کلکتور گرمایی خورشیدی (solar thermal collector)

فاطمه یاس

کاربر ممتاز
کلکتور گرمایی خورشیدی (solar thermal collector)، نوعی کلکتور خورشیدی است که برای جمع‌آوری حرارت جذب شده از نور خورشید طراحی شده است.

کلکتور وسیله‌ای است که برای تبدیل انرژی خورشیدی یا تابش خورشیدی به شکل قابل کاربرد و قابل ذخیره به کار می‌رود. میزان انرژی خورشیدی که به سطح زمین برخورد می‌کند، بر حسب شرایط آب و هوایی، مکان و جهت سطح، حدود 1000 وات بر متر مربع در آسمان صاف می‌باشد.

عبارت کلکتور خورشیدی مربوط به پنل‌های آب گرم خورشیدی (solar hot water panels) می‌باشد ولی می‌تواند به تاسیسات پیچیده‌تری همانند دستگاه‌های سهمی‌گون خورشیدی، برج‌های خورشیدی (solar towers) و یا تاسیسات با پیچیدگی کم‌تر همانند گرمایش هوای خورشیدی (solar air heat) مربوط باشد. معمولا نیروگاه‌های خورشیدی برای تولید الکتریسیته از کلکتورهای پیچیده‌تر برای گرم کردن آب و تولید بخاری استفاده می‌کنند که توربین متصل به یک ژنراتور الکتریکی را می‌گرداند. کلکتورهای ساده‌تر معمولا در ساختمان‌های مسکونی و تجاری برای گرمایش تکمیلی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع کلکتورهای خورشیدی مورد استفاده در جمع‌آوری حرارت


کلکتورهای خورشیدی به دو دسته تقسیم می‌شوند:

  • غیر تمرکزی (non-concentrating)
  • تمرکزی (concentrating)
در نوع غیر تمرکزی، مساحت کلکتور (مساحتی که در معرض تابش خورشید قرار دارد) با مساحت جذب‌کننده (مساحتی که تابش را جذب می‌کند) برابر است. در این کلکتورها، کل پنل خورشیدی نور را جذب می‌کند.
کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت (flat plate) و تیوب خلاء (evacuated-tube) برای جمع آوری حرارت در گرمایش فضایی، آب گرم خانگی و یا سرمایش با چیلر جذبی به کار می‌روند.



کلکتور ذخیره‌ای یک‌پارچه (Integral collector storage) یا ICS، روشی است برای ذخیره انرژی گرمایی در داخل کلکتور. با این که یک کلکتور گرمایی استاندارد، کمی ظرفیت گرمایی در پایپینگ خود دارد، ICS برای افزایش ظرفیت مایع ذخیره‌سازی کلکتور، از پایپینگ با سایز بزرگ‌تر و یا کانال‌های مستطیلی بزرگ استفاده می‌کنند که این ظرفیت گرمایی اضافه‌ای را به کلکتور می‌دهد، بدون این که نیاز به مخزن ذخیره عایق، به صورت جداگانه وجود داشته باشد.


کلکتورهای با صفحه تخت


کلکتورهای صفحه تخت (flat plate collectors) معمول‌ترین نوع کلکتور هستند. این کلکتور شامل بخش‌های زیر هستند:

  1. ابزوربر یا جذب‌کننده انرژی خورشیدی با صفحه تخت تیره
  2. پوشش شفاف که امکان عبور انرژی خورشیدی را می‌دهد ولی تلفات حرارتی را کاهش می‌دهد
  3. سیال حمل حرارت شامل هوا، ضد یخ یا آب برای خارج کردن حرارت از جذب کننده
  4. پشت‌بند عایق حرارتی.



