ضرورت استفاده بهینه از انرژی های طبیعی تجدید پذیر و طرح های نوین برای تامین گرمایش و سرمایش در سیستم های حرارتی و برودتی در صنعت وساختمان سازی پژوهشگران را تشویق به مطالعه و تحقیق در این خصوص نموده و آنها را به طراحی و ساخت سیستمهایی نو، ترقیب می نماید. صرفه جویی و بهینه سازی و بهره برداری از سیستم های نوین شرایطی را فراهم نموده که با عملکرد و چیدمان کلکتورهای خورشیدی مناسب در آبگرمکنهای خورشیدی مقیاس بزرگ به شرایط دلخواه دما ودبی مورد نیاز توسط آن کلکتورها و ولوها و پمپ برسیم. از اینرو با شبیه سازی آبگرمکن خورشیدی مقیاس بزرگ با نحوه عملکرد وچیدمان کلکتورهای خورشیدی رابه صورت یک پردازنده دیجیتال خانواده AVR سیستم مکاترونیکی مورد بررسی قرار می دهیم.

مقدمه

   با توجه به پایان پذیر بودن منابع غیر طبیعی لازم است بسیار جدی تر از گذشته به استفاده بهینه از انرژی های طبیعی تجدید پذیر توجه کرده و به دنبال طرح های نوینی برای تامین گرمایش وسرمایش در سیستم های حرارتی و برودتی در صنعت و در ساختمان سازی باشیم. تغییر و ارائه راه حل ها در طراحی معماری و رعایت الگوهای صرفه جوئی در انرژی و بهینه سازی آن یکی از راهکارهای رسیدن به هدف مطلوب وساختمان مناسب می باشد.
   بابهره گیری از پروژه آبگرمکن خورشیدی با مقیاس بزرگ و با سری و موازی کردن پنلهای خورشیدی، مارتین پیکون و همکاران پی بردند که با قرار دادن پنلها به صورت سری می توان بار حرارتی با درجه حرارت های مختلف را تامین کرد و با قراردادن پنلها به صورت موازی می توان بار حرارتی با افت فشار ودبی (سرعت جریان سیال) مختلفی تامین نمود. همچنین با به کارگیری از تعداد بیشتر پنلها دبی آب گرم بیشتری بدست می آید و با کاهش دبی آب فشار نیز کاهش می یابد.
   کونگ مینگ چانگ و همکاران، قشر بندی دما و سرعت جریان حرارت در مخزن افقی را مورد ارزیابی قرار دادند و سیستم را تحت بدون بار و بار متناوب و بار مداوم مورد آزمایش قرار دادند و تغییرات دما در مخزن را در حالات مختلف بررسی نمودند. آنها در طی آزمایشات خود با افزایش سرعت ، جریان بازده کلی را افزایش دادند و با سری – موازی کردن پنل ها یک عملکرد خوب برای دمای مناسب در کاربردهای صنعتی بکار گرفتند.
   کونگ مینگ چانگ و همکاران در تایوان الگوی مصرف آب گرم در سیستم آبگرمکن های خورشیدی مقیاس بزرگ را در یک خوابگاه مورد بررسی قرار دادند و تاثیر تغییرات تابش خورشید و دمای محیط را بر پنل های خورشیدی بررسی کرده و در نهایت راندمان و توان پنل های خورشیدی را محاسبه نمودند .
   پایگاه داده ها برای تعیین میزان انرژی خورشیدی برای نقاط مختلف کره زمین اطلاعاتی تهیه کرده اند که به صورت نقشه های پویا (interactive map ) یا نقشه ساده وضعیت تابش خورشید از طریق شبکه اینترنت قابل دسترسی می باشند.
   ماتئو زاگو و همکاران نتیجه گرفتند که استفاده از آبگرمکن های خورشیدی مقیاس بزرگ در ایتالیا باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می شود. (ادامه دهید ...)
