إتقان التخزين الحراري: مفتاح تسخين المياه بالطاقة الشمسية بكفاءة

التخزين الحراري في نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية

في نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية، يُستخدم خزان تخزين الماء، والذي يُسمى أحيانًا خزان تخزين الحرارة، لتخزين الحرارة المُولّدة من المُجمّعات الشمسية. يُعدّ استخدام السوائل (وخاصةً الماء) للتخزين الحراري أكثر طرق التخزين الحراري نضجًا وفعاليةً من الناحية التقنية وأكثرها استخدامًا. يُفضّل عمومًا أن يكون للسائل سعة حرارية نوعية عالية، بالإضافة إلى نقطة غليان عالية وضغط بخار منخفض. الغرض الأول هو تجنب تحوّل السائل إلى الحالة الغازية، بينما الغرض الثاني هو تقليل الضغط على وعاء التخزين الحراري. من بين وسائط التخزين الحراري السائلة منخفضة الحرارة، يُقدّم الماء أفضل أداء، ولذلك فهو الأكثر استخدامًا.

مزايا وعيوب استخدام الماء كوسيلة تخزين حرارية

المزايا

① خصائصها الفيزيائية والكيميائية والحرارية مستقرة جدًا، ومفهومة جيدًا، وتكنولوجيا تطبيقها ناضجة.

② يمكن أن يعمل كوسيلة تخزين حراري ووسط نقل حراري، مما يلغي الحاجة إلى المبادلات الحرارية في أنظمة التخزين الحراري.

③ يتميز بنقل حرارة ممتاز وخواص سائلة ممتازة. من بين السوائل الشائعة الاستخدام، يتميز بأعلى سعة حرارية نوعية، وأقل معامل تمدد حراري، ولزوجة منخفضة، مما يجعله مناسبًا للدوران الطبيعي والقسري.

④ العلاقة بين درجة الحرارة والضغط عند توازن السائل والغاز مستقرة للغاية، مما يجعلها مناسبة لمجمعات الطاقة الشمسية ذات اللوحة المسطحة.

⑤ متوفر بكثرة وغير مكلف.

العيوب

① نظرًا لكونه مادة أكالة بالتحليل الكهربائي، فإن الأكسجين الناتج يُسبب تآكل المعادن بسهولة. كما أنه مُذيب لمعظم الغازات (وخاصةً الأكسجين)، مما يجعله عرضة لتآكل الحاويات والأنابيب.

② عند التصلب (التجميد)، يتمدد حجمه بشكل كبير (حتى حوالي 10٪)، مما قد يؤدي إلى إتلاف الحاويات والأنابيب.

③ عند درجات حرارة أعلى من المعتدلة (أكثر من ١٠٠ درجة مئوية)، يزداد ضغط بخار الماء بشكل كبير مع ارتفاع درجة حرارة الماء. لذلك، عند استخدام الماء لتخزين الحرارة، يجب ألا يتجاوز كلٌّ من درجة الحرارة والضغط النقطة الحرجة (٣٧٣.٠ درجة مئوية، ٢.٢ × ١٠ باسكال). على سبيل المثال، تكلفة تخزين الحرارة عند ٣٠٠ درجة مئوية أعلى بمقدار ٢.٧٥ مرة منها عند ٢٠٠ درجة مئوية.

عند استخدام الماء كوسيط لتخزين الحرارة، يمكن تصنيع حاويات تخزين الحرارة من مواد متنوعة، بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ، والمينا، والبلاستيك، وسبائك الألومنيوم، والنحاس، والحديد، والخرسانة المسلحة، والخشب. وتتراوح أشكالها بين الأسطوانية والصندوقية والكروي. ومع ذلك، يجب مراعاة مقاومة التآكل ومتانة المواد المستخدمة بعناية. على سبيل المثال، عند اختيار الأسمنت والخشب كمواد لحاويات تخزين الحرارة، يجب مراعاة تمددهما الحراري لمنع التشققات والتسربات الناتجة عن الاستخدام طويل الأمد.

