‫معرفی انواع کلکتور خورشیدی‪ ،‬کاربردها و روشهای بهبود عملکرد آنها‬
‫نویسنده‪ :‬سعید حشمتیان‬
‫استاد درس مربوطه‪ :‬علی امیری جاغرق‬
‫دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه رازی کرمانشاه‬
‫استادیار مهندسی مکانیک دانشگاه رازی کرمانشاه‬
‫‪Saeedheshmatian@yahoo.com‬‬
‫‪amirij@gmail.com‬‬
‫چکیده‬
‫در سالهای گذشته تالش بسیاری جهت یافتن جایگزینی مناسب برای سوختهای فسیلی انجام گرفته است‪ ،‬چراکه این سوختها نه تنها‬
‫متناهی هستند‪ ،‬بلکه آسیبهای بسیاری به محیط زیست وارد میسازند‪ .‬انرژیهای تجدید پذیر مانند انرژی باد‪ ،‬امواج اقیانوس و انرژی خورشیدی‬
‫از بهترین منابع هستند تا انرژی آیندهی بشر را تامین کرده و کمترین آسیب را برای محیط زیست داشته باشند‪ .‬از آنجا که انرژی خورشید در‬
‫اکثر مناطق جهان در دسترس میباشد و همچنین قابلیت تولید برق و گرما را دارد در کانون توجه محققان قرار گرفته است‪ .‬سیستمی که انرژی‬
‫گرمایی خورشید را دریافت کرده و قابل استفاده میکند کلکتور خورشیدی نام دارد‪ .‬در این تحقیق کاربردهای مختلف کلکتورهای خورشیدی‬
‫مورد بحث و بررسی قرار گرفته و در ادامه انواع مختلف آن معرفی گردیده است‪ .‬در انتها نیز روشهای مرسوم برای افزایش راندمان این کلکتورها‬
‫آورده شده و به آخرین تحقیقات در این زمینهها نیز اشاره شده است‪.‬‬
‫کلمات کلیدی‪ :‬کلکتور خورشیدی‪ ،‬نانوسیال‪ ،‬پوشش انتخابی خورشیدی‪ ،‬اصالحات هندسی‪ ،‬کاربردهای کلکتور خورشیدی‬
‫‪ -1‬معرفی و مبانی‬
‫انرژی خورشیدی امیدوارکنندهترین انرژی غیرفسیلی است که میتوان به دو صورت از آن استفاده کرد‪ :‬انرژی حرارتی خورشیدی‬
‫یا انرژی الکتریکی خورشیدی و یا هردو‪ .‬سلولهای فتوولتائیک(‪ 1 )PV‬خورشیدی راه حل موثر و پایدار تبدیل انرژی خورشیدی به‬
‫انرژی الکتریکی هستند‪ .‬هرچند بازدهی انرژی الکتریکی تولید شده توسط سلولهای فتوولتائیک (‪ )PV‬بسیار پایین است و پژوهشها‬
‫نشان میدهد که تنها ‪ 15-20‬درصد از پرتوهای خورشیدی به انرژی الکتریکی تبدیل میشوند که به مکانیزاسیون‪ PV‬بستگی دارد‬
‫[‪ .]2،1‬بقیهی پرتوها از سطح بازتاب میشوند [‪ .]4،3‬میتوان این پرتوهای بازتابیده را توسط یک کلکتور حرارتی خورشیدی‪ ،‬به گرما‬
‫تبدیل کرد یا اینکه می توان انرژی خورشیدی را مستقیما از طریق کلکتور حرارتی خورشیدی (‪ 2) STCs‬به انرژی حرارتی تبدیل‬
‫کرد [‪ .]6،5‬کلکتور های حرارتی خورشیدی انرژی پرتوهای خورشیدی را به انرژی درونی سیال عامل تبدیل میکنند‪ .‬کلکتور‬
‫خورشیدی یک جزء اصلی برای پیاده سازی انرژی حرارتی گرفته شده از خورشید است و این جزء‪ ،‬تابشهای خورشیدی را مصرف‬
‫کرده‪ ،‬آن را به گرما تبدیل کرده و پس از آن به سیال (که ممکن است هوا یا آب باشد) منتقل میکند‪ .‬انرژی گرمایی که بدین گونه‬
‫جمعآوری شده‪ ،‬توسط سیال عامل اجرا خواهد شد و میتواند مستقیما برای تغذیهی آب یا هرگونه تجهیزات گرمایش‪/‬سرمایش‬
‫محیط بکار گرفته شود یا اینکه در مخزن انرژی گرمایی ذخیره شده و در شبها یا روزهای ابری مورد استفاده قرار گیرد [‪.]7‬‬
‫کلکتورهای حرارتی خورشیدی عموما بر اساس ضریب تمرکز در دو گروه طبقهبندی میشوند‪ :‬کلکتورهای حرارتی خورشیدی‬
‫متمرکزکننده و غیر متمرکزکننده‪ .‬کلکتور غیر متمرکزکننده‪ ،‬حوزهی جذبکننده و رهگیری مشابهی دارد؛ در حالی که کلکتورهای‬
‫‪Photovoltaic‬‬
‫‪Solar Thermal Collector‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫متمرکزکننده‪ ،‬برای گرفتن و به کانون آوردن پرتوهای خورشیدی در یک محیط کلکتور کوچکتر‪ ،‬دارای بازتابکنندههای کاوشکل‬
‫هستند‪ ،‬که منجر به افزایش جریان حرارت‪/‬پرتو میشود‪.‬‬
‫‪-2‬کاربردهای سیستم انرژی خورشیدی‬
‫اشکال مختلفی از سیستمهای انرژی خورشیدی برای عملکردهای مختلف در صنایع استفاده میشوند و برای این کاربردهای‬
‫متنوع‪ ،‬می توان از انواع گوناگونی از کلکتورها استفاده کرد‪ .‬از این رو‪ ،‬در این بخش بر سیستمهای مختلف انرژی حرارتی خورشیدی‬
‫و اینکه چه نوعی از کلکتورهای حرارتی خورشیدی میتوانند مورد استفاده قرار بگیرند‪ ،‬تمرکز خواهد شد‪.‬‬
‫‪ 1-2‬آبگرمکن خورشیدی‬
‫مطالعات نشان داده است که تقریبا ‪ %40‬از انرژی تولید شده در سطح جهان برای اهداف گرمایشی استفاده میشود‪ .‬از طرفی‬
‫نشان داده شده است که انرژی خورشید را به عنوان یکی از منابع انرژی در جهان میتوان از راههای مختلفی مانند استفاده از‬
‫آبگرمکنهای خورشیدی به گرما تبدیل کرد‪ .‬این سیستم متشکل از آرایهای از کلکتورهای خورشیدی است که پرتوهای خورشیدی‬
‫را جذب کرده و آن را به انرژی حرارتی تبدیل میکند‪ .‬سیال منتقلکنندهی حرارت که ممکن است آب یا هر مایع دیگر یا هوا باشد‬
‫که برای جذب حرارت‪ ،‬از داخل کلکتور عبور داده میشود‪ .‬این سیستم میتواند برای تامین انرژی مورد نیاز مقاصد گرمایشی و‬
‫ساختمانی مورد استفاده قرار گیرد که طبق تحقیقات‪ 30.6 ،‬درصد از کل مصرف انرژی در هر کشور را شامل میشود‪ .‬دو نوع سیستم‬
‫آبگرمکن خورشیدی ساخته شده است که به عنوان سیستم فعال و غیرفعال شناخته میشوند‪ .‬تفاوت اصلی در این دو نوع سیستم‪،‬‬
‫محل ذخیره سازی آب می باشد‪ .‬در سیستم غیر فعال‪ ،‬محل ذخیره سازی در باالی کلکتور قرار دارد و امکان گردش طبیعی سیال را‬
‫فراهم میکند‪ .‬از سوی دیگر در سیستم فعال‪ ،‬مخزن آب در زیر کلکتور قرار داشته و به استفاده از پمپ و واحدهای کنترل الکترونیکی‬
