مجمع الطاقة الشمسية الأنبوبي المفرغ على شكل حرف U: حل هندسي فعال يتحمل الضغط لتسخين المياه

في مجال استغلال الطاقة الشمسية الحرارية، تُعدّ تقنية الأنابيب المفرغة (الأنابيب المفرغة) من التقنيات الرائدة في هذا المجال، نظرًا لأدائها الحراري الممتاز وتطبيقاتها الواسعة. ومن بينها، يُعدّ مُجمّع الطاقة الشمسية الأنبوبي المفرغ (U-Tube)، وهو منتجٌ متطورٌ ضمن عائلة الأنابيب المفرغة، مزيجًا مثاليًا بين كفاءة تجميع الحرارة من الأنابيب المفرغة وتحمل الضغط لأنظمة الألواح المسطحة، وقد أصبح خيارًا هامًا لمشاريع تسخين المياه بالطاقة الشمسية الكبيرة والمتوسطة. ستتناول هذه المقالة بالتفصيل مبدأ هذه التقنية وخصائصها وقيمتها التطبيقية الهندسية.

 

1. مبدأ العمل وبنية النظام

يعتمد مُجمِّع الأنابيب المُفرَّغة على شكل حرف U تصميمًا فريدًا لأنبوب معدني على شكل حرف U. يتضمن هيكله الأساسي ما يلي:

 

تجميع أنبوب فراغ 

1. الأنبوب الخارجي: أنبوب زجاجي عالي البورسليكات، مما يضمن نفاذية عالية للضوء (≥91%) 

2. الأنبوب الداخلي: مصنوع أيضًا من الزجاج، مع طلاء امتصاص انتقائي (α≥0.93) مطلي على السطح 

3. طبقة الفراغ: تصل درجة الفراغ بين الأنابيب الداخلية والخارجية إلى 10⁻³Pa، مما يعمل على قمع فقدان الحرارة الحملية والتوصيلية بشكل فعال 

أنابيب تبادل حراري معدنية على شكل حرف U 

1. يتم ثني أنبوب نحاسي أرجواني على شكل حرف U وتمريره عبر الجزء الداخلي للأنبوب المفرغ 

2. خضع السطح لمعالجة مضادة للأكسدة لضمان الاستقرار الحراري على المدى الطويل 

3. وسط عمل مضاد للتجمد بالدوران الداخلي (محلول البروبيلين جليكول، إلخ.) 

نظام المجمع 

1. يتم توصيل عدة أنابيب مفرغة على شكل حرف U بالتوازي لتشكيل مجموعة مجمعة 

2. قم بتوصيل كل أنبوب على شكل حرف U من خلال الرأس لتشكيل حلقة دوران كاملة 

3. مجهزة بأقواس من الألومنيوم لضمان الاستقرار الهيكلي

 

عملية العمل:ضوء الشمس → يخترق الأنبوب الزجاجي الخارجي → يتم التقاطه بواسطة طبقة الامتصاص → طاقة الحرارة → يتم نقلها إلى زعانف الأنبوب على شكل حرف U من خلال الإشعاع → يتم توصيلها إلى وسط العمل داخل الأنبوب على شكل حرف U → يتم نقل وسط العمل الساخن إلى المبادل الحراري لخزان المياه بواسطة مضخة الدوران.

 

ثانياً: خمس مزايا أساسية

1. قدرة التشغيل على تحمل الضغط 

يتيح تصميم قناة التدفق المعدنية بالكامل الوصول إلى ضغط العمل من 0.6 إلى 1.0 ميجا باسكال 

يمكن توصيله مباشرة بشبكة إمدادات المياه للمبنى، وضغط مخرج المياه مستقر 

يدعم إمداد المياه المتزامن في نقاط متعددة لتلبية متطلبات التطبيقات الهندسية 

2. أداء جمع الحرارة عالي الكفاءة

يضمن العزل الفراغي الحد الأدنى من فقدان الحرارة ومنحنى كفاءة جمع الحرارة المسطح 

لا يزال بإمكانه الحفاظ على الأداء الجيد حتى في البيئات ذات أشعة الشمس المنخفضة ودرجات الحرارة المنخفضة 

