تحلیل حرارتی و اکسرژی متمرکزکننده فرنل خطی به‌منظور امکان‌سنجی استفاده در سامانه گرمایش گلخانه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• سعید نوروزی ¹
• علی ملکی ²
• شاهین بشارتی ³

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

² گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

³ گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم ، دانشکده کشاورزی دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

https://doi.org/10.22067/jam.2021.72345.1060

چکیده

در سال‌های اخیر افزایش آلودگی هوا، قیمت حامل‌های انرژی و تنش آبی به دلیل تغییرات اقلیم باعث شده تا استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر به‌ویژه انرژی خورشیدی افرایش یابد. جمع‌کننده‌های خورشیدی یکی از منابع مهم جمع‌آوری و تامین انرژی گرمایی هستند. در این راستا بازده و کارایی این کلکتورها و اقدامات لازم برای افزایش این عامل‌ها از اهمیت خاصی برخورار است. لذا در این پژوهش عملکرد روزانه یک بازتابنده فرنل خطی جهت استفاده در سیستم گرمایش یک گلخانه در بهمن ماه در شرایط آب و هوایی شهرکرد به‌صورت عددی بررسی خواهد شد. این سامانه دارای یک گیرنده صفحه تخت با 18 مترمربع میدان آینه بوده و به یک مخزن ذخیره‌سازی باحجم 250 لیتر متصل شده است. علاوه بر این، بر اساس تعادل انرژی در جمع‌کننده و مخزن ذخیره‌سازی، یک مدل ریاضی برای پیش‌بینی عملکرد روزانه سامانه مورد نظر تهیه شد. تحلیل‌ها نشان داد که بیشینه بازده حرارتی سامانه برابر با 64 درصد و حداکثر تولید حرارت مفید 1/5 کیلووات است که توانایی گرمایش محیط گلخانه را در طول شب در ماه بهمن را دارد. همچنین از نتایج این پژوهش می‌توان برای ارزیابی سامانه‌های متمرکز خورشیدی و به‌ویژه بازتابنده‌های فرنل خطی استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

• بازتابنده
• بازده حرارتی
• تلفات حرارتی
• متمرکزکننده‌های متمرکز

20.1001.1.22286829.1402.13.2.4.3

موضوعات

• مهندسی سامانه‌های کشاورزی (گلخانه، پرورش ماهی، تولید قارچ)

©2021 The author(s). This article is licensed under Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0), which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source.

