محاسبه شیب بهینه گردآورهای خورشیدی تخت و مقایسه کاربرد آن‌ها با یکدیگر در فصول مختلف سال در کرمان

نوع مقاله : مستخرج از پایان نامه

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه معماری، دانشکده معماری و شهرسازی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران *(مسئول مکاتبات)

2 دانشیار گروه معماری، دانشکده معماری و شهرسازی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

3 دانشیار گروه مکانیک سیالات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

10.22034/jest.2020.11198

چکیده

زمینه و هدف: امروزه بحران انرژی و افزایش مصرف منابع تجدیدناپذیر همراه با آلودگی‌های ناشی از آن‌ها، یکی از مشکلات عمده بسیاری از کشورها از جمله ایران بوده و یکی مهم‌ترین عوامل تخریب زمین و تغییرات اقلیمی به شمار می‌رود. بنابراین بسیاری از کشورها به توسعه کاربرد منابع انرژی تجدید‌پذیر پرداخته و ‌در این بین انرژی خورشیدی یکی از مهم‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر در جهان و دومین منبع انرژی تجدیدپذیر در ایران پس از انرژی باد به شمار می‌رود. این انرژی به روش‌های مختلفی قابل بهره‌برداری بوده و در    این‌ زمینه گردآورهای تخت یکی از ساده‌ترین سامانه‌هایی هستند که به سهولت می‌توان از آن‌ها در ساختمان و نیروگاه‌هایی نظیر       برج باد خورشیدی ‌استفاده کرد. با توجه به تغییرات روزانه و فصلی تابش خورشید، برآورد شیب بهینه گردآورها به جهت داشتن بازده حداکثری بسیار با اهمیت خواهد بود.
 روش بررسی: در این نوشتار بر اساس یک الگوی ریاضی و استفاده از داده‌های اقلیمی، شیب بهینه گردآورهای تخت در شهر کرمان مورد بررسی قرار گرفته و نتایج بر اساس نحوه استفاده از گردآور با یکدیگر مقایسه و در نهایت شیب بهینه به صورت ماهانه، فصلی و سالیانه ارزیابی می‌گردد. علاوه بر این‌ها برای درک بهتر موضوع، درصد انرژی دریافتی سالیانه گردآورها با زوایای مختلف نسبت به زاویه بهینه در یک جدول ارایه شده است.
یافته‌ها: در بخش نتیجه‌گیری، زاویه بهینه شیب گردآور در طول سال و فصل‌های مختلف بهار، تابستان، پاییز و زمستان همراه با زاویه بهینه سامانه‌های گرمایش استخرهای روباز و سامانه‌های گرمایش ساختمان ارایه گردیده و در پایان به مقایسه بازده گردآورهای عمودی و افقی نسبت به بازده حداکثری شیب بهینه در طول سال پرداخته شده است.
بحث و نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که زاویه شیب بهینه گردآورهای تخت در شهر کرمان در طول سال 32 درجه می‌باشد. این زاویه برای شش‌ماهه اول سال 7 درجه و برای شش‌ماهه دوم سال 53 درجه خواهد بود. همچنین تابش سالانه گرداورهای افقی حدود90% حداکثر تابش مجموع سالانه بوده و گردآورهای قایم نیز کم‌ترین تابش دریافتی را در طول سال به خود اختصاص می‌دهند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و دوم، شماره یک، فروردین  ماه 99

 محاسبه شیب بهینه گردآورهای خورشیدی تخت و مقایسه کاربرد آن‌ها با یکدیگر در فصول مختلف سال در کرمان

 

احمد جامعی[1]*

ahmadjameei@ut.ac.ir

 حسن ذوالفقارزاده[2]

 پوریا اکبرزاده[3]

 تاریخ دریافت: 12/10/95

                                                     تاریخ پذیرش: 31/03/96

چکیده

زمینه و هدف: امروزه بحران انرژی و افزایش مصرف منابع تجدیدناپذیر همراه با آلودگی‌های ناشی از آن‌ها، یکی از مشکلات عمده بسیاری از کشورها از جمله ایران بوده و یکی مهم‌ترین عوامل تخریب زمین و تغییرات اقلیمی به شمار می‌رود. بنابراین بسیاری از کشورها به توسعه کاربرد منابع انرژی تجدید‌پذیر پرداخته و ‌در این بین انرژی خورشیدی یکی از مهم‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر در جهان و دومین منبع انرژی تجدیدپذیر در ایران پس از انرژی باد به شمار می‌رود. این انرژی به روش‌های مختلفی قابل بهره‌برداری بوده و در    این‌ زمینه گردآورهای تخت یکی از ساده‌ترین سامانه‌هایی هستند که به سهولت می‌توان از آن‌ها در ساختمان و نیروگاه‌هایی نظیر       برج باد خورشیدی ‌استفاده کرد. با توجه به تغییرات روزانه و فصلی تابش خورشید، برآورد شیب بهینه گردآورها به جهت داشتن بازده حداکثری بسیار با اهمیت خواهد بود.

