مجمعات الطاقة الشمسية: الأنواع ، مبدأ التشغيل ، تصميم النظام
مضخات الحرارة استخرج الطاقة من التربة أو الماء أو الهواء الذي تسخنه الشمس. تستخدم الغلايات الحرارة المنبعثة أثناء احتراق الوقود ، والتي في النهاية هي أيضًا نتاج لتحويل الطاقة الشمسية خلال التطور الطويل للأرض. تعتبر مجمعات الطاقة الشمسية فريدة من نوعها ، فهي تتلقى الطاقة مباشرة من الشمس.
من أجل أن تكون قادرًا تمامًا على الغد مجانًا في تسخين المياه من أجل الحصول على مياه ساخنة منزلية أو تسخين منزلك ، لا يزال عليك اليوم إنفاق أموال على شراء مجمعات الطاقة الشمسية. بالنظر إلى التكلفة الكبيرة لهذه المعدات ، من المهم جدًا عدم ارتكاب خطأ عند الاختيار. لذا ، يجب أن تحصل على أفكار عامة على الأقل حول تفاصيل مجمعات الطاقة الشمسية والفروق الدقيقة في عملها.
المحتويات:
تفاصيل استخدام مجمعات الطاقة الشمسية
الميزة الرئيسية لمجمعات الطاقة الشمسية التي تميزها عن الأنواع الأخرى من مولدات الحرارة هي الطبيعة الدورية لعملهم. لا الشمس - لا الطاقة الحرارية. نتيجة لذلك ، هذه المنشآت هي سلبية في الليل.
يعتمد متوسط إنتاج الحرارة اليومية بشكل مباشر على طول ساعات النهار. يتم تحديد الأخير ، أولاً ، من خلال خط العرض الجغرافي للمنطقة ، وثانيًا ، بحلول وقت العام. خلال فترة الصيف ، التي تسقط خلالها ذروة التشميس في نصف الكرة الشمالي ، سيعمل المجمع بفعالية قصوى. في فصل الشتاء ، تنخفض إنتاجيتها ، حيث وصلت إلى الحد الأدنى في ديسمبر إلى يناير.
في فصل الشتاء ، تقل كفاءة مجمعات الطاقة الشمسية ليس فقط بسبب انخفاض مدة ساعات النهار ، ولكن أيضًا بسبب التغير في زاوية حدوث ضوء الشمس. يجب مراعاة التقلبات في أداء مجمع الطاقة الشمسية خلال العام عند حساب مساهمته في نظام الإمداد الحراري.
هناك عامل آخر يمكن أن يؤثر على إنتاجية مجمّع الطاقة الشمسية وهو السمات المناخية للمنطقة. على أراضي بلدنا ، توجد العديد من الأماكن التي تكون فيها الشمس مخفية خلف طبقة كثيفة من الغيوم أو وراء ضباب كثيف لأكثر من 200 يوم في السنة. في الطقس الغائم ، لا ينخفض أداء مجمّع الطاقة الشمسية إلى الصفر ، نظرًا لأنه قادر على التقاط أشعة الشمس المبعثرة ، ولكنه يقل بشكل كبير.
مبدأ التشغيل وأنواع مجمعات الطاقة الشمسية
لقد حان الوقت لنقول بضع كلمات حول الجهاز ومبدأ تشغيل المجمع الشمسي. العنصر الرئيسي في تصميمه هو الممتز ، وهو صفيحة نحاسية مع أنبوب ملحوم لها. في امتصاص حرارة أشعة الشمس التي تسقط عليها ، ترتفع درجة حرارة اللوحة (ومعها الأنبوب). يتم نقل هذه الحرارة إلى سائل التبريد المتداول عبر الأنبوب ، وهذا بدوره ينقلها أكثر من خلال النظام.
تعتمد قدرة الجسم المادي على امتصاص أو عكس أشعة الشمس ، أولاً وقبل كل شيء ، على طبيعة سطحه. على سبيل المثال ، يعكس سطح المرآة الضوء والحرارة تمامًا ، ولكن الأسود ، على العكس ، يمتصه. لهذا السبب يتم تطبيق طلاء أسود على اللوحة النحاسية للمزاح (الخيار الأسهل هو الطلاء الأسود).