الكفاءة في الشتاء أعلى بكثير من كفاءة المجمعات ذات اللوحة المسطحة

3. قدرة ممتازة على مقاومة التجمد 

لا يحتفظ الأنبوب المفرغ في حد ذاته بالماء، مما يزيل خطر التجمد تمامًا

يمكن أن تكون نقطة تجمد وسط العمل المضاد للتجمد منخفضة تصل إلى أقل من -35 درجة مئوية

فهو مناسب بشكل خاص للاستخدام في المناطق الباردة

4. التصميم المعياري

يعمل كل أنبوب بشكل مستقل، ولا تؤثر الأعطال المحلية على تشغيل النظام

يدعم الاستبدال السريع، مما يجعل الصيانة بسيطة ومريحة

يمكن توسيع منطقة تجميع الحرارة بشكل مرن وفقًا للطلب

5. مقاومة لأشعة الشمس المباشرة

تتمتع الأنابيب المفرغة بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية ويمكنها تحمل التعرض لأشعة الشمس فوق 400 درجة مئوية

لا يوجد خطر انفجار الأنابيب وهو آمن وموثوق للغاية

ثالثًا: المعايير الفنية ومؤشرات الأداء

معلمات الأداء النموذجية (أنبوب واحد ∅58×1800 مم):

مساحة استقبال الضوء: 0.12 متر مربع لكل قطعة

سعة وسط العمل: 0.15-0.2 لتر لكل أنبوب

درجة حرارة التشغيل: من -30 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية

الكفاءة اللحظية: η=0.75-0.05×(Δt/G) (Δt هو فرق درجة الحرارة، G هو الإشعاع)

معامل فقدان الحرارة: ≤1.5 واط/م²ك

اقتراحات تكوين النظام

يجب أن تكون سعة خزان المياه من 60 إلى 80 لترًا لكل متر مربع من منطقة تجميع الحرارة

يتم تحديد تركيز وسط العمل المضاد للتجمد بناءً على الحد الأدنى من درجة الحرارة المحيطة المحلية

يجب أن يأخذ رأس المضخة الدائرية في الاعتبار مقاومة النظام واختلاف الارتفاع

 

رابعًا: حلول التطبيقات الهندسية

1. مشاريع المياه الساخنة الكبيرة والمتوسطة الحجم

نظام الفندق وبيت الضيافة: منطقة تجميع الحرارة 200-500 متر مربع، مجهزة بخزانات مياه معزولة بسعة 30-100 طن

نظام مستشفى المدرسة: يعتمد على استراتيجية إمداد المياه في الوقت المحدد والتحكم في درجة الحرارة الثابتة

نظام حمام السباحة: يحافظ على درجة حرارة الماء عند 26-28 درجة مئوية، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل

2. نظام تكامل التدفئة

عند دمجه مع نظام التدفئة الأرضية، فإنه يوفر التدفئة الأساسية في الشتاء

تم تجهيزه بمصدر حرارة مساعد لضمان تدفئة مستقرة في الطقس القاسي

إعطاء الأولوية لتوفير الماء الساخن المنزلي، واستخدام الحرارة المهدرة للتدفئة

3. تطبيقات التسخين المسبق الصناعية

توفير التسخين المسبق للصناعات التي تتطلب حرارة عملية تتراوح بين 40-80 درجة مئوية

الطلاء الكهربائي، وتجهيز الأغذية، والطباعة والصباغة على المنسوجات وغيرها من المجالات

فترة استرداد الاستثمار عادة ما تكون من 2 إلى 4 سنوات

4. نظام التجفيف الزراعي

تجفيف المحاصيل، تجفيف المواد الطبية الصينية، وما إلى ذلك

توفير هواء ساخن مستقر لتحسين جودة التجفيف

تقليل استهلاك الوقود التقليدي وخفض تكاليف الإنتاج

خامسًا. النقاط الرئيسية لتصميم النظام

1. تحسين تصميم زاوية الميل

إجراء التعديلات بناءً على خط العرض المحلي

التركيز على الاستخدام في فصل الشتاء: خط العرض +10°-15°

الاستخدام على مدار العام: يساوي خط العرض المحلي

التركيز على الاستخدام الصيفي: خط العرض -10°-15°

2. الحماية من الحرارة الزائدة

ضبط الحد الأعلى لدورة فرق درجة الحرارة (عادةً ≤90 درجة مئوية)

