تم انجاز رسالة الدكتوراة للطالب قاسم كاظم حنيحن في قسم الهندسة الميكانيكية عن بحثه الموسوم ” تخمين المواصفات الحرارية لمجمع شمسي هجين كهروضوئي/ حراري بأستخدام مائع نانوي “وبأشراف أ.م.د كريمة اسماعيل عموري وتألفت لجنة المناقشة برئاسة أ.د احسان يحيى حسين وعضوية كل من أ.م.د ماجد حميد مجيد, أ.م.د خضير سالم مشتت, أ.م.د علي عبدالمحسن حسن, أ.م. د أكرم وهبي عزت.
وتلخص بحثه بما يلي :
المجمع الهجين (الكهروضوئي/ الحراري) هي التكنولوجيا الناشئة من الجمع بين اللوح الشمسي (الكهروضوئي) ومجمع الطاقة الشمسية الحراري من خلال إنتاج الحرارة والكهرباء في وقت واحد. في هذه الدراسة، فقد تم تطوير وبناء مجمع هجين (كهروضوئي/حراري) جديد لتحليل الأداء الحراري والكهربائي من المجمع (الكهروضوئي/الحراري) لمناخ مدينة بغداد في العراق. تقييم الأداء الحراري اعتمد على الحمل الحراري الطبيعي لمياه التبريد مع لوح الكهروضوئي الذي تم تثبيته مباشرة على المجمع الحراري.
في الجزء الأول من هذه الدراسة، تم تطوير نموذج رياضي عددي ثلاثي الابعاد وأعتمد على طريقة الحجوم المحددة مع استخدام النموذج الاضطرابي LRN k-ω للحصول على المتغيرات الحدية التي استخدمت فيما بعد لتصميم مجمع (الكهروضوئي/حراري) الحالي.
أظهرت النتائج العددية أن زيادة معدل أنتقال الحرارة يزداد مع زيادة النسبة الباعية للتجويف ووضع التجويف بزاوية ميل 95 يعطي أعلى قيمة لرقم نسلت، ووجود خطوة الى الوراء في أعلى التجويف يحسن رقم نسلت بمقدار 18.6% مقارنة مع التجويف بدون خطوة الى الوراء. علاوة على ذلك، أظهرت النتائج العددية أن تبريد السطح العلوي من الخطوة الى الوراء بأستخدام خزان علوي له فائدتين، تقليل درجة حرارة المائع قرب الجدار الساخن وزيادة معدل أنتقال الحرارة الى داخل التجويف. بالاضافة الى ذلك، تحسين في أنتقال الحرارة تم الحصول عليه بنسبة 5% عند استخدام مائع النانو وبنسبة حجم ϕ≤0.9% كسائل فعال داخل التجويف الطويل.
في الجزء الثاني من هذه الدراسة، تم استخدام النتائج العددية من الجزء الأول لتصميم وبناء النموذج الأولي للمجمع(الكهروضوئي/ الحراري) الحالي وتم اختبار هذا النظام تجريبيا وعدديا. وأجريت التجارب في ظل ظروف في الهواء الطلق لتحديد تأثير درجة حرارة الخلية الكهروضوئية على أداء اللوح الكهروضوئي. أظهرت النتائج التجريبية أن درجة حرارة اللوح الكهروضوئي تنخفض بشكل ملحوظ في مجمع(الكهروضوئي/ الحراري) مما يؤدي الى زيادة في كفاءة الخلايا الشمسية. كانت الكفاءة الكهربائية للوح الكهروضوئي المبرد في منظومة (الكهروضوئي/ الحراي) تتراوح بين(15.4%-16.95%) ، في حين لوح الكهروضوئي التقليدي (الغير مبرد) تتراوح بين (14.85%-16.61%) نتيجة لخفض درجة الحرارة اللوح الكهروضوئي 12C. على صعيد آخر، الحرارة المكتسبة هي 20.6% من الاشعاع الشمسي الساقط على المجمع خلال الاختبار.
الحرارة التي استخرجت من اللوح الكهروضوئي بواسطة ماء التبريد يمكن أن تساهم في انتاج الطاقة الإجمالية للمنظومة . لذلك، فإن الكفاءة الكلية للنظام لم تعد تقتصر فقط على كفاءة التحويل الكهروضوئية وإنما تشمل أيضا الكفاءة الحرارية والتي تتراوح ما بين 21% إلى 39%.