مبدأ تشغيل المجمع الشمسي
1. جامع الشمسية.
2. خزان العازلة.
3. الماء الساخن.
4. الماء البارد.
5. وحدة التحكم.
6. مبادل حراري.
7. ضخ.
8. تيار ساخن.
9. تيار بارد.
من الممكن زيادة كمية الحرارة المستلمة من الشمس عن طريق الاختيار المناسب للزجاج الذي يغطي الممتز. الزجاج العادي ليست شفافة بما فيه الكفاية.بالإضافة إلى ذلك ، يتوهج ، مما يعكس جزءًا من ضوء الشمس الذي يسقط عليه. في مجمعات الطاقة الشمسية ، كقاعدة عامة ، يحاولون استخدام الزجاج الخاص مع محتوى الحديد المنخفض ، مما يزيد من الشفافية. لتقليل جزء الضوء المنعكس على السطح ، يتم تطبيق طلاء مضاد للانعكاس على الزجاج. وبالتالي فإن الغبار والرطوبة ، التي تقلل أيضًا من إنتاجية الزجاج ، لا تدخل داخل المجمع ، وتكون العلبة محكمة الغلق ، وأحيانًا مليئة بغاز خامل.
على الرغم من كل هذه الحيل ، فإن كفاءة مجمعات الطاقة الشمسية لا تزال بعيدة عن 100 ٪ ، بسبب النقص في تصميمها. تشع لوحة adsorber المسخنة جزءًا من الحرارة المستلمة في البيئة ، لتسخين الهواء عند ملامستها. من أجل تقليل فقدان الحرارة ، يجب أن يكون معزول adsorber. أدى البحث عن طريقة فعالة للعزل الحراري للمهندسين إلى إنشاء عدة أنواع من مجمعات الطاقة الشمسية ، وأكثرها شيوعًا هي الفراغ المسطح والأنبوبي.
مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة
مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة.
تصميم مجمع الطاقة الشمسية المسطح بسيط للغاية: إنه صندوق معدني مغطى بالزجاج من الأعلى. للعزل الحراري لأسفل وجدران الجسم ، وكقاعدة عامة ، يتم استخدام الصوف المعدني. هذا الخيار بعيد عن المثالية ، حيث لا يتم استبعاد انتقال الحرارة من الممتز إلى الزجاج عن طريق الهواء داخل القناة. مع وجود اختلاف كبير في درجة الحرارة داخل المجمع وخارجه ، يكون فقد الحرارة كبيرًا. ونتيجة لذلك ، يصبح مجمع الطاقة الشمسية المسطح ، الذي يعمل بشكل مثالي في فصلي الربيع والصيف ، غير فعال للغاية في فصل الشتاء.
جهاز تجميع الطاقة الشمسية المسطحة
1. أنبوب مدخل.
2. زجاج واقي
3. طبقة الامتصاص.
4. هيكل من الألومنيوم.
5. أنابيب النحاس.
6. عازل حراري.
7. أنبوب المخرج.
جامعي فراغ أنبوبي الشمسية
جامعي أنبوبي فراغ الشمسية.
مجمع الفراغ الشمسي عبارة عن لوحة تتكون من عدد كبير من الأنابيب الزجاجية الرقيقة نسبيًا. داخل كل واحد منهم هو الامتزاز. لاستبعاد نقل الحرارة عن طريق الغاز (الهواء) ، يتم إخلاء الأنابيب. بسبب نقص الغاز بالقرب من الممتزات ، تتميز مجمعات الفراغ بفقدان حرارة منخفض حتى في الطقس البارد.
فراغ جهاز متعدد
1. العزل الحراري.
2. السكن مبادل حراري.
3. مبادل حراري (جامع)
4. الفلين مختوم.
5. أنبوب فراغ.
6. المكثف.
7. لوحة امتصاص.
8. أنبوب الحرارة مع السائل العمل.
تطبيقات لهواة جمع الطاقة الشمسية
الغرض الرئيسي من مجمعات الطاقة الشمسية ، وكذلك أي مولدات حرارية أخرى ، هو تدفئة المباني وإعداد المياه لنظام تزويد المياه الساخنة. يبقى لمعرفة أي نوع من مجمعات الطاقة الشمسية هو الأنسب لأداء وظيفة معينة.
