طراحی بهینه سیستم گرمکن خورشیدی با رویکردهای کاهش مصرف انرژی موتورخانه و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای

فهرست مطالب

عنوان                                                                                   صفحه

فصل اول :مقدمه و بیان مسئله

1-فصل اول: مقدمه و بیان مساله……………………………………………………………………………… 2

1-1       مقدمه……………………………………………………………………………………………………….. 3

1-2       وضعیت مصرف انرژی در جهان……………………………………………………………………… 4

 1-2-1-منابع محدود انرژی‌های تجدید ناپذیر………………………………………………………….. 5

   2-2-1مسایل زیست محیطی……………………………………………………………………………….. 5

1-3       ظرفیت بالای انرژی خورشیدی……………………………………………………………………….. 7

1-4       مزایای استفاده از انرژی خورشیدی…………………………………………………………………… 7

1-5       بیان مساله………………………………………………………………………………………………….. 8

6-1 اهمیت و ضرورت انجام تحقیق……………………………………………………………………….. 11

1-7 اهداف تحقیق………………………………………………………………………………………………. 11

1-8 فرضیه ها……………………………………………………………………………………………………. 12

فصل دوم:پیشینه پژوهش

2           فصل دوم: پیشینه پژوهش………………………………………………………………………………. 14

2-1       مقدمه………………………………………………………………………………………………………. 14

2-2       انرژی خورشیدی………………………………………………………………………………………… 15

2-3       تاریخچه استفاده از انرژی خورشیدی……………………………………………………………….. 16

2-4       تاریخچه استفاده از آبگرمکن های خورشیدی…………………………………………………….. 18

فصل سوم: مواد و روش ها

3           فصل سوم: مواد و روش ها……………………………………………………………………………….     25

3-1       مقدمه :………………………………………………………………………………………………………      25

3-1-1        انرژی خورشیدی……………………………………………………………………………..     26

3-1-2        رابطه هندسی و زوایای زمین – خورشید…………………………………………….        28

3-2       کلکتورهای خورشیدی……………………………………………………………………………………     35

3-2-1            کلکتور های ساکن……………………………………………………………………………     36

3-2-2       کلکتورهای صفحه تخت (مسطح)……………………………………………………..        37

3-2-2-1     مواد جداره شیشه ای…………………………………………………………….       40

3-2-2-2     صفحات جذب کننده کلکتور……………………………………………….      41

3-2-3        ساختار کلکتور مسطح………………………………………………………………………      42

3-2-4   کلکتورهای جفت سهموی………………………………………………………………..       45

3-2-5        کلکتورهای لوله خلاء………………………………………………………………………       47

3-3       آبگرمکن های خورشیدی……………………………………………………………………………….      55

3-4       اجزاء اصلي تشكيل دهنده آبگرمكن خورشيدي………………………………………………….        57

3-5       انواع سیستم گرمکن خورشیدی …………………………………………………………………..         59

3-5-1       سیستم های ترموسیفون:………………………………………………………………  59

3-5-2       سیستم آب گرم خانگی پمپی……………………………………………………….. 59

3-5-3       سیستم های آب گرمکن غیر مستقیم………………………………………………  60

3-6       سیستم های ترکیبی (آب گرم مصرفی و گرمایش ساختمان) خورشیدی پمپی………   65

3-6-1    مقایسه سیستم های ترکیبی با آب گرمکن های خورشیدی………………..    66

3-6-2   سیستم آب گرم خانگی پمپی………………………………………………………… 66

3-6-3   سیستم های آب گرمکن غیر مستقیم………………………………………………  66

3-7       سیستم های ترکیبی (آب گرم مصرفی و گرمایش ساختمان) خورشیدی پمپی …..     67

