مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة BTE: المكونات والتكنولوجيا والتطبيقات لأنظمة الطاقة الشمسية الحرارية منخفضة الحرارة عالية الكفاءة

المكونات الأساسية لاستخدام الطاقة الشمسية الحرارية منخفضة الحرارة

تُعدّ المجمعات الشمسية ذات الصفائح المسطحة مكونات أساسية للاستخدام الحراري الشمسي منخفض الحرارة. وهي مكونات غير مركزة في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية، تستقبل الإشعاع الشمسي وتنقل الحرارة إلى وسط ناقل للحرارة. تتكون المجمعات الشمسية ذات الصفائح المسطحة بشكل أساسي من ممتص حرارة، وغطاء شفاف، وطبقة عازلة، وغلاف خارجي. ممتص الحرارة هو في الأساس صفيحة مسطحة. عند تشغيل المجمع الشمسي ذي الصفائح المسطحة، يمر الإشعاع الشمسي عبر الغطاء الشفاف ويسقط على ممتص الحرارة، حيث يُمتص ويتحول إلى طاقة حرارية. ثم تنتقل هذه الحرارة إلى وسط ناقل الحرارة داخل الممتص، مما يرفع درجة حرارته ويوفر طاقة مفيدة من المجمع.

المكونات والميزات

تُعدّ المجمعات الشمسية ذات الصفائح المسطحة مكونات أساسية لاستخدام الطاقة الشمسية الحرارية منخفضة الحرارة، ولطالما كانت منتجًا رائدًا في سوق الطاقة الشمسية العالمي. تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك تسخين المياه المنزلية، وتدفئة حمامات السباحة، وتسخين المياه الصناعية، وتدفئة المباني، وتكييف الهواء. تتكون المجمعات الشمسية ذات الصفائح المسطحة بشكل أساسي من ماص للحرارة، وغطاء شفاف، وطبقة عازلة، وغلاف خارجي. سخان المياه الشمسي ذو الصفائح المسطحة هو سخان مياه يستخدم مجمعًا شمسيًا ذا صفائح مسطحة، ونظام تسخين المياه الشمسي ذو الصفائح المسطحة هو نظام مياه ساخنة يستخدم مجمعًا شمسيًا ذا صفائح مسطحة.

تتميز هذه المواد بالبناء البسيط، ومساحة امتصاص الحرارة الكبيرة، ومقاومة الضغط العالي، وعمر الخدمة الطويل، ومقاومة التلف، وسهولة التكامل المعماري.

لوحة امتصاص الحرارة

هذا هو المكوّن الموجود في المجمع الشمسي ذي اللوحة المسطحة، والذي يمتص الإشعاع الشمسي وينقل الحرارة إلى وسيط نقل الحرارة. وهو في الأساس لوحة مسطحة. 

بناء

عادةً ما تُرتَّب ألواح امتصاص الحرارة المسطحة مع أنابيب ورؤوس. تُرتَّب الأنابيب طوليًا على ألواح امتصاص الحرارة لتُشكِّل مسار تدفق السائل؛ أما الرؤوس فهي المكونات التي تربط عدة أنابيب عرضيًا عند الطرفين العلوي والسفلي لألواح امتصاص الحرارة، مُشكِّلةً مسار تدفق السائل. يُمكن تصنيع ألواح امتصاص الحرارة من مواد مُتنوعة، بما في ذلك النحاس، وسبائك الألومنيوم، ومركب النحاس والألومنيوم، والفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ المجلفن، والبلاستيك، والمطاط. تشمل الأنواع الهيكلية ما يلي:

١. نوع الأنبوب والصفائح: تُوصل الأنابيب والصفائح المسطحة بطريقة محددة لتشكيل شريط امتصاص الحرارة، ثم يُلحم بالوصلات العلوية والسفلية لتشكيل صفيحة امتصاص الحرارة. هذا النوع هو الأكثر استخدامًا محليًا ودوليًا.