تتميز مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة ، كما وجدنا ، بالأداء الجيد في فصلي الربيع والصيف ، ولكنها غير فعالة في فصل الشتاء. يترتب على ذلك أنه ليس من العملي استخدامها في التدفئة ، حيث تنشأ الحاجة إليه بالتحديد مع بداية الطقس البارد. هذا ، ومع ذلك ، لا يعني أنه لا يوجد عمل على الإطلاق لهذا الجهاز.
تتمتع المجمعات المسطحة بميزة واحدة لا جدال فيها - فهي أرخص بكثير من الطرز الفراغية ، لذلك في الحالات التي يخطط فيها لاستخدام الطاقة الشمسية حصريًا في الصيف ، فمن المنطقي شرائها. تعمل مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة على مواجهة مهمة إعداد الماء للمياه الساخنة في فصل الصيف. في كثير من الأحيان يتم استخدامها للتسخين إلى درجة حرارة ماء مريحة في حمامات السباحة الخارجية.
متعددة الفتحات أنبوبي هي أكثر تنوعا. مع ظهور نزلات البرد الشتوية ، فإن أدائها لا ينخفض بشكل كبير كما هو الحال في الطرز المسطحة ، مما يعني أنه يمكن استخدامها على مدار السنة.هذا يجعل من الممكن استخدام هذه المجمعات الشمسية ليس فقط لتوفير المياه الساخنة ، ولكن أيضا في نظام التدفئة.
مقارنة مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة والفراغية.
موقع مجمعات الطاقة الشمسية
تعتمد كفاءة أداة تجميع الطاقة الشمسية بشكل مباشر على كمية ضوء الشمس التي تتساقط على جهاز الامتزاز. ويترتب على ذلك أن يكون المجمع موجودًا في مكان مفتوح حيث لا يسقط الظل من المباني المجاورة والأشجار القريبة من الجبال وما إلى ذلك (أو على الأقل لأطول فترة ممكنة).
أهمية كبيرة ليس فقط موقع الجامع ، ولكن أيضا اتجاهه. الجانب الأكثر مشمسًا في نصف الكرة الشمالي لدينا هو الجانب الجنوبي ، مما يعني أنه من الناحية المثالية يجب أن تتحول "مرايا" المجمع إلى الجنوب تمامًا. إذا كان من المستحيل تقنياً القيام بذلك ، فعليك اختيار الاتجاه في أقرب وقت ممكن من الجنوب - الجنوب الغربي أو الجنوب الشرقي.
لا ينبغي للمرء أن يتجاهل مثل هذه المعلمة مثل زاوية ميل المجمع الشمسي. يعتمد حجم الزاوية على انحراف موقع الشمس عن الذروة ، والذي يتحدد بدوره من خلال خط العرض الجغرافي للمنطقة التي سيتم تشغيل الجهاز فيها. إذا تم ضبط زاوية الإمالة بشكل غير صحيح ، فسوف يزداد فقد الطاقة الضوئية بشكل كبير ، حيث إن جزءًا كبيرًا من ضوء الشمس سينعكس من زجاج المجمع ، وبالتالي لن يصل إلى الممتص.
كيفية اختيار المجمع الشمسي الصحيح
إذا كنت ترغب في أن يتعامل نظام التدفئة في منزلك مع مهمة الحفاظ على درجة حرارة مريحة في المبنى ، وتدفق المياه الساخنة بدلاً من الفاترة من الصنابير ، وفي نفس الوقت تخطط لاستخدام أداة تجميع الطاقة الشمسية كمولد حراري ، فأنت بحاجة إلى حساب الطاقة اللازمة للمعدات مسبقًا. في هذه الحالة ، يجب أخذ عدد كبير من المعلمات في الاعتبار ، بما في ذلك الغرض من المجمع (الماء الساخن المنزلي ، أو التدفئة ، أو مزيج منها) ، أو الطلب على التسخين في المنشأة (المساحة الكلية للغرف الساخنة أو متوسط الاستهلاك اليومي للمياه الساخنة) ، والميزات المناخية للمنطقة ، وميزات المجمع.
