تسخين المياه بالطاقة الشمسية

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
سخان مائي يستخدم الطاقة الشمسية

تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو أنظمة التدفئة المائية تضم العديد من الابتكارات والعديد من تكنولوجيات الطاقة المتجددة الناضجة التي تم وضعها بشكل جيد لسنوات عديدة. وقد تم استخدام نظام الطاقة الشمسية لتسخين المياة في نطاق واسع في اليونان وتركيا وإسرائيل وأستراليا واليابان والنمسا والصين. في نظام التدفئة المائية"المركبة المغلقة "و هو عبارة عن خزان يتم تركيبه بشكل افقي مباشرة فوق مجمع او (جامع) الطاقة الشمسية على السطح. لا يحتاج إلى مضخة لضخ الماء الساخن فهي ترتفع بشكل طبيعي في الصهريج من خلال تدفق (thermosiphon). في نظام "المضخة الموزعة" الخزان يتم تركيبه ارضا، ويكون مستواه اقل من(الجامع)؛ والمضخة الموزع تعمل على تحريك المياة أو نقل حرارة السوائل بين الخزان والجامع(collector).
Thermosiphon*:وهي وسيلة تستخدم لتبادل الحرارة باستخدام السوائل بدون مضخة.
تم تصميم أنظمة (SWH) لتوفير المياه الساخنة لأكثر من عام. ومع ذلك، في فصل الشتاء أحيانا قد لا يكون اكتساب الحرارة الشمسية كافي لتوفير ما يكفي من الماء الساخن. في هذه الحالة عادة ما تستخدم ادة اضافية لزيادة القوة مثل الغاز أو الكهرباء لتسخين المياه.

نظرة عامة[عدل]

سخان الماء الساخن باستخدام الطاقة الشمسية مثبتة على منزل في بلجيكا

يستخدم الماء الساخن الذي يسخن بواسطة الشمس في نواحي كثيرة، حيث انه معروف استخدامه في المحيط السكني أو (المساكن) لتوفير المياة المحلية الساخنة, نظام التدفئة المائية أو نظام تسخين المياة بالطاقة الشمسية يستخدم أيضا في تطبيقات صناعية، على سبيل المثال : لتوليد الكهرباء. هذة التصاميم تكون مناسبة في المناطق ذات المناخ الحار حيث تكون ابسط واقل تكلفة مع الاخذ بعين الاعتبار التكنولوجيا المناسبة لهذه المناطق.
تتهيمن الطاقة الشمسية الحرارية في الأسواق العالمية من قبل الصين وأوروبا واليابان والهند.
يعمل السائل عند ارتفاع درجة حرارته حيث يتم ضخه بطريقتين، اما عن طريق ما يسمى ب (النظام النشط) أو مدفوعا عن طريق الحمل الحراري الطبيعي (النظام السلبي). الجامع يمكن ان يكون مصنوع من صندوق زجاجي علوي معزول مع الاداة السطحية الماصة للاشعة الشمسية المصنوعة من الصفائح المعدنية ومتصلة مع أنابيب النحاس داكنة اللون أو محاطة في اسطوانة زجاجية مفرغة. في الحالات الصناعية يمكن(للمرآة المكافئ) تركيز ضوء الشمس على الانبوب. يتم تخزين الحرارة في خزان تخزين المياه الساخنة, حجم هذا الخزان يحتاج إلى أن يكون أكبر مع أنظمة التدفئة الشمسية من أجل استيعاب سوء الأحوال الجوية, ولأن درجة الحرارة المثلى النهائية لجامع الطاقة الشمسية أقل من الغمر النموذجي أو سخان الاحتراق. يتم نقل حرارة السائل إلى اداة الامتصاص بواسطة الماء الساخن الموجود في الخزان ولكن الأكثر شيوعا (على الأقل في النظام النشط) هو حلقة منفصلة من السوائل مضادة للتجمد، ومانعة للتآكل والتي توصل الحرارة إلى الخزان من خلال التبادل الحراري (عادة لفائف من أنابيب النحاس في الخزان).
أيضا هناك فكرة أو طريقة أخرى اقل صيانة وهي (اعادة المسار أو الإرجاع) حيث لايلزم وجود مضاد التجمد بحيث ان جميع الانابيب مائلة وذلك لتعمل على اعادة ارجاع أو استنزاف المياه إلى الخزان, حيث ان الخزان ليس مضغوط بل مفتوح للضغط الجوي. بمجرد اغلاق المضخة فأن التدفق يصبح عكس المسار والانابيب تفرغ قبل حدوث تجمد لها.

تقع تراكيب الطاقة الشمسية الحرارية للمساكن ضمن مجموعتين[عدل]

