درسنامه آموزشی تعمیر و نگهداری تجهیزات گرمایشی و سرمایشی کلاس دهم مکاترونیک
فصل 5: نصب و راه اندازی آبگرمکن خورشیدی
واحد یادگیری 5: شایستگی نصب و راهاندازی سیستمهای آبگرمکن خورشیدی
آیا تا به حال پی بردهاید؟
- برای طراحی و ساخت آبگرمکنهای خورشیدی به چه نکاتی باید توجه کرد؟
- اجزای یک آبگرمکن خورشیدی چیست؟
- مراحل ساخت و نصب آبگرمکن خورشیدی چگونه است؟
هدف از این شایستگی، آشنایی با انواع آبگرمکن خورشیدی، آشنایی با اجزای یک آبگرمکن خورشیدی، همچنین با نحوهٔ طراحی، نصب و راهاندازی این سیستمهاست.
استاندارد عملکرد
پس از اتمام این واحد یادگیری، هنرجویان قادر خواهند بود علاوه بر طراحی و ساخت یک آبگرمکن خورشیدی بومی، انواع آبگرمکنهای خورشیدی موجود در بازار را نصب و راه اندازی نمایند.
مسئله جهانی بحران انرژی، مشکلات ناشی از پایانپذیری سوختهای فسیلی و اثرات زیان بار زیست محیطی استفاده از این سوختها، مجامع علمی را به فکر استفاده از منابع انرژی جایگزین واداشته است. انرژی خورشیدی، بهعنوان منبعی پاک، لایزال، پایانناپذیر، تجدیدپذیر و البته رایگان، یکی از این منابع است. یکی از کاربردهای مهم انرژی خورشیدی، تبدیل آن به انرژی حرارتی و کمک به سیستمهای حرارتی است. در سیستم حرارتی (آبگرمکنهای خورشیدی) انرژی خورشیدی بهصورت مستقیم و غیر مستقیم (سیال واسط) به انرژی حرارتی تبدیل میشود. این کار توسط مجموعهای از کلکتورهای خورشیدی که مدلهای مختلفی دارد، انجام میگردد.
یکی از روشهای گرم کردن مواد، استفاده از انرژی خورشیدی است. با تابش آفتاب بر اجسام مختلف، که حامل انرژی الکترومغناطیسی براجسام مختلف است، گرما حاصل میشود. در این فصل سعی شده است تا آشنایی با انرژی خورشیدی و کاربرد آن در آبگرمکنهای خورشیدی و انواع و کارکرد آنها توضیح داده شود.
تحقیق کنید (صفحه 163 کتاب درسی)
روشهای انتقال حرارت کداماند؟ انرژی خورشید به کدام روش به زمین انتقال حرارت میدهد؟
تصاویر بهرهبرداری مناطق مختلف از آبگرمکن خورشیدی
روستایی
آپارتمانی
ویلایی
عمومی
استخر
ترجمه کنید (صفحه 66 کتاب درسی)
Renewable energy is generally defined as energy that is collected from resources which are naturally replenished on a human timescale, such as sunlight, wind, rain, tides, waves, and geothermal heat. Solar thermal technology uses the sun’s energy, rather than fossil fuels, to generate low-cost, environmentally friendly thermal energy. This energy is used to heat water or other fluids, and can also power solar cooling systems.
انرژی حرارتی خورشیدی از نظر نوع استفاده و بهرهبرداری
1- کاربردهای صنعتی (نیروگاه با متمرکزکنندهٔ سهموی خطی و... )؛
2- کاربردهای نیمهصنعتی (خشککن مواد غذایی و خانهٔ خورشیدی و... )،
3- کاربردهای خانگی (آبگرمکنهای خورشیدی و... )،
تحقیق کنید (صفحه 167 کتاب درسی)
با توجه به انرژی حرارتی خورشیدی از نظر نوع استفاده و بهرهبردار ی از آن میشود، جدول زیر را کامل کنید.
| کاربرد | انواع کاربری | زمینهٔ فعالیت |
|---|---|---|
| کاربردهای صنعتی | - نوع سهموی خطی - - - |
- |
| کاربرد نیمه صنعتی | - - خشککن خورشیدی - |
- - - گرم کردن خانهها (ایران باستان) |
| کاربردهای خانگی | - آبگرمکنهای خورشیدی - - - |
- - گرمایش و سرمایش محیطی - - |
بحث گروهی (صفحه 167 کتاب درسی)
واحدهای اندازهگیری دما را نام ببرید و فرمول تبدیل آنها را در جدول قرار دهید؟
| واحد اندازهگیری دما | علامت | مبنا | فرمول تبدیل |
|---|---|---|---|
| C | نقطهٔ انجماد و جوش آب | ||
| F | نقطهٔ تعادل گرمایی مخلوطی با نسبت برابر از یخ، آب و آمونیوم کلرید | ||
| نقطهٔ تعادل گرمایی مخلوط آب و یخ دمای بدن انسان | |||
| K | صفر مطلق |
انرژی گرمایی
تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی گرمایی، کار سادهایست، زیرا گرما در پایینترین سطح تبدیلات انرژی جای دارد. برای درک بهتر این موضوع به مفهوم زیر توجه نمایید.
مفهوم اکسرژی
در یک سیستم آن قسمت از انرژی که تماماً توانایی انجام کار داشته باشد را اکسرژی مینامند که البته دسترسی به این کار وابسته به استفاده از یک سیکل گرمایی است.
هرچند تبدیل انرژی بهصورت انرژی گرمایی نیز همیشه در قسمتی از این سیکل اتفاق میافتد ولی اگر فقط هدف تولید گرما باشد به دلیل وجود یک قانون در طبیعت تولید گرما سادهتر میشود، زیرا آن قسمت از انرژی که بهکار یا صورت دیگری از انرژی تبدیل نشود طبق این قانون در نهایت به گرما یا همان جنبش مولکولی تبدیل میشود.