3-7-1    مقایسه سیستم های ترکیبی با آب گرمکن های خورشیدی………………     67

3-8-نحوه دسته بندی سیستم های ترکیبی خورشیدی:……………………………………… …….. 68

3-9-روش تحلیل اقتصادی………………………………………………………………………. …….. 69

3-9-1- نرخ بهره و انواع آن…………………………………………………………………….. …….. 70

3-10- زمان بازگشت سرمایه …………………………………………………………………… …….. 71

3-10-1-زمان بازگشت سرمایه ساده (SPbT) :………………………………….. …….. 72

3-10-2- زمان بازگشت سرمایه پویا (RPbT) :…………………………………. …….. 72

3-10-3- زمان بازگشت سرمایه منصفانه (EPbT)………………………………. …….. 72

3-10-4-ارزش حال خالص………………………………………………………………….. 73

فصل چهارم :شبیه سازی سیستم حرارتی خورشیدی

4-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………… 75

4-2 شرایط آب و هوایی………………………………………………………………………………….. 76

4-3 مشخصات ساختمان مورد مطالعه………………………………………………………………….. 77

4-4  تحلیل فنی سیستم حرارتی خورشیدی………………………………………………………….. 81

2-4-4  آرایش های سری B: ……………………………………………………………… 90

3-2-4-4 تحلیل آرایش B3:   …………………………………………………… 96

3-4-4: آرایش های سری C: ……………………………………………………………… 99

5-4 مقایسه نتایج فنی شبیه سازی آرایشهای هر سری بصورت جداگانه از

 لحاظ راندمان سیستم…………………………………………………………………………………       105

1-5-4 مقایسه آرایش های سری A ………………………………………………………. 106

2-5-4 مقایسه نتایج آرایش های سری B………………………………………………… 106

3-5-4 مقایسه نتایج آرایش های سریC………………………………………………….. 107

فصل پنجم:جمع بندی و نتیجه گیری

1-5 جمع بندی:…………………………………………………………………………………………… ….112

2-5 نتایج بدست آمده از این پژوهش……………………………………………………………………………..117

فهرست شکلها

عنوان                                                                                              صفحه

شکل ‏31‑1: نمودار سهم هر یک از منابع انرژی در تأمین انرژی اولیه در سراسر جهان(فرریس، 2008)……….. 4

شکل1-2: نمودار سهم هر یک از منابع انرژی در تأمین انرژی الکتریکی در سراسر جهان[15]……………………. 5

شکل 1-3 : نمودار تغییرات دمای متوسط زمین نسبت به متوسط دما بین سال­های 2015-1980 میلادی……….. 6

شکل 1-4: ظرفیت بالای انرژی خورشیدی(کروتر، 2006)………………………………………………………………………. 7

شکل 3-1 : طیف تابش خورشیدی (آلفلاگ 2014)…………………………………………………………………………………. 26

شکل3-2 : کلکتور صفحه تخت (الف) نمای تجسمی از یک کلکتور صفحه تخت

 (ب) عکس یک برش از یک کلکتور صفحه تخت با لوله های قائم و زهکشی(کالاگیرو )……………………………. 29

شکل3-3: نمایی از جزئیات جذب کننده کلکتور صفحه تخت(کالاگیرو 2014، 128)…………………………………. 31

شکل 3-4 : انواع مختلف آرایش های جذب کننده کلکتور خورشیدی صفحه

 تخت برای آب و هوا(کالاگیرو 2014، 131)…………………………………………………………………………………………… 32

شکل : یک صفحه جذب کننده کلکتور پلاستیکی(کالاگیرو 2014، 133)………………………………………………………

شکل3-5: انواع جذب کننده های مختلف کلکتورجفت سهموی(کالاگیرو 2014، 134)………………………………. 38

شکل3-6- کلکتور جفت سهموی پانلی با جذب کننده های استوانه ای

 الف) دیاگرام شماتیک ب)عکس نصب کلکتور جفت سهموس پانلی(کالاگیرو 2014، 135)………………………. 40

شکل 3-7: دیاگرام شماتیک یک کلکتور لوله خلاء(کالاگیرو 2014، 137)………………………………………………….. 44

شکل 3-8-: نصب کلکتورهای لوله خلاء واقعی(کالاگیرو 2014، 137)……………………………………………………… 45

شکل 3-9-: آرایش کلکتور های لوله خلاء با بازتاب کننده ها الف) بازتاب کننده پراکنده تخت

ب) بازتاب کننده کلکتور جفت سهموی (کالاگیرو 2014، 139)……………………………………………………………….. 46

شکل3-10: لوله های کلکتور جفت سهموی یکپارچه الف) جفت سهموی داخلی

 ب) بازتاب کننده دایره ای باجذب کننده تیغه دار  (کالاگیرو 2014، 140)……………………………………………….. 47

شکل3-11:  سیستم آبگرمکن خورشیدی ترموسیفون مدار باز………………………………………………………………….. 49

شکل3-12:  سیستم آبگرمکن خورشیدی ترموسیفون مدار بسته……………………………………………………………….. 50

شکل 3-13 : نمایی از سیستم آبگرمکن کلکتور – منبع تغذیه یکپارچه………………………………………………………. 51

شکل 3-14: نمایی از سیستم مستقیم……………………………………………………………………………………………………… 51

شکل3-15: نمایی از سیستم غیر مستقیم (همراهی 1391)……………………………………………………………………….. 60

شکل3-16):  سیستم آبگرمکن خورشیدی ترموسیفون مدار بسته……………………………………………………………… 61

شکل 3-17) : نمایی از سیستم آبگرمکن کلکتور – منبع تغذیه یکپارچه…………………………………………………….. 62