1- النظام السلبي الذي يسمى أحيانا بالمدمج أو المتراص.
2- النظام النشط والذي يسمىأحيانا بالضخ.
كلا النظامين يشتملان على مصدر للطاقة المساعدة (عنصر التدفئة المركزية أو تتصل مع نظام تدفئة مركزي الذي يشغل باستخدام الغاز أو الوقود), والتي يتم تفعيلها عندما المياه في خزان يقع أسفل إعداد الحد الأدنى درجة الحرارة مثل 55 درجة مئوية. وبالتالي، ان الماء الساخن متوفر دائما. ويمكن الجمع بين تسخين المياه بالطاقة الشمسية، واستخدام حرارة احتياطية من مدخنة التي تعمل باستخدام الحطب لتسخين المياه وذلك لتمكين نظام المياه الساخنة العمل على مدار السنة في أجواء أكثر برودة، دون اشتراط وجود حرارة تكميلية لنظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية حيث يجري جمع بين الوقود الأحفوري أو الكهرباء.
وعندما يتم استخدام نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية ونظام التدفئة المركزية باستخدام المياه الساخنة جنبا إلى جنب، فان حرارة الشمس ستتركز في خزان قبل التسخين الذي يغذي خزان التسخين بواسطة التدفئة المركزية، أو عملية التبادل الحراري تستبدل العنصر الحراري المنخفض والعنصر الحراري المرتفع يبقى في مكانه لتوفير اي نوع من التدفئة التي لا تستطيع ان توفرها الشمس. ومع ذلك، فإن الحاجة الأساسية للتدفئة المركزية يكون ليلا في فصل الشتاء، عندما يكون الاكتساب الحراري أو الحصول على الطاقة الشمسية أقل، ولذلكفأن تسخين المياه بالطاقة الشمسية للغسيل والاستحمام غالبا ما تكون أفضل تطبيق من نظام التدفئة المركزية من حيث العرض والطلب.
في مناخات كثيرة، يمكن لنظام تسخين الماء في الطاقة الشمسية توفير ما يصل إلى 85٪ من طاقة المياه الساخنة المحلية أو المنزلية. وهذا يمكن أن يشمل منزل غير كهربائي يركز على أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية.. في كثير من دول شمال أوروبا، تجمع بين استخدام الماء الساخن وأنظمة تدفئة المكان(solar combisystems)لتوفير من 15-25%من الطاقة لتدفئة المنزل.

التاريخ[عدل]

هناك سجلات لجوامع(collectors)الطاقة الشمسية في الولايات المتحدة التي يعود تاريخها إلى ما قبل عام 1900، تضم خزان باللون الأسود مركب على السقف. في عام1896 في الولايات المتحدة الأمريكية في كيمب كلارينس في بالتيمور، محاطة خزان من صندوق خشبي، وبالتالي خلق أول "سخان للمياه ' كما هي معروفة اليوم.
على الرغم من استخدام الواح جوامع سطحية لتسخين المياه بالطاقة الشمسية في ولاية فلوريدا وكاليفورنيا الجنوبية في 1920.كان هناك موجة من الاهتمام في التسخين الشمسي في أميركا الشمالية بعد عام 1960، ولكن خصوصا بعد أزمة النفط عام 1973.

البحر الأبيض المتوسط[عدل]

التدفئة السلبية المائية باستخدام الطاقة الشمسية

إسرائيل وقبرص هم زعماء للفرد الواحد في استخدام أنظمة الطاقة الشمسية لتسخين المياه حيث ان أكثر من30-40% من المنازل تستخدمها.
أنظمة الواح الطاقة الشمسية المسطحة مميزة أو متقنة واستخدمة بنطاق واسع في إسرائيل. في 1950s كان هناك نقص وقود في الدولة الإسرائيلية الجديدة, بنيت (ليفي ياسير)النموذج الإسرائيلي الأول لسخان المياه بالطاقة الشمسية، وفي عام 1953 اطلقة شركة NerYah)) مصنع إسرائيل التجاري الأول لتسخين المياه بالطاقة الشمسية.
على الرغم من وفرة أشعة الشمس في إسرائيل، استخدمت سخانات المياه الشمسية من قبل 20٪ فقط من السكان عام 1967.
في أعقاب أزمة الطاقة في 1970s، في عام 1980 أقر الكنيست الإسرائيلي قانونا يفرض على تركيب سخانات المياه الشمسية في جميع المنازل الجديدة (باستثناء منطقة الأبراج العالية). ونتيجة لذلك، فإن إسرائيل هي الآن الشركة الرائدة عالميا في مجال استخدام الطاقة الشمسية للفرد الواحد مع 85٪ من الأسر اليوم تستخدام أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية (3٪ من الاستهلاك الوطني الأساسي للطاقة)، حيث يقدر حفظ البلاد للنفط ما يقارب 2000000 برميل (320000 M3) سنويا، وهو أعلى معدل استهلاك الفرد من الطاقة الشمسية في العالم.
في عام 2005، أصبحت إسبانيا أول دولة في العالم تقتضي تركيب (توليد الكهرباء الضوئية)(photovoltaic (في المباني الجديدة، وهي الثانية (بعد إسرائيل)حيث تقتضي تركيب أنظمة الطاقة الشمسية لتسخين المياه في عام 2006.

اسيا والمحيط الهادي[عدل]

