تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو انظمة التدفئة المائية

تسخين المياه بالطاقة الشمسية أو انظمة التدفئة المائية تضم العديد من الابتكارات والعديد من تكنولوجيات الطاقة المتجددة الناضجة التي تم وضعها بشكل جيد لسنوات عديدة. وقد تم استخدام نظام الطاقة الشمسية لتسخين المياة في نطاق واسع في اليونان وتركيا واسرائيل واستراليا واليابان والنمسا والصين. في نظام التدفئة المائية"المركبة المغلقة "و هو عبارة عن خزان يتم تركيبه بشكل افقي مباشرة فوق مجمع او (جامع) الطاقة الشمسية على السطح. لا يحتاج إلى مضخة لضخ الماء الساخن فهي ترتفع بشكل طبيعي في الصهريج من خلال تدفق (thermosiphon). في نظام "المضخة الموزعة" الخزان يتم تركيبه ارضا , ويكون مستواه اقل من(الجامع)؛ و المضخة الموزع تعمل على تحريك المياة او نقل حرارة السوائل بين الخزان و الجامع(collector).
Thermosiphon*:وهي وسيلة تستخدم لتبادل الحرارة باستخدام السوائل بدون مضخة.
تم تصميم أنظمة (SWH) لتوفير المياه الساخنة لأكثر من عام. ومع ذلك، في فصل الشتاء احيانا قد لا يكون اكتساب الحرارة الشمسية كافي لتوفير ما يكفي من الماء الساخن. في هذه الحالة عادة ما تستخدم ادة اضافية لزيادة القوة مثل الغاز أو الكهرباء لتسخين المياه.

يستخدم الماء الساخن الذي يسخن بواسطة الشمس في نواحي كثيرة,حيث انه معروف استخدامه في المحيط السكني او (المساكن) لتوفير المياة المحلية الساخنة, نظام التدفئة المائية او نظام تسخين المياة بالطاقة الشمسية يستخدم ايضا في تطبيقات صناعية , على سبيل المثال : لتوليد الكهرباء. هذة التصاميم تكون مناسبة في المناطق ذات المناخ الحار حيث تكون ابسط و اقل تكلفة مع الاخذ بعين الاعتبار التكنولوجيا المناسبة لهذه المناطق.
تتهيمن الطاقة الشمسية الحرارية في الاسواق العالمية من قبل الصين و أوروبا و اليابان و الهند .
يعمل السائل عند ارتفاع درجة حرارته حيث يتم ضخه بطريقتين , اما عن طريق ما يسمى ب ( النظام النشط) أو مدفوعا عن طريق الحمل الحراري الطبيعي ( النظام السلبي). الجامع يمكن ان يكون مصنوع من صندوق زجاجي علوي معزول مع الاداة السطحية الماصة للاشعة الشمسية المصنوعة من الصفائح المعدنية و متصلة مع أنابيب النحاس داكنة اللون او محاطة في اسطوانة زجاجية مفرغة . في الحالات الصناعية يمكن( للمرآة المكافئ) تركيز ضوء الشمس على الانبوب. يتم تخزين الحرارة في خزان تخزين المياه الساخنة, حجم هذا الخزان يحتاج إلى أن يكون أكبر مع أنظمة التدفئة الشمسية من أجل استيعاب سوء الاحوال الجوية, ولأن درجة الحرارة المثلى النهائية لجامع الطاقة الشمسية أقل من الغمر النموذجي أو سخان الاحتراق. يتم نقل حرارة السائل إلى اداة الامتصاص بواسطة الماء الساخن الموجود في الخزان ولكن الأكثر شيوعا (على الأقل في النظام النشط) هو حلقة منفصلة من السوائل مضادة للتجمد، ومانعة للتآكل والتي توصل الحرارة إلى الخزان من خلال التبادل الحراري (عادة لفائف من أنابيب النحاس في الخزان).
ايضا هناك فكرة او طريقة اخرى اقل صيانة وهي (اعادة المسار او الارجاع) حيث لايلزم وجود مضاد التجمد بحيث ان جميع الانابيب مائلة وذلك لتعمل على اعادة ارجاع او استنزاف المياه إلى الخزان, حيث ان الخزان ليس مضغوط بل مفتوح للضغط الجوي . بمجرد اغلاق المضخة فأن التدفق يصبح عكس المسار و الانابيب تفرغ قبل حدوث تجمد لها.
[عدل] تقع تراكيب الطاقة الشمسية الحرارية للمساكن ضمن مجموعتين:

