرد و غبار مشخص شده و درصد كاهش راندمان عملي كلكتور خورشيدي نسبت به راندمان تئوري بيان شده است.

 

واژه هاي كليدي: كلكتورخورشيدي-راندمان نوري وحرارتي-گردوغبار

 

 

فهرست علائم

A مساحت معادل كلكتور (Aperture Area )

Ar سطح مقطع لوله گيرنده

FR فاكتور جابجايي گرما

Frt ضريب تصحيح نوري

Fr ضريب تصحيح انعكاسي

Ft ضريب تصحيح عبوري

Ib تابش مستقيم خورشيد

K(q) زاويه برخورد اصلاحي

qu انرژي مفيد جذب شده بر واحد سطح كلكتور

Ta درجه حرارت محيط

Ti درجه حرارت روغن ورودي به كلكتور

UL ضريب افت حرارتي

 

فهرست علائم يوناني

 

g ضريب دريافت

hc راندمان حرارتي

ho راندمان نوري

r ضريب انعكاس آينه ها

(ta)n ضريب جذب - عبور نرمال

 

 

مقدمه

 

انرژي مفيد جذب شده دركلكتورهاي سهموي خورشيدي و راندمان اين سيستمها در عمل ، همواره كمتر از مقدار محاسبه شده توسط روابط تئوري مي باشد . از دلايل اين اختلاف مي توان به انواع نواقص و خطاها درهنگام ساخت اشاره كرد . انحراف آينه ها از حالت سهموي ، پخش نور بازتاب شده توسط آينه ها ، عدم قرارگيري لوله گيرنده دركانون آينه ، عدم رديابي خورشيد و... از جمله مواردي است كه مي توان برشمرد [1و2] . علاوه برخطاهاي فوق تاثير گرد وغبار و تراكم آن برروي سطوح شيشه اي (آينه ها و لوله شيشه اي ) سبب كاهش نرخ ميزان انرژي دريافتي در كلكتورهاي سهموي خطي مي شود . و اين پديده به نوبه خود سبب كاهش ميران راندمان عملي اين سيستمها مي شود [3و4] . البته ميزان گرد وغبار با توجه به شرايط محيطي و محل قرارگيري كلكتور ، اثرات متفاوتي بركاركرد آن مي گذارد و براي تعيين تاثير آن بر كاركرد كلكتور نياز به اطلاعات آماري روزها مختلف سال در مكانهاي مختلف مي باشد .

در سالهاي اخير براساس سياست معاونت انرژي وزارت نيرو در بهره برداري از انرژيهاي تجديد پذير ، اقدام به ساخت نيروگاه خورشيدي پايلوت 250 كيلوواتي شيراز شده است . از آنجا كه مهمترين عنصر اين نيروگاه ، كلكتورهاي آن مي باشد ، قبل از ساخت آن يك كلكتور خورشيدي نمونه ساخته شده كه درحال حاضر درمرحله آزمايش مي باشد . دراين مقاله سعي شده است تا با اطلاعات بدست آمده از كاركرد كلكتور سهموي نيروگاه خورشيدي شيراز رابطه اي براي راندمان اين دستگاه ارائه شود و در ساخت نيروگاه از اطلاعات بدست آمده از كاركرد كلكتور استفاده گردد .

 

تئوري

در شكل 1 طرح شماتيكي از سيكل الحاقي رسم شده است . اين سيكل شامل كلكتور خورشيدي ، مخزن ذخيرة روغن ، پمپ ، لوله هاي اتصال و شيرهاي تنظيم جريان مي باشد . در ضمن سيكل به وسايل اندازه گيري دبي جريان و دماي روغن ، سرعت باد ، شدت تابش مستقيم خورشيد مجهز مي باشد.

 

شكل 1- طرح شماتيكي از سيكل كلكتور خورشيدي

تصوير كلكتور خورشيدي در شكل 2 نشان داده شده است. هر كلكتور خورشيدي سهموي داراي يك سري آينه هاي خميده مي باشد كه پرتوهاي تابيده شده را بر روي لولة گيرندة انرژي متمركز مي كنند . كل اين مجموعه بر روي يك سازة نگهدارنده نصب مي شود و توسط يك سيستم ردياب ، خورشيد را در طول روز تعقيب مي كند . انرژي پرتوهاي خورشيد توسط لولة گيرنده جذب شده وبه روغن انتقال مي يابد و بدين طريق دماي روغن در سيكل افزايش مي يابد.