من حيث المبدأ ، فإن إجراء مثل هذه الحسابات ليس بالأمر الصعب. أداء كل نموذج معروف ، مما يعني أنه يمكنك بسهولة تقدير عدد المجمعات اللازمة لتوفير الحرارة للمنزل. الشركات التي تنتج مجمعات الطاقة الشمسية لديها معلومات (ويمكنها تزويدها للمستهلك) حول التغير في قوة الجهاز وفقًا لخط العرض الجغرافي للأرض ، وزاوية ميل "المرايا" ، وانحراف اتجاهها عن الجنوب ، وما إلى ذلك ، مما يسمح لك بإجراء التعديلات اللازمة عند حساب أداء الخزان.
عند اختيار قوة المجمع المطلوبة ، من المهم للغاية تحقيق توازن بين النقص والحرارة الزائدة الناتجة. يوصي الخبراء بالتركيز على أقصى قوة ممكنة لهواة الجمع ، أي استخدام المؤشر لموسم الصيف الأكثر إنتاجية في الحسابات. وهذا يتناقض مع رغبة المستخدم العادي في أخذ المعدات بهامش (أي لحساب قوة أكثر الشهور برودة) بحيث تكون الحرارة من المجمع كافية في الخريف والشتاء أقل أيام مشمسة.
ومع ذلك ، إذا كنت تسير في طريق اختيار مجمع للطاقة الشمسية ذي الطاقة المتزايدة ، فإنك في ذروة أدائها ، أي في الطقس المشمس الدافئ ، ستواجه مشكلة خطيرة: سيتم إنتاج المزيد من الحرارة أكثر من المستهلكة ، وهذا يهدد ارتفاع درجة حرارة الدائرة وغيرها من العواقب غير السارة. . هناك خياران لحل هذه المشكلة: إما تثبيت مجمّع شمسي منخفض الطاقة وفي موازاة توصيل مصادر الحرارة الزائدة على التوازي ، أو شراء نموذج مع احتياطي طاقة كبير وتوفير طرق لتفريغ الحرارة الزائدة في فصل الربيع والصيف.
ركود النظام
دعنا نتحدث أكثر قليلاً عن المشاكل المرتبطة بزيادة الحرارة المتولدة.لذلك ، لنفترض أنك قمت بتركيب مجمّع شمسي قوي بما فيه الكفاية يمكنه توفير الحرارة بالكامل لنظام التدفئة في منزلك. ولكن جاء الصيف ، واختفت الحاجة إلى التدفئة. إذا كان بإمكانك إيقاف تشغيل المرجل الكهربائي ، قم بإيقاف تشغيل مصدر الوقود لغلاية الغاز ، فليس لدينا طاقة على الشمس - لا يمكننا إيقاف تشغيله عندما يكون الجو حارًا جدًا.
ركود النظام هو واحد من المشاكل المحتملة الرئيسية لهواة جمع الطاقة الشمسية. إذا تم الحصول على حرارة غير كافية من دارة المجمع ، فإن السخان المبرد يسخن. في لحظة معينة ، قد يغلي هذا الأخير ، مما سيؤدي إلى توقف دورانه على طول الدائرة. عندما يبرد سائل التبريد ويتكثف ، سيستأنف النظام التشغيل. ومع ذلك ، فإن الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية والعكس صحيح هو أمر بعيد عن نقل جميع أنواع سائل التبريد. بعض نتيجة الانهاك يكتسب اتساق يشبه الهلام ، مما يجعل تشغيل الدائرة مستحيلاً.
فقط إزالة مستقرة للحرارة التي تنتجها جامع سيساعد على تجنب الركود. إذا تم حساب قوة الجهاز بشكل صحيح ، يكون احتمال حدوث مشاكل صفرًا تقريبًا.