1- النظام السلبي الذي يسمى احيانا بالمدمج او المتراص .
2- النظام النشط و الذي يسمىاحيانا بالضخ.
كلا النظامين يشتملان على مصدر للطاقة المساعدة (عنصر التدفئة المركزية او تتصل مع نظام تدفئة مركزي الذي يشغل باستخدام الغاز او الوقود), والتي يتم تفعيلها عندما المياه في خزان يقع أسفل إعداد الحد الأدنى درجة الحرارة مثل 55 درجة مئوية. وبالتالي، ان الماء الساخن متوفر دائما. ويمكن الجمع بين تسخين المياه بالطاقة الشمسية، واستخدام حرارة احتياطية من مدخنة التي تعمل باستخدام الحطب لتسخين المياه وذلك لتمكين نظام المياه الساخنة العمل على مدار السنة في أجواء أكثر برودة، دون اشتراط وجود حرارة تكميلية لنظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية حيث يجري جمع بين الوقود الأحفوري أو الكهرباء.
وعندما يتم استخدام نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية و نظام التدفئة المركزية باستخدام المياه الساخنة جنبا إلى جنب، فان حرارة الشمس ستتركز في خزان قبل التسخين الذي يغذي خزان التسخين بواسطة التدفئة المركزية، او عملية التبادل الحراري تستبدل العنصر الحراري المنخفض و العنصر الحراري المرتفع يبقى في مكانه لتوفير اي نوع من التدفئة التي لا تستطيع ان توفرها الشمس. ومع ذلك، فإن الحاجة الأساسية للتدفئة المركزية يكون ليلا في فصل الشتاء، عندما يكون الاكتساب الحراري او الحصول على الطاقة الشمسية أقل,ولذلكفأن تسخين المياه بالطاقة الشمسية للغسيل و الاستحمام غالبا ما تكون أفضل تطبيق من نظام التدفئة المركزية من حيث العرض و الطلب .
في مناخات كثيرة، يمكن لنظام تسخين الماء في الطاقة الشمسية توفير ما يصل إلى 85٪ من طاقة المياه الساخنة المحلية او المنزلية. وهذا يمكن أن يشمل منزل غير كهربائي يركز على أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية. . في كثير من دول شمال أوروبا، تجمع بين استخدام الماء الساخن وأنظمة تدفئة المكان(solar combisystems)لتوفير من 15-25%من الطاقة لتدفئة المنزل.
[عدل] التاريخ:

هناك سجلات لجوامع(collectors )الطاقة الشمسية في الولايات المتحدة التي يعود تاريخها إلى ما قبل عام 1900، تضم خزان باللون الأسود مركب على السقف. في عام1896 في الولايات المتحدة الأمريكية في كيمب كلارينس في بالتيمور، محاطة خزان من صندوق خشبي، وبالتالي خلق أول "سخان للمياه ' كما هي معروفة اليوم.
على الرغم من استخدام الواح جوامع سطحية لتسخين المياه بالطاقة الشمسية في ولاية فلوريدا وكاليفورنيا الجنوبية في 1920.كان هناك موجة من الاهتمام في التسخين الشمسي في أميركا الشمالية بعد عام 1960، ولكن خصوصا بعد أزمة النفط عام 1973.

