۳-۲-۱- تابش خورشیدی
به طور کلی پیش­گویی و انجام محاسبات درباره تابش خورشیدی بر اساس کاهش تابش برون جوی ناشی از جو، از آنجایی که اطلاعات جوی کافی، به ندرت در دسترسند، غیرعملی می­باشند. در عوض، برای پیشگویی یک فرایند خورشیدی در آینده از اندازه ­گیری­های انرژی تابشی در گذشته که در محل مورد درخواست و یا مکانی در نزدیک آن انجام گرفته استفاده می­کنیم.

دانسته ­های تابش خورشیدی در چندین گونه و برای اهداف گوناگون به کار می­روند. بیشتر اطلاعات مفصل در دسترس درباره تابش مستقیم و پخشی روی سطوح افقی، در طی ساعتها، می­باشند که در شبیه­سازی فرآیندهای خورشیدی بسیار سودمند. معمولاً اطلاعات به صورت روزانه هستند و تابش ساعتی از این داده ­های روزانه قابل برآورد است. تابش کل ماهانه خورشیدی روی یک سطح افقی در برخی روش­های طراحی فرایند قابل استفاده می­باشد.
ابزارهای اندازه ­گیری تابش کل ، پیرانومتر نامیده می­شوند و از روی این ابزارهاست که بیشتر داده ­های موجود درباره تابش خورشیدی بدست می­آیند. آشکارسازهای این ابزار باید دارای یک پاسخ مستقل از طول موج تابش سرتاسر طیف انرژی خورشیدی باشند. به علاوه آنها باید دارای یک پاسخ مستقل از زاویه برخوردی تابش خورشیدی باشند. آشکارسازهای بیشتر پیرانومترها با یک یا دو پوشش ها شیشه ­ای نیمکره­ای جهت محافظت در برابر باد و دیگر اثرات مزاحم دیگر، پوشیده شده ­اند.
۳-۲-۲- تعیین عملکرد کلکتور خورشیدی
در این تحقیق، داده های هواشناسی و جغرافیایی ۳۱ استان ایران در محاسبات استفاده شده است. ابتدا، تابش متوسط روزانه خورشید در یک ماه بر روی سطح افقی به تابش ساعتی خورشید بر روی سطح شیب دار تبدیل شد.
شاخص صافی متوسط ماهانه () نسبت تابش متوسط روزانه خورشید در یک ماه بر سطح افقی به تابش متوسط روزانه از بالای زمین در یک ماه بر سطح افقی () بوده که را می توان با بهره گرفتن از معادله زیر به دست آورد:
(۳-۱)
که در آنثابت خورشیدی (۱۳۶۷ Wm^-2)؛ f عامل تصحیح مختلف المرکزی، عرض، زاویه انحراف خورشید، و متوسط زاویه ساعت غروب خورشید برای ماه فرضی می باشد. بنابراین عامل تصحیح مختلف المرکزی، زاویه انحراف خورشید و ساعت غروب خورشید براورد می گردد:
(۳-۲)
(۳-۳)
(۳-۴)
که در آن n تعداد روزهای سال است که از اول ژانویه محاسبه می شود. به منظور تعیین متوسط تابش منتشر روزانه خورشید در طی ماه ، از رابطه استفاده شد .
نسبت کل تابش ساعتی به روزانه به عنوان تابع مدت تابش خورشید محاسبه شده و بنابراین:
(۳-۵)
بر اساس مدت تابش خورشید و تابش روزانه، تابش ساعتی قابل براورد بوده و در منحنی های نشان داده شده در نمودار ۳-۴ توسط لیو و جوردن، ساعات توسط زمان برای نقطه میانی ساعت تعیین گردیده و فرض می شود که روزها حول ظهر خورشیدی متقارن باشند
(۳-۶)
(۳-۷)
که در آن h زاویه ساعت است که در هر ساعت ۱۵ درجه تغییر کرده و صبح منفی و بعد از ظهر مثبت است، و حداکثر مدت تابش احتمالی خورشید به شیوه زیر محاسبه می گردد:
(۳-۸)
نمودار ۳-۴ :رابطه بین تابش کل روزانه و ساعت به ساعت روی یک سطح افقی به عنوان تابعی از طول روز. اقتباس شده از Liu و Jordan (1960)
نمودار ۳-۵ یک رشته منحنی­های بیان شده برای ، نسبت تابش پخشی ساعتی به تابش پخشی روزانه، به صورت تابعی از زمان و طول روز را نشان می­دهد.
نسبت انتشار ساعتی به تابش انتشار روزانه به شکل زیر براورد می گردد:
(۳-۹)
منحنی ها بر اساس فرض لیو و جوردن که بر اساس آن همان است به واسطه معادله زیر نشان داده می شوند:
(۳-۱۰)
نمودار ۳-۵: رابطه بین تابش کل روزانه و ساعت به ساعت روی یک سطح افقی به عنوان تابعی از طول روز اقتباس شده از Liu و Jordan (1960)
نمودار ۳-۵ به همراه نمودار ۳-۶ می ­تواند برای برآورد میانگین­های ساعتی تابش پخشی در صورت دانستن میانگین روزانه تابش کل، استفاده شود.
نمودار ۳-۶ :رابطه پیشنهادی سهم بخشی روزانه با ، از Erbs و همکاران ۱۹۸۲
تابش پرتو بعداً بر اساس معادله زیر محاسبه می شود:
(۳-۱۱)
کل تابش خورشید بر سطح شیب دار ظرف یک ساعت ضمن انعکاس مجموع انوار، انتشار ایزوتروپیک و تابش پراکنده خورشید از زمین به شکل زیر محاسبه می شود:
(۳-۱۲)
که در آن بازتابندگی زمینی و برابر با ۰٫۲ است. عامل هندسی () به شکل زیر محاسبه می شود:
(۳-۱۳)
دوم، بازده انرژی مفید کلکتور، تفاوت بین تابش خورشیدی جذب شده و اتلاف حرارتی به شکل زیر محاسبه می گردد:
(۳-۱۴)
که در آن سطح کلکتور، عامل دفع حرارت، ضریب انتشار- جذب انرژی، ضریب اتلاف حرارت کل، دمای ورودی سیال و دمای هوای محیط می باشند.
عامل دفع حرارت را می توان به شکل زیر محاسبه نمود:
(۳-۱۵)
که در آن G سرعت جریان سیال در سطح کلکتور واحد، حرارت مخصوص در فشار ثابت، عامل راندمان کلکتور بوده و به شرح ذیل محاسبه می گردد:
(۳-۱۶)
که در آن W فاصله بین لوله ها، D قطر لوله، F عامل راندمان fin، ضریب رسانایی پیوند و ضریب انتقال حرارت بین سیال و دیواره لوله هستند. در محاسبات فرض می شود عبارت با صفر برابر باشد زیرا حداقل مقدار برابر با ۰٫۱ یا کمتر از آن است.
عامل راندمان fin را می توان به شرح ذیل محاسبه نمود:
(۳-۱۷)
که در آن
(۳-۱۸)
و ضریب رسانایی و ضخامت ورق جاذب هستند.
ضریب انتقال حرارت بین سیال و دیواره لوله () به شرح ذیل قابل محاسبه خواهد بود:
(۳-۱۹)
که در آن عدد Nusselt از برای و برای محاسبه می گردد. در معادلات Re عدد رینولدز و Pr عدد Prandantl در نظر گرفته می شوند.