 

شكل 2- كلكتور خورشيدي سهموي دانشگاه شيراز

مشخصات عمومي كلكتور عبارتند از :

عرض كلكتور340 سانتيمتر ، طول كلكتور 25 متر ، زاويه دور (rim angle)90 درجه ، فاصله كانوني 88 سانتيمتر ، قطر خارجي لولة جاذب 2/4 سانتيمتر ، قطر داخلي لولة جاذب 5/3 سانيتمتر ، قطر خارجي پوشش شيشه اي 7 سانتيمتر ، ضخامت لولة شيشه اي 3 ميليمتر،ضريب جذب لولة گيرنده 0.94 ، در دماي 300 درجة سانتيگراد ضريب صدور لولة جاذب 25/0 مي باشد .

راندمان كلكتور از موازنه انرژي برلوله گيرنده بدست مي آيد كه مي توان آنرا بصورت نسبت نرخ انرژي مفيد به شدت تابش مستقيم برواحد سطح كلكتور تعريف كرد [1] .

( 1 )

FR ، UL و ho سه پارامتر مهم در طراحي كلكتورهاي سهموي مي باشند . فاكتورجابجايي گرما ( FR ) ، راندمان لوله گيرنده انرژي مي باشد وقتيكه بصورت يك مبدل حرارتي در نظر گرفته شود و بيانگر قابليت سيال از نظر انتقال ميزان انرژي تشعشعي جذب شده مي باشد . ضريب افت حرارتي ( UL ) به ميران افت حرارتي از لوله گيرنده بصورت هدايتي ، جابجايي و تشعشي بستگي دارد . ho راندمان نوري كلكتور به ضريب انعكاس آينه ها ، ضريب عبور لوله شيشه اي ، ضريب جذب لوله گيرنده انرژي و خطاهاي اپتيكي بستگي دارد [5] .

( 2)

روابط (1) و(2) بيانگر راندمان حرارتي و راندمان نوري كلكتور مي باشند . درروابط فوق ضريب انعكاس آينه ها و ضريب عبور لوله شيشه اي در حالت تميز و نو در نظر گرفته شده است و اثرات گرد و غبار كه درعمل باعث كاهش راندمان سيستمهاي خورشيدي مي شود ، منظور نشده است . براي اينكه مقادير بدست آمده از رابطه (1) با واقعيت مطابقت بيشتري داشته باشد رابطه (1) بصورت زير اصلاح مي شود .

( 3 )

Frt ضريب تصحيح نوري بيانگر نرخ كاهش راندمان نوري كلتور مي باشد كه بصورت حاصلضرب ضريب تصحيح انعكاسي در ضريب تصحيح عبوري تعريف مي شود .

( 4 )

Ft نسبت ضريب عبور لوله شيشه اي در عمل به ضريب عبور لوله شيشه اي نو و تميز و Fr نسبت ضريب انعكاس آينه ها در عمل به ضريب انعكاس آينه هاي نو و تميز مي باشد . ضريب تصحيح نوري به موقعيت نصب كلكتور ، وضعيت آب و هوايي محيط ، تعداد شستوهاي انجام شده در مدت زمان مشخص و مرغوبيت جنس مواد از نظر طول عمر و كاركرد مناسب بستگي دارد . براي تعيين مقدار ضريب تصحيح نوري دور روش بيان شده است . دراين مقاله از روش ارائه شده در مرجع [6] براي كلكتورهاي خورشيدي استفاده شده است. روش ارائه شده بصورت يك تكنيك تجربي براساس انجام آزمايشهاي متعدد مي باشد . اصول كار بر اين اساس است كه سطوح نوري را به گرد و غبار با غلظتهاي متفاوت آلوده كرده و تاثير آنرا بر راندمان كلكتور از طريق شبيه سازي كامپيوتري سيستم برآورد مي كنند . در نتيجه مي توان تعييرات راندمان نوري و راندمان حرارتي كلكتور را با تعيير ميزان آلودگي براحتي محاسبه كرد .

