انرژی خورشیدی، تابش خورشیدی

ابزارهاست که بیشتر دادههای موجود درباره تابش خورشیدی بدست میآیند. آشکارسازهای این ابزار باید دارای یک پاسخ مستقل از طول موج تابش سرتاسر طیف انرژی خورشیدی باشند. به علاوه آنها باید دارای یک پاسخ مستقل از زاویه برخوردی تابش خورشیدی باشند. آشکارسازهای بیشتر پیرانومترها با یک یا دو پوشش ها شیشهای نیمکرهای جهت محافظت در برابر باد و دیگر اثرات مزاحم دیگر، پوشیده شدهاند.

3-2-2- تعیین عملکرد کلکتور خورشیدی
در این تحقیق، داده های هواشناسی و جغرافیایی 31 استان ایران در محاسبات استفاده شده است. ابتدا، تابش متوسط روزانه خورشید در یک ماه بر روی سطح افقی به تابش ساعتی خورشید بر روی سطح شیب دار تبدیل شد.
شاخص صافی متوسط ماهانه (K_T) نسبت تابش متوسط روزانه خورشید در یک ماه بر سطح افقی به تابش متوسط روزانه از بالای زمین در یک ماه بر سطح افقی (H_o) بوده که H_o را می توان با استفاده از معادله زیر به دست آورد:
H_o=(24/π) I_gs f[cos⁡λ cos⁡δ sin⁡〖ω_s 〗+(π/180) w_s sin⁡λ sin⁡δ ] (3-1)
که در آن〖 I〗_gsثابت خورشیدی (1367 Wm-2)؛ f عامل تصحیح مختلف المرکزی، λ عرض، δ زاویه انحراف خورشید، و w_s متوسط زاویه ساعت غروب خورشید برای ماه فرضی می باشد. بنابراین عامل تصحیح مختلف المرکزی، زاویه انحراف خورشید و ساعت غروب خورشید براورد می گردد:
f =1+0.333 (cos⁡〖(360 n)/365〗 )(3-2)
δ=23.45 sin⁡[360(284+n)/365] (3-3)
w_s=cos^(-1)⁡(-tan⁡λ.tan⁡δ )(3-4)

که در آن n تعداد روزهای سال است که از اول ژانویه محاسبه می شود. به منظور تعیین متوسط تابش منتشر روزانه خورشید در طی ماه ، از رابطه H_d/H استفاده شد .
نسبت کل تابش ساعتی به روزانه به عنوان تابع مدت تابش خورشید محاسبه شده و بنابراین:
r_t=I/H(3-5)
بر اساس مدت تابش خورشید و تابش روزانه، تابش ساعتی قابل براورد بوده و در منحنی های نشان داده شده در نمودار 3-4 توسط لیو و جوردن، ساعات توسط زمان برای نقطه میانی ساعت تعیین گردیده و فرض می شود که روزها حول ظهر خورشیدی متقارن باشند

R_t=π/(4*s_o ) [cos⁡〖[90 h/w_s ]+2/√π (1-ψ)〗 ](3-6)
Ψ=exp[-4(1-|h|/w_s )^2 ](3-7)
که در آن h زاویه ساعت است که در هر ساعت 15 درجه تغییر کرده و صبح منفی و بعد از ظهر مثبت است، و S_o حداکثر مدت تابش احتمالی خورشید به شیوه زیر محاسبه می گردد:
s_o=2/15 w_s(3-8)

نمودار 3-4 :رابطه بین تابش کل روزانه و ساعت به ساعت روی یک سطح افقی به عنوان تابعی از طول روز. اقتباس شده از Liu و Jordan (1960)

نمودار 3-5 یک رشته منحنیهای بیان شده برای r_d، نسبت تابش پخشی ساعتی به تابش پخشی روزانه، به صورت تابعی از زمان و طول روز را نشان میدهد.
نسبت انتشار ساعتی به تابش انتشار روزانه به شکل زیر براورد می گردد:
R_d=I_d/H_d =I_o/H_o (3-9)
منحنی ها بر اساس فرض لیو و جوردن که بر اساس آن I_d/H_d همان I_o/H_o است به واسطه معادله زیر نشان داده می شوند:
r_d=π/24 ( cos⁡h-cos⁡〖w_s 〗)/(sin⁡〖w_s 〗-π/180 w_s cos⁡〖w_s 〗 ) (3-10)

نمودار 3-5: رابطه بین تابش کل روزانه و ساعت به ساعت روی یک سطح افقی به عنوان تابعی از طول روز اقتباس شده از Liu و Jordan (1960)
نمودار 3-5 به همراه نمودار 3-6 میتواند برای برآورد میانگینهای ساعتی تابش پخشی در صورت دانستن میانگین روزانه تابش کل، استفاده شود.

