يصف تسخين الماء بالطاقة الشمسية التقنيات الشمسية النشطة والسلبية التي تستخدم الطاقة الحرارية الشمسية الوفيرة بحرية من أجل تسخين الماء لتطبيق مرغوب.
إنها واحدة من أكثر الطرق كفاءة لتسخين المياه (من حيث الطاقة / النفايات)، حيث لا تتطلب تحويل الطاقة، على عكس التدفئة بالمقاومة الكهربائية أو حرق الوقود. إنها عملية نقل وتركيز بسيطة للطاقة الحرارية من مكان إلى آخر. ( انظر ويكيبيديا: نقل الحرارة . ) مثال آخر على كفاءة هذه التكنولوجيا هو أنها تعمل بالطاقة الشمسية، وهي مجانية، وتعتمد فقط على التكنولوجيا المستخدمة وتكلفتها وكفاءتها. بعبارة أخرى، الطاقة مجانية، فقط أجهزة التجميع والتحويل والتخزين تساهم في تكلفة النظام. ومع ذلك، فإن العيب الرئيسي للطاقة الحرارية الشمسية هو أنها متوفرة فقط أينما / كلما كانت الشمس مرئية.
إذا شعرت يومًا بتدفق الماء الساخن من خرطوم الحديقة الذي ظل تحت أشعة الشمس، فقد قمت بتجربة الماء الساخن الشمسي أثناء العمل.
في الأساس، يتكون نظام الماء الساخن الشمسي من مجمع حراري شمسي ، وحاوية تخزين معزولة جيدًا، ونظام لنقل الحرارة من المجمع إلى الحاوية مقابل وسط سائل، والذي في بعض الحالات يكون الماء نفسه.
محتويات
التطبيقات
نظرًا لوجود عدد لا يحصى من التطبيقات التي تستخدم الماء الساخن المنزلي والتجاري والصناعي على مستوى العالم، فهناك فرص لتطبيق تقنيات الطاقة الشمسية الحرارية لتسخين هذه المياه.
اليوم يتغير السوق وتواجه التكاليف الاقتصادية والبيئية المرتبطة باستخدام الغاز والكهرباء لتسخين المياه تحديات من خلال أنظمة أكثر كفاءة وأقل تكلفة مثل نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية.
خلفية
إن تسخين المياه بالطاقة الشمسية ليس ظاهرة جديدة. فقد كان يستخدم على نطاق واسع في الولايات المتحدة حتى عشرينيات القرن العشرين تقريبًا، عندما حلت محله أنظمة الوقود الأحفوري الموثوقة.
يعتقد البعض أن الماء الساخن ليس له تطبيق يذكر في مجال التكنولوجيا المناسبة وأنه في الغالب مجرد رفاهية متاحة للعالم المتقدم. ويشير أحد النصوص [ بحاجة لتحقق ] حول هذا الموضوع إلى أن الماء الساخن المطلوب في "العالم الثالث" يمكن تسخينه باستخدام وقود مثل الخشب الذي يسخن المنزل والماء في نفس الوقت. ومثل هذه الرفضات خطيرة لسببين:
- أولاً، تهدف التكنولوجيا الملائمة إلى تقليل النفايات وزيادة الكفاءة في استخدام الموارد الطبيعية، فبينما يعمل الخشب على تسخين المياه والمنزل، فهو أيضًا مورد طبيعي غير متوفر في العديد من البلدان الفقيرة. وفي حين أن الشمس موجودة في كل مكان وستقوم بإرسال الطاقة بغض النظر عما إذا كنا نستخدمها أم لا. يموت العديد من النساء والأطفال في بلدان العالم الثالث بسبب أمراض الرئة الناجمة عن التهوية غير الصحيحة والدخان الزائد من نيران الطهي، إلا أن هذا المرض يميل في الواقع إلى أن يكون القاتل رقم 1 قبل الإيدز والجوع.
- ثانياً، من الضروري أن يكون هناك وسيلة للحصول على الماء الساخن في حالة الحاجة إليه بتكلفة فعّالة وضمن المعايير التي تحددها الموارد المحلية. وإذا تم نشر هذه التكنولوجيا، فقد تتسبب في خفض كبير في حجم البصمة البيئية للمنطقة المرتبطة بالوسائل التقليدية لتسخين المياه .
طاقة من الشمس
الخريطة (أ) و (ب) متوسط الإشعاع الشمسي السنوي النظري، في الجزء العلوي من الغلاف الجوي للأرض (أعلى) وعلى السطح على متر مربع أفقي.
