8-: > .$ @3 /., : @ @!$ -!8@%7!0 .$ @3 /., : @ @!$ -!8@%7!0

42

-642-

Investigating the relationship between energy inputs and yield of tea in

Guilan province

Amin Nikkhah1*, Hani Hamzeh-Kalkenari2, Bagher Emadi3 and Farshad Shabanian2

1- MSc Student, Department of Biosystems Engineering, Ferdowsi University of [email protected]

2- MSc Student, Department of Agricultural Economic, Ferdowsi University of Mashhad3- Associate Professor, Department of Biosystems Engineering, Ferdowsi University of Mashhad

Abstract

Sustainable development of the production in a region requires consideration of energy

flow in the production system. in this study energy use for tea production in guilan

province is investigated. Data were collected through interviews with 75 tea farmers and

compared with farmers Information Book. Total energy input was 39060.60 MJ ha-1.

Energy Efficiency Calculated as 0.22. Chemical fertilizers had the largest share in

energy use with 58.55% in tea production. the Results of Cobb-Douglas model of

energy inputs in tea production in the Guilan province revealed that the effect of all

energy inputs except from the chemicals were positive on the yield, and the Input of

human labor energy on yield was significant at the level of one percent. Energy of labor

input had the most effect on the yield and then the machinery energy input and

chemicals had the next highest effect on the yield of tea production in Guilan province.

Keywords: Energy, Tea, Energy Efficiency, Guilan.

Page 635

-635-

16- Pishgar-Komleh, S. H. and P. Sefeedpari and S. Rafiee. 2011a. Energy and economic analysis of

rice production under different farm levels in Guilan province of Iran. Energy 36: 5824-5831.

17- Pishgar Komleh, S. H., A. Keyhani, S. Rafiee and P. Sefeedpary. 2011b. Energy use and

economic analysis of corn silage production under three cultivated area levels in Tehran

province of Iran. Energy 36: 3335-3341.

18- Pishgar-Komleh, S. H. and M. Ghahderijani and P. Sefeedpari. 2012. Energy consumption and

CO2 emissions analysis of potato production based on different farm size levels in Iran. Journal

of Cleaner Production 33: 183-191.

19- Pishgar-Komleh, S. H. and M. Omid and M. D. Heidari. 2013. On the study of energy use and

GHG (greenhouse gas) emissions in greenhouse cucumber production in Yazd province. Energy

59: 63-71.

20- Ramedani, Z. and S. Rafiee and M. D. Heidari. 2011. An investigation on energy consumption

and sensitivity analysis of soybean production farms. Energy 36: 6340-6344.

21- Royan, M., M. Khojastehpour, B. Emadi and H. G. Mobtaker. 2012. Investigation of energy

inputs for peach production using sensitivity analysis in Iran. Energy Conversion and

Management 64: 441-446.

22- Samavatean, N., S. Rafiee, H. Mobli and A. Mohammadi. 2011. An analysis of energy use and

relation between energy inputs and yield, costs and income of garlic production in Iran.

Renewable Energy 36: 1808-1813.

23- Singh, S. and J. P. Mittal. 1992. Energy in Production Agriculture. Mittal Publications.

24- Singh, S., S. Singh, J. P. Mittal, C. J. S. Pannu and B. S. Bhangoo. 1994. Energy inputs and crop

yield relationships for rice in Punjab. Energy 19: 1061-1065.

25- Snedecor, G. W. and W. G. Cochran. 1980. Statistical methods. Iowa State University Press.

26- Tabatabaie, S. M. H. and S. Rafiee and A. Keyhani. 2012. Energy consumption flow and

econometric models of two plum cultivars productions in Tehran province of Iran. Energy 44:

211-216.

27- Taheri-Garavand, A. and A. Asakereh and K. Haghani. 2010. Energy elevation and economic

analysis of canola production in Iran a case study: Mazandaran province. International Journal of

Environmental Sciences 1: 236-242.

Page 634

-634-

www.maj.ir

4- Bakhoda, H., M. Almassi, N. Moharamnejad, R. Moghaddasi and M. Azkia. 2012. Energy

production trend in Iran and its effect on sustainable development. Renewable and Sustainable

Energy Reviews 16: 1335-1339.

5- Khoshnevisan, B., S. Rafiee, M. Omid, M. Yousefi and M. Movahedi. 2013. Modeling of energy

consumption and GHG (greenhouse gas) emissions in wheat production in Esfahan province of

Iran using artificial neural networks. Energy 52: 333-338.

6- Michael, H., and J.D. Dworkin. 2007. The Institute for Energy and the Environment. Available

for online download at: www.agenergysolutions.org

7- Mobtaker, H. G. and A. Akram and A. Keyhani. 2012. Energy use and sensitivity analysis of

energy inputs for alfalfa production in Iran. Energy for Sustainable Development 16: 84-89.

8- Mobtaker, H. G., A. Keyhani, A. Mohammadi, S. Rafiee and A. Akram. 2010. Sensitivity

analysis of energy inputs for barley production in Hamedan Province of Iran. Agriculture,

Ecosystems & Environment 137: 367-372.

9- Mohammadi, A. and M. Omid. 2010. Economical analysis and relation between energy inputs

and yield of greenhouse cucumber production in Iran. Applied Energy 87: 191-196.

10- Mohammadi, A., S. Rafiee, S. S. Mohtasebi and H. Rafiee. 2010. Energy inputs – yield

relationship and cost analysis of kiwifruit production in Iran. Renewable Energy 35: 1071-1075.

11- MousaviAvval, S. H., S. Rafiee, A. Jafari and A. Mohammadi. 2011a. Improving energy

productivity of sunflower production using data envelopment analysis (DEA) approach. Journal

of the Science of Food and Agriculture 91: 1885-1892.

12- Mousavi-Avval, S. H., S. Rafiee, A. Jafari and A. Mohammadi. 2011b. Energy flow modeling

and sensitivity analysis of inputs for canola production in Iran. Journal of Cleaner Production 19:

1464-1470.

13- Mousavi-Avval, S. H. and S. Rafiee and A. Mohammadi. 2011c. Optimization of energy

consumption and input costs for apple production in Iran using data envelopment analysis.

Energy 36: 909-916.

14- Ozkan, B. and H. Akcaoz and C. Fert. 2004. Energy input–output analysis in Turkish agriculture.

Renewable Energy 29: 39-51.

15- Ozkan, B. and R. F. Ceylan and H. Kizilay. 2011. Comparison of energy inputs in glasshouse

double crop (fall and summer crops) tomato production. Renewable Energy 36: 1639-1644.

Page 633

-633-

)Pishgar-Komleh et al.,

2011a(.

R2

Page 632

-632-

)Mousavi-Avval et al., 2011b; Pishgar-Komleh et al., 2011a; Taheri-Garavand et al.,

2010( ،

)Pishgar-Komleh et al., 2011b; Pishgar-Komleh et al., 2012; Pishgar Komleh et al., 2011a(

)Pishgar-Komleh et al., 2011b.(

)Mobtaker et al., 2010; Mohammadi et al.,

2010; Samavatean et al., 2011.(

Page 631

-631-

Mousavi-Avval et al., 2011b; P )Pishgar-Komleh et al.,

2011a; Taheri-Gaaravand et al., 2010

Page 630

-630-

)Mobtaker et al., 2010; Mousavi-Avval et al., 2011c; Mousavi Avval et al.,

2011a; Pishgar-Komleh et al., 2011a.(

Page 629

-629-

exp (u)

Excel 2007JMP4

)Pishgar-Komleh et al., 2011a.(

)Mobtaker et al., 2012(

Page 628

-628-

(Singh et al., 1994)

(Ozkan et al., 2011)(Ozkan et al., 2011)

(Khoshnevisan et al., 2013)(Khoshnevisan et al., 2013)

(Pishgar-Komleh et al., 2011a)(Singh and Mittal., 1992)

(Ozkan et al., 2004)

X1X2X3

X4X5X6

)Mousavi-Avval et al., 2011b; Pishgar-

Komleh et al., 2013; Ramedani et al., 2011 .(

a0ei

Page 627

-627-

)Pishgar-Komleh et al., 2011a(

)Royan et al., 2012(

)Mousavi Avval et al., 2011a(

)Mousavi-Avval et al.,

2011b.(

)Khoshnevisan et al., 2013; Mohammadi and Omid, 2010; Tabatabaie

et al., 2012 .(

)Snedecor and Cochran, 1980(

tsdN

n

1 Energy Efficiency2 Energy Productivity3 Specific Energy4 Net Energy

Page 626

-626-

[email protected]

)Bakhoda et al., 2012(

(Michael and Dworkin,

2007)

Page 625

-625-

The Effect of Collector Dimensions on Flat-Plate Solar Collector

Performance using Computational Fluid Dynamics Method

Ali Maleki1*, Rohangiz Rahimi2, Shahin Besharati3

1. Assistant professor of Mechanical Engineering of Biosystems, Shahrekord University ([email protected] )

2. MSc. Student of Mechanical Engineering of Biosystems, Shahrekord University

3. Scholar professor of Mechanical Engineering of Biosystems, Shahrekord University

Abstract

Today, increasing of energy use cause renewable energy become more important. The

sun's energy has found a special place in terms of lack of emissions. One of the simplest

and most effective ways of collecting solar energy is flat-plate solar collector. Collector

thickness and its aspect ratio are main parameters affecting on performance. Therefore,

in order to investigate the effect of collector thickness and aspect ratio on the collector

performance, 35 collector models with different dimensions using computational fluid

dynamics modeling software were analyzed. Results showed that by increasing of

collector thickness, exhaust air mass flow rate increased linearly, but the difference

temperature between the inlet and outlet of the collector and the thermal efficiency

decreased. Also, by increasing the collector aspect ratio, exhaust air mass flow rate

reduced and difference temperature between inlet and outlet of the collector and the

thermal efficiency increased.