   در تجزیه و تحلیل عملکرد پنل خورشیدی با یوسف نم آدام  صفحه تخت تاثیر کانال هوا را مورد بررسی قرار داد و نتیجه گرفت که گرم کن هوا باعث افزایش دبی جرمی وافت فشار می شود که منجر به بهره وری بالاتر می گردد . همچنین کاهش عمق کانال باعث افزایش کارایی سیستم می گردد. در این خصوص منحنی هایی که رابطه ی دبی و دما ، دبی و فشار و... را بدست آورد ارایه کرده است.
   ایزن من وهمکاران یک ابزار طراحی جدید برای ساخت و ساز از گرد آورنده صفحه خورشیدی تخت با ابعاد هندسی مناسب لوله ها و عرض و ضخامت ورق لوله های جاذب برای رسیدن به یک مقدار مشخصی از بازده کلکتور خورشیدی بدست آمد .
   تسات سس و همکاران مطالعاتی در مورد ارزیابی اقتصادی استفاده از برنامه های حرارتی خورشیدی صنعتی در یونان داشتند و به این نتیجه رسیدند که بکار گیری طرح های خورشیدی در دراز مدت مقرون به صرفه است.
   در تحقیق گارگ،عملیات طراحی و اجرای آبگرمکن خورشیدی مقیاس بزرگ در بیمارستان ها و خوابگاه ها مورد بررسی قرار گرفت و به این نتیجه رسیدند که در صورتیکه پنل های خورشیدی بیشتری را با هم موازی کنند بازده بیشتری حاصل می شود باتوجه به شدت تابش خورشید در شهرهای مختلف کشور هند میزان آبگرم تولید شده متفاوت است و حداکثر تا دما و دبی محدودی می توان تولید گرما نمود .
   گزارش میزان تابش خورشیدی در شهرهای مختلف ایران را از پایگاه داده سازمان انرژی های نو ایران (سانا) می توان بدست آورد. گزارش میزان تابش خورشیدی شهر شیراز را از پایگاه داده دانشکده مکانیک دانشگاه شیراز بدست آوردیم.
   احمد دامن پاك احتمال استفاده از چیلر های جذبی شعله مستقیم و چیلر های خورشیدی در شرکت فولاد خوزستان را موردبررسی قرار میدهد. 

   فلاحت کار و اخوان ارمکی به این نتیجه رسیدند که سازگارترین چیلر جذبی با سیستم خورشیدی، چیلر جذبی تک اثره با تغذیه ی آب گرم است و شیب بهینه ی گرد آورنده برای یک سیستم خورشیدی که هم در تابستان وهم در زمستان مورد استفاده قرار می گیرد برابر با عرض جغرافیای محل است.
   گلکار و همکارش به تغیین زاویه بهینه پنلهای خورشیدی ثابت برای دریافت بیشترین تابش در شبکه های توزیع انرژی در شهرهای مختلف ایران می پردازد.
   اسلامی با تجزیه وتحلیل یک مدل ریاضی برای سیستم های آبگرمکن خورشیدی با تخمین های دقیق و علمی به طراحی سیستمهای آبگرمکن های خورشیدی پرداخته وسیستم هایی با کارایی بالا وقابلیت اطمینان خوب را برای تامین انرژی معرفی می کند.
   خراسانی بیان کرد آبگرم کن توسط سلول های خورشیدی سیال ذخیره ساز درون آبگرم کن را گرم و این گرما در سیال ذخیره می گردد تا در زمان های دیگر مصرف گردد .در آن پروژه ذخیره ی انرژی به جای استفاده در سیستم شیمیائی در یک مخزن آب می باشد .
   شبنم منصوری و همکاران با استفاده از بحث های ارائه شده نتیجه گیری کرده که بکار گیری سیستم های ذخیره سازی (کامل و جزئی )در کنارسیستم های معمول سرمایشی باعث کاهش پیک الکتریکی در طول ساعات اوج مصرف درکشور می شود.