‫نیاز است‪ .‬شایان ذکر است که نوع غیر فعال‪ ،‬به دلیل حداقل مصرف برق دوستدار محیط زیست است درحالی که سیستم فعال دارای‬
‫راندمان کاری باالتری میباشد‪]8[ .‬‬
‫پامبودی و همکاران [‪ ]8‬مطالعه ای تجربی را بر روی یک کلکتور خورشیدی با کانال های موجدار ‪ V‬مانند که در شکل ‪ 1‬قابل‬
‫مشاهده است انجام دادند و اثرات سرعت های جریان مختلف را با سیستم غیرفعال مقایسه کردند‪ .‬نتایج نشان داد که باالترین بازده‬
‫انرژی مربوط به جریان با دبی ‪ 240‬لیتر بر ساعت به میزان ‪ 50‬درصد بود‪ .‬نتایج آنها نشان داد که نرخ جریان بیشتر باعث راندمان‬
‫باالتر در کلکتورهای ‪ V‬شکل میشود‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫شکل ‪ :1‬هندسه مورد مطالعهی پامبودی و همکاران [‪]8‬‬
‫العسکری و المحسن[‪ ]9‬یک کلکتور خورشیدی مارپیچی شکل را برای بررسی عملکرد گرمایی آن و تولید آب گرم در کشور‬
‫عراق مورد بررسی قرار دادند‪ .‬نتایج آنها نشان داد اوج بازده حرارتی این کلکتور ‪ 58‬درصد بود که در ساعت ‪ 14:45‬و با دبی ‪0.5‬‬
‫لیتر در دقیقه به دست آمد‪ .‬یافته های آنان نشان داد در سردترین روزهای سال در عراق‪ ،‬آب این آبگرمکن خورشیدی میتواند تا ‪64‬‬
‫درجه سانتیگراد افزایش یابد‪.‬‬
‫‪ 2-2‬سرمایش خورشیدی‬
‫سیستمهای خنککننده ی معمولی (مبردهای گران قیمت) انرژی الکتریکی بیشتری را برای خنک کردن مصرف میکنند‪ .‬در‬
‫حال حاضر انرژی الکتریکی حدود ‪ 80‬درصد انرژی مورد نیاز جهان را شامل میشود که باعث گرم شدن کره زمین میشود‪ .‬بنابراین‬
‫پژوهشگران بسیاری به توسعهی سیستمهای سرمایش که انرژی خود را از سیستمهای تجدید پذیر به خصوص انرژی خورشیدی‬
‫میگیرند تمایل دارند‪ .‬فلذا سیستمهایی مانند خنککننده های تراکمی بخار خورشیدی‪ ،‬جذب خورشیدی‪ ،‬تهویه مطبوع خورشیدی‬
‫و غیره توسعه پیدا کردهاند‪ .‬فناوریهای تبرید مبتنی بر خورشید برای نیازهای خنک کنندگی مانند تهویه مطبوع‪ ،‬یخ سازی و‬
‫نگهداری دارو یا مواد غذایی در مناطق دور افتاده استفاده میشود‪ .‬فناوری خنککنندهی ترموالکتریک خورشیدی یکی از روش‪-‬‬
‫هاییست که برای این منظور استفاده میشود‪ .‬فنآوری خنککنندهی خورشیدی بر روی دو اصل خنک کنندهی فتوولتائیک و خنک‬
‫کننده ی حرارتی خورشیدی استوار است‪ .‬گرمای تولید شده توسط کلکتورهای حرارتی خورشیدی را میتوان برای تامین انرژی‬
‫واحدهای تبرید و تهویه مطبوع در یک سیستم تبرید خورشیدی استفاده کرد‪]10[ .‬‬
‫بلوس و همکاران [‪ ]11‬یک واحد تبریدی خورشیدی با کلکتور خورشیدی سهموی مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند‪ .‬این یخچال‬
‫یک دستگاه جذب با عامل آب‪ NH3/‬برای تولید سرما در رنج دمایی منفی ‪ 35‬تا ‪ 5‬درجهی سانتیگراد بود که از منظر انرژی‪،‬‬
‫‪3‬‬
‫اکسرژی و اقتصادی بررسی شد‪ .‬مدل ترمودینامیکی در ‪ EES‬انجام گرفت و مدل دینامیکی نیز در نرمافزار متلب مدل شد‪ .‬با توجه‬
‫به نتایج نهایی‪ ،‬عملکرد بهینهی سیستم به دمای بهینهی ژنراتور و شرایط کار بستگی دارد‪ .‬برای مثال بهترین طراحی در شرایطی‬
‫است که مساحت کلکتورها ‪ 140‬متر مربع و حجم تانک ذخیره نیز ‪ 2‬متر مکعب باشد‪ .‬در این شرایط زمان بازگشت سرمایه ‪ 12‬سال‬
‫و ‪ 6‬ماه است‪ .‬همچنین این سیستم در ماه جوالی بهترین و در ماه فوریه ضعیفترین عملکرد را به ثبت رساند‪.‬‬
‫سویسی و همکاران [‪ ]12‬یک یخچال جذبی با انرژی خوشیدی طراحی کردند که در شکل ‪ 2‬قابل مالحظه میباشد‪ .‬این سیستم‬
‫از جاذب سیلیکا ژل‪-‬آب استفاده میکند‪ .‬نوآوری آنها استفاده از تکنیکهای ارزان و موثری است که مشکل سیستم در روزهای کم‬
‫تابش را تسهیل میکند‪ .‬مدل آنها در نرمافزار متلب پیاده سازی شد و دارای کمترین فرضیات بود‪ .‬هدف اصلی آنها بررسی تاثیر‬
‫چهاز بازتابندهی اضافی خارجی و جرم اولیهی مبرد بود‪ .‬سیستم آنها منجر به حداکثر ظرفیت خنک کنندگی ‪ 777.96‬کیلوژول شد‬
‫و این یخچال توانست دمای ‪ 9‬کیلوگرم آب را در یک روز ابری تا ‪ 9‬درجهی سانتیگراد کاهش دهد درحالی که سیستم بدون‬
‫بازتابندهی اضافی خارجی نتوانست دمای آب را به انجماد برساند‪.‬‬
‫(الف)‬
‫(ب)‬
‫شکل ‪ : 2‬سیستم مورد مطالعهی سویسی و همکاران برای الف) ساده و ب) با بازتابندهی اضافی خارجی [‪]12‬‬
‫‪ 3-2‬آب شیرینکن خورشیدی‬
‫آب تقریبا منبعی فراوان در زمین است و حدود ‪ 97‬درصد آن در اقیانوسها قرار دارد که تقریبا تنها منبع تمام نشدنی آب است‪.‬‬
‫تنها ‪ 3‬درصد از تمام آب آشامیدنی‪ ،‬شامل آبهای زیرزمینی‪ ،‬رودها و دریاچهها میشود که اکثر نیاز جمعیت زمین را تامین میکند‪.‬‬
‫مشکل عمدهی ‪ 97‬درصد باقی مانده‪ ،‬شوری آن است‪ .‬از این گذشته‪ ،‬رشد سریع جمعیت و صنعت سبب افزایش چشمگیر تقاضای‬
‫آب و در نتیجه کمبود آن شده است‪ .‬مهمترین تکنیک آبشیرینکن خورشیدی‪ ،‬تغییر فاز یا روشهای حرارتی است؛ که در آن آب‬
‫دریا با استفاده از انرژی حرارتی خورشیدی‪ ،‬شیرین میشود‪ .‬دو نوع از سیستمهای آبشیرینکن خورشیدی شامل سیستمهای‬
‫فتوولتائیک و نمک زدایی حرارتی خورشیدی استفاده میشود‪ .‬در روش نمک زدایی حرارتی‪ ،‬از گرمای جمعآوری شده در یک کلکتور‬
‫خورشیدی برای فرایند جداسازی با تغییر فاز‪ ،‬تقیر چند مرحلهای و رطوبت زدایی استفاده میشود‪ .‬این نوع سیستمها که آنها را‬
‫‪4‬‬
‫غیر مستقیم نیز مینامند‪ ،‬از یک کلکتور خورشیدی و یک سیستم تقطیر تشکیل میشوند‪ .‬سیستمهای تقطیر میتوانند از گرمای‬