جذب‌کننده از یک ورق جاذب نازک از پلی‌مرهای پایدار در مقابل گرما، آلومینیوم، فولاد یا مس که یک پوشش سیاه تیره بر روی آن قرار گرفته است تشکیل شده است. در پنل‌های حرارتی آبی، سیال معمولا از میان لوله‌هایی می‌گذرد که حرارت را از جذب‌کننده به یک تانک آب عایق می‌رسانند که این کار می‌تواند به وسیله یک مبدل حرارتی (heat exchanger) انجام شود. بیش‌تر سازندگان گرم‌کننده‌های هوا و برخی از سازندگان گرم‌کنند‌ه‌های آب از یک جذب‌کننده با جریان کامل استفاده می‌کنند که شامل دو ورق فلزی هستند که سیال از بین آن‌ها می‌گذرد. از آن‌جایی که سطح تبادل حرارت بیش‌تر می شود، این دستگاه‌ها بسیار کاراتر از جذب‌کننده‌های معمولی هستند.




نور خورشید از شیشه عبور می‌کند و با صفحه جذب‌کننده برخورد می‌کنند و در آن‌جا در اثر تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی گرمایی، گرم می‌شود. حرارت با گذر از لوله‌های متصل به صفحه جذب‌کننده، به مایع منتقل می‌شود. صفحات جذب‌کننده با استفاده از پوشش‌های انتخابی (selective coatings) رنگ می‌شود که این باعث جذب و ماندن بهتر حرارت نسبت به رنگ‌های معمولی سیاه می‌شود. صفحات جذب‌کننده معمولا از فلز ساخته می‌شوند زیرا فلز رسانای حرارتی خوبی است. مس گران‌تر است ولی رسانای بهتری است و نسبت به آلومینیوم کم‌تر در معرض خوردگی می‌باشد. در مکانی‌هایی که انرژی خورشیدی معمولا موجود است، کلکتورهای صفحه تخت معمولا برای تولید یک گالن آب گرم در روز، دارای سایز یک فوت مربع خواهند شد.

چند آرایش برای پایپینگ ابزوربر وجود دارد:

  • هارپ (harp): طراحی سنتی با لوله‌های رایزر در پایین و لوله جمع‌آوری در بالا که در سیستم‌های کم‌فشار ترموسیفونی (thermosiphon) و پمپی استفاده می‌شود
  • پیچشی (serpentine): یک S پیوسته که دما را به حداکثر می رساند ولی در سیستم‌های با جریان متغیر، تمام انرژی را جمع نمی‌کند. این آرایش در سیستم‌های خانگی کوچک برای تولید آب گرم تنها (بدون نقش گرمایش فضا) به کار می‌روند.
  • ابزوربر سیل‌آبی (completely flooded absorber) که از دو ورق فلز تشکیل شده است که در بین خود یک فضای سیرکولاسیون ایجاد می‌کنند.
  • کلکتور ابزروبر لایه مرزی (boundary layer absorber) که از چند لایه از ورق‌های شفاف و تیره تشکیل شده است و امکان جذب در لایه مرزی را می‌دهد. از آن‌جایی که انرژی خورشیدی در لایه مرزی جذب می‌شود، نسبت به کلکتورهایی که حرارت جذب شده قبل از این که در مایع در گردش جمع شود، به وسیله رسانایی از یک ماده عبور می‌کند، تبدیل حرارت می‌تواند با کارایی بیش‌تری انجام شود.

به عنوان جایگزینی برای کلکتورهای فلزی، صفحات تخت پلی‌مری جدید در اروپا تولید می‌شوند که می‌توانند از پلی‌مر تنها و یا شامل ورق‌های فلزی در جلوی کانال‌های آب مقاوم به یخ‌زدگی از جنس لاستیک‌های سیلیکونی باشند. پلی‌مر‌ها انعطاف‌پذیر و در نتیجه مقاوم به یخ‌زدگی هستند و امکان استفاده از آب تنها را به جای استفاده از ضد یخ فراهم می‌کنند و در نتیجه می‌توانند به جای استفاده از مبدل‌های حرارتی که باعث کاهش راندمان می‌شوند، به صورت مستقیم به تانک آب موجود لوله‌کشی شوند. با حذف مبدل حرارتی در این پنل‌های صفحه تخت، نیاز نیست که برای روشن شدن سیستم سیرکولاسیون، دما خیلی بالا برود و بنابراین چنین پنل‌های سیرکولاسیون مستقیمی، چه پلی‌مر باشند و یا غیر از آن، کارایی بیش‌تری دارند؛ مخصوصا در سایز‌های کوچک‌تر.

