كيفية تصميم نظام تسخين شمسي فعال

النقاط الرئيسية والاحتياطات اللازمة لتصميم أنظمة التدفئة الشمسية

تختلف مشاريع التدفئة بالطاقة الشمسية عن مشاريع تسخين المياه بالطاقة الشمسية. ويكمن الاختلاف الرئيسي في أن مشروع تسخين المياه يركز على متوسط ​​كفاءة الطاقة السنوية، بينما يُستخدم مشروع التدفئة فقط خلال فصل الشتاء وفترة التدفئة، ويحتاج النظام إلى الحصول على أكبر قدر من الحرارة في أبرد الأوقات.

عند تصميم أنظمة التدفئة الشمسية، من الضروري مراعاة خصائص ضوء الشمس في فصل الشتاء والتأكد من أن المجمع الشمسي يتلقى أقصى قدر من الحرارة في يوم الانقلاب الشتوي.

في فصل الشتاء، تكون شدة الإشعاع الشمسي منخفضة، وزاوية سقوط أشعة الشمس صغيرة. وتزداد هذه الزاوية انخفاضًا في المناطق ذات خطوط العرض العليا. ولزيادة امتصاص الحرارة في مُجمِّع الطاقة الشمسية ذي الأنابيب المفرغة، يجب التأكد من أن أشعة الشمس تُشكِّل زاوية 90 درجة مع الأنبوب المفرغ في يوم الانقلاب الشتوي، وأن يكون السطح الكروي للأنبوب عموديًا على أشعة الشمس المباشرة. بهذه الطريقة فقط يُمكن امتصاص أقصى قدر من حرارة الشمس. ومن مزايا هذه الطريقة أيضًا تقليل كمية الإشعاع الشمسي الذي يتلقاه المُجمِّع في فصل الصيف، والحد من ارتفاع درجة حرارة نظام تجميع الحرارة خلال هذه الفترة.

إضافةً إلى استيفاء الشروط الأساسية المذكورة أعلاه، قامت شركة BTESolar، استناداً إلى سنوات من الممارسة الهندسية، بتلخيص خمسة جوانب من خبرة التصميم:

أولاً، تأكد من كفاءة تجميع الحرارة بواسطة النظام

أولاً، يجب مراقبة جودة أنابيب التفريغ بدقة. اختر عناصر امتصاص حرارة ذات كفاءة عالية في تحويل الضوء إلى حرارة. ثانياً، تأكد من عدم وجود أي عائق أمام المُجمِّع لضمان حصوله على أكبر قدر ممكن من ضوء الشمس. أثناء تصميم النظام، انتبه إلى زاوية المُجمِّع، وخط العرض المحلي، وزاوية الشمس، والمسافة بين الصفوف الأمامية والخلفية للمُجمِّعات، وغيرها من العوامل الشاملة. يؤثر تراكم الجليد على أنابيب التفريغ بشكل كبير على كفاءة تجميع الحرارة، وغالباً ما يتم إغفال هذه النقطة. في فصل الشتاء، تكون ساعات سطوع الشمس قصيرة. إذا استغرقت عملية إزالة الجليد عن المُجمِّع وقتاً طويلاً، فلن يحصل على كمية كافية من ضوء الشمس. يتمثل نهج Staray Sunlight في تحقيق إزالة سريعة للجليد عن المُجمِّع من خلال تعزيز التصميم الهيكلي للمنتج نفسه وضبط المسافة بين فتحات أنابيب تجميع الحرارة بشكل مناسب. بعد الاختبار العملي، كانت النتائج ممتازة.

ثانيًا، تحقيق احتفاظ فعال بالحرارة

يعني مفهوم الاحتفاظ بالحرارة تقليل فقدان حرارة النظام لأغراض غير التدفئة. ويتطلب ذلك تصميمًا مناسبًا للمنتج. لدى شركة ستاراي صن شاين متطلبات صارمة للغاية فيما يتعلق بسُمك طبقة العزل وكثافة الرغوة في صندوق الخزان. وقد تم تحديد مؤشرات رقمية محددة بوضوح في "مواصفات تركيب أنظمة التدفئة الشمسية الموزعة" التي أعدتها شركة ستاراي صن شاين. ويمكن للمهتمين الرجوع إليها والبحث عنها. بالإضافة إلى ذلك، يجب تعزيز تصميم نظام التهوية. وترد الحلول المحددة بالتفصيل في "المواصفات". باختصار، ينبغي بذل كل جهد ممكن للقضاء على تأثير المدخنة في نظام العادم والاحتفاظ بالحرارة عالية الجودة.