الخريطة ج خريطة موارد الطاقة الشمسية العالمية. تُظهر الألوان متوسط الطاقة الشمسية المتاحة على السطح (كما تم قياسها في الفترة من 1991 إلى 1993). للمقارنة، تمثل الأقراص المظلمة مساحة الأرض المطلوبة لتوفير إجمالي الطلب على الطاقة الأولية باستخدام الخلايا الكهروضوئية بكفاءة تحويل تبلغ 8٪.يصل الإشعاع الشمسي إلى الغلاف الجوي العلوي للأرض بمعدل 1366 واط لكل متر مربع (W/m 2 ). [1] توضح الخريطة (أ) كيف تختلف الطاقة الشمسية في خطوط العرض المختلفة.
أثناء السفر عبر الغلاف الجوي، ينعكس 6% من الإشعاع الشمسي الوارد (التشمس) ويتم امتصاص 16% مما يؤدي إلى ذروة إشعاع عند خط الاستواء تبلغ 1020 وات/م2. متوسط الظروف الجوية (السحب والغبار والملوثات) يقلل من التشمس بنسبة 20% من خلال الانعكاس و3% من خلال الامتصاص. لا تؤدي الظروف الجوية إلى تقليل كمية التشمس التي تصل إلى سطح الأرض فحسب، بل تؤثر أيضًا على جودة التشمس عن طريق نشر الضوء الوارد وتغيير طيفه. [2]
تُظهر الخريطة C متوسط الإشعاع العالمي المحسوب من بيانات الأقمار الصناعية التي تم جمعها من عام 1991 إلى عام 1993. على سبيل المثال، في أمريكا الشمالية، يتراوح متوسط الإشعاع الشمسي على مستوى الأرض على مدار عام كامل (بما في ذلك الليالي وفترات الطقس الغائم) بين 125 و375 واط/م². (3 إلى 9 كيلووات ساعة/م²/يوم). [3] يمثل هذا الطاقة المتاحة، وليس الطاقة المسلمة. في الوقت الحاضر، تقوم الألواح الكهروضوئية عادة بتحويل حوالي 15% من ضوء الشمس الساقط إلى كهرباء ؛ ولذلك، فإن الألواح الشمسية في الولايات المتحدة المتجاورة توفر في المتوسط 19 إلى 56 واط / متر مربع أو 0.45 - 1.35 كيلو واط ساعة / متر مربع / يوم. [4]
الأقراص الداكنة في الخريطة ج على اليمين هي مثال على مساحات الأرض التي إذا تم تغطيتها بألواح شمسية ذات كفاءة 8٪، فإنها ستنتج طاقة أكبر قليلاً في شكل كهرباء من إجمالي إمدادات الطاقة الأولية في العالم في عام 2003. [5] في حين أن متوسط أشعة الشمس والطاقة يقدمان نظرة ثاقبة لإمكانات الطاقة الشمسية على نطاق إقليمي، فإن الظروف المحلية ذات الصلة لها أهمية أساسية لإمكانات موقع معين.
بعد المرور عبر الغلاف الجوي للأرض، تكون معظم طاقة الشمس على شكل أشعة مرئية وتحت الحمراء. تستخدم النباتات الطاقة الشمسية لإنتاج الطاقة الكيميائية من خلال عملية التمثيل الضوئي. يستخدم البشر هذه الطاقة بانتظام في حرق الأخشاب أو الوقود الأحفوري، أو عند تناول النباتات ببساطة، تخيل لو وجدنا طريقة لتسخير هذه الطاقة مع ترك النباتات والوقود الأحفوري خارج المعادلة.
من بين المخاوف الحديثة التي تثار حول ظاهرة التعتيم العالمي، وهو تأثير ناتج عن التلوث يسمح بوصول كمية أقل من ضوء الشمس إلى سطح الأرض. ويرتبط هذا التأثير ارتباطًا وثيقًا بجزيئات التلوث والاحتباس الحراري العالمي، وهو مصدر قلق في المقام الأول فيما يتعلق بقضايا تغير المناخ العالمي، ولكنه أيضًا مصدر قلق لأنصار الطاقة الشمسية بسبب الانخفاض الحالي والمحتمل في الطاقة الشمسية المتاحة في المستقبل. (حوالي 4% أقل من الطاقة الشمسية متاحة عند مستوى سطح البحر خلال الفترة الزمنية من 1961 إلى 1990)، ويرجع ذلك في الغالب إلى زيادة انعكاس السحب إلى الفضاء. [6]
- ملحوظة: محتوى ويكيبيديا ينطبق على هذا القسم فقط.
