امروزه با پیشرفت علم و گسترش انرژی های جدید، نگرانی انسان در نگه داری از طبیعت پیرامون خود دوچندان شده. استفاده از منابع تجدید ناپذیر و سوخت های آلود کننده محیط زیست از مشکلات جدی بشر امروز است. برای حل مشکل باید به دنبال انرژی های جدید و جایگزین باشیم، از آن جمله استفاده از انرژی ارزان و در دسترس خورشید است. انرژی خورشید به راحتی قابل ذخیره است. انرژی خورشیدی عظیم ترین منبع انرژی در جهان می باشد. این انرژی پاک، ارزان و بی پایان بوده و در تمام مناطق کشورمان و جهان قابل مصرف می باشد.
روند رو به رشد استفاده از آبگرمکنهای خورشیدی در دنیا
گسترده ترین کاربرد انرژی های تجدیدپذیر استفاده از آن ها برای تولید حرارت است که به طور عمده به سوختهای زیستی و آبگرمکنهای خورشیدی مربوط میشود. بر این اساس، یکی از پرکاربردترین انواع فناوری های مرتبط با انرژی های تجدیدپذیر، فناوری آبگرمکن های خورشیدی است. مجموع ظرفیت نصب شدۀ مجموع آبگرمکن های خورشیدی در سطح جهان تا پایان سال ۲۰۱۲ به ۲۶۵۰۰۰ مگاوات حرارتی رسیده است (شکل ۱)
ظرفیت نصب شدۀ سیستم های انرژی تجدیدپذیر در دنیا و موقعیت آبگرمکن های خورشیدی (۲۰۱۲)
نمودار شکل ۱ نشان میدهد آبگرمکن های خورشیدی تقریباً به اندازۀ نیروگاه‌های بادی در دنیا مورد توجه قرار گرفته اند. همچنین ظرفیت نصب شدۀ این آبگرمکن ها (بر حسب گیگاوات حرارتی) بیش از ۵/۲ برابر ظرفیت تمام سلول های خورشیدی جهان (بر حسب گیگاوات الکتریکی) است. روند رو به رشد ظرفیت نصب شدۀ آبگرمکن های خورشیدی در سطح دنیا در شکل ۲ نیز گویای این است که فناوری مذکور توانسته جای خود را در میان سیستم های گرمایشی به خوبی باز کند.
مجموع ظرفیت نصب شدۀ آبگرمکن های خورشیدی لوله خلأ و صفحه تخت شیشه دار در دنیا
آمارها حاکی از آن است که اقتصادهای در حال توسعه پابه پای کشورهای توسعه یافته در حال گسترش استفاده از فناوری آبگرمکن های خورشیدی هستند تا بتوانند مصرف سوختهای فسیلی را متوقف کنند. چین، آمریکا، آلمان، ترکیه، برزیل، هند و ژاپن در استفاده از انواع این آبگرمکن ها پیشرو هستند.
آبگرمکن خورشیدی (Solar water heating) دستگاهی است که با استفاده از نور خورشید انرژی لازم جهت گرم کردن آب خانگی را فراهم می کند. در آبگرمکن های خورشیدی دو نوع سیستم گرمایشی بر اساس نوع سیال یا هوا وجود دارد. انرژی گرمایشی در کلکتورهای سیستم ذخیره می شود.(کلکتور وسیله ای است که سیال درون آن توسط خورشید گرم می شود). در سیستم هایی که با سیال کار می کنند یک سیال ضد یخ درون کلکتورها جریان دارد و در سیستم های هوایی، هوا درون کلکتورها گرم شده و گرما را انتقال می دهند.
