تصور کنید که یک مخترع هستید و مسئولیت طراحی سیستمی را دارید که بتواند تمام آب گرم مورد نیاز شما را تأمین کند. احتمالاً متوجه شده‌اید که آب برای گرم شدن به زمان نسبتاً زیادی احتیاج دارد. این به دلیل آن است که آب انرژی حرارتی را در خود حفظ می‌کند که اصطلاحاً می‌گوییم از طرفیت ویژه حرارتی بالایی برخوردار است و به همین دلیل از آن در انتقال انرژی حرارتی در سیستم‌های گرمایش مرکزی استفاده می‌کنیم. بنابراین آیا می‌توانیم به تنهایی یک سیستم گرمایش خورشیدی ساده را با استفاده از آب طراحی کنیم؟
برای امتحان یک بطری پلاستیکی پر از آب سرد را کنار یک پنجره زیر نور خورشید قرار دهید؛ چند ساعت بعد این آب به طور قابل توجهی گرم خواهد شد. اما مشکل اینجاست که این سیستم برای یک خانه با تعداد افراد بیشتر مناسب نیست!
اما چطور می‌توانیم آب گرم بیشتری در اختیار داشته باشیم؟ در ادامه مباحث بیشتری برای داشتن یک سیستم گرمایشی مناسب را مورد بررسی قرار خواهیم داد:
قسمت های اصلی سیستم گرمایش خورشیدی
در عمل سیستم‌های گرمایش خورشیدی کمی پیچیده‌تر از آن چیزی هست که در بخش قبل ارائه شد. در واقع بخش‌های اصلی این سیستم در ادامه تشریح خواهد شد:
کالکتور گرمایش خورشیدی (Collector)
این نام فنی پنل سیاه رنگ نسبتاً بزرگی است که همانند آنچه در شکل ۱ نشان داده شده است روی سقف خانه شما قرار می‌گیرد. البته خانه‌های کوچکتر یا آن دسته از خانه‌هایی که در مناطق گرمسیری واقع شده‌اند می‌توانند در مقایسه با خانه‌های بزرگ یا خانه‌هایی که در مناطق سردسیر قرار دارند از پنل‌های کوچکتر هم استفاده کنند. معمولاٌ کلکتورها از نظر اندازه بین ۲ تا ۱۵ متر مربع متغیر هستند.
جای تعجب نیست که کلکتورهایی که روی سقف‌های مشرف به نور خورشید هستند از کارایی بهتری برخوردار باشند. به طور کلی، کلکتورها به دو دسته مسطح (flat plate) و لوله تخلیه شده (evacuated tubes) تقسیم می‌شوند.
پنل گرمایش آب خورشیدی که از کلکتور مسطح استفاده می‌کند
کلکتورهای صفحه مسطح
صفحات مسطح از ساده‌ترین کلکتورهای مورد استفاده هستند به طوریکه در ابتدایی‌ترین طرح آن چیزی بیش از لوله های آب وجود ندارد که از طریق باکس‌های فلزی کم عمق با شیشه‌های ضخیم سیاه رنگ پوشانده می‌شوند. این شیشه گرما را جمع کرده و آن را همانند گلخانه در خود محبوس می‌کند و آب از طریق لوله‌ها جریان پیدا کرده و به مخزن منتقل می‌شود.
لوله تخلیه شده
نحوه عملکرد این لوله‌ها کمی پیچیده‌تر است. این لوله‌ها بیشتر شبیه نمونه زخیم‌تر چراغ‌های فلورسنت هستند و بیشتر شبیه به فلاکس چای عمل می‌کنند. همانطور که از نام آنها پیداست ساختار این لوله‌ها کاملاً بصورت توخالی بوده و حرارت ناشی از تابش خورشید را در خود محبوس نگه می‌دارند.
این حرارت به سمت یک دستگاه جمع‌کننده (بعضاً مانیفولد (manifold) هم نامیده می‌شود) که در بالا یا پایین لوله قرار می‌گیرد جریان می‌یابد و آب یا هر مایع دیگری از طریق آن جاری شده و حرارت را به مخزن آب گرم منتقل خواهد کرد. این لوله‌ها در مقایسه با کلکتورهای مسطح دارای فرار حرارتی کمتری هستند. اما به دلیل پیچدیگی بیشتر و فناوری پیشرفته تر معمولاً گرانتر از نمونه‌های مسطح خود هستند.
