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

طرح دیدگاه و اهداف پروژه
مقدمه :
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.
بررسی آبگرمکن های خورشیدی :
به دنبال معرفی اهداف پروژه در کاهش قیمت آبگرمکن خورشیدی، ابتدا سیستم های را معرفی خواهیم کرد که پتانسیل بهتری برای افزایش بازدهی، پایداری و کاهش قیمت دارند. در این فصل به معرفی 13 نمونه آبگرمکن خورشیدی و معرفی مزایا و معایب هریک از آنها می پردازیم.
2-1- معیارهای طراحی آبگرمکن خورشیدی :
سیستم های مختلف آبگرمکن خورشیدی خانگی (SDHW) به طور معمول به دو دسته مختلف تقسیم بندی می شوند.
1-    سیستم های مستقیم : در این نوع سیستم آب شهر به طور مستقیم در کلکتور جریان می یابد.
2-    سیستم های غیر مستقیم : در این نوع سیستم ها ، آب گرم مصرفی به طور غیرمستقیم با استفاده از یک مبدل حرارتی تأمین می شود. تقسیم بندی شماتیک این دو نوع سیستم در شکل (1-2) آورده شده اند.
به طور کلی هیچ سیستمی همیشه نمی تواند به طور کامل از دیگر سیستم ها برتر باشد و هر سیستم مشخصات خاص خود را دارد و هر کدام به نوبه خود به طور کامل کار نمی کنند. برای طراحی آبگرمکن خورشیدی که بتواند اهداف موجود در این پروژه را برآورده کند، معیارهایی مطرح شده اند که به ترتیب در زیر آورده شده اند.
فهرست مطالب
عنوان                                        صفحه
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