مطالعه انواع آب گرم کن های خورشیدی موجود در ایران و طراحی بهینه آن

میزان انرژی خورشیدی دریافتی در ایران به طور متوسط حدود 18 مگا جول بر متر مربع در روز، یا حدود 1016 مگا جول در سال در سطح کشور تخمین زده می شود. این مقدار انرژی بیش از 4000 برابر کل انرژی مصرفی در کشور می باشد. با این مقدار انرژی دریافتی و داشتن زمین های مناسب برای استفاده از آفتاب و تکنولوژی نسبتاً ساده کاربردهای مختلف انرژی خورشیدی، می توان کلیه نیازهای انرژی کشور را با استفاده از انرژی خورشیدی تأمین کرد.

استفاده های انرژی خورشیدی که در ایران کاربرد دارند به شرح زیر مورد بررسی قرار گرفته اند:

الف . دستگاههایی که به طور مستقیم از نور خورشید استفاده می کنند :

1-   تولید آب گرم مصرفی

2-   گرمایش طبیعی ساختمانها

3-   گرمایش غیر طبیعی ساختمانها

4-   سرمایش ساختمانها

5-   پخت غذا

6-   خشک کردن میوه، سبزی و ماهی

7-   نمک زدائی آب دریا

8-   تولید انرژی الکتریکی به طریق تبدیل مستقیم

9-   تولید انرژی الکتریکی از طریق تبدیل حرارتی (تبدیل غیر مستقیم)

ب. دستگاههائی که به طور غیر مستقیم از انرژی خورشید استفاده می نمایند :

1- سرمایش طبیعی ساختمانها و ذخیره سازی سرمای زمستان

2- تولید گاز متان با استفاده از فضولات حیوانی و کشاورزی

3- استفاده از انرژی باد

شرح مختصری از نحوه کار هریک از سیستم های فوق الذکر ارائه و هزینه ساخت و تولید و قیمت انرژی تولید شده هریک از آنها تعیین شده اند. مقایسه قیمت انرژی تولید شده در دستگاههای انرژی خورشیدی فوق الذکر با قیمت انرژی که از طریق سوختهای فسیلی متداول در کشور تولید می شود نشان می دهد که استفاده از انرژی خورشیدی اقتصادی نیست. علت اصلی اقتصادی نبودن استفاده از انرژی خورشیدی این است که مواد نفتی و برق در تمام نقاط کشور تقریباً به طور رایگان در اختیار مصرف کنندگان قرار دارند.

دلایل توجیهی برای استفاده از انرژی خورشیدی در کشور :

اقتصادی بودن نباید تنها دلیل استفاده از انرژی خورشیدی باشد. لازم است انرژی خورشیدی به دلیل زیر مورد توجه قرار گرفته و سرمایه گذاری های لازم برای کاربرد وسیع آن اعمال گردد:

1-  اسراف در مواد غذایی، منابع طبیعی و هرچیزی توسط دین مبین اسلام نهی شده است. سوزاندن نفت، این نعمت بسیار ذیقیمت و محدود الهی، برای تولید آب گرم مصرفی (در دمای حدود 45 درجه سانتیگراد) ، تولید هوا و یا آب گرم برای گرمایش ساختمانها ( در دمای 50 تا 90 درجه سانتیگراد) و پختن غذا (در دماهای حدود 100 درجه سانتیگراد) اسرافی بس واضح است. سوزاندن سوختهای فسیلی برای کاربردهای فوق الذکر همان قدر اسراف و تبذیر (و در نتیجه ارتکاب گناه) است که سوزاندن گندم جهت تأمین همین نیازها می باشد. نفت، این نعمت خدادادی را می توان برای تولید دارو، مواد پلاستیکی و کودهای شیمیایی و غیره به کار گرفت.

2-   استفاده از منابع نفتی در کشور باعث آلودگی هوا و آب و زمین شده است. وجود این آلودگی ها، به خصوص آلودگی هوا در شهرهای بزرگ مانند تهران سبب بیماریهای متعدد، مرگهای زودرس و به طور کلی پائین آمدن کارائی افراد شده است. لازم است که به خاطر حفظ سلامتی مردم آلودگی محیط زیست دقیقاً کنترل و مصرف این سوختهای فسیلی تقلیل یابد. انرژی خورشیدی یک منبع لایزال انرژی است که کمترین آلودگی ها را در محیط زیست به وجود می آورد.

