فهرست مطالب

مهندسی و مدیریت انرژی - سال دوازدهم شماره 1 (پیاپی 43، بهار 1401)

فصلنامه مهندسی و مدیریت انرژی
سال دوازدهم شماره 1 (پیاپی 43، بهار 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/02/15
  • تعداد عناوین: 14
|
  • مسعود علیلو، بهروز طوسی*، حسین شایقی صفحات 2-15

    در این مطالعه، یک روش بهینه سازی چندهدفه برای بهره برداری بهینه از منابع انرژی محلی و بار مشترکین در یک ریزشبکه در حضور برنامه های پاسخگویی بار ارایه شده است. توربین بادی و پنل فتوولتاییک منابع تجدیدپذیر ریزشبکه هستند. از برنامه های پاسخگویی بار زمان استفاده و قیمت گذاری اوج بحرانی نیز برای بهبود الگوی مصرف مشترکین ریزشبکه استفاده شده است؛ به علاوه، مشترکین سعی می کنند در زمان هایی مصرف الکتریکی داشته باشند که منابع تجدیدپذیر در دسترس هستند. حداکثرسازی سود بهره بردار ریزشبکه از فروش برق و حداقل سازی میزان تولید گازهای آلاینده از منابع انرژی به عنوان توابع هدف مسئله مدیریت سمت تقاضا در نظر گرفته شده اند. از الگوریتم بهینه سازی چندهدفه شیرمورچه برای بهینه سازی نامغلوب شاخص های ریزشبکه و ایجاد صفحه بهینه پارتو استفاده می شود. پس از اعمال الگوریتم بهینه سازی چند هدفه، از روش فازی برای انتخاب بهترین ذره که معادل به بهینه ترین برنامه بهره برداری از ریزشبکه است، استفاده می شود. در نهایت، کارایی روش پیشنهادی در یک ریزشبکه نمونه مورد ارزیابی قرار می گیرد. نتایج نشان دهنده این موضوع هستند که روش پیشنهادی با اصطلاح الگوی مصرف و بهینه سازی بهینه واحدهای تجدیدپذیر و باطری، کارایی ریزشبکه را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشد. روش پیشنهادی برای مدیریت انرژی نه تنها باعث افزایش سودآوری شرکت بهره بردار ریزشبکه می شود، میزان آلایندگی زیست محیطی ریزشبکه نیز به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

    کلیدواژگان: انرژی تجدیدپذیر، برنامه پاسخگویی بار، بهینه سازی چندهدفه، ذخیره ساز انرژی الکتریکی، مسائل زیست محیطی
  • اسحاق فرجی، علیرضا عباسی*، صمد نجاتیان، محمود زاده باقری، حمید پروین صفحات 16-27

    در این مقاله، برنامه ریزی و بهره برداری منابع اکتیو و راکتیو در شبکه توزیع هوشمند  دارای قابلیت بازآرایی سیستم و طرح  پاسخ گویی بار  با در نظر گرفتن امنیت ولتاژ ارایه می شود. از اینرو طرح مذکور به منظور مدل سازی همزمان شاخص های اقتصادی، بهره برداری و امنیت شبکه توزیع هوشمند یک مساله سه هدفه بیان می کند که توابع هدف آن به ترتیب کمینه سازی هزینه سالیانه برنامه ریزی منابع و بهره برداری شبکه و منابع، کمینه سازی تابع انحرافات ولتاژ، و بیشینه سازی شاخص امنیت ولتاژ را در نظر می گیرد. قیود مساله شامل معادلات پخش توان بهینه و بازآرایی شبکه، مدل بهره برداری و برنامه ریزی منابع اکتیو و راکتیو، فرمول بندی طرح پاسخ گویی بار، و محدودیت امنیت ولتاژ شبکه است. در ادامه، مساله چند هدفه پیشنهادی توسط تکنیک بهینه سازی پارتو مبنی بر روش مجموع توابع وزندار به یک مساله یکپارچه تک هدفه تبدیل می شود. سپس حل کننده ترکیبی بهینه سازی دسته میگوها  و الگوریتم جستجوی کلاغ جهت دستیابی به راه حل بهینه مطمین با انحراف معیار پایین در پاسخ دهی استفاده می شود. در نهایت، طرح پیشنهادی برروی شبکه توزیع هوشمند شعاعی 69 باسه اعمال می شود و سپس نتایج عددی بدست آمده تایید کننده قابلیت این طرح در بهبود وضعیت اقتصادی، بهره برداری و امنیت شبکه توزیع هوشمند است.

    کلیدواژگان: الگوریتم تکاملی ترکیبی، امنیت ولتاژ، بازآرایی سیستم، برنامه ریزی و بهره برداری منابع اکتیو و راکتیو، تکنیک بهینه سازی پارتو، شبکه توزیع هوشمند
  • مصطفی محمدنیایی، فرهاد نامداری*، محمودرضا شاکرمی، لیلا حاتموند صفحات 28-41

    این مقاله به ارایه یک شاخص جدید سنجش پایداری ولتاژ مبتنی بر روش آنالیز برداری می پردازد. اساس استخراج شاخص پیشنهادی، اندازه گیری به هنگام از توان های اکتیو و راکتیو ورودی و خروجی شینه های متصل به شینه های ژنراتوری است. در این راستا با توجه به قضیه حداکثر توان انتقالی از یک ژنراتور به بار متصل به آن، حدی برای شروع فروپاشی ولتاژ تعیین می شود. از طرفی در مواردی که سیستم قدرت نیازمند حذف بار است؛ یک حذف بار جدید ولتاژی/ فرکانسی ارایه شده است. ساختار این حذف بار به گونه ای است که با تقسیم بندی بارهای شبکه به عنوان بارهای مجاز و غیرمجاز جهت خروج و اولویت بندی خروج بارهای مجاز، پایداری ولتاژ و فرکانس شبکه تضمین خواهد شد. شبیه سازی ها در محیط نرم افزار دیگسایلنت بر روی شبکه استاندارد 39 شینه IEEE، صحت و کاربرد بسیار مناسب روش پیشنهادی را نسبت به سایر روش ها نشان می دهد.