شهد العالم نموا سريعا في استخدام المياه الشمسية الدافئة بعد عام 1960, مع الأنظمة التي يجري تسويقها أيضا في اليابان وأستراليا وشهد نمو في الإبداع الفني وتحسين الأداء وسهولة الاستخدام لهذه الأنظمة.
لقد أصبح تركيب سخان المياه الشمسي هي القاعدة في البلدان التي لديها وفرة من الأشعة الشمسية، مثل البحر الأبيض المتوسط، واليابان، والنمسا. بدافع الرغبة في تخفيض التكاليف في السكن الاجتماعي درس فريق من (Gaviotas) أفضل الانضمة من إسرائيل وعمل تعديلات لتلبية المواصفات التي وضعتها (the Banco Central Hipotecario (BCH) التي تنص على ان النظام يجب أني كون جاهزة في مدن مثل بوغوتا حيث كان هناك أكثر من 200 يوم ملبد بالغيوم. واتمت التصاميم في نهاية المطاف بالنجاح، حتى أن (Gaviotas)عرضت في عام 1984 الضمان 25 عاما على أي من منشآتها. تم تركيب أكثر من 40,000، ولا تزال تعمل من ربع قرن من الزمان في وقت لاحق.
أنظمة الطاقة الشمسية لتسخين المياه أصبحت مشهورة في الصين ,حيث النماذج الأساسية تبدأ في حوالي 1500 يوان (190 دولار أمريكي)، وأرخص بكثير من مثيلاتها في الدول الغربية (حوالي 80٪ ارخص بالنسبة لحجم الجامع(collector)). حيث يقال ان ما لا يقل عن 30 مليون اسرة صينية لديها الآن واحدة, وان شهرتها يرجع إلى كفاءة الانابيب المفرغة التي تسمح للسخانات لتعمل حتى تحت سماء ملبدة بالغيوم وعند درجات حرارة أقل من درجة التجمد.

متطلبات تصميم النظام[عدل]

نوع وتعقيد، وحجم نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية يتحدد في الغالب بواسطة:
1-درجة الحرارة وكمية المياه المطلوبة من النظام.
2-التغيرات في درجات الحرارة المحيطة والإشعاع الشمسي بين الصيف والشتاء.
3-التغيرات في درجة حرارة الغرفة خلال دورة الليل والنهار.
4-إمكانية المياه الصالحة للشرب أو جامع تسخين السائل.
5-إمكانية المياه الصالحة للشرب أو جامع تجميد السائل.
وعادة ما يتم تحديد الحد الأدنى من المتطلبات اللازمة للنظام من خلال كمية أو درجة حرارة المياه الساخنة اللازمة خلال فصل الشتاء، وبينما تخرج الأنظمة وتاتي درجة حرارة المياه عادة ما تكون في أدنى مستوياتها. يتم تحديد الحد الأقصى لإخراج هذا النظام من قبل على ضرورة منع وصول مياه في النظام من أن يصبح حار جدا.

الحماية من التجميد[عدل]

إجراءات الحماية من التجميد تمنع التلف الذي يمكن ان يلحق في النظام بسبب توسيع تجميد نقل السوائل. أنظمة الاستنزاف أو الاعادة (Drainback) تعمل على اعادة نقل السوائل من النظام عندما تتوقف المضخة. هناك العديد من الأنظمة الغير مباشرة التي تستخدم لمقاومة التجمد(مثل البروبيلين جليكولو نقل حرارة السائل.
في بعض الأنظمة المباشرة، ويمكن للجوامع (collector)اعدة ارجاعها أو استنزافها يدويا عند توقع حدوث التجميد.
هذا النهج هو شائع في المناخات حيث درجات الحرارة المنخفضة لا تحدث في كثير من الأحيان، ولكن لا يمكن الاعتماد عليه إلى حد ما.
وهناك أنظمة مباشرة أخرى تستخدم جوامع تتحمل التجمد مصنوعة من البوليمرات المرنة مثل المطاط السيليكون.
و هناك نوع ثالث من أنظمة الحماية من التجميد وهو (متحمل التجميد) حيث انه عند انخفاض الضغط في بوليمر قنوات المياه المصنوعة من المطاط السيليكون ويحدث التجميد تتوسع ببساطة.

الحماية من الحرارة الزائدة[عدل]

عندما لا يتم استخدام الماء الساخن لمدة يوم أو يومين ,فأن السائل الموجود في(الجامع) أو الخزان يصل إلى أعلى درجات الحرارة في جميع الأنظمة باستثناء أنظمة الاستنزاف(drainback). عندما يصل خزان التخزين في نظام الاستنزاف (drainback)إلى درجة الحرارة المطلوبة فان المخات تغلق واضعتا حدا لعملية التدفئة وبالتالي تمنع تخزين حرارة زائدة.
فهناك وسيلة واحدة لتوفير الحماية من الحرارة الزائدة من خلال تفريغ الحرارة في حوض ساخن.
بعض (الأنظمة الفعالة تعمل على تبريد المياه عمدا في خزان المياه بواسطة توزيع المياه الساخنة من خلال الجوامع في بعض الأحيان عندما يكون هناك الشمس قليلة أو في الليل، مما تتسبب في زيادة فقدان الحرارة. وهو أكثر فعالية وانتشارا بشكل مباشر في متجر السباكة الحراري، وغير فعال عمليا في الأنظمة التي تستخدم انابيب الجوامع(tube collector)و ذلك بسبب تفوقها في العزل.
بغض النظر عن نوع الجامع فإنها لا يزال هناك زيادة في الحرارة. اغلقت الضغوط العالية اصدارات أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية التي تعتمد في نهاية المطاف على تشغيل صمامات تنفيس الحرارة والضغط,. انخفاض الضغط، عندها يتم فتح جزء الكثر وثوقا بضوابط السلامه وعادتا ما يسمى بفتحة التهوية والتنفيس.