ومع ذلك ، حتى في هذه الحالة ، لا يتم استبعاد حدوث ظروف قاهرة ، وبالتالي ، يجب توقع طرق الحماية من ارتفاع درجة الحرارة مسبقًا:
1. تركيب خزان احتياطي لتراكم الماء الساخن. إذا وصل الماء في الخزان الرئيسي لنظام إمداد المياه الساخنة إلى الحد الأقصى المحدد ، واستمر المجمع الشمسي في توفير الحرارة ، فسيحدث التبديل تلقائيًا ، وسيبدأ تسخين الماء بالفعل في الخزان الاحتياطي. يمكن استخدام مخزون المياه الدافئة الذي تم إنشاؤه لتلبية الاحتياجات المنزلية في وقت لاحق ، في الطقس الغائم.
2. الماء الساخن في حمام السباحة. يمتلك أصحاب المنازل التي بها حمام سباحة (لا يهم ، داخليًا أو خارجيًا) فرصة رائعة لتحويل الحرارة الزائدة. حجم البركة أكبر بكثير من حجم أي جهاز تخزين منزلي ، مما يعني أن الماء فيه لا يسخن لدرجة أنه لم يعد بإمكانه امتصاص الحرارة.
3. استنزاف الماء الساخن. في غياب القدرة على إنفاق الحرارة الزائدة ، يمكنك ببساطة صرف الماء الساخن من خزان التخزين للحصول على الماء الساخن إلى المجاري الصغيرة في أجزاء صغيرة. سيؤدي الماء البارد الذي يدخل الخزان إلى خفض درجة حرارة الحجم بالكامل ، والذي سيستمر في إزالة الحرارة من الدائرة.
4. مبادل حراري خارجي مع مروحة. إذا كان المجمع الشمسي لديه قدرة عالية ، فيمكن أن تكون الحرارة الزائدة كبيرة جدًا. في هذه الحالة ، تم تجهيز النظام مع دائرة إضافية مليئة المبردات. هذه الدائرة الإضافية متصلة بالنظام عن طريق مبادل حراري مجهز بمروحة ومركب خارج المبنى. إذا كان هناك خطر من ارتفاع درجة الحرارة ، تدخل الحرارة الزائدة الدائرة الإضافية ويتم "إطلاقها" في الهواء من خلال المبادل الحراري.
5. تصريف الحرارة إلى الأرض. إذا كان هناك بالإضافة إلى مجمع الطاقة الشمسية في المنزل مضخة حرارية للتربة ، فيمكن إرسال الحرارة الزائدة إلى البئر. في هذه الحالة ، يمكنك حل مشكلتين في وقت واحد: من ناحية ، تقوم بحماية دائرة المجمع من ارتفاع درجة الحرارة ، ومن ناحية أخرى ، يمكنك استعادة احتياطي الحرارة في التربة المنهكة خلال فصل الشتاء.
6. تجميع الطاقة الشمسية من أشعة الشمس المباشرة. هذه الطريقة هي من الناحية الفنية واحدة من أبسط. بالطبع ، لا يستحق التسلق إلى السقف والستارة اليدوية للمجمع - إنه أمر صعب وغير آمن. من المنطقي تثبيت شاشة يتم التحكم فيها عن بُعد ، مثل مصراع الأسطوانة. يمكنك حتى توصيل وحدة التحكم بالفرز بوحدة التحكم - إذا ارتفعت درجة الحرارة في الدائرة بشكل خطير ، فإن المجمع سوف يغلق تلقائيًا.
7. استنزاف المبرد. يمكن اعتبار هذه الطريقة أساسية ، لكنها في نفس الوقت بسيطة للغاية. إذا كان هناك خطر ارتفاع درجة الحرارة ، يتم تفريغ سائل التبريد من خلال مضخة في خزان خاص مدمج في دائرة النظام.عندما تصبح الظروف مواتية مرة أخرى ، ستعيد المضخة المبرد إلى الدائرة ، وسيتم استعادة المجمع.
مكونات النظام الأخرى
لا يكفي مجرد جمع الحرارة التي تشعها الشمس. لا يزال من الضروري نقلها وتجميعها ونقلها إلى المستهلكين ، ومن الضروري التحكم في كل هذه العمليات ، وما إلى ذلك. وهذا يعني أنه بالإضافة إلى المجمعات الموجودة على السطح ، يحتوي النظام على العديد من المكونات الأخرى ، والتي قد تكون أقل وضوحًا ، ولكن ليس أقل أهمية. دعونا نركز فقط على بعضها.