البحر الابيض المتوسط:
إسرائيل وقبرص هم زعماء للفرد الواحد في استخدام أنظمة الطاقة الشمسية لتسخين المياه حيث ان أكثر من30-40% من المنازل تستخدمها.
انظمة الواح الطاقة الشمسية المسطحة مميزة او متقنة و استخدمة بنطاق واسع في إسرائيل . في 1950s كان هناك نقص وقود في الدولة الإسرائيلية الجديدة, بنيت (ليفي ياسير )النموذج الإسرائيلي الأول لسخان المياه بالطاقة الشمسية، وفي عام 1953 اطلقة شركة NerYah)) مصنع إسرائيل التجاري الأول لتسخين المياه بالطاقة الشمسية.
على الرغم من وفرة أشعة الشمس في إسرائيل، استخدمت سخانات المياه الشمسية من قبل 20٪ فقط من السكان عام 1967.
في أعقاب أزمة الطاقة في 1970s، في عام 1980 أقر الكنيست الإسرائيلي قانونا يفرض على تركيب سخانات المياه الشمسية في جميع المنازل الجديدة (باستثناء منطقة الأبراج العالية ). ونتيجة لذلك، فإن إسرائيل هي الآن الشركة الرائدة عالميا في مجال استخدام الطاقة الشمسية للفرد الواحد مع 85٪ من الأسر اليوم تستخدام أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية (3٪ من الاستهلاك الوطني الاساسي للطاقة)، حيث يقدر حفظ البلاد للنفط ما يقارب 2000000 برميل (320000 M3) سنويا، وهو أعلى معدل استهلاك الفرد من الطاقة الشمسية في العالم.
في عام 2005، أصبحت اسبانيا أول دولة في العالم تقتضي تركيب (توليد الكهرباء الضوئية)(photovoltaic (في المباني الجديدة، وهي الثانية (بعد إسرائيل)حيث تقتضي تركيب أنظمة الطاقة الشمسية لتسخين المياه في عام 2006.
[عدل] اسيا و المحيط الهادي:

شهد العالم نموا سريعا في استخدام المياه الشمسية الدافئة بعد عام 1960, مع الانظمة التي يجري تسويقها أيضا في اليابان واستراليا و شهد نمو في الإبداع الفني وتحسين الأداء وسهولة الاستخدام لهذه الانظمة.
لقد اصبح تركيب سخان المياه الشمسي هي القاعدة في البلدان التي لديها وفرة من الأشعة الشمسية، مثل البحر الأبيض المتوسط، واليابان، والنمسا. بدافع الرغبة في تخفيض التكاليف في السكن الاجتماعي درس فريق من (Gaviotas) أفضل الانضمة من إسرائيل و عمل تعديلات لتلبية المواصفات التي وضعتها (the Banco Central Hipotecario (BCH) التي تنص على ان النظام يجب أني كون جاهزة في مدن مثل بوغوتا حيث كان هناك أكثر من 200 يوم ملبد بالغيوم. واتمت التصاميم في نهاية المطاف بالنجاح، حتى أن (Gaviotas )عرضت في عام 1984 الضمان 25 عاما على أي من منشآتها. تم تركيب أكثر من 40,000، ولا تزال تعمل من ربع قرن من الزمان في وقت لاحق.
أنظمة الطاقة الشمسية لتسخين المياه أصبحت مشهورة في الصين ,حيث النماذج الأساسية تبدأ في حوالي 1500 يوان (190 دولار أمريكي)، وأرخص بكثير من مثيلاتها في الدول الغربية (حوالي 80٪ ارخص بالنسبة لحجم الجامع(collector)). حيث يقال ان ما لا يقل عن 30 مليون اسرة صينية لديها الآن واحدة, و ان شهرتها يرجع إلى كفاءة الانابيب المفرغة التي تسمح للسخانات لتعمل حتى تحت سماء ملبدة بالغيوم وعند درجات حرارة أقل من درجة التجمد.
[عدل] متطلبات تصميم النظام:

نوع وتعقيد، وحجم نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية يتحدد في الغالب بواسطة:
1-درجة الحرارة وكمية المياه المطلوبة من النظام.
2-التغيرات في درجات الحرارة المحيطة والاشعاع الشمسي بين الصيف والشتاء.
3-التغيرات في درجة حرارة الغرفة خلال دورة الليل والنهار.
4-إمكانية المياه الصالحة للشرب أو جامع تسخين السائل .
5-إمكانية المياه الصالحة للشرب أو جامع تجميد السائل.
وعادة ما يتم تحديد الحد الأدنى من المتطلبات اللازمة للنظام من خلال كمية أو درجة حرارة المياه الساخنة اللازمة خلال فصل الشتاء، وبينما تخرج الانظمة و تاتي درجة حرارة المياه عادة ما تكون في أدنى مستوياتها. يتم تحديد الحد الأقصى لإخراج هذا النظام من قبل على ضرورة منع وصول مياه في النظام من أن يصبح حار جدا.
[عدل] الحماية من التجميد :