أنواع
نظام الحلقة المغلقة السلبي في باراس دي لا فوينتي، كواهويلا، المكسيكتم تصميم أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية لنقل الطاقة الشمسية من الشمس إلى الماء . يمكن أن يكون العثور على نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية الأكثر كفاءة وفعالية لحالة معينة مهمة صعبة. هناك عدد من العوامل الأساسية التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار تكوين النظام الأنسب. تشمل هذه العوامل، إلى حد كبير، كمية العزل الشمسي، والمناخ، وتكاليف البناء والتركيب والمواد، وموقع النظام وإمكانية الوصول إليه، وكمية المياه التي تحتاج إلى التدفئة، وتكرار استخدام الماء الساخن، وتوافر الكهرباء، وتوافر المواد، ومستوى المهارة في البناء.
تنقسم التصنيفات التالية للأنظمة إلى ثلاث مجموعات تتألف كل منها من نظامين ومجموعة تتألف من نظام فريد واحد. وهذه المجموعات الأربع الرئيسية هي:
- حلقة مفتوحة مقابل حلقة مغلقة .
- نشط مقابل السلبي .
- يستخدم مبادل حراري مقابل لا يستخدم مبادل حراري .
- نظام دفعة .
يستخدم أي نظام خاصية واحدة من كل مجموعة. على سبيل المثال، قد يكون النظام عبارة عن نظام نشط ومفتوح الحلقة ولا يستخدم مبادلًا حراريًا. أو مثال آخر، قد يكون النظام عبارة عن نظام حلقة مغلقة سلبي يستخدم مبادلًا حراريًا. بعض الأنظمة أسهل في صنعها من غيرها ويمكن للأشخاص الذين لديهم معرفة أساسية بالأدوات والبناء إنشاء نظام فعال بسهولة. إذا رغب المرء في إنشاء نظام خاص به، فإن هذا التباين في التعقيد سيؤثر على نوع النظام الذي سيتم اختياره.
التكلفة هي عامل آخر ويأتي كل تكوين للنظام مع مجموعة متنوعة من التكاليف والفوائد المختلفة. يمكن أن تختلف تكاليف أي نظام معين بشكل كبير من بلد إلى آخر ومن منطقة إلى أخرى. بعض التكوينات التي تستخدم أنواعًا معينة من المعدات تكون أكثر كفاءة من غيرها في مواقف معينة. تقدم المعلومات التالية نظرة متعمقة على هذه الطرق المختلفة لبناء مجمعات الطاقة الشمسية للمياه الساخنة.
يتم أيضًا عرض أنواع مختلفة من المجمعات في نهاية هذه الصفحة بالإضافة إلى أمثلة لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية الشائعة المختلفة.
تصف هذه الصفحة الأنظمة المختلفة المستخدمة لتسخين المياه بالشمس. للحصول على وصف أكثر عمومية للمياه الساخنة بالطاقة الشمسية، تفضل بزيارة صفحة المياه الساخنة بالطاقة الشمسية .
أنظمة بسيطة
دش شمسي بسيط للغاية، فعال في المناطق المشمسة، يستخدم كيسًا أسود ممتلئًا بالماء معلقًا في ضوء الشمس المباشر.
يمكن ابتكار "نظام" بسيط للغاية عن طريق تشغيل المياه من خلال خرطوم أو أنبوب معرض للشمس، وربط ذلك بوعاء تخزين في ترتيب ثيرموسيفون . يتسبب السيفون الحراري في إزاحة الماء الساخن فوقه من الماء البارد، وطالما أن الماء الساخن يمكنه الاستمرار في الارتفاع، فسوف يفعل ذلك. لا يمكن أن يحتوي الأنبوب/الخرطوم على هواء لأن ذلك سيوقف الحركة. يجب أيضًا أن يكون هناك ارتفاع لا يقل عن 4 أقدام (1.2 متر) من الخرطوم إلى وعاء التخزين. يمكن إعداد حلقة لتدوير المياه من الوعاء إلى الخرطوم والظهر، مما يستمر في عملية التسخين. يتم سحب الماء البارد من الأسفل، ويتم توزيعه عبر الخرطوم، ثم يعود بالقرب من الجزء العلوي من الوعاء. طالما أن السيفون غير مكسور (وجود الهواء)، يمكن غمس الماء أو تصريفه من الوعاء للاستخدام. هذا نظام بسيط مفتوح الحلقة، مما يعني دخول الماء وإزالته للاستخدام من النظام.