مثال: در شکل زیر با باز کردن شیر گاز بهصورت خودبهخود از حباب پر به سمت حباب خالی پخش میشود.
تحقیق کنید (صفحه 168 کتاب درسی)
قانون آنتروپی را در چند مثال در زندگی روزمره بیان کنید.
مفهوم گرما
گرما صورتی از انرژی است که در خارج از ماده بهصورت تشعشع وجود دارد و در مواد قابل ذخیرهسازی و یا مبادله میباشد. مقدار انرژی گرمایی ذخیره شده در هر ماده به جرم ماده، ظرفیت گرمایی ماده و میزان افزایش دمای ماده بستگی دارد که در فرمول زیر خلاصه میشود: (فرمول 1)
$Q = mc\Delta T$
که در آن Q انرژی گرمایی (ژول)، m جرم ماده (گرم)، c ظرفیت گرمایی ماده و $\Delta T = {T_1} - {T_2}$ میزان تغییر دمای ماده (کلوین) میباشد.
c: ظرفیت گرمایی هر ماده مختص همان ماده است و طبق تعریف مقدار انرژیی است که آن ماده جذب میکند تا دمای آن یک درجه سیلسیوس افزایش یابد. $(J/gr{}^ \circ C)$
فعالیت کلاسی 1 (صفحه 169 کتاب درسی)
انرژی لازم را برای بالا بردن 100 لیتر آب از دمای 20 به 70 درجهٔ سانتیگرا د را محاسبه نمایید. (ظرفیت گرمایی آب $4/2J/gr{}^ \circ C$ و جرم یک لیتر آب را یک کیلوگرم در نظر بگیرید)
فعالیت کلاسی 2 (صفحه 169 کتاب درسی)
انرژی لازم برای جوش آوردن کدام، بیشتر است: یک قطره آب از دمای 10 درجهٔ سیلسیوس یا یک کیلوگرم آب از دمای 99 درجه سیلسیوس؟ (ظرفیت گرمایی آب $4/2J/gr{}^ \circ C$ و جرم یک قطره آب را 0/25 گرم در نظر بگیرید.)
فعالیت کلاسی 3 (صفحه 169 کتاب درسی)
در صورت مخلوط کردن یک قطره آب جوش با یک پارچ محتوی یک لیتر آب 99 درجهٔ سیلسیوس، انرژی از کدام یک به دیگری منتقل میشود؟
عوامل مؤثر در استفاده از انرژی خورشیدی در آبگرمکنها
الف) شدت تابش انرژی خورشید؛
ب) تابش در جو (پوشش ابر)؛
ج) عرض جغرافیایی؛
د) فصلهای سال؛
الف- شدت تابش انرژی خورشید
ایران با آنکه یکی از کشورهای نفت خیز جهان و دارای منابع عظیم گاز طبیعی است، اما به دلیل شدت تابش خورشید در بیشتر نقاط، میتواند با بهرهمندی از انرژی خورشیدی، صرفهجویی قابل توجهی در مصرف سوختهای فسیلی داشته باشد.
اطلاعات درست دربارهٔ تابش خورشیدی، اولین و مهمترین نیاز در طراحیهای کاربردی انرژی خورشیدی است. بنابراین برای تعیین میانگین واقعی انرژی دریافتی از خورشید بر هر سطحی لازم است از اندارهگیریهای دقیق سنجش تابش خورشیدی در فاصله (پریود)های زمانی طولانی مدت استفاده نمود.
دستگاههای سنجش شدت تابش
بحث گروهی (صفحه 170 کتاب درسی)
در جدول زیر با کشیدن خط دستگاه را به تصویر مرتبط با آن ارتباط دهید.
| اسم دستگاه | کاربرد | عکس |
|---|---|---|
| Pyrometer | اندازهگیری شدت تابش کل |
|
| Pyrometer with shadow ring | اندازهگیری شدت تابش پراکنده |
|
| Pyrheliometer | اندازهگیری تابش مستقیم |
|
| Solar Power Meter | تابشسنج به همراه دیتا لاگر برای ضبط دادههای تابش خورشید |
|
ب- تابش در جو (پوشش ابر)
شدت تابش خورشید پس از عبور از سطح جو مقداری از آن جذب و مقداری نیز منعکس میشود و در نهایت میزانی از آن به زمین میرسد که این عدد مبنای محاسبات سیستمهای خورشیدی است.
بحث گروهی (صفحه 171 کتاب درسی)
جاهای خالی را در شکل زیر با توجه به نحوه توزیع نور خورشید رسیده به بالای جو، کامل کنید : (راهنمایی: مراجعه به سایت www.avisasolar.com بخش مطالب انرژیهای تجدیدپذیر)
ج- عرض جغرافیایی
برای تعیین زاویهٔ شیب بهینه باید ویژگیهای آب و هوایی و جغرافیایی منطقهٔ نصب آبگرمکنها در نظر گرفته شود. در این تحقیق شهرهای تبریز و اصفهان در کشور ایران به منظور مطالعهٔ مورد بررسی قرار گرفته است.
تحقیق کنید (صفحه 172 کتاب درسی)
جاهای خالی را برای شهرهای اصفهان و تبریز تکمیل کنید.
د- فصلهای سال
ارتفاع خورشید طی حرکت آن در افق در فصول سال متفاوت است. در تابستان زاویه تابش آن بیشتر بهطور مستقیم است در حالیکه در زمستان مایل میتابد.