إجراءات الحماية من التجميد تمنع التلف الذي يمكن ان يلحق في النظام بسبب توسيع تجميد نقل السوائل. انظمة الاستنزاف او الاعادة (Drainback) تعمل على اعادة نقل السوائل من النظام عندما تتوقف المضخة. هناك العديد من الانظمة الغير مباشرة التي تستخدم لمقاومة التجمد( مثل البروبيلين جليكولو نقل حرارة السائل.
في بعض الأنظمة المباشرة، ويمكن للجوامع (collector)اعدة ارجاعها او استنزافها يدويا عند توقع حدوث التجميد.
هذا النهج هو شائع في المناخات حيث درجات الحرارة المنخفضة لا تحدث في كثير من الأحيان، ولكن لا يمكن الاعتماد عليه إلى حد ما.
وهناك انظمة مباشرة اخرى تستخدم جوامع تتحمل التجمد مصنوعة من البوليمرات المرنة مثل المطاط السيليكون.
و هناك نوع ثالث من انظمة الحماية من التجميد و هو (متحمل التجميد) حيث انه عند انخفاض الضغط في بوليمر قنوات المياه المصنوعة من المطاط السيليكون ويحدث التجميد تتوسع ببساطة.
[عدل] الحماية من الحرارة الزائدة :

عندما لا يتم استخدام الماء الساخن لمدة يوم او يومين ,فأن السائل الموجود في( الجامع) او الخزان يصل إلى اعلى درجات الحرارة في جميع الانظمة باستثناء انظمة الاستنزاف(drainback). عندما يصل خزان التخزين في نظام الاستنزاف (drainback)إلى درجة الحرارة المطلوبة فان المخات تغلق واضعتا حدا لعملية التدفئة و بالتالي تمنع تخزين حرارة زائدة.
فهناك وسيلة واحدة لتوفير الحماية من الحرارة الزائدة من خلال تفريغ الحرارة في حوض ساخن.
بعض (الانظمة الفعالة تعمل على تبريد المياه عمدا في خزان المياه بواسطة توزيع المياه الساخنة من خلال الجوامع في بعض الاحيان عندما يكون هناك الشمس قليلة او في الليل , مما تتسبب في زيادة فقدان الحرارة. وهو أكثر فعالية و انتشارا بشكل مباشر في متجر السباكة الحراري , و غير فعال عمليا في الانظمة التي تستخدم انابيب الجوامع(tube collector)و ذلك بسبب تفوقها في العزل .
بغض النظر عن نوع الجامع فإنها لا يزال هناك زيادة في الحرارة. اغلقت الضغوط العالية اصدارات انظمة الطاقة الحرارية الشمسية التي تعتمد في نهاية المطاف على تشغيل صمامات تنفيس الحرارة والضغط, . انخفاض الضغط، عندها يتم فتح جزء الكثر وثوقا بضوابط السلامه و عادتا ما يسمى بفتحة التهوية و التنفيس.
[عدل] أنواع أنظمة الطاقة الشمسية لتسخين المياه:

يمكن لسخانات المياه الشمسية أن تكون إما إيجابية أو سلبية.
(نظام فعال) يستخدم مضخة كهربائية لتوزيع الحرارة المنقولة للسائل .اما( النظام السلبي) لا يحتوي على مضخة. كمية المياه الساخنة من الطاقة الشمسية في سخان المياه تنتج بالاعتماد على نوع و حجم النظام، وكمية الشمس المتاحة في الموقع، والتركيب الصحيح، وزاوية الميل واتجاه الجامع(collector)
وتتميز أيضا سخانات المياه الشمسية بوجود حلقة مفتوحة (تسمى أيضا "مباشر") أو حلقة مغلقة (وتسمى أيضا "غير المباشرة"). نظام الحلقة الفتوحة يوزع المياه (الصالح للشرب) من خلال الجامع(collecter) في المنزل. وهناك نظام الدارة او الحلقة المغلقة يستخدم سائل لنقل الحرارة (الماء أو المذيب على سبيل المثال) لجمع الحرارة ومبادل حراري لنقل الحرارة إلى المياه المنزلية.