 روش بررسی: در این نوشتار بر اساس یک الگوی ریاضی و استفاده از داده‌های اقلیمی، شیب بهینه گردآورهای تخت در شهر کرمان مورد بررسی قرار گرفته و نتایج بر اساس نحوه استفاده از گردآور با یکدیگر مقایسه و در نهایت شیب بهینه به صورت ماهانه، فصلی و سالیانه ارزیابی می‌گردد. علاوه بر این‌ها برای درک بهتر موضوع، درصد انرژی دریافتی سالیانه گردآورها با زوایای مختلف نسبت به زاویه بهینه در یک جدول ارایه شده است.

یافته‌ها: در بخش نتیجه‌گیری، زاویه بهینه شیب گردآور در طول سال و فصل‌های مختلف بهار، تابستان، پاییز و زمستان همراه با زاویه بهینه سامانه‌های گرمایش استخرهای روباز و سامانه‌های گرمایش ساختمان ارایه گردیده و در پایان به مقایسه بازده گردآورهای عمودی و افقی نسبت به بازده حداکثری شیب بهینه در طول سال پرداخته شده است.

بحث و نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد که زاویه شیب بهینه گردآورهای تخت در شهر کرمان در طول سال 32 درجه می‌باشد. این زاویه برای شش‌ماهه اول سال 7 درجه و برای شش‌ماهه دوم سال 53 درجه خواهد بود. همچنین تابش سالانه گرداورهای افقی حدود90% حداکثر تابش مجموع سالانه بوده و گردآورهای قایم نیز کم‌ترین تابش دریافتی را در طول سال به خود اختصاص می‌دهند.

 واژه­های کلیدی: انرژی تجدید پذیر، انرژی خورشیدی، تابش خورشید، گردآورهای تخت، زاویه بهینه گردآور.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 22, No.1,March, 2020

 

 

 


The Calculation of  Optimized Slop of  Flat Solar

Collectors and Comparing of Their Application

at Each Month of the Year in Kerman

 

A. Jameei[4]

ahmadjameei@ut.ac.ir

H. Zolfagharzadeh[5]

 P. Akbarzadeh[6]

 

Accepted: 2017.06.21

Received: 2017.01.01

Abstract

Background and Objective: Today energy crisis and inherent environmental pollution caused by increasing consumption of non-renewable resources are one of the most major concerns of many countries including Iran and using of them is one of the most important factors to Earth demolition and climatic changes. Thus, numerous developed and enlarged countries try to extend the application and use of renewable energy resources. In this regard, the solar energy is one of the most important renewable and sustainable energy sources in the world and it mainly can be enumerated as the second largest energy sources in Iran after wind energy. This energy can be exploited in several methods such as flat collectors as one of the simplest and most usable systems that can be used in the buildings and solar chimney power plant. Due to daily and seasonal variations of the sun radiation, the optimal tilt estimation of collectors with maximum efficiency is very important.

Method: This paper is based on a mathematical pattern and climatic data and the optimized tilt of flat collectors in city of Kerman is investigated. Then, by comparing and analyzing results of charts and tables, optimized tilt of flat collector at each month, season and annual are extracted and contrasted. Additionally, the percent of received radiation of each angle of plates in comparison to the optimized Angele are discussed.

Findings: In the conclusion section, the optimal angle tilt of collector over the year including spring, summer, autumn and winter seasons besides the optimal angle building heating systems and outdoor swimming pools heating systems are also presented. Finally, efficiency of vertical and horizontal collectors has been investigated with respect to maximizing the efficiency of optimal tilt of collector over the year.

Keywords: Renewable Energy, Solar Energy, Solar Radiation, Flat Collectors, Optimal Collector Angle


 

 

مقدمه

امروزه دست‌یابی به منابع انرژی پایدار و تجدیدپذیر از مهم‌ترین اهداف کشورهای پیشرفته و در حال توسعه به شمار می‌رود. چرا که رشد بالای مصرف انرژی منجر به افزایش فزآینده‏ای در حجم استخراج سوخت‏های فسیلی گردیده که به عنوان مثال در سال 2012 بالغ بر 85% مقدار انرژی مصرفی دنیا را شامل می‌شده است (شکل (1)) (1). وابستگی به انرژی‌های فسیلی در کشور ایران که یکی از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان نفت و گاز جهان به شمار می‏رود، بسیار حادتر می‏باشد چراکه عمده درآمد سالانه کشور، حاصل از فروش فرآورده‏های نفتی بوده و سرانه مصرف انرژی در ایران نیز فراتر از میانگین‏های جهانی است.

