بهبود عملکرد سیستم ذخیره‌ی انرژی آبگرمکن خورشیدی با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، ایران

3 استاد، گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، ایران

10.22044/jsfm.2024.14027.3825

چکیده

مواد تغییر فاز دهنده (PCMs) در آبگرمکن های خورشیدی برای ذخیره مقدار اضافی انرژی گرمایی موجود در طول ساعات آفتابی می‌تواند استفاده ‌شود. هدف از مطالعه‌ی حاضر، بررسی عملکرد سیستم آبگرمکن خورشیدی با لوله‌ی گرمایی، به‌همراه سیستم ذخیره‌ی انرژی حاوی مواد تغییر فاز دهنده (PCMs) است. در این مطالعه یک مخزن گالوانیزه استوانه‌ای با کویل دوگانه‌ی مارپیچ و حاوی PCM، به عنوان یک واحد ذخیره‌ی انرژی گرمایی عمل می‌کند. از پارافین به عنوان PCM و از آب به عنوان مایع انتقال حرارت (HTF) برای انتقال گرما از مخزن آبگرمکن به لوله‌های مارپیچ و از آنجا به مخزن ذخیره‌ی انرژی،‌ استفاده می شود. آزمایشات فرآیند شارژ و تخلیه در روزهای آفتابی و در شرایط عملیاتی واقعی انجام می شود. اهمیت تغییرات دمایی مایع انتقال حرارت HTF و ماده‌‌ی تغییر فاز دهنده PCM و نیز بازه‌ی تغییرات، مورد بحث قرار گرفته و متغیرهای عملکردی انرژی شارژ و تخلیه و بازده انرژی حرارتی مورد مطالعه واقع شده است. بازده شارژ محاسبه شده، %7/75 و بازده واحد ذخیره-ی انرژی برای فرآیند تخلیه، %61.1 بدست آمد. PCM، 2700 کیلوژول گرما را در 70 دقیقه برای دمای ورودی HTF 80 درجه‌ی سانتیگراد در حین شارژ، ذخیره کرد و 1650 کیلوژول گرما را در 50 دقیقه در دمای HTF ورودی 25 درجه سانتیگراد و 42 لیتر در دقیقه در واحد ذخیره، تخلیه‌ی انرژی کرد. از آزمایشها مشخص شد که PCM، عملکرد سیستم را، با افزایش بازده انرژی شارژ و راندمان حرارتی مخزن ذخیره‌ی آب گرم، بهبود می‌بخشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Hedayatizadeh, M., Y. Ajabshirchi, F. Sarhaddi, A. Safavinejad, S. Farahat, and H. Chaji. 2013. Thermal and electrical assessment of an integrated solar photovoltaic thermal (PV/T) water collector equipped with a compound parabolic concentrator (CPC). Int. J. Green Energ. 10:494–522.
[2] Cabeza, L. F., M. Ibanez, C. Sole, J. Roca, and M. Nogue´s. 2006. Experimentation with a water tank, including a PCM module. Solar Energy Materials and Solar Cells 90:1273–82.
[3] Kousksou, T., P. Bruel, G. Cherreau,V. Leoussoff, and T. El Rhafiki. 2011. PCM storage for solar DHW: From an unfulfilled promise to a real benefit. Solar Energy 85:2033–40.
[4] Fazilati, M.A., and A. A. Alemrajabi. 2013. Phase change material for enhancing solar water heater, an experimental approach. Energy Conversion and Management 71:138–45.
[5] Talmatsky, E., and A. Kribus. 2008. PCM storage for solar DHW: An unfulfilled promise. Solar Energy 82:861–69
[6] Huang, M. J., P. C. Eames, S. McCormack, P. Grifflths, and N. J. Hewitt. 2011. Microencapsulated phase change slurries for thermal energy storage in a residential solar energy system. Renewable Energy 36:2932–39.
[7] Wu, S., G. Fang, and X. Liu. 2011. Dynamic discharging characteristic simulation on solar heat storage system with spherical capsules using paraffln as heat storage material. Renewable Energy 36:1190–95.
[8] Rezania, A., H. Taherian, and D. D. Ganji. 2012. Experimental investigation of a natural circulation solar domestic water heater performance under standard consumption rate. Int. J. Green Energ. 9:322–34.
[9] Mazman, M., F. Luisa, L. F. Cabeza, H. Mehling, M. Nogues, H. Evliya, and H. O. Paksoy. 2009. Utilization of phase change materials in solar domestic hot water systems. Renewable Energy 34:1639–43.
[10] Rosen, M. A. 2001. The exergy of stratified thermal energy storages. Solar Energy 71:173–85.