٢. أنبوب ذو زعانف: يُشكَّل شريط ماص للحرارة مزود بزعانف مثبتة على جانبي الأنبوب المعدني باستخدام عملية بثق وسحب. ثم يُلحم هذا الشريط بالرأسين العلوي والسفلي لتشكيل صفيحة امتصاص الحرارة.

٣. نوع الصندوق المسطح: تُصنع صفيحة امتصاص الحرارة من صفيحتين معدنيتين منفصلتين بالختم، ثم تُلحمان معًا. النوع الثعباني: يُثنى الأنبوب المعدني على شكل ثعبان، ثم يُلحم بصفيحة مسطحة لتشكيل صفيحة امتصاص حرارة. يُستخدم هذا النوع من الهياكل على نطاق واسع في الخارج.

الطلاءات الماصة للطاقة الشمسية

ولتحقيق أقصى قدر من امتصاص الإشعاع الشمسي وتحويله إلى حرارة، يجب تغطية الممتص بطبقة داكنة تعرف باسم طبقة امتصاص الطاقة الشمسية.

يمكن تقسيم الطلاءات الماصة للأشعة الشمسية إلى فئتين: غير انتقائية وانتقائية. الطلاءات غير الانتقائية هي تلك التي لا تعتمد خصائصها البصرية على طول موجة الإشعاع؛ بينما الطلاءات الانتقائية هي تلك التي تختلف خصائصها البصرية اختلافًا كبيرًا مع طول موجة الإشعاع.

يمكن تحضير الطلاءات الماصة الانتقائية باستخدام طرق متنوعة، بما في ذلك الرش، والطرق الكيميائية، والطرق الكهروكيميائية، والتبخير الفراغي، والرش المغناطيسي. يمكن لمعظم الطلاءات الماصة الانتقائية المُحضرة باستخدام هذه الطرق تحقيق نسبة امتصاص شمسي (SAR) أعلى من 0.90، إلا أن نطاقات انبعاثيتها القابلة للتحقيق تتفاوت بشكل كبير. من منظور أداء الانبعاثية، ينبغي أن يكون ترتيب هذه الطرق من حيث الكفاءة: الرش المغناطيسي، والتبخير الفراغي، والطرق الكهروكيميائية، والطرق الكيميائية، والرش. وبالطبع، لكل طريقة نطاق محدد من قيم الانبعاثية، وتعتمد الانبعاثية الفعلية للطلاء على درجة تحسين عملية تحضيره.

مواد

يُستخدم نحاس TP2 في أنابيب التوصيل الرئيسية والفرعية. يُعدّ نحاس TP2 المُزال أكسدة النحاس والفوسفور مادة خام عالية النقاء، تُنتَج بالصهر. يُزال الأكسجين المُتولد في النحاس المُصهور باستخدام فوسفور مُؤازر للأكسجين (P)، مما يُقلل محتواه من الأكسجين إلى أقل من 100 جزء في المليون. يُحسّن هذا من ليونته، ومقاومته للتآكل، وموصليته الحرارية، وقابليته للحام، وقابليته للتشكيل، مع مقاومته لهشاشة الهيدروجين في درجات الحرارة العالية. الخصائص والتطبيقات: يتميز بمحتوى أكسجين منخفض للغاية، ونقاء عالٍ، وموصلية كهربائية وحرارية ممتازة، وقابليته للتشكيل ممتازة، ونفاذية هواء منخفضة، وهشاشة هيدروجين ضئيلة أو معدومة. كما يُوفر قابلية تشكيل ممتازة، وقابلية لحام، ومقاومة للتآكل، ومقاومة ممتازة للطقس البارد.

لوحة غطاء شفافة

الغطاء الشفاف هو مكون شفاف (أو شبه شفاف) يُغطي لوح الامتصاص في المجمع الشمسي ذي اللوح المسطح. له ثلاث وظائف رئيسية: أولاً، ينقل الإشعاع الشمسي ويوجهه إلى لوح امتصاص الحرارة؛ ثانياً، يحمي لوح امتصاص الحرارة من الغبار والمطر والثلج؛ ثالثاً، يُحدث ظاهرة الاحتباس الحراري، مما يمنع لوح امتصاص الحرارة من تبديد الحرارة إلى البيئة المحيطة عبر الحمل الحراري والإشعاع عند ارتفاع درجة الحرارة. 

مادة

هناك نوعان رئيسيان: الزجاج المسطح والألياف الزجاجية. يُستخدم الزجاج المسطح حاليًا على نطاق واسع محليًا ودوليًا.

يتميز الزجاج المسطح بنفاذية منخفضة للأشعة تحت الحمراء، وموصلية حرارية منخفضة، ومقاومة ممتازة للعوامل الجوية. ومع ذلك، فإن نفاذية الشمس ومقاومة الصدمات هما عاملان رئيسيان في اختيار الزجاج المسطح. حاليًا، أكثر مواد التغطية الشفافة شيوعًا هي الزجاج المسطح بسمك 3-5 مم، أو الزجاج المقسّى فائق النقاء منخفض الحديد، أو الزجاج المقسّى فائق النقاء منخفض الحديد. يتميز هذا الزجاج بنفاذية عالية، ومقاومته للبرد والصدمات، كما أنه آمن وموثوق. سماكة الزجاج الشائعة هي 3.2 مم و4.0 مم. الزجاج فائق النقاء هو نوع من الزجاج فائق الشفافية منخفض الحديد، والمعروف أيضًا باسم الزجاج منخفض الحديد أو الزجاج عالي الشفافية. تتميز صفائح FRP (أي صفائح البلاستيك المقوى بألياف الزجاج) بنفاذية عالية للشمس، وموصلية حرارية منخفضة، ومقاومة عالية للصدمات؛ ومع ذلك، بالنسبة لصفائح FRP، فإن نفاذية الأشعة تحت الحمراء ومقاومة الطقس هما عاملان يستدعيان الاهتمام. يُظهر منحنى النفاذية أحادية اللون مقابل الطول الموجي لصفائح البلاستيك المقوى بألياف الزجاج (FRP) أن النفاذية أحادية اللون لا تقتصر على ارتفاعها عند 2 بيكومتر، بل تتجاوزها أيضًا عند 2.5 بيكومتر. لذلك، عادةً ما تكون نفاذية أشعة الشمس لصفائح البلاستيك المقوى بألياف الزجاج (FRP) أعلى من 0.88، كما أن نفاذيتها للأشعة تحت الحمراء أعلى بكثير من نفاذية الزجاج المسطح. تُقلل صفائح البلاستيك المقوى بألياف الزجاج (FRP) من درجة الضرر الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية باستخدام راتنجات عالية الطاقة وطبقات هلامية. مع ذلك، لا يُمكن مقارنة عمر خدمة صفائح البلاستيك المقوى بألياف الزجاج (FRP) بعمر خدمة الزجاج المسطح، وهو مادة غير عضوية. نادرًا ما تُستخدم صفائح البلاستيك المقوى بألياف الزجاج (FRP) كأغطية للمجمعات، وتُستخدم حاليًا فقط في بعض المنتجات منخفضة الجودة.

طبقة العزل

طبقة العزل هي أحد مكونات المجمع الحراري، وتمنع فقدان الحرارة من الممتص إلى البيئة المحيطة بالتوصيل. تشمل المواد المستخدمة في طبقة العزل الصوف الصخري، والصوف الزجاجي، والبولي يوريثان، والبوليسترين. ويُعدّ الصوف الزجاجي الأكثر استخدامًا حاليًا.

مواد العزل عالية الكفاءة

رغوة الفينول (PF) هي نوع جديد من مواد العزل يُحسّن كفاءة مجمعات الطاقة الشمسية ذات الألواح المسطحة. ويعتمدها المصنعون تدريجيًا. رغوة الفينول هي بلاستيك رغوي صلب ذو خلايا مغلقة، يُصنع عن طريق رغوة راتنج الفينول ومعالجته بمجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك المستحلبات، وعوامل الرغوة، وعوامل المعالجة، وإضافات أخرى، من خلال تركيبة علمية.

