أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية: دليل شامل للأنواع والتشغيل

مقدمة لتكنولوجيا تسخين المياه بالطاقة الشمسية

نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية الفوري بدون دوران

مكونات النظام: مجمع الأنابيب المفرغة، خزان المياه القابل للتوصيل، القوس القابل للتعديل، والمبادل الحراري.

مبدأ تشغيل نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية اللحظي الدوراني غير المزوّد بالطاقة: يبدأ الماء داخل الأنبوب المفرغ بالتسخين عند تعرضه لأشعة الشمس. ومع ارتفاع درجة حرارة الماء، تنخفض كثافته، فينتقل تلقائيًا إلى الخزان، مسخنًا الماء تدريجيًا. يُخزّن الماء الساخن بعد ذلك في خزان معزول برغوة البولي يوريثان. يتدفق الماء البارد الداخلي عبر قناة منفاخ ثابتة داخل الخزان، رافعًا درجة حرارة ماء الصنبور المضغوط إلى درجة حرارة تُقارب درجة حرارة الماء في الخزان (بفارق أقل من درجتين مئويتين). ينتج عن ذلك ماء ساخن نظيف ومضغوط ومستقر.

نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية بالدورة الطبيعية

يستخدم نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية ذو الدورة الطبيعية فرق درجة الحرارة بين المجمع وخزان المياه لإنشاء رأس سيفون حراري، يقوم بتدوير المياه عبر النظام. وفي الوقت نفسه، تُخزن الطاقة المُستَخدَمة من المجمع باستمرار في الخزان عن طريق تسخين المياه.

أثناء تشغيل النظام، يُسخّن الماء في المجمع الشمسي، مما يرفع درجة حرارته وينخفض ​​كثافته. يرتفع الماء الساخن تدريجيًا داخل المجمع، متدفقًا عبر أنبوب التدوير العلوي إلى الجزء العلوي من خزان تخزين المياه. في الوقت نفسه، يتدفق الماء البارد من أسفل خزان تخزين المياه عبر أنبوب التدوير السفلي إلى الجزء السفلي منه. بمرور الوقت، تتشكل طبقات حرارية مميزة في خزان تخزين المياه، حيث تصل الطبقة العليا من الماء إلى درجة حرارة صالحة للاستخدام أولًا، ويستمر ذلك حتى يصبح الخزان بأكمله صالحًا للاستخدام.

هناك طريقتان للحصول على الماء الساخن. إحداهما باستخدام خزان تعويض، يُعيد ملء الماء البارد إلى قاع خزان التخزين، دافعًا الماء الساخن من الطبقة العليا للاستخدام. يتم التحكم في مستوى الماء بواسطة صمام تعويم داخل خزان التعويض. تُسمى هذه الطريقة أحيانًا طريقة التعبئة. أما الطريقة الأخرى، بدون خزان تعويض، فتسمح للماء الساخن بالهبوط من قاع خزان التخزين بفعل الجاذبية. تُسمى هذه الطريقة أحيانًا طريقة الانسياب.

نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية بالدوران القسري

يستخدم نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية ذو الدورة القسرية مضخة مياه مُركّبة في خط الأنابيب بين المُجمّع وخزان تخزين المياه لتدوير المياه في النظام. وفي الوقت نفسه، تُخزّن الطاقة المُستخدَمة المُستقاة من المُجمّع في خزان تخزين المياه عن طريق تسخين المياه.

أثناء تشغيل النظام، يجب التحكم في تشغيل وإيقاف مضخة الدورة، وإلا ستُهدر الطاقة الكهربائية والحرارية. يُعدّ التحكم التفاضلي في درجة الحرارة الطريقة الأكثر شيوعًا، وأحيانًا يُستخدم كلٌّ من التحكم التفاضلي في درجة الحرارة والتحكم الكهروضوئي معًا.

يستغل التحكم في الفرق في درجة الحرارة الفرق في درجة الحرارة بين درجة حرارة الماء عند مخرج المجمع ودرجة حرارة الماء في الجزء السفلي من خزان تخزين المياه للتحكم في تشغيل مضخة الدورة الدموية.

بعد شروق الشمس صباحًا، تُسخّن المياه في المجمع بفعل الإشعاع الشمسي، وترتفع حرارتها تدريجيًا. بمجرد أن يصل فرق درجة الحرارة بين مخرج المجمع والماء في قاع خزان التخزين إلى قيمة محددة (عادةً ما بين 8 و10 درجات مئوية)، يُصدر مُتحكم درجة الحرارة إشارة لبدء تشغيل مضخة التدوير، ويبدأ النظام بالعمل. خلال فترات الغيوم أو بعد الظهر قبل غروب الشمس، ينخفض ​​الإشعاع الشمسي، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة المجمع تدريجيًا. بمجرد أن يصل فرق درجة الحرارة بين مخرج المجمع والماء في قاع خزان التخزين إلى قيمة محددة أخرى (عادةً ما بين 3 و4 درجات مئوية)، يُصدر مُتحكم درجة الحرارة إشارة لإيقاف تشغيل مضخة التدوير، ويتوقف النظام عن العمل.

أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية

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

تتضمن طريقة التدفق العلوي إضافة الماء البارد (ماء الصنبور) إلى الجزء السفلي من خزان التخزين، ودفع الماء الساخن خارج الطبقة العليا للاستخدام. تعتمد طريقة التدفق المتساقط على سقوط الماء الساخن نفسه من قاع الخزان بسبب الجاذبية. في ظل الدوران القسري، يتم خلط الماء الموجود في الخزان جيدًا، مما يمنع التقسيم الطبقي الكبير لدرجة الحرارة. ولذلك، فإن كلاً من طريقتي التدفق العلوي والتدفق المتساقط توفر الماء الساخن منذ البداية. بالمقارنة مع طريقة المياه العلوية، فإن ميزة طريقة المياه العلوية هي أن رذاذ الماء الساخن المضغوط يعمل على تحسين راحة المستخدم، ولا داعي للقلق بشأن إعادة ملء 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. في حين أن طريقة المياه العلوية لها ميزة منع اختلاط الماء الساخن والبارد، إلا أن لها أيضًا عيبًا يتمثل في سقوط الماء الساخن بفعل الجاذبية، مما يؤثر على راحة المستخدم، كما أن الحاجة إلى إعادة ملء خزان المياه يوميًا أمر لا بد منه.

في نظام الدوران القسري ثنائي الدائرة، يمكن أن يكون المبادل الحراري إما مبادلًا حراريًا غاطسًا يُوضع داخل خزان الماء أو مبادلًا حراريًا صفائحيًا يُوضع خارجه. تتميز المبادلات الحرارية الصفائحية بالعديد من المزايا مقارنةً بالمبادلات الحرارية الغاطسة: أولًا، تتميز المبادلات الحرارية الصفائحية بمساحة نقل حرارة أكبر، وتدرجات حرارة انتقال حرارة أقل، وتأثير أقل على كفاءة النظام. ثانيًا، تُوضع المبادلات الحرارية الصفائحية داخل أنابيب النظام، مما يوفر مرونة أكبر ويُسهّل تصميم النظام وتخطيطه. ثالثًا، المبادلات الحرارية الصفائحية متوفرة تجاريًا وموحدة، مما يُسهّل ضمان الجودة والموثوقية.

تعتبر أنظمة الدورة القسرية مناسبة لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية الكبيرة والمتوسطة والصغيرة.

تقوم أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية بتسخين المياه إلى درجة الحرارة المطلوبة في مرور واحد عبر المجمع، ثم يتم إطلاق المياه الساخنة في خزان التخزين في تيار مستمر.

أثناء تشغيل النظام، تُستخدم عادةً طريقة تصريف ثابتة الحرارة لضمان تلبية الماء الساخن لمتطلبات المستخدم. يُوصل أنبوب مدخل المجمع بخط ماء الصنبور. يُسخّن الماء في المجمع بواسطة الإشعاع الشمسي، مع زيادة تدريجية في درجة حرارته. يُركّب مستشعر حرارة عند مخرج المجمع. يتحكم جهاز تحكم في درجة الحرارة بفتح صمام كهربائي مُثبّت عند مدخل المجمع. يضبط هذا الجهاز معدل تدفق الماء عند مدخل المجمع بناءً على درجة حرارة مخرج المجمع، مع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة للماء عند المخرج. تعتمد موثوقية هذا النظام على أداء الصمام الكهربائي متغير التدفق وجهاز التحكم.

لتجنب المتطلبات الصارمة للصمام الكهربائي ووحدة التحكم، تُركّب بعض الأنظمة الصمام الكهربائي عند مخرج المجمع، ويكون للصمام حالتان فقط: مفتوح ومغلق. عندما تصل درجة حرارة مخرج المجمع إلى قيمة مُحددة، يفتح مُتحكم درجة الحرارة الصمام الكهربائي، مما يسمح بتدفق الماء الساخن من مخرج المجمع إلى خزان تخزين المياه. في الوقت نفسه، يُضاف الماء البارد (ماء الصنبور) إلى المجمع حتى تنخفض درجة حرارة مخرج المجمع عن القيمة المُحددة. يُغلق الصمام الكهربائي، وتتكرر العملية. على الرغم من أن طريقة تصريف الماء بدرجة حرارة ثابتة هذه بسيطة نسبيًا، إلا أنه بسبب التباطؤ في إغلاق الصمام الكهربائي، قد تكون درجة حرارة الماء الساخن الناتجة أقل من القيمة المُحددة.

يتميز نظام التدفق المباشر بالعديد من المزايا: أولاً، مقارنةً بأنظمة الدوران القسري، لا يتطلب مضخة مياه؛ ثانياً، مقارنةً بأنظمة الدوران الطبيعي، يُمكن وضع خزان تخزين المياه داخل المنزل؛ ثالثاً، مقارنةً بأنظمة إعادة التدوير، يتوفر الماء الساخن الصالح للاستخدام مبكراً كل يوم، ويمكن الحصول على كمية معينة منه طالما كان الطقس صافياً؛ رابعاً، من السهل تصميم نظام لتصريف الماء ليلاً لمنع التجمد في الشتاء. من عيوب نظام التدفق المباشر أنه يتطلب صمامات ووحدات تحكم كهربائية متغيرة التدفق موثوقة، مما يُعقّد النظام ويزيد من التكلفة.

يعد نظام التدفق المباشر مناسبًا في المقام الأول لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية واسعة النطاق.