شکل (3-18): نمایی از سیستم مستقیم…………………………………………………………………………………………………… 63

شکل 3-19): نمایی از سیستم غیر مستقیم (همراهی 1391)…………………………………………………………………….. 64

شکل 4-1 : شماتیک مربوط به آرایش نوع A1 سیستم حرارتی خورشیدی……………………………………………….. 60

شکل 4-2 : شماتیک مربوط به آرایش نوع A2 سیستم حرارتی خورشیدی……………………………………………….. 82

شکل 4-3 : شماتیک مربوط به آرایش نوع A3 سیستم حرارتی خورشیدی……………………………………………….. 85

شکل 4-4 : شماتیک مربوط به آرایش نوع B1 سیستم حرارتی خورشیدی……………………………………………….. 91

شکل 4-5 : شماتیک مربوط به آرایش نوع B2 سیستم حرارتی خورشیدی……………………………………………….. 94

شکل 4-6) : شماتیک مربوط به آرایش نوع B3 سیستم حرارتی خورشیدی……………………………………………… 97

شکل (7-4) : شماتیک مربوط به آرایش C1 سیستم حرارتی خورشیدی………………………………………………….. 108

شکل (8-4) : شماتیک مربوط به آرایش C2 سیستم حرارتی خورشیدی………………………………………………….. 113

فهرست جداول

عنوان                                                                                             صفحه

(جدول ‏3‑1): کلکتور های انرژی خورشیدی (کالاگیرو 2014، 126)……………………………… 37

(جدول 3-2): مشخصات یک نمونه سیستم کلکتور لوله خلاء(کالاگیرو 2014، 138)…………. 50

جدول (1-4) : گاز مصرفی ساختمان (مترمکعب)……………………………………………………… 78

جدول (2-4) : متوسط مصرف  ماهیانه ساختمان بر حسب مگاوات طی سالهای 1387 تا 1394 78

جدول (3-4) : مقدار مصرف آبگرم ساختمان بر حسب کیلووات ساعت…………………………. 79

جدول (4-4) : گاز مصرفی بابت گرمایش ساختمان و  پخت و پز (مترمکعب)………………… 79

جدول (5-4) : متوسط گاز مصرفی ماهانه بابت گرمایش ساختمان (مترمکعب) ………………… 80

جدول (4-6) : انرژی متوسط گاز مصرفی ماهانه بابت گرمایش ساختمان (KWh)…………… 80

(جدول 4-7): نتایج فنی آرایش A1………………………………………………………………………. 82

(جدول 4-8) : نتایج فنی آرایش A2…………………………………………………………………….. 85

جدول (9-4) : نتایج فنی آرایش A3…………………………………………………………………….. 88

(جدول 4-10) : نتایج فنی آرایش B1……………………………………………………………………. 91

(جدول 4-11) : نتایج مربوط آرایش B2………………………………………………………………… 94

جدول (12-4) : نتایج مربوط آرایش B3………………………………………………………………… 71

جدول (13-4) : نتایج مربوط آرایش C1……………………………………………………………….. 100

جدول (14-4) : نتایج مربوط آرایش C2………………………………………………………………………………………………… 103

(جدول 4-15) : داده های مربوط به تحلیل اقتصادی………………………………………………………………………………… 107

(جدول 5-1) : مقایسه برخی پارامترها و نتایج آرایش های بهینه………………………………….. 115

فهرست نمودارها

عنوان                                                                                             صفحه

نمودار (4-1) : نمودار شدت تابش خورشیدی سالیانه شهر اراک ………………………………………………………………. 76

نمودار (2-4) : میانگین دمای شهر اراک در ماههای مختلف سال……………………………………………………………….. 77

نمودار (3-4) : میانگین سرعت باد شهر اراک در ماههای مختلف سال……………………………………………………….. 77

(نمودار 4-4) : دمای خروجی کلکتور و دمای آبگرم تولید شده توسط سیستم آرایش A1…………………………. 83

(نمودار 4-5) : سهم انرژی خورشیدی و منبع کمکی در تامین آبگرم مصرفی

 و گرمایش فضا در سیستم آرایش A1…………………………………………………………………………………………………….. 84

(نمودار 4-6) : صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  سیستم آرایش A1……………………………………… 84

(نمودار 4-7) : دمای خروجی کلکتور و دمای آبگرم تولید شده توسط سیستم آرایش A2…………………………. 86