برخی از کلکتورهای اولیه با پوشش انتخابی پلی‌مری، در صورت عایق شدن از بیش‌گرم شدن گذشتن دمای آن از دمای ذوب پلی‌مر رنج می‌بردند. به عنوان مثال دمای ذوب پلی‌پروپیلن 160 درجه سانتی‌گراد است در حالی که دمای کلکتورهای گرمایی عایق شده در صورتی که از استراتژی‌های کنترلی استفاده نکنیم، از 180 درجه سانتی‌گراد بیش‌تر می‌شود. به همین دلیل برای کلکتورهای خورشیدی شیشه‌دار با پوشش انتخابی اغلب از پلی‌پروپیلن استفاده نمی‌شود. امروزه بیش‌تر از پلی‌مرهایی همانند سیلیکون‌های دما بالا با دمای ذوب بیش از 250 درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود.

در مناطقی که امکان یخ‌زدگی وجود دارد، تحمل یخ‌زدگی، به معنی قابلیت یخ زدن مکرر بدون ترک خوردن، به وسیله استفاده از پلی‌مرهای انعطاف‌پذیر به دست می‌آید. از سال 1999 در بریتانیا از لوله‌های سیلیکونی لاستیکی برای این منظور استفاده شده است. با توجه به این که کلکتورهای فلزی معمولی در معرض آسیب یخ‌زدگی هستند، باید لوله‌کشی آن‌ها به صورتی باشد که بتوانند با استفاده از گرانش و قبل از رخ دادن یخ‌زدگی، تخلیه شوند. بسیاری از کلکتورهای فلزی، بخشی از یک سیستم مبدل حرارتی آب‌بندی شده هستند که در این صورت به جای این که آب آشامیدنی مستقیما در کلکتورهای جریان یابد، مخلوطی از آب و ضدیخی همانند پروپیلن گلیکول به عنوان سیال انتقال حرارت به کار می‌رود که نسبت پروپیلن گلیکول در مخلوط بستگی به ریسک دما در منطقه دارد. استفاده از گلیکول باعث کم شدن ظرفیت حمل حرارت آب و افزایش سطح مبدل حرارتی می‌شود که می‌تواند باعث کم شدن کارایی سیستم می‌شود.

کاربرد کلکتورهای صفحه تخت


کاربرد اصلی این تکنولوژی در ساختمان‌های مسکونی است که در آن‌ها مصرف آب گرم تاثیر زیادی در قبض انرژی دارد. این معمولا شامل خانواده‌های بزرگ یا شرایطی که مصرف آب گرم به دلیل لباس‌شویی بالا است می‌شود. کاربردهای تجاری شامل لباس‌شویی‌ها، کارواش‌ها و غذاخوری‌ها می‌شود. در صورتی که ساختمان به شبکه برق وصل نباشد یا این که برق به صورت مرتب در معرض قطع شدن باشد، این تکنولوژی می‌تواند برای گرمایش فضا نیز به کار رود.

کلکتورهای مایع بدون شیشه معمولا برای گرمایش استخرها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آن‌جایی که این کلکتورها نیاز به تامین دماهای بالا ندارند، می‌توانند از مواد ارزان‌تری همانند پلاستیک و یا لاستیک ساخته شوند. همچنین نیاز به ضد یخ‌زدگی بودن نیز ندارند زیرا معمولا تنها در هوای گرم استفاده می‌شوند و در فصل سرد تخلیه می‌شوند.

کلکتورهای تیوب خلاء



بیش‌تر کلکتورهای تیوب خلاء (evacuated tube collectors) در اروپا به جای عبور مستقیم مایع از میان آن‌ها، از لوله‌های حرارتی (heat pipes) استفاده می‌کنند. تیوب‌های تخلیه لوله‌های حرارتی (evacuated heat pipe tubes) یا EHPT از چند لوله شیشه‌ای تخلیه شده استفاده می‌کنند که هر کدام دارای یک صفحه ابزوربر هستند که بر روی یک لوله حرارتی متمرکز شده‌اند. حرارت از انتهای گرم لوله‌های حرارتی به وسیله یک مبدل حرارتی به نام منیفولد (manifold)، به سیال انتقال‌دهنده (همانند آب یا مخلوط ضد یخ) یک سیستم آب گرم خانگی یا گرمایش فضا و منتقل می‌شود. منیفولد درون عایق پیچیده شده است.