روش دوم نير يك روش تجربي است . دراين روش عملكرد كلكتور سهموي درروزهاي مختلف سال ارزيابي مي شود و كليه اطلاعات مربوط به شرايط كاركرد شامل ميزان آلودگي هوا ، وزش باد ، دماي محيط، دبي جريان ، ميزان تشعشع خورشيد و دفعات شستشو و ... ثبت مي شود سپس راندمان كلكتور محاسبه شده و راندمان عملي سيستم را با راندمان بدست آمده از شبيه سازي كامپيوتري مقايسه كرده و بدين طريق مقدار ضريب تصحيح نوري بصورت نسبت راندمان تئوري تقسيم بر راندمان عملي محاسبه مي شود [7] . البته اين روش به شرطي قابل اجراست كه تمام نواقص و خطاهاي موجود در كلكتور ساخته شده معلوم و محاسبه شده باشد .

براي دستيابي به اطلاعات بيشتر علاوه بر شبيه سازي كامپيوتري ، ضريب عبور لوله شيشه اي و شيشه آينه ها در سه حالت خيلي تميز (بدون هرگونه آلودگي ) تميز (عاري از گرد و غبار ولي داراي لكه هاي حاصل از خشك شدن آب ) و كثيف آلوده به گرد و غبار اندازه گيري شده است [5] و راندمان كلكتور برحسب تغييرات فوق رسم شده است .

 

نتايج

در شكل 3 ضريب عبور لوله شيشه اي براي سه حالت خيلي تميز ( عاري از گرد و غبار ) ، تميز ( شامل لكه هاي ايجاد شده از خشك شدن طبيعي قطرات آب ) و كثيف ( آلوده به گرد و غبار ) رسم شده است . جنس لوله شيشه اي از نوع شيشه پيركس مي باشد . متوسط ضريب عبور شيشه براي اين سه حالت بترتيب برابر 86/0 ، 81/0 و 55/0 مي باشد . لذا ميزان ضريب تصحيح عبوري براي لوله شيشه اي در حالت 2 و 3 نسبت به حالت 1 بترتيب برابر 94/0 و 64/0 مي باشد .

چون قسمت نقره كاري شده آينه در ميان شيشه و چندين لايه رنگ محصور است ، در نتيجه گرد و غبار بر روي ضريب انعكاس ، از طريق ضريب عبور شيشه اثر مي گذارد . لذا در شكل 4 ضريب عبور لوله شيشه اي براي سه حالت خيلي تميز ( عاري از گرد و غبار ) ، تميز ( شامل لكه هاي ايجاد شده از خشك شدن طبيعي قطرات آب ) و كثيف ( آلوده به گرد و غبار ) رسم شده است . جنس شيشه آينه ها ، شيشه ساختماني از نوع شيشه فلوت مي باشد . متوسط ضريب عبور شيشه براي اين سه حالت بترتيب برابر 77/0 ، 65/0 و 42/0 مي باشد . لذا ميزان ضريب تصحيح انعكاسي براي آينه ها در حالت 2 و 3 نسبت به حالت 1 بترتيب برابر 84/0 و 55/0 مي باشد . بنابر اين ميزان ضريب تصحيح نوري در اين دو حالت بترتيب برابر 79/0 و 36/0 مي شود .

 

شكل 3 - ضريب عبور لوله شيشه اي

شكل 4 - ضريب عبور شيشه آينه ها

در شكل 5 راندمان نوري و حرارتي كلكتور خورشيدي در روز اول مهر ماه ( شرايط طراحي كلكتور ) با توجه به تغييرات ضريب تصحيح نوري در طول روز رسم شده است . همانطور كه ملاحظه مي شود براي ضريب تصحيح نوري 79/0 و 36/0 راندمان حرارتي كلكتور بترتيب داراي 22% و 61% افت مي باشد.

 

شكل 5 - تغييرات راندمان نوري و حرارتي كلكتور ير حسب ضريب تصحيح نوري

دبي جريان در اين روز kg/s 1 در نظر گرفته شده است (بايد ذكر شود كه راندمان كلكتور به ازاي يك دبي دلخواهتعيين شده است و با تغيير دبي راندمان هم تغيير خواهد كرد) . در شكل 6 مقادير دماي محيط و تابش مستقيم خورشيد براي ساعات مختلف روز اول مهرماه رسم شده است . مقدار دماي محيط از طريق روابط تجربي و ميزان تابش مستقيم خورشيد از طريق رابطه دانشيار براي ضريب ابر 131/0 حساب شده است [7].

شكل 6 - دماي محيط و تابش خورشيد در روز اول مهر ماه