نمودار 3-6 :رابطه پیشنهادی سهم بخشی روزانه با K_T ، از Erbs و همکاران 1982
تابش پرتو بعداً بر اساس معادله زیر محاسبه می شود:
I_b=I-I_d(3-11)
کل تابش خورشید بر سطح شیب دار ظرف یک ساعت ضمن انعکاس مجموع انوار، انتشار ایزوتروپیک و تابش پراکنده خورشید از زمین به شکل زیر محاسبه می شود:
I_T=I_d R_b+I_d ((1+cos⁡β ))/2+I ((1+cos⁡β ))/2 ρg(3-12)
که در آن ρ_g بازتابندگی زمینی و برابر با 0.2 است. عامل هندسی (R_b) به شکل زیر محاسبه می شود:
R_b= ( cos⁡〖(λ-β) cosδ cos⁡h 〗+sin⁡〖(λ-β) sin⁡δ 〗)/(cos⁡λ cos⁡〖δ cos⁡h 〗+sin⁡〖λ sin⁡δ 〗 )(3-13)
دوم، بازده انرژی مفید کلکتور، تفاوت بین تابش خورشیدی جذب شده و اتلاف حرارتی به شکل زیر محاسبه می گردد:
Q_u=A_c F_r [I_T (τα)—U_L (T_(f,i)-T_a )](3-14)
که در آن A_c سطح کلکتور، F_r عامل دفع حرارت، ατ ضریب انتشار- جذب انرژی، U_L ضریب اتلاف حرارت کل، T_(f,i) دمای ورودی سیال و T_a دمای هوای محیط می باشند.
عامل دفع حرارت را می توان به شکل زیر محاسبه نمود:
F_r=(GC_p)/U_L [1-exp^(-((U_L F_l)⁄(Gc_p )) ) ](3-15)
که در آن G سرعت جریان سیال در سطح کلکتور واحد، C_p حرارت مخصوص در فشار ثابت، F^(‘,) عامل راندمان کلکتور بوده وF^(‘,) به شرح ذیل محاسبه می گردد:
F_l=(1/U_L )/w{1/(U_L [D+(W-D)F] )+1/C_b +1/(πDh_(f,i) )} (3-16)

که در آن W فاصله بین لوله ها، D قطر لوله، F عامل راندمان fin، C_b ضریب رسانایی پیوند وh_(f,i) ضریب انتقال حرارت بین سیال و دیواره لوله هستند. در محاسبات فرض می شود عبارت 1/C_b با صفر برابر باشد زیرا حداقل مقدار برابر با 0.1 یا کمتر از آن است.
عامل راندمان fin را می توان به شرح ذیل محاسبه نمود:
F=tanh⁡[(m(w-D))/2]/((m(w-D))/2)(3-17)
که در آن
M=[U_L/(K_p δ_p )]^(1⁄2)(3-18)
و k_p ضریب رسانایی و δ_p ضخامت ورق جاذب هستند.
ضریب انتقال حرارت بین سیال و دیواره لوله (h_(f,I)) به شرح ذیل قابل محاسبه خواهد بود:
h_(f,i)=Nu_k/D (3-19)
که در آن عدد Nusselt از Nu=1.86 (Re Pr)^(1/3) (D/L)^(1/3) برایRe≤2300 و Nu=0.027 〖Re〗^0.8 〖Pr〗^(1/3) برای Re2300 محاسبه می گردد. در معادلات Re عدد رینولدز و Pr عدد Prandantl در نظر گرفته می شوند.

