طرح شماتیک یک سیستم گرمایش خورشیدی که از هوا بعنوان سیال عامل استفاده کرده و سیستم ذخیره حرارتی آن از نوع بستر شنی میباشد در شکل۱۱ نمایش داده شده است. یک گرمکن کمکی نیز در این سیستم تعبیه شده است. با تغییر وضعیت دریچه های تنظیم کننده میتوان حالات کارکردی مختلفی برای سیستم ایجاد کرد.

 

شکل ۱ : سیستم گرمایش خورشیدی با سیال عامل هوا

در اغلب سیستمهای هوائی، عملاً امکان اضافه کردن و برداشت همزمان از منبع ذخیره حرارتی وجود ندارد. گرمکن کمکی نیز میتواند گرمای ارسالی از سوی کلکتورها یا منبع ذخیره را گرمتر کرده و برای مصرف به ساختمان ارسال کند. شکل شماره ۱۲ جزئیات بیشتری را نمایش میدهد. دمنده ها، کنترلرها، نحوه تآمین آب گرم و جزئیات بیشتری از دریچه های تنظیم هوا قابل مشاهده است.

شکل ۲ : جزئیات سیستم گرمایش خورشیدی با سیال عامل هوا

          مزایای استفاده از هوا بعنوان سیال عامل در بخش آبگرمکنهای نوع هوائی (بخش ۵-۱-۲) آورده شده است. سیال عامل هوا است و سیستمهای گرمایش هوا نیز میتوانند بطور مشترک استفاده شوند. سیستمهای کنترل نیز میتوانند بخوبی هر دو سیستم را کنترل کنند. علاوه بر معایبی که در سیستمهای آبگرمکن هوائی (بخش ۵-۱-۲) وجود دارد، مشکل اضافه کردن سیستمهای تهویه مطبوع را نیز باید برای این سیستمها در نظر گرفت. دست آخر اینکه کلکتورهای هوایی دارای ظرفیت حرارتی کمتری نسبت به کلکتورهای آبی هستند و به همین خاطر دارای  کمتری نسبت به کلکتورهای آبی میباشند.

          معمولاً کلکتورهای هوایی که در گرمایش هوا مورد استفاده قرار میگیرند با نسبت جریان ثابت کار میکنند، بنابراین دمای خروجی آنها در طول روز تغییر میکند. البته میتوان میزان دمای خروجی را ثابت نگه داشت و بدین ترتیب شدت جریان هوا در طول روز متغیر خواهد بود. اما این امر میتواند موجب کاهش  در کلکتورها شود و بدین ترتیب، هنگام کاهش شدت جریان هوا بازده کلکتور کاهش می یابد.

کوره خورشیدی چگونه کار می کند؟

نوتورا در اوایل قرن ۱۸، اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوب را در فاصله ۶۰ متری آتش زد.

بسمر، پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز در کوره خود را از انرژی خورشیدی تأمین می کرد. متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی، متشکل از دو آینه، یکی تخت و دیگری کروی می باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می شود. طبق قوانین اپتیک، هرگاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید، در محل کانون، متمرکز می شوند و به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می شود، که این نقطه به دماهای بالایی می رسد. امروزه پروژه های متعددی در زمینه کوره های خورشیدی در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می باشد.

عملکرد اجاق خورشیدی را شرح دهید.

کشورهای در حال توسعه که از شبکه برق پیشرفته‎ای برخوردار نیستند، برای پختن غذا از گرمایش خورشیدی پسیو استفاده می‎شود.

اجاقهای خورشیدی در دو نوع رایج شلجمی و جعبه ای ساخته شده است. نوع شلجمی آن به صورت یک بشقاب سهموی می باشد که برای پختن غذا بوسیله آن باید ماده غذایی مورد نظر را در کانون این بشقاب قرار دهیم. کیت آموزشی از این اجاق در سال ۱۳۸۲ در دفتر انرژی خورشیدی سازمان انرژیهای نو ایران، در گروه کاربردهای غیرنیروگاهی، ساخته شد و جهت آموزش در اختیار مدارس و آموزشکده ها قرار گرفت.

اجاق خورشیدی نوع جعبه ای اولین بار توسط شخصی بنام نیکلاس ساخته شد. این اجاق بسیار ساده بوده و از یک جعبه عایق کاری شده با یک درب شیشه‎ای تشکیل شده بود. در نوع از اجاقهای خورشیدی، گرمای حاصل از نور متمرکز شده خورشید در داخل جعبه به دام افتاده و می‎تواند غذای قرار داده شده در جعبه را گرم کرده و یا آنرا بپزد.

انواع آب شیرین کنهای خورشیدی را توضیح دهید.

در ساده ترن روش آب شیرین کنی، هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر می کند، آب تبخیر شده و املاح و نمکها باقی می مانند.

