تسخين المياه بالطاقة الشمسية
تسخين المياه بالطاقة الشمسية هو تحويل ضوء الشمس إلى حرارة لتسخين المياه باستخدام مجمع حرارة شمسية. هناك العديد من الابتكارات بتكلفات متعددة لتوفير الحلول في جميع أنواع المناخ. يُستخدم تسخين المياه بالطاقة الشمسية بصورة واسعة في بعض البيوت السكنية وفي بعض التطبيقات الصناعية.
المجمع المواجه للشمس يقوم بتسخين مائع التشغيل والذي يمر إلى نظام تخزين للاستخدام في وقت لاحق. قد يكون تسخين المياه بالطاقة الشمسية نشطا أو سلبيا وقد يستخدم المياه فقط أو المياه ومائع التشغيل. وقد يتم تسخين المياه بشكل مباشر أو عن طريق مرايا مركزة للضوء. في الأحجام الكبيرة يمكن أن تركز المرايا ضوء الشمس على مجمّع صغير.
يحتكر التسخين بالطاقة الشمسية عالميا الصين وأوروبا واليابان والهند على الرغم من أن إسرائيل كانت من أول الدول لاستخدام تسخين المياه بالطاقة الشمسية في عام 1980 والذي أدى إلى ازدهار الصناعة.
متطلبات التصميم
يتم تحديد نوع وتعقيد وحجم نظام تسخين المياه الشمسي عن طريق:
- درجة الحرارة وكمية المياه المطلوبة من النظام.
- التغيرات في درجات الحرارة المحيطة والإشعاع الشمسي بين الصيف والشتاء.
- التغيرات في درجة حرارة الغرفة خلال دورة الليل والنهار.
- إمكانية التسخين الزائد أو التجميد للمياه الصالحة للشرب أو مائع التجميع
يتم تحديد الحد الأدنى للنظام عن طريق كمية الحرارة أو المياه الساخنة المطلوبة أثناء الشتاء عندما يكون إخراج النظام وحرارة المياه الخارجة أقل ما يمكن. ويتم تحديد الحد الأقصى للنظام عن طريق الحاجة لمنع المياه من كونها ساخنة عن اللازم أو أن تتبخر.
الحماية من التجمد
تمنع طرق الحماية من التجمد حدوث الضرر للنظام بسبب تمدد السوائل المتجمدة. حيث تقوم أنظمة التصريف بصرف السوائل من النظام عندما تتوقف المضخة. كما تستخدم العديد من الأنظمة الغير مباشرة موانع التجمد (مثل البروبيلين جلايكول) في سائل نقل الحرارة.
الحماية من التسخين الزائد
عندما يتوقف استخدام المياه الساخنة ليوم أو اثنين يمكن أن يصل السائل داخل المجمعات والخزانات إلى حرارة عالية في كل الأنظمة بدون أنظمة للتصريف. عندما يصل الخزان في انظمة التصريف إلى الحرارة المطلوبة تتوقف المضخة لتتوقف عملية التسخين وبالتالي تمنع التسخين الزائد للخزان.
تصميم النظام
تشتمل نماذج التصميم على صندوق معزول ومغطى بالزجاج من الأعلى مع مجمع شمسي مسطح مصنوع من المعدن ومتصل بأنانبيب مبدلة للحرارة من النحاس وغامقة اللون أو عدد من الأنابيب المعدنية المحاطة بأسطوانة زجاجية مفرغة من الهواء. في الحالات الصناعية يمكن استخدام مرآة مركزة لتركيز ضوء الشمس على الأنبوبة. يتم تخزين الحرارة في خزان لتخزين المياه الساخنة. يجب أن يكون حجم هذا الخزان أكبر في أنظمة التسخين الشمسي ليقوم بتعويض الطقس السئ.
