سخانات المياه الشمسية ذات تقنية الأنابيب المفرغة

هل تبحث عن طريقة نظيفة وسهلة ورخيصة لتحصل على ماء ساخن في منزلك؟

إن نظام السخان الشمسي بتقنية الانابيب المفرغة ربما يكون هو الطريقة المثلى لتحقيق ذلك……..

فرغم الكلفة الابتدائية لهذا النظام ولكن وبعد بضع سنوات ستبدأ بالتوفير .

تعد السخانات الشمسية احدى الوسائل الحديثة والنظيفة لاستغلال الطاقة الشمسية لأغراض تسخين المياه في المنازل والتجمعات السكنية،وقد شهدت تطورا كبيرا في السنوات القليلة الماضية .

كما أنها تعتبر طريقة فعالة ورخيصة الثمن لتزويد منزلك بالمياه الساخنة الضرورية للاستعمالات اليومية ,حيث تستطيع العمل في مختلف الطقوس والعوامل الجوية , وتسخن المياه بسرعة وكفاءة عالية حتى في الأيام الباردة . وقودها هو أشعة الشمس المجانية وهنا تكمن اقتصاديتها.

تقنية الأنابيب الزجاجية المفرغة

ظهرت هذه التقنية الحديثة في السنوات القليلة الماضية ، والتي تعتمد أساسا على ما يعرف باسم الأنابيب المفرغة“ Evacuated tubes“، التي تمتص الطاقة الشمسية بكفاءة عالية وتحولها إلى طاقة حرارية ، لتسخين المياه .

حيث يتألف كل أنبوب مفرغ من أنبوبين من الزجاج ، أحدهما بداخل الآخر ، ويصنعان من زجاج البوروسيلكيت“Borosilicate “الذي يتميز بالمتانة ، ومقاومته للكسر .

الأنبوب الخارجي شفاف ويسمح لأشعة الشمس بالمرور من خلاله، بانعكاس قليل جدا،أما الأنبوب الداخلي، فيطلى بطبقة سوداء خاصة مؤلفة من الكروم والنيكل، والذي يمتص الأشعة الشمسية الساقطة عليه بنسبة قد تصل إلى98%.

يتم تثبيت نهايتي الأنبوبين مع بعضهما بطريقة الصهر“ Fusion “بعد تفريغ الهواء الموجود بينهما تحت درجة حرارة عالية ، وينتج عن عملية التفريغ هذه ، وجود منطقة عزل بين الأنبوبين ، وهذا ما يجعل تلك الأنابيب متميزة بكفاءتها ، حيث يمنع هذا الفراغ تسرب الطاقة الحرارية التي اكتسبتها المياه ، وبالتالي وقف عمليتي التوصيل و الحمل الحراريتين ,لذلك نجد أن الأنبوب الداخلي قد تتجاوز درجة حرارته 150 درجة سلسيوس في حين يبقى الأنبوب الخارجي باردا .

من هنا نجد أن تلك الأنابيب المتينة وذات الامتصاص الحراري العالي ، اكتسبت صفة العزل الحراري ، من خلال عملية التفريغ الهوائي السابقة مما يؤدي إلى الحيلولة دون عملية فقدان الحرارة المكتسبة التي تحدث في السخانات الشمسية التقليدية المسطحة“Flat plate solar heater collectors ” والتي هي عبارة عن صندوق اسود يحتوي على أنابيب معدنية سوداء معزولة بمواد عزل تقليدية ,تقومهذه الأنابيببامتصاص الطاقة الشمسية وتحولها إلى حرارة لتستخدم هذه الحرارة في تسخين المياه، وبما ان العزل بسيط , فهو يؤدي إلى حدوث فاقد حراري كبير خلال الليل عند انعدام أشعة الشمس الساقطة عليها.

هدف عملية تفريغ من الهواء

إن هذه العملية هامة لأن الأنابيب المفرغة تقوم بامتصاص الأشعة الشمسية وتحويلها إلى حرارة والهدف هنا هو الحفاظ على هذه الحرارة و عدم فقدانها . الخلاء يحقق هذا الهدف حيث إنه يملك خواص عزل عالية الجودة تسمح بوجود فرق عالي في درجات الحرارة بين الأنبوبين الداخلي والخارجي.وهذا يعني أن الأنابيب المفرغة تعمل جيداً وبكفاءة عالية حتى في الأجواء الباردة في حين تعمل المجمعات الشمسية المسطحة في هذه الأجواء بشكل سيء بسبب خسارتها للحرارة .

ترصف الأنابيب الشمسية على التوازي وزاوية التوضع تعتمد على المكان والموقع , ففي الاتجاه الشمالي الجنوبي الأنابيب تتعقب أشعة الشمس بشكل غير فعال طوال النهار, أما في الاتجاه الشرقي الغربي فإنها تستطيع تعقب أشعة الشمس طوال أيام السنة .كفاءة السخانات الشمسية هذه تعتمد على عدد من العوامل أهمها مستوى الإشعاع الشمسي المتوفر في المنطقة.