Keywords: Collector Dimensions, Solar Energy, Computational Fluid Dynamics,

Collector Performance.

Page 594

-594-

.نشر طراح . چاپ هفتم.Fluentافزار دينامك سياالت محاسبات به كمك نرم. 1389 سلطاني. و م. ،ر. رحيمي..4سازي عددي جريان هوا در دودكش خورشيدي. نشريه مدل .1390 فر.وثوقي و ح.، .سرلكم. ، .محموديب. ا.، شمسايي..5

.442تا 437صفحات .4شماره .45دوره .دانشكده فني .مهندسي عمران و نقشه برداريهاي خورشيدي ثابت براي دريافت . تعيين زاويه بهينه پانل1387عامري. و م. ، .رهنمام. ، .جعفري ، س.م. زاده.عبدل.6

.10. شماره 19مهندسي دانشگاه علم و صنعت ايران. جلد المللي علوم بيشترين انرژي تشعشعي در كرمان. نشريه بين.98-91صفحات

7. Duffie, J. A., and W. A. Beckman. 1991. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons. New York.

8. Gunerhan, H., and A. Hepbasli. 2007. Determination of the optimum tilt angle of solar collectors for building applications. Journal Building and Environment 42: 779-783.

9. Jamil Ahmad, M., and G. N. Tiwari. 2009. Optimization of Tilt Angle for Solar Collector to Receive Maximum Radiation. Journal of Open Renewable Energy 2: 19-24.

10. Karapantsios, T. D., A. I. Balouktsis., D. Chassapis., and M .D. Petala. 2007. CFD model to estimate the effect of tilt and height on the natural air flow inside a solar chimney. 7th WSEAS International Conference on Electric Power Systems, High Voltages, Electric Machines. Venice. Italy.

11. Norton. T., and D. W. Sun. 2006. Computational fluid dynamics (CFD) -An effective and efficient design and analysis tool for the food industry: A review", Trends in Food Science & Technology 17: 600-620.

12. Saifi. N., N. Settou., B. Dokkar., B. Negrou. and N. Chennouf. 2012. Experimental study and simulation of airflow in solar chimneys. Energy Procedia 18: 1289-1298.

13. Sakonidou, E. P., T. D. Karapantsios., A. I. Balouktsis., and D. Chassapis. 2008. Modeling of the optimum tilt of a solar chimney for maximum air flow. Solar Energy 82: 80-94.

14. Yeh, H. M., and T. T. Lin. 1995. The effect of collector aspect ratio on the collector efficiency of Flat-Plate Solar Air Heaters. Journal of Energy 20: 1041-1047.

15. Yongson, O., I. A. Badruddin., Z. A. Zainal., and P. A. A. Narayana. 2007. Airflow analysis in an air conditioning room. Journal of Building and Environment 42: 1531-1537.

Page 593

-593-

اثر ضخامت كلكتور و نسبت طول به عرض كلكتور بر بازده كلكتور نشان داده شده است. با توجه به نتايج مشخص 5در شكل با افزايش ضخامت يابد. بازده كلكتور كاهش مي ،است كه در تمام سطوح نسبت طول به عرض كلكتور با افزايش ضخامت كلكتور

كاهش توان و شودكند و منجر به كاهش توان حرارتي كلكتور ميروند كاهش اختالف دما بر افزايش دبي جرمي غلبه ميكلكتور شود كه با افزايش نسبت طول به مشاهده مي 5با توجه به شكل همچنين .را به دنبال داردكاهش بازده حرارتي كلكتور ،حرارتي

ي كه به صورت تئوري و آزمايشگاهي بر روي كلكتور با تحقيقات. نتايج بدست آمده بديابازده كلكتور افزايش مي ،عرض كلكتور,Yeh and Lin( داردمطابقت ه استجام شدان 1995(.

كلكتور بازدهاثر ضخامت كلكتور و نسبت طول به عرض كلكتور بر -5شكل

گيري كلينتيجه

افزايش ضخامت كلكتور صفحه كه با دهد نشان ميتور با استفاده از ديناميك سياالت محاسباتي كسازي كلشبيهنتايج حاصل از نتايج حاصل از انطباق با توجه به يابد. بازده كلكتور افزايش مي ،بازده كلكتور كاهش و با افزايش نسبت طول به عرض ،تخت توسط محققان ديگر انجام شده استبه صورت آزمايشگاهي و تحقيقاتي كه در موارد مشابه كلكتورهاي صفحه تخت با سازيشبيه سازي كلكتورهاي صفحه تخت است.توان بيان كرد كه ديناميك سياالت محاسباتي روش مناسبي براي شبيهمي

منابع

پايان نامه از ديناميك سياالت محاسباتي.فاده بررسي وضعيت آلودگي و تهويه زيرگذر زند شيراز با است. 1382و. زاده.اديب.1دانشگاه شيراز. .كارشناسي ارشد

استان چهارمحال و بختياري. آمارنامه اداره كل هواشناسي. 1390نام. بي.2تهران. .شركت ناقوس انديشه .Fluent 6.3افزار سازي عددي با نرمشبيه. 1387ا. .م دهقاني سانيچ..3

0.7

0.75

0.8

0.85

3 4 5 6 7 8 9 10 11

توركلك

زده با

)سانتي متر(ضخامت كلكتور

1نسبت طول به عرض 1/5نسبت طول به عرض


3نسبت طول به عرض

Page 592

-592-

اثر ضخامت كلكتور و نسبت طول به عرض كلكتور بر دبي جرمي كلكتور -3شكل

اثر ضخامت كلكتور و نسبت طول به عرض كلكتور بر اختالف دماي هواي ورودي و خروجي كلكتور نشان داده 4در شكل

اختالف ،با افزايش ضخامت كلكتورشود كه در تمام سطوح نسبت طول به عرض كلكتور شده است. با توجه به شكل ديده ميروند كاهش اختالف ،ست كه با افزايش ضخامت كلكتورهمچنين مشخص ا يابددماي هواي ورودي و خروجي كلكتور كاهش مي

و كاهش اثر اصطكاكي افزايش سطح مقطع عبور جريان هوا با افزايش ضخامت كلكتور به دليلكند. دما شدت كمتري پيدا مين كرد كه اتوان بيميهمچنين يابد و افزايش دبي جرمي كاهش دماي هوا را در پي خواهد داشت. دبي جرمي افزايش ميها، ديواره

هوا، جريان هوا زمان جريان و كاهش سرعت هاافزايش اثر اصطكاكي ديواره به دليل كلكتور،با افزايش نسبت طول به عرض كند كه اين موجب افزايش اختالف دماي هواي ورودي و خروجي كلكتور فت حرارت از ديوار جاذب پيدا ميدريابراي بيشتري را

Karapantsios( بر روي دودكش خورشيدي مطابقت دارد محققان ديگرتغييرات با تحقيقات داين رون شود.مي et al., 2007;

Sakonidouet al., 2008( .