    کلیدواژگان: آنالیز برداری، پایداری ولتاژ، پایداری فرکانس، حذف بار
  • حمید رادمنش* صفحات 42-55

    هدف از این مقاله طراحی و امکان سنجی ساخت یک هواپیمای سبک وزن خورشیدی است که توانایی پرواز بی وقفه به مدت 24 ساعت را تنها با تکیه بر انرژی خورشیدی دارد. انرژی موردنیاز در طول روز با پنل های خورشیدی جذب می شود، مقداری به صورت مستقیم برای پرواز استفاده می شود و مازاد انرژی، برای پرواز در طول شب در باتری هواپیما ذخیره می شود. سپس از این هواپیما برای ماموریت هایی که نیاز به مداومت پروازی طولانی است استفاده خواهد شد. به همین منظور یک سیستم تشخیص حریق و اعلان به ایستگاه زمینی طراحی و جهت نصب آن در هواپیما تمهیداتی در نظر گرفته شده است. در این مقاله یک روش تحلیلی برای تشکیل مدل پیش بینی جرم هواپیما ارایه می شود که بر مبنای دخالت دادن تمام ادوات الکتریکی و مکانیکی است به نحوی که بتوان به یک مدل طراحی بهینه دست یافت. این روش تحلیلی، مبتنی بر توازن جرم و انرژی در مراحل مختلف پرواز است. با دخالت دادن نزدیک 30 پارامتر مختلف در این مدل سازی، درنهایت با توجه به اهداف تعیین شده، به مشخصه های طراحی موردنظر همچون طول بال بهینه هواپیما، ظرفیت باتری، ارتفاع پروازی، سطح توان فرستنده و... می توان دست یافت. یک چهارچوب شبیه سازی الکتریکی معرفی و در نرم افزار سیمولینک MATLAB به صورت زمان واقعی (Real-Time) اجرا شد که نتایج آن ارایه شده است. جهت صحت عملکرد مدل شبیه سازی شده، یک نمونه آزمایشگاهی ساخته شده است و تمام پارامترهای پروازی، الکتریکی و مکانیکی روی آن آزمایش شده است.

    کلیدواژگان: هواپیمای خورشیدی، انرژی خورشیدی، شبیه سازی الکتریکی، سلول های خورشیدی، حس گر دود، اعلان حریق
  • علی صفایی نژاد، محسن رحیمی* صفحات 56-63

    با توجه به نوسانات سرعت باد در سیستم های تبدیل انرژی باد، به علت مشکلات ناشی از ژنراتورهای بادی سرعت ثابت، ژنراتور های بادی سرعت متغیر بر آن ها ترجیح داده می شوند. یکی از ژنراتور های سرعت متغیر، ژنراتور القایی با سیم پیچ استاتور دوگانه می باشد. این نوع ژنراتور در مقایسه با ژنراتور های القایی دو سو تغذیه که متداول ترین نوع ژنراتور سرعت متغیر در بین توربین های بادی محسوب می گردد، به علت حذف جاروبک ها و حلقه های لغزان، دارای ساختمان مقاوم تر و هزینه تعمیر و نگهداری کمتر می باشد، همچنین به علت ساختار روتور قفس سنجابی نسبت به ژنراتورهای القایی دو سو تغذیه بدون جاروبک با ساختار روتور آشیانه ای دارای ساختمان ساده تر می باشند.  در این مقاله سیستم تبدیل انرژی باد سرعت متغیر با بکارگیری ژنراتور القایی با سیم پیچ استاتور دوگانه برای تغذیه بار جریان متناوب مستقل از شبکه معرفی می گردد. سپس با بکارگیری مبدل های الکترونیک قدرت یک ساختار مناسب پیشنهاد می گردد. به منظور تنظیم توان و تثبیت ولتاژ با دامنه و فرکانس مطلوب برای بار مستقل از شبکه تحت شرایط تغییرات بار و سرعت باد با درنظر گرفتن روش های کنترلی مناسب حلقه های کنترلی برای مبدل های الکترونیک قدرت طراحی می گردد. جهت اعتبار سنجی سیستم تحت مطالعه و روش کنترلی موردنظر، نتایج شبیه سازی در محیط SIMULINK نرم افزار MATLAB ارایه می گردد.

    کلیدواژگان: دستگاه مرجع سنکرون، سیم پیچ اول استاتور، سیم پیچ دوم استاتور، مبدل تحریک استاتیکی، مبدل DC، DC دوطرفه
  • علی فروتنی، محمد رستگار* صفحات 64-75

    افزایش مصرف انرژی الکتریکی، مسئله ای است که همواره به عنوان یکی از چالش های تامین کنندگان برق مطرح بوده است. به دنبال افزایش مصرف، برنامه های پاسخ گویی بار که سعی در مدیریت مصرف انرژی با اهدافی نظیرکاهش هزینه ها و افزایش قابلیت اطمینان دارند، بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته اند. از طرفی هوشمندسازی مصرف کنندگان، امکان بهره گیری هرچه بیشتر از هوش مصنوعی جهت مدیریت انرژی را میسر ساخته است. این مقاله، روشی برای مدیریت مصرف انرژی خانگی با هدف کمینه کردن قبض برق و نارضایتی مشترک ارایه می دهد. با تفکیک بارهای خانه به سه دسته بار های غیرقابل کنترل، قابل جابه جایی و قابل کنترل، یادگیری تقویتی چند عاملی با الگوریتم Q-Learning راهکاری است که در این مقاله برای اتخاذ تصمیمات بهینه در رابطه با هر یک از وسایل خانه در نظر گرفته شده است. به دلیل ماهیت الگوریتم Q-Learning، روش پیشنهادی در این مقاله برخلاف روش های برنامه ریزی عدد صحیح امکان افزودن وسایل بیشتری از خانه و حل مسئله های پیچیده تری را داراست. پیاده سازی روش پیشنهادی این مقاله در بخش مطالعه عددی منجر به کاهش قبض برق مشترک تا 8/24 درصد گردید. همچنین، نتایج حاصل از اعمال روش ارایه شده حاکی از صحت عملکرد آن می باشد.

    کلیدواژگان: مدیریت مصرف انرژی، یادگیری تقویتی، هوش مصنوعی، پاسخ گویی
  • علیرضا منصوری، علیرضا شیخی فینی*، محسن پارسا مقدم صفحات 76-85

    افزایش نفوذ منابع تولید تجدیدپذیر، برنامه ریزی تولید روزپیش سیستم قدرت را با چالش های جدی فنی و اقتصادی  روبه رو کرده است. با توجه به ماهیت تصادفی تولید این منابع، تامین انعطاف پذیری مورد نیاز برای پوشش عدم قطعیت و تغییرپذیری آن ها به موضوعی مهم تبدیل شده است. از جمله منابع تامین کننده انعطاف پذیری، واحدهای سریع نظیر واحدهای گازی هستند که استفاده از ظرفیت شیب غیر چرخان آن ها می تواند نیاز به بهره برداری چرخان از واحدهای گران قیمت را کاهش دهد. از طرفی مطابق رویکرد قابل قبول بازارهای برق، توجه به حداکثرسازی رفاه اجتماعی در برنامه ریزی روزپیش تولید از اهمیت بالایی برخوردار است که لازمه آن تسویه همزمان انرژی و رزرو ظرفیت شیب می باشد. لذا در مقاله حاضر از بهینه سازی مقاوم تطبیق پذیر مبتنی بر روش تولید قید و ستون برای حل مسئله برنامه ریزی تولید روزپیش با بهره گیری از پتانسیل واحدهای سریع، تحت نفوذ بالای منابع تولید بادی بهره گرفته شده است. بررسی نتایج بر روی شبکه آزمایش استاندارد 24 باسه IEEE، حاکی از آن است که بهره گیری از پتانسیل منابع سریع، کاهش هزینه بهره برداری تا میزان 85/0% را در پی دارد. همچنین استفاده از روش تولید قید و ستون، منجر به افزایش سرعت همگرایی روند حل مسئله و رسیدن به جواب بهینه در حداکثر سه تکرار شده است.