بحث گروهی (صفحه 173 کتاب درسی)
با توجه به شکل زیر زاویه خورشید را برای شهرهای زیر و زمانهای خواسته شده بهدست آورید:
| شهر | زمان | زاویه | معروف به | |
|---|---|---|---|---|
| زاویه | ساعت | |||
| اصفهان | june 21 | 12 ظهر | انقلاب تابستانی | |
| تهران | june 21 | 10 صبح | ||
| اهواز | 14 ظهر | انقلاب زمستانی | ||
تحقیق کنید (صفحه 174 کتاب درسی)
هر چقدر ارتفاع خورشید در آسمان بیشتر باشد شدت آفتاب .............. مییابد. چرا؟
زاویهٔ نصب صفحات خورشیدی
دستیابی به حداکثر کارایی در گردآورهای خورشیدی، با جهتگیری، نصب، ساخت و طراحی مناسب، امکانپذیر است. با این وجود، کارایی یک گردآور خورشیدی، به موقعیت آن (با توجه به خط استوا) و زاویهٔ شیب آن با سطح افق (با توجه به زمین) مرتبط است؛ زیرا هم جهتگیری و هم زاویهٔ شیب، مقدار تابش خورشیدی را که به سطح گردآور میرسد، تغییر میدهند.
زاویهٔ پرتوهای خورشید با یک سطح تعیینکنندهٔ مقدار انرژیای است که آن سطح دریافت میکند. از آنجایی که تشعشعات خورشیدی به شکل اشعههای موازی به زمین میرسند، سطحی که نسبت به امتداد آنها قائم باشد، بیشترین مقدار انرژی را دریافت خواهد کرد.
با مطالعات در عرض جغرافیای کشور ایران میتوان به زاویه بهینه نصب، 40 الی 44 درجه رسید.
بحث گروهی (صفحه 175 کتاب درسی)
در جدول زیر با کشیدن خط، مزیتهای انرژی خورشیدی را به تصویر مرتبط با آن ارتباط دهید.
| مزیت | تصویر |
|---|---|
| آفتابی بودن کشور ایران در اکثر نقاطش (بیش از ....... روز در سال) |
|
| گران شدن سوختهای فسیلی |
|
| تجدید پذیر بودن انرژی خورشید |
|
| فراوانی انرژی خورشیدی در جهان |
|
| آلوده و تخریب نشدن محیط زیست و منتشر نشدن گازهای سمی و گلخانهای به کمک انرژی خورشیدی |
|
| ناچیز بودن هزینهٔ تعمیر و نگهداری و داشتن طول عمر بالا نسبت به آبگرمکنهای سوختی |
|
| تکنولوژی در حال پیشرفت انرژی خورشید |
|
آشنایی با انواع دماسنج
بحث گروهی (صفحه 176 کتاب درسی)
| دماسنج | طرز کار | مورد استفاده | تصویر |
|---|---|---|---|
| جیوهای | بر اساس میزان انبساط مایع |
|
|
| ماکزیمم مینیمم (قرینه) | اندازهگیری حداکثر و حداقل دما (ماکزیمم و مینیمم دما) در یک شبانهروز |
|
|
| مقاومتی | استاندارد آزمایشگاهی |
|
|
| نیمه هادی (ترمیستور) | نیمه هادیهای حساس به دما |
|
|
| نواری | تغییر فاز مواد ترومیک در گرما |
|
|
| ترموکوپل | دماسنج صنعتی مقاوم و ارزان |
|
|
| دماسنج نوری | اندازهگیری دماهای بالا و یا دور از دسترس |
|
|
| گازی | با اتصال به یک فشارسنج و بر اساس قوانین گازهای کامل | دمای هوا با دقت زیاد |
|
فعالیت کارگاهی (صفحه 177 کتاب درسی)
بطری حاوی یک و نیم لیتر آب را پوشش کدر بزنید (جدارهٔ بیرونی آن را رنگ مشکی بزنید) و داخل آن آب بریزید و در مجاورت تابش خورشید قرار دهید.
با توجه به آزمایش بالا جدول را تکمیل کنید:
| واحد اندازهگیری | دمای ابتدایی | دما بعد از 30 دقیقه | دما بعد از 60 دقیقه | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| دمای آب | دمای محیط | دمای آب | دمای محیط | دمای آب | دمای محیط | |
| درجه سانتیگراد | ||||||
| درجه فارنهایت | ||||||
فعالیت کارگاهی (صفحه 177 کتاب درسی)
به کمک وسایل زیر، آزمایشی ترتیب دهید که جریان جابهجایی (همرفتی) را در مایعات نشان دهد. (وسایل مورد نیاز: شمع، بشر، پرمنگنات پتاسیم).
فعالیت کلاسی 3 (صفحه 177 کتاب درسی)
چرا جهت باد کنار ساحل عکس یکدیگر هستند؟
(هوای خنک Cool air)
(هوای گرم Warm air)
آبگرمکنهای خورشیدی
آبگرمکن خورشیدی به سامانهای گفته میشود که با جذب انرژی خورشید، آب گرم تولید مینماید. مدل خانگی آبگرمکن خورشیدی دارای گیرنده و مخزن ذخیره افقی دوجداره میباشد. با تابش خورشید بر روی گیرندهها و جذب گرمای آن توسط صفحات یا لولههای جاذب، سیال عامل که میتواند آب باشد داخل گیرندهها گرم شده و بهعلت کاهش چگالی شروع به بالارفتن از رایزرهای عمودی داخل آنها میکند. گرمای سیال عامل به آب داخل مخزن ذخیره منتقل شده و در این حین آب سرد داخل مخزن (در مدل تماس غیرمستقیم سیال عامل پس از سرد شدن)، بهطرف پایین گیرندهها حرکت میکند. این چرخه در طول روز چندین بار تکرار میگردد. آبگرمکن خورشیدی از جمله تجهیزاتی است که طی سالهای اخیر مورد مطالعه محققین قرار گرفته و در طرحهای گوناگونی ارائه گردیده است.