أنواع أنظمة الطاقة الشمسية لتسخين المياه[عدل]

يمكن لسخانات المياه الشمسية أن تكون إما إيجابية أو سلبية.
(نظام فعال) يستخدم مضخة كهربائية لتوزيع الحرارة المنقولة للسائل.اما(النظام السلبي) لا يحتوي على مضخة. كمية المياه الساخنة من الطاقة الشمسية في سخان المياه تنتج بالاعتماد على نوع وحجم النظام، وكمية الشمس المتاحة في الموقع، والتركيب الصحيح، وزاوية الميل واتجاه الجامع(collector)
وتتميز أيضا سخانات المياه الشمسية بوجود حلقة مفتوحة (تسمى أيضا "مباشر") أو حلقة مغلقة (وتسمى أيضا "غير المباشرة"). نظام الحلقة الفتوحة يوزع المياه (الصالح للشرب) من خلال الجامع(collecter) في المنزل. وهناك نظام الدارة أو الحلقة المغلقة يستخدم سائل لنقل الحرارة (الماء أو المذيب على سبيل المثال) لجمع الحرارة ومبادل حراري لنقل الحرارة إلى المياه المنزلية.

الانظمة المباشرة وغير المباشرة[عدل]

النظام الفعال الغير مباشر :(C) نظام غير المباشرة مع مبادل حراري في خزان،(D)نظام اعادة الإرجاع مع خزانه

أنظمة الحلقات المباشرة أو المفتوحة للمياه الصالحة للشرب من خلال الجوامع.هذه الأنظمة ارخص لكن لديها بعض العيوب.هي لا توفر الحماية الكافية ضد التفريز الا إذا كان هنا جوامع لديها القدرة الكافية على التحمل. نطاق الجوامع التراكمي في مناطق المياه العسرة الا إذا تم استخدام مطهر التبادل الايوني.حتى الطاقة إلىشمسية لم تكن تعتبر مولائمة في مناخات الباردة.معيار الجوامع التراكمي في المناخات الباردة يشترط وجود مطهر التبادل الايوني حتى ظهور الجوامع التي تتحمل البرد أو التجمد في حالة تلف جامع من قبل التجميد، خطوط الماء المضغوطة تجبر الماء ليتدفق من الجامع حتى ملاحظة المشكلة وتصحيحها.
نظم الحلقات المغلقة أو غير مباشرة تستخدام المبادل الحراري الذي يفصل بين المياه الصالحة لشرب من السائل، والمعروفة باسم "سائل نقل الحرارة" (HTF)، التي يجري تداولها من خلال الجامع. وأكثرأنواع HTFs شيوعا هي الماء وخليط التجمد الذي يستخدم عادة مادة غير سامة بروبيلين غليكول. بعد تسخينها في لوحات، تقوم HTF بالانتقال إلى المبادل الحراري مبادل، حيث يتم نقل الحرارة إلى المياه الصالحة للشرب. ورغم أنها أكثر تكلفة، والنظم غير المباشرة توفر حماية ضد التجميد وعادة ما تقدم الحماية من الحرارة الزائدة أيضا.

الانظمة السلبية والإيجابية[عدل]

