آب گرم کن خورشیدی (solar water heating)

فاطمه یاس

کاربر ممتاز
سیستم‌های آب گرم کن خورشیدی (solar water heating) یا SWH یا آب گرم خورشیدی (solar hot water) یا SHW سیستم‌هایی هستند از تکنولوژی‌های خلاقانه برای گرم کردن آب توسط خورشید استفاده می‌کنند.



یک سیستم SWH می‌تواند با یک تانک ذخیره (storage tank) به صورت بسته کوپل شود کهکلکتورهای گرمایی خورشیدی بر روی بام نصب می‌شوند و مخزن ذخیره در بالای آن‌ها قرار می‌گیرد. از آن‌جایی که آب گرم به صورت طبیعی به وسیله جریان ترموسیفون (thermosiphon flow) به داخل تانک بالا می‌آید، نیاز به پمپاژ وجود ندارد. در یک سیستم با سیرکوله به وسیله پمپ، مخزن ذخیره بر روی زمین و در پایین کلکتورها نصب می‌شود و پمپ سیرکوله، آب یا سیال انتقال حرارت را بین تانک و کلکتورها به حرکت در می‌آورد.



سیستم‌های SWH به صورتی طراحی شده‌اند که می‌توانند در بیش‌تر سال آب گرم را تامین کنند. البته گاهی در زمستان حرارت خورشیدی لازم برای تامین آب گرم کافی تامین نمی‌شود. در این شرایط یک بوستر گازی یا الکتریکی برای گرمایش آب به کار می‌رود. طراحی برای آب و هوای گرم ساده‌تر و ارزان‌تر است و می‌تواند به عنوان یک فناوری مناسب در این مناطق در نظر گرفته شود.



برای گرم کردن آب به کمک انرژی خورشیدی، اغلب یک کلکتور بر روی بام یا دیوار سمت خورشید نصب می‌شود و سیال عاملی را که می‌تواند پمپ شود (در سیستم فعال) و یا به وسیله جابه‌جایی آزاد (در سیستم خنثی) حرکت کند را گرم می‌کند. کلکتور می‌تواند از یک جعبه عایق که بالای آن شیشه‌ای است و یک ابزوربر خورشیدی که از ورق‌های فلزی تشکیل شده و به لوله‌های مسی مبدل حرارتی متصل است ساخته شود و یا این که از تیوب‌های فلزی تیره رنگ که اطراف آن لوله‌های شیشه‌ای تخلیه شده است تشکیل شده باشد. در نمونه‌های صنعتی یک آینه سهمی‌گون نور خورشید را بر روی لوله متمرکز می‌کند.



حرارت در مخزن ذخیره آب گرم ذخیره می‌شود. حجم مورد نیاز برای این مخزن برای سیستم‌های گرمایش خورشیدی بزرگ‌تر است تا بتوان برای آب و هوای بد، آب گرم کافی ذخیره نمود و نیز از آن‌جایی که دمای نهایی بهینه کلکتور خورشیدی از هیترهای احتراقی کم‌تر است آب گرم بیش‌تری مصرف می‌شود.

سیال انتقال حرارت (heat transfer fluid) یا HTF برای ابزوربر می‌تواند آب گرمی باشد که از تانک می‌آید ولی اکثرا (مخصوصا در سیستم‌های فعال) دارای یک حلقه جداگانه از سیال است که دارای ضد یخ و ماده ضد خوردگی است که حرارت را از راه یک مبدل حرارتی (معمولا یک کویل مسی در داخل تانک) به تانک منتقل می‌کند. در سیستم‌های سرمایش و گرمایش خورشیدی، مس یک عنصر مهم است زیرا رسانایی گرمایی و مقاومت نسبت به خوردگی اتمسفری و آبی بالا، امکان اتصال با لحیم‌کاری و مقاومت مکانیکی بالایی دارد.