    کلیدواژگان: واحدهای سریع، واحدهای تولید بادی، بهینه سازی مقاوم تطبیق پذیر، رفاه اجتماعی، روش تولید قید و ستون
  • مریم افشاری زاده*، محسن محسن نیا صفحات 86-97

    امروزه بیودیزل به عنوان جایگزینی مناسب برای سوخت های فسیلی در نظرگرفته شده است. با توجه به اهمیت زیست محیطی بیودیزل، در مطالعه حاضر، اکسیدهای ZrO2-NiO و ZrO2-CeO2 با نسبت های مولی مختلف با استفاده از روش همرسوبی و سل ژل پچینی سنتز شده و فعالیت های کاتالیزوری آن ها برای تولید بیودیزل از روغن ذرت و روغن پسماند مورد بررسی قرار گرفت. کاتالیزورهای جدید از لحاظ مورفولوژی، کریستالوگرافی و ترکیب شیمیایی با تکنیک های شناخته شده ی پراش اشعه ایکس، طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی و طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه بررسی شدند. عوامل و پارامترهای مختلف موثر در میزان تولید بیودیزل، از جمله نسبت روغن به متانول، دمای واکنش ترانس استریفیکاسیون و روش سنتز نانوکاتالیزور برای کاتالیزورهای مورد نظر بهینه شد. نتایج تجربی نشان دادند که استفاده از زیرکونیوم دی اکسید به همراه اکسید فلزات به عنوان کاتالیزور، باعث افزایش سینتیک و کاهش زمان واکنش تولید بیودیزل می شود. همچنین بالاترین عملکرد کاتالیزور در نسبت مولی روغن به متانول (1 به 10) و نسبت مولی 10= Zr/Ni و 10= Zr/Ce مشاهده شد، به طوری که بازدهی تبدیل روغن پسماند و روغن ذرت به بیودیزل بر روی کاتالیزور ZrO2-CeO2 به ترتیب 92 و 83% با دقت تحلیلی رضایت بخش (R.S.D.≤ 4.8٪) و برای کاتالیزور ZrO2-NiO به ترتیب 83 و 78% با دقت تحلیلی رضایت بخش (R.S.D.≤ 5.3٪) به دست آمد.

    کلیدواژگان: سل ژل پچینی، بیودیزل، روغن ذرت، زیرکونیا
  • فاطمه اکبری*، علی ناظمی، سیاب ممی پور صفحات 98-109

    روند کنونی افزایش مصرف انرژی در جهان، بشر را با دو بحران بزرگ روبرو کرده است؛ نخست، آلودگی محیط زیست و دیگری شتاب فزاینده در جهت به پایان بردن منابع انرژی. ذخیره ی انرژی و کاهش آلاینده ها در سطح شهر نقش حیاتی در فرآیند حفظ انرژی موجود و کاهش انتشار آلاینده ها ایفا می کند. در این بین، بخش حمل ونقل به واسطه اهمیت و جایگاهی که در این موضوع دارد، توجه دوچندان را می طلبد و می تواند سالانه مقادیر قابل توجهی صرفه جویی اقتصادی برای مردم و دولت ها، بوسیله کاهش مصرف انرژی و اثرات نامطلوب زیست محیطی، کاهش زمان سفر و تاخیرهای ناخواسته به ارمغان آورد. به همین دلیل در پژوهش حاضر مهمترین پارامترهای موثر بر انتشار آلاینده های زیست محیطی در بخش حمل ونقل شهری تعیین و مدل سیستم دینامیک حمل ونقل شهری تهران ایجاد شد و براساس آن با استفاده از تحلیل های کمی، شش سناریوی حفظ وضعیت فعلی، بهبود حمل ونقل عمومی، پیشرفت فناوری، مدیریت قوانین و مقررات، مدیریت تقاضای سفر و سناریوی جامع ارایه گردید. از نتایج مشاهده شد سناریوی CP بهترین عملکرد را داشته و با اجرای همزمان سناریوها باعث می شود هر کدام از آن ها نقش خود را در بهبود وضعیت ایفا کرده و میزان مصرف انرژی و انتشار CO2 به میزان قابل توجهی کاهش یابد.

    کلیدواژگان: حمل ونقل شهری، مصرف انرژی، کاهش انتشار CO2، سیستم دینامیک
  • مصطفی کیانی ده کیانی*، امین اسدزاده، حمید مرتضی پور، سید محمد صفی الدین اردبیلی صفحات 110-119

    در این پژوهش عملکرد آب شیرین کن خورشیدی رطوبت زنی-رطوبت زدایی با استفاده از سیکل بسته آب و هوا در شهرستان اهواز مورد بررسی قرار گرفت. این آب شیرین کن شامل کلکتور، چگالنده هوا خنک، مخزن های آب شور و شیرین، دمنده ی هوا و پمپ آب است. ارزیابی این سامانه در سه سطح سرعت هوا (3 ، 4 و 5 متر بر ثانیه) و در سه سطح دبی پمپ (2، 4 و 6 لیتر بر دقیقه) انجام شد. نتایج نشان داد که کمینه ی بازده تبخیر کننده در روز به طور میانگین حدود 56 درصد بود که در سرعت هوا 3 متر بر ثانیه و دبی آب 2 لیتر بر دقیقه بدست آمد و همچنین بیشینه بازده تبخیر کننده در روز حدود 79 درصد بود که در سرعت هوا 5 متر بر ثانیه و دبی آب 6 لیتر بر دقیقه بدست آمد. همچنین بیشینه میانگین روزانه کارایی چگالنده حدود 52/21 درصد بود که در سرعت هوای خروجی 3 متر بر تانیه و دبی آب عبوری 6 لیتر بر دقیقه به دست آمد. کمینه مقدار آب شیرین بدست آمده مربوط به سرعت هوا 5 متر بر ثانیه و دبی 2  لیتر بر دقیقه و بیشینه مقدار آن برای سرعت هوا 3 متر بر تانیه  و دبی 6 لیتر بر دقیقه بدست آمد.