 

 

 

شکل 1- نمودار منابع انرژی مصرفی در سال 2012 (1)  

Figure 1- World energy consumption of sources, 2012 (1)

 

 

 

در این زمینه نکته با اهمیت آن است که کلیه منابع انرژی فسیلی تا پایان قرن 21 به پایان خواهد رسید (3).  علاوه بر این‌ها مسأله مهم دیگر، بحث آلودگی هوا و پدیده گرمایش زمین بر اثر کاربرد سوخت‌های فسیلی و تولید گازهای گل‌خانه‌ای مانند دی‏اکسیدکربن می‌باشد بطوری‌که میانگین دمای هوای زمین تا سال 2010 به رقم 6/14 درجه سانتی‌گراد نزدیک شده (4) و مقدار دی اکسید کربن موجود در هوا تا تابستان سال 2015 به 80/402  واحد در میلیون (PPM) رسیده است (5). لذا توسعه و کاربرد منابع انرژی غیر فسیلی نظیر انرژی خورشید امری بسیار مهم بوده و علی‌رغم همه مشکلاتی که در استفاده از آن وجود دارد، دومین منبع مناسب انرژی تجدیدپذیر در ایران به شمار می‌رود (6). در حال حاضر طیف گسترده‏ای از سامانه‌های تبدیل انرژی خورشیدی وجود دارد که اصولاً در تمامی آن‌ها از دو روش برای تبدیل انرژی استفاده می‏گردد. دسته اول سامانه‌هایی هستند که پرتوها را به صورت مستقیم به انرژی الکتریسیته تبدیل می‌نمایند و شامل سلول‌های فتوولتائیک بوده و سامانه‌های تبدیل مستقیم نامیده می‌شوند (2). دسته دوم این سامانه‌ها برای رسیدن به  فرم مناسبی از انرژی، بیش‌تر از یک تبدیل در انرژی خورشید پدید می‏آورند که به آن‌ها سامانه‏های "غیر مستقیم" می‏گویند (7) بطوری‌که انرژی خورشید ابتدا به انرژی حرارتی تبدیل گردیده و سپس برای گرمایش، آب گرم مصرفی خانگی و تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار می‏گیرند (2). در این میان، گردآورهای تخت یکی از زیرمجموعه‌های سامانه‌های غیر مستقیم بوده که بیش‌ترین کاربرد را در صنعت ساختمان دارا هستند. این گردآورها با ساختاری نسبتا ساده جهت گرم کردن آب یا هوا در دمایی بین 40-150 درجه سانتی‌گراد مورد استفاده قرار می‌گیرند. از موارد کاربرد آن‌ها می‌توان به گرمایش مستقیم ساختمان، تامین آب گرم مصرفی و آب استخر به صورت فعال و غیرفعال و یا ترکیبی اشاره کرد (8). علاوه بر این‌ها کاربرد دیگر گردآورهای تخت، استفاده از آن‌ها در نیروگاه برج‌ باد خورشیدی است که شماتیک آن در شکل (2) نشان داده شده است. این نیروگاه متشکل از سه بخش گردآور افقی (گل‌خانه)، برج و توربین بادی بوده و اساسا نحوه گردآوری امواج خورشید و محاسبات آن همانند گردآورهای تخت می‌باشد. نکته قابل توجه در تمامی این سامانه‌های خورشیدی انتخاب شیب بهینه گردآور جهت بهره‌برداری حداکثری از تابش خورشید در طول فصل‌های مختلف سال می‌باشد. چراکه با توجه به نحوه استفاده از سامانه، زاوایای تابش متفاوتی باید در نظر گرفته شود و یا با تغییر فصل‌های مختلف، زاویه گردآور جهت افزایش بهره‌وری تغییر یابد. لذا در این نوشتار بر اساس یک الگوی ریاضی و استفاده از داده‌های اقلیمی، شیب بهینه گردآورهای تخت در شهر کرمان مورد بررسی قرار گرفته و نتایج هر فصل بر اساس نحوه استفاده از گردآور به جهت گرمایش آب مصرفی، ساختمان و آب استخر با یکدیگر مقایسه شده و در نهایت شیب بهینه به صورت ماهانه، فصلی و سالیانه ارزیابی می‌گردد. علاوه بر این‌ها برای درک بهتر نتایج، درصد انرژی دریافتی سالیانه گردآورها با زوایای مختلف به ویژه زاویه افقی و قایم نسبت به زاویه بهینه در یک جدول با یکدیگر مقایسه شده است.