سپس با استفاده از روشهای مختلف می توان آب تبخیر شده را تقطیر کرده و به این ترتیب آب شیرین تولید نمود. البته روشهای مختلفی برای تقطیر آب وجود دارد که همگی آنها به حرارت احتیاج دارند. لازم به توضیح است که تنها تفاوت یک آب شیرین کن خورشیدی با آب شیرین کنهای دیگر در نوع حرارت دهی، به سیستم آب شیرین کن می باشد و در بقیه سیستم روند کار کاملا مشابه می باشد. با این روش می توان آب شیرین بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که به آب بهداشتی دسترسی ندارند، مانند جزایر و نقاط دورافتاده، را تأمین کرد.

آب شیرین کنهای خورشیدی شامل ۳ بخش اساسی می باشند، که عبارتند از:

برای تأمین حرارت در آب شیرین کنهای غیر خانگی از دو نوع کلکتور خورشیدی برای گرمایش آب استفاده می شود، که عبارتند از:

۱-    کلکتورهای خورشید حرارت بالا (سهموی و لوله خلاء ها).

۲-    کلکتورهای حرارت پایین (نوع صفحه ای تخت).

آب شیرین کنها در دو سایز صنعتی و خانگی ساخته می شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می توان آب شیرین بهداشتی مصرفی شهرها را تأمین کرد.

انواع آب شیرین کتهای خورشیدی ظرفیت پایین را نام ببرید.

آب شیرین کن یک مرحله ایی(حوضچه ایی یا کف پله ایی)

–         آب شیرین کن یک فتیله ایی

–         دستگاه تقطیر خورشیدی از نوع ریزشی

–         آب شیرین کن خورشیدی از نوع دودکشی

–         آب شیرین کن خورشیدی از نوع پیشانی گرم

–         آب شیرین کن ۳ اثره

–         آب شیرین کن خورشیدی دولنگه

خشک کنهای خورشیدی چگونه عمل می کنند؟

خشک کن خورشیدی

روشهای مختلف خشک کردن خورشیدی مواد غذایی عبارتند از:

۱-    خشک کردن با جریان هوای گرم

در این روش مواد غذایی در تماس مستقیم با جریان هوای گرم قرار می گیرند و رطوبت موجود در غذا توسط جریان هوا از آن خارج می شود.

۲-   خشک کردن با سطوح گرم

در این حالت رطوبت موجود در مواد غذایی از طریق سطوح گرم، گرفته می شود. شکل صفحه بعد نمای ساده ایی از یک خشک کن خورشیدی می باشد.

انواع روشهای سرمایش پسیو را توضیح دهید.

تکنیهای سرمایش طبیعی باعث می شوند بدون استفاده از هر گونه انرژی در تابستان، خانه خنک بماند. سایه از جمله موارد کاربردی و مهم در خانه های خورشیدی پسیو می باشد زیرا همین ساختار در زمستان نور خورشید را جمع آوری می کند. جرم حرارتی و مصالح ساختمانی به همان خوبی که در گرمایش کاربرد دارند در سرمایش نیز مؤثرند. در زمستان گرما را ذخیره می کنند و در تابستان جهت خنک سازی منزل استفاده می شوند همچنین بکار بردن پنجره هایی که در تابستان با ایجاد سایه گرمای کمتری به خانه منتقل می کنند.

۱) پنجره های مناسب جهت تهویه:

یک استراتژی اولیه برای سرمایش ساختمانها بدون بکار بردن قطعات مکانیکی در آب و هوای گرم بکار بردن تهویه طبیعی می باشد نسیمهای رایج تابستانی با شیشه های بزرگ دیوار جنوبی که برای گرمایش پسیو بکار می روند هماهنگی دارد و به پیرو استراتژی های زیر امکان استفاده از تهویه و دریچه خورشیدی را بطور مؤثری کارا می سازند.

 وضعیت پنجره هاباید به گونه ای باشد که بهترین جریان هوا بوجود آمده وپنجره های با حفاظ (سایبان دار) بطور کامل باز شود. این پنجره بهترین محافظ در برابر باران بوده و بهتر از پنجره های دو لنگه (لولایی) عمل می کنند.اگر اتاقی فقط در یک وجه پنجره دارد می توان بجای یک پنجره از دو پنجره پهن استفاده نمود.

۲)کنسول بام:

کنسولهای ثابت نه گران هستند و نه نیازی به اپریشن دارند. فقط در طراحی آنها باید دقت کرد بگونه ای که در تابستان برای خارج کردن گرما و در زمستان برای حفظ گرما در داخل منزل عمل کنند ترکیب هوشیارانه ایی از کنسولهای با اندازه مشخص در پنجره های جنوبی و سایه آن روی سایر پنجره ها راه حل مؤثری می باشد. در سانتافی[۱] یک کنسول ایده آل برای پنجره با بلندی ۱,۲ متر، ۴۵.۷۲ سانتی مترمی باشد البته اگر بالای کنسول۳۳ سانتی متر بیشتر از بالای پنجره باشد.

