تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو الكهروضوئية هي أول طريقة عرفها الإنسان لتسخين المياه، ومع التقدم واكتشاف طرق أخرى للتسخين بدأ الإنسان اللجوء إلى وسائل أخرى، ولكن مع التقدم واكتشاف أهمية الطاقة المتجددة عاد العالم لـ تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو الكهروضوئية.
أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية
يتم تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو الكهروضوئية من خلال عدة أنظمة مختلفة وهي:
-
تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو الكهروضوئية بنظام التصريف لأسفل:
أنظمة تسخين المياه غير المباشرة هذه الأنظمة هي بشكل عام ،يتم نقل الحرارة إلى مياه الشرب من خلال مبادل حراري ويتم تداول المياه المعالجة أو غير المعالجة من خلال حلقة مغلقة، وهذا النظام هو الأنسب للمناطق التي تغيب عنها الشمس لفترات، لأنه عندما لا تتوافر حرارة شمسية يتم تجفيف مائع المجمع بواسطة الجاذبية لتجنب حلقات التجمد والحمل الحراري التي تقلل فيها المياه المجمعة من درجة حرارة الماء المخزن.
-
تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو الكهروضوئية بنظام التداول المباشر:
تقوم هذه الأنظمة بضخ المياه من التخزين إلى المجمعات خلال الساعات المشمسة، ومن ثم يتم الحصول على الحماية من التجمد عن طريق إعادة تدوير الماء الساخن من خزان التخزين، أو عن طريق شطف المجمعات (تصريف لأسفل)، نظرًا لأن نظام إعادة التدوير يزيد من استخدام الطاقة، بينما يقلل التدفق من ساعات التشغيل، يتم استخدام أنظمة الدوران المباشر فقط في المناطق التي تكون فيها درجات حرارة التجمد نادرة، ولن يكون هو الاختيار الأنسب في حالة تركيبه في منطقة بها درجة حرارة منخفضة حد التجمد.
-
تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو الكهروضوئية بأنظمة الهواء:
يتم تحريكه بواسطة مروحة من خلال مبادل حراري من الهواء إلى الماء ثم يتم استخدام المياه للاحتياجات المنزلية أو الخدمية في هذا النظام غير المباشر تقوم المجمعات بتسخين الهواء الذي، وتكون كفاءة المبادل الحراري في نطاق 50٪، تتطلب الأنظمة التي تعمل بالدوران المباشر أو بالحرارة أو المضخات التي يتم تنشيطها صيانة أعلى في الأجواء المتجمدة، بصفة عامة تعتبر أنظمة الهواء والماء غير المباشرة هي الأنسب، في حين أن أنظمة الطاقة الشمسية الهوائية على الرغم من أنها ليست بنفس كفاءة أنظمة المياه.
-
تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو الكهروضوئية بنظام غير المباشرة:
يتم تدوير السوائل المحمية بالتجميد من خلال حلقة مغلقة ويتم نقل حرارتها إلى مياه الشرب من خلال مبادل حراري بكفاءة 80 إلى 90 بالمائة في هذه الأنظمة، وهو النظام الأنسب للمناطق التي تنخفض بها درجات الحرارة حد التجمد، لأن أكثر السوائل استخدامًا للحماية من التجمد هي محاليل ماء إيثيلين جليكول وحلول ماء بروبيلين جليكول،
أعرف أنواع أفضل بطاريات الطاقة الشمسية.
السخان الشمسي منظومة تسخين المياه بالطاقة الشمسية
تتم عملية تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو الكهروضوئية من خلال عدة مراحل نوضحها لكم في ما يلي:
أولًا مبدأ عمل سخانات المياه بالطاقة الشمسية
يمكن تبسيط شرح فكرة عمل السخان الشمسي الغير معقدة كالاتي:
- تتم عملية تسخين المياه بواسطته باستخدام أشعة الشمس فقط حيث يتم تحويل طاقة الشمس إلى طاقة حرارية من خلال السخان الشمسي.
- يتم توصيل السخان بخط المياه البارد والساخن بالمنشأ ليقوم بمهمة تسخين المياه حيث يتم تثبيت السخان الشمسي أعلى المباني بزاوية ميل معينة.
- تقوم السخانات الشمسية بتقديم توفيرًا كبيراً في الطاقة مع الحفاظ على نسبة الاكسجين الطبيعية، وذلك لأن يتم استخدام ألواح من ضمن مكونات السخانات الشمسية.
ثانيًا مكونات السخانات الشمسية ووظيفة كل مكون:
وفقًا لما جاء في بعض الرسوم الهندسية للسخان الشمسي فإنه يتكون من:
- مجمعات شمسية تقوم بتجميع أشعة الشمس فترتفع درجة حرارتها.
- يتم جمع أشعة الشمس باستخدام «اللواقط»، وهناك نوعان منها وهي اللواقط المسطحة Flat Plate Collectors و لواقط الأنابيب المفرغة Vacuum Tubes Collectors.