اثر ضخامت كلكتور و نسبت طول به عرض كلكتور بر اختالف دماي هواي ورودي و خروجي از كلكتور -4شكل

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

3 4 5 6 7 8 9 10 11

مي جر

دبي)

انيهبر ث

رم لوگكي

(





0

10

20

30

40

50

60

3 4 5 6 7 8 9 10 11

دما ف ختال

ا)

وينكل

(





Page 591

-591-

اي انتخاب شود كه با ريزتر شدن شبكه نتايج حل براي اطمينان از حل مسئله بايد شبكه به گونه CFDهاي سازيدر شبيه

راي هر مدل، پنج توان با اطمينان بيان كرد كه حل مساله مستقل از شبكه است. به همين دليل بتقريبا ثابت بماند در اين حالت مياي كه با ريزتر كردن شبكه شبكه با در نظر گرفتن پارامترهاي كيفيت شبكه ايجاد شد و هر پنج شبكه تحليل و بزرگترين شبكه

ماند به عنوان بهترين شبكه انتخاب شد. البته در انتخاب بهترين شبكه زمان محاسبات نيز در نظر گرفته نتايج حل تقريبا ثابت ميمدل 35براي ز مشخص شدن بهترين شبكه از نظر دقت و زمان محاسبات، تحليل نهايي براساس اين شبكه انجام شد. شد. پس ا

افزار استخراج شد و اختالف دماي هواي ورودي و بعد از حل مساله مقادير دبي جرمي و دماي هوا در خروجي كلكتور از نرم

نتايج واريانس براي دبي جرمي كلكتور، اختالف دماي ايجاد شده و بازده 1جدول .خروجي كلكتور و بازده كلكتور محاسبه شد

دهد كه اثر ضخامت كلكتور و نسبت طول به عرض كلكتور بر دبي جرمي هواي خروجي از كلكتور ارائه شده است. نتايج نشان مي .دار استدرصد معني 1كلكتور و اختالف دماي هواي ورودي و خروجي از كلكتور و همچنين بازده كلكتور در سطح

)، اختالف دماي هواي kg/sهاي ضخامت و نسبت طول به عرض كلكتور بر دبي جرمي (نتايج تجزيه واريانس عامل 1-جدول

) و بازده كلكتورKخروجي از كلكتور (

ميانگين مربعات مجموع مربعات درجه آزادي منابع تغييرات بازده اختالف دمادبي جرمي بازدهاختالف دمادبي جرمي

001/0** 415** 00/0**007/0 7/2489 001/0 6 ضخامت001/0** 5/65** 00/0**005/0 262 000/0 4نسبت طول به عرض

000/0 85/0 00/0 /001 20 000/0 24 خطا 012/0 2772 001/0 34 كل

.دهددرصد را نشان مي 1 آماري داري در سطحتفاوت معنيوجود **نشان داده كه اثر ضخامت كلكتور و نسبت طول به عرض كلكتور بر دبي جرمي هواي خروجي از كلكتور 3با توجه به شكل با افزايش ضخامت كلكتور دبي جرمي تقريبا به ،عرض كلكتورشود كه در تمام سطوح نسبت طول به شده است، مشاهده مي

Saifi( بر روي دودكش خورشيدي مطابقت داردبد كه با تحقيقات انجام شده ياصورت خطي افزايش مي et al.,2012( همچنين . اين پديده رادليل . يابداي خروجي از كلكتور كاهش ميشود كه با افزايش نسبت طول به عرض كلكتور دبي جرمي هومشاهده مي

زايش به دليل كاهش سطح مقطع ورودي كلكتور و اف ور،با افزايش نسبت طول به عرض كلكت توجيح كرد كه چنينتوان مي يابد. دبي جرمي كاهش مي ،اصطكاك در اثر افزايش مسير جريان هوا

Page 590

-590-

به عنوان 2m/s 81/9براي منطقه شهركرد و شتاب گرانش kPa 80، فشار محيط C°27 (K 300همچنين دماي محيط (

k-εو از مدل تالطم SIMPLEبا الگوريتم Pressure Basedافزار فلوئنت تعريف شد. از حل كننده شرايط كاري براي نرم شار حرارتي روي صفحه جاذب از طريق فرمول زير محاسبه شد: سازي تالطم استفاده شد. استاندارد براي شبيه

)15( Q=HT

t×3600τ×α

ميانگين t، )1390نام، (بي 2J/mM 4/24با مقدار روي سطح افق براي ماه جواليشدت تابش كل روزانه TH رابطهدر اين اي است. ضريب عبور پوشش شيشه τضريب جذب صفحه جاذب و αساعت)، 10( ساعات آفتابي براي ماه جوالي

شود و بازده كلكتور به صورت نسبت توان حرارتي خروجي كلكتور به توان حرارتي دريافتي از خورشيد در يك بازه زماني تعريف مي

.) Yeh and Lin,1995( از طريق رابطه زير محاسبه شد

)16( η=m̊Cp∆T

HTt

A

اختالف دماي هواي ∆J/kg.K ،Tظرفيت گرمايي ويژه هواي گرم بر حسب kg/s ،pCدبي جرمي بر حسب m̊در اين رابطه است. 2mمساحت كلكتور بر حسب Aو Kورودي و خروجي كلكتور بر حسب

افزار فلوئنت استخراج دماي كل هوا در سطح مقطع خروجي كلكتور از نرم دبي جرمي ومقادير ، كلكتور مدل 35براي تمامي

نسبت طول به ضخامت كلكتور و هاياي دانكن تاثير عاملو از طريق آزمون چند دامنه MSTAT-Cافزار رمشد و با استفاده از ن .بازده كلكتور مورد تجزيه و تحليل آماري قرار گرفت دبي جرمي، اختالف دماي ايجاد شده و برعرض كلكتور

نتايج و بحث

براي معيار يتوافق واحداگر چه . آورده شده است 2داخل كلكتور در شكل هاي حل عددي معادالت در ماندهنمودار مربوط به باقي

و براي معادله انرژي 10-3براي تمام معادالت به مقدار هاماندههمگرايي وجود ندارد ولي براي اغلب مسائل كاهش مقدار باقي

).1382( اديب زاده، معيار همگرايي است 10-6مقدار

ها حل عددي معادالت در داخل كلكتورماندهباقينمودار -2شكل

Page 589

-589-

)9( τij= μ(∂ui

∂xj+∂uj

∂xi) - 2

3 μ∂ut

∂xtδij

دلتاي كرونكر است كه به صورت زير δijلزجت مولكولي, جمله دوم از سمت راست تاثيرپذيري ناشي از انبساط حجمي و كه .)1387(دهقاني، شودتعريف مي

)10( δij=

معادله انرژي

گيرد:فلوئنت معادله انرژي را به شكل زير در نظر مي

)11( ∂∂t

ρE +∂∂xi

ui ρE+p =∂∂xi

keff∂T∂xi

- hj'Jj'

j'+ uj(τij)eff

+Sh

ضريب هدايت گرمايي جريان fk(كه s+ kfkباشد و برابر است باضريب هدايت حرارتي موثر مي W/m°Cبر حسب effkكه j'Jدرجه حرارت سيال و Tفشار استاتيك، pضريب هدايت ماده جامد است). skمغشوش، با توجه به مدل اغتشاش به كار رفته و

است. سه ترم اول در سمت راست معادله به ترتيب بيان كننده انتقال انرژي به صورت هدايت، پخش j'هاي شار پخشي از گونهي كه كاربر با آن مواجه هاي شيميايي و ديگر عبارات حرارتي حجمشامل حرارت واكنش hSباشد. ها و پراكندگي لزجت ميگونه

.)1389(رحيمي و سلطاني، شودجريان به صورت زير بيان ميمجموع انرژي Eاست. خواهد شد

)12( E=h - pρ

+ ui

2

2h شود:ناپذير به صورت زير تعريف ميهاي تراكمآنتالپي محسوس است و براي جريان

)13( h= mj'

j'hj'+

pρ

j'نسبت جرمي از جز j'mدر معادله باال

)14( hj'= Cp,j

T

Tref

dT

.استفاده شد Fluent 6.3.26افزار براي حل معادالت حاكم بر مسئله از نرم باشد.مي K 15/298 =refTكه

شرايط مرزي

در ورودي كلكتور شرط مرزي فشار ف شود. يافزار تعرنرم يبرا يط مرزياست كه شرا يمسئله حاضر ضرور يحل عدد يبرابا مقدار فشار نسبي صفر, براي كلكتور شرط مرزي فشار خروجيكلوين، در خروجي 300ورودي با مقادير فشار نسبي صفر و دماي

هاي جانبي و و براي ديواره) 15محاسبه شده از فرمول ( 2W/m 6/ 566شار حرارتي حه جاذب شرط مرزي ديوار با مقدارصف شد.ها كامال عايق فرض شدند) انتخاب اي شرط مرزي ديوار با مقادير شار حرارتي صفر (ديوارهپوشش شيشه

Page 588

-588-

)4( ρ∂ε∂t

+ ρ uj εj= μ + μtσεεj

j+C1

εk

G + C1× 1 - C3εk

B - C2 ρ ε2

k

باشند.عبارات نيز به ترتيب اعداد پرانتل و اشميت آشفتگي مي εو ضرايب تجربي بوده و 3Cو C2و C1كه در آن

(ε/k)G1C و/k)2ρ(ε2C عبارت و فرآيندهاي اتالف ويسكوز و در معادله آخر به ترتيب بيانگر فرآيندهاي توليد برشي )(ε/k)B3C-(1 1C بيانگر اثرات شناوري است. عبارتG ميزان توليد انرژي جنبشي آشفتگي ناشي از برهم كنش بين معرف

نيز بيانگر Bشود. عبارت باشد و از اين رو به آن اصطالحاً عبارت توليد برشي گفته ميجريان متوسط و ميدان جريان آشفته مي به صورت زير هستند:Bو Gباشد.روابط صريح براي عبارت توليد اتالف شناوري ناشي از ميدان چگالي نوسان كننده جريان مي

)5( G=-ρui' uj

' ui,j

)6( B=ρ'ui' gi

ui 'ρام دستگاه مختصات وiشدت جاذبه در جهت igام دستگاه مختصات , iنوسان مولفه سرعت در جريان متالطم در جهت '

نوسان در جرم مخصوص است.