۳) سایه بان:

وسایل ایجاد کننده سایه قبل از اینکه نور خورشید به ساختمان برسد آنها را متوقف می کنند این وسایل عبارتند از سایبان، صفحات خورشیدی، پرده های غلطان، دیافراگم مخصوص پشت پنجره و بادگیر عمودی.

این وسایل قابل کنترل بوده و توسط صاحب خانه بر حسب نیاز تنظیم می شوند استفاده از پرده در منزل کم هزینه و مفید می باشد راه دیگر ایجاد سایه استفاده از یک ایوان یا دالان در قسمتهای شرقی یا غربی ساختمان می باشد.

۴) دیوارهای مؤثر بر هوا (بالدار)[۲]:

دیوارهای بالدار در معرض جریان باد قرار دارند و سرعت باد طبیعی را طی اختلاف فشار بوجود آمده توسط این دیوارها زیاد می کند.

۵)دودکش حرارتی:[۳]

دودکش حرارتی جهت خروج جریانات بخار و هوا از ساختمان بکار می رود. با قرار دادن یک دریچه خروجی در نواحی گرم و داغ، هوا جهت تهویه ساختمان به درون آن کشیده می شود.

اتاقهای آفتابی به این دلیل طراحی می شوند که گرمای طاقت فرسای که در طی تابستان در اتاقهای جنوبی پدید می آید را توسط دریچه های بالایی تهویه کنند. دریچه های پایین تر منزل با پنجره های سمت شمالی باز میشوند و هوا درون فضای منزل از دریچه‎های بالایی اتاق آفتابی خارج می شود.

دیوار جرمی برای استفاده غیر مستقیم ساخته

می شود. دوکشهای حرارتی بصورت

بخش باریکی ساخته می شوند مطابق (مثل یک دودکش) و یک جاذب فلزی شکلی که قابلیت گرم شدن دارد در کنار دودکش پشت صفحه شیشه‎ایی قرار می گیرد طوریکه به دمای بالایی رسیده و توسط یک عایق از خانه جدا می شود دودکش به بالای پشت بام محدود می شود و یک توربین چرخان در بالای دودکش قرار گرفته که مخالف جهت باد باز شده و به هوای داغ اجازه خروج می دهد بدون اینکه برای داخل شدن باد به دودکش مانعی باشد دودکش حرارتی در خانه‎های با دهلیز و راه پله های باز استفاده می شود.

---

[۱]Santa Fe

[۲]Wing Wall

[۳]Thermal Chimney

گرمایش پسیو خورشیدی در ساختمان را شرح دهید.

برای گرمایش خورشیدی پسیو دو اقدام اولیه باید صورت گیرد:

–        استفاده از شیشه در وجه جنوبی

–        استفاده ازجرم حرارتی جهت جذب کردن، ذخیره سازی و انتشار گرما

در اینجا ۳ رهیافت برای سیستم های پسیو وجود دارد: کسب مستقیم – کسب غیر مستقیم – ایزوله کردن

هدف همه سیستم های گرمایش خورشیدی ذخیره سازی گرما توسط مصالح ساختمانی و رها سازی آن در زمانهایی است که تابش خورشید وجود ندارد. هنگامیکه مصالح ساختمانی گرما را برای استفاده های بعدی ذخیره می نمایند گرمایش خورشیدی فضای مطلوبی را برای داخل خانه مهیا می نماید.

۱) کسب مستقیم:

معمولترین سیستم خورشیدی پسیو، کسب مستقیم نامیده می‎شود. کسب مستقیم مربوط به نور خورشید است که از پنجره ها وارد ساختمان می‎شود و فضای داخلی منزل را گرم می‎کند. طی ساعات افتابی این گرما در جرمهای حرارتی سقفها یا دیوارهای داخلی با جنس آب، سنگ، بتون آجر ذخیره می‎شود. گرمای ذخیره شده در جرم حرارتی در طی ساعاتی که آفتاب غروب کرده است به درون منزل منتقل می‎شود. طراحییک سیستم کسب مستقیم عبارت است از محاسبه سطح پنجره و میزان جرم حرارتی مورد نیاز جهت گرم کردن فضای منزل بطور کلی مساحت شیشه درکسب مستقیم باید حداقل ۷ صدم مساحت سقف خانه باشد و از ۱۲ درصد ان تجاوز نکند. در کسب مستقیم شیشه های دوجداره نیز توصیه می‎شوند.