سخان دفعي.يمكن تسمية نوع آخر بسخان الدفعات ، لأنه يسخن حجمًا من الماء باستخدام سيفون حراري، لكنه يستخدم مجمعًا شمسيًا مُصممًا لامتصاص طاقة الشمس. يتمثل قصوره في أن الخزان يقع فوق المجمع، الذي يقع على السطح أو المنطقة المعرضة للشمس، لذلك يجب توصيل الماء الساخن إلى نقطة الاستخدام، مما يؤدي إلى فقدان الحرارة. كما تم اقتراح نظام خاص لتسخين المياه بالطاقة الشمسية المجتمعية باستخدام سخان الدفعات.
أنظمة أكثر تطوراً
توجد أنظمة أكثر تطوراً، وبعضها لا يزال يستخدم نظام الحلقة المفتوحة (بالاستفادة من سخان مياه موجود أو بعض الأوعية الأخرى). يعمل مجمع شمسي في ضوء الشمس مع مضخة ومصدر طاقة لمساعدة أو استبدال جهاز تسخين المياه الموجود. يدور الماء من خزان سخان المياه إلى المجمع المكشوف، ثم يعود إلى الخزان، وسيستمر هذا في إعادة تدوير الماء وتسخينه. يمكن استخدام مضخة دائرية منخفضة الحجم تعمل بالطاقة الكهروضوئية في هذا النظام، مما يتجنب الحاجة إلى طاقة كهربائية خارجية. كلما كان المجمع أكثر كفاءة، وكلما كان حجم الخزان أصغر، كلما زادت سرعة تسخين الماء. وكلما طالت مدة تشغيله، زادت سخونة الماء، حتى يتعادل فقدان الحرارة مع درجة حرارة الماء. يعمل نظام الحلقة المفتوحة هذا بشكل جيد للغاية في المناخات حيث تكون درجات الحرارة المتجمدة غائبة أو نادرة. يمكن أن تعمل في المناخات الباردة باستخدام نظام به مصارف لتفريغ الماء من جزء النظام المعرض للتجمد. يمكن تشغيل المصارف يدويًا أو التحكم فيها حراريًا تلقائيًا. يمكن استخدام هذا النوع من النظام على نطاق واسع لمساعدة سخانات المياه التقليدية الموجودة أو استبدالها.
تعتبر أنظمة الحلقة المغلقة هي الأفضل في المناخات التي تتجمد وتصل إلى درجات حرارة أقل، ولكنها أكثر تعقيدًا وبالتالي أكثر تكلفة. في نظام الحلقة المغلقة، يتم تدوير سائل التبريد، عادةً البروبيلين جليكول، من خلال المجمع ثم إلى مبادل حراري، حيث يتم نقل الحرارة الممتصة من سائل التبريد إلى الماء. يظل البروبيلين جليكول سائلاً عند درجات حرارة أقل بكثير وسيستمر في امتصاص الحرارة ونقلها إلى الماء. ويبقى البروبيلين جليكول أيضًا في النظام، ومن هنا جاء اسم "الحلقة المغلقة". يكون المبادل الحراري إما خارجيًا لخزان سخان المياه الموجود، أو يحل محل الخزان الموجود. يمكن أيضًا استخدام مضخة دوارة منخفضة الحجم تعمل بالطاقة الكهروضوئية في هذا النظام.
إن هذه الأنظمة والتقنيات المرتبطة بها مرتبة بشكل أساسي حسب التكلفة، والتعقيد، والطاقة. والواقع أن الأنظمة البسيطة هي بلا شك " تقنيات ملائمة " ويمكن استخدامها بأقل قدر من الاستثمار، ومع التوجيه، يمكن استخدامها عملياً من قِبَل أي ثقافة، بصرف النظر عن مدى تعقيدها. ويمكن استخدام الأنظمة ذات الحلقة المفتوحة في المجتمعات النامية في البناء الأصلي أو بعد إعادة تأهيلها، وكما هي الحال مع الأنظمة البسيطة، فإن أنواع التركيبات يمكن أن تقلل إلى حد كبير من تكاليف الطاقة، وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري، وتسمح بتركيز أكبر على احتياجات أخرى. أما الأنظمة ذات الحلقة المغلقة فهي أكثر تكلفة، وبالتالي فهي أكثر تقييداً بالثقافات الأكثر ثراءً، ولكن فوائدها مماثلة للأنظمة الأخرى. واستناداً إلى استهلاك الفرد من الطاقة، فإن الأنظمة الأكثر تكلفة ربما تكون قادرة على الحد من استخدام الوقود الأحفوري أكثر من غيرها.