یک مفهوم دیگر در کاهش هزینه نگهداری، درین‌بک (drain-back) بودن سیستم است که باعث می‌شود نیاز به ضد یخ حذف شود و به جای آن تمام لوله‌ها به شکلی شیب‌دار می‌شوند که باعث بازگشت آب به درون تانک می‌شود. تانک تحت فشار نیست و به فشار اتمسفر راه دارد. زمانی که پمپ خاموش شود، جریان باز می‌گردد و قبل از یخ زدن سیستم، لوله‌ها خالی می‌شوند.




تاسیسات گرمایی خورشیدی به دو گروه تقسیم می‌شوند:

  • خنثی (passive) که کامپکت (compact) نیز خوانده می‌شوند
  • اکتیو (active) که پمپی (pumped) نیز نامیده می‌شوند

هر دو سیستم معمولا دارای یک منبع انرژی کمکی همانند المان گرمایش الکتریکی و یا اتصال به سیستم گرمایش مرکزی گازی و یا نفتی هستند که در زمانی که آب درون تانک از یک دمای حداقلی همانند 55 درجه سانتی‌گراد کم‌تر می‌شود فعال می‌شوند. بنابراین آب گرم همیشه موجود است. ترکیب گرمایش آب خورشیدی و استفاده از گرمای پشتیبان از دودکش می‌تواند باعث شود که سیستم آب گرم در تمام طول سال کار کند بدون این که نیاز به حرارت تکمیلی از سوخت فسیلی یا الکتریسیته داشته باشد.



ملزومات طراحی سیستم


نوع، پیچیدگی و سایز یک سیستم گرمایش خورشیدی آب بیش‌تر تحت تاثیر عوامل زیر قرار دارد:

  • تغییر دمای محیط و تابش خورشید بین تابستان و زمستان
  • تغییر در دمای محیط طی سیکل روز و شب
  • احتمال افزایش بیش از حد دمای آب آشامیدنی یا سیال کلکتور
  • احتمال یخ‌زدگی آب آشامیدنی یا سیال کلکتور

حداقل الزامات سیستم معمولا به وسیله میزان دمای آب گرم مورد نیاز در زمستان تعیین می‌شود که در آن زمان خروجی سیستم و دمای آب ورودی در کم‌ترین میزان قرار دارد. حداکثر خروجی سیستم به وسیله نیاز به این که دمای آب سیستم از یک حدی تجاوز نکند تعیین می‌شود.

حفاظت از یخ‌ زدگی

شاخص حفاظت از یخ‌زدگی از آسیب به سیستم در اثر انبساط ناشی از یخ‌زدگی سیال انتقال جلوگیری می‌کند. سیستم‌های درین‌بک، در زمان خاموش شدن پمپ سیال انتقال را از سیستم تخلیه می‌کنند. بسیاری از سیستم‌های غیر مستقیم از ضد یخ استفاده می‌کنند.




در برخی از سیستم‌های مستقیم، کلکتورها در زمان یخبندان می‌توانند به صورت دستی تخلیه شوند. این روش در شرایط آب و هوایی که دماهای یخبندان خیلی رخ نمی‌دهد معمول است ولی از آن‌جایی که ممکن است اوپراتور فراموش کند که سیستم را درین نماید، چندان قابل اعتماد نیست.

روش سوم حفاظت از یخ‌زدگی، مقاومت به یخ‌زدگی است که در آن کانال‌های آب پلی‌مری کم فشار ساخته شده از لاستیک سیلیکونی در زمان یخ‌زدگی منبسط می‌شوند. برخی از سیستم‌های مستقیم از کلکتورهای مقاوم به یخ‌زدگی ساخته شده از پلی‌مرهای انعطاف‌پذیر همانند لاستیک سیلیکون استفاده می‌کنند.