- يتضمن السخان الشمسي خزان معزول عزل حراري وسعة تبدأ من 100 حتى 500 لتر في الاستخدامات المنزلية.
- يحيط بالسخان هيكل تثبيت معدني يحمل المجمعات الشمسية والخزان معا، ويجب أن يتم التثبيت بما يحقق زاوية ميل مثالية كما هو الحال في الألواح الشمسية.
- وعن تسخين المياه داخل السخان الشمسي، فهناك ملف تسخين كهربائي احتياطي يعمل بصورة تلقائية بواسطة حساس يقوم بقياس درجة حرارة المياه في الخزان، وتتراوح قدرة هذا الملف بين 2 و4 كيلو وات ساعة لمعظم الاستخدامات المنزلية.
- ويتم استخدام هذا المصدر التقليدي للكهرباء في الشتاء أو في حال زيادة كبيرة ومؤقتة في استهلاك المياه مع عدم وجود لواقط شمسية كافية.
السخانات الشمسية وأنواعها
بعد أن شرحنا لكم أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو الكهروضوئية يجب أن نوضح أن هذه الأنظمة تختلف عن أنواع السخانات، في ما يلي نوضح لكم أنواع سخانات الماء الشمسية:
1- السخان الشمسي المسطح Flat Plate
السخان الشمسي المسطح Flat Plate تم استخدامه على نطاق واسع منذ منتصف القرن العشرين وما زالوا وهو يتكون مجمع شمسى مدهون بمواد عالية الامتصاص ويتكون من شيت من النحاس من، متصل بالقنوات الطولية التي يمر بها الماء أو سائل التبادل الحراري، يتم تغليف هذا في غلاف معدني يحيط به حماية صلبة للمساعدة في الاحتفاظ بالحرارة المجمعة ويتم تأمينه بواسطة لوح من الزجاج الحراري.
أنظمة FPC تدوم طويلاً لأنها معدنية، لكن بعض الناس يرى ان التكلفه عاليه، لذلك يميلون إلى أن يكونوا في جانب باهظ الثمن قليلاً، تعمل بسلاسة جيدة حتى في المناطق الأكثر برودة مع درجات حرارة دون الصفر ولكنها تحتاج إلى حل إضافي مضاد للتجمد وبالتالي زيادة التكلفة الإجمالية.
2- سخان الأنابيب الحرارية
هذا السخان هو أبسط أنواع السخانات الشمسية المتاحة، يمكن وصفها ببساطة بأنها دبابة تحت ضوء الشمس، ويتم تسخينه وتخزينه دفعة واحدة في كل مرة، تُعرف أيضًا باسم “ICS” أو “المجمّع المتكامل والتخزين”، يمكن لهذا النوع من السخانات الشمسية أن يسخن الماء بما يكفي لمساعدتك دون استخدام السخانات الكهربائية، خاصةً بعد الظهر المشمس.
يقدم كمية مناسبة من المياه الساخنة للأسر المكونة من 2-3 ويمكن أن يكون استثمارًا ممتازًا منخفض التكلفة، ولكن نظرًا لأنها تحتفظ بمخزن المياه الساخنة على السطح طوال الليل فمن الضروري أن يكون خزان التخزين مغلقًا بالكامل. يُنصح أيضًا بأن يكون ما يقرب من ثلث أنابيب التجميع مكشوفة فوق العزل لمنع حمل الماء الساخن مرة أخرى إلى الغلاف الجوي بمثابة نوع من الإشعاع العكسي.
اقرأ عن الدليل الكامل لتسخين الماء بالطاقة الشمسية.
3- أنظمة تسخين مجمع الأنابيب المفرغة
تعد أنظمة التدفئة ETC أحدث نسبيًا في السوق، وتعرف عالمنا عليها في أواخر السبعينيات، تتكون الأنابيب المفرغة الأكثر استخدامًا من أنبوب حراري يحيط به أنبوب زجاجي تحت فراغ، يتألف هذا الأنبوب الزجاجي كذلك من طبقتين من الزجاج، تقع بين هذه الطبقات الهواء الذي يتم إخلاؤه، يتم ممارسة بعض الضغط الإضافي على الأنبوب الحراري للسماح للسائل (الماء) بالتسخين بسرعة، حتى في درجات حرارة منخفضة (حوالي 70-80 فهرنهايت).
فقاعات الماء هي إشارة إلى أن المجمع قد جمع الحرارة إلى أقصى إمكاناته.
ثم يتم امتصاص هذه الحرارة عن طريق الماء أو أي سوائل أخرى تتدفق عبر الأنبوب الداخلي.
أنظمة التدفئة هذه هشة للغاية ولكنها أرخص من أنظمة التدفئة FPC.
وهي مفضلة للمناطق الأكثر برودة حيث تكون درجة الحرارة دون الصفر.
ومع ذلك في الأماكن ذات المياه المالحة يجب تمرير المياه من خلال نظام FPC لتحلية المياه قبل معالجتها باستخدام نظام ETC.
وبهذا نكون قد وضحنا لكم كيف تتم عملية تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو الكهروضوئية.