أنابيب التسخين “ Heat Pipe”

أنبوب التسخين عبارة عن أنبوب نحاسي مجوف و الفراغ الداخلي يكون مفرغ من الهواء تماماً مثل الأنابيب الزجاجية الشمسية , ولكن تفريغ الهواء في هذه الحالة ليس هدفه العزل , بل هولتعديل حالة السائل الموجود داخل الأنبوب , حيث توجد بداخله كمية صغيرة من الماء المقطر وبعض المواد الإضافية.

في الضغط النظامي عند مستوى البحر, يغلي الماء عند الدرجة 100 c,أما في أعالي الجبال فإن درجة الغليان ستكون أقل من 100 c وهذا عائد للفرق في الضغط الجوي بين المنطقتين . أي يمكننا الحصول على ماء مغلي وبدرجات حرارة منخفضة، إذا استطعنا إنقاص الضغط الجوي.

وهذه هي النتيجة التي حصلنا عليها عندما فرغنا أنابيب التسخين من الهواء )ضغط منخفض وغليان للماء سريع بدرجات حرارة منخفضة( حيث إن نقطة غليان الماء فيها تكون عند الدرجة 30c  فقط، لذلك إذا ارتفعت حرارة أنابيب التسخين وأصبحت أعلى من 30 درجة فإن المياه سوف تتبخر , وهذا البخار يتدفق مرتفعاً نحو قمة الأنابيب وينقل معه الحرارة , وعند وصوله إلى القمة يفقد البخار حرارته مما يؤدي لتكاثفه ويعود لحالته السائلة(عملية التكاثف هذه تؤدي لنشر الحرارة التي ستقوم بتسخين المياه) ، ومن ثم يعود لأسفل أنابيب التسخين وهكذا تتكرر العملية.

إن هذا الشرح يجعل من أنابيب التسخين تقنية سهلة جداً , عبارة عن أنبوب نحاسي مفرغ , وفيه كمية قليلة من الماء , وقد تم طرد الهواء من داخله.

هذا صحيح ولكن الوصول إلى هذه النتيجة تطلب إجراء أكثر من 20 عملية صناعية وبجودة تنظيمية دقيقة وصارمة. لإنتاج أنابيب تسخين عالية الجودة يجب مراعاة نوع المعدن المصنوع منه الأنبوب ونظافته و نقائه, فإذا احتوى في داخله على الشوائب , سيؤثر ذلك على فعالية الأنابيب وأدائها.

إن نقاء النحاس بحد ذاته يجب أن يكون عالياً جداً , لأنه إذا احتوى على كمية كبيرة من الأوكسجين أو اي من المواد الأخرى ,فسوف تتسرب إلى الخلاء مشكلة حيز أو كرة من الهواء في قمة الأنبوب , وهذه تؤدي لتحريك أسخن نقطة في أنبوب التسخين من نهاية مكثف التسخين إلى أسفل بعيداً عنه, وهذا يقلل من فعاليته , لذا لابد من استخدام نحاس صافي عالي الجودة.

مكونات نظام التسخين الشمسي.

1. أنابيب التسخين المفرغة من الهواء موضوعة في صندوق لحمايتها وفي داخلها اذرع من النحاس فيها ماء مقطر ومفرغة من الهواء لكفاءة نقل حرارية أعلى , تعمل كمجمع شمسي عالي الكفاءة.
2. غلاف قوي من الألمنيوم يحوي نحاس لحمايته ضد التآكل ويحتوي مادة عازلة تشكل عازلا ممتاز ضد التجمد او ارتفاع درجات الحرارة الى 250 درجة مئوية
3. نظام التحكم الشمسي يقوم بضبط جريان الماء ويمنع تشكل الجليد و الصقيع .
   
   
4. صمام أمان بارز يضمن للنظام بان لا يتعرض لضغط عالي عند وصول ماء بدرجات حرارة عالية.
   
   
5. خط من الأنابيب المعدنية من والى خزان الماء الساخنة، والمعزولة لمنع فقدان الحرارة.
   
   
6. خزان من الستانلس الستيل يقوم بحفظ الحرارة من أجل أيام الشتاء الباردة.
7. خزان الماء الساخنة المعزول والمزود بأداة تضمن التزويد الدائم من المياه الساخنة
8. مضخة الجريان لضخ الماء, تستهلك طاقة قليلة لتحريك المياه بين أنابيب التسخين الشمسية وخزان الماء الساخنة.

(متوفر مع مبادل حراري في أنظمة السخانات ذات الدارة المغلقة)

-عند وصول الحرارة إلى القيمة المطلوبهفي الأنابيب الشمسية فإن المتحكم الشمسي يتحسس بارتفاع درجة الحرارة ويقوم بفتح مضخة الماء لتصل إلى الأنابيب ليتم تسخينها ,وبعد ذلك تخزينها في خزان الماء الساخن , المضخة هي ايضا التي تقوم بتحريك الماء من وإلى الألواح الشمسية.

إن نظام جهاز التحكم الشمسي و المضخة كلاهما مع عناصر التسخين الإضافية تحتفظ بالمياه في خزان المياه الساخنة بدرجة حرارة ثابتة ,هذا يضمن موثوقية عالية في الحصول على مياه ساخنة بشكل دائم.

