جلسه دهم: گردآورنده های خورشیدی
مبانی گردآورنده‌های خورشیدی حرارتی
گردآورنده‌های خورشیدی حرارتی اساساً با جذب تابش خورشید و انتقال این گرما به یک سیال (معمولاً آب یا هوا) کار می‌کنند. این سیال گرم شده سپس می‌تواند برای مقاصد مختلفی مانند:
- تأمین آب گرم مصرفی: (رایج‌ترین کاربرد در ساختمان‌ها)
- گرمایش فضا: (ترکیب با سیستم‌های گرمایش مرکزی)
- گرمایش استخر
مورد استفاده قرار گیرد.
انواع اصلی گردآورنده‌های خورشیدی حرارتی
- گردآورنده‌های مسطح (Flat-Plate Collectors):
- ساختار: این نوع، رایج‌ترین و پرکاربردترین نوع برای مصارف ساختمانی است. شامل یک جعبه عایق‌بندی شده با پوشش شیشه‌ای شفاف در جلو و یک صفحه جاذب سیاه در داخل است. لوله‌هایی در پشت یا داخل صفحه جاذب وجود دارند که سیال (آب یا مخلوط آب و ضدیخ) از آن‌ها عبور کرده و گرما را دریافت می‌کند.
- مزایا: نسبتاً ارزان، نگهداری آسان، مناسب برای دماهای پایین تا متوسط (تا حدود ۸۰-۱۰۰ درجه سانتی‌گراد).
- معایب: بازدهی کمتر در دماهای بسیار بالا یا هوای بسیار سرد، اتلاف حرارتی بیشتر نسبت به انواع دیگر.
- کاربرد: تأمین آب گرم مصرفی، گرمایش استخر، و تا حدی گرمایش فضا.
- گردآورنده‌های لوله خلاء (Evacuated Tube Collectors):
- ساختار: شامل مجموعه‌ای از لوله‌های شیشه‌ای دوجداره است که بین دو جداره آن خلاء ایجاد شده است. در داخل هر لوله خلاء، یک لوله یا صفحه جاذب فلزی (معمولاً سیاه رنگ) قرار دارد که گرما را به سیال داخل یک لوله مرکزی (مانند لوله حرارتی یا لوله مستقیم سیال) منتقل می‌کند. خلاء بین دو جداره شیشه، اتلاف حرارتی را به شدت کاهش می‌دهد.
- مزایا: بازدهی بالاتر، به خصوص در هوای سرد و یا زمانی که نیاز به دمای بالاتر است (تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد)، اتلاف حرارتی کمتر، عملکرد بهتر در روزهای ابری.
- معایب: گران‌تر از گردآورنده‌های مسطح، حساسیت بیشتر به ضربه.
- کاربرد: تأمین آب گرم مصرفی، گرمایش فضا، و کاربردهای صنعتی که نیاز به دمای بالاتر دارند.
- گردآورنده‌های متمرکز کننده (Concentrating Collectors):
- ساختار: این نوع گردآورنده‌ها از سطوح بازتابنده (آینه‌ها یا مواد صیقلی) برای متمرکز کردن نور خورشید بر روی یک گیرنده کوچک استفاده می‌کنند. این گیرنده معمولاً حاوی یک سیال است که به دماهای بسیار بالا می‌رسد.
- انواع:
- سهموی خطی (Parabolic Trough): یک آینه سهموی خطی نور را بر روی یک لوله خلاء در کانون خود متمرکز می‌کند.
- دیش سهموی (Parabolic Dish): یک آینه سهموی بشقابی نور را بر روی یک گیرنده در کانون خود متمرکز می‌کند (شبیه به آنتن ماهواره).
- متمرکز کننده صفحه‌ای (Linear Fresnel): از نوارهای باریک آینه‌ای برای تمرکز نور بر روی یک لوله گیرنده استفاده می‌شود.
- مزایا: قابلیت دستیابی به دماهای بسیار بالا (بیش از ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد)، مناسب برای تولید بخار و کاربردهای صنعتی یا تولید برق از طریق چرخه رانکین.
- معایب: گران، نیاز به ردیابی دقیق خورشید، کارایی کم در هوای ابری، عمدتاً برای کاربردهای در مقیاس بزرگ.
اجزای یک سیستم آب گرم خورشیدی (Solar Water Heating System)
یک سیستم کامل آب گرم خورشیدی معمولاً شامل اجزای زیر است:
- گردآورنده خورشیدی (Solar Collector): همانطور که توضیح داده شد.
- مخزن ذخیره (Storage Tank): مخزنی عایق‌بندی شده برای نگهداری آب گرم تولید شده.
- سیال عامل (Heat Transfer Fluid): معمولاً آب یا مخلوط آب و ضدیخ (گلیکول).
- لوله کشی و اتصالات (Piping and Fittings): برای انتقال سیال بین گردآورنده و مخزن.
- پمپ (Pump): در سیستم‌های گردش اجباری (Forced Circulation)، برای به گردش درآوردن سیال بین گردآورنده و مخزن استفاده می‌شود.
- کنترلر (Controller): سیستم الکترونیکی که پمپ و گاهی شیرهای برقی را بر اساس اختلاف دما بین گردآورنده و مخزن، روشن و خاموش می‌کند.
- شیر اطمینان (Safety Valves): برای جلوگیری از افزایش بیش از حد فشار یا دما.
- سیستم پشتیبان (Backup Heater): معمولاً یک هیتر برقی یا متصل به سیستم گرمایش مرکزی، برای اطمینان از تأمین آب گرم در روزهای ابری یا پرمصرف.
انواع گردش سیال در سیستم آب گرم خورشیدی
گردش طبیعی (Thermosiphon):
در این سیستم، پمپ وجود ندارد.
مخزن ذخیره باید بالاتر از گردآورنده نصب شود.
آب گرم شده در گردآورنده سبک‌تر شده و به طور طبیعی بالا آمده و وارد مخزن می‌شود.
آب سردتر و سنگین‌تر از پایین مخزن به سمت گردآورنده سرازیر می‌شود.
مزایا: ساده، بدون نیاز به برق برای پمپ، نگهداری کمتر.
معایب: نیاز به نصب مخزن در ارتفاع بالا (ممکن است از نظر معماری یا زیبایی مشکل‌ساز باشد)، کارایی کمتر در فواصل زیاد.
گردش اجباری (Forced Circulation):
با استفاده از پمپ، سیال بین گردآورنده و مخزن به گردش در می‌آید.
مخزن می‌تواند در هر جایی (معمولاً پایین‌تر یا هم‌سطح گردآورنده) نصب شود.
مزایا: انعطاف‌پذیری بیشتر در نصب، کارایی بهتر در سیستم‌های بزرگ یا با فواصل زیاد.
معایب: نیاز به برق برای پمپ، نیاز به کنترلر، احتمال خرابی پمپ.
استفاده از گردآورنده‌های خورشیدی، گامی مهم در جهت کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و استفاده از انرژی پاک خورشید است.