هر دو نوع سیستم حرارت و اشعه نور خورشید را جذب می کنند سپس آن را به منبع ذخیره داخلی انتقال می دهند. اگر سیستم نتواند حرارت لازم را فراهم کند، یک بخش کمکی گرمای لازم را تامین می نماید. آبگرمکن خورشیدی هزینه های انرژی را کاهش می دهد چون از انرژی رایگان خورشیدی استفاده می کند. از آنجایی که مصرف سوخت های فسیلی را کاهش می دهد، به دلیل تأثیر مستقیم در کاهش میزان انتشار گازهای گلخانه ای، به ما در داشتن محیطی پاک کمک می کند. در برخی کشورهای جهان مانند ترکیه و چین از این آبگرمکنها تقریبا در اکثر منازل استفاده می شود. در ایران می‌توان از آبگرمکنهای خورشیدی در مناطقی که فاقد لوله کشی گاز هستند به طور مستقل و در مناطقی که دارای گاز کشی هستند به عنوان پیش گرمکن آب مصرفی استفاده کرد. منظور از پیش گرمکن آن است که آب شهر یا آب ورودی می‌تواند ابتدا توسط آبگرمکن خورشیدی گرم شود. در صورتی که میزان گرمایش ناکافی بود، سیستم حرارتی مرسوم مانند پکیج یا شوفاژ می‌تواند دمای آن را تا میزان دلخواه افزایش دهد. به این ترتیب در مصرف انرژی به میزان قابل ملاحظه‌ای صرفه جویی میشود.
سیستم های گرمایش خورشیدی با هوا
سیستم های گرمایش هوای خورشیدی ، از هوا یه عنوان جاذب و انتقال دهنده انرژی خورشیدی استفاده می کنند. کلکتورهای هوای خورشیدی می توانند مستقیما هوای هر اتاق را گرم یا هوایی که وارد کویل های پمپ حرارتی می شوند، پیش گرمایش کنند. کلکتورهای هوایی نسبت به آبی سریعتر تولید گرما می کنند از این رو آن ها انرژی مفید بیشتری نسبت به سایز مشابه خود در نوع آبی تولید می کنند.
کلکتورهای هوای خورشیدی معمولا درون دیوارها و سقف نصب می شوند. در این حالت روکش سقف ها می تواند یک سطح جاذب برای هوا ایجاد کند، هوا در ۲۱ درجه سلسیوس وارد کلکتور شده و تا ۳۲ درجه سلسیوس گرم می شود. سرعت هوا در این حالت بین ۵/۱ تا ۱/۳ متر بر ثانیه می باشد.
کلکتورهای هوا از قاب های عایق فلزی و یک سطح فلزی سیاه برای جذب گرما ساخته شده اند. تابش اشعه خورشید صفحه را گرم کرده و پس از آن هوا گرم می شود. فن یا دمنده هوا را از اتاق می کشد و پس از گرم کردن دوباره به اتاق باز می گرداند. کلکتورهای نصب شده روی سقف نیاز به کانال برای انتقال هوا بین اتاق و کلکتور دارند. کلکتورهای دیواری مستقیما درون دیوار جنوبی نصب می گردند و حفره هایی برای ورود و خروج هوا در آن ها تعبیه می گردند.
سیستم های گرمایش خورشیدی با آب
کلکتورهای آبی خورشیدی بیشتر در سیستم های حرارت مرکزی و گرم کردن آب در سیستم گرمایش کاربرد دارند. در کلکتورها سیال کاری ضد یخ (آب یا پروپیلن گلیکول) حرارت خورشید را جذب و در زمان مناسب کنترلر، پمپ سیرکولاسیون را روشن می کند و سیال را به گردش در می آورد.
اجزای یک آبگرمکن خورشیدی شامل پمپ، لوله کشی داخلی، شیر، منبع انبساط، مبدل، مخزن ذخیره، و کنترلر می باشد.
آبگرمکن خانگی خورشیدی
جالب است بدانید که گرمایش آب و فضا مجموعاً بیش از ۸۰% انرژی را در ساختمان‌ها مصرف میکند و بنابراین بیش از یک سوم کل انرژی مصرفی جهان در جهت گرمایش مصرف میشود. از این میان گرمایش آب به طور متوسط ۲۰ تا ۳۰ درصد کل انرژی مصرفی در خانه را مصرف میکند. بنابراین با استفاده از آبگرمکن خورشیدی می‌توان سالیانه ۷۰% انرژی مورد نیاز برای گرمایش آب را تامین کرد.