‫کم ذخیره شده برای پیشبرد فرآیند نمکزدایی استفاده کنند‪ .‬این امر نیاز به انرژی الکتریکی یا مکانیکی را از بین میبرد [‪.]13‬‬
‫رفیعی و همکاران [‪ ،]14‬یک سیستم آب شیرین کن خورشیدی هیبریدی شامل پنلهای حرارتی فتوولتائیک‪ ،‬کلکتور متمرکز‬
‫کنندهی خورشیدی و واحد رطوبت زدا‪-‬نمک زدا را مورد بررسی و آزمایش قرار دادند‪ .‬واحد رطوبت زدایی‪-‬نمک زدایی شامل یک‬
‫جریان بسته هوا و جریان باز آب بود و از دیش خورشیدی نیز برای گرم کردن آب استفاده شد‪ .‬آنها ‪ 3‬مدل مختلف گیرندهی‬
‫خورشیدی را به اشکال هندسی استوانهای‪ ،‬مکعبی و نیمکرهای بررسی کردند‪ .‬در این سیستم گرمای جذب شدهی خورشیدی با‬
‫استفاده از مبدل حرارتی به واحد نمک زدایی منتقل شد‪ .‬در نمک زدایی از صفحات خورشیدی برای تولید توان مورد نیاز استفاده‬
‫شد‪ .‬جریان آب نیز در پشت صفحات فتوولتائیک برای پیش گرمایش آب و بهبود راندمان صفحات خورشیدی مورد استفاده قرار‬
‫گرفت‪ .‬نتایج نشان داد گیرندهی نیمکرهای بیشترین راندمان را در بین گیرندهها داشت و گیرندهی استوانهای ضعیفترین نوع بود‪.‬‬
‫همچنین نتایج آن ها نشان داد با افزایش دبی آب‪ ،‬کاهش دمای ورودی سیال عامل و افزایش دبی هوا‪ ،‬تولید آب شیرین افزایش‬
‫مییابد‪.‬‬
‫‪ 4-2‬خشککن خورشیدی‬
‫خشک کردن میوهها و سبزیجات رطوبت آنها را به منظور ماندگاری بیشتر کاهش میدهد‪ .‬در حال حاضر بیشترین روشهای‬
‫خشک کردن مورد مطالعه عبارتند از خشک کردن در معرض نور خورشید‪ ،‬جریان هوای گرم‪ ،‬اجاق خالء‪ ،‬مایکروویو‪ ،‬مادون قرمز و‬
‫خشک کن خورشیدی که تاثیر آنها بر کیفیت محصوالت نهایی مورد بررسی قرار میگیرد‪ .‬سیستمهای خشککن صنعتی عموما‬
‫برای خشک کردن محصوالت کشاورزی مورد استفاده قرار میگیرند‪ .‬اما این فرآیند برای تبخیر رطوبت موجود در محصوالت کشاورزی‬
‫به انرژی باالیی نیاز دارد‪ .‬در این زمینه گرمکنهای خورشیدی کاندیدای مناسبی برای ترکیب با خشککنها با هدف تامین هوای‬
‫گرم مورد نیاز برای تبخیر رطوبت محصول هستند‪ .‬ساختار سادهی این گرمکنها و هزینهی نگهداری پایین از عوامل اصلی جذابیت‬
‫آنها برای استفاده در خشککنها هستند که در نهایت هزینهی تمام شدهی خشک کردن را کاهش میدهند‪ .‬مطالعات بسیاری برای‬
‫افزایش بازدهی خشککنهای خورشیدی صورت پذیرفته است [‪ .]15‬تونسر و همکاران [‪ ]16‬یک سیستم خشککن خورشیدی که‬
‫مجهز به مادون قرمز نیز هست را با استفاده از پوشش جاذب نانواکسید روی مورد بررسی قرار دادند و سعی کردند تا با تعبیهی‬
‫توربوالتورهایی در مسیر جریان هوا راندمان خشککن را افزایش دهند‪ .‬سه حالت بدون بافل‪ ،‬بافل معمولی و بافل سوراخدار را بررسی‬
‫کردند و دریافتند بافلهای نوع سوراخدار بهترین عملکرد را به ثبت رساندند‪ .‬همچنین افزودن جاذب نانواکسید روی باعث افزایش‬
‫راندمان کلکتور تا ‪ 21.62‬درصد گردید‪ .‬به عالوه با کمک گردن از مادون قرمز و پوشش مشکی رنگ‪ ،‬زمان خشک کردن از ‪320‬‬
‫دقیقه به ‪ 180‬دقیقه کاهش یافت‪.‬‬
‫‪ -3‬انواع کلکتور خورشیدی‬
‫‪ 1-3‬کلکتورهای غیر متمرکزکننده‬
‫کلکتورهای غیر متمرکزکننده به نحوی چیده شدهاند که پرتوهای خورشیدی را در یک یا چند نقطهی تعیین شده جمعآوری‬
‫کنند‪ .‬محل قرارگیری این کلکتورها در شیب و جهت خاصی تنظیم شده است که به عرض جغرافیایی منطقه بستگی دارد‪ .‬کلکتورهای‬
‫‪5‬‬
‫حرارتی خورشیدی غیر متمرکزکننده به طور کلی در دوگروه دستهبندی میشوند‪ :‬کلکتورهای صفحهای مسطح‪ 3‬و کلکتورهای لوله‬
‫خأل‪.4‬‬
‫‪ 2-3‬کلکتورهای صفحهای مسطح‬
‫یک کلکتور صفحه تخت که در شکل ‪ 3‬نشان داده شده است‪ ،‬از یک پوشش شیشهای شفاف‪ ،‬یک صفحهی جاذب با یک صفحهی‬
‫پشتی موازی تشکیل شده است‪ .‬بسته به نوع سیال عامل که هوا یا آب باشد‪ ،‬مسیر جریان طراحی میشود‪ .‬برای هوا به عنوان سیال‬
‫عامل‪ ،‬فاصلهی بین صفحهی جاذب و صفحهی پشتی به عنوان مسیر عبور سیال در نظر گرفته میشود‪ .‬زمانی که از آب یا مایعات به‬
‫عنوان سیال عامل استفاده میشود‪ ،‬لولههای روی صفحه ی جاذب به عنوان گذرگاه جریان در نظر گرفته میشود‪ .‬در این حالت به‬
‫صفحه ی پشتی نیاز نیست‪ .‬برای دستیابی به راندمان باالتر‪ ،‬کلکتور را از اطراف و کف عایق میکنند [‪.]6‬‬
‫شکل ‪ :3‬کلکتور صفحه تخت [‪]6‬‬
‫حشیم و همکاران [‪ ]17‬به بررسی عملکرد گرمایش آب در یک کلکتور صفحه تخت پرداختند (شکل ‪ .)4‬کلکتور آنها یک لولهی‬
‫مارپیچ مربعی شکل به طول ‪ 15.9‬متر در یک صفحه به ابعاد ‪ 125‬در ‪ 110‬سانتیمتر طراحی شد که سیال عامل آن نیز آب بود‪.‬‬
‫نتایج نشان داد در دبی جریان کمتر یعنی ‪ 5.3‬لیتر در دقیقه‪ ،‬دمای آب ‪ 51.4‬درجه سانتیگراد شد که بیشترین مقدار بود‪ .‬در نهایت‬
‫توصیه کردند این کلکتور برای گرم کردن آب به منظور استفاده در مصارف خانگی مناسب است‪.‬‬
‫ژو و همکاران [‪ ]18‬تاثیر افزودن صفحات پلیمتیل متاکریالت را به عنوان مواد عایق به کلکتورهای صفحه تخت مورد بررسی‬
‫قرار دادند و کارایی آن را در محیطهای سرد بررسی کردند‪ .‬همچنین اثر ضخامت صفحات و محل قرار دادن صفحات نیز مورد مطالعه‬
‫قرار گرفت‪ .‬ضخامت بهینه برای صفحات‪ 1 ،‬میلی متر به دست آمد به صورتی که اثر کارایی کلکتور مجهز به عایق نسبت به مدل‬
‫معمول آن ‪ 11.3‬درصد بیشتر بود‪ .‬همچنین این صفحات توانایی کاهش شدید انتقال حرارت جابجایی را از خود نشان دادند‪.‬‬
‫‪Flat Plate Collector‬‬
‫‪Evacuated Tube Collector‬‬
‫‪6‬‬