 

 

 

شکل 2- شماتیک ساده یک نیروگاه برج باد خورشیدی (7)

Figure 2- A schematic structure of solar chimney power plant (7)

 


چشم‌انداز کلی از پرتوهای در دسترس

جهت طراحی تاسیسات مورد نیاز تبدیل انرژی خورشید، لازم است پرتوهای تابشی بر روی سطوح گردآورها تابیده شوند. در این بین، کارکرد خورشید منوط به امواج گوناگونی است که کیفیت و مقدار آن‌ها به کمیت‌هایی نظیر فصل، عرض جغرافیایی، ارتفاع از سطح دریا، درجه ابری بودن آسمان، بخار آب و گرد وغبار هوا وابسته می‌باشد. با این‌حال طراحی یک سامانه خورشیدی و پیش‏بینی مقدار انرژی تولید شده آن با تکیه بر محاسبات اصولیترکیبات امواج تابشی خورشید امکان پذیر می‏باشد. در اغلب موارد،  این محاسبات براساس   یک دستورالعمل مشخص برای پرتوهای مستقیم، پراکنده و انعکاسی در یک دوره یک ساعته، یک روزه یا یک ماهه انجام می‌پذیرد (شکل (3)). در این دستورالعمل، اطلاعات روزانه و ماهانه پرتوهای خورشید به همراه  مدل‏های  مشابه‏ای  از  گنبد

 

 

 

آسمان[7] مورد استفاده قرار می‌گیرد (2) که روابط حاکم بر آن‌ها در بخش بعدی به تفصیل توضیح داده خواهد شد.

 

 

شکل 3- پرتوهای تابشی مستقیم، پر کنده و انعکاسی زمین بر روی یک صفحه تخت شبیدار (9)

Figure 3- Beam, diffuse, and ground-reflected radiation on a tilted surface (9)

 

روش بررسی و محاسبه میزان تابش دریافتی توسط یک سطح شیب‌دار

مقدار انرژی دریافت شده توسط گردآور به واسطه استفاده از میانگین ماهانه تابشِ حداکثرِ روزانه بر روی یک سطح افقی تعیین می‏گردد که این عدد از راه‏حل ارایه شده توسط دافی[8] و بکمن[9] در سال1991 بدست می‏آید(9). بدین ترتیب میانگین ماهانه تابش خورشید در بالای جو (Mj/m2 day) برابر است با (12-9):

(1)

 

 

که در آن (w/m2) ثابت تشعشعی خارج از جو ، n شماره ژولیوسی، که تعداد روزهای سال بوده و از اول ژانویه محاسبه می‏گردد، (deg) عرض جغرافیایی محل مورد نظر و (deg) زاویه بین جهت خورشید و خط استوا (زاویه میل) بوده و از رابطه (2) بدست می‏آید:

(2)

 

در این رابطه اگر محاسبات بر اساس متغییرهای میانگین ماهانه باشد، پیشنهاد می‏شود برای محاسبه n از ارقام میانگین روزها برای هر ماه استفاده شود (2). همچنین (deg) زاویه ساعتی خورشید در هنگام غروب به سمت صفحه افقی بوده و از رابطه (3) بدست می‏آید:

(3) 

 

مرحله دوم برآورد و محاسبه (-) میانگین ماهانه شاخص شفافیت[10]است که از رابطه (4) بدست می‌آید (11):

(4)  

 

آ

که (Mj/m2 day) مقدار میانگین ماهانه تابش رسیده به سطح افقی است. برای محاسبه پرتوهای مستقیم (Mj/m2) ابتدا می‌بایست پرتوهای پراکنده (Mj/m2) موجود در آسمان (رابطه (5)) و سپس نسبت پرتوهای تابیده شده بر سطح شیب‌دار به پرتوهای وارد بر سطح افقی (ضریب تبدیل امواج مستقیم[11])  (رابطه (6))  محاسبه گردد (1، 9، 12، 13):  

(5)  

 

(6) 

 

 

که (deg) زاویه ساعت غروب خورشید به سمت صفحه شیب‌دار بوده و از رابطه (7) بدست می‏آید (2):

(7)   

 

بنابراین میانگین ماهانه امواج تابشی مستقیم خورشید (Mj/m2)برابر است با:

(8)  

 

برای محاسبه میزان پرتو‏های پراکنده وارد بر یک سطح شیب‌دار، برآورد ضریب تبدیل امواج پراکنده لازم و ضروری است که این ضریب بر اساس مدل لیو و جردن در حالت ایزوتروپیک[12]  برابر است با (13):

(9)

 

پرتوهای انعکاسی نیز بخش دیگری از پرتوهای رسیده به سطح شیب‌دار به شمار می‏آیند که با استفاده از مدل لیو و جردن برای محاسبه مقدار عددی آن‌ها، می‌بایست ضریب انعکاس سطح زمینرا مشخص کرده و ضریب تبدیل امواج بازتابش شدهرا مطابق رابطه (10) محاسبه کرد (1، 13):

(10)

 

 

نتیجتا میانگین ماهانه تابش مجموع (Mj/m2) پرتوهای روزانه خورشید بر روی یک سطح شیب‌دار (گردآور) رو به جنوب در    نیمکره شمالی و در حالت ایزوتروپیک برابر است با مجموع میانگین ماهانه پرتوهای روزانه مستقیم، پرآکنده و انعکاسی بر روی سطح گردآور است و از رابطه (11) بدست می‏آید (1، 10 و 13):

(11)

 

 