البرنامج النموذجي لوحدة التحكم التفاضلي

تعتمد اأنظمة السلبية على حرارة يحركها أنابيب النقل الحراري لتدوير المياه أو لتسخين السوائل في نظام التدفئة. الأنظمة السلبية أقل تكلفة ولها صيانة منخفضة للغاية، وكذلك كفاءة النظام السلبي هو أقل بكثير من وجود نظام فعال، التسخين الزائد أو التجميد من الاهتمامات الرئيسية.(الأنظمة الفعالة) تستخدام واحد أو أكثرمن المضخات لتعميم الماء و/ أو لتسخين السائل التدفئة في النظام.
رغم أنها أكثر تكلفة، لكن النظم فعالة توفر مزايا عدة وخزان يمكن أن يأخذ مساحة اقل من الجوامع م يسمح بحرية أكثر في تصميم النظام والسماح باستخدام صهاريج التخزين الموجودة من قبل.يمكن ان يكون الخزان مخفي عن الأنظار.يمكن وضع الخزان في مساحة مكيفة أو شبه مكيفة لحد من فقدان الحرارة.ويمكن استخدام خزانات ال Drainback حيث انها أعلى كفاءة وتزيد من القدرة على التحكم بالنظام.
أنظمة المياه بالطاقة الشمسية الحديثة لديها وحدات التحكم الإلكترونية التي تقدم مجموعة واسعة من الوظائف، مثل تعديل الإعدادات التي تتحكم في النظام، والتفاعل مع حساب الاحتياطي للمياه عن طريق السخان الذي يعتمد على الغاز.و وظائف السلامة والوصول عن بعد، ويعرض معلومات مختلفة، مثل قراءات درجة الحرارة.
وحدة تحكم المضخة الأكثر شعبية هو الوحدة التي تقوم بقياس الفرق في الاختلافات في درجة الحرارة بين الماء الذي يخرج من الجامع الحراري والمياه في الخزان بالقرب من المبادلات الحرارية. في النظام النموذجي الفعال الجامع يشغل المضخة عندما تكون درجة حرارة الماء في الجمع هو حوالي 8-10 درجة مئوية أكثر دفئا من المياه في الخزان، م يقوم باطفاء المضخة عندما يكون الفرق بين درجة الحرارة تقترب من 3-5 درجة مئوية. وهذا يضمن بان الماء يكتسب الحرارة دائما من جامع عندما تكون المضخة شغالة وتمنع المضخة من الاشتغال والاطفاء بشكل متكرر.
بعض نظم SWH تستخدام الطاقة التي يتم الحصول عليها من قبل ال (PV) التي تقوم بتشغيل المضخات المتغيرة السرعة.من أجل ضمان حسن سير العمل وطول العمر للمضخة يجب أن يكون مضخة DC وPV متطابقة بشكل مناسب. بعض PV أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية هي من العوامل المضادة للتجمد والبعض يستخدم الجوامع الشمسية التي تتحمل التبريد. سيتم تجميع الطاقة الشمسية دائما تقريبا متى تكون مضخة ساخنة وتعمل متى تكون الشمس مشرقة، وبعض لا تستخدم وحدات التحكم الشمسية. في بعض الأحيان، لا يتم استخدام وحدة تحكم التفاضلية (التي يمكن أيضا أن تكون مدعومة من قبل لوحة PV) لمنع تشغيل مضخات عند وجود ضوء الشمس ولكن الجوامع لا تزال أكثر برودة من الماء المخزن. احدى حسنات نظام الطاقة الشمسية هو أنه لا يستمر بالعمل عن طريق استخدام الطاقة الشمسية رغم أنقطاع التيار الكهربائي إذا كانت الشمس مشرقة. وهناك ميزة أخرى هي أن clawback الكربوني يمكن تجنبه تماما عن طريقSWH.
ويمكن أيضا تنشيط نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية عن طريق استخدام مضخة بدلا من مضخة كهربائية. مضخة فقاعات تقوم بتدوير السائل الحراري(HTF) بين الجامع وخزان المياه باستخدام الطاقة الشمسية وبدون أي مصدر من مصادر الطاقة الخارجية، وهي مناسبة لللوحات المسطحة وكذلك نظم الانابيب الفارغة. في نظام مضخة الفقاعات ,فان الدائرة المغلقة تكون تحت ضغط منخفض، والذي يسبب الغليان لسائل عند درجة حرارة منخفضة حيث انه يمكن تسخينها بواسطة أشعة الشمس. فقاعات البخار تشكيل مضخة نبع ماء حار، مما تسبب في تدفق التصاعدي. تم تصميم النظام بحيث يتم فصل فقاعات من السوائل الساخنة وتكثيفها على أعلى نقطة في الدائرة، وبعد ذلك يتدفق السائل نزولا في اتجاه المبادلات الحرارية الناجمة عن الاختلاف في مستوى السوائل. وHTF يصل عادة في مبادل حراري في 70 درجة مئوية وتعودة إلى المضخة عند 50 درجة مئوية. في أجواء الصقيع فان الHTF هو الماء مع بروبيلين غليكول المضاد للتجمد، عادة تكون بالنسبة من 60 إلى 40. وعادة ما يبدأ الضخ على 50 درجة مئوية ويزداد عندما تشرق الشمس حتى يتم التوصل إلى توازن، والذي يعتمد على كفاءة المبادلات الحرارية، ويجري تسخينها على درجة حرارة الماءو الطاقة الشمسية المتاحة.

الانظمة السلبية المباشرة[عدل]

نظام الجامع المتكامل للتخزين (ICS أو دفعة مسخن) يستخدم التنك بمثابة خزان للتخزين وتجميع الطاقة الشمسية. سخانات الدفعة(ICS (هي في الأساس خزانات مستطيلة ورقيقة مع جانب زجاجي يواجه موقع الشمس في الظهيرة. فهي بسيطة وأقل تكلفة من لوحة وانبوب الجامع(tube collector)، لكنها تتطلب في بعض الأحيان تقوية اضافية إذا تم تثبيتها على السطح (لأنها ثقيلة مملوءة بالماء [400-700 رطلا]). تتم المعاناة من فقدان حرارة كبير في الليل وخاصتا إذا كان الجانب المواجه للشمس غير معزول إلى حد كبير، حيث انها تكون مناسبة فقط في المناطق ذات المناخ المعتدل.
نظام وحدة تخزين الحمل الحراري (CHS) مشابهة لنظام (ICS) ما عدا خزان التخزين والجامع حيث تم الفصل بينهما ماديا والنقل بينهما بواسطة الحمل الحراري. أنظمة التخزين الحراري بواسطة الحمل الحراري (CHS) تستخدم صفيحة مسطحة النوع أو انابيب جوامع (tube collectors)، وخزان التخزين يجب أن يقع فوق الجوامع(collector) حتى يعمل الحمل الحراري بشكل صحيح.
الفائدة الرئيسية لأنظمة (CHS) تخزين الحمل الحراري زيادة عن نظام(ICS)الجامع المتكامل للتخزين هو انه يتم تجنب الفقدان الحراري إلى حد كبير من خلال :
1- خزان معزول بشكل جيد.
2- وجود لوحات تحت الخزان تمعل على فقدان الحرارة بحيث لا يسبب الحمل الحراري ,كما ان الماء البارد يفضل البقاء في الجزء السفلي من النظام.