حفاظت از افزایش بیش‌گرم شدن


زمانی که برای یک یا دو روز از آب گرم استفاده نمی‌شود، آب درون کلکتورها و مخزن ذخیره، به جز آن‌هایی که از نوع درین‌بک هستند، می‌تواند به دماهای بالا برسد. در یک سیستم درین‌بک، زمانی که دمای مخزن ذخیره به دمای مطلوب برسد، پمپ‌ها خاموش می‌شوند و فرآیند گرمایش به اتمام می‌رسد و در نتیجه از گرمایش بیش از حد مخزن ذخیره جلوگیری می‌شود.

یک راه برای حفاظت از گرمایش بیش از حد این است که حرارت اضافه را به یک شیر آب گرم ببریم.

برخی از سیستم‌های اکتیو، به وسیله سیرکوله کردن آب گرم در کلکتور در زمانی که نور خورشید کم است یا در شب باعث اتلاف حرارت می‌شوند. این کار در سیستم‌های مستقیم و لوله‌کشی ذخیره گرمایی موثر است ولی در سیستم‌هایی که از کلکتورهای تیوب تخلیه‌ای استفاده می‌کنند به دلیل عایق‌کاری زیاد آن‌ها غیر موثر است. بدون توجه به نوع کلکتور، این سیستم‌ها هنوز می‌توانند بیش‌گرم شوند.

سیستم‌های آب‌بندی شده فشار بالای حرارتی خورشیدی، به عمل‌کرد شیرهای اطمینان دمایی و فشاری متکی هستند. سیستم‌های کم فشار با ونت باز (open vent)، دارای سیستم‌های ایمنی ساده‌تر و کاراتری هستند که معمولا شامل یک ونت باز می‌شود.



انواع سیستم‌های گرمایش آبی خورشیدی


  • سیستم‌های مستقیم (direct)
  • سیستم‌های غیر مستقیم (indirect)
سیستم های مستقیم (direct) یا مدار باز (open loop)، آب آشامیدنی را از میان کلکتورهایی سیرکوله می‌کنند. این سیستم‌ها به نسبت ارزان هستند ولی دارای معایب زیر می‌باشند:

  • دارای حفاظت بیش‌گرمایی کم و یا فاقد آن هستند مگر این که دارای یک پمپ خروج حرارت باشند
  • دارای حفاظت یخ‌زدگی کم و یا فاقد آن هستند مگر این که کلکتورها ضد یخ‌زدگی باشند
  • در مناطقی که آب سخت دارند، در کلکتورها رسوب جمع می‌شود، مگر این که از سختی‌گیر تبادل یونی استفاده شود.
سیستم‌های غیر مستقیم (indirect) یا مدار بسته (closed loop) از یک مبدل حرارتی برای جدا کردن آب آشامیدنی از سیالی که به سیال انتقال حرارت (heat-transfer fluid) یا HTF معروف است و درون کلکتور سیرکوله می‌شود، استفاده می‌کند.

سیستم‌های خنثی و فعال

سیستم‌های خنثی از جابه‌جایی ناشی از حرارت و یا لوله‌های حرارتی برای سیرکوله کردن آب یا سیال گرم‌کننده در سیستم استفاده می‌کنند. سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی خنثی قیمت کم‌تری دارند و هزینه نگه‌داری آن‌ها به شدت پایین است ولی کارایی سیستم خنثی بسیار پایین‌تر از یک سیستم اکتیو است و بیش‌گرم شدن و یخ زدگی مشکلات اصلی آن هستند. سیستم‌های اکتیو از یک یا چند پمپ برای گردش آب یا سیال گرمایشی درون سیستم استفاده می‌کنند.