با قراردادن روابط (8)، (9)، (10) در رابطه (11) خواهیم داشت:

(12)

 

 

محاسبه میزان تابش دریافتی برای شیب‌های مختلف

با بهره‌گیری از داده‌های سازمان هواشناسی کشور شامل انرژی تشعشعی کل بر روی سطح افقی بیست ساله و با استفاده از نرم‌افزار  (SPSS) زوایای مختلف گردآوار از زاویه صفر درجه برای گردآورهای افقی تا زاویه 90 درجه برای گردآورهای عمودی به صورت ماهانه، فصلی و سالانه برای شهر کرمان با طول جغرافیایی 05/57 و عرض جغرافیایی 15/30 مورد ارزیابی قرار گرفت، زاویه بهینه گردآور   (deg) محاسبه

و نتایج آن‌ها در جداول و نمودارها ارایه گردید. لازم به توضیح است که مطابق مرجع (2) در این محاسبات،  ضریب انعکاس سطح زمین برابر با 4/0در نظر گرفته شده است.

بدین ترتیب در جدول (1) مولفه‌های تابش خورشید، نظیر تشعشع خارج از جو زمین، تشعشع پراکنده، تشعشع مستقیم، تشعشع روی سطح افقی و زاویه بهینه ماهانه در شهر کرمان ارایه گردیده است. در جدول (2) مقدار تابش دریافتی روزانه، برای زوایای شیب مختلف  به همراه مجموع تابش فصلی و سالیانه آن‌ها ارایه شده است. همچنین در نمودار (1)، مقدار تشعشع کل ماهانه روی سطوح شیب‌دار، در نمودار (2)، تابش دریافتی برای زوایای مختلف، در نمودار (3)، تشعشع کل روی سطوح شیب‌دار به صورت فصلی و نمودار (4)، جمع سالانه تشعشعات تابیده شده به سطوح شیب‌دار ارایه گردید. در جدول (3) نیز به جهت درک آسان و مقایسه حداکثر تابش سالانه بر روی شیب‌های مختلف، درصد جذب مجموع سالانه زوایای 0 تا 90 درجه نسبت به زاویه بهینه ارایه شد. در ادامه بررسی و تحلیل نتایج در بخش بعدی به تفصیل بیان شده است.

 

بررسی و تحلیل نتایج محاسبات

با توجه به جدول (1) که در آن فاکتورهایی نظیر مقدار تشعشع خارج از جو زمین، تشعشع مستقیم، تشعشع پراکنده و تشعشع بر روی سطح افق برای هر ماه و همچنین  زاویه اپتیمم ماهانه برای شهر کرمان ارایه شده است، زاویه بهینه سطح شیب‌دار برای دریافت حداکثر انرژی تابشی خورشید برای هر ماه محاسبه و جهت مقایسه با تشعشع ماکزیمم روی سطح افقی همان ماه ارایه گردید. در این جداول      به عنوان مثال حداکثر تشعشع دریافتی در ماه جولای بر روی زاویه بهینه صفر درجه (Mj/m2)21/29 می‌باشد.

 

 

 

نمودار1- مقدار تشعشع کل روی سطوح شیب‌دار به صورت ماهانه

Chart 1- The total radiation on tilted surfaces of each month

 

 

 

نمودار 2- مقدار تابش دریافتی برای زوایای شیب 0 الی 90 درجه برحسب مگاژول بر متر مربع برای

 شهر کرمان در ماه‌های سال

Chart 2-Received radiation (Mj/m2) on tilted angles of 0 to 90 of each month in Kerman

 

 

 

 

 

جدول1- مولفه های تشعشع به ازای هرماه و زاویه بهینه به صورت ماهانه برای شهر کرمان.

Table 1- Monthly radiation of components and optimal angle of each month in Kerman

ماه

 

Mj/m2

 

Mj/m2

 

Mj/m2

 

Mj/m2

 

Mj/m2

 

deg

ژانویه

09/21

52/3

34/10

86/13

73/23

61

فوریه

82/25

16/5

76/10

92/15

62/21

49

مارچ

47/31

97/5

7/14

67/20

88/23

36

آوریل

76/36

14/7

38/16

52/23

18/24

16

می

01/40

69/7

22/18

91/25

91/25

0

جون

16/41

66/7

87/19

53/27

53/27

0

جولای

48/40

74/6

47/22

21/29

21/29

0

آگوست

9/37

53/6

3/20

83/26

07/27

8

سپتامبر

3/33

28/5

35/19

63/24

21/27

30

اکتبر

41/27

33/4

96/15

29/20

31/27

48

نوامبر

16/22

32/3

4/12

72/15

90/25

58

دسامبر

72/19

26/3

81/9

07/13

58/23

62

 

 