‫‪3‬‬
‫‪4‬‬
‫صفاریان و همکاران [‪ ]19‬ضریب انتقال گرمای جابجایی را در ‪ 3‬کلکتور صفحه تخت (شکل ‪ )5‬با جهات جریان مختلف برای‬
‫نانوسیال آلومینا‪-‬آب و مس اکسید‪-‬آب مورد بررسی قرار دادند‪ .‬آنها نشان دادند که هندسههای مارپیچی و موجی میتواند ضریب‬
‫انتقال گرما را به طرز چشمگیری در کلکتور افزایش دهد‪ .‬به صورتی که استفاده از نانوسیال مس اکسید‪-‬آب با غلظت ‪ 4‬درصد در‬
‫هندسهی موجی شکل میتواند ضریب انتقال حرارت کلکتور را به میزان ‪ 78.25‬درصد افزایش دهد‪ .‬همچنین توصیه کردند در صورت‬
‫اهمیت باالی افت فشار‪ ،‬بهتر است از هندسهی مارپیچ استفاده شود که افت فشار کمتری نسبت با باقی هندسهها ایجاد میکند‪.‬‬
‫شکل ‪ :4‬هندسه مورد مطالعه حشیم و همکاران [‪]17‬‬
‫شکل ‪ :5‬هندسهی کلکتورهای مورد مطالعه توسط صفاریان و همکاران [‪.]19‬‬
‫‪ 3-3‬کلکتورهای لوله خأل‬
‫کلکتورهای لوله خأل (‪ )ETC5‬نسبت به کلکتورهای صفحه تخت (‪ )FPC6‬دارای برتری هستند؛ چون ‪ FPC‬های ساده از نظر‬
‫فنی برای عملکرد در محیط های آفتابی و بسیار گرم ساخته شده بودند‪ .‬به محض اینکه وضع هوا رو به شرایط نامساعدی همچون‬
‫سرما یا ابری بودن برود‪ FPC ،‬ها دیگر مناسب نیستند‪ .‬کلکتورهای لوله خالء شامل یک لولهی گرمایی است که در یک محفظهی‬
‫‪Evacuated Tube Collector‬‬
‫‪Flat Plate Colletor‬‬
‫‪7‬‬
‫‪5‬‬
‫‪6‬‬
‫شیشهای مانند شکل ‪ 6‬محصور شده است‪ .‬درون لولهی گرمایی‪ ،‬مایعاتی از قبیل اتانول‪ ،‬متانول‪ ،‬آب و غیره قرار میگیرد که با تابش‬
‫نور آفتاب بخار شده و گرمای خود را درون مبدل گرمایی به سیالی دیگر انتقال میدهند و طی فرآیند کندانس دوباره به حالت مایع‬
‫بازگشته و در معرض تابش خورشید قرار میگیرند‪ .‬صفحهی شیشهای نیز از انتقال حرارت جابجایی جلوگیری میکند [‪.]6‬‬
‫کوتب و همکاران [‪ ]20‬آرایش بهینهای برای لولههای کلکتور لوله خالء و تعداد لولهها را در شرایط جوی مختلف به دست آوردند‪.‬‬
‫تاثیر تابش خورشید‪ ،‬شدت جریان سیال عامل و افزایش دما بر روی کمترین مقدار لولهها‪ ،‬نوع آرایش آنان و قیمت تمام شدهی‬
‫کلکتور‪ ،‬متغییرهای مسئله بودند‪ .‬نتایج نشان داد با کاهش ‪ 41‬درصدی تعداد لولهها میتوان به میزان قابل توجهی در هزینهی اولیه‬
‫صرفه جویی کرد‪ ،‬به شرطی که در آن شرایط کاری به خصوص‪ ،‬آرایش لولهها متفاوت با حالت معمول باشد‪ .‬در نهایت تعداد بهینهی‬
‫لولهها برای هر شرایط کاری را در یک نمودار ثبت کردند که این دادهها میتواند کمک شایان توجهی به کاهش هزینههای ساخت‬
‫کلکتورها در شرایط مختلف کند‪.‬‬
‫مرکان و یورداس [‪ ]21‬شرایط حرارتی و جریان در یک کلکتور خورشیدی لوله خالء با حضور نانوسیاالت با غلظتهای مختلف‪،‬‬
‫تعداد متغییر لوله و زوایای مختلف آن را مورد بررسی عددی قرار دادند‪ .‬نتایج نشان داد افزایش تعداد لولهها و همچنین غلظت‬
‫نانوسیال باعث افزایش انتقال حرارت میشود‪ .‬از طرفی کمترین زاویه لولهها و کمترین شدت جریان نیز باعث بیشترین انتقال حرارت‬
‫شدند‪ .‬نانوسیال برتر نیز مس اکسید‪-‬آب انتخاب شد‪.‬‬
‫شکل ‪ :6‬کلکتور لوله خأل [‪]6‬‬
‫‪8‬‬
‫‪ 4-3‬کلکتورهای متمرکزکننده (کانونی)‬
‫کلکتورهای متمرکزکننده متشکل از تعدادی متمرکزکننده و دریافتکنندهی نور هستند‪ .‬متمرکزکنندهها میتوانند تجزیهکننده‬
‫یا بازتابنده‪ ،‬پیوسته یا غیر پیوسته و استوانهای یا سهموی باشند‪ .‬همچنین دریافتکننده میتواند صاف‪ ،‬محدب‪ ،‬مقعر یا استوانهای‬
‫باشد و نیز می تواند لعابی یا بدون پوشش باشد‪ .‬در کلکتورهای متمرکزکننده قرارگیری سیستم نوری به علت حرکت خورشید در‬
‫طول روز بسیار مهم است‪ .‬به طور کلی کلکتورهای متمرکزکننده درچهار گروه دستهبندی میشوند [‪:]6‬‬
‫‪‬‬
‫کلکتور سهموی‪)PTC( 7‬‬
‫‪‬‬
‫بازتابندهی خطی فرنل‪)LFR( 8‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫بازتابندهی بشقابی یا سهمیوار‪)PDR( 9‬‬
‫دریافتکنندهی مرکزی یا میدان هلیوستات‬
‫بازتابنده‪10‬‬
‫(‪)HFR‬‬
‫‪ 5-3‬کلکتور سهموی خطی‬
‫کلکتورهای سهموی خطی (‪ )PTC‬اینگونه نامیده میشوند چون از مواد خمشونده و بازتابنده ساخته شده و همانطور که در‬
‫شکل ‪ 7‬نشان داده شده‪ ،‬به شکل سهموی درآورده شده است‪ .‬این شامل ظاهری سهموی و بازتابنده با یک لولهی جاذب است که در‬
‫امتداد خط کانونی آن قرار گرفته است‪ PTC .‬میتواند با بازدهی خوبی تا دمای ‪ 400‬درجهی سلسیوس برسد‪ ،‬اما در بازهی ‪ 50‬تا‬
‫‪ 400‬درجهی سلسیوس نیز با بازدهی باال عمل کرده و گرما تولید میکند‪ .‬دریافتکننده باریک است و از لحاظ مشخصهای قسمت‬
‫بیرون آن با پوششی دارای قابلیت جذب باالتر و اتالف حرارتی تابش کم‪ ،‬روکش شده است [‪.]6‬‬
‫‪7‬‬
‫‪Parabolic Trough Collector‬‬
‫‪Linear Fresnel Reflector‬‬
‫‪9‬‬
‫‪Parabolic Dish Reflector‬‬
‫‪10‬‬
‫‪Heliostat Field Reflector‬‬
‫‪8‬‬
‫‪9‬‬
‫شکل ‪ :7‬کلکتور پارابولیک [‪]6‬‬
‫النقی و همکاران [‪ ]22‬یک تحقیق عددی برای یافتن اثر نوارهای پیچ خورده در یک کلکتور سهموی خطی (شکل ‪ )8‬انجام‬
‫دادند‪ .‬سیال عامل‪ ،‬نانوسیال هیبریدی ‪/Mgo-MWCNT‬روغن حرارتی بود که عمل انتقال حرارت را انجام میداد و به نسبت‬
‫‪ 80:20‬و با غلظتهای ‪ %0.25‬تا ‪ %2‬ترکیب شده بود‪ .‬در نتایج آنها مشخص شد که بازدهی کلکتور با افزایش عدد رینولدز تا ‪10000‬‬
‫افزایش مییابد اما از ‪ 10000‬تا ‪ 100000‬روندی کاهشی دارد‪ .‬همچنین نشان دادند که افزایش غلظت نانوذرات باعث افزایش راندمان‬
