چکیده

کلکتور صفحه تخت، اصلیترین جزء در یک سیستم آبگرم خانگی خورشیدی است و بهینهسازی آن میتواند تا حد زیادی در بهبود کیفیت کار موثر باشد. در این مطالعه به تحلیل انرژی و اکسرژی یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت پرداخته شده است بدین منظور ابتدا مدل ریاضی جامعی از شرایط عملکرد حرارتی و اپتیکی کلکتور بدست آورده شده است. در این مدل ریاضی اغلب پارامترهای هندسی و شرایط عملکرد آن بعنوان متغیر فرض شدهاند. پس از این مدلسازی، با معرفی مفهوم اکسرژی و مؤلفههای مختلف معادله تعادل اکسرژی، ضمن متغیر بودن ضریب افت حرارت کلی کلکتور و سایر ضرایب انتقال حرارت و تصحیح رابطه اکسرژی تابشی خورشید، راندمان اکسرژی کلکتور بدست آمده است نمودار راندمان اکسرژی کلکتور بر حسب برخی پارامترها رسم و بررسی شده است و در انتها توسط تابع بهینهسازی الگوریتم ژنتیک نرم افزار MATLAB شرایط عملکرد کلکتور و پارامترهای طراحی هندسی آن برای حداکثر شدن راندمان اکسرژی کلکتور پیدا شدهاند.

واژههای کلیدی: اکسرژی، کلکتور صفحه تخت، بهینهسازی.

مقدمه

در سیستمهای آبگرم خانگی خورشیدی، کلکتور به عنوان اصلیترین جزء سیستم در نظر گرفته میشود و عملکرد حرارتی بهینه آن در عملکرد کل سیستم تأثیر بسزائی دارد. از اینرو مقدار کیفیت انرژی یا همان اکسرژی جمع آوری شده توسط کلکتور اهمیت مییابد. از طرف دیگر معادله انرژی هیچگونه اطلاعاتی در مورد افتهای داخلی نمیدهد و به تنهایی نمیتواند معیاری از کارایی کلکتور خورشیدی باشد. لذا در این مقاله به یافتن، انجام طراحی و تعیین شرایط عملکردی این نوع کلکتورها پرداخته شده است تا اکسرژی جمع آوری شده به حداکثر ممکن برسد و به عبارت دیگر برگشت ناپذیریهای موجود به حداقل ممکن کاهش یابد.[۱,۲] پژوهش های زیادی در این موضوع انجام گرفته است. در مراجع [۳-۸] مدل های تحلیل ترمودینامیکی برای کلکتورهای خورشیدی با استفاده از روش هایی مانند خروجی اکسرژی ، بازده اکسرژی و انتروپی تولید شده ارائه شده است. هرچند ضریب افت حرارت کلی ثابت فرض شده یا با استفاده از معادله تجربی که محدودیت های خاصی دارد محاسبه شده است. لومینوسو و فارا [۲] به پیدا کردن شرایط بهینه کارکرد کلکتور صفحه تخت با استفاده از تحلیل اکسرژی از طریق روش شبیه سازی عددی پرداختند و در نهایت نتایجی مفید برای یک سیستم آبگرم خورشیدی تحت شرایط کارکردی داده شده ارائه دادند. آنها ضریب افت حرارت کلی ، ضریب برداشت حرارت ، خواص سیال عامل و دیگر ضرایب انتقال حرارت کلکتور خورشیدی ثابت فرض کردند ، دمای سیال ورودی را با دمای محیط یکسان و ثابت در نظر گرفتند و از اکسرژی تخریب شده بدلیل افت فشار داخل لوله ها صرفنظر کردند. در تمامی مطالعات انجام شده :[ ۱-۸ ]

• ضمن تحلیل اکسرژی هیچگونه مدلی از عملکرد حرارتی و اپتیکی کلکتور ارائه ندادهاند و یا درآن ضریب افت حرارت کلی کلکتور و سایر ضرایب انتقال حرارت را ثابت یا تأثیر آن را اندک فرض کردهاند.

• هیچکدام از آنها یک بهینهسازی جامع که شرایط عملکردی و طراحی را در بر بگیرد انجام ندادهاند. شرایط عملکردی شامل دمای ورود، دبی جرمی گذرنده و غیره میباشند و شرایط طراحی شامل ابعاد کلکتور و غیره میباشند.

• در این کارها یک خطای مصطلح در بکارگیری رابطه راندمان پتلا برای تعیین رابطه اکسرژی تابشی خورشید دیده میشود.

• در اغلب این کارها تلاشی برای حداکثر کردن راندمان اکسرژی نسبت به تمامی پارامترهای بهینه سازی و شرایط عملکردی بطور همزمان دیده نمیشود.

موضوعات بالا برای چند نوع از کلکتور های خورشیدی تصحیح شده است در مراجع .[۹-۱۱] در این مقاله یک روش برای طراحی و بهینه سازی کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت بر اساس تحلیل اکسرژی آورده شده است. تحلیل اکسرژی کلکتورهای خورشیدی از لحاظ پارامتری به تحلیل اپتیکی و انرژی آنها وابسته است. از این رو ابتدا تحلیل اپتیکی و انرژی کلکتور خورشیدی صفحه تخت انجام خواهد گرفت و سپس راندمان اکسرژی کلکتور خورشیدی محاسبه و بهینه خواهد شد.

×

تحلیل انرژی
جهت اختصار از آوردن اثبات روابط حاکم بر تحلیل انرژی کلکتور خورشیدی خودداری میشود.[۱۲] با نوشتن رابطه تعادل انرژی بر حسب دماهای ورودی و خروجی میتوان حرارت مفید جذب شده Qu را بدست آورد:

Qu mCp Tout Tin (1)

که در رابطه فوق Tin و Tout به ترتیب دمای ورود و خروج سیال از کلکتور و C p وm به ترتیب ظرفیت حرارتی و دبی جرمی

سیال میباشند. از طرف دیگر با در نظر گرفتن اتلاف حرارتی کلکتور به محیط مجدداً میتوان رابطه انرژی را به صورت زیر بدست آورد:[۱۲]

( Qu Ap FR S Ul Tin Ta

در رابطه فوق Ta دمای محیط است و FR ضریب برداشت حرارت میباشد که به صورت زیر تعریف میگردد:

(۳) mCp
F Ul Ap mCp exp 1 FR
Ul Ap

که در این رابطه، F ضریب راندمان کلکتور میباشد و بصورت زیر بدست میآید:[۲۱]