در این سیستم فضای منزل ، یک کلکتور خورشیدی، جاذب گرما و سیستم توزیع می باشد. شیشه ضلع جنوبی انرژی خورشیدی را به داخل خانه جائیکه جرم حرارتی مانند دیوارها و کف بطور مستقیم و غیر مستقیم تحت تابش این نور قرار می گیرند هدایت می کند. سیستم کسب مستقیم ۷۵-۴۰ درصد از انرژی خورشیدی برخورد کرده به پنجره را مصرف می کند. شکل ۱

در سیستم کسب مستقیم دیوارها و کفها به عنوان جرم حرارتی بخشهای عملیاتی خانه هستند. همچنین می توان با استفاده از مخازن آب ،گرما ر ذخیره کرد اگرچه استفاده از مجموعه مخازن آب در نقشه ساختمان دشوار می باشد .

جرم حرارتی در اثر جذب گرما در طی روز گرم می شود و در شب گرما را به فضای منزل هدایت می کند اکثر سیستمهای خورشیدی پسیو با عطف به جرم حرارتی یا موادی با ظرفیت جذب و ذخیره گرمای بالا (آجر،بتون،موزائیک،آب) کار می‎کنند. جرم حرارتی را می‎توان در نقشه ساختمان، در قسمتهای سقف، دیوارهای داخلی، شومینه یا بالکنها بکار برد. این سطوح نیاز به تابش مستقیم خورشید ندارند اما باید رنگ آنها تیره باشد. میزان ذخیره سازی حرارت مواد مختلف وابسته به هدایت حرارتی، گرمای ویژه و چگالی آنها می‎باشد. اغلب با افزایش چگالی، رسانایی گرما نیز افزایش می‎یابد. نکات مهمی که در مورد سقف باید به آنها توجه کرد، عبارتند از:

نوع رنگ، رنگ. بتن، آجر، کاشیهای شیشه ای و سرامیک تیره همچنین دیوارهای داخلی و شومینه جهت ذخیره سازی گرما به جرم بیشتری نیاز دارند. از نقطه نظر انرژی بکار بردن چندین جرم حرارتی در منزل دشوار خواهد بود ولی جرم حرارتی که جهت ذخیره سازی حرارت بکار می‏رود زیاد گران نیست.

قوانین کلی سیستم کسب مستقیم:

۱-    تحلیل یک ذخیره ساز گرمای خورشیدی که برای رسانش گرما به منزل استفاده می شود.

۲-    ضخامت مصالح جرم حرارتی از ۱۵,۲۴ سانتی مترتجاوز نکند.

۳-    کفهایی که بعنوان جرم حرارتی استفاده می شوند نباید توسط فرشهای سرتاسری کاملاً پوشیده شده و تا حد ممکن کاملاً بدون کف پوش باشند.

۴-    استفاده از رنگ تیره برای کفها ، استفاده از رنگ روشن برای دیوارهای کم جرم و هر رنگ دلخواه برای دیوارهایی که بعنوان جرم حرارتی استفاده می شوند .

۵-    برای هر۰,۰۹ مترمربع شیشه جنوبی ، ۶۷.۹ کیلوگرم مصالح ساختمانی یا ۱۵.۱۲ لیتر آب به عنوان جرم حرارتی استفاده می شوند.

۶-     حفره های بلوکهای بتنی که بعنوان ذخیره ساز حرارتی استفاده می شوند با بتون پر شوند.

۷-    استفاده از جرم حرارتی با ضخامت کم درفضای مسکونی با صرفه تر از جرم کلفترسطوح متمرکز کننده می باشد .

۸-

۹-    مساحت سطوح جرمی بی حفاظ در معرض تابش باید ۹ برابر مساحت شیشه ها باشد.

۱۰-                  دمای خورشیدی بدون استفاده از جرم حرارتی در کسب مستقیم استفاده می شود.

گرمایش خورشیدی پایه ترین تکنیک خورشیدی پسیو است که شامل افزایش تعداد پنجره‎ها در وجه جنوبی و جنس پنجره ها به عنوان جرم حرارتی که اغلب در منازل رعایت می‎شود می باشد. در خانه خورشیدی حدود ۲۵% پنجره‎ها روبه جنوب بوده و ۳% آن در سقف خانه ها قراردارد. صرفه جویی انرژی در این روش کم بوده اما هزینه پایینی در بردارد.

۲)کسب غیر مستقیم :

در یک سیستم کسب غیر مستقیم، جرم حرارتی بین فضای منزل و خورشید قرار گرفته پرتو خورشیدی که به آن می رسد را جذب می کند و از طریق رسانش به فضای منزل منتقل می کند. سیستم کسب غیر مستقیم ۴۵-۳۰ درصد از انرژی خورشیدی که به شیشه بعنوان جرم حرارتی می رسد مصرف می نماید.