آبگرمکنهای خورشیدی در حمام خورشیدی
برای تولید آب گرم بهداشتی در اماکن عمومی به خصوص در مکانهایی که مشکل سوخترسانی وجود دارد، از آبگرمکنهای خورشیدی میتوان استفاده کرد. چنانچه ظرفیت این سیستمها افزایش یابد میتوان از آنها در حمامهای خورشیدی نیز استفاده نمود. تاکنون با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران تعداد زیادی آبگرمکن خورشیدی و چندین دستگاه حمام خورشیدی در نقاط مختلف کشور مورداستفاده قرار میگیرد.
انواع آبگرمکنهای خورشیدی
دستهبندی بر حسب نوع ایجاد جریان
دستهبندی بر حسب نوع کلکتور رایج در ایران
دستهبندی بر حسب نوع تماس بین دو سیال
دستهبندی بر حسب نوع سیستم کمکی
انرژی حرارتی از انرژی خورشیدی
گرمایش آب مصرفی (تهیه آب گرم مورد نیاز مصارف خانگی، عمومی و صنعتی با استفاده از آبگرمکنهای خورشیدی)
گرمایش فضا (مسکونی، تجاری، صنعتی، گلخانهها و...)
گرمایش آب استخرها و مخازن ذخیرهٔ آب فصلی
آب شیرینکن خورشیدی
اجاق خورشیدی (پخت غذا بهوسیله تابش و تمرکز نور خورشید)
سرمایش خورشیدی (تأمین آب با دمای بسیار بالا برای استفاده در سیستمهای سرمایشی)
بحث گروهی (صفحه 182 کتاب درسی)
در جدول زیر با کشیدن خط، مزیتهای انرژی خورشیدی را به تصویر مرتبط با آن ارتباط دهید.
| کاربرد آبگرمکن | تصویر |
|---|---|
| مناطق بسیار سرد و زمستانی |
|
| ساختمانهای ویلایی با دسترسی محدود یا بدون دسترسی به سوخت و الکتریسیته |
|
| سرویسهای بهداشتی |
|
| ساختمانهای عمومی (مساجد، مدارس، حمامهای عمومی و ...) |
|
| ساختمانهای مسکونی روستایی |
|
| ساختمانهای مسکونی شهری (ساختمانهای یک یا دو طبقه) |
|
| ساختمانهای مسکونی شهری (ساختمانهای آپارتمانی) |
|
| شهرهای خورشیدی |
|
انواع کلکتور
مهمترین بخش یک آبگرمکن خورشیدی کلکتور آن است. تابش نور خورشید به کلکتورهای نصبشده سبب گرم شدن مایع عبوری درون آنها میگردد. کلکتور انواع مختلفی دارد که در انتخاب آن باید به شرایط اقلیمی، مصالح بومی (در صورت تصمیم به ساخت) و بودجه توجه نمود. مهمترین انواع کلکتور در نمودار زیر مشخص شده است. رایجترین آنها در ایران مدل صفحه تخت و لولهٔ خلأ است.
بحث گروهی (صفحه 183 کتاب درسی)
| نوع کلکتور | نوع جریان | نوع تماس | سیال تصویر |
|---|---|---|---|
| مستقیم |
|
||
| صفحه تخت (فلت پلیت) | غیرمستقیم |
|
|
| بدون پمپ (ترموسیفون) |
|
||
| لوله خلأ (وکیوم تیوپ) | اجباری |
|
بحث گروهی (صفحه 184 کتاب درسی)
در یک آبگرمکن خورشیدی از تمامی روشهای انتقال حرارت استفاده میشود. در تصویر زیر نام آنها را بنویسید.
اجزای اصلی آبگرمکنهای خورشیدی
بحث گروهی (صفحه 186 کتاب درسی)
جدول زیر را تکمیل کنید:
| نوع کلکتور (لوله خلاء یا صفحه تخت) | نوع تماس | مدل | تصویر |
|---|---|---|---|
|
|
|||
| صفحه تخت | غیر مستقیم |
|
|
| نوع لوله حرارتی (heat pipe) |
|
||
| مستقیم |
پروانهای (صنعتی) |
|
کلکتور صفحه تخت
اجزای کلکتور صفحه تخت در نمودار زیر مشخص شده است.
نام این کلکتور از شکل ظاهری قسمت جاذب آن (absorber) انتخاب شده است. ولی در زیر این صفحات تخت، لولههایی قرار دارد که انرژی دریافتی صفحات مشکی رنگ از آفتاب را به سیال عامل منتقل میکند. جنس لوله- جنس صفحه- طرز اتصال صفحه به لوله و رنگ یا پوشش جاذب روی صفحات از پارامترهای تعیینکنندهٔ «ابزربر» است. همچنین عایقبندی جعبه (جنس پوشش شفاف) طلق پلیکربنات یا شیشه و درصد فلزات موجود در شیشه نیز در راندمان کلکتور مؤثراند.
فکر کنید (صفحه 187 کتاب درسی)
اجزای کلکتور صفحه تخت را در شکل زیر مشخص نمایید.
فکر کنید (صفحه 188 کتاب درسی)
عبارت زیر را تکمیل کنید:
جعبه کلکتور خورشیدی صفحه تخت علاوهبر جلوگیری از تلفات ناشی از ................. بر اساس پدیده ................ موجب ............... دمای سطح جاذب میشود.
روکش جذب انتخابی
صفحهٔ جاذب (Absorber)
سطح جاذب مهمترین بخش یک کلکتور خورشیدی است. زیرا وظیفهٔ اصلی جذب و انتقال انرژی خورشید را بر عهده دارد. «ابزربر» در واقع یک صفحه مسطح است با پوششی مخصوص،که و لولهای به آن اتصال است. در این لوله آب حرکت میکند و گرم میشود.
توضیحات:
- جنس ابزربر (Absorber): جنس ابزربر معمولا آهنی، آلومینیومی و مسی است. بهترین نوع ابزربرها از جنس آلومینیوم و مس ساخته شدهاند. زیرا ضریب انتقال حرارت در این دو فلز از سایر فلزات صنعتی بالاتر است.