‫کلکتور میشود‪ .‬به عالوه با افزایش قطر توربوالتورها اختالط جریان در نزدیکی دیواره بیشتر شد که باعث بهبود انتقال حرارت‬
‫گردید‪ .‬از طرفی دیگر شبیه سازی عددی برای بررسی رفتار جریان نانوسیال هیبریدی ‪ /Cu-Al2O3‬روغن در یک کلکتور سهموی‬
‫خطی توسط سمیعزاده و همکاران [‪ ]23‬انجام گرفت‪ .‬نتایج نشان داد با افزایش غلظت نانوذرات‪ ،‬دمای خروجی در کلکتور تا ‪6.4‬‬
‫درصد افزایش می یابد‪ .‬همچنین با افزایش غلظت نانومواد مش و آلومینا به میزان ‪ 0.02‬درصد در اعداد رینولدز متوسط‪ ،‬ضریب‬
‫اصطکاک به میزان ‪ 5.2‬درصد کاهش و بازده انتقال حرارت ‪ 12.2‬درصد افزایش یافت‪.‬‬
‫شکل ‪ :8‬شماتیک لولهی مورد استفاده در کلکتور سهموی خطی کار النقی و همکاران [‪]22‬‬
‫‪ 6-3‬بازتابندهی خطی فرنل‬
‫بازتابندههای خطی فرنل که در شکل ‪ 9‬نشان داده شدهاست‪ ،‬عموما متشکل از چندین آینهی تخت نصب شده بر روی زمین‬
‫جهت متمرکز کردن نور خورشید بر روی یک لولهی ثانویه نصب شده در ارتفاع باالتر مانند کلکتور سهموی خطی میباشد‪ .‬از آنجایی‬
‫که این سیستم قدرت متمرکز کردن ضعیف تری نسبت به کلکتور سهموی خطی دارد‪ ،‬دمای سیال را نیز به مقدار کمتری میتواند‬
‫افزایش دهد‪ .‬عموما این نوع کلکتورها برای افزایش دما تا ‪ 300‬درجه سانتیگراد مناسبترین گزینه هستند چراکه ارزانترین روش‬
‫برای رسیدن به این شرایط دمایی هستند‪ .‬اما برای دماهای باالتر گزینهی مناسبی نیستند‪]6[ .‬‬
‫‪10‬‬
‫شکل ‪ :9‬بازتابندهی خطی فرنل [‪]6‬‬
‫قودبان و همکاران [‪ ]24‬به بررسی کارایی کلکتور فرنسل خطی با استفاده از نانوسیال نانولولههای کربنی بر پایهی آب پرداختند‪.‬‬
‫نتایج آنها نشان داد نانوسیال با غلظت ‪ 0.3‬درصد عملکرد گرمایی بسیار بهتری نسبت به آب خالص داشت اما از طرفی دارای‬
‫بیشترین افت فشار نیز بود‪ .‬اما با بررسی قانون دوم ترمودینامیک آنها نشان دادند که نانوسیال مورد استفاده آنها در کلکتور دارای‬
‫تولید آنترپی کمتری میباشد‪.‬‬
‫بلوس و زیوانیدیس [‪ ]25‬تالش کردند تا رابطهای دقیق و ساده برای زاویهی قرارگیری بازتابندهها را در کلکتور فرنسل خطی به‬
‫دست آورند‪ .‬شرایط کاری آنان برای کلکتورهای ساده با آینههای تخت بود‪ .‬رابطهی بدست آمدهی آنان با دیگر آزمایشات تطابق‬
‫مناسبی با خطای ‪ 5‬درصد را نشان میداد‪ .‬همچنین تابع آنان توانایی بهینهسازی کلکتور فرنسل خطی را نیز داراست‪.‬‬
‫‪ 7-3‬بازتابندهی بشقابی یا سهمیوار‬
‫همانطور که در شکل ‪ 10‬نشان داده شده است‪ ،‬بازتابندهی بشقابی سهمیوار (‪ )PDR‬نوعی کلکتور نقطهی کانونی است که در‬
‫آن دریافتکننده یا واحد تبدیل‪ ،‬در نقطه ی کانونی صفحه قرار گرفته است‪ .‬این کلکتور متشکل از یک سیستم ردیاب با دو محور‬
‫است که پرتوهای خورشیدی را به درون دریافتکننده متمرکز میکند‪ .‬مکانیزم ردیابی آن مشابه ‪ PTC‬است و پرتوی نور خورشید‬
‫بر روی ناحیهای که دریافتکننده در آن قرار دارد‪ ،‬متمرکز میشود‪ .‬طرح آن شبیه یک آنتن بشقابی ماهواره است‪ .‬دریافتکننده پس‬
‫از جذب پرتو‪ ،‬انرژی گرمایی را از طریق یک تبادلگر حرارت‪ ،‬به یک سیال در حال گردش منتقل میکند‪ .‬بازتابندهی بشقابی میتواند‬
‫در نسبتهای تمرکز نور باال به محدودههای دمایی باالتر از ‪ 1500‬درجهی سلسیوس نیز برسد [‪.]6‬‬
‫‪11‬‬
‫شکل ‪ :10‬بازتابندهی بشقابی سهمیوار [‪]6‬‬
‫بیانچینی و همکاران [‪ ] 26‬عملکرد یک کلکتور بشقابی پارابولیک برای استفاده در شرایط متغییر آب و هوایی در ایتالیا و شرایط‬
‫کاری متفاوت (شدت جریان مختلف سیال عامل) را مورد ارزیابی قرار دادند‪ .‬نتایج نشان داد در ماه مارس میزان دمای سیال عامل تا‬
‫‪ 60‬درجه افزایش داشت در حالی که در زمستان این دما به ‪ 40‬درجه سانتیگراد رسید‪ .‬در نتیجه این کلکتور توانایی تامین آب گرم‬
‫در تابستان را برای مصرف مستقیم خانگی و پیشگرمایش در زمستان را دارد‪.‬‬
‫عباس و همکاران [‪ ]27‬یک متمرکز کنندهی بشقابی با گیرندهی مسی مجهز به حفرهی مخروطی شکل را به صورت تجربی و‬
‫عددی آزمایش کردند‪ .‬نتایج آنها نشان داد دمای میانگین سطح دریافت کننده ‪ 133‬درجه بود که در نسبت تمرکز ‪ 30.76‬اتفاق‬
‫افتاد‪ .‬همچنین آنها ثابت کردند که ماده ی بکار رفته در کلکتور و نسبت تمرکز تاثیر بسیار قابل توجهی بر روی بازدهی انرژی و‬
‫اکسرژی دارد‪.‬‬
‫‪ -4‬افزایش عملکرد کلکتور خورشیدی‬
‫انتقال موثر گرما از کلکتور خورشیدی هدف اصلی هر سیستم حرارتی خورشیدی میباشد‪ .‬بازدهی یک کلکتور بستگی به این‬
‫دارد که سیال عامل چه مقدار گرما با خود جابجا میکند‪ .‬در این بخش به روشهای افزایش بازدهی کلکتورهای یاد شده در بخش‬
‫قبلی پرداخته میشود‪ .‬ادبیات مربوط به افزایش راندمان کلکتورهای خورشیدی میتواند به ‪ 3‬دستهی اصلی تقسیم شود [‪.]6‬‬
‫الف) افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی بین صفحه‪/‬لولهی جاذب و سیال عامل (یعنی زبر شدن صفحات یا قرار دادن پره لوله)‬
‫ب) استفاده از نوع خاصی از پوشش روی جاذب‬
‫پ) افزایش رسانایی حرارتی سیال عامل با استفاده از نانوذرات‪.‬‬
‫این روشها و مطالعات مربوط به آن در این بخش به تفصیل آورده شده است‪.‬‬
‫‪12‬‬
‫‪ 1-4‬اصالحات هندسی‬
‫مشخصا انتقال حرارت بین یک سیال و یک سطح جامد با افزایش مساحت سطح برخورد و با ایجاد اختالط در جریان سیال‬
‫افزایش مییابد‪ .‬ماهیت سیال عامل بر نوع اصالح هندسی که باید روی جاذب انجام شود موثر است‪ .‬اگر سیال عامل هوا یا گاز باشد‬
