انواع السخانات الشمسية وطريقة عملها

ما هي سخانات الطاقة الشمسية؟

السخانات الشمسية هي أحد أهم تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية, والسخان الشمسي يقوم باستغلال الطاقة الشمسية الساقطة عليه لتسخين المياه بشكل مباشر وليس لتوليد الكهرباء كما في حالة الألواح الشمسية, وهذه المياه الساخنة يمكن استغلالها لأغراض الأستحمام أو لتدفئة حمامات السباحة أو التدفئة بالطاقة الشمسية او حتي التبريد بالطاقة الشمسية, كما ان محطات الطاقة الشمسية الحرارية أيضا تستخدم تسخين المياه لتوليد الكهرباء.
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 21% من الطاقة الشمسية الساقطة عليها الي كهرباء وذلك في أجود انواع الواح الطاقة الشمسية.

مميزات السخانات الشمسية :

• كما ذكرنا فأن مجمعات الطاقة الشمسية الآن تستطيع ان تستغل ما يزيد عن 50% من الطاقة الشمسية الساقطة عليها وهذا رقم ممتاز.
• كلما كان المكان شدة الأشعاع الشمسي والحرارة فيه مرتفعة أكثر نستطيع الحصول علي طاقة أكبر دون قيود كما في حالة الواح الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء التي تقل كفائتها كلما ارتفعت درجة الحرارة.
• ستلاحظ ان استخدامك سخانات الطاقة الشمسية بدلا من الكهربية سيوفر ما لا يقل عن 50% من فاتورة الكهرباء الشهرية لديك.
• الأنواع الصغيرة منها علي قدر استهلاك منزلي ليست باهظة الثمن ويمكنك توفير ما انفقته للحصول عليها في حوالي 5 سنوات.
• عمرها الأفتراضي كبير ولكنها تحتاج صيانة تقريبا كل 3 سنوات.

معلومات أساسية عن السخانات الشمسية :

• أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية تحتوي علي مجمعات شمسية لتسخين المياه وخزانات لتخزين المياه الساخنة.
• خزانات المياه يجب ان تكون ذات عزل جيد.
• انظمة التسخين بالطاقة الشمسية لها نوعين رئيسيين :
1. Active: وهو يحتوي علي مضخة لتدوير المياه.
2. Passive: وهو لا يحتوي علي مضخة.
• يمكن أن يعمل السخان الشمسي بالتكامل مع السخان الكهربي.

انظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية :

كما ذكرنا هناك نوعين رئيسيين من أنظمة التسخين بالطاقة الشمسية Active و passive

النوع الأول Active :

وما يميزه هو وجود مضخة من ضمن مكونات النظام وينقسم الي نوعين رئيسيين :

1- مباشر :

وفي هذا النظام تقوم المضخة بتدوير المياه ذاتها الداخلة الي النظام أي انه ليس هناك اي مائع وسيط كما سنري في النوع الآخر. ويستخدم هذا النظام في حالة ضغط الماء المنخفض وايضا في الاماكن التي لا يتوقع فيها وصول الماء الي درجة التجمد.

2- غير مباشر :

في هذه الحالة وكما هو واضح بالصورة تقوم المضخة بتدوير سائل آخر ما بين المجمع الشمسي وملف نحاسي داخل موجود داخل خزان المياه حيث يحدث تبادل حراري بين المائع الموجود داخل الملف النحاسي وبين الماء الموجود داخل التانك.
ويستخدم غالبا هذا النظام في الأماكن التي يتوقع فيها ان تصل درجة حرارة الماء الي درجة التجمد ويكون السائل الوسيط زو درجة تجمد اقل من درجة تجمد الماء.

النوع الثاني Passive :

هذا النوع لا يوجد فيه مضخات لتدوير المائع ولذلك يعتبر اقل كفائة من النوع الأول ولكنه قليل الأعطال ولا يحتاج الي صيانة كثيرا كما ان عمره الأفتراضي أطول وسعره أقل بشكل ملحوظ, ويوجد منه نوعين رئيسيين :

1- Integral collector-storage passive systems :

كما هو واضح بالصورة يدخل الماء البارد الي التانك ومنه الي المجمع الشمسي ثم يخرج الماء ساخن من المجمع الشمسي الي التانك معتمدا علي التوزيع الطبيعي حيث يصعد الماء الساخن لاعلي ويظل الماء البارد بالأسفل. وهذا النظام ايضا يستخدم في الأماكن التي يتوقع فيها ان تصل درجة حرارة الماء الي درجة التجمد..

2- Thermosyphon systems

كما هو واضج في هذا النوع يجب ان يكون التانك في مستوي أعلي من مستوي المجمع الشمسي حتي يستطيع الماء الأقل حرارة والموجود في الجزأ الأسفل من الخزان بالنزول الي المجمع الشمسي وكلما اكتسب حرارة أرتفع الي أعلي لأن كثافته تصبح أقل ثم يصعد في الجزأ الأعلي من الخزان وهكذا تحدث عملية التدوير.

المجمعات الشمسية :

المجمع الشمسي هو الجزأ 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 الانظمة السكنية لتسخين المياه بالطاقة الشمسية وهي :

1- Flat-plate collector

يقوم هذا النوع من المجمعات الشمسية بتسخين 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 جيدا حتي انها مضادة للأمطار ويوجد طبقة داكنة ماصة للحرارة أسفل المواسير كما يوجد طبقة عازلة بالاسفل لمنع تسرب الحرارة.

2- Integral collector-storage systems

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

3- مجمعات شمسية ذات الأنابيب المفرغة

او ما يسمي بتكنولوجيا الأنابيب المفرغة وهو ما يعتبر ثورة حقيقية في عالم تسخين المياه بالطاقة الشمسية حيث تتكامل العلوم سويا للوصول الي أعلي كفاءة فهذا المجمع الشمسي من نوع الأنابيب المفرغة يستطيع ان يحول أكثر من 80% من الطاقة الشمسية الساقطة عليه الي طاقة حرارية منقولة الي المياه ليصل بالمياه الي درجات حرارة تزيد عن 100 درجة مئوية في حالة أحكمنا الضغط داخل الخزان.
ويوجد منه العديد من الانواع والأشكال ولكن الفكرة العامة هي انه يتكون من مجموعة متراصة من الانابيب الزجاجية والمطلية بمواد تساعد علي 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.
في الصورة بالأعلي وفي هذا النوع يحدث تبادل حراري بين المائع الموجود داخل الانبوب الداخلي وبين الماء المراد تسخينه عن طريق الانتفاخة النحاسية الموضحة بالشكل.
ويوجد انواع أخري ييتم تسخين فيها الماء بشكل مباشر دون حدوث تبادل حراري وأعتقد اننا بحاجة الي عمل موضوع خاص عن تكنولوجيا الانابيب المفرغة لتسخين المياه بالطاقة الشمسية.