خزان الماء الساخن هو جهاز لتخزين الحرارة والبرودة. طُوّر كمكوّن في أنظمة إمداد المباني بالماء الساخن والتدفئة وتكييف الهواء. وظيفته الأساسية هي ضبط اختلال التوازن بين استهلاك الطاقة واستهلاكها، مما يُحسّن الكفاءة الحرارية للنظام ويلبي الحمل الحراري المطلوب.

يمكن تصنيف خزانات تخزين الماء الساخن إلى أنواع مختلفة بناءً على خصائص إطلاق الحرارة (تدفق البثق الكامل، وتدفق الخلط الكامل، وتدفق الخلط الجزئي)، وحالة الضغط (مفتوحة أو مغلقة)، وعدد الخزانات (واحدة أو متعددة)، وطريقة التركيب (رأسية أو طولية أو أفقية أو عرضية)، والمواد الإنشائية، والغرض من استخدامها. فيما يلي التركيز على النوعين الأولين.

خصائص إطلاق الحرارة في خزان تخزين الماء الساخن

بناءً على خصائص إطلاق الحرارة (أو خصائص الخلط داخل الخزان)، يمكن تصنيف خزانات تخزين الماء الساخن إلى ثلاثة أنواع: تدفق البثق الكامل، وتدفق الخلط الكامل، وتدفق الخلط الجزئي. إذا كان υ يمثل سرعة تدفق الماء، وL يمثل طول خزان الماء، وE يمثل معامل انتشار الخلط، فيمكن تصنيف الفئات الثلاث المذكورة أعلاه وفقًا لدرجة خلط درجة حرارة الماء في الخزان أو قيمة خاصية الخلط M=υL/(2E).

(1) تدفق البثق الكامل

يُعرف أيضًا باسم تدفق المكبس، أي أن التدفق في خزان المياه يشبه المكبس تمامًا، وهناك منطقتان للمياه الساخنة والباردة في الخزان. تكون الواجهة بينهما واضحة للغاية، مما يشير إلى أنه لا يوجد اختلاط تقريبًا. في هذا الوقت، يمكن اعتبار أن E→0 أو M→∞. عندما يطلق خزان تخزين الماء الساخن الحرارة (يبرد)، يتدفق الماء من الأسفل (الأعلى) ويمكن استخدام كل الحرارة. هذه حالة مثالية، كما هو موضح في الشكل 2-11. افترض أن هناك 100 لتر من الماء الساخن بدرجة حرارة 80 درجة مئوية في خزان تخزين الماء الساخن، ثم يتم حقن الماء البارد بدرجة حرارة 20 درجة مئوية ببطء من المدخل السفلي A، وكل الماء المتدفق عند المخرج B هو ماء ساخن بدرجة حرارة 80 درجة مئوية. ولكن بمجرد أن تتجاوز كمية الماء المتدفق 100 لتر، تنخفض درجة حرارة الماء على الفور إلى 20 درجة مئوية.

(2) التدفق المختلط بالكامل

درجة الحرارة في خزان الماء موحدة تمامًا، مما يدل على أن عملية الخلط دقيقة للغاية. في هذه الحالة، يمكن اعتبار E→∞ أو M→0. في الظروف العادية، لا يمكن تحقيق ذلك إلا بتركيب خلاط قوي في خزان الماء الساخن وحقن الماء البارد ببطء مع التحريك. في البداية، تكون درجة حرارة الماء المتدفق من المخرج B 80 درجة مئوية. ثم، مع مرور الوقت، تنخفض درجة حرارة الماء بشكل دالة أُسية. عندما يصل تدفق الماء إلى 100 لتر فقط، تكون درجة حرارة الماء قد انخفضت إلى حوالي 80×e≈29.3 درجة مئوية.

(3) التدفق المختلط جزئيًا

يُعرف أيضًا بالتدفق الطبقي الحراري، ويشير إلى عدم انتظام توزيع درجة الحرارة في خزان الماء، مما يؤدي إلى حدوث تدرج في درجة الحرارة. في هذه الحالة، تُعتبر قيمة E محدودة، أي صفر.

حالة الضغط في خزان تخزين الماء الساخن

وفقًا لحالة ضغط خزان الماء الساخن، يُمكن تقسيمه إلى نوعين: مفتوح ومغلق. في ظل الضغط الجوي العادي، يعتمد حجم المساحة المطلوبة على الوضع الفعلي.