CFDمعادالت حاكم بر

دله او مع )Navier-Stokes equationمومنتوم ( ،)Continuityجرم ( ، فلوئنت معادالت بقايدرون كلكتور يان هوايبراي جر كند. يرا حل م يانرژ

معادله بقاي جرم

شود:معادله بقاي جرم يا معادله پيوستگي به صورت زير نوشته مي

)7( ∂ρ∂t

+∂∂xi

ρui =Sm

آهنگ s3kg/mبر حسب mSمختصات و iبه ترتيب چگالي و سرعت سيال در راستاي m/sبر حسب iuو 3kg/mبر حسب ρكه ).1389(رحيمي و سلطاني، باشندجرم اضافه شده مي

استوكس) -معادله بقاي ممنتوم (ناوير

صورت زير است: به iدر جهتمعادله بقاي مومنتوم

)8( ∂∂t

ρui +∂∂xj

ρuiuj =-∂p∂xi

+∂τij

∂xj+ρgi+Fi

به ترتيب نيروهاي 3N/mبر حسب iFو 3N/mبر حسب 2N/m ،igρتانسور تنش بر حسب 2N/m، jiτفشار استاتيك بر حسب pكه تواند شامل جمالت نظير مدل محيط متخلخل شود.تانسور همچنين ميiFباشد. مي iجسمي گرانشي و جسمي خارجي در جهت

به صورت زير است:ijτتنش

Page 587

-587-

ر يبا مقاد سطح 7عامل ضخامت در و متر مربع ثابت در نظر گرفته شد 4/1، مساحت كلكتور با مقدار در مدلسازي كلكتورلحاظ شد و درمجموع 3و 5/2، 2، 5/1، 1ر يبا مقاد سطح 5و نسبت طول به عرض كلكتور در متر يسانت 10و 9، 8، 7، 6، 5، 4

طول درجه و 17/32عرض جغرافيايي رافيايي منطقه شهركرد كه در جغ موقعيتيه شيب كلكتور با توجه به زاو كلكتور مدل شد. 35 درجه نسبت به افق انتخاب شد. 32، درجه قرار دارد 51/50جغرافيايي

توليد شبكه

كلكتور به نصف يعرض يل تقارن كلكتور در راستايبه دلاستفاده شد. Gambit 2.3.16افزار از نرم يبندجاد مدل و شبكهيا يبرابندي مدل استفاده شد و همچنين با يافته براي شبكهش سرعت محاسبات از شبكه سازمانافزاي يبرامدل شد. يصورت سه بعد

و كاهش زمان هاي شبكهموجب كاهش تعداد كل سلول )Hexahedral( وجهيششهاي توجه به اين كه استفاده از سلولبندي مدل استفاده شد. به دليل متالطم بودن جريان و به منظور از اين نوع سلول در شبكه )1387(دهقاني، شودمي محاسبات

ها ريزتر انتخاب شد.هاي مرزي تا حد امكان سلولافزايش دقت محاسبات، در اليه

ايفا اي را در دقت و پايداري شبكه و نقش عمده باشدمي كيفيت شبكه بسيار مهمسازي عددي جريان سياالت در شبيه و مورب بودن) Aspect Ratio( نسبت ظاهري هايبندي مدل، پارامتربا توجه به نوع سلول به كار برده شده در شبكهكند. مي

)Skewness( .هاسلول ميزان مورب بودن و 5نسبت ظاهري كمتر از با كيفيت مناسب بايد سه بعدي براي يك شبكهبررسي شد .)1387(دهقاني، باشد 4/0كمتر از

يمدل تالطم

ي وسيعي از اي است كه توانايي و دقت قابل قبولي در محدودهترين مدل دو معادلهترين و كاملاستاندارد, ساده k–εمدل شود:ميدان آشفتگي بر حسب دو متغير بيان ميk–εهاي هاي متالطم را دارد. در مدلجريان

)kانرژي جنبشي جريان آشفته (

)εآشفتگي (نرخ اتالف انرژي جنبشي

)1( k=12

uj'2

)2( ε=ν∂ui

'

∂xj+∂uj

'

∂xi

∂uj'

∂xi

ui در اين معادالتm/s ، uiام دستگاه مختصات بر حسبiمتوسط زماني مولفه سرعت (در جريان آشفته) در جهت '

نوسان 'باشد.در مي s2m/لزجت سينماتيكي بر حسب νو m/sام دستگاه مختصات بر حسبiمولفه سرعت (در جريان آشفته) در جهت

:آيددست ميتوسط معادالت نيمه تجربي زير به εو kاستاندارد مقادير k–εمدل

)3( ρ∂k∂t

+ρujkj= μ+μtσk

kjj+G+B-ρε

Page 586

-586-

ها به منظور بررسي كردند. آنو روش حجم محدود بررسي CFDجريان هوا را در يك دودكش خورشيدي از طريق برخي 48ها بر ميزان بهبود كارآيي دودكش خورشيدي، اثر افزايش ارتفاع، عرض دهانه ورودي دودكش و افزايش گراديان حرارتي ديواره

. ستفاده كردندا افزار گمبيت و شبكه سازمان يافتهكه از نرمها براي ايجاد شبآن افزار فلوئنت تحليل كردند.مدل را با استفاده از نرميابد همچنين با بررسي نتايج نشان داد كه با افزايش ارتفاع دودكش، نرخ جرمي جريان هواي خروجي از دودكش افزايش مي

. )1390، شمسايي و همكاران( يابدافزايش عرض دهانه ورودي دودكش ميزان سرعت و نرخ جرمي جريان هوا افزايش مينيز توسط محققاني تئوري و آزمايشگاهي تاثير نسبت طول به عرض كلكتور صفحه تخت را بر بازده كلكتور به صورت

نشان داد كه در يك سطح كلكتور ثابت با افزايش نسبت طول به عرض و با توجه به ثابت اين افراد نتايج .شده استبررسي .)Yeh and Lin, 1995( شوده اين افزايش منجر به افزايش بازده كلكتور مييابد كش ميسرعت جريان هوا افزاي ،داشتن دبينگه

شيدي صفحه تخت با استفاده از سازي كلكتورهاي خوردر مورد شبيه پژوهشيكه مشخص گرديد بررسي تحقيقات انجام شده با هاي شامل جريان سيال سازي سيستمشبيهاين روش در صورت نگرفته است و با توجه به كارآمد بودن ديناميك سياالت محاسباتي

به منظور بررسي صفحه تخت يديتور خورشكلك يسازهيشب يبرا ياالت محاسباتيك سيناميق حاضر از ديدر تحق و انتقال حرارت استفاده شد. تأثير ضخامت و نسبت طول به عرض كلكتور بر عملكرد كلكتور

تئوري تحقيق

هاي علوم مكانيك جريان هوا در كلكتور و جذب گرما در كلكتور كه ناشي از قوانين و ماهيت پديده با توجه به نكات تأثيرگذار بر انتخاب شد. مهم كه بر بازده كلكتور مؤثر بود، پارامتر هندسي دوباشند، جايي آزاد ميسياالت، انتقال حرارت و جابه

به ) L/W) و نسبت طول به عرض كلكتور (tضخامت ( پارامتر هندسي دونشان داده شده است 1 شكلهمان طور كه در

ابش است كه موجب عبور ت شفافشود پوشش انتخاب شدند. صفحه بااليي كه در شكل ديده ميرگذار يتأث يعنوان پارامترها كند.را جذب مي شفاف و صفحه پاييني صفحه جاذب است كه تابش عبور داده شده از پوشش شودخورشيد به داخل كلكتور مي

ب صفحه جاذب انتخا به عنوان 95/0ب جذب يره با ضريت م با پوششينيبه عنوان پوشش شفاف و آلوم 88/0ب عبور يشه با ضريش,Duffie and Beckman( شد 1991(.

شماتيكي از يك كلكتور صفحه تخت -1 شكل

Page 585

-585-

كلكتور هستند. رگذار بر عملكردينسبت طول به عرض كلكتور از عوامل تأث ضخامت كلكتور واند. ل شدهيتابش عبور داده شده تشكو گيريدهند بنابراين بايد بهترين جهتو زاويه شيب كلكتور ميزان تابش دريافتي توسط سطح كلكتور را تغيير مي گيريجهت

براي جذب حداكثر جهت جنوب است و ،بهترين جهت براي نصب كلكتورها زاويه شيب براي كلكتور تعيين شود. در نيمكره شمالي,Gunerhan and Hepbasli( شودجغرافيايي منطقه در نظر گرفته مي برابر با عرض توركتابش كل ساالنه زاويه شيب كل 2007;

;Jamil Ahmad and Tiwari, 2009 1387زاده و همكاران، عبدل.( نه زيادي را نيز داردعالوه بر دشواري و صرف وقت هزي آزمايش خت كلكتور با ابعاد مختلف و تجهيزاتكه سابا توجه به اين

Computational Fluid( بود. ديناميك سياالت محاسباتي به جاي انجام آزمايش بايد به دنبال روش ديگري Dynamics( يا به

باشد.هاي همراه ميهاي شامل جريان سيال و انتقال حرارت و ساير پديدههاي تحليلي سيستمروش يدربردارنده CFDاختصار Norton( ها شده استتطبيق پذيري، دقت و كارآمد بودن اين روش باعث افزايش كاربرد آن در اكثر فرآيند and Sun ,2006(.