الانظمة الفعالة غير المباشرة : الاستنزاف او اعادة ارجاع ومضاد للتجمد[عدل]

خزان الجامع المتكامل(ICS)

مضاد لضغط التجمد أو أنظمة الضغط (غليكول) تستخدام كمزيج مضاد للتجمد (بروبيلين غليكول غير سامة)، وهو مزيج مائي لنقل حرارة السائل (HTF)من أجل منع وقوع أضرار التجميد. على الرغم من انه فعال في منع حدوث اضرار التجميد، وهناك أنظمة مضادة للتجمد الا انه هناك العديد من نقاط الضعف:
1-اذا كان HTFساخن جدا (على سبيل المثال صاحب المنزل في اجازة) فأن الجلايكول سيتحلل إلى حامض. بعد أن يتحلل، الجلايكول فأنه ليس فقط فشل في توفير الحماية ضد التجميد، ولكنه يبدأ أيضا بلأكل بعيدا في مكونات الحلقة الشمسية :الجامعcollector)),الأنابيب، ومضخة، وما إلى ذلك.ونظرا للتحلل إلى حامض والحرارة المفرطة، فأن طول عمر اجزاء من داخل الحلقة الشمسية سوف تنخفض بشكل كبير.
2-معظم خزانات الاستنزاف أو اعادة الإرجاع ليس لها مميزات، لذلك يجب على النظام ان يوزع حرارة السائل المنقولة بغض النظر عن درجة حرارة الخزان ,وذلك من اجل منع الHTFمن التدهور.ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط في الخزان يؤدي إلى زيادة الحجم وتراكم الترسبات وحدوث حروق شديدة إذا لم يتم تثبيت أو تركيب صمام تهدأه، وإذا كان يتم استخدام سخان المياه كخزان، فأن هناك احتمالية حدوث فشل في سخان المياه الحراري.
3- ويجب استبدال HTF جلايكول / المياه من3-8، تبعا لدرجات الحرارة التي واجهتها.
4- بعض الأنظمة القانونية تتطلب ان تكون الجدران مزدوجة وذلك لعملية المبادلات الحرارية على الرغم من (البروبيلين جليكول) غير سامة.
5- على الرغم من أن HTF يحتوي على (غليكول)لمنع التجميد، الا انه لا يزال يوزع الماء الساخن من الخزان إلى الجامع في درجات حرارة منخفضة (على سبيل المثال أقل من 40 درجة فهرنهايت)، مما يتسبب في خسارة كبيرة للحرارة.
وهناك نظام drainback) (وهو نظام غير مباشر فعال حيث HTF (دائما عبارة عن الماء النقي) يجري توزيعها من خلال الجامع ويقودها المضخة. انابيب الجامع ليست مضغوطة، وتشمل خزان استنزاف أو اعادة ارجاع الوارد في المكان المكيف أو شبه مكيف. إذا تم اطفاء المضخة فأن حرارة السائل (HTF) تصب في الخزان ولا شيء يبقى في الجامع.
. حيث ويعتمد هذا النظام على أن تكون قادرة على حدوث الاستنزاف بشكل صحيح، حيث يجب أن تكون جميع الأنابيب فوق خزان (drainback) الاستنزاف أو اعادة الإرجاع، حيث يشمل الجوامع، حيث يجب أن تكون منحدرة نزولا باتجاه خزان الاستنزاف(drainback)..عندما تكون مثبتة بشكل صحيح، لا يمكن للجامع (collector)أن يتضرر من جراء التجميد أو زيادة الحرارة. أنظمة الاستنزاف (Drainback)لا تحتاج إلى الصيانة بخلاف استبدال مكونات النظام التي تفشل.

مقارنة تقريبية لانظمة المياة الساخنة باستخدام الطاقة الشمسية[عدل]

المميزات نظام الجامع المتكامل للتخزين Thermosyphon النظام الفعال النظام غير الفعال الاستنزاف المضخة
الانظار غير مزعجة
جامع خفيف الوزن
تجمد الطقس
اقل صيانة
بسيط لا يحتاج إلى تحكم مساعد
مناسب
المحافظة على المكان لا يحتاج إلى خزان اضافي

استخدام الجوامع في انظمة التدفئة المائية المحلية الحديثة[عدل]