- نوع پوشش: بر روی فلز پایهٔ یک ابزربر باید پوششی جهت حداکثر کردن جذب انرژی قرار گیرد. همانطور که میدانید، همهٔ اجسام بخشی از نوری را که به آنها میتابد جذب میکنند و بخشی دیگر را بر میگردانند. هرچه رنگ یک جسم تیرهتر باشد، ضریب جذب آن بیشتر و هر چه رنگ روشنتر باشد ضریب تابش بیشتر خواهد بود. بنابراین در صفحات جاذب میتوان از رنگ مشکی (Black Paint) استفاده نمود.
اما عامل دیگری نیز در اینجا دخالت دارد و آن ضریب انتشار است. میدانیم که نور جذب شدهٔ توسط اجسام، در آنها تبدیل به گرما میشود. گرما یا حرارت به سه روش منتقل میشود: 1) جابهجایی 2) هدایت 3) تابش.
برای افزایش راندمان یک کلکتور خورشیدی باید این سه مسیر اتلاف حرارت را مسدود کرد. جابهجایی را با شیشه، هدایت را با عایق کنترل میکنیم. اما برای کنترل تابش چه باید کرد؟ باید ضریب تابش سطح ابزربر را کاهش داد. درست است که جسمی که با رنگ سیاه پوشش خورده است ضریب جذب بالایی دارد. اما در مقابل، ضریب انتشار بالایی نیز دارد. برای حل این مشکل از ابزربرهای انتخابی (Selective) استفاده میشود. به این معنی که پوشش سطح ابزربر را با انتخاب عناصر خاص و ایجاد ساختار خاص بهصورتی میسازند که حداکثر ضریب جذب و حدقل ضریب انتشار را داشته باشد.
جهت درک بهتر این موضوع به تصاویر زیر دقت فرمائید:
تصویر سمت چپ یک سطح تابناک مثل آینه را نشان میدهد که هرچه به آن بتابد همان را منعکس میکند.
در واقع در کلکتورهای با لایه جذب انتخابی نیز تشعشع از سطح کلکتور صورت میپذیرد ولی لایه پوشش داده شده روی کلکتور باعث بازگشت تشعشع گرمایی ساطع شده به سطح و جذب دوباره آن میگردد.
ترجمه کنید (صفحه 189 کتاب درسی)
Flat plate thermal system for water heating are the most common type. They consist of (1) a dark flat-plate absorber, (2) a transparent cover that reduces heat losses, (3) a heat-transport fluid (air, antifreeze or water) to remove heat from the absorber, and (4) a heat insulating backing.
تحقیق کنید (صفحه 190 کتاب درسی)
چهار مدل از انواع جریان سیال در صفحه جاذب آبگرمکنهای خورشیدی صفحه تخت را ذکر کنید.
کلکتور صفحهای دوبل
این کلکتور شبیه به کلکتور تخت است. فقط صفحهٔ جاذب آن به جای صفحه و لوله از یک صفحهٔ دوجداره که دور تا دور آن پرس شده تشکیل یافته است. این کلکتور، نسبت به کلکتور صفحه لولهای دبی آب بیشتری دارد ضمناً تلفات آن نیز کمتر است، زیرا آب در زیر تمام سطح کلکتور جریان دارد و بلافاصله انرژی را دریافت میکند.
ترجمه کنید (صفحه 190 کتاب درسی)
شکل زیر را ترجمه کنید:
کلکتور لوله خلأ
این کلکتورها از لولههای دوجدارهای تشکیل شده است که در سطح جداره داخلی آن با پوشش جاذب اندود شده است و بین دوجداره شیشهای خلأ است.
این کلکتورها به دلیل عدم استفاده از اجزای فلزی، ارزان هستند و البته در محدوده عمومی درجه حرارت، کارکرد راندمان آنها نیز بالاتر است.
طی چند سال گذشته استفاده از این کلکتورها در دنیا و ایران متداول شده است.
بحث گروهی (صفحه 191 کتاب درسی)
اجزای شکل زیر (لوله خلأ) را کامل کنید.
فکر کنید (صفحه 192 کتاب درسی)
با توجه به شکل زیر یک مزیت اصلی کلکتور لوله خلا را توضیح دهید:
مزایای آبگرمکنهای خورشیدی با کلکتور لوله خلأ
1- قیمت پایینتر
2- نصب سریع و آسان
3- حداقل هزینه برای تعمیر و نگهداری
4- مناسب برای مناطقی که به آب لولهکشی شهری دسترسی ندارند
5- به علت استفاده از لولههای دو جداره که با تکنولوژی لوله خلا ساخته شدهاند نیازی به ریختن ضدیخ در این نوع آبگرمکن نیست و در صورت استفاده از آن در مناطق سردسیر آب داخل کلکتور یخ نمیزند.
6- راندمان بالاتر (به دلیل گرد بودن شیشههای جاذب انرژی)
7- در مدلهای جدید مشکل مخزن بدون فشار نیز بر طرف شده (مدل کویلدار و هیت پایپ و ......)
ترجمه کنید (صفحه 193 کتاب درسی)
What is an Evacuated Tube
Evacuated tubes absorb solar energy and convert it into heat for use in water heating. There are several types of evacuated tubes used in solar thermal collectors.
This type of tube is chosen for its reliability, performance and cost effectiveness.
Each evacuated tube consists of two glass tubes made from extremely strong borosilicate glass. The outer tube is transparent and allows sunlight to pass through with minimal reflection. The inner tube is coated with an aluminum nitride (Al-N/Al) coating. This selective surface is excellent at absorbing solar radiation with minimal reflection losses. During the manufacturing process, the air contained in the space between the two layers of glass is pumped out, while the top of the tubes are exposed to high temperatures. This fuses the two tubes together into a single evacuated tube. This “evacuation” of the gasses forms a vacuum, which is the most important factor in achieving the high performance of the evacuated tubes.