3-  سوزاندن سوختهای فسیلی و ایجاد دی اکسید کربن در سطح جهانی باعث بالا رفتن دمای اتمسفر زمین شده است. بالا رفتن دمای اتمسفر زمین وآب دریاها (که به طور یکنواخت نبوده و در قطبها بیشتر از استوا است) باعث آب شدن یخهای قطبی و بالا آمدن سطح آب اقیانوسها شده و ادامه این عمل فاجعه ای به مراتب اسفناک تر از کلیه طوفانها، سیلها و زمین لرزه ها را در برخواهد داشت. در مقایسه با کشورهای صنعتی که مصرف سوختهای فسیلی آنها بسیار زیاد است، ایران نقش زیادی در بالا بردن دی اکسید کربن در سطح جهانی و گرم شدن اتمسفر زمین ندارد. ولی توجه به این موضوع (که کشورهای صنعتی جهان تازه به فکر افتاده و در این مورد ابراز نگرانی می کنند) میتوان برای جمهوری اسلامی ایران وجهه ای بسیار عالی در محافل علمی و سیاسی جهان به وجود آورد.

4-  تکنولوژی کاربردهای انرژی خورشیدی بسیار پیچیده نبوده که نیاز به استفاده از متخصصین خارجی داشته باشیم. در بسیاری از کاربردهای تکنولوژی لازم هم اکنون در کشور موجود است. در چند کاربرد (مانند ساختن فتوسل ها) می توان با همت مختصری تکنولوژی مربوطه را توسعه داد.

5-  در حال حاضر جمهوری اسلامی ایران رهبری سیاسی بعضی از کشورهای جهان سوم را به عهده دارد. شایسته است این جمهوری رهبری علمی و فنی این جوامع را نیز عهده دار شود. با توجه به نقشی که انرژی در توسعه کشورها بازی می کند و اینکه اکثر کشورهای جهان سوم نیز از میزان انرژی خورشیدی قابل توجهی برخوردار هستند، جمهوری اسلامی ایران می تواند با سرمایه گذاری وسیع در توسعه علوم و تکنولوژی انرژی خورشیدی در کشور عملاً صادر کننده این تکنولوژی به جهان سوم باشد و نقش رهبری علمی و فنی خود را در جهان سوم بازی نماید.

6-  دولت ایران در دهه های گذشته وارد کننده تکنولوژی برای حل مسائل خود بوده است. تقریباً تمامی تسهیلات زندگی امروز (نظیر برق و کلیه وسایل الکتریکی، تلفن، راه و ترابری، اتومبیل ، کامپیوتر و غیره) با وارد کردن تکنولوژی حاصل شده است. با محدود بودن منابع نفتی و تمام شدن این منبع طبیعی بسیار پر ارزش، ما می توانیم صبر کنیم تا کشورهای صنعتی مسائل انرژی خود را حل کرده و مانند گذشته تکنولوژی مربوطه را وارد کنیم یا اینکه چند سالی جلوتر از دیگران قدم برداشته و به فکر توسعه منبع انرژی خورشیدی بوده و به جای وارد کننده بودن صادر کننده تکنولوژی انرژی خورشیدی باشیم.

موضوع سرمایه گذاری وسیع در علوم و تکنولوژی انرژی خورشیدی در ایران بیش از اقتصادی بودن آن یک تصمیم سیاسی است. در جشنهای هزار و چهارصدمین سال هجری شمسی جمهوری اسلامی ایران خود را کجا می بیند؟ شعار خود اتکائی میدهد ولی عملاً کلیه نیازهایش را با وارد کردن تکنولوژی تأمین میکند، یا اینکه لااقل در تکنولوژی انرژی خوداتکا شده و به جهان سوم در انتقال آن کمک می نماید؟ با اتخاذ سیاستهای مناسب و برنامه ریزی های دقیق، جمهوری اسلامی ایران می تواند سال 1400 هجری شمسی را با سرافرازی در جهان جشن بگیرد.

فهرست مطالب:

فصل 1 : طرح دیدگاه و اهداف پروژه .................................................................... 1

مقدمه......................................................................................................................... 2

اهداف کلی پروژه ..................................................................................................... 9

کارایی...................................................................................................................... 10

فصل 2 : بررسی آبگرمکن های خورشیدی........................................................... 12

معیارهای طراحی آبگرمکن خورشیدی.................................................................... 13

سیستم Recirculation (pluse)............................................................................ 18

سیستم Drainout (Drain down ) ....................................................... 19

سیستم Drainback With Air Compressor.................................................... 20

سیستم Drainback with liquid level control................................................ 22

سیستم Thermosyphon with electrically  protected collecrtor............. 23

سیستم Drainout Thermosyphon................................................................... 25

سیستم Breadbox (batch).................................................................................. 26

سیستم Coil in Ttank , Warp Around , Tank in Tank............................ 28

سیستم External Heat Exchanger................................................................... 30