ثالثًا، تأكد من التدفئة المناسبة

يشير هذا إلى طرق وأساليب استخدام الحرارة. أثناء عملية التسخين، من الضروري توزيع الحرارة بشكل معقول، والحفاظ على التوازن بين التخزين والإمداد، وتحقيق التحكم المناسب في درجة الحرارة والاستخدام العلمي للتدفئة. على سبيل المثال، في الأماكن التي يتم فيها استخدام الحرارة خلال النهار فقط، يمكن تجنب هدر الطاقة الحرارية من خلال التحكم المعتمد على الوقت. بالنسبة للغرف التي لا يشغلها أو يستخدمها أشخاص، باستخدام التحكم في كل غرفة على حدة، يمكن منع أنابيب التدفئة من التجمد والتشقق دون إهدار الطاقة الحرارية. من خلال طرق التحكم المذكورة أعلاه، يصبح استخدام الطاقة أكثر دقة، وهو ما يسمى بالتدفئة "المعقولة". التدفئة المعقولة هي توفير الطاقة للمستخدمين وخلق قيمة اقتصادية. 

رابعا، من المهم الاهتمام بتصميم مؤشرات عمر النظام

خلال عملية التصميم، ينبغي وضع تكوينات عالية الجودة بناءً على فترة الاستخدام المحددة والعمر الافتراضي الفعال للمكونات الرئيسية، بهدف تحقيق هدف تساوي العمر الافتراضي لجميع المكونات وتقليل تكاليف الصيانة. مع ضمان كفاءة تجميع الحرارة، يجب إطالة عمر النظام قدر الإمكان. فكلما طال عمر النظام، زادت فائدته للمستخدمين وزادت مساهمته في الطاقة النظيفة. لا يمكن التضحية بالجودة من أجل مكاسب قصيرة الأجل والتخلي عن النظام بعد بضع سنوات فقط.

خامساً، تأكد من أن النظام يعمل بثبات في فصل الشتاء

لا يتحمل المستخدمون الإزعاج الناجم عن انقطاع التيار الكهربائي خلال فصل الشتاء. لذا، عند تصميم الأنظمة، يجب إيلاء الاستقرار أولوية قصوى. هذا هو جوهر تصميم النظام ويتطلب حسابات دقيقة. لا يمكن أن يعتمد التصميم على الحدس. في الحالات التي تكون فيها الطاقة الشمسية محدودة، يجب مراعاة الظروف المحلية والتخطيط لاستخدام الطاقة التكميلية بشكل معقول لضمان إمداد مستقر بالكهرباء. بالإضافة إلى ذلك، يجب تعزيز إدارة جودة مكونات النظام لتقليل أعطال النظام وخفض معدل الصيانة قدر الإمكان، وذلك لطمأنة العملاء وتوفير المال.

يتضح من الجوانب الخمسة المذكورة أعلاه أن التدفئة الشمسية ليست مجرد نظام بسيط، بل هي تنسيق شامل بين تخصصات تقنية متعددة، وتتطلب معرفة واسعة النطاق. فعلى سبيل المثال، يتطلب الأمر فهم تصميم أنظمة إمداد المياه والصرف الصحي، ومعرفة المبادئ الفيزيائية كالتمدد والانكماش الحراري، والكثافة النوعية للماء الساخن والبارد، ومسارات توصيل الحرارة، ومعرفة متطلبات التصميم الأساسية كالحفاظ على التوازن الهيدروليكي وضمان تدفق الماء الساخن والبارد في نفس الاتجاه أثناء تشغيل النظام. إضافةً إلى ذلك، يشمل الأمر تطبيق معارف متعلقة بالطاقة، والهياكل الفولاذية، والبنية التحتية للهندسة المدنية.