[11] Castell, A., C. Sole, M. Medrano, J. Roca, L. F. Cabeza, and D. Garcia. 2008. Natural convection heat transfer coefficients in phase change material (PCM) modules with external vertical fins. Applied Thermal Engineering 28:1676–86.
[12] Awani, ., R. Chargui, and B. Tashtoush. 2021. Experimental nd numerical evaluation of a new design of a solar thermosyphon water heating system with phase change material. J. Energ. Stor. 41,102948.
[13] Fahad, F. S. and I. Koc . 2022. An experimental study to improve solar heating water using PCM and integrated with helical heat exchanger. Basrah J. Eng. Sci., Vol. 22, No. 2, 72-79.
[14] Syahruddin, A., Jalaluddin and A. Hayat. 2020. Performance analysis of solar water heating system with plate collector integrated PCM storage. Int. J. of Eng.. pISSN 2615-5109 Volume 3, Number 2, pp. 143-149. 
[15] Halim, A., Jalaluddin, A. A. Mochtar and E. Arif. Performance investigation of solar water heating system integrated with PCM storage. 2020. J. Mech. Eng. Research and Developments. Vol. 43, No. 3, pp. 291-300.
[16] Omara, A., A., M., et al. Energy and exergy analysis of solar water heating system integrated with phase change material (PCM). 2018.  International Conference on Computer, Control, Electrical, and Electronics Engineering.
[17] H. Niyas, C.R.C. Rao, P. Muthukumar, Performance investigation of wania lab-scale latent heat storage prototype – experimental results, Sol. Energy 155 (2017) 971–984.
[18] S. Seddegh, M.M. Joybari, X. Wang, F. Haghighat, Experimental and numerical characterization of natural convection in a vertical shell-and-tube latent thermal energy storage system, Sustain. Cities Soc. 35 (2017) 13–24.
[19] M.M. Joybari, F. Haghighat, S. Seddegh, Y. Yuan, Simultaneous charging and discharging of phase change materials: development of correlation for liquid fraction, Sol. Energy 188 (2019) 788–798.
[20] S.P. Jesumathy, M. Udayakumar, S. Suresh, S. Jegadheeswaran, An experimental study on heat transfer characteristics of paraffin wax in horizontal double pipe heat latent heat storage unit, J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 45 (2014) 1298–1306.
[21] R. Anish, V. Mariappan, M. Mastani Joybari, Experimental investigation on the melting and solidification behavior of erythritol in a horizontal shell and multi-finned tube latent heat storage unit, Appl. Therm. Eng. 161 (2019) 114194.
[22] M. Kabbara, D. Groulx, A. Joseph, A parametric experimental investigation of the heat transfer in a coil-in-tank latent heat energy storage system, Int. J. Therm. Sci. 130 (2018) 395–405.
[23] F. Agyenim, the use of enhanced heat transfer phase change materials (PCM) to improve the coefficient of performance (COP) of solar powered LiBr/H 2 O absorption cooling systems, Renew. Energy 87 (2016) 229–239.
[24] D.K. Johar, D. Sharma, S.L. Soni, P.K. Gupta, R. Goyal, Experimental investigation on latent heat thermal energy storage system for stationary C.I. engine exhaust, Appl. Therm. Eng. 104 (2016) 64–73.
[25] Y. Wang, L. Wang, N. Xie, X. Lin, H. Chen, Experimental study on the melting and solidification behavior of erythritol in a vertical shell-and-tube latent heat thermal storage unit, Int. J. Heat Mass Tran. 99 (2016) 770–781.
[26] A. Al-Abidi, S. Mat, K. Sopian, Y. Sulaiman, A. Mohammad, Heat transfer enhancement for PCM thermal energy storage in triplex tube heat exchanger, Heat Tran. Eng. 37 (2016) 705–712.
[27] M. Rezaei, M.R. Anisur, M.H. Mahfuz, M.A. Kibria, R. Saidur, I.H.S.C. Metselaar, Performance and cost analysis of phase change materials with different melting temperatures in heating systems, Energy 53 (2013) 173–178.