   محسن زاده وهمکارش بیان کردند در این تحقیق سیستم ترکیبی طراحی شده شامل یک مدل خورشیدی از نوع سیلیکون تک کریستال که با یک جاذب حرارتی کانال شکل جهت خنک کاری آن تلفیق شده است .و در این سیستم برای افزایش تابش دریافتی پانل از یک سری باز تاباننده تخت استفاده شده وسیال خروجی از سیستم برای پیش گرمایش سیال ورودی به یک آبگرمکن خورشیدی وکیوم تیوبی استفاده شده است. با توجه به اینکه سطح پوشانده شده توسط این سیستم می تواند مقدار بیشتری انرژی الکتریکی و حرارتی نسبت به حالتی که بخشی از سطح با سلول های خورشیدی وبخشی با کلکتورهای حرارتی پوشانده شده باشد،تولید نماید. لذا در مکانهایی که از سطح در دسترس کمتری برخوردار هستند،می تواند بسیار کاربردی باشد. خنک کاری پنل فتوولتائیک با استفاده از یک کانال مسطح در زیر آن علاوه براینکه مانع از دریافت پرتوهای خورشیدی نمی شود ،بلکه می تواند خنک کاری را با یک چنین شرایط تابش ایجاد شده ،به خوبی پشتیبانی نماید. براین اساس یک کانال مسطح برنجی ،دوعددباز تابنده به همراه تعدادی کلکتور لوله های خلاء برای اضافه شدن به یک پانل خورشیدی از نوع سیلیکون تک کریستال ، طراحی و ساخته شد. نتایج حاصل از تست عملکردی سیستم ترکیبی ساخته شده نسبت به یک پانل خورشیدی مشابه نشان دهنده ی بهبود راندمان الکتریکی وافزایش ظرفیت تولیدحرارتی است.
   دو نوع چیلر جذبی خورشیدی وجود دارد: چیلر جذبی خورشیدی از نوع جاذب مایع( Chillers Absorption ) که در این نوع چیلر از محلول آب ولیتیوم  بروماید و یا آب وآمونیاك استفاده می شود ودمای لازم برای گرمایش ژنراتور در چیلر یک مرحله ای از 75 تا 110 درجه سانتیگراد برای چیلر دو مرحله ای از 140 تا 180 درجه سانتیگراد نیاز می باشد. وتکنولوژی خورشیدی لازم، کلکتورهای لوله خلاء می باشد.
 چیلر جذبی خورشیدی از نوع جاذب جامد( Chillers Adsorption )که در این نوع چیلر از جاذب جامد آب  وسیلیکاژول ویا آمونیاك و نمک استفاده می شود که دمای لازم برای گرمایش ژنراتور چیلر در این حالت در محدوده 60 تا 90 درجه سانتیگراد نیاز می باشد.و تکنولوژی خورشیدی لازم،کلکتورهای صفحه تخت وکلکتورهای لوله خلاء می باشد. با بهرمندی از سیستم های نوین پیشنهاد شده با استفاده از انرژی های تجدید پذیر و سیستم های ذخیره سازی در کنار سیستم های معمول ،راه کارهایی برای تامین گرمایش و سرمایش ساختمان ، صرفه جویی در مصرف انرژی ، کاهش میزان انتشار آلودگی ، دستیابی به انرژی با بهای کمتر ( در صورت برگشت سرمایه در چند سال بعد ) و امنیت در مواقع بحران انرژی پیشنهاد می شود. تغییر وارائه راه حل ها در طراحی معماری (به کار گیری از سامانه های خورشیدی ایستا مانند اجرای دیوار ترمب در نمای جنوبی ساختمان) و رعایت الگوهای صرفه جوئی در انرژی وبهینه سازی آن یکی از راهکارهای رسیدن به هدف مطلوب وساختمان مناسب می باشد.