بوع در يك يابي به بهترين مكان قرارگيري سيستم تهويه مطبراي دست هاي ممكن قرارگيري سيستم تهويه مطبوع راحالت

Yongson( شدسازي شبيهتوسط پژوهشگراني CFDبا استفاده از اتاق استاندارد اداري et al. CFDاز افراد ديگري نيز . )2007,با استفاده از را به صورت دو بعدي، دودكش اين افراد درون دودكش خورشيدي استفاده كردند. ميانگين سرعت و دما براي تخمين

. بررسي نتايج نشان داد كه با افزايش ارتفاع كردندسازي افزار فلوئنت و با فرض يكنواخت بودن توزيع دما در بعد سوم شبيهنرم .)Karapantsioset al., 2007( يابدهواي درون دودكش افزايش مي دودكش، سرعت و دماي

اي كه باعث جذب ماكزيمم تشعشع و ماكزيمم دوبعدي شيب بهينه CFDبا استفاده از مدل رياضي و مدل پژوهشگراني از سازي و افزار فلوئنت شبيهها دودكش خورشيدي را توسط نرمشود را تعيين كردند. آنهاي خورشيدي ميجريان هوا در دودكش

. بررسي نتايج نشان داد كه با افزايش شيب دودكش سرعت جريان كردنداستفاده ) براي مدل تالطم k-ωمدل انتقال تنش برشي (مقايسه نتايج نشان داد كه همبستگي قابل قبولي بين نتايج تجربي، مدل رياضي و مدل يابد.ماي هوا كاهش ميهوا افزايش و د

CFD وجود داشت )Sakonidouet al., 2008( .

هاي خورشيدي را بر جريان مايشات تجربي تاثير ضخامت و شيب دودكشو آز CFDبا استفاده از پژوهشگران ديگري نيز پيوستگي و ها با بكارگيري روش حجم محدود معادالت بقاي جرم،ند. آناههاي خورشيدي بررسي كردهواي خروجي دودكش

سازي شد و شبيه Fluentافزارنرمصورت دو بعدي با استفاده از دودكش بهبراي دودكش خورشيدي حل كردند. ي انرژي را معادلهبه صورت جريان متالطم و غيرپايدار در نظر گرفته شد. فشار در ورودي و خروجي دودكش برابر با فشار اتمسفر تعريف جريان هوا

ي هبين صفحاستاندارد براي مدل تالطم استفاده شد. با بررسي نتايج مشخص شد كه با افزايش فاصله ε-kشد همچنين از مدل سازي و نتايج آزمايشات مقايسه نتايج حاصل از شبيهيابد. اي دودكش خورشيدي افزايش مياي جريان هوجاذب و پوشش شيشه

Saifi( نشان داد كه تطابق خوبي بين اين دو وجود دارد et al., 2012( .

Page 584

-584-

ياالت محاسباتيك سيناميبه روش د آن عملكردصفحه تخت بر يديخورش ر ابعاد كلكتوريتاث

3، شاهين بشارتي2روح انگيز رحيمي ،*1علي ملكي

)[email protected]شهركرد( استاديار و عضو هيات علمي گروه مهندسي مكانيك بيوسيستم دانشگاه-1 آموخته كارشناسي ارشد گروه مهندسي مكانيك بيوسيستم دانشگاه شهركرددانش-2 مربي و عضو هيات علمي گروه مهندسي مكانيك بيوسيستم دانشگاه شهركرد-3

: چكيده

اي پيدا كرده است. در اين ميان انرژي پذير اهميت ويژههاي تجديداز انرژيامروزه با افزايش روز افزون مصرف انرژي، استفاده آوري انرژي ها براي جمعمؤثرترين وسيله ترين وساده يكي از اي پيدا كرده است.ها جايگاه ويژهعدم توليد آاليندهخورشيد به لحاظ

عرض كلكتور از پارامترهاي تأثيرگذار بر عملكرد ضخامت كلكتور و نسبت طول به ، كلكتور خورشيدي صفحه تخت است.خورشيدنسبت طول به عرض . بنابراين به منظور بررسي تأثير ضخامت وشونداستفاده مي براي گرم كردن هوا يي هستند كههاكلكتور

سازي و اتي مدلياالت محاسبافزارهاي ديناميك سمدل كلكتور با ابعاد مختلف با استفاده از نرم 35 ،كلكتور كلكتور بر عملكرداختالف اما ،داشته بررسي نتايج نشان داد كه با افزايش ضخامت كلكتور، دبي جرمي هواي خروجي افزايش خطيشدند. تحليل

يابد. همچنين با افزايش نسبت طول به عرض كلكتور، دبي كاهش ميحرارتي زده باو لكتوردماي هواي ورودي و خروجي از ك يابد.افزايش مي كلكتورخروجي و بازده حرارتي اختالف دماي هواي ورودي وي خروجي كاهش، جرمي هوا

.كلكتور عملكردديناميك سياالت محاسباتي، ،خورشيدي انرژي ،ابعاد كلكتوركليدي: هايواژه

مقدمه

هاي سوخت اند، سياست جايگزينييافته به ويژه در چند دهه اخير به شدت دنبال كرده هايي كه كشورهاي توسعهيكي از سياست. مهمترين نوع انرژي تجديدپذير، انرژي خورشيد بوده كه ميزان تابش آن، تنها بر باشدر ميهاي تجديدپذيتوسط انرژيفسيلي

سطح ايران بيش از دو برابر انرژي مصرفي كل جهان است.

در يحرارت ياز به انرژيكه ن ييهاستمياستفاده در س ه منظورد بيخورش يانرژ يآورجمع يها برالهين وسيؤثرترمترين و ساده كه كلكتور صفحه تخت نسبت به انواع متمركز كنندههستند. صفحه تخت خورشيدي هايكلكتور ،ن دارندييدرجه حرارت نسبتا پا

م قادر به جذب يعالوه بر جذب تابش مستقن يدارد و همچن ينيينه ساخت پايساده و هز يطراح شوند،يباال استفاده م يدر دماهاجذب يك صفحه جاذب برايد و از يعبور تابش خورش يك پوشش شفاف برايصفحه تخت از يكلكتورها. ز استيوز نيفيتابش د

Page 583

-583-

Optimum Angle Determination of Flat-Plate Solar Collector for Solar

Dryers in Shahrekord

Ali Maleki1*, Rohangiz Rahimi2, Shahin Besharati3

1. Assistant professor of Mechanical Engineering of Biosystems, Shahrekord University ([email protected] )

2. MSc. Student of Mechanical Engineering of Biosystems, Shahrekord University

3. Scholar professor of Mechanical Engineering of Biosystems, Shahrekord University

Abstract

Nowadays, using of solar dryers for drying process of agricultural products is increased.

Appropriate design of dryer parts will increases dryer performance and decreases drying

time. Solar collector is the main part of a solar dryer. One of the important parameters

that affect the design of a flat-plate solar collector is its tilt angle to the horizon,

because; tilt angle variation change amounts of solar radiation reaching the collector

surface. Therefore in order to research maximum solar radiation by collector surface,

optimum tilt angle of solar collector should be determined in different times of year. In

this research isotropic Lio and Jordan model and non-isotropic Hay and Davies model

were used to determine optimum flat- plate collector angle in Shahrekord. Optimum tilt

angle varied between 0°c inMay and 62°c in December and the yearly optimum tilt

angle found 29°c to the horizon. Minimum and maximum amount of solar radiation on

collector surface due to optimum angle occurred in November and June respectively.

Also a solar collector is installed at monthly optimum tilt angle receives solar

radiation20% more than the case of a solar collector installed on a horizontal surface.

Keywords: Solar Dryer, Optimum Angle, Flat-Plate Solar Collector

Page 582

-582-

پتانسيل سنجي انرژي خورشيدي و تعيين زاويه بهينه كلكتورهاي خورشيدي در . 1391ع. آقايي و ح. احترام. .،زاده. حخراساني.2 انرژي باد و خورشيد. شهر اروميه. دومين همايش ملي

3. Bari, S. 2000 optimum slope angle and orientation of solar collectors for different periods of possible utilization. Energy Conversion and Management 41: 855-860.

4. Chiou, J.P., and M.M. EL-Naggar. 1986. Optimum slope for solar insolation on flat surface tilted toward the equator in heating season. Journal Solar Energy 36: 471-478.

5. Duffie, J.A., and W.A. Beckman. 1991. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons. New York.

6. Garg, H.P. 1982. Treatise on solar Energy. Fundamentals of Solar Energy Research. John Wiley & Sons. New York.

7. Gunerhan, H., and A. Hepbasli. 2007. Determination of the optimum tilt angle of solar collectors for building applications. Journal Building and Environment 42:779-783.