با وجود قیمت کمی بیش‌تر، سیستم‌های اکتیو مزایای زیادی دارند:

  • مخزن ذخیره می‌تواند در زیر کلکتورها قرار داشته باشد که به طراحی سیستم آزادی بیش‌تر و اجازه استفاده از مخزن ذخیره موجود را می‌دهد
  • مخزن ذخیره را می‌توان از دید مخفی کرد
  • می‌توان با قرار دادن مخزن ذخیره در یک مکان تهویه شده یا نیمه تهویه شده، از اتلاف حرارتی آن کم کرد
  • می‌توان از تانک‌های درین‌بک استفاده کرد
  • راندمان بالاتر
  • کنترل بیش‌تر بر روی سیستم

سیستم‌های آبی خورشیدی مدرن از کنترلرهای الکترونیکی با امکانات بالا استفاده می‌کنند که می‌تواند شامل اصلاح تنظیمات کنترلی سیستم، تعامل با یک هیتر آب برقی و یا گازی، محاسبه و ثبت انرژی ذخیره شده به وسیله سیستم SWH، توابع ایمنی، دسترسی از راه دور، نمایش اطلاعات مختلف همانند دما می‌شود.

بیش‌تر کنترلرهای پمپ‌ها از یک کنترلر تفاضلی (differential controller) که اختلاف دمای بین آب خروجی از کلکتور خورشیدی و آب درون تانک را در نزدیک مبدل حرارتی اندازه می‌گیرد، استفاده می‌کنند. در یک سیستم اکتیو معمولی، زمانی که آب درون کلکتور حدود 8 تا 10 درجه سانتی‌گراد بیش از آب درون تانک است کنترلر، پمپ را روشن می‌کند و زمانی که اختلاف دما بین 3 تا 5 درجه سانتی‌گراد می‌شود، آن را روشن می‌کند. این به آب این امکان را می‌دهد که در زمان کارکرد پمپ همواره حرارت را از کلکتور دریافت کند و از کارکرد و یا خاموش شدن زیاد پمپ جلوگیری می‌کند. در سیستم‌های مستقیم، اختلاف دما برای روشن شدن پمپ تا حدود 4 درجه سانتی‌گراد کم می‌شود زیرا مانع تبادل حرارت وجود ندارد.

برخی از سیستم‌های SWH اکتیو از انرژی گرفته شده از یک پنل فتوولتاییک (PV) کوچک برای راندن یک یا چند پمپ DC دور متغیر استفاده می‌کنند. برای اطمینان از عمل‌کرد مناسب و طول عمر پمپ‌ها، پمپ DC و پنل PV باید به صورت مناسبی با هم هماهنگ باشند.

کلکتورهای مورد استفاده در سیستم‌های خانگی SWH مدرن



ساده‌ترین روش برای گرمایش خورشیدی آب این است که یک تانک فلزی پر از آب را در یک نقطه آفتاب‌گیر قرار دهیم. حرارت خورشید تانک فلزی و آب داخل آن را گرم می‌کند. در واقع این روشی بود که سیستم‌های SWH بسیار اولیه بیش از یک قرن پیش کار می‌کردند. البته این سیستم به دلیل در نظر نگرفتن اثر تعادل ناکارا بودند: به محض این که گرمایش تانک و آب شروع شود، حرارت دریافت شده شروع به پس داده شدن به محیط می‌کند و این تا زمانی که آب درون تانک به دمای محیط برسد ادامه پیدا می‌کند.

یک کلکتور ذخیره‌ای یک‌پارچه (integrated collector storage) یا ICS یا هیتر بچ (batch heater) از تانکی که به عنوان کلکتور و ذخیره عمل می‌کند، استفاده می‌کند. هیتر‌های بچ، تانک‌های نازک تختی هستند که یک سمت آن‌ها شیشه‌ای است که رو به محل خورشید در ظهر می‌باشد. این سیستم‌ها، ساده و ارزان‌تر از کلکتورهای صفحه‌ای و یا تیوبی هستند ولی در صورتی که بر روی بام نصب شوند، گاهی نیازمند مهارزنی بیش‌تری هستند زیرا زمانی که پر از آب شوند با وزن 200 تا 400 کیلوگرم، بسیار سنگین خواهند بود. همچنین این سیستم‌ها در شب از اتلاف انرژی رنج می‌برند زیرا سمتی که رو به خورشید است بسیار غیر عایق است و تنها برای آب و هوای گرم مناسب خواهد بود.