انواع سیستمهای کسب غیر مستقیم عبارتند از:

۱- سیستم دیوار انباشتگر حرارت (دیوارهای ترومب)

۲-    سیستم حوضچه ای

۳-    دیوار آبی

۱)دیوار ترومب

در این سیستم، جرم حرارتی تقریباً پشت شیشه ضلع جنوبی قرار داده می شود. شکل ۲

دریچه هایی در بالا و پایین دیوار ترومب وجود دارند که به گرما اجازه جریان یافتن از این دیوار و شیشه به داخل منزل را می دهند. شبها وقتیکه دریچه ها بسته شوند تابش حرارت از دیوار، فضای منزل را گرم می نماید. این دیوار تکنیکی برای گرفتن گرمای خورشید بوده و توسط مهندس فرانسوی فلیکس ترومب ساخته شد. قسمتی از دیوار جنوبی که از مواد جرم حرارتی مثل بتن ساخته شده‏اند را با شیشه‎ای که در فاصله ۰,۰۵ متراز سطح واقع شده است می‎پوشانند. نور خورشید وارد شده و گرما توسط شیشه محبوس می‎شود و به دیوار در جذب آن کمک می‎کند. سپس گرما به داخل خانه در ساعات شبانه و غروب تابیده می‎شود. دیوارهای ترومب نیازی به تهویه ندارند زیرا هدف گردش هوای گرم بوده و گرفتن گرما از طریق تابش از دیوار می‎باشد.

دیوار ذخیره ساز حرارت باید جامد باشد و هیچ دریچه یا منفد بازی به بیرون یا فضای منزل نداشته باشد. در تابستان دیوار ترومب بازده بهتری نسبت به روش کسب مستقیم دارد. دیوارهای ترومب با پنجره‎های روش کسب مستقیم در همان دیوار ترکیب می‎شوند. شیشه‎های دو جداره نیز برای ذخیره حرارت توصیه می‎شوند بین شیشه و جرم حرارتی ۷,۶۲-۲.۵۴ سانتی متر فاصله باید باشد.

 ۲)سیستم های حوضچه ایی :

در بام های مسطح ۰,۳-۰.۱۵ متر آب ذخیره می شود. این سیستم بهترین سیستم سرمایشی برای مناطق با رطوبت کم می باشد، ولی برای مناطق مرطوب آب باید در مخازن فایبرگلاس یا پلاستیکی بزرگ قرار گیرد که توسط شیشه پوشیده شده و فضای زیر آن توسط تابش گرم می شود.

۳) دیوار آبی:

 آب در مخازن صلبی نگهداری می‎شود. ظرفیت ذخیره گرمای آب دو برابر بیشتر از جرم حرارتی می‎باشد. بنابراین به نسبت حجم کمتر از جرم حرارتی نیاز می‎باشد. حداقل ۱۳,۲۳ لیترآب به ازای هر فوت مربع شیشه در مخزن ریخته می‎شود. حتی یک لوله داغ داخل دیوار یا یک استخر نیز بعنوان جرم ذخیره ساز حرارت استفاده می‎شود.

قوانین کلی سیستم کسب غیر مستقیم برای دیوارهای ترومب:

۱- دیوار جرمی رو به خورشید بوده و تیره رنگ باشد .

۲- حداقل فاصله ۰,۱ متر بین دیوار جرم حرارتی و شیشه وجود داشته باشد.

۳- دریچه هایی که در دیوار جرم حرارتی استفاده می شوند، باید هنگام شب بسته باشند .

۱-    اگر عایق متحرک شبانه در سیستم دیوار حرارتی استفاده شود، مساحت دیوار جرم حرارتی حدود ۱۵% کاهش می یابد .

۲-    اگر جنس دیوار حرارتی آجری باشد ضخامت تقریبی ان ۰,۳۵-۰.۲۵ متر برای بتن۰.۴۵-۰.۳ متر برای خشت خام وسایر مصالح ۰.۳-۰.۲ متر و برای آب حداقل ۰.۱۵ مترباید باشد

۳)ایزوله کردن خانه :

یک سیستم ایزوله مجموعه بخشهایی جدای از قسمت اصلی خانه دارد، مثل یک اتاق خورشیدی و یک مدار منتقل کننده حرارت از کلکتور به سیستم انباشتگر خانه و از نقاط تمایز این سیستم با سایر سیستم ها عایق نمودن منزل مسکونی می باشد.

سیستم ایزوله ۳۰-۱۵ درصد از نور خورشید که به شیشه جهت گرمایش فضای منزل می رسد را استفاده می کندو همچنین انرژی خورشیدی را در اتاقهای خورشیدی حفظ می نماید.