8. Hay, J.E., and J.A. Davies. 1980. Calculation of the solar radiation incident on an inclined surface.in Proceedings of the First Canadian Solar Radiation Data Workshop.

9. Heywood, H. 1971. Operational experience with solar water heating. Journal Heat Vent Energy 39: 63-69.

10. Jamil Ahmad M., and G.N. Tiwari. 2009. Optimization of Tilt Angle for Solar Collector to Receive Maximum Radiation. Journal The Open Renewable EnergyVol: 19-24.

11. Kassaby, M.M., and M.H. Hassb. 1994. Investigation of a variable tilt angle Australian type solar collector. Renewable Energy4: 327–332.

12. Klein, S.A. 1977. Calculation of monthly average insolation on tilted surface. Solar Energy 19:325-329.

13. Liu, B.Y.H., and R.C. Jordan. 1963. The long-term average performance of flat-plate solar energy collectors. Solar Energy 7: 53-74.

14. Lunde, P.J. 1980. Solar Thermal Engineering. John Wiley & Sons. New York.

15. Markvart, T. 2000. Solar Electricity. John Wily & Sons. USA.

16. Nijegorodov, N., K.R.S. Devan., P.K. Jain., and S. Carlsson.1994. Atmospheric transmittance models and an analytical method to predict the optimum slope of an absorber plate, variously oriented at any latitude. Journal Renewable Energy 4: 529-543.

17. Ulgen, K. 2006. Optimum tilt angle for solar collectors. Journal Energy Sources 28: 1171-1180.

18. Yakup, M.A., and A.Q. Malik. 2001. Optimum titl angle and orientation for solar collector in Brunei Darussalam. Renewable Energy 24: 223-234.

Page 581

-581-

درجه براي ماه دسامبر 62درجه از صفر درجه براي ماه مي تا 17/32وايه بهينه ماهانه در منطقه شهركرد با عرض جغرافيايي ز -2 كند.تغيير مي

باشد.بيشترين شدت تابش با توجه به تمام زواياي بهينه مربوط به ماه ژوئن و كمترين شدت تابش مربوط به ماه نوامبر مي -3

Jordan-Liuهاي بهينه براساس مدل شيب بهينه ماهانه، فصلي، ساالنه و تابش كل روزانه متناظر با اين شيب -3جدول

ماه ميالدي

opt(m)β(درجه) )opt(m)(βTH

)2(MJ/m opt(s)β(درجه) (βopt(s)) TH

)2(MJ/m opt(y)β(درجه) )2) (MJ/mopt(y)(βTH

۰۴/۲۳ ۲۳/۲۶ ۷۹/۲۶ ۶۱ ژانويه

۲۴/۲۳ ۲۹ ۶۶/۲۴ ۳۳/۴۸ ۶۷/۲۴ ۵۰ فوريه

۵۸/۲۳ ۰۹/۲۳ ۶۷/۲۳ ۳۴ مارس

۶۱/۲۲ ۷۱/۲۲ ۰۶/۲۳ ۱۵ آوريل

۸۲/۲۴ ۲۹ ۹/۲۶ ۶۶/۲ ۹۲/۲۶ ۰ مي

۰۱/۲۶ ۵۵/۲۹ ۸۸/۲۹ -۷ ژوئن

۱۷/۲۴ ۲۱/۲۶ ۸/۲۶ -۴ جوالي

۲۴/۲۴ ۲۹ ۱۹/۲۵ ۳۳/۱۱ ۲/۲۵ ۱۰ آگوست

۹۹/۲۴ ۱۷/۲۴ ۲۵ ۲۸ سپتامبر

۲۸/۲۳ ۸۲/۲۳ ۰۵/۲۴ ۴۵ اكتبر

۵۷/۱۷ ۲۹ ۰۷/۱۹ ۶۶/۵۳ ۰۷/۱۹ ۵۴ نوامبر

۰۳/۲۰ ۱۲/۲۳ ۳۲/۲۳ ۶۲ دسامبر

مقادير ساالنه انرژي دريافتي از خورشيد روي سطح كلكتور صفحه تخت تحت زاويه بهينه ماهانه, فصلي, ساالنه و -4جدول

زاويه صفر در شهركرد

opt(m)β زاويه شيب بهينهopt(s)β

opt(y)β ο=β

MJ/m۳/۹۰۸۰۸/۸۹۶۶۱/۸۴۴۴۷۵۸۰)2(انرژي دريافتي ساالنه

نابعم

شيب بهينه كلكتورهاي صفحه تخت در تهران. نشريه مهندسي . تعيين زاويه 1390ف.، و ع. سعدآبادي. جعفركاظمي. .1 .79مكانيك. شماره

Page 580

-580-

Davies-Hayو Jordan-Liuهاي مختلف براساس دو مدل شيب بهينه كلكتور خورشيدي صفحه تخت در ماه -2جدول

ماه ميالدي روابط پيشنهادي

Nijegorodovet al opt(m)β(درجه)

ϕ= ١٧/٣٢براي

opt(m)β(درجه)

Jordan-Liuمدل

opt(m)β(درجه)

Davies-Hayمدل

optβ ۶۳/۵۷ ۶۱ ۶۲= ϕ٨٩/٠+٢٩°c ژانويه

optβ ۲/۴۸ ۵۰ ۵۲= ϕ٩٧/٠+١٧°c فوريه

c°۴+ϕ =optβ ۱۷/۳۶ ۳۴ ۳۷ مارس

ϕ =optβ ۱۷/۲۲ ۱۵ ۱۷-١٠°c آوريل

optβ ۹۲/۵ ۰ ۰= ٢۴-ϕ٩٣/٠°c مي

-optβ ۰۱/۶- ۷- ۷= ٣۴-ϕ٨٧/٠°c ژوئن

-optβ ۳۷/۱- ۴- ۴= ϕ٨٩/٠-٣٠°c جوالي

optβ ۲/۱۴ ۱۰ ۱۱= ϕ٩٧/٠-١٧°c آگوست

ϕ =optβ ۱۷/۳۰ ۲۸ ۳۰-٢°c سپتامبر

ϕ =optβ ۱۷/۴۴ ۴۵ ۴۷+١٢°c اكتبر

optβ ۹۲/۵۴ ۵۴ ۵۷= ٢۵+ϕ٩٣/٠°c نوامبر

optβ ۹۹/۶۳ ۶۲ ۶۳= ٣۴+ϕ٨٧/٠°c دسامبر

ارائه شده Jordan-Liuشدت تابش كل روي سطح كلكتور با شيب بهينه ماهانه، فصلي و ساالنه براساس مدل 3در جدول

و كمترين 2MJ/m88/29ژوئن و برابر با دهد كه بيشترين شدت تابش براساس زوايه بهينه ماهانه براي ماه است و نتايج نشان ميباشد. با استفاده از زوايه بهينه فصلي و ساالنه نيز دو ماه ژوئن و نوامبر به مي 2MJ/m 07/19شدت تابش براي ماه نوامبر و برابر با

كنند.ترتيب بيشترين و كمترين مقادير تابش خورشيد را دريافت ميدهد ارائه شده است. نتايج نشان مي 4تور با توجه به زواياي بهينه مختلف در جدول مقادير تابش كل ساالنه روي سطح كلك

درصد بيشتر از كلكتور 5/7درصد بيشتر از زاويه بهينه فصلي، 3/1كه با تنظيم زاويه كلكتور به صورت ماهانه شدت تابش دريافتي

2/6مچنين تغيير زاويه كلكتور به صورت فصلي نيز باعث دريافت درصد بيشتر از حالت افقي مي باشد. ه 20با زاويه بهينه ساالنه و انرژي تابشي بيشتر نسبت به زاويه بهينه ساالنه مي باشد.

كلي گيرينتيجه

توان حداكثر تابش خورشيد را دريافت نمود ولي با توجه به عملي نبودن تغيير زاويه زاويه كلكتور به صورت روزانه ميبا تنظيم -1و زمان خشك كردن توان از حداكثر تابش خورشيد بهره بردمي ماهانه كلكتور به صورت روزانه، با تغيير زاويه كلكتور به صورت

.محصوالت كشاورزي را كاهش داد

Page 579

-579-

هاي ژانويه تا ژوئنبراي ماهشدت تابش كل روزانه روي سطح كلكتور قرار گرفته در شهركرد -1شكل

هاي جوالي تا دسامبرشدت تابش كل روزانه روي سطح كلكتور قرار گرفته در شهركرد براي ماه -2شكل

Nijegorodovدهد كه زواياي بهينه به دست آمده از طريق دو مدل نزديك به زواياي بهينه مدل نشان مي 2نتايج جدول

et al ها به خاطر استفاده از اطالعات تابش كل روزانه منطقه شهركرد در مدلي است كه طبق اطالعات باشد و تفاوت ناچيز آنمي مناطق ديگر به دست آمده است.