    کلیدواژگان: کلکتور، انرژی خورشیدی، رطوبت زنی-رطوبتزدایی، آب شیرین کن
  • امین شهسوار* صفحات 120-129

    در این مقاله، عملکرد گرمایی و الکتریکی سیستم های فتوولتاییک/گرمایی مجهز به کلکتور صفحه-لوله مارپیچی شیاردار به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. از نانوسیال آب-مگنتیت به عنوان سیال انتقال گرما استفاده شده است. تاثیر غلظت نانوذرات (0-1 درصد)، دبی جرمی نانوسیال (10-40 کیلوگرم بر ساعت) و گام شیار (0، 4/5 و 8 میلی متر) بر روی پارامترهای عملکردی سیستم شامل دمای پنل فتوولتاییک، راندمان گرمایی، راندمان الکتریکی و راندمان کل بررسی شده است. کلیه آزمایش ها در شرایط محیطی (شدت تابش خورشیدی و دمای محیط) مشابه و با استفاده از شبیه ساز خورشیدی انجام شده است. نتایج نشان داد که شیاردار کردن لوله مارپیچی منجر به بهبود عملکرد گرمایی، الکتریکی و کلی سیستم فتوولتاییک گرمایی می شود. همچنین، مشاهده شد که سیستم با گام شیار 4/5 میلی متر دارای عملکرد گرمایی، الکتریکی و کلی بهتری از سیستم با گام شیار 8 میلی متر است. طبق نتایج، راندمان های گرمایی، الکتریکی و کل سیستم با صفحه-لوله مارپیچی شیاردار با گام 4/5 میلی متر، به ترتیب، در محدوده 03/37-89/50، 29/12-38/12 و 37/69-47/83 درصد است. همچنین، نتایج نشان داد که افزایش غلظت نانوذرات و دبی جرمی نانوسیال منجر به بهبود عملکردهای گرمایی، الکتریکی و کلی هر سه سیستم مورد بررسی در تحقیق حاضر می شود.

    کلیدواژگان: سیستم فتوولتائیک، گرمایی، نانوسیال، لوله مارپیچی شیاردار، راندمان گرمایی، راندمان الکتریکی، انرژی خورشیدی
  • علیرضا آقایی، امین دزفولی زاده*، علیرضا فدائی دهر، محمد سپهری راد، حسین مظاهری صفحات 130-143

    در این مطالعه به بررسی آنالیز انرژی و اگزرژی یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت که در جزیره ابوموسی (خلیج فارس) در استان هرمزگان (منطقه گرمسیری)، قرار گرفته است، پرداخته می شود. هدف از انجام این مطالعه بررسی اثر شکل نانوذرات دی سولفید مولیبدن (MoS2) بر انتقال حرارت و تولید آنتروپی است. با توجه به اهمیت انجام این تحقیق، مطالعه برای چهار شکل مختلف از نانوذرات (تیغه ای، پلاکتی، آجری و استوانه ای) صورت گرفته است. نتایج خروجی شامل عدد ناسلت متوسط، دمای سیال خروجی، افت فشار، ضریب اصطکاک، ضریب عملکرد هیدرولیکی حرارتی (PEC) و تولید آنتروپی برای شکل های مختلف نانوذرات و کسر حجمی صفر تا 4 درصد از نانوذرات در جریان آشفته با دبی های جرمی 5/0 . 75/0 کیلوگرم بر ثانیه ارایه شده است. بر اساس نتایج به دست آمده و با توجه به معیار ارزیابی علمکرد هیدرولیکی حرارتی، بهترین حالت در دبی جرمی 5/0 کیلوگرم بر ثانیه مربوط به نانوذره آجری، در کسر حجمی 3 درصد می باشد، که مقدار آن 269/1 است. در حالی که دبی جرمی 75/0 کیلوگرم بر ثانیه بهترین حالت مربوط به نانوذرات آجری، در کسر حجمی 4 درصد است، و مقدار آن 182/1 می باشد. همچنین مشخص شد که برای جریان با دبی جرمی 5/0 کیلوگرم بر ثانیه افزودن نانوذره آجری و تیغه ای به سیال پایه از نظر قانون دوم فایده ای ندارد. این در حالی است که برای جریان با دبی جرمی 75/0 کیلوگرم بر ثانیه استفاده از کسرحجمی 1 تا 4 درصد از نانوذرات آجری و تیغه ای می توانند سرعت تولید آنتروپی را به اندازه 8 درصد در مقایسه با سیال پایه کاهش دهند.

    کلیدواژگان: خلیج فارس، کلکتور خورشیدی، معیار ارزیابی عملکرد هیدرولیکی حرارتی (PEC)، تولید آنتروپی، نانوسیال، اثر شکل نانوذرات، دی سولفید مولیبدن (MoS2)
  • امین قلعه نوئی، مجید سبزپوشانی* صفحات 144-157

    تمرکز کار حاضر بر روی عملکرد انرژی، اگزرژی و بهینه سازی پارامترهای یک هواگرمکن خورشیدی به همراه فین، بافل و بازچرخش خارجی است. تاثیر پارامترهای هندسی و عملیاتی بر روی راندمان موثر و اگزرژی هواگرمکن به صورت تیوری مورد تحلیل قرار گرفته است. معادلات تعادل انرژی و اگزرژی توسط کد توسعه یافته با استفاده از MATLAB حل شده است. علاوه بر این الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی طراحی و عملکرد پارامترهای هواگرمکن خورشیدی به کار رفته است. فاصله بین فین ها (تعداد فین)، طول بافل، فاصله بین بافل ها و نسبت بازچرخش پارامترهایی است که مقادیر بهینه آنها در اعداد رینولدز و تابش های مختلف با هدف رسیدن به بیشینه راندمان موثر و اگزرژی به دست آمد. مشخص شده است که استفاده از فین و بافل و بازچرخش در یک کلکتور خورشیدی صفحه تخت باعث بهبود راندمان گرمایی در تمامی حالات می شود. با این حال، با افزایش مقادیر دبی جرمی قدرت اضافی لازم برای غلبه بر افت فشار ممکن است عملکرد هواگرم کن را از منظر اگزرژی و انرژی تخریب کند. بیشینه راندمان موثر و اگزرژی به دست آمده برای رینولدزهای مختلف به ترتیب برابر 15/64 % و 34/6 % است که در تابش W/m2 1200 حاصل شد. نتایج شبیه سازی مدل حاضر برای کلکتور پیشنهادی با مدل های موجود در منابع تایید شده و مطابقت خوبی دارد.

    کلیدواژگان: هواگرمکن خورشیدی، فین و بافل، بازچرخش، بهینه سازی، اگزرژی، الگوریتم ژنتیک
  • منصور طالبی*، علی حاتمی صفحات 158-169

    در یک نیروگاه های هسته ای، مجموعه ای از میله های سوخت که توسط شبکه های نگهدارنده در کنار هم نگه داشته شده اند، یک مجتمع سوخت را تشکیل می دهند. عبور جریان خنک کننده از اطراف میله ها و ایجاد آشفتگی جریان، خصوصا در اطراف شبکه های نگهدارنده، نیروهای عرضی، ارتعاشی و غیر دایم به میله ها اعمال می کند. تنش دوره ای ناشی از این ارتعاشات، علاوه بر خوردگی سایشی غلاف میله ها، باعث خستگی و کاهش استحکام مکانیکی آنها خواهد شد. در این پژوهش، اندازه، دامنه و شدت نوسانات این نیروها بدست آمده و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. برای بررسی اثر پره های مغشوش کننده موجود روی شبکه های نگهدارنده ، شبیه سازی ها برای دو نوع شبکه نگه دارنده با پره های مغشوش کننده و بدون پره های مغشوش کننده، انجام شده است. مقایسه نتایج به دست آمده با نتایج تجربی، تطابق خوبی را نشان می دهد. نتایج نشان می دهد که وجود پره های مغشوش کننده باعث افزایش حدود  17% در افت فشار می شود. نیروهای وارد شده بر شبکه نگه دارنده که در پایین دست جریان قرار دارد 10% کمتر از نیروهای وارد شده به شبکه نگه دارنده بالادستی است. آنالیز نوسانات نیروهای وارد شده به مجتمع سوخت نشان می دهد که دامنه ارتعاشات در فرکانس های کمتر از 300 هرتز، نسبتا بالا است.