ضریب انتشار- جذب انرژی به شرح ذیل محاسبه می شود:
(Τα)=τα/(1-(1-α) ρ_d )(3-20)
که در آن τ ضریب انتشار انرژی روکش، α جذب صفحه جاذب و ρ_d انعکاس روکش شیشه ای (برابر با 0.16) می باشند.
ضریب اتلاف کلی حرارت با مجموع تلفات فوقانی، پشتی و کناری به شیوه نشان داده شده در زیر برابر است:
U_L=U_L+U_b+U_e(3-21)
اتلاف فوقانی، پشتی و کناری به شرح ذیل محاسبه می گردند:
U_t={N/(344/T_p [((T_p-T_a ))/((N+f) )]^.31 )+1/h_q }^(-1)+σ(T_p+T_a )(T_p^2+T_a^2 )/([ε_p+.0425 N (1-ε_p)]^(-1)+[(2N+f-1)/ε_g ]-N)(3-22)
U_e=(k_e ch)/(L_e A_C 1.8236) (3-23)
U_b=K_b/L_b (3-24)
که در آن T_p=T_(f,i)+5، N تعداد روکش ها (در این بررسی برابر با 1) f=(1-0.04 h_w+5x〖10〗^(-4) h_w^2 )(1+0.058N)، h_w=5.7+3.8V_r، V_r سرعت باد (متر بر ثانیه)، σ ثابت استفان-بولتزمن، ε_p قابلیت تشعشع ورق جاذب، ε_g قابلیت تشعشع روکش شیشه ای، k_e قابلیت رسانایی عایق بندی حاشیه ای، 〖L 〗_e ضخامت عایق بندی حاشیه ای،c محیط کلکتور و h ارتفاع کلکتور می باشند.
3-2-3- سهم خورشیدی
سهم خورشیدی، نسبت دو مقدار مشابه انرژی است، به طور کل سهم خورشیدی نسبت میزان انرژی جذب شده از خورشید به انرژی کل مصرفی برای گرمایش آب و یا محیط می باشد.
SF= Q_s/(Q_s+Q_aux )×100(3-25)
SF: سهم خورشیدی
QS: میزان انرژی حرارتی خورشیدی جذب شده (kwh)
Qaux: میزان انرژی حرارتی مصرفی توسط سیستم کمکی (kwh)

3-3- ذخیره سازی انرژی
انرژی خورشیدی یک منبع انرژی وابسته به زمان است. نیازهای انرژی برای گونه گستردهای از کاربردها نیز به زمان وابسته است اما به سبکی متفاوت از در دسترس بودن انرژی خورشیدی. بنابراین ذخیره انرژی یا فرآورده دیگری از یک فرآیند خورشیدی در صورتی که انرژی خورشیدی بخشهای اساسی این نیازهای انرژی را برآورده کند، ضروری میباشد.
ذخیره انرژی (یا فرآورده) باید در پرتو یک سیستم فرآیند خورشیدی که اجزای اصلی آن کلکتور خورشیدی، واحدهای ذخیره، ابزار تبدیل (همچون دستگاه تهویه یا موتورها) بارها، تامین انرژی کمکی (تکمیلی) و سیستمهای کنترل، در نظر گرفته شود. عملکرد هر یک از این اجزا به عملکرد بقیه مربوط است. وابستگی عملکرد کلکتور به دما تمامی عملکرد سیستم را به دما حساس میسازد. در گرمایش خورشیدی غیر فعال (passive)، اجزای ذخیره و کلکتور در ساختار ساختمان تلفیق میشوند. عملکرد واسطه ذخیره در سیستمهای گرمایی غیر فعال وابسته به جذب انرژی می باشد.
گنجایش بهینه یک سیستم ذخیره انرژی به زمان مورد انتظار تابش خورشیدی در دسترس، طبیعت بارهای مورد انتظار برای فرآیند، درجه اطمینان مورد نیاز برای فرآیند، روشی که با آن انرژی کمکی فراهم میشود، و یک آنالیز اقتصادی که تعیین میکند چه مقدار از بار سالانه باید توسط انرژی خورشیدی و چه مقدار توسط منبع کمکی انرژی انتقال داده شود، بستگی دارد.
3-3-1- بارهای فرآیند خورشیدی
در زما‌ن‌‌های در طول سال میزان حرارت جذب شده توسط سیستم خورشیدی از میزان حرارت مورد نیاز برای بار تجاوز می‌کند. لذا یک زیر مجموعه ذخیره به منظور ذخیره انرژی خروجی اضافی کلکتور و بازگرداندن آن به هنگام نیاز می بایست در سیستم‌های خورشیدی تعبیه گردد. ذخیره انرژی به روشنی در تعیین خروجی سیستم مهم است. اگر ذخیره‌ای نبود، یک افت

نظری بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *