دليل شامل لأنواع وأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية وطريقة تشغيلها

مقدمة في تكنولوجيا تسخين المياه بالطاقة الشمسية

نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية الفورية غير المزود بمحرك

مكونات النظام: مجمع أنابيب مفرغة، خزان مياه قابل للربط، حامل قابل للتعديل، ومبادل حراري.

مبدأ تشغيل نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية الفورية غير المزود بمحرك: يبدأ الماء داخل الأنبوب المفرغ في التسخين عند تعرضه لأشعة الشمس. مع ارتفاع درجة حرارة الماء، تنخفض كثافته، ويتماسك بشكل طبيعي في الخزان، مما يؤدي إلى تسخين الماء تدريجياً. يتم بعد ذلك تخزين الماء المسخن في خزان معزول برغوة البولي يوريثان. يتدفق الماء البارد الموجود داخل الخزان عبر قناة مطوية ثابتة، مما يرفع درجة حرارة ماء الصنبور المضغوط إلى درجة حرارة تكاد تكون مماثلة لدرجة حرارة الماء في الخزان (مع فرق درجة حرارة أقل من درجتين مئويتين). وهذا يؤدي إلى الحصول على ماء ساخن نظيف ومستقر ومضغوط.

نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية ذو الدوران الطبيعي

نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية ذو الدوران الطبيعي يستخدم الفرق في درجة الحرارة بين المجمع وحوض المياه لخلق رأس تيرموسيفون، الذي يقوم بتدوير المياه عبر النظام. في الوقت نفسه، يتم تخزين الطاقة المفيدة الناتجة عن المُجمّع باستمرار في الخزان عن طريق تسخين المياه.

أثناء تشغيل النظام، يتم تسخين الماء في المجمع بواسطة الإشعاع الشمسي، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته وانخفاض كثافته. يرتفع الماء المسخن تدريجياً داخل المجمع، ويسير عبر أنبوب الدوران العلوي للمجمع إلى الجزء العلوي من خزان تخزين المياه. في الوقت نفسه، يتدفق الماء البارد من أسفل خزان تخزين المياه عبر أنبوب الدوران السفلي إلى الجزء السفلي من المجمع. مع مرور الوقت، يتكون تدرج حراري مميز في خزان تخزين المياه، حيث تصل الطبقة العليا من المياه إلى درجة حرارة قابلة للاستخدام أولاً، ويستمر هذا الوضع حتى يصبح الخزان بأكمله قابلاً للاستخدام بالكامل.

هناك طريقتان للحصول على الماء الساخن. يستخدم المرء خزان الماء الاحتياطي، الذي يعيد تعبئة الماء البارد في قاع خزان التخزين، مما يدفع الماء الساخن من الطبقة العلوية إلى الخارج لاستخدامه. يتم التحكم في مستوى الماء بواسطة صمام عائم داخل خزان التعبئة. تُعرف هذه الطريقة أحيانًا باسم طريقة التعبئة الإضافية. الطريقة الأخرى، بدون خزان تجميع، تسمح للماء الساخن بالنزول من أسفل خزان التخزين بفعل الجاذبية. تُعرف هذه الطريقة أحيانًا باسم طريقة الانسحاب.

نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية بالدورة القسرية

يستخدم نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية بالدورة القسرية مضخة مياه مثبتة في خط الأنابيب بين المجمع وخزان تخزين المياه لتدوير المياه في النظام. في الوقت نفسه، يتم تخزين الطاقة المفيدة الناتجة عن المُجمّع في خزان تخزين المياه عن طريق تسخين المياه.

أثناء تشغيل النظام، يجب التحكم في تفعيل وإيقاف مضخة الدوران، وإلا سيتم هدر الطاقة الكهربائية والحرارية. التحكم في الفرق الحراري هو بشكل عام الطريقة الأكثر شيوعًا، وأحيانًا يتم استخدام كل من التحكم في الفرق الحراري والتحكم الكهروضوئي في الوقت نفسه.

يستخدم التحكم في فرق درجات الحرارة الفرق بين درجة حرارة الماء عند مخرج المجمع ودرجة حرارة الماء في قاع خزان تخزين المياه للتحكم في تشغيل مضخة الدوران.

بعد شروق الشمس في الصباح، يتم تسخين المياه في المجمع بواسطة الإشعاع الشمسي، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارتها تدريجياً. بمجرد أن يصل الفرق في درجة الحرارة بين مخرج المجمع والماء الموجود في قاع خزان التخزين إلى قيمة محددة (عادةً ما تكون بين 8-10 درجات مئوية). ° ج)، يقوم جهاز التحكم في درجة الحرارة بإصدار إشارة لبدء تشغيل مضخة الدوران، ويبدأ النظام في العمل. خلال فترات الغيوم أو في فترة ما قبل الغروب، تنخفض الإشعاعات الشمسية، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة المجمع تدريجياً. بمجرد أن يصل الفرق في درجة الحرارة بين مخرج المجمع والماء الموجود في قاع خزان التخزين إلى قيمة محددة أخرى (عادةً ما تكون بين 3-4 درجات مئوية). ° ج)، يقوم جهاز التحكم في درجة الحرارة بإصدار إشارة لإيقاف مضخة الدوران، وتتوقف النظام عن العمل.

أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية

هناك أيضًا طريقتان للحصول على الماء الساخن: التدفق العلوي والتدفق السفلي.