شود كه كمترين زاويه بهينه مربوط به ماه مي و بيشترين زاويه مربوط به ماه دسامبر با بررسي نتايج دو مدل مشاهده ميهاي ژوئن و جوالي بدين معني است كه براي دريافت حداكثر تابش، كلكتور بايد در حد باشد. منفي بودن زواياي بهينه براي ماهمي

آيد. با هاي هر فصل به دست ميزواياي بهينه فصلي از ميانگين زواياي بهينه ماهانه مربوط به ماهكوچكي رو به شمال قرار گيرد. باشد. مي 33/48و 66/53، 33/11، 66/2توجه به مدل ايزوتروپيك زاويه بهينه براي فصل بهار، تابستان، پاييز و زمستان به ترتيب

باشد. مي ٪10كه تقريبا نزديك به عرض جغرافيايي شهركرد با اختالفي كمتر از باشد درجه مي 29و زاويه بهينه ساالنه برابر با

0

5

10

15

20

25

30

35

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(MJ/

m2)

ه وزان

ل رش ك

ت تابشد

)درجه(زاويه شيب كلكتور

ژانويهفوريهمارسآوريلميژوئن

0

5

10

15

20

25

30

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(MJ/

m2 )

ه وازن

ل رش ك

ت تابشد

)درجه(زاويه شيب كلكتور

جواليآگوسترسپتامباكتبرنوامبردسامبر

Page 578

-578-

زاويه شيب كلكتور نسبت βتابش كل روزانه براي هر ماه روي سطح افق و سطح كلكتور، ترتيببه THو Hدر معادله اخير نسبت تابش Markvart, 2000.( bR(در نظر گرفته شد 2/0باشد. ضريب انعكاس زمين ضريب انعكاس زمين مي gρبه افق و براي كلكتورهاي bRباشد.براي هر ماه روي سطح شيبدار به تابش مستقيم روزانه براي هر ماه روي سطح افق مي روزانهمستقيم

.)Duffie and Beckman, 1991( شودمحاسبه مي 9قرار گرفته در نيمكره شمالي و رو به استوا از طريق رابطه

)9( ϕ β δ ω′ π ω′ ϕ β δ

ϕ δ ω π ω ϕ δ

sω' :در رابطه اخير از طريق فرمول زير به دست آمد

)10( ′ ϕ δϕ β δ

).Hay and Davies, 1980( استفاده شدDavies-Hayهاي غير ايزوتروپيك ارائه شده از مدل از بين مدل

)11(

درجه رو به جنوب) با گام 90درجه رو به شمال تا 20درجه ( 90تا -20كلكتور، شيب كلكتور بين بهينهبراي محاسبه شيب درجه متغير در نظر گرفته شد و شيبي كه منجر به دريافت ماكزيمم تابش روي سطح كلكتور شد، به عنوان شيب بهينه در نظر 1

گرفته شد.

:و بحث نتايج

هاي تابش كل روزانه روي سطح افق سازمان هواشناسي براي محاسبه تابش كل روزانه براي هر ماه روي سطح كلكتور، از دادهدرجه قرار دارد، استفاده شد. براي به 17/32ي ده ساله در ايستگاه واقع در فرودگاه شهركرد كه در عرض جغرافياي براي يك دوره

و مدل غير ايزوتروپيك Jordan-Liuكل روزانه براي هر ماه از سال روي سطح كلكتور از مدل ايزوتروپيك دست آوردن تابش Davies-Hayهاي مختلف سال روي سطح كلكتور صفحه تغييرات شدت تابش كل روزانه ماه 2و 1هاي استفاده شد. در شكل

نشان داده شده است. Jordan-Liuدرجه نسبت به افق از طريق مدل ايزوتروپيك 90تا -20تخت براي شيب بين كه تغيير زاويه شيب براي هر ماه تاثير بسيار زيادي را بر شدت تابش كل روزانه به دهدمي نشان 2و 1هاي شكل بررسي

هاي تابش مستقيم ، ديفيوز و انعكاسي دريافتي توسط سطح همراه خواهد داشت. به اين دليل كه با تغيير زاويه شيب مقدار مولفه كند.كلكتور تغيير مي

Nijegorodov چنين روابط به دست آمده توسطاز دو مدل و هم شدهزاويه شيب بهينه محاسبه et alهاي مختلف براي ماه Jordan-Liuي ماهانه به دست آمده از طريق مدل ارائه شده است. بررسي نتايج جدول نشان داد كه شيب بهينه 2سال در جدول

باشد.ن مولفه ديفيوز دو مدل ميها به دليل متفاوت بودتفاوت چنداني با هم ندارند و تفاوت اندك آنDavies-Hayو مدل

Page 577

-577-

)2( π

ϕ δ ωπω

ϕ δ

nدرجه و 17/32عرض جغرافيايي كه براي منطقه شهركرد wm1367 ،ϕ-2ثابت خورشيد است و مقدار آن scG،2 در رابطه

ميانگين پيشنهادي nميانگين براي هر ماه استفاده نمود كه در اين پژوهش از nشمار روز در سال است. در اين رابطه بايد از يك خورشيد و -زاويه ميل يا انحراف, زاويه بين خط واصل زمين Klein, 1977(. δ(استفاده گرديد 1ارائه شده در جدول Kleinتوسط

:استقابل محاسبه 3كند و از طريق رابطه در زمستان تغيير مي -45/23درجه در تابستان تا 45/23از باشد كهصفحه استوايي مي

)3( δ sω محاسبه شد 4ساعت غروب است و طبق رابطه زاويه: )4( ω ϕ δ

)Klein )Klein, 1977ميانگين پيشنهادي توسط n-1جدول

دسامبر نوامبر اكتبر سپتامبر آگوست جوالي ژوئن مي آوريل مارس فوريه ژانويه ميالديماه 10 14 15 15 16 17 11 15 15 16 16 17 روز

344 318 288 258 228 198 162 135 105 75 47 17 روز در سال

هواشناسي در ايستگاه واقع در فرودگاه هاي سازمان ) منطقه شهركرد از دادهHبراي شدت تابش كل روزانه روي سطح افق (

درجه قرار دارد, استفاده شد. از اطالعات شدت تابش كل 51/50درجه و طول جغرافيايي 17/32شهركرد كه در عرض جغرافيايي فق، استفاده شد. با استفاده از شدت تابش كل روزانه روي سطح ا 2011تا 2002هاي ي ده ساله بين سالروزانه براي يك دوره

).Duffie and Beckman, 1991(شدت تابش ديفيوز روي سطح افق از طريق روابط زيرمحاسبه شد

)5(

.وجود دارد 6 درجه رابطه 4/81براي زواياي غروب كمتر از

)6(

وجود دارد. 7 درجه رابطه 4/81و براي زواياي غروب بيشتر از

)7(

,Liu and Jordan(استفاده شد Jordan-Liuهاي ايزوتروپيك ارائه شده از مدل ايزوتروپيك از بين مدل 1963.(

)8( βρ

β

Page 576

-576-

ايستگاه مختلف 10اند در ي ماهانه، فصلي و ساالنه كلكتورهاي خورشيدي كه رو به استوا قرار گرفتهزاويه شيب بهينهبررسي نتايج نشان داد كه شد وبرابر با عرض جغرافيايي منطقه گزارش ايستگاه 10اين زاويه بهينه ساالنه . جهان محاسبه گرديدبه در مقايسه با زاويه بهينه ساالنه يو فصل انهاز خورشيد در يك سال با استفاده از زاويه بهينه ماه كلكتور مقدار انرژي دريافتي

).Jamil Ahmad and Tiwari, 2009(بيشتر است ٪1و ٪15 ترتيب

درجه گزارش شد 41تهران تعيين و زاويه شيب بهينه ساالنه بهينه فصلي، شش ماهه و ساالنه براي شيب زاويه همچنين درجه كمتر از عرض جغرافيايي 17در پژوهشي ديگر زاويه بهينه ساالنه براي شهر اروميه حدود .)1390جعفركاظمي و سعدآبادي، (

. )1391زاده و همكاران، (خراساني محاسبه شداروميه

زاويه ايران كه براي تمام مناطقاست بنابراين ضرورت دارد عرض جغرافيايي تاثيرتحت با توجه به اينكه زاويه شيب بهينه در تحقيق حاضر از دو مدل رياضي متفاوت براي تعيين زاويه بهينه كلكتورهاي . تعيين گردد كلكتورهاي صفحه تخت بهينهشيب

استفاده شد و زواياي بهينه به شوند ميهاي خورشيدي در منطقه شهركرد به كار برده كنكه در خشكخورشيدي صفحه تخت

مقايسه شد.پژوهشگران ديگر نيز دست آمده با روابط پيشنهادي توسط

:هامواد و روش

هاي رياضي باشد. مدلاطالعات ميزان تشعشع خورشيد در اكثر نقاط جهان به صورت تشعشع كل روي سطح افق در دسترس ميدار از طريق اطالعات موجود براي سطح افق ارائه شده است. به طور كلي متفاوتي براي محاسبه تشعشع كل روي سطوح شيب

شوند. تفاوت ح شيبدار به دو دسته ايزوتروپيك و غير ايزوتروپيك تقسيم ميهاي رياضي محاسبه تابش كل روزانه روي سطومدل شود. اين دو مدل در ارزيابي مولفه ديفيوز تابش است. در مدل ايزوتروپيك شدت تابش ديفيوز آسمان يكنواخت فرض مي

and Beckman,Duffie(دآيدار از طريق سه مؤلفه زير به دست مي) براي هر ماه روي سطح شيبTHتابش كل روزانه (

1991(: : قسمتي از تابش خورشيد كه بدون پخش يا جذب به وسيله اتمسفر و به صورت مستقيم از خورشيد به dirHتابش مستقيم رسد.سطح زمين مي

شود. تابش پراكنده در تمام جهات از : قسمتي از تابش خورشيد كه توسط اجزاء جو پخش يا جذب ميdifHتابش ديفيوز رسد. آسمان به زمين مي شود.قسمتي از تابش خورشيد كه توسط سطح زمين منعكس ميref:Hتابش انعكاسي

)1( ref+ Hdif+ Hdir= HTH

Duffie and( محاسبه شد 2 روي سطح افق در خارج از اتمسفر زمين از رابطه wm-2) بر حسب 0Hشدت تابش كل روزانه (

Beckman, 1991(.