    کلیدواژگان: ارتعاشات القایی جریان، مجتمع سوخت هسته ای، شبکه نگه دارنده، پره های مغشوش کننده
|
  • Masoud Alilou, Behrouz Tousi*, Hossein Shayeghi Pages 2-15

    In this study, a new multi-objective method is proposed to optimal manage the local energy resources and customers’ load in a microgrid in the presence of demand response programs. The wind turbine and photovoltaic panel are the renewable energy sources of the microgrid. The time of use and critical peak pricing programs are also used to improve the consumption pattern of customers. Moreover, consumers try to use electrical energy when renewable sources are available. Maximizing the profit of microgrid and minimizing the pollutant gases of the microgrid are the objective functions of the demand side management problem. The multi-objective ant lion optimizer algorithm is used to optimize the indices of the microgrid and create the Pareto front. Then, the fuzzy method is utilized to select the best particle equal to the optimal management plan of the microgrid. Ultimately, the proposed method is evaluated in a sample microgrid. The results demonstrate the high efficiency of the proposed method in improving the performance of the microgrid by optimal managing the local energy sources and customers’ load. The proposed method of energy management increases the profitability of the distribution company and decreases the environmental pollution of the microgrid.

    Keywords: Renewable Energies, Demand response program, Multi-objective optimization, Energy storage system, Environmental issues
  • Eshagh Faraji, Ali Reza Abbasi*, Samad Nejatian, Mahmoud Zadehbagheri, Hamid Parvin Pages 16-27

    One of the most important objectives of smart distribution networks (SDNs) is to achieve a secure and reliable network. This can be realized by optimal operation in the presence of active power sources such as the distributed generations (DGs), reactive power sources such as switched capacitor bank (SCB), active loads such as the demand response program (DRP), and various network management strategies such as network reconfiguration In this paper, the planning and operation of the active and reactive sources in the smart distribution network (SDN) including reconfigurable capability and demand response programming (DRP) considering the voltage security is presented. Hence, the scheme to considering simultaneous modeling of the economic, operation and security of SDN is expressed as three-objective optimization problem, where objective functions minimize the annual costs of the sources planning and operation of network and sources, minimize the voltage deviation function, maximize the voltage security index, respectively. Problem constraints contain AC optimal power flow and network reconfiguration equations, operation and planning model of active and reactive sources, DRP formulation, and voltage security limit. In the following, the proposed multi-objective problem converts to single-objective formulation using Pareto optimization technique based on weighted functions summation method. Then, the hybrid solver of the Krill Herd Optimization (KHO) and Crow Search Algorithm (CSA) uses to achieve the reliable optimal solution including low standard deviation. Finally, the proposed scheme is implemented on the 69-bus radial SDN. Results show a low standard deviation of 0.94%, verifying its ability in achieving unique response conditions. Additionally, SCBs are generally placed at the feeder end buses to improve VDF and VSI while injecting reactive power equal to their maximum capacity into the SDN. DGs are also installed at either the beginning or end buses of the feeders to improve the Cost, VDF, and VSI functions. DRPs operate in charging (discharging) mode during off-peak (off-peak and middle-load) hours to enhance operating costs. Accordingly, the proposed strategy improves the economic, operation, and VSI indices by approximately 20%, 46%, and 11.5%, respectively. It can also reduce annual energy losses by 40% and maximum voltage drops by about 52% but will lead to a slight overvoltage in the SDN. The obtained numerical results confirm the capabilities of this scheme in the improving of the economic, operation and security situation of the SDN.

    Keywords: Hybrid evolutionary algorithm, Voltage security, System reconfiguration, Planning, operation of active, reactive sources, Pareto optimization technique, Smart distribution network
  • Mostafa Mohammadniaei, Farhad Namdari*, Mahmoud Reza Shakarami, Leila Hatamvand Pages 28-41

    This paper proposes a new voltage stability assessment method based on vector analysis method. This index extraction process relies on measurements of active and reactive powers from connected buses to the generator buses. Therefore, a limit for beginning of voltage collapse is determined based on the maximum power transfer theory. On the other hand, when the system requires load shedding, a new voltage-frequency load shedding has been employed. This load shedding makes voltage and frequency stabilities be guaranteed via clustering of all loads as allowable and unallowable, and prioritizing allowable cases. Simulation results in DIGSILENT Power Factory software on IEEE-39 bus dynamic test system demonstrate the efficiency of proposed approach with respect to other methods.

    Keywords: Vector Analysis, voltage stability, frequency stability, load shedding
  • Hamid Radmanesh* Pages 42-55

    The purpose of this paper is to design and evaluate the construction of a lightweight solar aircraft that is capable of flying continuously for 24 hours relying solely on solar energy. The required energy is absorbed during the day by solar panels, some is used directly for flight, and the excess energy is stored in the aircraft battery for overnight flight. The aircraft will then be used for missions that require long flight duration. For this purpose, a fire detection and notification system to the ground station has been designed and arrangements have been made to install it on the aircraft. In this paper, an analytical method for forming an aircraft mass prediction model is presented, which is based on the involvement of all electrical and mechanical devices in order to achieve an optimal design model. This analytical method is based on the balance of mass and energy in different stages of flight. By involving about 30 different parameters in this modeling, finally, according to the set goals, the desired design characteristics such as optimal aircraft wing length, battery capacity, flight altitude, transmitter power level, etc. can be achieved. An electrical simulation framework was introduced and implemented in MATLAB Simulink software in real-time, the results of which are presented. To ensure the performance of the simulated model, a laboratory sample is made and all flight, electrical and mechanical parameters are tested on it.

    Keywords: Solar Airplane, Solar Energy, Electrical Simulation, Solar Cells
  • Ali Safaeinejad, Mohsen Rahimi* Pages 56-63
    Introduction

    Due to the wind speed fluctuations in wind energy conversion systems (WECSs) and because of problems of the fixed speed wind turbine-generators, the variable speed wind turbines (VSWTs) are preferred to them. Most of the common types of VSWTs are WTs based on the doubly-fed induction generators (DFIG) and permanent magnet synchronous generator (PMSG). In DFIG wind turbines, the partial rated converters are used with lower cost, whereas, due to existence of brushes and slip rings they have less reliability and have higher maintenance cost. WTs based on PMSG have advantages as high efficiency and power density as well as brushless structure of rotor; however, they suffer from the high price of rare permanent magnet materials and the property reduction of these materials over time. Furthermore, the high cost of full power electronic converters and the infeasibility control of the excitation is the other disadvantages. To take benefits of both DFIG and PMSG, the dual stator winding induction generator (DSWIG) for VSWT applications has been recently proposed. This type of generator in comparison to DFIG due to the elimination of the brushes and slip rings has a robust structure and less maintenance cost. The rotor type in DSWIG is squirrel cage, therefore, in comparison to the nested-loop rotor type in the brushless doubly fed induction generator (BDFIG), the DSWIG has a simpler structure. On the other hand, in comparison to the PMSG, in this generator, the rare permanent magnet material does not exist and the excitation is controllable. The stator of DSWIG has two distributed three phase windings that share common pole pairs in air-gap. In this paper, DSWIG based WT equipped with related converters and battery is used to supply an independent AC load. In the proposed power topology, each of the DSWIG stator winding is connected to a voltage source converter that is called static excitation converter (SEC). The output active powers of both stator windings are transmitted to the load through load side inverter. 