(نمودار 4-8) : سهم انرژی خورشیدی و منبع کمکی در تامین آبگرم مصرفی

و گرمایش فضا در سیستم آرایش A2………………………………………………………………………………………………………. 86

(نمودار 4-9) : صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  سیستم آرایش A2……………………………………… 87

(نمودار 4-10) : دمای خروجی کلکتور و دمای آبگرم تولید شده توسط سیستم آرایش A3………………………. 89

(نمودار 4-11) : سهم انرژی خورشیدی و منبع کمکی در تامین آبگرم مصرفی

و گرمایش فضا در سیستم آرایش A3………………………………………………………………………………………………………. 89

(نمودار 4-12) : صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  سیستم آرایش A3…………………………………… 90

(نمودار 4-13) : دمای خروجی کلکتور و دمای آبگرم تولید شده توسط سیستم آرایش B1……………………….. 92

(نمودار 4-14) : سهم انرژی خورشیدی و منبع کمکی در تامین آبگرم مصرفی

 و گرمایش فضا در سیستم آرایش B1……………………………………………………………………………………………………… 92

(نمودار 4-15) : صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  سیستم آرایش B1……………………………………. 92

(نمودار 4-16) : دمای خروجی کلکتور و دمای آبگرم تولید شده توسط سیستم آرایش B2……………………….. 93

(نمودار4-17) : سهم انرژی خورشیدی و منبع کمکی در تامین آبگرم مصرفی

و گرمایش فضا در سیستم آرایش B2………………………………………………………………………………………………………. 95

(نمودار4-18) : صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  سیستم آرایش B2…………………………………….. 96

نمودار(19-4) : دمای خروجی کلکتور و دمای آبگرم تولید شده در سیستم آرایش B3……………………………… 98

نمودار (20-4) : سهم انرژی خورشیدی و منبع کمکی در تامین آبگرم

مصرفی و گرمایش فضا در آرایش B3……………………………………………………………………………………………………… 99

نمودار (21-4) : صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  آرایش B3……………………………………………… 101

نمودار (22-4) : دمای خروجی کلکتور و دمای آبگرم تولید شده توسط سیستم آرایش C1………………………. 102

نمودار (23-4) : سهم انرژی خورشیدی و منبع کمکی در تامین آبگرم مصرفی و گرمایش

فضا در آرایش C1………………………………………………………………………………………………………………………………….. 102

نمودار (4-24) : صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  سیستم آرایش C1…………………………………… 101

نمودار (25-4) : دمای خروجی کلکتور و دمای آبگرم تولید شده توسط سیستم آرایش C2………………………. 102

نمودار(26-4) : سهم انرژی خورشیدی و منبع کمکی در تامین آبگرم مصرفی و گرمایش فضا در آرایش C2……………… 103

نمودار (27-4) : صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  سیستم آرایش C2…………………………………… 105

نمودار (28-4) : مقایسه صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  سیستم آرایش های سری A…………. 105

نمودار (29-4) : مقایسه صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  سیستم آرایش های سری B…………. 106

نمودار (30-4) : مقایسه صرفه جویی در مصرف گاز طبیعی و راندمان  سیستم آرایش های سریC………….. 107

(نمودار 4-31) : بررسی تغییر مساحت کلکتور بر زمان بازگشت سرمایه آرایشA1………………………………….. 109

(نمودار 4-32) : بررسی تغییر مساحت کلکتور بر زمان بازگشت سرمایه آرایشB2………………………………….. 110

(نمودار 4-33) : بررسی تغییر مساحت کلکتور بر زمان بازگشت سرمایه آرایشC1…………………………………. 110

(نمودار 5-1) : مقایسه راندمان ماهانه آرایش های بهینه…………………………………………………………………………… 113

(نمودار 5-2) : مقایسه اتلاف حرارتی ماهانه از کلکتور آرایش های بهینه………………………………………………… 113

(نمودار 5-3) : مقایسه صرفه جویی ماهانه در مصرف گاز طبیعی آرایش های بهینه…………………………………. 114

(نمودار 5-4) : مقایسه زمان بازگشت سرمایه در دوحالت آرایش های بهینه…………………………………………….. 115

(نمودار 5-5) : مقایسه سهم انرژی خورشیدی ماهانه در آرایش بهینه A_{op…………………………………………………………………………. 116}

(نمودار 5-6) : مقایسه سهم انرژی خورشیدی ماهانه در آرایش بهینه B_{op…………………………………………………………………………. 117}

(نمودار 5-7) : مقایسه سهم انرژی خورشیدی ماهانه در آرایش بهینه C_{op…………………………………………………………………………. 117}