أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية والسخانات الشمسية

أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية والسخانات الشمسية

الأنظمة الحرارية الشمسية لها العديد من المزايا حيث انها مجانية ومتجددة، لذلك فإن هذه الأنظمة رخيصة التشغيل ويمكن أن تحل محل استخدامات الوقود التقليدية. الطاقة الشمسية الحرارية هي مصدر للطاقة خالٍ من الانبعاثات.  تعتبر الأنظمة الحرارية الشمسية منخفضة الصيانة نسبيًا لأنها تستخدم تقنيات أبسط وأنظمة سلبية لا تحتوي على أجزاء متحركة. واحد اهم الانظمة الحرارية الشمسية هي سخانات الطاقة الشمسية.

تعد سخانات الطاقة الشمسية أحد أهم تطبيقات استخدام الطاقة الشمسية، حيث ان السخان الشمسي يقوم باستغلال الطاقة الشمسية لتسخين المياه بشكل مباشر وليس لتوليد الكهرباء كما هي الحالة مع الألواح الشمسية. سخانات الطاقة الشمسية موجودة منذ أكثر من مائة عام ولكن في العقدين الأخيرين تطورت تكنولوجيا السخانات الشمسية بشكل كبير وملحوظ ومعظم التطور الحاصل كان في المجمعات الشمسية فالمجمعات الشمسية الآن يمكنها استغلال ما يزيد عن 50% من الطاقة الشمسية الساقطة عليها، ولو قارنتها بالواح الطاقة الشمسية الفولتوضوئية فهي لا تستطيع تحويل أكثر من 24% من الطاقة الشمسية الساقطة عليها الي كهرباء وذلك في أجود انواع الواح الطاقة الشمسية.

تتكون سخانات المياه بالطاقة الشمسية من ثلاثة عناصر رئيسية وهي المجمع الشمسي، والأنابيب المعزولة، وخزان الماء الساخن. يمكن أيضًا تضمين أدوات التحكم الإلكترونية، بالإضافة إلى نظام حماية من التجمد للمناخات الباردة. يضرب الإشعاع الشمسي المجمع الشمسي ، ويمتص المجمع الشمسي الحرارة وينقلها إلى المياه في النظام. يتدفق خارج المجمع إلى خزان الماء الساخن، ويمكن استخدامها لأغراض الاستحمام أو التدفئة بالطاقة الشمسية او حتي التبريد بالطاقة الشمسية.

أنواع المجمعات الشمسية

المجمعات الشمسية هي الجزء الرئيسي في أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية حيث انها هي المسؤولة عن نقل حرارة الشمس الي المياه. ويوجد ثلاثة انواع من المجمعات الشمسية المنتشرة والمستخدمة في الانظمة السكنية لتسخين المياه بالطاقة الشمسية وهي :

1.     Flat-plate collector

 يعد هذا النوع من اقدم الانظمة لتسخين المياه أكثر أنواع المجمّعات شيوعًا ويتم استخدامه في الدول الحارة بكثرة،  في هذا النوع تقوم المجمعات الشمسية بتسخين المياه الي درجات حرارة متوسطة في حدود 60 درجة مئوية ويتكون من مجموعة من المواسير المتوازية موجودة داخل صندوق محكم الاغلاق من الألومنيوم ومغطي بلوح من الزجاج ويكون معزول جيدا ويوجد طبقة داكنة ماصة للحرارة أسفل المواسير كما يوجد ايضاً طبقة عازلة بالأسفل لمنع تسرب الحرارة.

2.    Integral collector-storage systems

في هذه الحالة يكون قطر الانابيب النحاسية أكبر من الحالة السابقة وتكون متصلة مباشرة بالخزان.

  

3.     Evacuated-tube solar collectors

مجمع الأنابيب المفرغة يعتبر ثورة حقيقية في عالم تسخين للمياه بالطاقة الشمسية، يتمتع بكفاءة عالية جدا، فهذا النوع من المجمع الشمسي يستطيع ان يحول أكثر من 80% من الطاقة الشمسية الي طاقة حرارية لتصل درجة حرارة المياه الي اكثر من 100 درجة مئوية.