عامل نقل الحرارة
يمكن تنفيذ وظيفة سائل التبريد في دائرة التجميع إما عن طريق الماء أو السائل غير المتجمد.
يحتوي الماء على عدد من العيوب التي تفرض قيودًا معينة على استخدامه كمبرد في مجمعات الطاقة الشمسية:
- أولاً ، في درجة حرارة التجمد تتجمد. حتى لا يكسر سائل التبريد المجمد أنابيب الدائرة ، يجب أن يتم تصريفه مع اقتراب الطقس البارد ، مما يعني أنه في فصل الشتاء لن تتلقى حتى كميات صغيرة من الطاقة الحرارية من المجمع.
- ثانياً ، يمكن أن تتسبب نقطة غليان الماء غير المرتفعة في حدوث ركود متكرر في فصل الصيف.
يحتوي السائل غير المتجمد ، على عكس الماء ، على نقطة تجمد أقل بشكل ملحوظ ونقطة غليان أعلى بشكل لا يضاهى ، مما يزيد من راحة استخدامه كمبرد. ومع ذلك ، في درجات الحرارة المرتفعة ، يمكن لـ "عدم التجميد" أن يخضع لتغييرات لا رجعة فيها ، لذلك يجب حمايته من ارتفاع درجة الحرارة الزائد.
مضخة تكييف للأنظمة الشمسية
لضمان الدوران القسري لسائل التبريد على طول دائرة المجمع ، هناك حاجة إلى مضخة مكيفة للأنظمة الشمسية.
مبادل حراري DHW
يتم نقل الحرارة من دائرة تجميع الطاقة الشمسية إلى المياه المستخدمة في إمدادات المياه الساخنة ، أو إلى وسيط التدفئة في نظام التدفئة عن طريق مبادل حراري. كقاعدة عامة ، لتراكم الماء الساخن ، يتم استخدام خزان كبير الحجم مزود بمبادل حراري مدمج بالفعل. من المنطقي استخدام الخزانات مع مبادلين حراريين أو أكثر: سيسمح لك ذلك بتسخين الحرارة ليس فقط من مجمّع الطاقة الشمسية ، ولكن أيضًا من مصادر أخرى (الغاز أو المرجل الكهربائي ، المضخة الحرارية ، إلخ).
أتمتة
لا يمكن لهذا النظام المعقد الاستغناء عن الأتمتة ، والذي يتحكم في العملية ويتحكم فيها. تتيح لك وحدة التحكم أتمتة عمل المجمع: إنه يحلل درجة الحرارة في الدائرة وخزان التخزين ، ويتحكم في المضخة والصمامات المسؤولة عن حركة سائل التبريد على طول الدائرة. في حالة ارتفاع درجة حرارة سائل التبريد في الدائرة وارتفاع درجة حرارة الماء في الخزان ، فستعطي وحدة التحكم أمرًا بإطلاق الحرارة إلى بالوعة حرارة بديلة - خزان مياه إضافي أو مبادل حراري في الهواء الطلق.
إذا تجاوزت درجة حرارة الماء في خزان التخزين في نهاية ساعات النهار درجة حرارة سائل التبريد في دائرة المجمع ، فإن الأتمتة ستوقف تداول سائل التبريد على طول الدائرة بحيث لا يتم إطلاق الحرارة المتراكمة في الغلاف الجوي من خلال المجمع نفسه. تتيح وحدات التحكم الحديثة مراقبة تشغيل النظام عن بُعد وإجراء التعديلات إذا لزم الأمر.
اليوم لن يكون من الصعب العثور على مجمع للطاقة الشمسية وأي من المكونات الضرورية لتشغيله في السوق. من الممكن تمامًا تجميع النظام من العناصر المشتراة بشكل منفصل. ومع ذلك ، فإن الشركات المصنعة تقدم مجموعات جاهزة ، تشمل جامعًا ، ومضخات ، وخزانات تخزين ، وأتمتة تحكم ، وما إلى ذلك. شراء هذه المجموعة ليس فقط توفيرًا لوقتك ، ولكنه أيضًا ضمان لأداء النظام.