تتضمن طريقة التدفق العلوي إضافة الماء البارد (ماء الصنبور) إلى قاع خزان التخزين، ثم دفع الماء الساخن من الطبقة العلوية لاستخدامه. تعتمد طريقة التدفق بالتنقيط على سقوط الماء الساخن من قاع الخزان بفعل الجاذبية. تحت التدوير القسري، يتم خلط المياه في الخزان بشكل كامل، مما يمنع حدوث تباين كبير في درجات الحرارة. لذلك، توفر كل من طريقتي التدفق العلوي والتدفق السفلي الماء الساخن منذ البداية. بالمقارنة مع طريقة المياه العلوية، تتمثل ميزة طريقة المياه العلوية في أن رش الماء الساخن المضغوط يحسن راحة المستخدم، ولا داعي للقلق بشأن إعادة تعبئة خزان المياه. ومع ذلك، فإن العيب هو أن الماء البارد الذي يدخل من أسفل خزان المياه يمكن أن يختلط مع الماء الساخن الموجود في الخزان. بينما تتميز طريقة التعبئة من الأعلى بميزة منع اختلاط الماء الساخن والبارد، إلا أنها تحتوي على عيب وهو أن الماء الساخن يسقط بفعل الجاذبية، مما يؤثر على راحة المستخدم، والحاجة إلى إعادة تعبئة خزان المياه يوميًا أمر لا بد منه.

في نظام الدوران القسري ثنائي الدائرة، يمكن أن يكون المبادل الحراري إما مبادل حراري غاطس يوضع داخل خزان المياه أو مبادل حراري صفائحي يوضع خارج خزان المياه. تقدم المبادلات الحرارية ذات الألواح العديد من المزايا مقارنة بالمبادلات الحرارية الغاطسة: أولاً، تتميز المبادلات الحرارية ذات الألواح بمساحة أكبر لنقل الحرارة، وتدرجات حرارة أقل في عملية نقل الحرارة، وتأثير أقل على كفاءة النظام. ثانياً، يتم وضع مبادلات الحرارة ذات الألواح داخل أنابيب النظام، مما يوفر مرونة أكبر ويسهل تصميم النظام وترتيبه. ثالثًا، المبادلات الحرارية ذات الألواح متوفرة تجاريًا ومُعتمدة بشكل قياسي، مما يجعل ضمان الجودة والموثوقية أسهل.

أنظمة الدوران القسري مناسبة لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية الكبيرة والمتوسطة والصغيرة.

أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية ذات التدفق المستمر تقوم بتسخين المياه إلى درجة الحرارة المطلوبة في تمريرة واحدة عبر المجمع، ثم يتم تصريف المياه المسخنة إلى خزان التخزين بشكل مستمر.

أثناء تشغيل النظام، يتم عادةً استخدام طريقة التفريغ بدرجة حرارة ثابتة لضمان تلبية الماء الساخن لمتطلبات المستخدم. أنبوب مدخل المجمع متصل بخط مياه الصنبور. يتم تسخين الماء في المجمع بواسطة الإشعاع الشمسي، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته تدريجياً. يتم تركيب مستشعر درجة الحرارة عند مخرج المجمع. جهاز التحكم في درجة الحرارة يتحكم في فتح الصمام الكهربائي المثبت عند مدخل المجمع. يقوم هذا الجهاز للتحكم في درجة الحرارة بضبط معدل تدفق المياه عند مدخل المجمع بناءً على درجة حرارة مخرج المجمع، مما يحافظ على درجة حرارة ثابتة للمياه الخارجة. تعتمد موثوقية هذا النظام على أداء الصمام الكهربائي ذي التدفق المتغير ووحدة التحكم.

لتجنب المتطلبات الصارمة على الصمام الكهربائي ووحدة التحكم، تقوم بعض الأنظمة بتركيب الصمام الكهربائي عند مخرج المجمع، ويكون للصمام حالتان فقط: مفتوح ومغلق. عندما تصل درجة حرارة مخرج المجمع إلى قيمة محددة، يقوم جهاز التحكم في درجة الحرارة بفتح الصمام الكهربائي، مما يسمح بتدفق الماء الساخن من مخرج المجمع إلى خزان تخزين المياه. في الوقت نفسه، يتم إضافة الماء البارد (ماء الصنبور) إلى المجمع حتى تنخفض درجة حرارة مخرج المجمع إلى ما دون القيمة المحددة. يُغلق الصمام الكهربائي، وتتكرر العملية. بينما تعتبر طريقة تصريف المياه ذات درجة الحرارة الثابتة هذه بسيطة نسبياً، إلا أنه بسبب التأخر في إغلاق الصمام الكهربائي، قد تكون درجة حرارة المياه الساخنة الناتجة أقل من القيمة المحددة.

يتمتع نظام التدفق المباشر بالعديد من المزايا: أولاً، مقارنةً بأنظمة الدوران القسري، فإنه لا يتطلب مضخة مياه؛ ثانياً، مقارنةً بأنظمة الدوران الطبيعي، يمكن وضع خزان تخزين المياه في الأماكن المغلقة؛ ثالثًا، مقارنةً بأنظمة إعادة التدوير، يتوفر الماء الساخن القابل للاستخدام في وقت أبكر من اليوم، ويمكن الحصول على كمية معينة من الماء الساخن القابل للاستخدام طالما كانت هناك فترة من الطقس الصافر؛ رابعًا، من السهل تنفيذ تصميم لتصريف المياه من النظام ليلاً لمنع التجمد في الشتاء. من عيوب نظام التدفق المباشر أنه يتطلب صمامات كهربائية ذات تدفق متغير موثوقة ووحدات تحكم، مما يعقد النظام ويزيد من التكلفة الاستثمارية.

نظام التدفق المباشر مناسب بشكل أساسي لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية على نطاق واسع.