(1) النوع المفتوح

لأن خزان الماء مُعرَّض للهواء، فهو أقل عرضة للضغط، ولكنه يتآكل بسهولة بفعل الأحماض. ولأن الأكسجين يذوب بسهولة في الماء، يجب أن تكون مقاومة الخزان للتآكل عالية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون ارتفاع ضغط النظام عاليًا. يُستخدم هذا النظام عادةً في أنظمة الطاقة الشمسية الكبيرة.

(2) النوع المغلق

لأن خزان الماء ممتلئ بالماء، يجب تركيب خزان تمدد فوقه لتجنب إتلاف خزان تخزين الحرارة. يتميز هذا الخزان بسهولة نظام الأنابيب، وصغر حجم مضخة الماء المطلوبة، وانخفاض استهلاك الطاقة لمضخة الدوران؛ أما عيوبه فتتمثل في ارتفاع الضغط الساكن نسبيًا، ومتطلبات خزان تخزين الحرارة العالية لمقاومة الضغط، وارتفاع تكلفة معدات الحاوية المقاومة للضغط. ويُستخدم عادةً في أنظمة الطاقة الشمسية الصغيرة.

في التطبيقات الفعلية، يكون نظام إمداد الماء الساخن للمبنى وخزان تخزين الحرارة على السطح (المستخدم بالتزامن مع نظام الماء الساخن للتدوير الطبيعي) من النوع المفتوح في الغالب؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مساحة عارضة الأساس كخزان لتخزين الحرارة واستخدام خزان منفصل لتخزين الحرارة مصنوع من الخرسانة هما أيضًا من النوع المفتوح. وعلى العكس من ذلك، عندما تتجاوز درجة حرارة تشغيل النظام 100 درجة مئوية، يجب أن يكون خزان الماء الساخن مغلقًا ما لم يتم استخدام وسيلة خاصة لنقل الحرارة. علاوة على ذلك، فإن صهاريج تخزين الماء الساخن في أنظمة الماء الساخن ذات الدوران القسري المثبتة على الأرض تكون مغلقة بشكل عام.

غالبًا ما يتم تصنيع خزانات تخزين الماء الساخن المفتوحة من الفولاذ المجلفن والفولاذ المقاوم للصدأ والألياف الزجاجية، بينما غالبًا ما يتم تصنيع الأنواع المغلقة من المينا والفولاذ المقاوم للصدأ والألياف الزجاجية.

غالبًا ما تكون خزانات الماء الساخن أسطوانية الشكل. أولًا، سهولة تصنيعها وإغلاقها، مما يجعلها اقتصادية. ثانيًا، تُحسّن تبديد الحرارة وتقلل من مساحات المياه الراكدة. ثالثًا، تُحسّن مقاومة الضغط (عند ثبات الضغط الداخلي، يتناسب الشد المؤثر على جدار الأسطوانة طرديًا مع نصف قطرها).

الخصائص الديناميكية الحرارية لخزانات تخزين الحرارة

(1) المعلمات الرئيسية للخصائص الديناميكية الحرارية

① حجم منطقة المياه الميتة في خزان تخزين الحرارة؛

② حجم خاصية الخلط M القيمة التي تحددها درجة خلط الماء عند درجات حرارة مختلفة في خزان تخزين الحرارة؛

③ التدرج في درجة الحرارة داخل مادة تخزين الحرارة؛

④ السعة الحرارية للمبادل الحراري؛

⑤ السعة الحرارية لنظام الأنابيب المتصل بخزان تخزين الحرارة؛

⑥ السعة الحرارية لخزان تخزين الحرارة نفسه والبيئة المحيطة التي تتلامس معه (تنطبق على خزانات تخزين الحرارة المدفونة تحت الأرض).

بالنسبة لخزانات تخزين الحرارة التي تستخدم الماء كوسيلة لتخزين الحرارة، نظرًا لعدم الحاجة إلى مبادل حراري، يمكن تجاهل العنصرين ③ و④ المذكورين أعلاه.