نتیجتا زاویه بهینه گردآور‌های تخت برای هر یک از ماه‌های ژانویه 61 درجه، فوریه 49 درجه، مارس 36 درجه، آوریل 16 درجه، می، جون و جولای صفر درجه، آگوست 8 درجه، سپتامبر 30 درجه، اکتبر 48 درجه، نوامبر 58 درجه و دسامبر 62 درجه است. با توجه به نتایج جدول (2) و نمودار (4) که در آن جمع سالانه تشعشع کل برای هر زاویه مورد ارزیابی قرار گرفته شده، زاویه بهینه‌ای که سبب دریافت بیش‌ترین تابش خورشید در طول سال می‌شود، 32 درجه بوده که مجموع تابش سالانه آن (Mj/m2)5/286 می‌باشد. این مقدار برای گردآور افقی (Mj/m2)16/257 و برای گردآور قایم (Mj/m2)64/198 خواهد بود. بنابراین برای سامانه‌هایی که در تمامی طول سال مورد استفاده قرار می‌گیرند، زاویه 32 درجه مناسب‌ترین خواهد بود. این نکته قابل ذکر است که زوایای 0 تا 68 درجه در طول سال بیش‌تر از (Mj/m2)250 انرژی دریافت می‌کنند. علاوه بر زوایای فوق زاویه بهینه گردآور در فصل‌های
بهار و تابستان به ترتیب 2 و 12 درجه خواهد بود. این زاویه برای فصل‌های پاییز و زمستان به ترتیب 50 و 57 درجه است. همچنین اگر دریافت بیش‌ترین تابش خورشید در ماه‌های سرد سال مورد نظر باشد (به عنوان مثال گرمایش یک ساختمان در فصل‌های پاییز و زمستان) زاویه بهینه 53 درجه و اگر بیش‌ترین تابش در فصل‌های گرم سال مورد نظر باشد (به عنوان مثال گرمایش آب استخرهای روباز) زاویه بهینه 7 درجه مناسب خواهد بود. در این میان سطوح قایم با زاویه 90 درجه کم‌ترین تابش دریافتی را در فصل‌های گرم و نیز در طول سال به خود اختصاص می‌دهند. این نکته قابل ذکر است در سامانه‌هایی که در آن‌ها از گردآورهای افقی با زاویه صفر درجه استفاده می‌شود (مانند گردآورهای نیروگاه‌‌های برج باد خورشیدی)، تابش مجموع سالانه آن‌ها نسبتا مناسب بوده و حدودا 90% حداکثر تابش دریافتی سالانه خواهد بود.

 

 

 

 


 

نمودار 3- تشعشع کل روی سطح شیب‌دار بر حسب زاویه به صورت فصلی برای شهر کرمان

Chart 3- Total seasonal l radiation (Mj/m2) on tilted collectors in Kerman

 

 

نمودار 4- جمع سالانه تشعشع کل بر روی سطوح شیب‌دار برحسب زاویه برای شهر کرمان

Chart 4- Annual sum of total radiation (Mj/m2) on tilted surface in Kerman

نتیجه‌گیری

 

به طور کلی در تمامی انواع گردآورهای خورشیدی، زاویه شیب گردآور یکی از مهم‌ترین و تاثیرگذارترین عوامل در کسب حداکثر تابش خورشیدی در طول سال به شمار می‌آید. با این‌حال عوامل بسیار زیادی نظیر درجه ابری بودن آسمان در مقدار انرژی جذب شده توسط یک گردآور موثر هستند که کنترل هر یک از آن‌ها از دسترس انسان خارج است. در گردآورهای تخت علاوه بر زاویه بهینه، جنس مصالح شفاف نور گذر و نیز نحوه محافظت از حرارت بدست‌آمده در افزایش بازده سامانه بسیار موثر خواهد بود.

در نوشتار حاضر، مقدار تابش دریافتی روی سطوح شیب‌دار با زوایای مختلف در شهر کرمان با استفاده از مدل‌سازی ریاضی محاسبه و پس از بررسی، نتایج زیر حاصل شده است:

  • زاویه شیب بهینه برای گردآورهای تخت در شهر کرمان 32 درجه می‌باشد.
  • زاویه شیب بهینه گردآورهای تخت در فصل بهار 2 درجه، فصل تابستان 12 درجه، فصل پاییز 50 درجه و فصل زمستان  57 درجه می‌باشد.
  • اگر دریافت بیش‌ترین تابش در فصل‌های گرم سال مورد نظر باشد ( به عنوان مثال گرمایش آب استخرهای روباز) زاویه بهینه 7 درجه مناسب خواهد بود.
  • اگر دریافت بیش‌ترین تابش خورشید در ماه‌های سرد سال مورد نظر باشد ( به عنوان مثال گرمایش یک ساختمان در فصل‌های پاییز و زمستان) زاویه بهینه 53 درجه مناسب خواهد بود.
  • بازده سالانه گردآورهای عمودی در کرمان حداقل بوده و نزدیک به 69% حداکثر بازده انرژی دریافت شده توسط گردآوری با زاویه شیب 32 درجه
    (شیب بهینه) در سراسر سال می‌باشد.
  • در سامانه‌هایی که در آن‌ها از گردآورهای افقی با زاویه صفر درجه استفاده می‌شود مانند گردآورهای نیروگاه‌‌های برج باد خورشیدی، تابش مجموع سالانه آن‌ها حدودا 90% حداکثر تابش مجموع سالانه می‌باشد.