مجمع الأنابيب المفرغة في منزل من الصفيحتجمع الأنابيب المفرغة الحديثة المنتجة بكميات كبيرة الحرارة حتى عند درجات حرارة أقل من التجمد. والأنابيب نفسها هي الأنسب للإنتاج بكميات كبيرة، ولكن بقية النظام أكثر مرونة في تصنيعها. تستخدم الأنابيب المفرغة مساحة محكمة الغلق لفصل أنبوب المجمع عن العناصر الخارجية. وعندما يمتص هذا المجمع الإشعاع الشمسي ويتحول إلى حرارة، يمنع الحاجز الفراغي معظم هذه الطاقة من الهروب. وبشكل أساسي، تعمل هذه الطريقة بطريقة مماثلة للترمس. إن القدرة على احتواء الإشعاع الشمسي الملتقط مع منع فقدانه للبيئة الخارجية هي ما يسمح لأنظمة الأنابيب المفرغة بتسخين الماء باستمرار، حتى لو كانت درجة الحرارة خارج النظام شديدة البرودة.
حمامات المياه الساخنة بالطاقة الشمسية
وفعلًا! التأثيرات الملموسة لطاقة الشمس.حمامات السباحة... ترتعش بشرتك تحسبًا للغوص في مياه باردة صافية في أيام الصيف الحارة للغاية. إن لحظة الاتصال الدقيقة هذه تجعل كل متاعب التنظيف والعناية بحمام السباحة الخاص بك تستحق العناء، أليس كذلك؟ الآن لو استمرت الأيام الحارقة لفترة أطول حتى تتمكن من الاسترخاء أكثر قليلاً في جنة منزلك الاستوائية. للأسف، الفصول لا تستمع إليك، وحتمًا يهاجم الخريف والشتاء والربيع حمام السباحة الثمين الخاص بك، مما يؤدي إلى تقشعريره حتى عظامه المبلطة، مما يجعله غير صالح للاستخدام تمامًا بالنسبة لك. يظل حمام السباحة الخاص بك معظم أيام العام، غير مستخدم وغير محبوب، مثل كلب ينتظر بفارغ الصبر عودة صاحبه، مثل لمبة النرجس البري النائمة التي تنتظر ذوبان الثلج، مثل ... تمامًا كما أننا لم نرسل إلى هنا الأرض تعاني، بالتأكيد يمكننا جميعا الحصول على ما نريد. وإذا كان هذا يشمل حمام سباحة ساخنًا بدون النفقات المالية والبيئية للوقود الأحفوري، فمرحبًا بك في العالم الواسع لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية .
مشاريع ذات صلة
مراجع
- ^ الأطياف الشمسية: مركز بيانات الموارد المتجددة Standard Air Mass Zero NREL
- ^ ميزانية الإشعاع الأرضي مركز أبحاث لانجلي التابع لناسا
- ^ الخرائط الشمسية NREL: الخرائط الديناميكية وبيانات نظم المعلومات الجغرافية وأدوات التحليل
- ↑ us_pv_annual_may2004.jpg المختبر الوطني للطاقة المتجددة، الولايات المتحدة
- ^ الصفحة الرئيسية وكالة الطاقة الدولية
- ^ ليبرت، بي جي (2002-05-02) الانخفاضات الملحوظة في الإشعاع الشمسي السطحي في الولايات المتحدة والعالم من 1961 إلى 1990 رسائل البحوث الجيوفيزيائية، المجلد. 29، لا. 10, 1421
أنظر أيضا
- الضبط الأخضر لأنظمة التدفئة المكانية : بالإضافة إلى تسخين المياه لاستخدامها كما هي، يمكن استخدامها أيضًا لتدويرها عبر المشعات، مما يؤدي إلى إنشاء نظام تدفئة مكاني (انظر أيضًا: نظام المضخة الحرارية # تركيب نظام مضخة الحرارة في المنزل عمليًا )
- مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية التي يمكن صنعها بنفسك
روابط خارجية
النص الكامل للرسالة
- التحليل التجريبي لمضخة حرارية غير مباشرة تعمل بالطاقة الشمسية لتسخين المياه المنزلية بواسطة شركة BRIDGEMAN, AG
- تقييم خزانات تخزين حرارية متعددة الطبقات لتطبيقات التدفئة الشمسية بواسطة كرويكشانك، سي.
- محطات التدفئة الشمسية المركزية مع التخزين الموسمي للتطبيقات السكنية في كندا: دراسة حالة مجتمع دريك لاندينج للطاقة الشمسية بقلم وامبولت، ج.
![[4]](#cite_note-us_pv_annual_may2004.jpg-4){kind=link}
