السخان الشمسي هو أحد أهم طرق استغلال حرارة الشمس، وتتم عملية تسخين المياه بالطاقة الشمسية عن طريق استغلال الطاقة الحرارية للشمس لتسخين المياه بشكل مباشر.
وهذه المياه الساخنة يمكن استغلالها لأغراض الاستحمام أو لتدفئة حمامات السباحة أو التدفئة او حتى التكييف، كما ان المحطات الشمسية الحرارية أيضاً تستخدم تسخين المياه لتوليد الكهرباء.
سخانات الطاقة الشمسية موجودة منذ أكثر من مئة عام، ولكن في العقدين الأخيرين تطورت تكنولوجيا تسخين المياه بالطاقة 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 بالألواح الشمسية فهي لا تستطيع تحويل أكثر من 24% من طاقة الشمس الساقطة عليها الي كهرباء وذلك في أجود انواعها.
مميزات السخان الشمسي
- كما ذكرنا فإن المجمعات الشمسية "Solar collectors"، الآن تستطيع ان تستغل ما يزيد عن 50% من حرارة الشمس الساقطة عليها وهذا رقم ممتاز.
- كلما كان المكان شدة الإشعاع الشمسي والحرارة فيه مرتفعة أكثر، نستطيع الحصول على طاقة أكبر من السخانات الشمسية دون قيود كما في حالة الالواح الشمسية التي تقل كفاءتها كلما ارتفعت درجة الحرارة.
- استخدام السخان الشمسي بدلاً من السخان الكهربي سيوفر ما لا يقل عن 50% من فاتورة الكهرباء الشهرية لديك.
- عمرها الافتراضي كبير ولكنها تحتاج صيانة تقريبا كل 3 سنوات.
- الأنواع الصغيرة من السخانات الشمسية للاستهلاك المنزلي ليست باهظة الثمن ويمكنك توفير ما انفقته للحصول عليها في حوالي 5 سنوات.
السخانات الشمسية وأنواعها:
أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية تحتوي على مجمعات شمسية لتسخين المياه، وخزانات لتخزين المياه الساخنة، وتلك الخزانات يجب ان تكون ذات عزل جيد.
المجمعات الشمسية "Solar collectors" هي الجزء الرئيسي في أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية، حيث انه هو المسؤول عن نقل حرارة الشمس الي المياه، ويوجد ثلاثة انواع من المجمعات الشمسية المنتشرة والمستخدمة في أنواع السخانات الشمسية المختلفة للاستخدام السكني، وهي:
سخان شمسي مسطح Flat-plate collector
يستطيع السخان الشمسي ذو المجمع المسطح تسخين المياه الي درجات حرارة متوسطة في حدود 60 درجة مئوية، ويتضح من شكلها انها تكون مكونة من مجموعة مواسير متوازية موجودة داخل علبة محكمة الغلق من الألومنيوم ومغطاة بلوح من الزجاج وتكون معزولة جيداً ومضادة للأمطار، كما يوجد طبقة داكنة ماصة للحرارة أسفل المواسير، وكذلك يوجد طبقة عازلة بالأسفل لمنع تسرب الحرارة.
الصورة بالأعلى توضح نوع آخر من السخان الشمسي المسطح، يكون قطر الانابيب النحاسية فيه أكبر من الحالة السابقة وتكون متصلة مباشرة بالخزان.
سخان مجمع الأنابيب المفرغة Evacuated tube collector
السخان الشمسي بنظام الأنابيب المفرغة يعتبر ثورة حقيقية في أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية، حيث تتكامل العلوم سوياً للوصول الي أعلى كفاءة.
فهذا المجمع الشمسي من نوع الأنابيب المفرغة يستطيع ان يحول أكثر من 80% من طاقة الشمس الساقطة عليه الي طاقة حرارية منقولة الي المياه ليصل بالمياه الي درجات حرارة تزيد عن 100 درجة مئوية في حالة أحكمنا الضغط داخل الخزان.
الفكرة العامة في هذا النوع من السخانات الشمسية هي انه يتكون من مجموعة متراصة من الانابيب الزجاجية والمطلية بمواد تساعد على امتصاص اشعة الشمس الساقطة عليها ولا تعكس الا جزء ضئيل لا يذكر منها، وبداخلها انبوب أصغر من مادة ماصة للحرارة وبينهما خلخلة (أي انه لا يوجد هواء في المنطقة بين انبوب الزجاج الخارجي والانبوب الداخلي والمراد تسخين المائع بداخله) هذا الفراغ يقلل بدرجة كبيرة كمية الحرارة المفقودة وهي أفضل طريقة عزل حراري معروفة حتى الآن.