جامع الطاقة الشمسية الحرارية والاحتفاظ بها من حرارة الشمس ونقل هذه الحرارة إلى السائل. اثنين من المبادئ الفيزيائية الهامة تتحكم في تكنولوجيا جوامع الطاقة الشمسية الحرارية:
1-أي جسم حار يعود في نهاية المطاف إلى التوازن الحراري مع بيئتها، وذلك بسبب فقدان الحرارة من جسم ساخن. العمليات التي تؤدي إلى فقدان الحرارة هي (التوصيل، والإشعاع الحراري, والحمل الحراري). ان كفاءة جامع الطاقة الشمسية الحرارية له علاقة مباشرة في فقدان الحرارة من سطح الجامع (حيث يمكن تعريف الكفاءة على أنها نسبة الطاقة الحرارية التي يمكن الاحتفاظ بها لفترة محددة من الوقت). في سياق جامع الطاقة الشمسية، فان الإشعاع الحراري والحمل الحراري هما من أهم مصادر فقدان الحرارة. يتم استخدام العزل الحراري لإبطاء فقدان الحرارة من جسم ساخن مع بيئته. هذا هو في الواقع تعبير مباشر من القانون الثاني للديناميكا الحرارية حيث نطلق على هذا ب" تأثير التوازن ".
2- تفقد الحرارة بسرعة أكبر إذا كان الفرق بين درجة حرارة جسم ساخن وبيئتها أكبر.. ويحكم في الغالب فقدان الحرارة عن طريق التدرج الحراري بين درجة حرارة سطح الجامع ودرجة الحرارة المحيط. التوصيل، الحمل الحراري، وكذلك الإشعاع يحدث بسرعة أكبر خلال التدرجات الحرارية الكبيرة. ونحن قد نطلق على هذا ب " تأثير دلتا تي ".
النهج الأكثر بساطة للتسخين الشمسي للمياه هو ببساطة بتركيب خزان معدني مليء بالماء في مكان مشمس.. والحرارة من الشمس تسخن الخزان المعدني وما بداخله من مياه. وفي الواقع، هذه هي الطريقة الأوله ألنظمة (SWH) التدفئة المائية باستخدام الطاقة الشمسية حيث عملت لقرون عدة من الزمن. ومع ذلك، فإن هذا الإعداد سيكون غير فعال بسبب وجود الرقابة على (تأثير التوازن). أعلاه: بمجرد تسخين الخزان والمياه، فأن الحرارة المكتسبة تبدأ لتضيع مرة أخرى في البيئة،، ويستمر هذا الوضع حتى يصل الماء في الخزان إلى درجة الحرارة المحيطة. ويتمثل التحدي في ذلك في الحد من فقدان الحرارة من الخزان. مما يؤخر في الوقت الذي تستعيد فيه التوازن الحراري.
ICS أو دفعة الجوامع يقلل من فقدان الحرارة عن طريق وضع خزان المياه في علبة معزولة حراريا. ويتحقق ذلك من خلال تغليف خزان المياه في صندوق ووجود فتحة زجاجية اعلى الصندوق يسمح لحرارة الشمس للوصول إلى خزان المياه. والجدران الاربعة الاخرى من الصندوق معزولة وذلك للحد من الحمل الحراري والإشعاع الحراري من البيئة.بالاضافة إلى ذلك يمكن ان يكون للجدران الاربعة للصندوق طبقة داخلية عاكسة، حتى تعكس الحرارة المفقودة من الخلف الخزان إلى الخزان.. في طريقة بسيطة يمكن للمرء أن ينظر في سخان المياه بالطاقة الشمسية ICS بمثابة خزان المياه المغلق من نوع "فرن" إذ يحتفظ بالحرارة القادمة من الشمس، فضلا عن حرارة المياه في الخزان. باستخدام صندوق لا يلغي فقدان الحرارة من الخزان للبيئة، لكنه يقلل إلى حد كبير من هذه الخسارة. جوامع ICS القياسية لها خاصية حيث تحد بشدة من كفاءة الجامع: نسبة صغر السطح إلى الحجم وبما ان كمية الحرارة الموجودة في الخزان يمكن أن تمتص من الشمس تعتمد إلى حد كبير على سطح الخزان المعرض مباشرة لأشعة الشمس، ويترتب على ذلك السطح الصغيرة أن يحد من المدى الذي يمكن أن يسخن الماء بواسطة أشعة الشمس. الأجسام الاسطوانية مثل:
1- الخزان في جامع ICS حيث نسبة السطح الصغير إلى الحجم
2-الجامع الحديثة تحاول زيادة هذه النسبة عن ظاهرة الاحتباس الحراري الفعال للمياه في الخزان.
هناك العديد من الاختلافات في التصميم الأساسي، مع بعض جوامع ICS تتألف من عدة حاويات صغيرة للمياه، وحتى بما في ذلك حيث تشمل على انابيب زجاجية مفرغة وهو نوع من نظام ICS المعروفة باسم جامع اجلاء الانبوب (ETB) دفعة.
صفائح الجامع المسطحة: وهي امتداد للفكرة الرئيسية لوضع جامع في فرن مثل صندوق من الزجاج في اتجاه الشمس. صفائح الجامع المسطحة تحتوي علة اثنين من الانابيب الافقية في الأعلى والأسفل تدعى رؤوسا, والعديد من الانابيب العامودية الصغيرة المرتبطة بها، تدعى المواسير. يتم لحام المواسير ليتم عملية الامتصاص الرقيقة الشعرية. ويتم ضخ الحرارة لنقل السوائل (الماء أو المزيج من المذيب) من خزان تخزين المياه الساخنة (نظام المباشر) أو مبادل حراري (نظام غير مباشر) في أسفل رأس الجامع "، وأنه ينقلهار حتى وصوله إلى المواسير، وجمع الحرارة من الزعانف الممتصة ثم يخرج من(الجامع) خارج اعلى (الراس). صفائح الجامع العوجة المسطحة تختلف قليلا عن تصميم "القيثارة حيث يتم استخدام أنبوب واحد لنقلها إلى أعلى وأسفل الجامع. ومع ذلك، اذ لا يمكن صرفها بشكل صحيح من الماء، ولا يمكن استخدام صفائح الجامع العوجة المسطحة في انظمة الاستنزاف. نوع الزجاج المستخدم في صفائح الجامع المسطحة عادتا يكاد يكون منخفض الحديد والزجاج, حيث يمكن للزجاج ان يتحمل البرد بشكل كبير دون كسر حيث يعتبر أكثر دائمة.
الجامع الغير مطلي يشبه صفائح الجامع المسطحة، إلا أنها ليست معزولة حراريا ولا محمية ماديا من قبل لوح زجاجي. ونتيجة لهذه الأنواع من الجوامع (collectors)هي قليلة الكفاءة لتسخين المياه المنزلية. تطبيقات لتدفئة البركة, فإن المياه التي يجري تسخينها غالبا ما تكون أكثر برودة من درجة حرارة سطح المحيط، وذلك لعدم وجود عزل حراري وبالتالي يسمح للحرارة الاضافية الانتقال إلى البيئة المحيطة.
انابيب الجوامع الفارغة (ETC) هي الطريقة التي يتم فيها فقدان الحرارة للبيئة, الكامنة في الصفائح المسطحة حيث يتم فقدان الحرارة عن طريق الحمل الحراري حيث انه لا يستطيع العبور من الفراغ فهو يشكل آلية فعالة للحفاظ على عزل الحرارة داخل انابيب الجامع. حيث انه الزجاج المسطح ليس قوي بما يكفي لتحمل الفراغ. حيث يتم انشاء الفراغ بدلا من اثنين من الانابيب متحدة المركز.. عادة، فإن أنابيب المياه في ETC)) محاطة ب اثنين من أنابيب مركزية من الزجاج مع فراغ معترف به بين الحرارة من الشمس (لتسخين الأنابيب)،و هو الامر الذي يحد من فقدان الحرارة مرة اخرى إلى البيئة. الانبوب الداخلي مغلف بغلاف ماص للحرارة. ديمومة الفراغ تختلف من جامع إلى اخر، في اي مكان من 5 سنوات إلى 15 سنة.
صفائح الجامع المسطحة عادتا تكون أكثر كفاءة من(ICT)في ضروف اشعة الشمس الكاملة. ومع ذلك ينخفض انتاج الطاقة من صفائح الجامع المسطحة قليلا أكثر من السخانات في ظروف غائم أو البارد جدا.. وأضاف أن معظم (ETCS)من زجاج صلب، والذي هو عرضة للبرد, والذي هو في حجم كرة القولف. (ETCS) مصنوعة من "الزجاج فحم الكوك"، والذي يحتوي على لون أخضر، هي أقوى وأقل عرضة لفقدان الفراغ، ولكن قليل الكفاءة قليلا بسبب انخفاض الشفافية.