بخش اصلی یک آبگرمکن خورشیدی کلکتور آن است که خود شامل یک ورق است که به‌وسیله تابش کلی خورشید حرارت یافته و حرارت خود را به یک سیال جذب کننده (مانند آب ) که داخل لوله در حال جریان است، منتقل میکند. رنگ این ورق همیشه تیره انتخاب میشود و دارای پوشش خاصی است که بتواند ضریب جذب انرژی را به حداکثر و ضریب پخش را به حداقل برساند. برای رسیدن به دمای بالا، مجموعه ورق و لوله‌ها را در داخل یک جعبه عایق با روکش شیشه قرار می‌دهند تا از اثر گلخانه‌ای بتوان استفاده کرد
آبی که با این روش گرم میشود، بر اثر اختلاف دما و با گردش طبیعی وارد یک تانک دوجداره شده و آب مخزن را گرم میکند. این آب گرم شده یا به طور مستقیم به مصرف گرمایش خانوار می‌رسد و یا توسط یک مبدل حرارتی دمای آب مصرفی خانواده را افزایش میدهد. شکل زیر طرح ساده ای از این آبگرمکن را نشان میدهد
آبگرمکن های خورشیدی خانگی:
آبگرمکن های خورشیدی خانگی از نظر کارکرد به دو دسته ترموسیفونی و پمپی تقسیم می شوند:
۱-آبگرمکنهای خانگی توموسیفونی
الف) با مخزن افقی ساختار و عملکرد این دسته از آبگرمکن های خورشیدی نسبتا ساده می باشد هر آبگرمکن از یک مخزن و تعدادی کلکتور تشکیل شده که عملکرد آن بستگی زیادی به شرایط زمانی و مکانی ( منطقه جغرافیایی) خواهد داشت. صفحات جاذب کلکتورها انرژی تابشی خورشید را جذب و به گرما تبدیل می کند. لولههای رایزر متصل به این صفحات گرمای جذب شده را به سیال عبوری منتقل میکند. درصورتیکه سیستم (Indirect) باشد، سیال گرم در مخزن ذخیره می شود (متشکل از منبع ذخیره دو جداره ) سیال گرم ( محلول آب و ضد یخ ) وارد جداره خارجی شده و آب مصرفی را گرم می کند.
ب) ترموسیفون مستقیم (Direct) با سیستم لوله حرارتی استفاده از این سیستم در جاهایی که دمای زیر صفر دارد توصیه نمی شود چرا که سیال گردش داخل کلکتور همان آب مصرفی است و ممکن است در اثر پائین آمدن دما در فصول سرد این آب یخ بزند و سبب ترکیدگی لوله های کلکتور گردد. مخزن سیستم تحت فشار آب شهری نیست و به همین دلیل فشار آب گرم خروجی تابع ارتفاع تانک می باشد.
۲- آبگرمکنهای خانگی پمپی:
این سیستم از یک مخزن ، دو کلکتور و یک پمپ تشکیل یافته است توضیح مربوط به کلکتورهای مخزن این سیستم دقیقا مشابه توضیحات ذکر شده سیستم ترموسیفونی می باشد با این تفاوت که مخزن این سیستم در هر جایی از ساختمان می تواند قرار بگیرد دراینصورت آنرا جدا از کلکتور و در نزدیکترین مکان به محل مصرف قرار می دهند از این نوع سیستم به عنوان سیستم کمکی یا پیش گرمکن نیز می توان بهره گرفت افزودن این پمپ سیرکولاسیون به مدار سبب افزایش راندمان و توان خروجی محصول می گردد.
انواع کلکتورهای خورشیدی
کلکتورهای تخت Flat-plate collectors
این کلکتور ساده‌ترین و پر استفاده‌ترین نوع کلکتور به‌شمار می‌رود. ساختار آن به شکل یک جعبه مستطیل شکل بوده که در داخل آن یک صفحه جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم با پوششی به رنگ‌های خاص است. این صفحه، جاذب انرژی حرارتی خورشید است. در زیر صفحه، لولههای کوچکی قرار گرفته که آب یا سیال انتقال حرارت در آن‌ها جریان دارد. اطراف کلکتور به منظور کاهش اتلاف حرارتی عایق بندی شده است. روی سطح جعبه نیز از پلاستیک شفاف یا شیشه پوشیده شده است.