اتخاذ التدابير الطارئة مثل المبردات أو تبريد المياه الجوفية

ضع في اعتبارك مخططات الانسداد الموسمية

3. تصميم مضاد للتجويف

تأكد من تركيب جهاز العادم في أعلى نقطة في النظام

يتجنب تصميم خط الأنابيب تكوين جيوب هوائية

تم اعتماد صمام العادم التلقائي

4. تدابير مكافحة التوسع

قم بإعداد وسط العمل بالماء المخفف

مراقبة التغيرات في قيمة الرقم الهيدروجيني بانتظام

فكر في إضافة مثبطات التآكل

السادس. دليل التركيب والصيانة

مواصفات التثبيت

يجب ألا تقل المسافة بين الأنابيب عن 0.8 متر لضمان عدم حجب المقاعد الخلفية بالمقاعد الأمامية

قدرة تحمل الأساس هي ≥30 كجم / م²

تجنب التثبيت في منطقة مخرج الهواء

متطلبات الصيانة

التحقق من تركيز وسط العمل وقيمة الرقم الهيدروجيني كل عام

نظف سطح الأنبوب المفرغ كل ربع سنة

التحقق من حالة تشغيل المضخة الدائرية كل شهر

معالجة الأخطاء الشائعة

انخفاض الكفاءة: تحقق من درجة فراغ الأنبوب المفرغ واستبدل الأنبوب الفاشل

التسرب: حدد الجزء القديم من حلقة الختم واستبدل مكون الختم

ضعف الدورة الدموية: قم بإخراج الغاز وتحقق من عمل المضخة

 

سابعا. التحليل الاقتصادي 

تكوين الاستثمار (مع الأخذ في الاعتبار مشروع بمساحة 1000 متر مربع كمثال):

نظام التجميع: 45%-50%

نظام تخزين الحرارة: 25%-30%

نظام التحكم: 10%-15%

مشروع التثبيت: 10٪ -15٪

تحليل الأرباح

التوفير السنوي للطاقة لكل متر مربع من المجمع: 350-550 كيلوواط ساعة

 فترة الاسترداد: من 3 إلى 6 سنوات (حسب أسعار الطاقة المحلية)

العائد على مدى الحياة: من 3 إلى 8 أضعاف الاستثمار الأولي

ثامناً. مقارنة مع مجمعات الأنابيب المفرغة التقليدية

يتميز مجمع الأنبوب على شكل حرف U بأنابيب مفرغة تقليدية مصنوعة بالكامل من الزجاج 

قدرة تحمل الضغط: تشغيل يتحمل الضغط (0.6-1.0 ميجا باسكال)، غير يتحمل الضغط 

أداء ممتاز مضاد للتجمد (دوران وسط العمل) وجيد (قد يتجمد الماء في الأنبوب) 

يمكن استبدال أنبوب الصيانة الفرعي الفردي إذا كان هناك حاجة إلى الصرف 

إنه فعال للغاية ومستقر، لكنه يتأثر بجودة المياه 

التكلفة مرتفعة أو منخفضة نسبيا 

إنها مناسبة للمشاريع المنزلية المتوسطة والكبيرة الحجم وكذلك المشاريع الصغيرة

 

خاتمة 

بفضل تصميمه الهيكلي المبتكر، نجح المجمع الشمسي الأنبوبي المفرغ على شكل حرف U في التغلب على قيود المجمعات الشمسية التقليدية في التشغيل تحت الضغط، وصيانة النظام، والتطبيق الهندسي، وأصبح الحل الأمثل لمشاريع تسخين المياه بالطاقة الشمسية الكبيرة والمتوسطة. أداؤه الحراري المتميز، وخصائصه التشغيلية الموثوقة، وقابليته العالية للتوسع، تجعله يُظهر مزايا كبيرة في الأماكن ذات الطلب المرتفع على المياه الساخنة، مثل الفنادق والمدارس والمصانع.

مع التطور المستمر لتكنولوجيا استخدام الطاقة الشمسية الحرارية وتراكم الخبرة الهندسية، ستواصل مجمعات الأنابيب المفرغة على شكل حرف U لعب دورٍ محوري في التحول الطاقي، موفرةً مسارًا تقنيًا موثوقًا به لتقليل استهلاك الطاقة الأحفورية وخفض انبعاثات الكربون. لا يقتصر اختيار نظام أنابيب على شكل حرف U على اختيار جهاز تسخين الماء فحسب، بل يشمل أيضًا الاستثمار في مستقبل طاقة موثوق وفعال ومستدام.