 

تشکر و قدردانی

نویسندگان این مقاله از دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، دانشگاه صنعتی شاهرود و هیات تحریریه فصلنامه علوم و تکنولوژی محیط زیست کمال سپاسگزاری را دارند.

 

 

جدول2- تابش دریافتی روزانه برای زوایای شیب مختلف برحسب مگاژول بر متر مربع در ماه‌های مختلف سال شهر کرمان

Table 2- Daily received radiation (Mj/m2) on tilted surface of each month in Kerman  

ماه

زاویه شیب

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

 

ژانویه

86/13

63/16

03/19

21

46/22

38/23

72/23

49/23

67/22

31/21

 

فوریه

92/15

88/17

47/19

65/20

37/21

62/21

39/21

68/20

52/19

94/17

 

مارس

67/20

18/22

22/23

78/23

84/23

38/23

43/22

02/21

18/19

98/16

 

آوریل

52/23

07/24

15/24

77/23

93/22

66/21

99/19

99/17

73/15

29/13

 

می

91/25

64/25

93/24

8/23

27/22

4/20

25/18

9/15

48/13

16/11

 

جون

53/27

82/26

68/25

15/24

25/22

06/20

64/17

12/15

64/12

46/10

 

جولای

21/29

61/28

53/27

98/25

24

67/21

07/19

3/16

53/13

11

 

آگوست

83/26

07/27

8/26

01/26

72/24

98/22

84/20

38/18

7/15

94/12

 

سپتامبر

63/24

06/26

93/26

21/27

89/26

99/25

53/24

55/22

13/20

32/17

 

اکتبر

29/20

8/22

81/24

26/26

09/27

29/27

86/26

79/25

13/24

93/21

 

نوامبر

72/15

69/18

24/21

28/23

77/24

65/25

9/25

5/25

48/24

86/22

 

دسامبر

07/13

92/15

42/18

49/20

07/22

1/23

56/23

43/23

72/22

45/21

 

بهار

9/76

53/76

76/74

72/71

45/67

12/62

88/55

01/49

85/41

91/34

 

تابستان

67/80

74/81

26/81

20/79

61/75

64/70

44/64

23/57

36/49

26/41

 

پاییز

08/49

41/57

47/64

03/70

93/73

04/76

32/76

72/74

33/71

24/66

 

زمستان

45/50

69/56

72/61

43/65

67/67

38/68

54/67

19/65

37/61

23/56

 

فصول گرم

63/157

27/158

02/156

92/150

06/143

76/132

32/120

24/106

21/91

17/76

 

فصول سرد

53/99

10/114

19/126

46/135

60/141

42/144

86/143

91/139

70/132

47/122

 

جمع سالانه

16/257

37/272

21/282

38/286

66/284

18/277

18/264

15/246

91/223

64/198

 

جدول 3- مقایسه درصد جذب مجموع سالانه زوایای مختلف گردآور نسبت به زاویه بهینه 32 درجه

Table3- Comparison of total annual percent of absorption of different angles of collector to the optimal angle of 32 degrees.

 

 

منابع

 

      1.    Fitzsimmons, A., Ramesh, K., 2013. Statistical Review of World Energy 2013: Viva La Shale Revolución. see information in: https://www.instituteforenergyresearch.org/fossil-fuels/coal/statistical-review-of-world-energy-2013-viva-la-shale-revolucion/

      2.   Bostan, I., Gheorghe, A., Dulgheru, V., Sobor, I., Bostan, V., Sochirean, A., 2013. Resilient Energy Systems Renewables: Wind, Solar, Hydro. London: Springer; 1-64.

      3.   Anonymous, 2014. The End of Fossil Fuels. see information in: https://www.ecotricity.co.uk/our-green-energy/energy-independence/the-end-of-fossil-fuels/

      4.   Larsen, J., 2014. Global Temperature: 2013. Marked the Thirty-seventh Consecutive Year of Above-Average Temperature. see information in: http://www.earth-policy.org/indicators/C51/temperature_2014

      5.   Anonymous, 2015. Earth's CO2 Home Page. see information in: https://www.co2.earth/earths-co2-main-page

      6.   Mohajeri, M., Khaksar Astaneh, S., Prioritize renewable energy Resources in Iran with respect to sustainable development, using fuzzy AHP, The 3th Conference on Environmental Planning and Management, 2013, Tehran: Iran. (In Persian).

      7.   Bernardes, M. A. dos S., Voß, A., Weinrebe, G., 2003. Thermal and technical analyses of solar chimneys. Solar Energy, 75(6), 511-524.