Page 575

-575-

را به صورت شيبدار نصب ،كلكتورهابه منظور جذب حداكثر تابش خورشيدي توسط كلكتورهاي خورشيدي صفحه تختباشد. در كنند. عملكرد كلكتور خورشيدي صفحه تخت به شدت تحت تاثير موقعيت و زاويه نصب كلكتور نسبت به افق ميمي

ميزان تابش دريافتي توسط سطح زاويه شيب كلكتور نسبت به سطح افق كنند. نيمكره شمالي كلكتورها را رو به جنوب نصب ميدهد بنابراين بايد زاويه شيبي كه منجر به دريافت حداكثر تابش خشك كردن محصول را تغيير ميه مدت زمان كلكتور و در نتيج

شود. به عنوان زاويه شيب بهينه كلكتور در نظر گرفته ميزاويه ردد كه اين شود تعيين گد توسط سطح كلكتور ميخورشيكلكتورهاي خورشيدي نشان داد كه زاويه شيب بهينه به عرض بررسي تحقيقات انجام شده در زمينه تعيين شيب بهينه

و زواياي ابطوهاي مختلف سال رماره روز در سال بستگي دارد از اين رو براي مناطق مختلف جهان و ماهجغرافيايي منطقه و ش ارائه شده است.مختلفي

بيان 15opt=ϕ±β رابطه شمالي به صورت در نيمكره براي كلكتورهاي طراحي شده زاويه شيب بهينه در تحقيقات متعددي شده گزارشنيز 15opt=(ϕ+β ±(15رابطه اين در حاليست كه . (Heywood, 1971; Lunde, 1980; Garg,1982)شده است

Duffie andاست ( Beckman, 1991(. در اين روابط ϕ ذكر شده، تابع عالوه بر روابط .است منطقه عرض جغرافيايي 10opt =ϕ+β موجودبراي مناطق مختلف استواخورشيدي نصب شده به طرف كلكتورهاي براي تعيين شيب بهينه ساالنه نيز

Chiou andاست ( EL-Naggar, 1986 .( حداكثر اختالف بين كه شد و نتايج نشان دادارائه زاويه بهينه بر حسب عرض جغرافيايي براي تعيين نيزيك معادله تحليلي

با ). Kassaby and Hassb, 1994( باشدمي ٪3محاسبه شده از طريق معادله و زاويه بهينه براساس آزمايشات كمتر از زاويه بهينه هاي جغرافيايي بين كه در عرض در نقاط مختلف جهان ماهانه چندين مدل ايزوتروپيك و غير ايزوتروپيك شيب بهينهاستفاده از

Nijegorodov( ارائه شد بطه خطي براي شيب بهينه بر حسب عرض جغرافياييرا 12و تعيين گرديدباشند مي+60تا -60 et al.,

بيان شد كه با استفاده از اين زوايا كل انرژي دريافتي ساالنه بهينه فصلي براي كشور مالزي زواياين با تعيي همچنين ).1994 ).Bari, 2000( يابدافزايش مي ٪40توسط سطح كلكتور

. محاسبه شدJordan-Liuي كلكتورهاي خورشيدي براي منطقه دارالسالم با استفاده از مدل ايزوتروپيك زاويه شيب بهينه شدبيان همچنيندرجه براي دسامبر گزارش شد. 3/32درجه براي سپتامبر و 6/1كمترين و بيشترين زاويه بهينه ماهانه به ترتيب

Yakup and( دهدنسبت به حالت افق افزايش مي ٪5كه استفاده از زاويه بهينه ساالنه كل انرژي دريافتي توسط سطح كلكتور را

Malik, 2001( . ماهانه زاويه بهينه .شدمحاسبه Jordan –Liuبا استفاده از مدل ايزوتروپيكزاويه شيب بهينه براي شهر ازمير تركيه

,Ulgen( درجه در دسامبر متغير بود 61از صفر درجه در ژوئن تا محاسبه شده براي ازمير زاويه شيب در تحقيقي ديگر). 2006بهتر هاكه براي افزايش عملكرد كلكتور شدپيشنهاد تعيين گرديد وي كلكتورهاي خورشيدي براي شهر ازمير تركيه بهينه ماهانه

. )Gunerhan and Hepbasli, 2007( ب بهينه ماهانه نصب نمودزاويه شي ااست كلكتورها را ب

Page 574

-574-

در منطقه شهركردخورشيدي ها كنتعيين زاويه بهينه كلكتورهاي خورشيدي صفحه تخت براي خشك

3، شاهين بشارتي2روح انگيز رحيمي ،*1علي ملكي

)[email protected]استاديار و عضو هيات علمي گروه مهندسي مكانيك بيوسيستم دانشگاه شهركرد(-1 آموخته كارشناسي ارشد گروه مهندسي مكانيك بيوسيستم دانشگاه شهركرددانش-2 مربي و عضو هيات علمي گروه مهندسي مكانيك بيوسيستم دانشگاه شهركرد-3

چكيده:

طراحي مناسب يابد.خشك كردن محصوالت كشاورزي روز به روز افزايش ميفرآيند هاي خورشيدي در كناستفاده از خشكهاي كنيكي از قطعات اصلي خشكدهد.برد و زمان خشك شدن را كاهش ميكن را باال ميعملكرد خشككن اجزاي خشك

زاويه شيب كلكتور نسبت ،صفحه تخت خورشيدي از پارامترهاي مهم در طراحي كلكتورهاي .كلكتور خورشيدي است ،خورشيديبه منظور بنابراين دهد. تغيير مي را به افق است چون تغيير در زاويه شيب، ميزان تابش خورشيدي دريافتي توسط سطح كلكتور

هاي مختلف در سال تعيين ي شيب بهينه كلكتور براي زماندريافت ماكزيمم تشعشع خورشيدي توسط سطح كلكتور بايد زاويه

براي تعيين زاويه بهينه Davies-Hayو مدل غير ايزوتروپيك Jordan-Liuاز مدل ايزوتروپيك تحقيق گردد. در ايندرجه براي ماه دسامبر 62تغييرات زاويه شيب از صفر درجه براي ماه مي تا كلكتورهاي صفحه تخت در شهركرد استفاده شد.

براساس روي سطح كلكتوربه شد. كمترين و بيشترين شدت تابشدرجه نسبت به افق محاس 29و زاويه بهينه ساالنه بدست آمدبراي دريافتي كل ساالنه نتايج نشان داد كه تابش همچنين زوايه بهينه ماهانه به ترتيب مربوط به ماه نوامبر و ژوئن است.

افقي است.درصد بيشتر از كلكتورهاي 20اندشده زاويه بهينه ماهانه نسبت كلكتورهايي كه براساس

زاويه بهينه، كلكتور صفحه تخت، كن خورشيدي،خشككليدي: هايواژه

مقدمه

باشد. پذير نميبوده و براي بيشتر كشاورزان امكانقيمت هاي صنعتي بسيار گران كنكردن محصوالت كشاورزي با خشكخشكهاي فسيلي بشر را به افزايش سوختهاي فسيلي و هزينه رو به هاي زيست محيطي، روبه اتمام بودن سوختهمچنين آلودگي

هاي جايگزين سوق داده است. انرژي خورشيد يك منبع انرژي تجديدپذير است كه به عنوان جايگزين سمت استفاده از انرژيهاي گيرد. يكي از قسمتهاي فسيلي در فرآيند خشك كردن محصوالت كشاورزي مورد استفاده قرار ميمناسبي براي سوخت

هاي خورشيدي، كلكتور خورشيدي است كه با جذب انرژي خورشيد باعث گرم شدن هواي مورد نياز براي كناصلي خشك شود.كردن محصول ميخشك

Page 573

-573-

8-: > .$ @3 /., : @ @!$ -!8@%7!0 .$ @3 /., : @ @!$ -!8@%7!0

Documents