کلکتورهای بچ (batch collectors) یا ICS با قرار دادن تانک آب در یک جعبه ایزوله شده، اتلاف حرارتی را کاهش می‌دهند. این کار به وسیله قرار دادن تانک در یک جعبه که بالای آن شیشه‌ای است و امکان رسیدن نور خورشید را به تانک آب فراهم می‌کند انجام می‌شود. البته دیواره‌های دیگر تانک دارای عایق حرارتی هستند و جابه‌جایی و تابش حرارتی را به محیط کاهش می‌دهند. علاوه بر آن دیواره‌های درونی تانک می‌توانند آینه‌ای باشند که باعث می‌شود شار حرارتی تلف شده از دیواره تانک مجددا به تانک بازگردد. به بیان ساده می‌توان هیتر خورشیدی ICS را به عنوان تانک آبی در نظر گرفت که درون کوره‌ای محصور شده است که حرارت را از خورشید می‌گیرد و آب تانک را گرم می‌کند. استفاده از یک جعبه، اتلاف حرارتی تانک به محیط را حذف نمی‌کند ولی آن را به شدت کاهش می‌دهد.


یک سیستم واحد ذخیره حرارت جابه‌جایی (convection heat storage unit) یا CHS مشابه سیستم ICS است با این تفاوت که مخزن ذخیره و کلکتور از نظر فیزیکی از هم جدا هستند و انتقال بین این دو با جابه‌جایی سیال رخ می‌دهد. سیستم‌های CHS معمولا از کلکتورهای استاندارد صفحه تخت و یا تیوب‌های تخلیه‌ای استفاده می‌کنند و تانک ذخیره باید در بالای کلکتورها نصب شود تا جابه‌جایی به درستی انجام شود. مزیت اصلی سیستم‌های CHS نسبت به ICS این است که اتلاف حرارتی به شدت کم‌تر می‌شود زیرا:


  1. می‌توان مخزن ذخیره را بهتر عایق‌بندی کرد
  2. از آن‌جایی که پنل‌ها در زیر مخزن ذخیره قرار می‌گیرند، اتلاف حرارتی درون پنل‌ها باعث جابه‌جایی نمی‌شود و آب سرد ترجیح می‌دهد که در پایین‌ترین نقطه سیستم باقی بماند.

کلکتورهای ICS استاندارد، دارای مشخصه‌ای هستند که کارایی آن را به شدت محدود می‌کند: نسبت سطح به حجم پایین. از آن‌جایی که میزان حرارتی که تانک می‌تواند از خورشید جذب کند وابسته به سطحی از تانک است که در مقابل خورشید قرار گرفته است، سطح کوچک باعث محدود شده میزان گرمایش آب از خورشید می‌شود. انواع مختلفی از این طراحی اصلی وجود دارند. برخی از کلکتورهای ICS از مخزن‌های کوچک‌تر آب تشکیل شده‌اند و دارای تکنولوژی تیوب شیشه‌ای تخلیه‌ای هستند که به این نوع سیستم ICS، کلکتور تیوب بچ تخلیه‌ای (evacuated tube batch) یا ETB می‌گویند.

کلکتورهای صفحه تخت (flat plate collectors) ادامه‌ای برای ایده اصلی قرار دادن کلکتور در یک جعبه اجاقی با شیشه در جهت خورشید می‌باشند. بیش‌تر کلکتورهای صفحه تخت دارای دو لوله افقی در بالا و پایین هستند که به آن‌ها هدر گفته می‌شود و تعداد زیادی لوله عمودی این دو را به هم متصل می‌کنند که به آن‌ها رایزر می‌گویند. رایزرها به فین‌های جذب‌کننده جوش داده شده‌اند. سیال انتقال حرارت شامل آب یا آب مخلوط با ضد یخ، از مخزن آب ذخیره گرم (در سیستم مستقیم) و یا مبدل حرارتی (سیستم غیر مستقیم) به هدر پایینی کلکتورها پمپ می‌شود و در رایزرها به بالا می‌رود و حرارت را از فین‌های جذب‌کننده دریافت می‌کند و از هدر بالایی کلکتورها خارج می‌شود. کلکتورهای صفحه تخت مارپیچی کمی از این طرح هارپی (harp) متفاوت است و به جای آن از یک لوله که در کلکتور به بالا و پایین می‌رود استفاده می‌کنند. البته از آن‌جایی که نمی‌توانند آب را به خوبی درین کنند، کلکتورهای مارپیچی صفحه تخت نمی‌توانند در سیستم‌های درین‌بک مورد استفاده قرار گیرند.