أجريت التحقيقات العددية باستخدام معلومات النموذج وبيانات الطقس لأيام التجارب. أظهرت النتائج العددية اتجاهات مماثلة كما في النتائج التجريبية على الرغم من أن هناك بعض الانحرافات في النتائج التي يمكن أن تعزى إلى حقيقة أن خسائر الحرارية للرياح لم تقدر بدقة في النموذج الحالي. وأظهرت النتائج العددية أن زيادة الإشعاع الحادث يؤدي إلى انخفاض في الكفاءة الكهربائية بسبب زيادة درجة حرارة الخلايا الشمسية . درجة حرارة الخلايا الشمسية في (الكهروضوئي/حراري) تراوحت من 31.4C الى 46.1C ولوحة الكهروضوئية التقليدية كانت 37.5C الى 56.2C عندما تراوح الإشعاع الساقط بين 400 W/m2 الى1000 W/m2.
أقصى قيمة للكفاءة الكهربائية أنتجت هي 12.54% في 600 W/m2 للوح الكهروضوئي التقليدي في حين كانت 13.12% عند 720 W/m2 لمجمع (الكهروضوئي/حراري) بسبب هيمنة تأثير درجة حرارة الخلية الشمسية.
وقد لوحظ زيادة جيدة في نقل الحرارة باستخدام المائع النانوي مع انخفاض نسبة حجم الجسيمات النانوية بوجود قيم صغيرة من حجم الجسيمات النانوية. ان وجود الجسيمات النانوية في السائل يزيد من معدل انتقال الحرارة بالمقارنة مع السوائل الأساسية ( φ = 0) وبالتالي تحسين التبريد من الخلايا الشمسية مما يقود الى أداء أفضل للوح الكهروضوئي.
وقد لوحظ زيادة جيدة في اداء المجمع (الكهروضوئي/حراري) عند استخدام المائع النانوي مع انخفاض حجم الجسيمات النانوية كمائع العمل داخل المجمع. وقد استخدمت المائع النانوية Al2O3-water و Cu-water مع مجموعة التراكيز الحجمية 0<ϕ≤4%)) ومدى حجم الجسيمات النانوية (25nm-100nm) في هذه الدراسة. أظهرت النتائج العددية أن وجود الجسيمات النانوية في السائل يزيد من معدل انتقال الحرارة بالمقارنة مع السوائل الأساسية (φ = 0) مع 5.56% تحسين بانتقال الحرارة وبالتالي تحسين تبريد الخلايا الشمسية مما يؤدي إلى أن يكون الأداء الجيد للالواح الكهروضوئية. استخدام الجسيمات النانوية مع مجموعة حجم (0<ϕ≤2.1) يسبب لخفض درجة حرارة الخلايا الكهروضوئية وتحسين أداء لوح الكهروضوئي.
وتلخص بحثه بما يلي :
المجمع الهجين (الكهروضوئي/ الحراري) هي التكنولوجيا الناشئة من الجمع بين اللوح الشمسي (الكهروضوئي) ومجمع الطاقة الشمسية الحراري من خلال إنتاج الحرارة والكهرباء في وقت واحد. في هذه الدراسة، فقد تم تطوير وبناء مجمع هجين (كهروضوئي/حراري) جديد لتحليل الأداء الحراري والكهربائي من المجمع (الكهروضوئي/الحراري) لمناخ مدينة بغداد في العراق. تقييم الأداء الحراري اعتمد على الحمل الحراري الطبيعي لمياه التبريد مع لوح الكهروضوئي الذي تم تثبيته مباشرة على المجمع الحراري.
في الجزء الأول من هذه الدراسة، تم تطوير نموذج رياضي عددي ثلاثي الابعاد وأعتمد على طريقة الحجوم المحددة مع استخدام النموذج الاضطرابي LRN k-ω للحصول على المتغيرات الحدية التي استخدمت فيما بعد لتصميم مجمع (الكهروضوئي/حراري) الحالي.
أظهرت النتائج العددية أن زيادة معدل أنتقال الحرارة يزداد مع زيادة النسبة الباعية للتجويف ووضع التجويف بزاوية ميل 95 يعطي أعلى قيمة لرقم نسلت، ووجود خطوة الى الوراء في أعلى التجويف يحسن رقم نسلت بمقدار 18.6% مقارنة مع التجويف بدون خطوة الى الوراء. علاوة على ذلك، أظهرت النتائج العددية أن تبريد السطح العلوي من الخطوة الى الوراء بأستخدام خزان علوي له فائدتين، تقليل درجة حرارة المائع قرب الجدار الساخن وزيادة معدل أنتقال الحرارة الى داخل التجويف. بالاضافة الى ذلك، تحسين في أنتقال الحرارة تم الحصول عليه بنسبة 5% عند استخدام مائع النانو وبنسبة حجم ϕ≤0.9% كسائل فعال داخل التجويف الطويل.