ويوجد نوعين رئيسيين من السخان الشمسي بنظام الأنابيب المفرغة:
- السريان المباشر Direct flow evacuated solar collector
- الأنبوب الحراري Heat pipe evacuated solar collector
يطلق على هذا النوع من السخانات الشمسية أيضاً "U-pipe collector"، وذلك لأن الأنبوب الموجود فيه يكون على شكل حرف U، ويتم تسخين المياه فيه بشكل مباشر دون حدوث تبادل حراري.
هذا الأنبوب يكون مطلي بمادة داكنة ماصة للحرارة وموجود داخل أنبوب زجاجي مفرغ من الهواء للحصول على عزل مثالي، ونهايات الأنبوب موصلة بالخزان.
وبطبيعة الحال ينزل الماء الأقل برودة في نهاية الأنبوب وحينما يسخن بفعل حرارة الشمس يرتفع لأعلى في الخزان، وتستمر هذه الدورة داخل السخان باستمرار.
يحتوي السخان الشمسي من هذا النوع على أنبوب حراري نحاسي داخل الأنبوب الزجاجي المفرغ، وهذا الأنبوب النحاسي يكون بداخله مائع سريع الغليان مثل الكحول أو أي مركب آخر.
ويوجد انتفاخه في نهاية الأنبوب من أعلي، تلك الانتفاخة التي يتجمع فيها بخار المائع الساخن، والتي تكون موجودة داخل الخزان لتسخين المياه.
الصورة بالأعلى توضح التبادل الحراري بين المائع الموجود داخل الانبوب الداخلي وبين الماء المراد تسخينه عن طريق الانتفاخة النحاسية الموضحة بالشكل.
أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية
في الفقرات السابقة استعرضنا أنواع السخانات الشمسية تبعاً لنوع المجمع الشمسي الخاص بها، ولكن في هذه الفقرة نتحدث عن الأنظمة المستخدمة لتسخين المياه والمتصلة بالسخان الشمسي تبعاً لطريقة تدوير المياه فيها.
طرق تدوير المياه في سخانات الطاقة الشمسية لها نوعين رئيسيين:
- Active: يحتوي هذا النظام على مضخة لتدوير المياه.
- Passive: لا يحتوي على مضخة مياه.
أولاً: دائرة تسخين المياه Active
وما يميزها هو وجود مضخة من ضمن مكونات النظام وينقسم الي نوعين:
- نظام تدوير المياه المباشر:
- نظام تدوير المياه الغير مباشر:
وفي هذا النظام تقوم المضخة بتدوير المياه ذاتها الداخلة الي النظام، أي انه ليس هناك اي مائع وسيط بين السخان الشمسي والخزان، كما سنرى في النوع الآخر، ويستخدم هذا النظام في حالة ضغط الماء المنخفض وايضاً في الاماكن التي لا يتوقع فيها وصول الماء الي درجة التجمد.
في هذه الحالة وكما هو واضح بالصورة تتم عملية تسخين المياه بالطاقة الشمسية عن طريق مضخة تقوم بتدوير سائل وسيط ما بين المجمع الشمسي وملف نحاسي موجود داخل خزان المياه، حيث يحدث تبادل حراري بين المائع الموجود داخل الملف النحاسي وبين الماء الموجود داخل الخزان.
ويستخدم غالباً هذا النظام في الأماكن التي يتوقع فيها ان تصل درجة حرارة الماء الي درجة التجمد ويكون السائل الوسيط له درجة تجمد اقل من درجة تجمد الماء.
ثانياً: دائرة تسخين المياه Passive
هذا النوع من السخان الشمسي لا يوجد فيه مضخات لتدوير المائع ولذلك يعتبر اقل كفاءة من النوع الأول، ولكنه قليل الأعطال ولا يحتاج الي صيانة كثيراً كما ان عمره الافتراضي أطول وسعره أقل بشكل ملحوظ، ويوجد منه نوعين أيضاً:
- Integral collector-storage passive systems:
- Thermosiphon systems:
تتم دورة تسخين المياه بالطاقة الشمسية في هذا النوع وكما هو واضح بالصورة بحيث يدخل الماء البارد الى الخزان ومنه الى المجمع الشمسي، ثم يخرج الماء ساخن من المجمع الشمسي الي الخزان معتمداً على التوزيع الطبيعي حيث يصعد الماء الساخن لأعلي ويظل الماء البارد بالأسفل.
وهذا النظام ايضاً يستخدم في الأماكن التي يتوقع فيها ان تصل درجة حرارة الماء الي درجة التجمد.
في نظام السخان الشمسي من هذا النوع، يجب ان يكون الخزان في مستوى أعلى من مستوى المجمع الشمسي حتى يستطيع الماء الأقل حرارة والموجود في الجزء الأسفل من الخزان النزول الي المجمع الشمسي، وكلما اكتسب حرارة أرتفع الى أعلى لأن كثافته ستصبح أقل ثم يصعد في الجزء الأعلى من الخزان وهكذا تحدث عملية تدوير المياه داخل السخان.