سیستم Darinback with load- side heat exchanger................................... 32

سیستم Drainback with Collector – Side Heat Exchanger..................... 34

سیستم Two – phase – Thermosyphon........................................................ 35

سیستم One Phase Thermosyphon................................................................ 36

نتایج و بررسی سیستم های خورشیدی متناسب با ایران ...................................... 38

فصل سوم : گرد آورنده های تخت خورشیدی..................................................... 46

صفحه پوشش.......................................................................................................... 50

فاصله هوایی............................................................................................................ 52

صفحات جاذب......................................................................................................... 53

طرحهای گوناگون صفحه جاذب و مجاری انتقال سیال.......................................... 54

سیال عامل .............................................................................................................. 60

عایقکاری.................................................................................................................. 61

قاب گرد آورنده ...................................................................................................... 63

رشته های سری و موازی....................................................................................... 64

فصل چهارم : اصول حاکم بر گرد آورنده های خورشیدی................................... 67

انتقال گرما به سیال................................................................................................. 68

جریان متلاطم و بدست آوردن ضریب انتقال گرما................................................. 69

جریان گذرا و بدست آوردن ضریب انتقال گرما..................................................... 70

جریان آرام و بدست آوردن ضریب انتقال گرما..................................................... 73

بیلان انرژی برای یک گردآورنده تخت خورشیدی نمونه....................................... 74

متوسط ماهانه انرژی خورشیدی جذب شده ......................................................... 76

اثرات وضعیت سطح جذب بر روی مقدار انرژی دریافتی ..................................... 80

توزیع دما در گردآورنده های تخت خورشیدی...................................................... 84

ضریب انتقال گرمای کل یک گردآورنده.................................................................. 85

چگونگی تغییر ضریب اتلاف فوقانی بر اثر تغییر فاصله.......................................... 88

توزیع دما بین لوله و ضریب بازدهی گردآورنده ................................................... 91

توزیع دما در جهت جریان....................................................................................... 99

ضریب اخذ گرما و ضریب جریان گرد آورنده ..................................................... 100

میانگین دمای سیال و صفحه.................................................................................. 103

طرحهای دیگر گردآورنده ..................................................................................... 104

فصل پنجم : طراحی یک نمونه گرد آورنده تخت ................................................ 107

منطقه طراحی.......................................................................................................... 109

مقدار آبگرم مصرفی............................................................................................... 109

درجه حرارت آبگرم مصرفی.................................................................................. 110

درجه حرارت آب ورودی به گرد آورنده ............................................................. 110

تعداد گرد آورنده ها و چگونگی نصب آنها به هم.................................................. 110

زوایای حرکت خورشید.......................................................................................... 111

جهت تابش خورشید............................................................................................... 119

نسبت بین تابش مستقیم بر روی یک صفحه شیبدار واقعی .................................. 119

زاویه شیب گرد آورنده ها .................................................................................... 123

محاسبه مقدار متوسط ماهانه تابش روزانه رسیده به سطح گرد آورنده ............ 123

بدست آوردن طول روز ........................................................................................ 126

شکل گرد آورنده ................................................................................................... 127

جنس صفحه جاذب................................................................................................. 127

مشخصات رنگ....................................................................................................... 127

قطر و تعداد لوله ها در هر گرد آورنده ................................................................ 128

بدست آوردن دبی حجمی و جرمی......................................................................... 128

بدست آوردن عدد رینولدز در لوله ها................................................................... 129

بدست آوردن ضریب انتقال گرما........................................................................... 129

نوع پوشش.............................................................................................................. 130

جنس قاب................................................................................................................ 130

نوع و ضخامت عایق............................................................................................... 130

دمای محیط............................................................................................................. 131

بدست آوردن انرژی مورد نیاز ............................................................................. 131

بدست آوردن ضریب اتلاف فوقانی........................................................................ 132

بدست آوردن اتلاف تحتانی.................................................................................... 132

بدست آوردن ضریب اتلاف کلی ............................................................................ 133

بدست آوردن سطح گرد آورنده ............................................................................ 133

فاصله بین لوله ها................................................................................................... 134

بدست آوردن بازدهی پره....................................................................................... 134

بدست آوردن بازدهی گرد آورنده ........................................................................ 134

بدست آوردن ضریب انتقال گرمای گرد آورنده ................................................... 134

محاسبه دمای خروجی سیال.................................................................................. 135

بدست آوردن بازدهی گرد آورنده ........................................................................ 135

مشخصات دستگاه طراحی شده ............................................................................ 136

منابع و مراجع ........................................................................................................ 138

ضمائم