في الجزء الثاني من هذه الدراسة، تم استخدام النتائج العددية من الجزء الأول لتصميم وبناء النموذج الأولي للمجمع(الكهروضوئي/ الحراري) الحالي وتم اختبار هذا النظام تجريبيا وعدديا. وأجريت التجارب في ظل ظروف في الهواء الطلق لتحديد تأثير درجة حرارة الخلية الكهروضوئية على أداء اللوح الكهروضوئي. أظهرت النتائج التجريبية أن درجة حرارة اللوح الكهروضوئي تنخفض بشكل ملحوظ في مجمع(الكهروضوئي/ الحراري) مما يؤدي الى زيادة في كفاءة الخلايا الشمسية. كانت الكفاءة الكهربائية للوح الكهروضوئي المبرد في منظومة (الكهروضوئي/ الحراي) تتراوح بين(15.4%-16.95%) ، في حين لوح الكهروضوئي التقليدي (الغير مبرد) تتراوح بين (14.85%-16.61%) نتيجة لخفض درجة الحرارة اللوح الكهروضوئي 12C. على صعيد آخر، الحرارة المكتسبة هي 20.6% من الاشعاع الشمسي الساقط على المجمع خلال الاختبار.
الحرارة التي استخرجت من اللوح الكهروضوئي بواسطة ماء التبريد يمكن أن تساهم في انتاج الطاقة الإجمالية للمنظومة . لذلك، فإن الكفاءة الكلية للنظام لم تعد تقتصر فقط على كفاءة التحويل الكهروضوئية وإنما تشمل أيضا الكفاءة الحرارية والتي تتراوح ما بين 21% إلى 39%.
أجريت التحقيقات العددية باستخدام معلومات النموذج وبيانات الطقس لأيام التجارب. أظهرت النتائج العددية اتجاهات مماثلة كما في النتائج التجريبية على الرغم من أن هناك بعض الانحرافات في النتائج التي يمكن أن تعزى إلى حقيقة أن خسائر الحرارية للرياح لم تقدر بدقة في النموذج الحالي. وأظهرت النتائج العددية أن زيادة الإشعاع الحادث يؤدي إلى انخفاض في الكفاءة الكهربائية بسبب زيادة درجة حرارة الخلايا الشمسية . درجة حرارة الخلايا الشمسية في (الكهروضوئي/حراري) تراوحت من 31.4C الى 46.1C ولوحة الكهروضوئية التقليدية كانت 37.5C الى 56.2C عندما تراوح الإشعاع الساقط بين 400 W/m2 الى1000 W/m2.
أقصى قيمة للكفاءة الكهربائية أنتجت هي 12.54% في 600 W/m2 للوح الكهروضوئي التقليدي في حين كانت 13.12% عند 720 W/m2 لمجمع (الكهروضوئي/حراري) بسبب هيمنة تأثير درجة حرارة الخلية الشمسية.
وقد لوحظ زيادة جيدة في نقل الحرارة باستخدام المائع النانوي مع انخفاض نسبة حجم الجسيمات النانوية بوجود قيم صغيرة من حجم الجسيمات النانوية. ان وجود الجسيمات النانوية في السائل يزيد من معدل انتقال الحرارة بالمقارنة مع السوائل الأساسية ( φ = 0) وبالتالي تحسين التبريد من الخلايا الشمسية مما يقود الى أداء أفضل للوح الكهروضوئي.
وقد لوحظ زيادة جيدة في اداء المجمع (الكهروضوئي/حراري) عند استخدام المائع النانوي مع انخفاض حجم الجسيمات النانوية كمائع العمل داخل المجمع. وقد استخدمت المائع النانوية Al2O3-water و Cu-water مع مجموعة التراكيز الحجمية 0<ϕ≤4%)) ومدى حجم الجسيمات النانوية (25nm-100nm) في هذه الدراسة. أظهرت النتائج العددية أن وجود الجسيمات النانوية في السائل يزيد من معدل انتقال الحرارة بالمقارنة مع السوائل الأساسية (φ = 0) مع 5.56% تحسين بانتقال الحرارة وبالتالي تحسين تبريد الخلايا الشمسية مما يؤدي إلى أن يكون الأداء الجيد للالواح الكهروضوئية. استخدام الجسيمات النانوية مع مجموعة حجم (0<ϕ≤2.1) يسبب لخفض درجة حرارة الخلايا الكهروضوئية وتحسين أداء لوح الكهروضوئي.