کلکتور پلیمری
هنگامیکه یک شلنگ مشکی محتوی آب را چمبره کنید و در معرض آفتاب بگذارید یک آبگرمکن خورشیدی ساختهاید! برخی از شرکتها همین شلنگ را بهصورت بههم متصل و مرتب به عنوان آبگرمکن خورشیدی برای استخرهای کوچک عرضه میکنند.
راندمان حرارتی یک آبگرمکن خورشیدی
راندمان حرارتی در آبگرمکن خورشیدی نشاندهنده این است که به نسبت انرژیای که از آفتاب دریافت میشود، چه میزان محصول آبگرم شده تهیه میگردد. به عبارت دیگر، مقدار انرژی حرارتی که در آب ذخیره شده، به مقدار انرژی تابشی دریافتی در زمان مشخص است. در فرمول زیر:
$\eta $: راندمان حرارتی
$m$: جرم آب
$c$: ظرفیت گرمایی آب
$\Delta T$ تغییر دمای آب
$I$: شدت تابش آفتاب
$A$: سطح کلکتور
$t$: مدت زمان آزمایش است.
$\eta = \frac{{mc\Delta T}}{{I.A.\Delta t}}$
بحث گروهی (صفحه 195 کتاب درسی)
در یک آزمایش دو نوع کلکتور خورشیدی برای گرمایش آب مقایسه شده اند. راندمان حرارتی کدام بیشتر است؟ (شدت تابش در زمان و مکان آزمایش 800 وات بر متر مربع بوده است)
| نوع آبگرمکن | سطح کلکتور | مقدار آب | زمان | دمای اولیه آب C | دمای نهایی آزمایش C |
|---|---|---|---|---|---|
| لوله خلأ | یک مترمربع | 2 لیتر | 10 دقیقه | 30 | 80 |
| صفحهای | یک متر مربع | 4 لیتر | 20 دقیقه | 30 | 70 |
پایه و اتصالات
انتخاب پایه مناسب برای یک سیستم آبگرمکن خورشیدی به عواملی همچون نوع کلکتور، روش استقرار و ثابت یا متحرک بودن سیستم بستگی دارد.
لوله و شیرآلات
لولههای فلزی حتماً باید عایقبندی شوند. بهتر است ساختمانهای در حال ساخت یک لوله رفت و برگشت عایقبندی شده از موتورخانه یا واحدهای پکیجدار به پشت بام تعبیه نمایند.
برای اتصال کلکتورهای خورشیدی بهترین گزینه رابط استیل آکاردئونی است.
شیر یکطرفه از برگشت آب گرم از مخزن به کلکتور در هنگام شب جلوگیری میکند.
مخزن ذخیره
مخزن ذخیره در آبگرمکنهای خورشیدی باید آب داغ را در خود نگه دارد، بدون اینکه دچار خوردگی شود. جنس مخازن بهکار رفته در آبگرمکنهای خورشیدیِ لولهٔ خلا (وکیوم تیوپ) معمولاً از استینلس استیل با گرید 304 بهداشتی است. این مخازن پلی اورتان به ضخامت 10 الی 15 سانتیمتر عایق میشوند. حجم مخازن بر حسب لیتر متغیر است. یک حساب سر انگشتی برای تخمین ظرفیت آن این است که به ازای هر متر مربع سطح گردآورنده، مخزنی 100 تا 120 لیتری در نظر گرفته شود.
تحقیق کنید (صفحه 196 کتاب درسی)
سختی آب را تعریف کنید. دو مدل رایج سختیگیر مورد استفاده در آبگرمکنهای خورشیدی جهت جلوگیری از رسوب مخزن را نام ببرید. سختی گیر در کدام مسیر آبگرمکن نصب میشود؟
مخزن با سیّال عامل و بدون سیّال عامل
در آبگرمکنهایی که سیال عامل آنها به غیر از آب است و ضدیخ به آب آنها اضافه میشود. از یک مبدل گرمایی برای انتقال گرما از سیّال کلکتور به آب مصرفی استفاده میشود (جریان غیر مستقیم). از این نظر آبگرمکنهای خورشیدی به چند دسته تقسیم میشوند:
نوع مدار: باز، بسته یا تخلیهای
آبگرمکن مدار باز (Open)
در این نوع از آبگرمکنها، مخزن ذخیره آبگرمکن تکجداره است و همان آبی که در داخل مخزن ذخیره آبگرمکن قرار دارد در داخل کلکتورها جریان مییابد.
آبگرمکن مدار بسته (Close)
در این نوع از آبگرمکنها، مخزن ذخیره دوجداره است و بین جدارهٔ بیرونی مخزن و کلکتورها یک سیکل بسته تشکیل میشود.
در سیکل بسته، آبگرمکنهای مدار بسته در مناطقی با احتمال دمای زیر صفر و پدیدهٔ یخزدگی، وجود دارد باید از ضد یخ استفاده نمود.
بحث گروهی (صفحه 197 کتاب درسی)
کلکتور هر آبگرمکن خورشیدی را به پایه و اتصالات مناسب آن با کشیدن خطوط ارتباط دهید. نوع کلکتور را روی خطوط بنویسید.
| عکس کلکتور | مدل | تصویر |
|---|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
بدون پایه | |
 |
|
بدون پمپ (جریان ترموسیفون)
ترموسیفون برای گردش آب به پمپ نیاز ندارد. هنگامیکه آب درون کلکتور توسط انرژی خورشیدی گرم میشود حجم آن انبساط مییابد و در نتیجه چگالی آن تغییر میکند. آب گرم سمت بالا حرکت میکند و به داخل منبع تعبیه شده در بالای کلکتور میریزد. از طرف دیگر، آب سردِ منبع به قسمت پایین کلکتور میآید. به این ترتیب یک گردش آرام سیال بین کلکتور و منبع به وجود میآید.