يمكن تلخيص خصائص الرغوة الفينولية على النحو التالي:

1. أداء عزل حراري ممتاز، مع توصيل حراري <0.03 واط/م·ك.

٢. درجة حرارة تشغيل عالية. يمكن للرغوة الفينولية العمل لفترات طويلة في درجات حرارة تتراوح بين -٢٠٠ درجة مئوية و١٦٠ درجة مئوية (مع السماح بدرجات حرارة مؤقتة تبلغ ٢٥٠ درجة مئوية) دون انكماش.

٣. مقاومة ممتازة للعوامل الجوية. حتى مع التعرض لفترات طويلة لدرجات الحرارة المرتفعة، يحافظ على خصائص عزل حراري ممتازة، ولا يُطلق أي مواد متطايرة قد تحجب الإشعاع الشمسي.

٤. عدم قابلية الاشتعال. تقاوم رغوة الفينول (بسمك ١٠٠ مم) اللهب لأكثر من ساعة دون أن تخترقها النيران، ولا تنبعث منها أدخنة أو غازات ضارة. عند تعرضها للهب المكشوف، تُشكل رغوة الفينول طبقة كربون هيكلية على سطحها، مما يمنع التنقيط أو التجعد أو الذوبان. بعد الاحتراق، تتشكل طبقة من الجرافيت من الكربون الهيكلي على السطح، مما يحمي البنية الداخلية للرغوة بفعالية.

٥. صديق للبيئة. باستخدام تقنية رغوة خالية من الفلور وبدون ألياف، يُلبي المعايير البيئية الوطنية والدولية.

سماكة

يُحدَّد سُمك طبقة العزل بناءً على عوامل مثل المادة المستخدمة، ودرجة حرارة تشغيل المُجمِّع، والظروف المناخية لمنطقة الاستخدام. كقاعدة عامة، كلما زادت الموصلية الحرارية للمادة، ارتفعت درجة حرارة تشغيل المُجمِّع، وكلما انخفضت درجة الحرارة في منطقة الاستخدام، زاد سُمك طبقة العزل. عادةً، يتراوح سُمك طبقة العزل السفلية بين 30 و50 مم، وتكون طبقات العزل الجانبية مُتساوية تقريبًا في السُمك.

السكن

يحمي الغلاف ويؤمّن الماص والغطاء الشفاف وطبقة العزل داخل المجمع. ويتطلب الغلاف، حسب وظيفته، مستوى معينًا من القوة والصلابة، وإحكامًا جيدًا ومقاومة للتآكل، ومظهرًا جماليًا جذابًا. 

تشمل المواد المستخدمة في هيكل المجمع سبائك الألومنيوم، والفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ الكربوني، والبلاستيك، والألياف الزجاجية. ولتحسين إحكام الهيكل، تستخدم بعض المنتجات عملية صب ضغط أحادية اللقطة باستخدام الفولاذ الكربوني. حاليًا، المادة الأكثر شيوعًا في هيكل المجمع ذي اللوحة المسطحة هي سبائك الألومنيوم والفولاذ الكربوني، ويتم تشكيلهما باستخدام عملية صب ضغط أحادية اللقطة. 

سبائك الألومنيوم: تُستخدم مقاطع سبائك الألومنيوم 6063T5 بشكل شائع. تُستخدم سبائك الألومنيوم من سلسلة 6063 على نطاق واسع في إطارات الأبواب والنوافذ والجدران الزجاجية في المباني. لضمان مقاومة عالية للرياح، وأداء تجميعي ممتاز، ومقاومة للتآكل، وخصائص زخرفية، تتجاوز متطلبات الأداء الشاملة لمقاطع سبائك الألومنيوم متطلبات المقاطع الصناعية بكثير.