    Materials and methods

    In the proposed topology, the DC link voltage of three voltage source converters is common and in order to provide a balance between the generated active power by DSWIG and consumed active power by the AC load, the battery energy storage with bidirectional DC/DC converter is used. In this paper, for each converter, an appropriate control strategy comprising inner and outer control loops are used. In the proposed control strategy, the WT output power is equally shared between the two stator windings. The outer control loop of SECs is generator speed control and by implementing this control loop, the WT operates in maximum power point tracking (MPPT) mode. The inner control loops of SECs are extracted by using field oriented control (FOC) with indirect rotor flux orientation, in which, the amplitude and angle of rotor flux are estimated.

    Result

    For examining the performance of the system under study and verifying the theoretical analyses, time domain simulations in the Matlab-Simulink environment are presented.

    Discussion and Conclusion

    By proposed power topology and designed control system, with regulation the DC link voltage, once the WT power is more than the load power, the additional power is stored in the battery, and once the load demand is more than the WT power, the battery provides the power shortage, and thus, proper operation of voltage source converters is provided. Desired amplitude and frequency for the AC load is provided by the load side inverter in spite of load and wind speed variations. In a future study about the proposed power topology in this paper, the state of charge (SOC) of the battery as a control variable will be examined and the control loops with considering it will be designed.

    Keywords: Synchronous reference frame, First stator winding, Second stator winding, Static excitation converter, Bidirectional DC, DC converter
  • Ali Forootani, Mohammad Rastegar* Pages 64-75
    Introduction

    In developed societies, residential customers use high-level appliances. The progress in the smart grids and the internet of things have eased the way for home energy management to schedule controllable appliances. Looking to demand increment, demand response strategies aiming at energy management, to achieve goals such as demand reduction and improving reliability, has received attention. A deep review of the existing literature shows the notable efforts put into optimizing the home energy management problem through classic and meta-heuristic optimization algorithms such as game theory, genetic algorithm, and PSO. But, it is worth saying that these algorithms are not pragmatic due to the inherent nature of the home energy management problem. To be more precise, as the environment of the problem changes continuously, these algorithms fail to solve the problem. Hence, some essential assumptions such as considering fixed scenarios are presumed in previous works to enable the conventional algorithm to solve the problem. This is while machine learning addresses this issue by extracting the main features from input data and constructing a general description of the environment. Implementation of machine learning-based algorithms to a home energy management problem requires smart appliances. Hence, in the case of having a smart home, taking the advantage of artificial intelligence for energy management would be feasible and useful. It should be noted that electricity cost reduction can make the demand response program inviting, where customer satisfaction is taken into consideration. Accordingly, customer satisfaction should be considered in the problem formulation. Regarding the mentioned issues, lately, with the remarkable progress in machine learning, novel algorithms evolved for solving optimal decision-making problems such as demand response. Machine learning can be categorized into three main categories, namely supervised learning, unsupervised learning, and reinforcement learning (RL). Among them, reinforcement learning has shown notable performance in decision-making problems. Q-Learning is a model-free RL algorithm that solves nonlinear problems through estimating and maximizing the cumulative reward, triggered by decided actions. The fundamental idea of this algorithm is to identify the best action in each situation. This paper aims to provide a day-ahead demand response program for a smart home. It is done by specifying the quantity of the energy consumption of each appliance, aiming to reduce the electricity cost and user dissatisfaction. In this respect, it is presumed that the smart home is equipped with smart appliances. Moreover, smart meters are installed on appliances to monitor the statuses and receive the command signals from the devices at each hour. These appliances can be divided into three categories, non-responsive, time-shiftable, and controllable loads. Dishwasher and washing machine as time-shiftable loads, EV, air conditioner, and lighting system as controllable loads, and TV and refrigerator as non-responsive loads are taken into account. All in all, we recommend an advanced home energy management system proposing the following contributions: i) Proposing a day-ahead multi-agent Q-Learning method to minimize the electricity cost. ii) Proposing a satisfaction-based framework, which employs a precise model of the customer dissatisfaction functions (i.e., thermal comfort, battery degradation, and desirable operation period). 

    Materials and methods

    In this paper, a multi-agent Q-Learning approach is used to solve the home energy management for a smart home. Q-learning is a popular model-free algorithm among reinforcement learning algorithms, due to the fact that its convergence is proven, and it is feasible to implement, as well. In order to deploy Q-Learning on a home energy management system, first of all, smart home should be formed as a Markov decision process. A Markov decision process consists of four fundamental parameters namely, state, action, reward, and transition probability matrix. Afterward, an agent is trained through experiencing a specific state, taking an action, transition to a new state, and calculating the cumulative reward. By doing so, after visiting a considerable number of states and taking diverse decisions, it will learn gradually to select the optimum action whatever the state is.Another fundamental aspect of this paper is the proposed approach to take customer satisfaction into account. In this paper, a non-linear thermal comfort model, non-linear desirable operation period model, and linear battery degradation model are deployed to consider the customer dissatisfaction, precisely. It should be noted that all simulations have been implemented by python 3.6 programming language without making use of any commercial solver. 

    Result

    Various case studies have been designed to verify the effectiveness of the proposed method. Scenario 1 is designed to simulate the behavior of a smart home associated with a random manner of energy usage. Scenario 2 is designed to verify the effectiveness of the proposed home energy management system, where Q-Learning is conducted. In this case, battery degradation is overlooked. Scenario 3 is similar to the previous one, where battery degradation is also taken into consideration. Comparing the obtained results indicates that the proposed algorithm has successfully reduced the electricity bill by 31.3% and 24.8% in scenarios 2 and 3, respectively. It is worth saying that customer satisfaction is not violated in mentioned scenarios. Furthermore, in order to evaluate the effect of thermal comfort on the electricity bill, another case study is deployed, where the thermal comfort coefficient is decreased to smaller magnitudes. As expected, the less thermal comfort coefficient, the less electricity bill. The reason behind this is that having a lower thermal comfort coefficient leads to less importance of temperature control compared to the electricity bill.