‫که ضریب انتقال حرارت جابجایی پایینی دارند‪ ،‬گسترش صفحه‪ ،‬پره یا سطح موجدار بر روی صفحهی جاذب انجام میگیرد‪ .‬اما اگر‬
‫سیال عامل آب یا مایعات دیگر باشد‪ ،‬نوارهای پیچ خورده‪ ،‬نوارهای سوراخدار‪ ،‬کویلهای سیمی‪ ،‬صفحات بافل و لولههای پرهدار برای‬
‫ایجاد اعتشاش در جریان و در نهایت افزایش ضریب انتقال حرارت استفاده میشوند‪ .‬البته ایجاد تغییرات روی سطح و استفاده از‬
‫مغشوش کنندههای جریان باعث افزایش افت فشار و در نتیجه توان پمپاژ میشوند‪ .‬هر روش افزایش انتقال حرارت تنها در صورتی‬
‫مورد قبول است که افزایش نرخ انتقال حرارت بیشتر از افزایش توان پمپاژ باشد‪ .‬بنابراین اصالحات هندسی متفاوتی برای کلکتورهای‬
‫هوا و مایع به کار میرود [‪.]6‬‬
‫وارینلی و همکاران [‪ ] 28‬یک کلکتور آبی خورشیدی با یک جاذب مارپیچی را طراحی نموده و آزمایشات مختلفی را برای مشخص‬
‫کردن عملکرد کلی آن انجام دادند‪ .‬هدف اصلی آنها بررسی اثر ایجاد زاویه بین جاذب و پرتوهای خورشید بود‪ .‬نتایج نشان داد زمانی‬
‫که کلکتور در زاویه ‪ 45‬درجه باشد‪ ،‬بیشترین بازده انرژی را دارد‪ .‬از طرفی کلکتور در حالت عمودی کمترین بازدهی را به ثبت رساند‪.‬‬
‫مایتهانی و همکاران [‪ ]29‬مطالعه ای عددی جهت بررسی اکسرژی یک کلکتور گرمایی که مجراهای سیال آن مجهز به توربوالتورهای‬
‫دلتا شکل بود ترتیب دادند (شکل ‪ .)11‬متغیرهای آنان شامل تعداد موجهای پره‪ ،‬گام طولی پرهها‪ ،‬زاویه حمله جریان و عدد رینولدز‬
‫بود‪ .‬نتایج نشان داد با افزایش عدد رینولدز دمای صفحه کاهش می یابد که نشان از افزایش انتقال حرارت از صفحه به هوا بود‪.‬‬
‫همچنین مقدار بهینه برای گام طولی و موج پره به دست آوردند و ثابت کردند استفاده از فینهای موجی دلتا شکل در کلکتورها‬
‫مقرون به صرفه میباشد‪.‬‬
‫‪13‬‬
‫شکل ‪ :11‬هندسه مورد استفادهی مایتهانی و همکاران [‪]29‬‬
‫‪ 2-4‬پوشش انتخابی خورشیدی‬
‫یک راه کار موثر جهت به حداکثر رساندن جذب و مهار تابش خورشید‪ ،‬اعمال پوششهایی از برخی مواد خاص بر روی سطح‬
‫جاذب است‪ .‬پوششها عموما به عنوان پوششهای غیر انتخابی‪ 11‬و انتخابی‪ 12‬طبقهبندی میشوند‪ .‬خواص اپتیکال یا نوری مانند‬
‫انعکاسپذیری‪ ،‬جذب و غیره از نظر طیفی یکنواخت هستند‪ ،‬که بدین معنی میباشد که ویژگیهای نوری این پوششها در یک‬
‫محدوده طول موج خاص‪ ،‬مستقل از طول موج است‪ .‬این پوششها گزینشپذیری خورشیدی ضعیفی دارند و همچنین از نظر حرارتی‬
‫در دمای باال ناپایدار هستند‪ ،‬در نتیجه راندمان جاذب ضعیفی دارند‪ .‬یکی از نمونههای پوشش غیرانتخابی رنگ مشکی معمولی است‬
‫که روی سطح جاذبها اعمال میشود که هم قابلیت جذب هم انتشار را افزایش میدهد‪ .‬در کاربرد حرارتی خورشیدی‪ ،‬یک پوشش‬
‫باید دارای قابلیت جذب باال اما انتشار و تابش کم باشد تا انرژی حرارتی محبوس شده را حفظ کند‪ .‬این امر کاربرد پوشش غیر‬
‫انتخابی را برای فناوری تبدیل حرارتی خورشیدی محدود میکند‪ .‬به همین دلیل است که محققان توجه کمتری به این پوششها‬
‫داشتهاند‪.‬‬
‫‪Non-selective‬‬
‫‪Selective‬‬
‫‪14‬‬
‫‪11‬‬
‫‪12‬‬
‫از سوی دیگر پوششهای انتخابی در طیف های نوری مختلف‪ ،‬میزان جذب و انتشار متفاوتی دارند‪ .‬این بدان معنی است که‬
‫خواص نوری از لحاظ طیفی به یکدیگر وابسته هستند‪ .‬با بررسی قانون استفان بولتزمن دریافت میشود که انرژی ساطع شده از یک‬
‫جسم‪ ،‬متناسب با توان چهارم دمای مطلق آن است‪ .‬همچنین از قانون پالنک استنباط میشود که انرژی فوتونیک تابش با طول موج‬
‫آن نسبت معکوس دارد‪ .‬این بدان معناست که جسمی با دمای باال‪ ،‬تابش گرمایی با طول موج کوتاهتر ساطع میکند و بلعکس‪.‬‬
‫بنابراین تابش خورشیدی ورودی دارای طول موج کوتاهتری است و تابش گرمایی ساطع شده از سطح جاذب به وضوح طول موج‬
‫بیشتری خواهد داشت‪ .‬پوششهای انتخابی خورشیدی اجازه میدهند تابش خورشیدی ورودی از آن عبور کند و از انتشار تابش‬
‫حرارتی با طول موج طوالنیتر جلوگیری میکند‪ .‬بنابراین آنها به جذب انرژی تابشی برای رسیدن به دمای باال کمک میکنند‪ .‬انواع‬
‫مختلفی از پوششها بر اساس مکانیسمهای جذب مختلف مانند به دام انداختن نور‪ ،‬پوششهای ذرات‪ ،‬الیههای نیمهرسانا‪-‬فلزی‪،‬‬
‫فیلمهای چند الیه‪ ،‬اثرات اندازهی کوانتومی و جذب ذاتی وجود دارند‪ .‬این پوششها عالوه بر پایداری حرارتی طوالنی مدت باید دارای‬
‫توان جذب باال در محدودهی طیفی ‪ 0.3‬تا ‪ 2.5‬میکرومتر و تابش کم در محدودهی مادون قرمز با محدودهی عملیاتی دما باشند‬
‫[‪ .]74‬مشخصهی نوری یک پوشش‪ ،‬بر حسب انتخاب پذیری خورشیدی تعریف میشود که نسبت جذب خورشیدی به انتشار در یک‬
‫دمای معین است‪ .‬با بهبود مشخصه ی نوری و پایدار ساختن آن از نظر حرارتی در دماهای باالتر‪ ،‬در نهایت دمای سیال عامل افزایش‬
‫مییابد و در نتیجه عملکرد کلکتور بهبود مییابد‪ .‬اصوال فرآیندهای متعددی برای دستیابی به سطوح جذب کنندهی خورشیدی‬
‫انتخابی وجود دارد‪ .‬چالش اصلی در این زمینه توسعهی پوششها میباشد که نه تنها باید با سطوح جاذب سازگار باشد‪ ،‬بلکه باید‬
‫تولید آن نیز اقتصادی و ساده باشد‪.‬‬
‫گوربوز و همکاران [‪ ]30‬مطالعهای بر روی سه کلکتور هوا خورشیدی بدون لعاب‪ ،‬با لولههای مشبک و با لولهی مشبک و پوشش‬
‫رنگ سیاه با نانوذرات آهن اکسید به عنوان تقویت کنندهی رسانایی حرارتی جاذب انجام دادند‪ .‬آنها نشان دادند بازدهی حرارتی در‬