خلائی که اطراف لوله را گرفته است، اتلاف حرارتی ناشی از جابه‌جایی و رسانایی با خارج را کاهش می‌دهد و در نتیجه راندمان‌های بالاتری نسبت به کلکتورهای صفحه تخت می‌دهد، مخصوصا در شرایط سردتر. این مزیت در آب و هوای زمستانی تا حد زیادی از دست می‌رود، مگر در حالت‌هایی که آب بسیار گرم مد نظر باشد، همانند آب فرآیندی تجاری. دماهای بالایی که به وجود می‌آیند نیاز به طراحی ویژه‌ای دارند تا از بیش‌گرم شدن جلوگیری شود.


برخی از تیوب‌های خلاء (شیشه-فلز) از یک لایه شیشه تشکیل شده‌اند که از بالا به لوله حرارتی جوش خورده است و لوله حرارتی را با خلاء احاطه می‌کند. برخی انواع دیگر (شیشه-شیشه) از دو لایه از شیشه تشکیل شده‌اند که در یک یا دو انتها به هم جوش خورده‌اند و بین آن‌ها خلاء وجود دارد (همانند فلاسک) که در آن ابزوربر و لوله حرارتی در فشار نرمال اتمسفر هستند. تیوب‌های شیشه-شیشه دارای آب‌بند خلاء با قابلیت بالایی هستند ولی دو لایه شیشه باعث کم شدن نوری می‌شود که به ابزوربر می‌رسد. رطوبت می‌تواند به منطقه غیر تخلیه تیوب برسد و باعث خوردگی ابزوربر بشود. تیوب های شیشه-فلز اجازه رسیدن نور بیش‌تری را به ابزوربر می دهند و از ابزوربر و لوله حرارتی در مقابل خوردگی محافظت می کنند حتی اگر از مواد غیر مشابهی ساخته شده باشند.


مقایسه کلکتورهای صفحه تخت و تیوب تخلیه


بحث قدیمی بین طرف‌داران این دو تکنولوژی وجود دارد که بخشی از آن مربوط به ساختار فیزیکی کلکتورهای تیوب تخلیه است که دارای سطح جذب ناپیوسته هستند. یک آرایه از لوله های تخلیه بر روی بام، دارای فضای بازی بین لوله‌های کلکتور و خلاء بین هر دو لوله شیشه‌ای هم مرکز هر کلکتور می‌شود. تنها کسری از یک واحد مساحت از بام به وسیله کلکتورها پوشیده می‌شود. در صورتی که کلکتورهای لوله تخلیه بر اساس مساحت اشغال شده در بام، با کلکتورهای صفحه تخت مقایسه شوند، نتیجه متفاوتی نسبت به زمانی به دست می‌آید که مساحت‌های ابزوربرها با هم مقایسه می‌شوند. بر اساس روشی که استاندارد ایزو 9806 بیان می‌کند، روش محاسبه راندمان کلکتورهای گرمایی خورشیدی دو پهلو است زیرا هم می‌تواند بر حسب مساحت غیر خالص و هم بر حسب مساحت ابزوربر محاسبه شود. متاسفانه خروجی توان در کلکتورهای گرمایی برخلاف پنل‌های فتو ولتاییک (PV) وجود ندارد. این باعث می‌شود که خریداران و مهندسان نتوانند تصمیم آگاهانه بگیرند.


کلکتورهای صفحه تخت معمولا نسبت به تیوب‌های تخلیه‌ای حرارت بیش‌تری را به محیط پس می‌دهند. این اتلاف با افزایش اختلاف دمای بین سیال حامل حرارت و محیط زیاد‌تر و باعث می‌شود که برای کاربردهای با دمای بالا همانند تولید بخار فرآیندی مناسب نباشند. از طرف دیگر کلکتورهای تیوب تخلیه‌ای معمولا نسبت به کلکتورهای صفحه تخت، دارای نسبت مساحت صفحه ابزوربر به مساحت ناخالص کم‌تری هستند (معمولا 60 تا 80 درصد از مساحت ناخالص).