مراجع

1. Anifantis, A. S., Colantoni, A., & Pascuzzi, S. (2016). Thermal energy assessment of a small scale photovoltaic, hydrogen and geothermal stand-alone system for greenhouse heating. Renewable Energy, 103, 115-127. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.11.031
2. Attar, I., & Farhat, A. (2015). Efficiency evaluation of a solar water heating system applied to the greenhouse climate. Solar Energy, 119, 212-224. https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.06.040
3. Babu, M., Raj, S. S., & Arasu, A. V. (2019). Experimental analysis on Linear Fresnel reflector solar concentrating hot water system with varying width reflectors. Case Studies in Thermal Engineering, 14, 100444. https://doi.org/10.1016/j.csite.2019.100444
4. Balaji, S., Reddy, K. S., & Sundararajan, T. (2016). Optical modelling and performance analysis of a solar LFR receiver system with parabolic and involute secondary reflectors. Applied Energy, 179, 1138-1151. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.07.082
5. Barbón, A., Barbón, N., Bayón, L., & Otero, J. A. (2016). Theoretical elements for the design of a small scale Linear Fresnel Reflector: Frontal and lateral views. Solar Energy, 132, 188-202. https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.02.054
6. Barbón, A., Fernández-Rubiera, J. A., Martínez-Valledor, L., Pérez-Fernández, A., & Bayón, L. (2021). Design and construction of a solar tracking system for small-scale linear Fresnel reflector with three movements. Applied Energy, 285, 116477. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116477
7. Baudoin, W., Nono-Womdim, R., Lutaladio, N., Hodder, A., Castilla, N., Leonardi, C., De Pascale, S., Qaryouti, M., & Duffy, R. (2013). Good agricultural practices for greenhouse vegetable crops: Principles for mediterranean climate areas. FAO plant production and protection paper (FAO).(book)
8. Bellos, E. (2019). Progress in the design and the applications of linear Fresnel reflectors–A critical review. Thermal Science and Engineering Progress, 10, 112-137. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2019.01.014
9. Bellos, E., Mathioulakis, E., Papanicolaou, E., & Belessiotis, V. (2018). Experimental investigation of the daily performance of an integrated linear Fresnel reflector system. Solar Energy, 167, 220-230. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.04.019
10. Bellos, E., Mathioulakis, E., Tzivanidis, C., Belessiotis, V., & Antonopoulos, K. A. (2016). Experimental and numerical investigation of a linear Fresnel solar collector with flat plate receiver. Energy Conversion and Management, 130, 44-59. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.10.041
11. Bellos, E., Tzivanidis, C., Korres, D., & Antonopoulos, K. A. (2015). Thermal analysis of a flat plate collector with Solidworks and determination of convection heat coefficient between water and absorber. In ECOS conference. https://doi.org/10.1177/0957650917712403
12. Belessiotis, V., Mathioulakis, E., & Papanicolaou, E. (2010). Theoretical formulation and experimental validation of the input–output modeling approach for large solar thermal systems. Solar Energy, 84(2), 245-255. https://doi.org/10.1016/j.solener.2009.10.024
13. Benyakhlef, S., Al Mers, A., Merroun, O., Bouatem, A., Boutammachte, N., El Alj, S., Ajdad, H., Erregueragui, Z., & Zemmouri, E. (2016). Impact of heliostat curvature on optical performance of Linear Fresnel solar concentrators. Renewable Energy, 89, 463-474. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.12.018
14. Boito, P., & Grena, R. (2021). Application of a fixed-receiver Linear Fresnel Reflector in concentrating photovoltaics. Solar Energy, 215, 198-205. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.12.024
15. Duffie, J. A., Beckman, W. A., & Blair, N. (2020). Solar engineering of thermal processes, photovoltaics and wind. John Wiley & Sons; 2020 Mar 24.(book)
16. Ebrahimpour, A., Maaref, M., & Nairi, H. (2009). Comparison of two different methods for estimating air purity coefficient for Iranian cities. Geography and Planning, 14(28), 1-16. (In Persian).
17. Forristall, R. (2003). Heat transfer analysis and modeling of a parabolic trough solar receiver implemented in engineering equation solver (No. NREL/TP-550-34169). National Renewable Energy Lab., Golden, CO.(US).
18. Hasandokht, M. (2005). Greenhouse management (greenhouse product technologies). Marze danesh publication, pp: 31-35. (In Persian).
19. Huang, F., Li, L., & Huang, W. (2014). Optical performance of an azimuth tracking linear Fresnel solar concentrator. Solar Energy, 108, 1-12. https://doi.org/10.1016/j.solener.2014.05.010