تحقیق کنید (صفحه 199 کتاب درسی)
دلیل حرکت آب داخل کلکتور و مخزن آبگرمکنهای ترموسیفون را ذکر کنید.
آبگرمکنهای پمپدار
در این نوع آبگرمکنها، سیّال مابین کلکتورها و مخزن ذخیرهٔ آب، توسط یک پمپ کوچک برقی به گردش در میآید. به دلیل استفاده از این پمپ، مخزن ذخیرهٔ آب را میتوان در پائین قرار داد و فقط کلکتورهای خورشیدی بر روی پشت بام قرار میگیرند.
آبگرمکنهای مدار بسته نیازمند استفاده از منبع انبساط اند منبع انبساط سه نوع است:
1- منبع انبساط باز:
که نمونهٔ کوچکی از منابع انبساط معمولی است. این منبع انبساط توسط یک شناور به شبکهٔ آب شهری وصل است. مزیت آن کاربرد آسان و عیب آن اتلاف راندمان، هدر رفت ضدیخ و... است.
2- منبع انبساط بسته:
این منبع دارای یک دیافراگم لاستیکی است که حالت ارتجاعی آن امکان کنترل انبساط حجم سیال را فراهم میآورد. مزیت آن، افزایش راندمان سیستم و عیب آن دردسر کاربرد است.
3- منبع انبساط دوگانه:
این منبع انبساط اقتباسی از سیستم انبساط در خودروهای پیشرفتهٔ امروزی است که تلفیقی از منبع انبساط باز و بسته است؛ یعنی هم مسئله اتلاف راندمان در آن حل شده و هم در صورت کمشدن آب، به سادگی قابل شارژ شدن است.
سیستم کنترل مرکزی
این مجموعه در واقع مدیریت و برنامهریزی کامل دستگاه را بهصورت اتوماتیک و دستی انجام میدهد. که انجام این مدیریت با کمک یک حسگر و شیر برقی و کنترلر دستگاه انجام میگیرد.
برخی از مزایا این سیستم کنترل مرکزی
1- نمایش دما و سطح آب داخل مخزن
2- آب گیری اتوماتیک و دستی توسط شیر برقی
3- فعالکردن گرمکن پشتیبان بهصورت اتوماتیک و یا دستی جهت روزهای بسیار سرد زمستان
4- عیبیاب هوشمند
5- باتری پشتیبان جهت فعال شدن در مواقع قطعی برق
6- نمایشگر ساعت محلی
سیستم کنترل پمپ
معروفترین کنترلر پمپ، کنترلر تفاضلی میباشد که اختلاف دما بین آب خارج شده از کلکتور و آب داخل مخزن در مجاورت مبدل گرما را اندازهگیری میکند. در یک سیستم اکتیو رایج، وقتی که دمای داخل کلکتور 8 تا 10 درجۀ سانتیگراد گرمتر از آب داخل مخزن است، کنترلر پمپ را روشن میکند و وقتی اختلاف دما کمتر از 3 تا 5 درجۀ سانتیگراد باشد، پمپ را خاموش میکند. در سیستمهای حلقه باز یا مستقیم، اختلاف دما برای روشن بودن پمپ به 4 درجه کاهش پیدا میکند زیرا در آن سیستم، مبدل گرمایی وجود ندارد.
انواع سیستمهای کمکی
همه سیستمهای خورشیدی نیاز به سیستم کمکی دارند. این سیستمهای کمکی میتوانند بهصورت برقی، گازی یا نفتی باشند و یا اینکه بهصورت پس گرم به موتورخانه وصل شوند.
لزوم وجود سیستم کمکی و مفهوم (solar fraction)
روش استفاده از آبگرمکنهای خورشیدی در منازل مسکونی جهت آبگرم بهداشتی
1- الگوی اتصال آبگرمکن دیواری لحظهای موازی با پکیج دیواری با آبگرمکن خورشیدی با کنترل مرکزی
2- الگوی اتصال آبگرمکن دیواری لحظهای موازی با پکیج دیواری با آبگرمکن خورشیدی بدون سیستم کنترل
روش استفاده از آبگرمکنهای خورشیدی لوله خلاء در موتورخانه جهت آبگرم بهداشتی
محاسبه تعداد آبگرمکنهای خورشیدی برای آبگرم بهداشتی
روشهای محاسبه دستی
میزان مصرف واقعی به کمک نصب کنتور و نصب آبگرمکنهای مخزندار به اندازه 24 ساعته است (در مواردی که امکان نصب کنتور نیست از روش تخمین استفاده میشود که تجربه نشان داده در کشور ما مصرف آب گرم بهداشتی به ازای هر نفر در 24 ساعت بین 50 الی 60 لیتر است.)
- یک متر مربع سطح کلکتور به ازای هر 80 لیتر حجم مخزن برای کلکتور لوله خلأ
- یک متر مربع سطح کلکتور به ازای هر 60 لیتر حجم مخزن برای کلکتور صفحه تخت
اگر حجم مخزن بیش از 300 لیتر شد مخازن با هم سری شوند.
البته در مصارف بالا و موتورخانهها حتماً نیاز به برآورد دقیق نسبت به میزان مصرف آب گرم بهداشتی مجموعه در طول 24 ساعت به کمک نصب کنتور میباشد.
روش نرمافزاری
نرمافزارهای رایج در آبگرمکنهای خورشیدی عبارتاند از:
1- نرمافزار TSOL
2- نرمافزار Polysun
3- نرمافزار SCF
آشنایی با نرمافزار انتخاب آبگرمکن خورشیدی SCF
نرمافزار (SCF (Solar Contribution Finder به سادگی امکان تخمین سهم انرژی خورشیدی برای گرمایش آب را با توجه به نوع آبگرمکن انتخابی و سایر پارامترهای لازم گزارش میدهد.