هیچ مدرک واضحی برای این که این دو تکنولوژی کلکتور از نظر قابلیت اعتماد در زمان طولانی نسبت به هم برتری داشته باشند وجود ندارد. البته تکنولوژی تیوب تخلیه‌ای جوان‌تر است و هنوز نیاز به اثبات خود در زمان طولانی در مقایسه با صفحات تخت دارد. ماژولار بودن تیوب‌های تخلیه‌ای از نظر قابلیت توسعه و نگه‌داری در مثلا زمانی که خلاء یکی از تیوب‌ها مشکل پیدا می‌کند، یک مزیت محسوب می‌شود.

برای یک سطح ابزوربر مشخص، تیوب‌های تخلیه‌ای می‌توانند کارایی خود را در یک بازه گسترده‌ای از دمای محیط و مصرف حرارت حفظ کنند. در بیش‌تر شرایط آب و هوایی، کلکتورهای صفحه تخت از نظر هزینه نسبت به تیوب‌های تخلیه‌ای برتری دارند. کلکتورهای تیوب تخلیه‌ای کارا ولی گران، زمانی که به صورت آرایه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و با در نظر گرفتن مبنای متر مربعی، در زمستان دارای مزیت مطلق هستند و در تابستان برتری بیش‌تری دارند و برای دماهای محیط سرد و نور خورشید ضعیف مناسب هستند و نسبت به کلکتورهای صفحه تخت به ازای هر متر مربع از کلکتور حرارت را یک‌نواخت‌تر فراهم می‌کنند. از طرف دیگر گرمایش آب به میزان متوسط تا کم به وسیله کلکتورهای صفحه تخت با کارایی بیش‌تری انجام می‌شود. آب گرم خانگی اغلب در این دسته‌بندی قرار می‌گیرد.

کلکتورهای گرمایش هوا



کلکتورهای گرمایش هوای خورشیدی (solar air heat collectors)، به صورت مستقیم هوا را برای گرمایش فضا گرم می‌کنند. همچنین این کلکتورها برای پیش‌گرم کردن هوای جبرانی در سیستم‌های تجاری و صنعتی HVAC به کار می‌روند و به دو دسته تقسیم می‌شوند: شیشه‌دار و بدون شیشه.



سیستم‌های شیشه‌دار دارای یک ورق بالایی شفاف و صفحات کناری عایق هستند و اتلاف حرارتی را به هوای اطراف به حداقل می‌رسانند. در پنل‌های مدرن صفحات ابزوربر دارای قابلیت جذب بیش از 93 درصد هستند. هوا از جلو یا عقب صفحه ابزوربر عبور می‌کند و حرارت را به صورت مستقیم از آن جذب می‌نماید. هوای گرم شده مستقیما برای کاربردهای آن همانند گرمایش فضا و رطوبت‌زدایی و یا ذخیره برای استفاده بعدی توزیع می‌شود.

این تکنولوژی جزو کاراترین، قابل اعتمادترین و اقتصادی ترین تکنولوژی‌های خورشیدی موجود است. دوره بازگشت سرمایه پنل‌های خورشیدی هوایی شیشه‌دار کم‌تر از 9 تا 15 سال بر حسب سوختی است که جایگزین آن می‌شود.



کاسه خورشیدی


کاسه خورشیدی (solar bowl) نوعی کلکتور گرمایی خورشیدی است که همانند یک دیش سهمی‌گون (parabolic dish) عمل می‌کند ولی به جای استفاده از آینه سهمی‌گون ترکینگ یا دنبال‌کننده با دریافت‌کننده ثابت، دارای یک آینه کروی ثابت و یا دریافت‌کننده ترکینگ است. این باعث کاهش کارایی می‌شود ولی ساخت و بهره‌برداری از آن را ارزان‌تر می‌کند. طراحان به آن سیستم توان خورشیدی کانونی توزیع شده آینه ثابت (fixed mirror distributed focus solar power system) می‌گویند. دلیل اصلی ساخت آن، حذف هزینه حرکت دادن یک آینه بزرگ برای دنبال کردن خورشید همانند آن‌چه که در سیستم‌های دیش‌های سهمی‌گون انجام می‌شود می‌باشد.