ظاهراً اتاقهای خورشیدی یا گلخانه های خورشیدی ترکیبی از سیستم های کسب مستقیم و غیر مستقیم می باشند. نور خورشیدی ورودی به اتاق خورشیدی در جرم حرارتی ذخیره می شود . نور خورشید توسط رسانش از دیوار جرمی مشترک بین منزل و گلخانه به داخل منزل منتقل می شود.

[۲]Suntempring

[۳]Tromb Wall

[۱]Direct Gain

نحوه عملکرد سیستم پمپ حرارتی خورشیدی را شرح دهید.

پمپهای حرارتی با استفاده از انرژی مکانیکی، انرژی حرارتی را از یک محل به یک منبع حرارتی منتقل میکنند. پمپهای حرارتی که بوسیله الکتریسیته راه اندازی میشوند در مقایسه با گرمکنهای الکتریکی یا سوختهای گرانقیمت دارای دو مزیت هستند: ضریب عملکرد (COP) این پمپها به اندازه ای بالاست که میتوانند بازای هر کیلووات ساعت انرژی تغذیه شده به کمپرسور، ۱۱ تا ۱۵ مگاژول گرما بدهند که این امر موجب صرفه جویی در هزینه های تامین انرژی میشود. پمپهای حرارتی آب به هوا، که از آب گرم شده توسط خورشید بعنوان منبع انرژی اواپراتور استفاده میکنند را میتوان بعنوان منابع کمکی گرمایی استفاده کرد. استفاده از آب مشکلات یخ زدگی را دارد که باید مد نظر قرار گیرد. سیستمهای خورشیدی که از سیال مایع استفاده میکنند در دمایی کمتر از سیستمهای متداول کار میکنند و از تجهیزات بیشتری برای هدایت گرما به ساختمان استفاده میکنند.

یخچال خورشیدی چگونه کار می کند؟

راه های بسیاری وجود دارند که میتوان انرژی خورشید را با پروسه تولید سرما ادغام کرد. سرمایش خورشیدی را هم میتوان از طریق گرمایش خورشیدی بعنوان منبع گرمایی و هم از طریق فتوولتائیک بعنوان منبع الکتریکی ایجاد کرد. این کار را میتوان با روشهای جذبی و جذب سطحی از طریق گرمایش و یا با استفاده از یک یخچال معمولی که برق آن از فتوولتائیک تامین میشود انجام داد. سرمایش خورشیدی خصوصاً برای سرد نگهداشتن واکسنها در مناطقی که الکتریسیته در دسترس نیست یا برای سرمایش مکانها مورد استفاده قرار میگیرد. انواع روشهای سرمایش خورشیدی عبارتند از:

یونیتهای جذب سطحی (Adsurbtion units)

           جامدات متخلخل، که جاذب نامیده میشوند، بصورت فیزیکی و بازگشت پذیری میتوانند مقادیر زیادی بخار را که سیال جذبی (adsorbate) نامیده میشود خود جذب (adsorb) کنند. ایده اصلی استفاده از این پدیده در قرن نوزدهم بوجود آمد. تراکم بخار جذبی درون جامد جاذب بستگی به دمای زوج یا به عبارت دیگر ترکیب جاذب و جذب شونده و نیز فشار بخار دارد. اگر فشار ثابت باشد میتوان با تغییر دادن درجه حرارت موجب جذب یا بازپس دهی ماده جذبی توسط جاذب شد. این روش، مبنای کارکرد سیستمهای خورشیدی استفاده کننده از سیکل جذب بخار می باشد.

          یک زوج جاذب- جذبی برای کار کردن در یک مبرد خورشیدی باید ویژگیهای زیر را داشته باشد:

۱.      یک مبرد با گرمای نهان بالا

۲.      یک زوج کاری با خواص ترمودینامیکی بالا

۳.      یک دمای بازگشتی (بازپس دهی سیال جذبی) کوچک در مواجهه با فشار و دمای کاری

۴.      ظرفیت گرمایی پایین

زوج آب- آمونیاک بیشترین استفاده را در بین سیستمهای موجود دارد و استفاده از زوجهای جذبی مناسب تر برای سیستمهای خورشیدی در حال بررسی و مطالعه و تحقیق است. بازده این سیستمها توسط دمای کندانس محدود میشود، و بدون استفاده از تکنولوژیهای سطح بالا امکان کاهش آن وجود ندارد. برای مثال، برجهای خنک کن و رطوبت زدا (desiccant bends) برای تولید آب سرد برای کنداس کردن آمونیاک در فشار پایین استفاده میشوند. از جمله معایب ذاتی زوج آب- آمونیاک این است که لوله ها و مخازنی با ضخامت بالا نیاز دارند، خوردگی ناشی از آمونیاک، مشکلات برودت و جدا کردن آب از آمونیاک نیز می باشد. چند زوج دیگر نظیر زئولیت- آب، زئولیت- متانول و متانول-کربن فعال در حال بررسی و مطالعه هستند که از میان آنها نوع مناسب تری انتخاب گردد. تا کنون زوج متانول- کربن فعال بهترین نتیجه را داشته است .