تسخين حمامات السباحة[عدل]

كل من أنظمة تغطية حوض السباحة التي تطفو فوق الماء وفصل الجامع الحراري الشمسي لتسخين البركة.
أنظمة تغطية حوض السباحة، سواء كانت اوراق صلبة أو اقراص عائمة تعمل بمثابة جامع للطاقة الشمسية، وتوفر تسخين حوض السباحة اعتمادا على المناخ أو غيرها من الامور.
غالبا ما تكون الجوامع مصنوعة من البلاستك لغرض المياة الغير صالح للشرب.مياة احواض السباحة تكون معرضة للتأكل بسبب الكلور. حيث ان المياه توزع بواسطة الواح باستخدام مضخة مكملة. في البيئات المعتدلة، جامع البلاستيكي غير المطلي أكثر كفاءة كنظام مباشر. في البيئات الباردة أو عاصف الأنابيب المفرغة أو اللوحات المسطحة في التكوين غير المباشر ,لا يوجد مضخة لمياه حوض السباحة يضخ من خلالها. أنها تستخدم بالاقتران مع مبادل حراري الذي ينقل الحرارة إلى مياه حوض الاستحمام.الاختلاف البسيط في درجة حرارة الجامع إلى حد كبير لتوجيه المياه إلى لوحات أو مبادل حراري إما عن طريق تحويل صمام أو تشغيل المضخة. بمجرد وصول مياه حوض الاستحمام إلى درجة الحرارة المطلوبة ويتم استخدام صمام (diverter)للعودة لمياه حوض السباحة مباشرة إلى التجمع بدون تدفئة. يتم تكوين العديد من الأنظمة مثل نظام الاستنزاف حيث يصب فيها المياة في حوض الاستحمام عند اطفاء المضخة.
تقام عادة لوحات جامع على سطح مجاور أو على الأرض حيث يتم تركيبه على رف مائل. نظرا إلى اختلاف درجات الحرارة المنخفضة بين الهواء والماء، ويشكل في كثير من الأحيان لوحات جامع أو جامع غير المطلي أو لوحة جامع مسطحة.
هذا بالنسبة للمناطق التي تستخدم فيها حمامات في موسم الصيف فقط، وليس السنة كلها. واضاف جامع الطاقة الشمسية إلى حمام السباحة في الهواء الطلق التقليدية، في المناخ البارد، يمكن أن تمتد عادة استخدام حوض السباحة ومريح من قبل بعض أشهر أو أكثر إذا كان يستخدم أيضا غطاء تجمع العازلة. ويمكن استخدام نظام (الفعال)الطاقة الشمسية برنامج تحليل لتحسين التسخين الشمسي.

المراجع[عدل]

  1. Marken C. (2009) Solar collectors – behind the glass. Homepower magazine 133,70–76
  2. Gulland, John. "Heating water with a wood stove". woodheat.org. Wood Heat Organization Inc.. Retrieved 29 March 2012.
  3. Solar Evolution – The History of Solar Energy, John Perlin, California Solar Center
  4. Del Chiaro, Bernadette and Telleen-Lawton, Timothy. "Solar Water Heating (How California Can Reduce Its Dependence on Natural Gas)" (PDF). Environment California Research and Policy Center. Retrieved 29 September 2007
  5. Petrotyranny by John C. Bacher, David Suzuki, published by Dundurn Press Ltd., 2000; reference is at Page 70
  6. "Israel's Solar Industry: Reclaiming a Legacy of Success". Climate.org. Retrieved 10 February 2012
  7. The Samuel Neaman Institute for Advanced Studies in Science and Technology – Publications – Solar energy for the production of heat Summary and recommendations of the 4th assembly of the energy forum at SNI
  8. Israeli Section of the International Solar Energy Society, edited by Gershon Grossman, Faculty of Mechanical Energy, Technion, Haifa; Final draft.

انظر أيضا[عدل]