برای کار با این نرمافزار ابتدا باید شهر مورد نظر انتخاب شود. برای این کار در قسمت File گزینه new Location را کلیک کنید.
اگر نام شهر مورد نظر در فهرست نرمافزار نباشد باید اطلاعات شهر را از سایت زیر بهدست آورده و به نرمافزار اضافه کنید:
http://eosweb.larc.nasa.gov/sse
نمودار حاصل سهم انرژی خورشیدی در گرمایش آب در سیستم پیشفرض آبگرمکن خورشیدی انتخاب شده را نشان میدهد و خط افقی متوسط سهم انرژی خورشیدی در تولید آب گرم در سال است.
تحقیق کنید (صفحه 206 کتاب درسی)
در نرمافزار SCF با تغییر پارامترها در بخش مربوط به تصویر زیر تغییرات را در نمودار سهم انرژی خورشیدی در تولید آبگرم بررسی کنید.
یافتن نقطه بهینه
هنگام تغییر پارامترهای تمرین قبل به میزان انرژی خورشیدی دریافتی توسط سیستم انتخابی در قسمت پائین تصویر زیر توجه نمائید. ممکن است لازم باشد که سایز منبع و تعداد کلکتور را نیز تغییر دهید تا به بیشترین انرژی قابل دریافت با سیستمهای موجود دست یابید. به محدودیتهای مساحت پشت بام و زاویه قابل نصب نیز توجه داشته باشید.
تحقیق کنید (صفحه 207 کتاب درسی)
نمودار عملکرد یک آبگرمکن خورشیدی لوله خلأ با مخزن ذخیره 300 لیتری و 4 متر مربع کلکتور را برای شهر شیراز به کمک نرمافزار SCF بهدست آورید. دمای آب سرد را 15 و دمای آبگرم را 60 درجه سیلسیوس قرار دهید.
توجیه اقتصادی
طبق تمرین قبل برای تأمین این میزان آب گرم در طول سال، انرژی مورد نیاز بهصورت زیر محاسبه میشود:
$Q = MC\Delta T = 300 \times 4200 \times 45 \times 365 = 20695/5MJ/Year \div 3/6 = 5759KWh/Year$
طبق شبیهسازی به عمل آمده، این آبگرمکن خورشیدی در سال معادل 4000KWh ازخورشید انرژی جذب کرده و به آب میدهد، یعنی بیش از 60 درصد سهم خورشیدی.
ارزش انرژی جذب شده از خورشید بر اساس قیمت برق:
طبق قانون بودجه 1394، قیمت هر کیلووات ساعت برق به نرخ آزاد معادل 2933 ریال است.
$R = 2933 \times 4000 = 11732000Rials$
- قیمت تقریبی این آبگرمکن با کیفیت خوب در حدود: 18 میلیون ریال
- دوره بازگشت سرمایه
$E = 11700000 \div 18000000 = 1/5Year$
بنابراین با احتساب راندمان، دوره بازگشت سرمایه در این مسئله معادل 1/5 سال است که این به معنی این است که پس از 1/5 سال، آبگرمکن خورشیدی پول اولیه خودش را بازپس داده و پس از آن به سوددهی میرسد.
بنابراین آبگرمکن خورشیدی دارای توجیه اقتصادی است.
فعالیت کارگاهی (صفحه 208 کتاب درسی)
یک آبگرمکن خورشیدی را نصب و راهاندازی کنید.
1- قطعات پایه را انتخاب نمائید.
2- قطعات زین و ابرو را به پایه کوتاهتر اتصال دهید.
3- پایه بلندتر را به طرف دیگر زین و ابرو اتصال دهید تا شکل A حاصل شود.
4- یک A دیگر بسازید و با پروفیل باریک پایههای کوتاهتر را به یکدیگر اتصال دهید.
5- پایههای بلندتر را با پروفیل نگهدارنده لولههای خلإ به یکدیگر اتصال دهید.
6- قطعات خرپا را اتصال دهید پس از رسیدن به شکل نهایی بدنه پیچ و مهرهها را محکم کنید تا سازه استحکام یابد.
7- مهرههای زیر مخزن را باز و مخزن را روی زینها قراردهید. دقت کنید که پیچهای مخزن وارد سوراخهای شوند،سپس مهرهها را مجدداً ببندید تا مخزن محکم شود.
8- کمی مایع ظرفشویی و آب را در یک ظرف مخلوط کنید و به سر لولهها بمالید. واشر گردگیر را در محل خود قرار دهید و بعدداخل لولهها را از آب پر نمائید و آنها را به آرامی داخل مخزن راهنمایی کنید.
9- المنت برقی را در محل خود در زیر مخزن نصب نمائید.
10- منبع پرکن را بر روی مخزن در محل خود نصب نمائید و سپس لوله ونت را بر روی بوشن کناری منبع پرکن نصب نمائید.
آبشیرینکن خورشیدی
هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی میماند. سپس با استفاده از روشهای مختلف میتوان آب تبخیر شده را به مایع تبدیل کرد و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این روش میتوان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند مانند جزایر را تأمین کرد. آبشیرینکن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته میشوند. جدیدترین محصول تلفیقی از آبشیرینکن و آبگرمکن خورشیدی است که هم زمان تولید آب شیرین جهت شرب و آبگرمکن جهت استفاده بهداشتی مینماید.
مزایای استفاده از آبشیرینکنهای خورشیدی
1- کمترین (حداقل) پساب
2- حداقل استفاده از انرژیهای فسیلی
3- توانایی شیرین کردن آب شور با هر غلظت و هر نوع نمکی
4- نصب و نگهداری آسان
5- طول عمر بالا
6- قیمت ارزان و اقتصادی