یونیتهای جذبی (Absorbtion units)

          پروسه جذبی عبارتست از جذب و گرفتن رطوبت توسط ماده ای که رطوبت گیر نامیده میشود. رطوبت گیرها یا جاذبها موادی هستند که قابلیت جذب و در برگیری گازها یا مایعات را در خود دارند و میل ترکیبی ویژه ای با آب دارند. در حین جذب، ماده جاذب با گرفتن رطوبت، یک تغییر شیمیایی پیدا میکند، برای مثال میتوان به نمک طعام اشاره کرد که هنگام جذب رطوبت تغییر فرم داده و از جامد به سیال تبدیل میشود. ویژگی وابستگی رطوبت گیرها به رطوبت، این مواد را برای واکنشهای شیمیایی جداساز بسیار سودمند ساخته است.

          سیستمهای جذبی مشابه سیستمهای تهویه مطبوع بخار-compresstion هستند اما در مرحله فشار (compresstion stage)با هم تفاوت دارند. بطور کلی یک جاذب، قسمت کم فشار، یک سیار مبرد تبخیر شده را جذب میکند. پر استفاده ترین ترکیب مایعات شامل لیتیم برمید- آب () که بخار آب نقش سرد کننده را ایفاد میکند و آمونیاک- آب () که آمونیاک سرد کننده است، میباشند.

برای هریک از کلکتورهای نام برده حداقل ۲ کاربرد نام ببرید.

کاربرد	سیستم	کلکتور
آبگرمکن خورشیدی
سیستم ترموسیفونی	غیر فعال	FPC
سیستم کلکتور- مخزن یکپارچه	غیر فعال	CPC
گردش مستقیم	فعال	FPC, CPC, ETC
سیستم غیر مستقیم گرمایش آب	فعال	FPC, CPC, ETC
سیستمهای هوایی (با سیال عامل هوا)	فعال	FPC
گرمایش و سرمایش مکانها
گرمابش فضا و آب گرم مصرفی	فعال	FPC, CPC, ETC
سیستمهای هوایی	فعال	FPC
سیستمهای آبی	فعال	FPC, CPC, ETC
سیستمهای پمپ حرارتی	فعال	FPC, CPC, ETC
سیستمهای جذبی	فعال	FPC, CPC, ETC
سرمایش جذب سطحی	فعال	FPC, CPC, ETC
سیستمهای مکانیکی	فعال	PDR
یخچالهای خورشیدی
سیستمهای جذب سطحی	فعال	FPC, CPC, ETC
سیستمهای جذبی	فعال	FPC, CPC, ETC
گرمایش پروسه های صنعتی
سیستمهای آبی و هوایی صنعتی	فعال	FPC, CPC, ETC
سیستمهای مولد بخار	فعال	PTC, LFR
آب شیرین کنهای خورشیدی
تقطیر کننده های خورشیدی	غیر فعال	–
چند مرحله ای پاششی (MSF)	فعال	FPC, CPC, ETC
(MEB)	فعال	FPC, CPC, ETC
فشار بخار (VC)	فعال	FPC, CPC, ETC
سیستمهای خورشیدی تولید توان
سیستمهای سهموی خطی	فعال	PTC
دریافت کننده مرکزی	فعال	HFC
سیستم دیش شلجمی	فعال	PDR
کوره های خورشیدی	فعال	HFC, PDR
سیستمهای دودکش خورشیدی	فعال	CPC, PTC, LFR

آبگرمکنهای خورشیدی چگونه کار می کنند؟

مهمترین قسمت هر سیستم آبگرمکن خورشیدی یا SWH (Solar water heating) عبارتست از آرایه کلکتورهای آن که وظیفه جذب انرژی خورشیدی و تبدیل آن به حرارت را به عهده دارند. حرارت دریافت شده از طریق سیال عامل (آب، مایع ضد یخ یا هوا) که از داخل کلکتور عبور میکند جذب میشود. این حرارت میتواند مستقیماً مورد استفاده قرار گیرد یا اینکه در یک منبع ذخیره حرارتی، برای استفاده های بعدی ذخیره شود. اجزاء مختلف سیستمهای انرژی خورشیدی دائماً در معرض شرایط جوی هستند، لذا این قطعات باید بتوانند در مقابل یخ زدگی یا افزایش بیش از حد حرارت و هنگامیکه تقاضا برای مصرف کم است بطور مناسب محافظت شوند.