يتكون من مجموعة متراصة من الانابيب الزجاجية المطلية بمواد تساعد علي امتصاص اشعة الشمس الساقطة عليها، ويوجد بداخلها انبوب أصغر من مادة ماصة للحرارة وبين انبوب الزجاج الخارجي والانبوب الداخلي منطقة مفرغة من الهواء حيث ان هذا الفراغ يقلل كمية الحرارة المفقودة. تُستخدم أنظمة الأنابيب المفرغة عمومًا عند الحاجة إلى درجات حرارة أعلى أو كميات كبيرة من المياه، فضلاً عن أنظمة التدفئة وتكييف الهواء بالطاقة الشمسية.

 أساسيات سخانات الطاقة الشمسية

1.     أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية تحتوي علي مجمعات شمسية لتسخين المياه وخزانات لتخزين المياه الساخنة.

2.     خزانات المياه يجب ان تكون ذات عزل جيد.

3.     مجمعات الطاقة الشمسية الآن تستطيع ان تستغل ما يزيد عن 50% من الطاقة الشمسية الساقطة.

4.     كلما كانت شدة الإشعاع الشمسي والحرارة مرتفعة أكثر نستطيع الحصول علي طاقة أكبر علي عكس الواح الطاقة الشمسية التي تقل كفاءتها كلما ارتفعت درجة الحرارة.

5.     سخانات الطاقة الشمسية ستوفر ما لا يقل عن 50% من فاتورة الكهرباء.

أنواع انظمة الطاقة الشمسية

هناك نوعان رئيسيان من أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية لإنتاج الطاقة

1.   Active System

تطلب انظمة ال Active  أجزاء متحركة مثل المراوح أو المضخات لتوزيع السوائل الحاملة للحرارة كما هو موضح بالشكل. ويتم تصنيفها الي نوعين

1)    النظام المباشر (Direct)

في هذا النظام تقوم المضخة بتدوير المياه المتواجدة داخل النظام،  ويستخدم هذا النظام في حالة ضغط الماء المنخفض وايضا في الاماكن التي لا يتوقع فيها وصول الماء الي درجة التجمد.

2)    النظام الغير مباشر(Indirect)

في هذه النظام تقوم المضخة بتدوير سائل آخر من الموائع ما بين المجمع الشمسي والملف النحاسي الموجود داخل خزان المياه حيث يحدث تبادل حراري بين المائع الموجود داخل الملف النحاسي وبين الماء الموجود داخل الخزان. ويتم استخدام هذا النظام في الأماكن التي تصل درجة حرارة الماء الي التجمد وتتم هذه العملية بتسخين محلول مضاد للتجمد، مثل non-toxic propylene glycol في مجمّع الطاقة الشمسية ويتدفق إلى المبادل الحراري في خزان تخزين الماء الساخن. يقوم المبادل الحراري بنقل الحرارة من محلول التجمد، مما يؤدي إلى تسخين خزان التخزين المملوء بالماء. يتم استخدام هذا الماء الساخن عند الطلب، في حين أن محلول التجمد يعاد تدويره إلى مجمع الطاقة الشمسية لإعادة التسخين.

2.   Passive System

لا تحتوي انظمة ال Passive على مكونات ميكانيكية وتعتمد على ميزات التصميم فقط لالتقاط الحرارة. حيث ان في هذا النوع لا يوجد مضخات لتدوير المائع ولذلك يعتبر اقل كفاءة من نظام ال Active 

ولكن ما يميزه انه

·     قليل الأعطال ولا يحتاج الي صيانة متكررة

·     عمره الافتراضي اكبر.

·     تكلفتها اقل.

ويوجد نوعين رئيسيين من هذا النظام : 

1)    Integral collector-storage passive systems

 يدخل الماء البارد الي الخزان ومنه الي المجمع الشمسي ثم يخرج الماء ساخن من المجمع الشمسي الي الخزان معتمدا علي التوزيع الطبيعي حيث يصعد الماء الساخن لأعلي ويبقي الماء البارد بالأسفل. تتمثل الميزة الرئيسية للنظام في أنه لا يحتاج إلى أدوات تحكم أو مضخات أو مستشعرات أو أي أجزاء ميكانيكية أو متحركة أخرى، لذلك تكون متطلبات الصيانة في حدها الأدنى.