‫حالت معمول بین ‪ 45.11‬تا ‪ 6336‬درصد بود‪ .‬اما با استفاده از لولههای مشبک و نانوذرات پوششی‪ ،‬بازدهی حرارتی ‪ 40.45‬درصد‬
‫نسبت به حالت معمولی افزایش داشت‪ .‬اوزتورک و چیفتچی [‪ ]31‬دو کلکتور هوایی مختلف را در شرایط مشابه مورد بررسی قرار‬
‫دادند‪ .‬کلکتور اول دارای یک مجرای انعطاف پذیر آلومینیومی آغشته به رنگ سیاه صنعتی و دومی نیز یک کلکتور با ورقهی فلزی‬
‫آغشته به رنگ سیاه صنعتی بود‪ .‬همچنین آن ها اثر افزودن نانوذرات گرافن به رنگ سیاه را نیز مورد بررسی قرار دادند‪ .‬نتایج نشان‬
‫داد استفاده از نانوذرات گرافت باعث بهبود ‪ 13.73‬درصدی انتقال حرارت شد‪ .‬همچنین کلکتور نوع دوم دارای دمای خروجی بیشتری‬
‫از نوع اول بود‪.‬‬
‫‪ 3-4‬نانوسیال‬
‫خواص حرارتی مایعات نقش تعیین کننده ای در گرمایش و سرمایش در فرآیندهای صنعتی دارد‪ .‬هدایت حرارتی یک مایع یک‬
‫خا صیت مهم فیزیکی است که عملکرد انتقال حرارت آن سیال را تعیین میکند‪ .‬سیاالت عامل معمولی انتقال حرارت مانند آب‪،‬‬
‫روغن‪ ،‬اتیلن گلیکول و غره ذاتا رسانایی حرارتی ضعیفی دارند که آنها را برای کارهایی که سرعت انتقال حرارت باال مورد نیاز است‬
‫نامناسب میسازد‪ .‬تالشهای مستمری برای افزایش رسانایی حرارتی ضعیف این سیاالت با استفاده از افزودنیهای جامد رسانا انجام‬
‫گرفته است‪ .‬با این حال اگر اندازه ی ذرات افزودنی جامد در مقیاس میکرومتر یا بزرگتر باشد معایبی مانند رسوب ذرات‪ ،‬خوردگی‬
‫اجزای سیستم‪ ،‬گرفتگی مجرا‪ ،‬افت فشار زیاد و غیره بروز میکند‪ .‬از طرفی اگر اندازهی ذرات جامد در مقیاس نانومتر باشد این‬
‫مشکالت به طور قابل توجهی کاهش مییابد و سیال حاصل به عنوان نانوسیال شناخته میشود‪ .‬ویژگیهای قابل توجهی که نانوذرات‬
‫‪15‬‬
‫را کاندید مناسبی برای تعلیق در سیاالت میکند‪ ،‬اندازهی کوچک و مساحت سطح بزرگ‪ ،‬تکانه ذرات کمتر و تحرک بیشتر است‪ .‬به‬
‫دلیل اندازههای بسیار کوچک و مساحت سطح زیاد نانوذرات‪ ،‬نانوسیالها دارای خواص بهتر بسیاری از جمله حداقل گرفتگی در‬
‫مجراها‪ ،‬پایداری طوالنی مدت‪ ،‬همگنی و داشتن رسانایی حرارتی باال هستند‪.‬‬
‫تونگ و همکاران [‪ ]32‬اثر افزودن چند نانوذرهی مختلف را به آب درون یک کلکتور لوله خالء مورد بررسی قرار دادند‪ .‬نانوسیاالت‬
‫مورد بررسی آنها شامل آلومینا‪ ،‬مس اکسید‪ ،‬آهن اکسید و نانولولههای کربنی بودند‪ .‬نتایج نشان داد با افزودن ‪ 0.01‬درصد نانولولهی‬
‫کربنی به آب‪ 33.1 ،‬درصد بازده انرژی افزایش می یابد‪ .‬همچنین در بین مواد آزمایش شده‪ ،‬آب خالص دارای بیشترین تولید آنتروپی‬
‫و نانوسیال حاوی نانولولههای کربنی دارای کمترین تولید آنتروپی بود‪ .‬در نهایت نتیجه گرفتن استفاده از نانوذرات‪ ،‬مخصوصا نانولوله‪-‬‬
‫های کربنی به جای آب‪ ،‬باعث افزایش انتقال حرارت و بازدهی باالتر انرژی و در نتیجه کاهش نیاز به سوختهای فسیلی میشود‪.‬‬
‫نوهاش و همکاران [‪ ]33‬اثر استفاده از نانوسیال آلومینا‪-‬آب‪ ،‬نانولولههای کربنی تک جداره و نانولولههای کربنی چند جداره‪ -‬آب‬
‫را در یک کلکتور صفحه تخت بررسی کردند‪ .‬نتایج نشان داد نانوسیال حاوی نانولولههای کربنی تک جداره بیشترین افت فشار و‬
‫آلومینا‪-‬آب باعث ایجاد کمترین افت فشار شدند‪ .‬از طرفی نانولولههای کربنی تک جداره باعث افزایش انتقال حرارت به میزان ‪33‬‬
‫درصد شدند‪ ،‬درحالی که نانوسیال آلومینا‪-‬آب کمترین افزایش انتقال حرارت نسبت به آب را داشت‪.‬‬
‫‪ -5‬نتیجهگیری‬
‫نتایج دریافت شده بر اساس این تحقیق به شرح زیر است‪:‬‬
‫• مشخص شده است که انرژی مصرفی در بخش صنعت حدود ‪ 32‬الی ‪ 35‬درصد از تمام انرژی جهان است و سوختهای فسیلی‬
‫در دیگ بخار و کوره سوزانده می شوند تا برای کاربردهای صنعتی‪ ،‬فرآیند گرمایی تولید کنند؛ که سبب افزایش انتشار گازهای‬
‫گلخانهای میشود‪ .‬بخش صنعتی تقریبا ‪ 37‬درصد از کل گاز انتشاری را تولید میکند‪ .‬از آنجا که انرژی خورشیدی به وفور موجود‬
‫است‪ ،‬در نتیجه ایجاد چنین سیستمی یک راهحل پایدار برای به صفر رساندن تولید کربن صنایع در آینده خواهد بود‪.‬‬
‫• کاربردهای متداول کلکتورهای حرارتی خورشیدی برای نشان دادن میزان کاربرد آنها‪ ،‬شرح داده شد؛ که شامل جوشاندن آب‬
‫برای مصارف خانگی یا تجاری‪ ،‬گرمایش و سرمایش محیط‪ ،‬آب شیرینکنی و خشک کردن محصوالت کشاوری است‪ .‬این نتایج را‬
‫میتوان در بخشهای صنعتی مشابه به طور جهانی اعمال کرد‪.‬‬
‫سه روش عمده برای افزایش راندمان کلکتورهای حرارتی وجود دارد که شامل افزودن نانوذرات به سیال عامل آنها‪ ،‬ایجاد‬
‫تغییرات در هندسه و آغشته کردن سطوح کلکتور به پوششهایی شیمیایی جهت افزایش جذب و کاهش انتشار نور آفتاب میباشد‪.‬‬
‫‪16‬‬
‫منابع‬
[1] Nahar A, Hasanuzzaman M, Rahim N, Parvin S. Numerical investigation on the effect of
different parameters in enhancing heat transfer performance of photovoltaic thermal systems.
Renewable Energy 2019;132:284–95.
[2] Rahman M, Hasanuzzaman M, Rahim N. Effects of various parameters on PVmodule power
and efficiency. Energy Convers. Manage. 2015;103:348–58.
[3] Rahman MM, Hasanuzzaman M, Rahim NA. Effects of operational conditions on the energy
efficiency of photovoltaic modules operating in Malaysia. J. Cleaner Prod. 2017;143:912–24.