          در سیستمهای آبگرمکن خورشیدی، آب مصرفی یا بطور مستقیم با عبور از کلکتور گرم میشود (سیستمهای گردش مستقیم) یا اینکه بطور غیر مستقیم و توسط یک مبدل حرارتی که خود در یک سیکل بسته توسط سیال داخل کلکتور گرم شده است، گرما میگیرد (سیستم گردش غیر مستقیم). سیال عامل نیز یا به صورت طبیعی ( غیر فعال یا پسیو) جابجا میشود یا اینکه بصورت اجباری به گردش در میآید (فعال یا اکتیو). گردش طبیعی سیال عامل بر اثر پدیده ترموسیفون بوجود میآید در حالیکه برای گردش اجباری این سیال از یک پمپ استفاده میشود. غیر از سیستمهای ترموسیفون و سیستمهایی که کلکتور و منبع ذخیره یکپارچه دارند، سایر سیستمهای گرمایش آب توسط ترموستاتهای تفاضلی کنترل میشوند.

          پنج نوع از سیستمهای خورشیدی میتوانند برای گرم کردن آب مصرفی یا بهداشتی مورد استفاده قرار گیرند که عبارتند از: ترموسیفون، کلکتور- مخزن یکپارچه، گردش اجباری، غیر مستقیم و هوا. دوسیستم اول سیستمهای غیر فعال (پسیو) نامیده میشوند، اما سه سیستم دیگر سیستمهای فعال (اکتیو) هستند، چون یک پمپ یا فن برای گردش سیال عامل در آنها نصب میشود. برای جلوگیری از یخ زدگی کلکتور در سیستمهای مستقیم از گردش معکوس(recirculation) یا تخلیه(drain-down) و در سیستمهای غیر مستقیم از تخلیه برگشتی (drain-back) استفاده میشود.

دیاگرام شماتیک یک آبگرمکن خورشیدی نوع ترموسیفونی

تمامی این سیستمها دارای مزایای اقتصادی خوبی هستند و بسته به نوع سوخت جایگزین، دوره بازگشت سرمایه برای آنها بین ۴ سال (برای الکتریسیته) و ۷ سال (برای دیزل) میباشد.

          البته دوره بازگشت سرمایه، در کشورهای مختلف بستگی به شاخصهای اقتصادی، نظیر میزان تورم و قیمت انواع سوخت و غیره دارد. امروزه در دنیا به میزان بسیار زیادی از کلکتورهای خورشیدی برای آبگرمکنهای خورشیدی استفاده میشود.

نحوه قرار گیری و اجزای کلکتورهای FPC چگونه می باشد؟

این کلکتورها باید رو به خط استوا نصب شوند، بطوریکه در نیمکره شمالی به سمت جنوب و در نیمکره شمالی بسمت شمال قرار گیرند. زاویه شیب مناسب برای این کلکتورها برابر با عرض جغرافیایی منطقه نصب است که بسته به نوع سیستم، این زاویه بین ۵ تا ۱۰ درجه افزایش یا کاهش می یابد.

کلکتورهای صفحه تخت عموماٌ از قسمتهایی که در شکل ۲ نمایش داده شده اند تشکیل میشوند.

نمایی از یک نوع کلکتور صفحه تخت

نمای گسترده از یک کلکتور صفحه تخت

شیشه: یک یا چند صفحه شفاف شیشه ای یا از جنس مواد دیاترموس (عبور دهنده پرتو)

لوله ها،پره ها، کانالها :برای هدایت و انتقال سیال عامل از ورودی به خروجی

صفحات جاذب: صفحه هایی تخت، موج دار، یا شیار داری که لوله ها، پره ها یا کانالهایی به آنها وصل شده اند. یا اینکه ممکن است لوله ها بصورت یکپارچه و قسمتی از صفحات باشند.

هدرها یا مانیفولدها: برای جمع آوری و تخلیه سیال

عایق: برای به حداقل رساندن افت حرارتی در اطراف صفحه جاذب

محفظه نگهدارنده: برای در بر گرفتن اجزای فوق الذکر به جهت حفاظت از آنها در مقابل گرد و خاک، رطوبت هوا و غیره.

انواع کلکتورهای بکار رفته در آبگرمکنهای خورشیدی را نام ببرید .

۱-کلکتورهای نوع صفحه تخت (Flat Plate Collectors – FPC)

 ۲- کلکتورهای نوع جفت سهموی (Compound parabolic collectors)

 ۳- کلکتورهای لوله خلاء (ETC Evacuated tube collectors)

این کلکتورها اغلب بصورت ثابت در محل خود نصب میشوند و نیازی به دنبال کردن خورشید ندارند.

منبع:سازمان انرژیهای نو ایران (سانا)