   با بهره گیری از پروژه آبگرمکن خورشیدی با مقیاس بزرگ می توان سیستم آب گرم مصرفی و گرمایشی و سرمایشی ساختمان را با کمک گیری از دیگ های آب گرم رزرو به بهترین نحو در فصل زمستان و تابستان تامین کنیم. این امر باعث کاهش مصرف انرژی و طی گذر زمان باعث برگشت سرمایه ی هزینه شده می باشد .
در فناوری ذخیره ساز سرما می توان از Ice bank استفاده کرد که توسط چیلر های تراکمی با دو سیستم انباشت آب سرد و یا انباشت یخ کار می کند.
   درکانال برگشت هواسازهایی که کویل های حرارتی آن از سیستمهای گرمایش ویا سرمایش خورشیدی تامین می شود. برای بازیافت انرژی به روش انتقال حرارت هوا به هوا از رکوپراتورهای هوا به هوا می توان از سیستم های  Heat plat و یا Heat wheel استفاده نمود .
   براساس مطالعات انجام شده تابه حال پژوهشی در زمینه ی طراحی وساخت شبیه ساز عملکرد و چیدمان و بهینه AVR کلکتور های خورشیدی با میکرو کنترلر سازی جهت دستیابی به شرایط دلخواه در سطح جهانی صورت نگرفته است.
   در شبیه سازی عملکرد وچیدمان کلکتور های وبهینه سازی جهت AVR خورشیدی با میکرو کنترلر دستیابی به شرایط دلخواه منجر به ساخت دو دستگاه می شود. که یک دستگاه شامل 8عدد پلتیر و 8 عدد سنسور نمایان کننده 4 پنل خورشیدی و دماهای ورودی و خروجی پنلها و موتور گریبکس جایگزین عقربه کنتور آب گرم می باشد. در این طرح با ساخت دستگاه دیگری و بهره گیری از شبیه ساز قبلی حالت های
سری ، موازی ، سری – موازی قرار گرفتن پنل های خورشیدی را با کنترل 11 ولو برقی در مسیر لوله ها و سرعت های کند ، متوسط و سریع پمپ را می توان با کنترل درایو پمپ با کنترل 3 رله جمعا با 14 تریاك یا رله مورد بهره برداری قرار داد.
   می توان دستگاه دوم را با تغیراتی بر روی پنل های خورشیدی (آبگرمکن های خورشیدی مقیاس بزرگ) عملا" پیاده سازی کرد وبه شرایط دلخواه برای تامین آب گرم با دما ودبی مناسب برای چیلر جذبی تک اثره برای تولید سرمایش خورشیدی مورد بهره برداری قرار داد. و با همکاری شرکتها ی سازنده چیلر جذبی وتولید کننده های کلکتورهای خورشیدی ومجریان آبگرمکن خورشیدی مقیاس بزرگ به تولید سرمایش خورشیدی
برای کار فرمایان محترم فائق آمد.
   در شکل 1 نمای شماتیک تولید آب گرم توسط پنل خورشیدی وذخیره سازی وانتقال آن به بار طی فرآیند کنترلی نمایش داده می شود.در این فرآیند کنترلی آب گرم خروجی از پنل خورشیدی در منبع ذخیره آب گرم انباشت می شودو به میزان نیاز به ورودی مبدل صفحه ای انتقال می یابد.واز خروجی آن به سمت بار (چیلر جذبی)انتقال می یابد.

شکل(1) نمای شماتیک تولید آب گرم توسط پنل خورشیدی و ذخیره سازی و انتقال آن به بار طی فرایند کنترلی

با توجه به مقایسه دو نوع چیلر جذبی خورشیدی به علت محدودیت هایی که در افزایش دمای آب در کلکتورهای آب گرمکن خورشیدی وجود دارد مناسب ترین نوع چیلر جذبی خورشیدی نوع جاذب جامد می باشد.