    Conclusion

    This paper proposed a method for home energy management, regarding minimizing the electricity bill and user discomfort. In this paper, a multi-agent reinforcement learning via Q-Learning is used to make optimal decisions for home appliances, which are categorized into non-shiftable loads, time-shiftable loads, and controllable loads. Comparing to classic optimization methods, the proposed approach in this paper is capable of modeling more appliances and solving complex problems, due to the inherent nature of the Q-Learning algorithm. Implementing the proposed method in the numerical study section led to a 24.8% electricity bill reduction. The numerical results prove the effectiveness of the proposed approach.

    Keywords: Energy management, Reinforcement learning, Artificial intelligence, Demand response
  • Alireza Mansoori, Alireza Sheikhi Fini*, Mohsen Parsa Moghaddam Pages 76-85

    The growing penetration of renewable energy resources has posed serious technical and economic challenges to day-ahead generation scheduling in power system. Due to the stochastic nature in generation of these resources, providing the requirement flexibility to cover their uncertainty and variability has become an important issue. Among the resources to supplying this product are fast units such as gas units that using their non-spinning ramping capacity can reduce the need for spinning operation of expensive units, while providing the required flexibility of the power system. On the other hand, according to the acceptable approach of electricity markets, paying attention to maximizing social welfare in day-ahead scheduling is of great importance, which requires simultaneous energy and reserve clearing with ensuring resource adequacy in case of generation fluctuations of renewable units. Therefore, in this paper, adaptive robust optimization based on column-and-constraint generation method  has been used to solve day-ahead generation scheduling problem by exploiting the potential of fast units, under the high penetration of wind generation resources. Examination of the results on the  IEEE RTS24-bus test system indicates that utilizing the potential of fast resources, reduces operating costs by 0.85%. Also, using column and constraint method, has led to increasing the convergence speed  of the problem solving process and achieving the optimal solution in a maximum of three iterations.

    Keywords: Adaptive robust optimization, Column, constraint generation method, Fast units, Social welfare, Wind generation units
  • Maryam Afsharizadeh*, Mohsen Mohsennia Pages 86-97

    Nowadays, biodiesel is considered as a suitable alternative for fossil fuels. According to the bioenvironmental importance of biodiesel, in the current study, ZrO2-NiO and ZrO2-CeO2 oxides with different molar ratios were synthesized using coprecipitation method and Pechini sol-gel and their catalytic activities were studied to produce biodiesel from corn oil and waste cooking oil. New catalysts were investigated in terms of morphology, crystallography, and chemicals with well-known techniques of X-ray diffraction, X-ray energy diffraction spectroscopy, field emission scanning electron microscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy. Different factors and parameters affecting biodiesel production such as oil to methanol ratio, transesterification reaction temperature, and nanocatalyst synthesis method were optimized for the catalysts of interest. The empirical results showed that the use of zirconia with metal oxide as catalyst increases synthetic and decreases reaction time of biodiesel production. Also, the highest catalyst performance was observed in the moral ratio of oil to methanol (1/10) and molar ratios of Zr/Ce and Zr/Ni= 10, so that waste cooking oil transformation efficiency and corn oil to biodiesel on ZrO2-CeO2 catalysts were 92 and 83% with a satisfactory analytic accuracy (R.S.D.≤ 4.8 ٪) and with ZrO2-NiO catalyst, they were 83 and 78% with a satisfactory analytic accuracy (R.S.D.≤ 5.3 ٪).

    Keywords: Pechini sol–gel, Biodiesel, Corn oil, Ziconia
  • Fatemeh Akbari*, Ali Nazemi, Siyab Mamipour Pages 98-109

    The current trend of rising energy consumption in the world has hit mankind with two major crises: first, environmental pollution, and second, the acceleration of finishing energy supplies. Energy storage and reduction of pollutants in the city plays a crucial role in the process of maintaining existing energy. Meanwhile, the transportation sector needs attention due to its importance and position, and can annually bring significant amounts of economic savings to the people and governments by reducing energy consumption and adverse environmental effects, and reducing travel time and unwanted delays brought up. Therefore, in the present research, the most important parameters of environmental pollutant emissions in urban transport sector were determined and system dynamics model of Tehran's urban transport was developed. Based on quantitative analysis, six scenarios, Business As Usual, Priority to the Development of Public Transport, Technical Progress, Administrative Rules and Regulations Management, Travel Demand Management and comprehensive policy are evolved. According to the results, CP scenario has the best performance, and by simultaneously implementing the scenarios, each of them will play a role in improving the situation and significantly reducing energy consumption and CO2 emissions.

    Keywords: Urban transport, energy consumption, CO2 emission, system dynamics
  • Mostafa Kiani Deh Kiani*, Amin Asadzadeh, Hamid Mortezapour, Seyed Mohammad Safieddin Ardebili Pages 110-119

    In this study, the performance of solar desalination by humidification-dehumidification of closed air and water in Ahvaz city was investigated. This desalination includes a collector, condenser, salty water, freshwater tanks, air blower, and water pump. The evaluation of the system was done at three levels of air velocity (3, 4, and 5 m/s) and at three pump discharge levels (2, 4, and 6 liters/min). The results showed that the lowest daily average of evaporative efficiency was about 56%, which obtained at air velocity of 3 m/s and water discharge of 2 liters/min, and the highest value of that was about 79%, which obtained at air velocity of 5 m/s and water discharge of 6 liters/min. Also, the highest daily average of condenser efficiency was 21.52%, which was obtained at the air velocity of 3 m/s and discharge water of 6 liters/min. The lowest freshwater was obtained at air velocity of 5 m/s and 2 liters/min, and the highest value was obtained at air velocity of 3 m/s and 6 liters/min.

    Keywords: Collector, Solar energy, Humidification-dehumidification, Desalination
  • Amin Shahsavar* Pages 120-129
    Introduction

    In the present experimental investigation, the thermal and electrical performances of a photovoltaic/thermal system equipped with a sheet-and-grooved serpentine tube collector are investigated. The water-magnetite nanofluid is used as the heat transfer fluid. The effect of nanoparticle volume concentration (0-1%), nanofluid mass flow rate (10-40 kg/h) and groove pitch (0, 0.54 and 8 mm) on the temperature of photovoltaic panel, thermal efficiency, electrical efficiency and overall efficiency is examined. A review of the literature reveals that the present study is the first experimental study on the performance of photovoltaic/thermal systems with a sheet-and-grooved serpentine tube collector. 

    Materials and methods

    In order to evaluate and compare the performance of the PVT systems studied in the present study, weather conditions such as ambient temperature and solar radiation intensity should be similar in different experiments. Therefore, it was decided to perform the experiments using a solar simulator capable of producing a uniform heat flux (1000 W/m2) at a constant ambient temperature (22 °C). The collector is connected to the bottom of the photovoltaic panel and the serpentine tube is welded to the bottom of the collector. In this way, the heat of the photovoltaic panel is transferred to the collector and from the collector to the serpentine tube, and finally, the nanofluid flowing in the tube receives heat from the tube wall and heated. After leaving the serpentine tube, the heated nanofluid enters a heat exchanger and transfers its heat to a coolant and, as a result, cools down. The grooves create secondary flow in the nanofluid that disrupts the thermal boundary layer and increases heat transfer from tube wall to the nanofluid. On the other hand, the grooves increase the pressure drop of the nanofluid, and thus increase the pumping power required to make the nanofluid flow in the serpentine tube, which is not desirable at all. 