کلکتورهای تحت خلا Evacuated-tube collectors
جمع کننده خورشیدی تحت خلاء که به Collector Glass-Metal معروف میباشد همانند یک مبدل حرارتی دو لولهای از دو لوله متداخل فلزی و شیشهای تشکیل شده است. دراین جمع کننده عموماً لوله فلزی از جنس مس میباشد که بنام لوله جاذب بوده بطوریکه سیال در داخل آن جریان دارد و لوله شیشهای در بیرون قرار گرفته و از تلفات جابجایی بین محیط و لوله جاذب جلوگیری میکند. جهت به حداقل رساندن تلفات جابجایی، فضای بین دو لوله از هوا تخلیه میشود. عملکرد این مبدل به صورت ترموسیفون بوده که بواسطه آن جریان سیال گرم در داخل جمع کننده در اثر اختلاف دانسیته سیال گرم و سردصورت می‌گیرد. در اثر جریان سیال گرم در داخل مخزن ذخیره کوئل‌دار، آب مصرفی گرم میشود.
انواع سیستمهای آبگرمکن خورشیدی
آبگرمکن خورشیدی کم فشار (سیستمهای چرخش طبیعی – ترموسیفون)
با آنکه چندین دهه از ساخت نخستین آبگرمکن خورشیدی ترموسیفون می گذرد، اما با اینحال یکی از تکنولوژیهای برتر برای بکارگیری انرژی خورشید استفاده از این نوع آبگرمکنها می باشد. کارایی بالا، سهولت ساخت، عدم حضور قطعات متحرک و عدم نیاز به نگهداری، باعث برتری آبگرمکنهای ترموسیفون نسبت به نوع دیگر، یعنی آبگرمکنهای جابجایی اجباری شده است. در آبگرمکنهای خورشیدی چرخش طبیعی، مخزن ذخیره در ارتفاع مشخصی ( ۳۰ تا ۶۰ سانتیمتر) نسبت به بالاترین قسمت لوله های تحت خلا قرار داده می شود تا از چرخش معکوس سیال در ساعاتی که تابش خورشید وجود ندارد، جلوگیری شود.
در اوایل صبح، تابش خورشید باعث گرم شدن آب در لوله های تحت خلا می شود. آب گرم شده آن با جابجایی طبیعی بالا رفته، به مخزن ذخیره می رسد و آب سرد مخزن از پایین آن به داخل لوله های تحت خلا جاری می گردد
آبگرمکن خورشیدی تحت فشار (جابجایی اجباری)
در این سیستم مدار بسته میباشد و برای جابجایی سیال از پمپ استفاده می‌کنند. تفاوت اصلی این نوع سیستم با آبگرمکن ترموسیفون در این است که آب داخل لوله های تحت خلا در این حالت تحت فشار به گردش در می آید. بدلیل اینکه لوله های تحت خلا از جنس شیشه هستند و تحمل فشار آب را ندارند، از لوله های هیت پایپ مسی بعنوان ناقل حرارت استفاده شده است. سر لوله های هیت پایپ در داخل مخزن آب قرار دارد، لوله های هیت پایپ که در داخل لول های تحت خلا قرار دارند، در اثر جذب انرژی خورشید گرم شده و گرمای خود را به آب درون مخزن آب منتقل می کنند
مزیت اصلی این سیستم این است که نیازی به اینکه آبگرمکن بر روی پشت بام قرار گیرد، نیست. بعبارت دیگر برخلاف آبگرمکن های کم فشار که می بایست حتما بر روی ارتفاع قرار گیرند تا بتوانند فشار آبگرم لازم را در خانه تامین نمایند، وجود ندارد و می توان آبگرمکن را در موقعیت دلخواه و مناسب مثلا در فضای زیر شیروانی، داخل حمام و یا در اطراف سقف قرار گیرد.
آبگرمکن خورشیدی برگشت ثقلی
سیستمهای برگشت ثقلی عموماً جزء سیستمهای غیرمستقیم گرمایش آب است که در آن آب در یک سیکل بسته حرارت خورشید را از کلکتور دریافت کرده و به وسیله یک مبدل حرارتی آب داخل مخزن را گرم می‌نماید. سیستم تا زمانی که انرژی خورشید به میزان کافی موجود باشد، کار میکند. در غیر اینصورت پمپ از کار افتاده و سیال داخل کلکتور در اثر نیروی گرانشی به داخل مخزن تخلیه میشود .