20. Jafari, M., Mortezapour, H., Jafari Naeimi, K., & Maharlooei, M. (2017). Performance Investigation of a Solar Greenhouse Heating System Equipped with a Parabolic Trough Solar Concentrator and a Double-Purpose Heat Journal of Agricultural Machinery, 7(2), 364-378. (In Persian with English abstract). https://doi.org/10.22067/jam.v7i2.56939
21. Jafarpour, Kh., & Karshenas, M. (2001). Cloud coefficient and its application in estimating solar radiation in different climates of Iran. Iranian Journal of Energy, 6 (1), 45-56. (In Persian).
22. Kalogirou, S. A. (2012). A detailed thermal model of a parabolic trough collector receiver. Energy, 48(1), 298-306. https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.06.023
23. Loni, R., Kasaeian, A. B., Asli-Ardeh, E. A., & Ghobadian, B. (2016). Optimizing the efficiency of a solar receiver with tubular cylindrical cavity for a solar-powered organic Rankine cycle. Energy, 112, 1259-1272. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.06.109
24. Jovanović, M., Kašćelan, L., Despotović, A., & Kašćelan, V. (2015). The impact of agro-economic factors on GHG emissions: Evidence from European developing and advanced economies. Sustainability, 7(12), 16290-16310. https://doi.org/10.3390/su71215815
25. Ma, J., & Chang, Z. (2018). February. Understanding the effects of end-loss on linear Fresnelcollectors. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 121, No. 5, p. 052052). IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1755-1315/121/5/052052
26. Mokhtar, G., Boussad, B., & Noureddine, S. (2016). A linear Fresnel reflector as a solar system for heating water: theoretical and experimental study. Case Studies in Thermal Engineering, 8, 176-186. https://doi.org/10.1016/j.csite.2016.06.006
27. Nixon, J. D., Dey, P. K., & Davies, P. A. (2013). Design of a novel solar thermal collector using a multi-criteria decision-making methodology. Journal of Cleaner Production, 59, 150-159. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2013.06.027
28. Ozgener, O., & Hepbasli, A. (2006). An economical analysis on a solar greenhouse integrated solar assisted geothermal heat pump system. Journal of Energy Resources Technology, 128, 28-34. https://doi.org/10.1115/1.2126984
29. Petela, R. (2003). Exergy of undiluted thermal radiation. Solar Energy, 74(6), 469-488. https://doi.org/10.1016/S0038-092X(03)00226-3
30. Qiu, Y., He, Y. L., Cheng, Z. D., & Wang, K. (2015). Study on optical and thermal performance of a linear Fresnel solar reflector using molten salt as HTF with MCRT and FVM methods. Applied Energy, 146, 162-173. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.01.135
31. Said, Z., Ghodbane, M., Sundar, L. S., Tiwari, A. K., Sheikholeslami, M., & Boumeddane, B. (2021). Heat transfer, entropy generation, economic and environmental analyses of linear Fresnel reflector using novel rGO-Co3O4 hybrid nanofluids. Renewable Energy, 165, 420-437. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.11.054
32. Smith, P., Clark, H., Dong, H., Elsiddig, E. A., Haberl, H., Harper, R., House, J., Jafari, M., Masera, O., Mbow, C., & Ravindranath, N. H. (2014). Agriculture, forestry and other land use (AFOLU).
33. Smith, P., Martino, D., Cai, Z., Gwary, D., Janzen, H., Kumar, P., McCarl, B., Ogle, S., O'Mara, F., Rice, C., & Scholes, B. (2008). Greenhouse gas mitigation in agriculture. Philosophical transactions of the royal Society B: Biological Sciences, 363(1492), 789-813. https://doi.org/10.1098/rstb.2007.2184
34. Sharma, V., Nayak, J. K., & Kedare, S. B. (2015). Effects of shading and blocking in linear Fresnel reflector field. Solar Energy, 113, 114-138. https://doi.org/10.1016/j.solener.2014.12.026
35. Sherafati, K. (2009). Investigation of energy consumption indices of cucumber production in Tehran greenhouses. Final report of the research project of the Institute of Agricultural Technical and Engineering Research. (In Persian).
36. Tagle, P. D., Agraz, A., & Rivera, C. I. (2016). Study of applications of parabolic trough solar collector technology in Mexican industry. Energy Procedia, 91, 661-667. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.06.227
37. Tzivanidis, C., & Bellos, E. (2016). The use of parabolic trough collectors for solar cooling–A case study for Athens climate. Case Studies in Thermal Engineering, 8, 403-413. https://doi.org/10.1016/j.csite.2016.10.003
38. Wang, G., Wang, F., Shen, F., Jiang, T., Chen, Z., & Hu, P. (2020). Experimental and optical performances of a solar CPV device using a linear Fresnel reflector concentrator. Renewable Energy, 146, 2351-2361. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.08.090
39. Xu, C., Chen, Z., Li, M., Zhang, P., Ji, X., Luo, X., & Liu, J. (2014). Research on the compensation of the end loss effect for parabolic trough solar collectors. Applied Energy, 115, 128-139. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.11.003