2)    Thermosiphon systems

فكرة عمل نظام thermosiphon تعتمد علي أن الماء البارد كثافته أعلى من الماء الدافئ، وبالتالي فإن الوزن الثقيل سوف ينخفض للأسفل. لذلك  يتم تركيب المجمع دائمًا أسفل خزان تخزين المياه، بحيث تصل المياه الباردة من الخزان إلى المجمع عبر أنبوب ماء نازل. وحين يقوم المجمع بتسخين المياه، فإن الماء يرتفع مرة أخرى ويصل إلى الخزان من خلال أنبوب ماء صاعد في الطرف العلوي من المجمع. اذن في هذا النظام يجب ان يكون الخزان في مستوي أعلي من مستوي المجمع الشمسي حتي يستطيع الماء الأقل حرارة والموجود في الجزء الأسفل من الخزان بالنزول الي المجمع الشمسي وكلما اكتسب حرارة أرتفع الي الجزء الأعلى من الخزان لأن كثافته تصبح أقل وهكذا تحدث عملية التدوير. ويمكن للمستهلك بعد ذلك الاستفادة من الماء الساخن من أعلى الخزان، مع استبدال أي ماء مستخدم بالماء البارد في القاع. ثم يتم تسخين الماء البارد مرة أخرى. وذلك بسبب ارتفاع درجات الحرارة عند ارتفاع الإشعاعات الشمسية، يرتفع الماء الدافئ بشكل أسرع. لذلك، فإن دورة الماء تتكيف بشكل مثالي مع مستوى الإشعاع الشمسي.

تصنيف انظمة الطاقة الحرارية

يتم تصنيفها حسب درجة الحرارة (منخفضة أو متوسطة أو عالية) كالاتي:

1.   تطبيقات درجات الحرارة المنخفضة (أقل من 100 درجة مئوية) تستخدم الطاقة الحرارية الشمسية لتسخين المياه. وتتكون الأنظمة ال Active غالبًا من مجمع ألواح مسطحة مُثبَّت على السطح يتم من خلاله تدوير السائل. تقوم المجمعات بامتصاص الحرارة من الشمس ونقلها السائل إلى الوجهة المطلوبة، مثل حمام السباحة أو نظام التدفئة المنزلية. تتضمن أنظمة التسخين ال Passive في تطبيقات تصميم المباني الذكية ، والتي تقلل من الحاجة إلى أنظمة التدفئة أو التبريد من خلال التقاط الطاقة الشمسية أو عكسها بشكل أفضل.

 2.     تطبيقات درجة الحرارة المتوسطة (100-250 درجة مئوية) ليست شائعة. على سبيل المثال الفرن الشمسي، الذي يستخدم عاكسًا لتركيز أشعة الشمس على إناء طبخ مركزي. ويمكن استخدام أنظمة مماثلة للعمليات الصناعية، ولكنها لا تستخدم على نطاق واسع.

3.     تطبيقات درجات الحرارة العالية (250 درجة مئوية>) عبارة عن مجموعات من المرايا لتركيز الطاقة الشمسية على مجمع مركزي. وتسمي بأنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP) تقوم بتسخين المياه علي درجات حرارة مرتفعة بدرجة تكفي لإنتاج البخار، والتي تقوم بدورها بإدارة التوربينات ، التي تعمل علي تشغيل مولدات لإنتاج الكهرباء. على الرغم من وفرة العديد من جوانب المشرقة في استخدام الطاقة الشمسية الحرارية الا انه لا تعتبر الشمس مصدرًا للطاقة شديد التركيز، لذا فقد تحتاج إلى مساحة كبيرة لإنتاج قدر مقبول من الطاقة، مما يؤثر علي استخدام الأراضي. وايضاً الشمس المشرقة متقطعة وتوافرها يعتمد على الموقع. تثبيت CSP يوجد العديد منها عادة في المناطق النائية والصحراوية لذلك، يعد نقل الكهرباء عبر مسافات كبيرة مكلفًا وكذلك التوربينات البخارية التي تنتج الكهرباء من الطاقة الشمسية المركزة، فإن الوصول إلى المياه والتبخر السريع هما من الشواغل الرئيسية لسلامة التكنولوجيا.