زمانی که خورشید در آسمان حرکت می‌کند، آینه سهمی‌گون ثابت از آن تصاویر با اشکال مختلفی می‌سازد. زمانی که آینه مستقیم به سمت خورشید اشاره می‌کند، نور آن در یک نقطه متمرکز می‌شود. به همین دلیل است که سیستم‌های دیش سهمی‌گون خورشید را دنبال می‌کنند. آینه کروی ثابت بدون توجه به مکان خورشید در آسمان، نور را در یک نقطه متمرکز می‌کنند. البته نور به یک نقطه ثابت هدایت نمی‌شود و در یک خط از سطح آینه تا نصف شعاع آن توزیع می‌شود (در طول خطی که از مرکز کره به خورشید می‌رود).

زمانی که خورشید در آسمان حرکت می‌کند، میزان دید کلکتور ثابت تغییر می‌کند. این باعث تغییر در میزان نور خورشید دریافت شده و باعث ایجاد چیزی می‌شود که به آن اثر سینوسی توان خروجی می‌گویند. طرف‌داران طرح کاسه خورشیدی ادعا می‌کنند که کاهش توان کلی خروجی در مقایسه با آینه‌های ترکینگ سهمی‌گون، با هزینه‌های کم‌تر سیستم جبران می‌شود.

نور خورشید که در خط کانونی یک آینه کروی متمرکز می‌شود با استفاده از یک دریافت‌کننده ترکینگ جمع‌آوری می‌شود. این دریافت‌کننده حول خط کانونی می‌چرخد و معمولا دارای توازن متقابل است. دریافت‌کننده شامل لوله‌هایی می‌شود که سیالی را برای انتقال حرارت حمل می‌کنند و یا سلول‌های فتو ولتاییک برای تبدیل نور به برق هستند.

انواع کلکتورهای خورشیدی برای تولید برق


ناودانی‌ سهمی‌گون




کلکتور ناودانی سهمی‌گون (parabolic tough) بیش‌تر در نیروگاه‌های خورشیدی کاربرد دارد. یک آینه سهمی‌گون به شکل ناودانی برای متمرکز کردن نور خورشید بر روی یک تیوب عایق و یا لوله حرارتی که در نقطه کانونی آن قرار دارد به کار می‌رود که شامل مایع خنک‌کاری است که حرارت را از کلکتورها به بویلرهای نیروگاه می‌رساند.



دیش سهمی‌گون


دیش سهمی‌گون (parabolic dish) قدرت‌مندترین نوع کلکتور است. یک یا چند دیش سهمی‌گون انرژی خورشیدی را در یک نقطه کانونی متمرکز می‌کنند. این هندسه در کوره‌های خورشیدی (solar furnaces) و نیروگاه‌های خورشیدی کاربرد دارد.


در طراحی یک دیش کلکتور باید دو پدیده کلیدی را درک کنیم. یکی این است که شکل سهمی به صورتی تعریف شده است که پرتوهای ورودی که با محور دیش موازی هستند، به سمت کانون آن بازتاب می‌شوند. دومین کلید این است که پرتو‌های نوری که از خورشید به سطح زمین می‌آیند، تقریبا با هم موازی هستند. بنابراین اگر بتوان محور دیش را به سمت خورشید نشانه گرفت، تقریبا تمام تابش ورودی به سمت نقطه کانونی آن متمرکز می‌شود و بنابراین بیش‌تر تلفات این نوع کلکتورها به دلیل عیب در شکل سهمی و بازتابش غیر ایده‌آل است.


برج قدرت


برج قدرت (power tower)، یک برج بزرگی است که اطراف آن را آینه‌های دنبال‌کننده‌ای به نامهلیوستات (heliostats) در بر گرفته‌اند. این آینه‌ها خود را تنظیم می‌کنند و نور خورشید به بر روی دریافت‌کننده‌ای در بالای برج متمرکز می‌کنند و حرارت از آن‌جا به نیروگاهی که در زیر آن قرار گرفته است منتقل می‌شود.


 
بالا