الألواح المسطحة
مجمعات الألواح المسطحة هي امتداد لفكرة وضع مجمّع في صندوق يشبه الفرن مع زجاج مواجه للشمس مباشرة. تحتوي معظم مجمعات الألواح المسطحة على أنبوبين أفقيين في الأعلى والأسفل ، يُطلق عليهما رؤوس ، والعديد من الأنابيب الرأسية الأصغر التي تربط بينهما ، تسمى الناهضون. الناهضون ملحومون (أو متصلون بشكل مشابه) بزعانف ماصة رقيقة. يتم ضخ سائل نقل الحرارة (ماء أو ماء / خليط مضاد للتجمد) من خزان تخزين الماء الساخن أو المبادل الحراري إلى رأس قاع المجمعات ، ثم ينتقل إلى أعلى الصاعدة ، ويجمع الحرارة من زعانف الامتصاص ، ثم يخرج من المجمع من الرأس العلوي. تختلف مجمعات الألواح المسطحة السربنتين قليلاً عن تصميم 'القيثارة' هذا ، وبدلاً من ذلك تستخدم أنبوبًا واحدًا ينتقل لأعلى ولأسفل المجمع. ومع ذلك ، نظرًا لأنه لا يمكن تصريف المياه بشكل صحيح ، لا يمكن استخدام مجمعات الألواح المسطحة السربنتين في أنظمة الصرف.
غالبًا ما يكون نوع الزجاج المستخدم في مجمعات الألواح المسطحة عبارة عن زجاج مقسّى منخفض الحديد. يمكن لهذا الزجاج أن يتحمل البرد الكبير دون أن ينكسر ، وهو أحد الأسباب التي تجعل المجمعات ذات الألواح المسطحة تعتبر أكثر أنواع المجمعات ديمومة.
تشبه المجمعات غير المزججة أو المُشكَّلة مجمعات الألواح المسطحة ، إلا أنها ليست معزولة حرارياً ولا محمية ماديًا بلوحة زجاجية. وبالتالي ، تكون هذه الأنواع من المجمعات أقل كفاءة عندما تتجاوز درجة حرارة الماء درجات حرارة الهواء المحيط. بالنسبة لتطبيقات تسخين المسابح ، غالبًا ما تكون المياه المراد تسخينها أبرد من درجة حرارة السطح المحيط ، وعند هذه النقطة يسمح نقص العزل الحراري بسحب حرارة إضافية من البيئة المحيطة.
الأنابيب المفرغة
مجمعات الأنابيب المفرغة (ETC) هي وسيلة لتقليل فقد الحرارة ، المتأصلة في الألواح المسطحة. نظرًا لأن فقدان الحرارة بسبب الحمل الحراري لا يمكن أن يعبر الفراغ ، فإنه يشكل آلية عزل فعالة للحفاظ على الحرارة داخل أنابيب التجميع. نظرًا لأن لوحين من الزجاج المسطحين ليسا قويين بشكل عام بما يكفي لتحمل الفراغ ، يتم إنشاء الفراغ بين أنبوبين متحدة المركز. عادةً ما تكون أنابيب المياه في مجمعات الأنابيب المفرغة محاطة بأنبوبين متحدة المركز من الزجاج مفصولة بفراغ يسمح بالحرارة من الشمس (لتسخين الأنبوب) ولكن هذا يحد من فقدان الحرارة. الأنبوب الداخلي مغطى بممتص حراري. يختلف عمر الفراغ من جامع إلى آخر ، من 5 سنوات إلى 15 سنة.
تكون مجمعات الألواح المسطحة عمومًا أكثر كفاءة من مجمعات الأنابيب المفرغة في ظروف أشعة الشمس الكاملة. ومع ذلك ، فإن إنتاج الطاقة لمجمعات الألواح المسطحة ينخفض قليلاً أكثر من مجمعات الأنابيب المفرغة في الظروف الملبدة بالغيوم أو شديدة البرودة. تصنع معظم مجمعات الأنابيب المفرغة من الزجاج الملدن ، والذي يكون عرضة للبرد ، ويفشل نظرًا لجزيئات بحجم كرة الجولف تقريبًا. تعتبر مجمعات الأنابيب المفرغة المصنوعة من 'زجاج فحم الكوك' ، الذي له صبغة خضراء ، أقوى وأقل عرضة لفقد فراغها ، ولكن الكفاءة تقل قليلاً بسبب انخفاض الشفافية. يمكن أن تجمع مجمعات الأنابيب المفرغة الطاقة من الشمس طوال اليوم بزوايا منخفضة بسبب شكلها الأنبوبي.