شیشه‌ای که در کلکتورهای صفحه تخت مورد استفاده قرار می‌گیرد همیشه از نوع شیشه حرارت دیده کم آهن است. این نوع شیشه می‌تواند در مقابل تگرگ ایستادگی کند و این یکی از دلایلی است که باعث می‌شود کلکتورهای صفحه تخت بادوام‌ترین نوع کلکتور باشد.

کلکتورهای بدون شیشه (unglazed) یا فرمی (formed) مشابه کلکتورهای صفحه تخت هستند، به جز این که دارای عایق گرمایی نیستند و در نتیجه این نوع کلکتورها دارای راندمان پایین‌تری برای گرمایش آب خانگی هستند. البته برای گرمایش آب استخر آبی که گرم می‌شود اغلب خنک‌تر از دمای محیط بام است و در نتیجه فقدان عایق گرمایی به افزایش انتقال حرارت از محیط به هیتر کمک می‌کند.

کلکتورهای تیوب تخلیه‌ای (evacuated tube collectors) یا ETC راهی برای کاهش اتلاف حرارت به محیط اطراف که در صفحات تخت طبیعی است فراهم کرده‌اند. از آن‌جایی که اتلاف حرارتی ناشی از جابه‌جایی نمی‌تواند از خلاء عبور کند، یک مکانیزم عایق‌کاری با کارایی بالا برای نگهداری حرارت درون لوله‌های گرمایی ایجاد می‌شود. به دلیل این که دو صفحه تخت شیشه‌ای برای مقاومت در برابر خلاء مقاومت کافی را ندارند، به جای آن خلاء بین دو لوله هم‌مرکز ایجاد می‌شود. معمولا لوله‌کشی آب در یک ETC به وسیله دو لوله شیشه‌ای هم‌مرکز انجام می‌شود به صورتی که خلاء بین آن‌ها امکان ورود حرارت خورشید را برای گرمایش آب می‌دهد ولی بازگشت حرارت به محیط را مشکل می‌کند. لوله داخلی با مواد جاذب حرارتی پوشید شده است. عمر خلاء از یک کلکتور تا کلکتور دیگر متفاوت است ولی چیزی حدود 5 تا 15 سال می‌باشد.


در شرایط نور خورشید کامل، کلکتورهای صفحه تخت از نوع ETC راندمان بیش‌تری دارند. البته خروجی انرژی کلکتورهای صفحه تخت در شرایط هوای ابری یا شرایط نامساعد آب و هوایی کمی بیش‌تر از کلکتورهای تیوب تخلیه‌ای کاهش می‌یابد. بیش‌تر ETCها از شیشه آنیلی ساخته می‌شوند که نسبت به تگرگ شدید حساس هستند و در صورت بارش تگرگ در سایز توپ پینگ‌پونگ، خواهند شکست. ETCهایی که از شیشه ککی (coke glass) ساخته می‌شوند دارای ته رنگ سبز هستند و دارای استحکام بیش‌تری هستند ولی راندمان آن‌ها به علت کاهش شفافیت کمی کاهش می‌یابد.
 
Similar threads
Thread starter عنوان تالار پاسخ ها تاریخ
فاطمه یاس آب شیرین کن خورشیدی (solar powered desalination unit) انرژی های تجدید پذیر 0

Similar threads

بالا