    Result

    The results showed that the thermal, electrical and overall efficiencies of the system with a sheet-and-plain serpentine tube collector are in the range of 30.89-41.09%, 11.89-11.99% and 62.19-72.63%, respectively. These values for the system equipped with a sheet-and-grooved serpentine collector having groove pitch of 8 mm are 34.57-46.81%, 12.06-12.15% and 66.30-78.78%, respectively, and for the system equipped with a sheet-and-grooved serpentine collector having groove pitch of 5.4 mm are 37.03-50.89%, 12.29-12.38% and 69.37-83.47%, respectively. Among the systems studied, the best thermal, electrical and overall performance belongs to the system having groove pitch of 5.4 mm, while the worst performance belongs to the system equipped with a sheet-and-plain serpentine tube collector. In addition, the results showed that increasing the nanoparticle concentration and nanofluid mass flow rate leads to improved thermal and electrical performance of all three systems studied in the present study.

    Discussion and Conclusion

    Using a grooved serpentine tube instead of a plain serpentine tube causes the hot fluid near the tube wall to mix with the colder fluid passing through the central areas of the tube, and thus, the temperature distribution of the fluid becomes more uniform, which improves its cooling capability. This effect is enhanced by reducing the groove pitch. On the other hand, the larger the number of grooves, the greater the pressure drop across the nanofluid current in the serpentine tube, which in turn increases the power required to pump the nanofluid into the collector and, as a result, reduces the net electrical output of the system. Fortunately, the share of pumping power in the electrical power generated by the system is about 1%, which makes the positive effect of using a grooved serpentine tube more than its negative effect, and as a result, the performance of the photovoltaic/thermal system with a sheet-and-grooved serpentine tube having groove pitch of 5.4 mm is better than other systems. Also, because the nanofluid has a higher thermal conductivity than the pure water, it can receive more heat from the tube wall, which better cools the panel and, thus, improves its electrical efficiency. On the other hand, at the same mass flow rate, the velocity of the nanofluid in the tube is lower than that of water, which leads to a lower pressure drop of the nanofluid compared to water. Overall, the results showed that nanofluid is a better coolant than water for use in the photovoltaic/thermal systems studied in the present study. Increasing the mass flow rate also leads to an increase in the coolant velocity, which leads to a simultaneous increase in heat transfer and pressure drop, the former of which is desirable and the latter of which is undesirable. The results showed that the positive effect of increasing the mass flow rate outweighs the negative effect, and as a result, increasing the mass flow rate leads to improved thermal, electrical and overall performance of the studied photovoltaic/thermal systems.

    Keywords: Photovoltaic thermal system, Nanofluid, Grooved serpentine tube, Thermal efficiency, Electrical efficiency, Solar energy
  • Alireza Aghaei, Amin Dezfulizadeh*, Alireza Fadaei Dehar, Mohammad Sepehrirad, Hossein Mazaheri Pages 130-143

    This investigation evaluates the first and second laws of thermodynamics for a flat plate sheet and tube based solar collector located in Abu-Musa Island (in Persian Gulf) in Hormozgan province, Iran where a suspension of molybdenum disulfide (MoS2) nanoparticles with different shapes in water is the working fluid. The main aim of this study is to analyze morphology effects of MoS2 nanoparticles on heat transfer and entropy generation and due to fulfill this demand, analysis four different nanoparticles shapes (blades, platelets, bricks, and cylinders) are chosen. The results of Nusselt number, outlet fluid temperature, pressure drop, friction factor, performance evaluation criterion (PEC) and entropy generation are calculated and reported for different shapes of nanoparticles and also nanoparticles volume fractions up to 4% in turbulent flow with two different mass flow rates of 0.50 and 0.75 kg/s. According to obtained results, the PEC of model with ϕ=3% and bricks nanoparticle shape in ṁ=0.5 kg/s is found to be the best among all models and its value is around 1.269. But in case with ṁ=0.75 kg/s this value for nanofluid with ϕ=4% and bricks nanoparticle shape is found to be the best among all models and is about 1.182. It was also found that for mass flow rate of 0.50 kg/s, adding the bricks and blade shaped nanoparticles to base fluid is not advantageous from the second law viewpoint, whereas for mass flow rate of 0.75 kg/s it was seen that using volume fractions of 1% and 4% of bricks and blade can reduce the entropy generation rate compared to base fluid till 8%

    Keywords: Persian Gulf, Solar collector, PEC, Entropy generation, Nanofluid, Morphology, MoS2
  • Majid Sabzpooshani*, Amin Ghalenoei Pages 144-157

    Present work focuses on energy and exergy performance and parameter optimization of a solar air heater integrated with fins, baffles and external recycle. Theoretical analysis has been considered to study the effect of geometrical and operating parameters on effective and exergy efficiency of SAH. Energy and exergy balance equations have been solved by developed code using MATLAB. Further, Genetic algorithm has been invoked to optimize the design and operating parameters of SAH. The distance between the fins (number of fins), the width and the distance between the baffles and the recyle ratio are the parameters whose optimal values were obtained for different values of Reynolds numbers and solar radiation with the aim of achieving maximum energy and exergy efficiency. It was found that the use of fins and baffles under external recycle in a flat solar air heater improved thermal efficiency in all cases. However, at higher air flows, the additional power required to overcome the pressure drop may impair the performance of the SAH. The best effective and exergy efficiency for various Re are respectively 64.15% and 6.34% which obtaind for I=1200 W/m2. Simulations results of present model has been validated with models available in the literature and found to be in good agreement.

    Keywords: Solar Air Heater, Fin, Baffle, Recycle, Exergy, Optimization, Genetic Algorithm
  • Mansour Talebi*, Ali Hatami Pages 158-169

    At a nuclear power plants a set of fuel rods held together by spacer grids form a fuel bundle. The coolant flow passing around the rods and the resulting flow turbulence, especially around the spacer grids, exerts transverse, vibrational and unsteady forces on the rods. The periodic tensions generated by these vibrations will result in fatigue and reduced mechanical strength of the rods as well as erosion corrosion of the rod clad. In this study, these forces are analyzed in terms of magnitude, amplitude and intensity of oscillations. To identify the effect of mixing vanes on the spacer grids, simulations were performed for spacer grids both with/without vanes. The obtained results are in good agreement with experimental results. Results showed a 17% increase in pressure drop due to the presence of mixing vanes. The forces exerted to the spacer in the downstream are 10% less than the forces in upstream. Analysis of the fluctuations of the forces applied to the fuel rod bundle showed the amplitude of the vibrations is relatively high at frequencies below 300 Hz.

    Keywords: Fluid Induced Vibration (FIV), Nuclear Fuel Rod Bundle, Spacer Grids, Mixing Vanes