[4] Hasanuzzaman M, Malek ABMA, Islam MM, Pandey AK, Rahim NA. Global advancement
of cooling technologies for PV systems: a review. Sol. Energy 2016;137:25–45.
[5] Thirugnanasambandam M, Iniyan S, Goic R. A review of solar thermal technologies.
Renewable Sustainable Energy Rev. 2010;14(1):312–22.
[6] Suman S, Khan MK, Pathak M. Performance enhancement of solar collectors—a review.
Renewable Sustainable Energy Rev. 2015;49:192–210.
[7] Sharaf OZ, Orhan MF. Concentrated photovoltaic thermal (CPVT) solar collector systems: Part
II–Implemented systems, performance assessment, and future directions. Renewable Sustainable
Energy Rev. 2015;50:1566–633.
[8] Nugroho Agung Pambudi, Iksan Riva Nanda, Andi Dwi Saputro, The energy efficiency of a
modified v-corrugated zinc collector on the performance of solar water heater (SWH), Results in
Engineering 18 (2023) 101174
[9] Ekram Hadi Al-Askaree *, Nizar F.O. Al-Muhsen, Experimental investigation on thermal
performance of solar water heater equipped with Serpentine fin core heat exchanger, Cleaner
Engineering and Technology 12 (2023) 100593
[10] Noor Alam, Mohammed Salman Ali, Syed Sajid, Deepak Sharma, Zahir Hasan, Experimental
investigation and analysis of cooling performance of solar thermoelectric refrigerator, Solar
Energy12 August 2023, 111892
[11] Evangelos Bellos, Ion Chatzovoulos, Christos Tzivanidis, Yearly investigation of a solardriven absorption refrigeration system with ammonia-water absorption pair, New Journal and we
have not received input yet 23 (2021) 100885
[12] Souissia, Zied Guidaraa, Aref Maaleja, Numerical simulation and experimental investigation
on a solar refrigerator with intermittent adsorption cycle Mahmoud, Solar Energy 180 (2019) 277–
292
[13] Yanjie Zhenga, Kelsey B. Hatzella, Technoeconomic analysis of solar thermal desalination,
Desalination 474 (2020) 114168.
[14] Alireza Rafiei, Ali Sulaiman Alsagri, Shuhaimi Mahadzira, Reyhaneh Lonic, Gholamhassan
Najafi, Alibakhsh Kasaeian, Thermal analysis of a hybrid solar desalination system using various
shapes of cavity receiver: Cubical, cylindrical, and hemispherical, Energy Conversion and
Management 198 (2019) 111861
[15] Herrera Mayra Denise a, F.I. ´Alvarez-S´anchez b, N.M. Ortiz-Rodríguez c, J.J. Flores-Prieto,
Solar drying modes of saladette tomatoes slices on phytochemicals and functional properties, Solar
Energy 262 (2023) 111903
17
[16] Azim Do˘gus¸ Tuncer a, Ali Amini b, Ataollah Khanlari, Developing an infrared-assisted
solar drying system using a vertical solar air heater with perforated baffles and nano-enhanced
black paint, Solar Energy 263 (2023) 111958
[17] Walaa Mousa Hashim, Ali Talib Shomran, Hasasn Ali Jurmut, Tayser Sumer Gaaz, Abdul
Amir H. Kadhum, Ahmed A. Al-Amiery, Case Study on Solar Water Heating for Flat Plate
Collector, Case Studies in Thermal Engineering, Volume 12, September 2018, Pages 666-671.
[18] Liqun Zhou, Yiping Wang, Qunwu Huang, CFD investigation of a new flat plate collector
with additional front side transparent insulation for use in cold regions, Renewable Energy 138
(2019) 754e763.
[19] Mohammad Reza Saffarian, Mojtaba Moravej, Mohammad Hossein Doranehgard, Heat
transfer enhancement in a flat plate solar collector with different flow path shapes using nanofluid,
Renewable Energy, 146 (2020) 2316e2329.
[20] Amr Kotb, Mahmoud B. Elsheniti⁎, Osama A. Elsamni, Optimum number and arrangement
of evacuated-tube solar collectors under various operating conditions, Energy Conversion and
Management 199 (2019) 112032.
[21] Muhammed Mercan, Ali Yurddaş Numerical analysis of evacuated tube solar collectors using
nanofluids, Solar Energy 191 (2019) 167–179.
[22] A. Alnaqi, Jalal Alsarra, Abdullah A.A.A. Al-Rashed, Hydrothermal effects of using two
twisted tape inserts in a parabolic trough solar collector filled with MgO-MWCNT/thermal oil
hybrid nanofluid Abdulwahab, Sustainable Energy Technologies and Assessments 47 (2021)
101331
[23] Saman Samiezadeh, Roozbeh Khodaverdian, Mohammad Hossein Doranehgard, Hamed
Chehrmonavari, Qingang Xiong, CFD simulation of thermal performance of hybrid oil-Cu-Al2O3
nanofluid flowing through the porous receiver tube inside a finned parabolic trough solar collector,
Sustainable Energy Technologies and Assessments 50 (2022) 101888
[24] Mokhtar Ghodbane, Zafar Said, Ahmed Amine Hachicha, Boussad Boumeddane,
Performance assessment of linear Fresnel solar reflector using MWCNTs/DW nanofluids,
Renewable Energy Available online 25 October 2019 In Press.
[25] Evangelos Bellos, Christos Tzivanidis, Development of analytical expressions for the incident
angle modifiers of a linear Fresnel reflector, Solar Energy 173 (2018) 769–779.
[26] Augusto Bianchini, Alessandro Guzzini, Marco Pellegrini, Cesare Saccani, Performance
assessment of a solar parabolic dish for domestic use based on experimental measurements,
Renewable Energy Volume 133, April 2019, Pages 382-392.
[27] Sajid Abbas, Yanping Yuan, Atazaz Hassan, Jinzhi Zhou, Ammar Ahmed, Li Yang,
Emmanuel Bisengimana, Effect of the concentration ratio on the thermal performance of a conical
cavity tube receiver for a solar parabolic dish concentrator system, Applied Thermal Engineering
227 (2023) 120403.
[28] Halil ˙Ibrahim Variyenli, Ali Amini, Azim Do˘gus¸ Tuncer, Ataollah Khanlari, S¸ahin Kolay,
Experimental and numerical analysis of a helically-coiled solar water collector at various angular
placements, International Journal of Thermal Sciences 188 (2023) 108177.
[29] Rajesh Maithani, Anil Kumar, Masood Ashraf Ali, Naveen Kumar Gupta, Sachin Sharma,
Tabish Alam, Sayed M. Eldin, Javed Khan Bhutto, Dan Dobrota, Florin Cristian Ciofu, Exergy
and sustainability analysis of a solar heat collector with wavy delta winglets as turbulent
promoters: A numerical analysis, Case Studies in Thermal Engineering 49 (2023) 103293
18
[30] Emine Ya˘gız Gürbüz, Istemihan S¸ahinkesen, Barıs¸ Kusun, Azim Do˘gus¸ Tuncer, Ali
Keçebas, Enhancing the performance of an unglazed solar air collector using mesh tubes and
Fe3O4 nano-enhanced absorber coating, Energy 277 (2023) 127704.
[31] Murat Oztürk, Erdem Çiftçi, Upgrading the performance of a solar air collector with flexible
aluminum air ducts and graphene nanoplatelet-enhanced absorber coating, Thermal Science and
Engineering Progress 40 (2023) 101760.
[32] Yijie Tong, Ruijin Wang, Shifeng Wang, Huijiao Wang, Lizhong Huang, Chun Shao, Xiao
Jin, Bing Xue, Zefei Zhu, Comparison and evaluation of energetic and exergetic performance of
an evacuated tube solar collector using various nanofluid
[33] Mashrur Muntasir Nuhash, Md Ibthisum Alam, Ananta Zihad, Md Jahid Hasan, Fei Duan,
Arafat A. Bhuiyan, Md Rezwanul Karim, Enhancing energy harvesting performance of a flat plate
solar collector through integrated carbon-based and metal-based nanofluids, Results in
Engineering 19 (2023) 101276
19