(2) العوامل المؤثرة على الخصائص الديناميكية الحرارية

① حالة خلط السائل في خزان المياه - في الاستخدام الفعلي لخزانات تخزين الحرارة، قد يشكل خط تدفق المياه شكل تدفق مكبس غير كامل، والذي لا يفشل في تخزين الحرارة بالكامل فحسب، بل يجعل أيضًا الحرارة المخزنة غير قادرة على الاستفادة الكاملة.

② هيكل خزان المياه وحجم المياه المتداولة - يشير في المقام الأول إلى عدد وتكوين الحواجز داخل الخزان، وعدد وقطر وموقع الأنابيب المتصلة، بالإضافة إلى شكل الخزان وحجم المياه المتداولة.

③ فقدان الحرارة واكتسابها - بما أن خزان الماء نفسه يتمتع بسطح واقٍ، فإن فقدان الحرارة واكتسابها أمرٌ لا مفر منه. بالنسبة لخزانات تخزين الحرارة قصيرة الأجل المصممة لتخفيف الارتفاعات المؤقتة في الطلب على الحرارة، فإن دفنها تحت الأرض وعزلها قد يؤثر سلبًا على ديناميكيتها الحرارية. وذلك لأن التربة، بفضل سعتها الحرارية، قادرة أيضًا على أداء وظيفة تخزين الحرارة.

④ درجتا حرارة تخزين الحرارة وسحبها - تشير درجة حرارة تخزين الحرارة إلى متوسط ​​درجة حرارة الماء داخل الخزان عند انتهاء تخزين الحرارة؛ وتشير درجة حرارة سحب الحرارة إلى درجة حرارة الماء الخارج عند سحب الحرارة من الخزان. يرتبط مدى الاستفادة الكاملة من الحرارة وعمر خزان تخزين الحرارة ارتباطًا وثيقًا بكيفية قياس هاتين الدرجتين.

الاستجابة العابرة لخزانات تخزين الحرارة

عند استخدام خزان تخزين حراري، يُعد تقلب درجة حرارة الماء الخارج أمرًا بالغ الأهمية لتحديد الحمل الحراري. نظريًا، يمكن استنتاج العلاقة الوظيفية بين درجة حرارة المدخل ودرجة حرارة المخرج (المعروفة عادةً بدرجتي حرارة المدخل والمخرج) من خلال حساب توزيع درجة حرارة الماء داخل الخزان. ومع ذلك، يتطلب هذا حل معادلة الاستمرارية ثلاثية الأبعاد، ومعادلة الحفاظ على الزخم، ومعادلة الحفاظ على الطاقة، وهي عملية معقدة تتطلب برنامجًا حسابيًا طويلًا.

في التصميم العملي، ليس من الضروري فهم توزيع درجة حرارة الماء داخل الخزان مباشرةً. بل يكفي معرفة التباين الزمني لدرجة حرارة المدخلات والمدخلات الحرارية، والقدرة على حساب التباين الزمني لدرجة حرارة المخرجات. الطريقة الأكثر شيوعًا حاليًا هي "طريقة الاستجابة العابرة"، التي تُعامل الخزان بأكمله كنظام واحد. إذا افترضنا وجود علاقة خطية بين المدخلات والمخرجات (والتي يُمكن افتراضها تقريبًا عندما تكون درجات حرارة الماء الداخل والخارج متقاربة)، يُمكن حساب التغير في درجة حرارة المخرجات لأي تغير في درجة حرارة المدخلات باستخدام تكامل الالتفاف.

باختصار، يلعب استخدام خزانات تخزين الحرارة كأجهزة تخزين حرارة صغيرة وقصيرة الأجل لأنظمة الماء الساخن والتدفئة وتكييف الهواء دورًا هامًا في استخدام الطاقة الشمسية الحرارية، وقد وُجدت له تطبيقات عملية متعددة. إذا لزم الأمر تخزين حرارة واسع النطاق وطويل الأجل عبر الفصول، فقد بدأت بعض الدول في دراسة طبقات المياه الجوفية كإجراء فعال لتخزين الحرارة وتوفير الطاقة خلال العقدين أو الثلاثة عقود الماضية.