بخش اصلی تشکیل دهنده آبگرمکن خورشیدی مجموعه لوله هایی است به نام کلکتور collector که از یک استوانه شیشه ای با روکشی از یک ترکیب خاص تیره رنگ که اشعه آفتاب آنرا بشدت داغ می کند . در داخل این استوانه ها آب جریان دارد که با جذب گرمای استوانه گرم می شود
دلایل استفاده از آبگرمکن خورشیدی:
۱-حفاظت محیط زیست
۲-جلوگیری از افزایش گرمای زمین
۳- انرژی پاک، ارزان، قابل دسترسی، پایان ناپذیر و ذخیره منابع انرژی تجدیدناپذیر
۴- افزایش ضریب اطمینان ایمنی
۵- دسترسی همیشگی به منبع انرژی
۶- کاهش هزینه های انرژی گرمایی
اجزاء آبگرمکن خورشیدی
یک آبگرمکن خورشیدی از اجزاء زیر تشکیل شده است:
۱- گردآورنده ۲- مخزن ذخیره ۳- مبدل گرمایی ۴- کنترل کننده های اتوماتیک ۵- پمپ، لوله ها شیرآلات و اتصالات
۲-۱- گردآورنده صفحه تخت
گردآورنده صفحه تخت
اجزای گردآورنده صفحه تخت
انواع صفحات جاذب بکار رفته در آبگرمکن های خورشیدی
۱-صفحه جاذب
۲-سیال انتقال دهنده گرما
۳- صفحات پوششی
۴- قاب گردآورنده
۵- مخزن ذخیره
۶- مبدل گرمایی
۷- عایق بندی حرارتی
روش محاسبه:
حجم آب گرم مصرفی برای یک خانواده پنج نفره بین ۲۲۰ الی ۳۴۰ لیتر ( ۵۰ الی ۷۵ گالن) در نظر گرفته می شود. بنابراین برای تعیین آب گرم مصرفی یک خانوار ۴ الی ۵ نفره حد متوسط:
این مقدار یعنی ۲۸۰ لیتر ( ۶۲ گالن ) در نظر گرفته شده است. بارآب گرم مصرفی توسط فرمول زیر محاسبه می شود(۴).
(V=Q*8/33(t2-t1
Q : بار حرارتی آب گرم مصرفی Btu/hr
V : مقدار واقعی آب گرم مصرفی در روز بر حسب گالن (V=62 )
۸/۳۳ : وزن مخصوص آب بر حسب پوند برگالن
t1 : دمای آب ورودی به آبگرمکن ( ۱۵/۵ درجه ساتیگراد یا ۶۰ درجه فارنهایت )
t2 : دمای آب خروجی از آب گرمکن ( ۶۰ درجه ساتیگراد یا ۱۴۰ درجه فارنهایت )
بارحرارتی آب گرم مصرفی در روز برای یک خانواده ۴ الی ۵ نفره
Btu/d (۶۰-۱۴۰)*۸/۳۳*۶۲
بار حرارتی سالیانه لازم برای یک خانواده ۴ الی ۵ نفره
Btu/year ۱۰۶ * ۱۵/۰۸= ۳۶۵ *۴۱۳۱۶/۸
معادل بشکه نفت خام ۲/۶ = ۹-۱۰ * ۱۷۲ * ۱۰۶ * ۱۵/۰۸
برای تأمین آبگرم مصرفی سالانه منازل مسکونی در کشور:
۱ـ ۱۰۶× ۴۱/۶ بشکه معادل نفت خام انرژی مصرف میگردد.
۲ـ ۱۵۰۰۰۰ تن منوکسید کربن ، ۸۳۶۰۰ تن دی اکسید نیتروژن، ۴۴۳۰۰۰ تن دی اکسید کربن آلودگی تولید میشود.
۳ـ ۶۸۲/۱۵ میلیون دلار به منظور رفع آلودگی محیط زیست ناشی از مصرف سوختهای فسیلی هزینه میگردد .
۴ـ از معادل ۱۰۶×۱۱۶۵ دلار درآمد ناشی از صادرات سوختی که از بابت تأمین آبگرم، به مصرف می رسد محروم میگردیم .
۵ـ جمعاً ۱۰۹×۱/۸۴۷ دلار در سال زیان ارزی به کشور تحمیل میشود.
۶ـ در صورت سرمایهگذاری دولت به میزان نیمی از سرمایه لازم در تأمین آبگرم مصرفی خانوادههای ۴ الی ۵نفره در ایران توسط انرژی خورشیدی، دوره بازگشت سرمایه حدود ۴سال خواهد بود.