یک کلکتور لوله تخلیه شده (به مانیفولد خاکستری رنگ در بالای کلکتور و لوله سفید رنگ آب توجه کنید)
مخزن آب گرم
برای ذخیره آب گرم که از کلکتور خارج می‌شود نیاز به یک مخزن داریم که در واقع این مخزن نوعی باتری آب گرم است که در زمان‌های مختلف می‌توانید از آن استفاده کنید! قطعاً هرچه تعداد افراد خانواده بیشتر باشد نیاز به تانک بزرگتری دارید. یک تانک با حجم مناسب برای خانواده می‌تواند ۱۰۰ تا ۲۰۰ لیتر باشد.
مبدل حرارتی
به طور کلی پنل‌های خورشیدی از طریق انتقال حرارت از کلکتور به مخزن از طریق یک مدار مجزا و یک مبدل حرارتی کار می‌کنند. حرارت جمع آوری شده توسط پنل آب را گرم می‌کند که از طریق مداری از لوله‌های آب به طرف یک کویل مسی درون مخزن آب گرم جریان پیدا می‌کند.
پس از آن حرارت به مخزن آب منتقل شده و آب سرد به منظور جذب حرارت بیشتر به کلکتور باز می‌گردد. آب کلکتور در مخزن تخلیه نشده و به هیچ وجه آبی که از طریق شیر خانه خارج می شود نیست!
پمپ مناسب گرمایش خورشیدی
در این سیستم آب مورد استفاده به خودی خود بین کلکتور و مخزن جریان پیدا نخواهد کرد و برای ایجاد جریان آب به یک پمپ کوچک نیاز خواهید داشت. بهتر است راه‌اندازی پمپ از برق شهر استفاده نشود. زیرا که انرژی مصرف شده توسط پمپ برخی از مزایای استفاده از انرژی حرارتی خورشید را خنثی خواهد کرد و سود حاصل از این طرح را کاهش داده و زمان بازگشت سرمایه را طولانی‌تر خواهد کرد.
خوشبختانه می‌توان از سیستم فتوولتائیک برای راه‌اندازی این موتورها استفاده کرد و این بدان معناست که سیستم طراحی شده کاملاً از انرژی تجدیدپذیر در کار خود استفاده می‌کند.
سیستم کنترل‌کننده
فرض کنید اواسط زمستان بوده و سقف خانه شما در حال یخ بستن است، قطعا آخرین چیزی که منتظر آن هستید انتقال آب سرد به داخل مخزن آب گرم است! نگران نباشید برای غلبه بر این مشکل می‌توانید از یک سیستم کنترلی که به پنل گرمایش خورشیدی متصل می‌شود استفاده کنید.
این سیستم با شیر مخصوص خود می‌تواند مدار جریان آب را در شرایط نامساعد خاموش کند. معمولاً یک سیستم کنترلی برای چنین طرح‌هایی می‌تواند دارای همه یا برخی از این المان‌ها باشد: یک پمپ، فلومتر، فشارسنج، دماسنج (برای کنترل دمای آب)، و ترموستات (برای خاموش کردن پمپ در صورتیکه آب بیش از گرم باشد).
سیستم‌های گرمایش خورشیدی چقدر مناسب هستند؟
از نظر بهره‌وری، کارایی پنل‌های حرارتی خورشیدی در زمان برداشت انرژی بیش از سه برابر پنل‌های فتوولتائیک است. اما این بدان معنا نیست که این پنل‌ها به همین میزان از پنل‌های فتوولتائیک بهتر باشند. در واقع این فرآیند بستگی به میزان انتظار شما از انرژی خورشیدی دارد.
برای مثال اگر در خانواده‌ای زندگی می‌کنید که افراد دائماً در حال مصرف آب گرم هستند خصوصاً در تابستان سیستم‌های حرارت خورشیدی می‌تواند کارایی خوبی برای شما داشته باشد.
یک سیستم مناسب باید قادر به تولید نیم تا دو سوم از کل آب گرم سالانه مورد نیاز یک خانه باشد. یک نقطه ضعف مسلم در این سیستم‌ها آن است که قادر تولید چیزی جز آب گرم نیستند.
برخلاف سیستم‌های فتوولتائیک، پنل‌های حرارتی خورشیدی در گرمایش خانه قابل استفاده نیست و امکان تولید الکتریسیته در آن وجود ندارد. میزان بازگشت سرمایه شما در نتیجه بهره‌برداری از این سیستم بسته به قیمت سوختی که صرفه جویی می‌کنید بین ۵ تا ۱۵ سال است.
در پایان یک مقایسه تقریبی از زمان بازگشت سرمایه برای انواع مختلف از انرژی‌های سبز ارائه شده است. مقادیر درج شده کاملاً به عواملی مانند چگونگی نصب، جایگزینی و اینکه بجای چه سوختی از سیستم جدید استفاده شده است و همچنین تا چه حد از سیستم‌های جدید و قدیم بهره‌برداری می‌شود و بسیاری از عوامل دیگر بستگی دارد.