      8.    Raoufi Rad, M., 2007. Designing of Building Solar Systems in Iran. Tehran: Fadak Isatis; 67-68. (In Persian).

      9.   Duffie, J.A., Beckman, W.A., 2013. Solar Engineering of Thermal Process. 4nd ed. New York: John Wiley; 223-239.

     10. Moini, S., Javadi, SH., Kokabi, M., Dehghan Monshadi, M., 2010.  Estimating solar radiation for IRAN by using an optimum Model. Iranian Journal of Energy, 13 (2), 1-10. (In Persian).

     11. Asante, D., 2014.The Design of Solar Chimney Power Plant for Sustainable Power Generation. Master of Science in Renewable Energy Technologies, Kwame Nkrumah University of Science and Technology, 28-36.

     12. Yazdanpanah, H., Mirmojarabian, R., Barghi, H., 2010. Estimating total incoming solar radiation on the earth surface of Isfahan. Geography and Environmental Planning, 21(1), 95-104. (In Persian).

     13. El-Sebaii, A.A., Al-Hazmi, F.S., Al-Ghamdi, A.A., Yaghmour, S.J., 2010.Global, direct and diffuse solar radiation on horizontal and tilted surfaces in Jeddah, Saudi Arabia. Applied Energy, 87, 568–576.

 

 




 

[1]- دانشجوی دکتری گروه معماری، دانشکده معماری و شهرسازی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران *(مسئول مکاتبات)

-[2] دانشیار گروه معماری، دانشکده معماری و شهرسازی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

[3]- دانشیار گروه مکانیک سیالات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران


 

[4]- Ph.D Student, Department of Architecture, Imam Khomeini International University, Qazvin Iran.*(Corresponding Author)

[5]- Department of Architecture, Faculty of Architecture and Urban Development, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.

[6]- Department of  Mechatronics Engineering, Faculty of Mechanical and Mechatronics Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran.


 

[7]- Celestial Vault

 

[8] - Duffie

[9] - Beckman

[10]- Monthly Average Daily Solar Clearness Index

[11]- Beam Radiation Conversion Factor

[12]- Isotropic

      1.    Fitzsimmons, A., Ramesh, K., 2013. Statistical Review of World Energy 2013: Viva La Shale Revolución. see information in: https://www.instituteforenergyresearch.org/fossil-fuels/coal/statistical-review-of-world-energy-2013-viva-la-shale-revolucion/
      2.   Bostan, I., Gheorghe, A., Dulgheru, V., Sobor, I., Bostan, V., Sochirean, A., 2013. Resilient Energy Systems Renewables: Wind, Solar, Hydro. London: Springer; 1-64.
      3.   Anonymous, 2014. The End of Fossil Fuels. see information in: https://www.ecotricity.co.uk/our-green-energy/energy-independence/the-end-of-fossil-fuels/
      4.   Larsen, J., 2014. Global Temperature: 2013. Marked the Thirty-seventh Consecutive Year of Above-Average Temperature. see information in: http://www.earth-policy.org/indicators/C51/temperature_2014
      5.   Anonymous, 2015. Earth's CO2 Home Page. see information in: https://www.co2.earth/earths-co2-main-page
      6.   Mohajeri, M., Khaksar Astaneh, S., Prioritize renewable energy Resources in Iran with respect to sustainable development, using fuzzy AHP, The 3th Conference on Environmental Planning and Management, 2013, Tehran: Iran. (In Persian).
      7.   Bernardes, M. A. dos S., Voß, A., Weinrebe, G., 2003. Thermal and technical analyses of solar chimneys. Solar Energy, 75(6), 511-524.
      8.    Raoufi Rad, M., 2007. Designing of Building Solar Systems in Iran. Tehran: Fadak Isatis; 67-68. (In Persian).
      9.   Duffie, J.A., Beckman, W.A., 2013. Solar Engineering of Thermal Process. 4nd ed. New York: John Wiley; 223-239.
     10. Moini, S., Javadi, SH., Kokabi, M., Dehghan Monshadi, M., 2010.  Estimating solar radiation for IRAN by using an optimum Model. Iranian Journal of Energy, 13 (2), 1-10. (In Persian).
     11. Asante, D., 2014.The Design of Solar Chimney Power Plant for Sustainable Power Generation. Master of Science in Renewable Energy Technologies, Kwame Nkrumah University of Science and Technology, 28-36.
     12. Yazdanpanah, H., Mirmojarabian, R., Barghi, H., 2010. Estimating total incoming solar radiation on the earth surface of Isfahan. Geography and Environmental Planning, 21(1), 95-104. (In Persian).
     13. El-Sebaii, A.A., Al-Hazmi, F.S., Al-Ghamdi, A.A., Yaghmour, S.J., 2010.Global, direct and diffuse solar radiation on horizontal and tilted surfaces in Jeddah, Saudi Arabia. Applied Energy, 87, 568–576.