المتحكم الشمسي

يقوم بمقارنة درجة حرارة المياه داخل الخزان مع درجة حرارة المياه داخل الألواح الشمسية ويجهز مضخة الماء لتقوم بضخ المياه من الألواح إلى خزان الماء الساخن عندما تكتسب هذه المياه الحرارة اللازمة ، كما أنه يمنع تشكل الصقيع والجليد في النظام وذلك بتجهيز المضخة لضخ المياه عندما تنخفض درجة حرارة المجمعات الشمسية عن حد معين.

الأنابيب الزجاجية المفرغة من الهواء الموافقة لمعيار ISO9001

إن كل أنبوب زجاجي من الأنابيب مصنوع من مادة زجاجية صلبة تدعى بوروسيلكات

الطول الوسطي 1700mm

قطر الأنبوب الخارجي72mm

قطر الأنبوب الداخلي 68mm

سماكة الزجاج 2.0mm

مقدار التمدد الحراري 3.3x10-2 °C

المادة الأساس Borosilicate glass 3.3

غلاف (طلاء) الامتصاص Graded Al-N-Al

قدرةالامتصاص < 92% (AM 1.5)

المفاقيد (الحرارة الغير ممتصة) < 8% (80°C)

الضغط > 5x10 -2 Pa

درجة حرارة الركود (التوقف) < 220°C

الحرارة أو الطاقة الضائعة < 0.8W/(m 2°C)

القدرة الأعظمية 0.8MPa

مضخة جريان الماء في نظام التسخين الشمسي

المضخة الشمسية توضع على خط الجريان العائد (الجانب البارد من دارة السخان)، تقوم بإدارة الماء من خزان الماء الساخن إلى مدخل المجمع الشمسي أثناء عملية التسخين الشمسي .

بعض الأسئلة الشائعة حول هذه التقنية الجديدة

-1 هل يمكن استعمال جهاز تسخين الماء الشمسي في الشتاء؟

كما نعلم، في الشتاء تكون الساعات المشمسة قليلة، و أشعة الشمس ضعيفة، و درجة حرارة الماء خلال النهار منخفضة . لكن بعد التعرض للشمس لمدة من 1 – 2 يوم ستكون درجة حرارة الماء مرتفعة كفاية من أجل الاستحمام (في الأيام المشمسة). و إذا كان الجو غائما فإن السخان الكهربائي سيكون ضروريا من أجل الاستحمام. وهو امر نادر الحدوث في الشرق الاوسط .

-2 لماذا نجد بعض أجهزة تسخين الماء الشمسية تفقد كفاءتها العالية بعد فترة من الاستعمال؟

هناك عدة أسباب كما يلي:

• نوعية الهواء المحيط سيئة مما يجعل الغبار يغطي الأنابيب و بالتالي ينخفض معدل الامتصاص للأنابيب المفرغة.

• نوعية الماء المحلي سيئ الذي يؤدي إلى ترسبات في الأنابيب بحيث يخفض إمكانية نقل الحرارة.

• يكون جهاز تسخين الماء الشمسي غير محكما بشكل جيد بحيث يصل الماء إلى العازل عند التعرض للماء( مثل الأمطار)، وبالتالي يؤثر على كفاءة الجهاز.

• أجهزة الأنابيب الإضافية سيئة : مثلاً- صمام الدخول لا يحكم الإغلاق جيدا و بالتالي يدخل الماء البارد إلى الخزان وبدوره يضعف مردود الجهاز.

• الأنابيب المفرغة غير جيدة: فعدم جودة الأنابيب تعني أداء غير جيد في امتصاص و حفظ الحرارة أي مردود قليل ،وايضا سهولة الكسر .

-3احياناً يكون التدفق عند مخرج ماء الاستخدام ضعيف لماذا؟

هناك سببين لضعف التدفق عند المخرج ، الأول أن المسخنات الشمسية العادية تكون غير مضغوطة,والثاني هو أن البعد الشاقولي بين المسخن الشمسي و فتحة المخرج تكون غير كافية و حل هذه المشكلة يكون إما بزيادة ارتفاع المسخن الشمسي أو بزيادة أقطار الأنابيب.

وهناك احتمالات أخرى لهذه المشكلة عندما تكون الأنابيب منثنية أو مسدودة أو مضيقة بسبب الرواسب.

-4 ما هي المشاكل الكامنة في المنظم الإلكتروني و الحساس؟

إن الوظيفة الرئيسية للمنظم هي إظهار درجة حرارة الماء و المنسوب، التعبئة الأوتوماتيكية للماء في الخزان، و التحكم بالسخان الكهربائي. فالمشاكل الاعتيادية التي تحدث هي :

• عدم إظهار أي شيء على الشاشة, الإظهار بشكل جزئي, الإظهار غير الدقيق للمعلومات , تسريب للتيار الكهربائي, عدم التجاوب , فقدان التحكم بالسخان الكهربائي أو بالصمام الكهربائي. كل هذه المشاكل بسبب أخطاء اللوحة الكهربائية التي تحتاج إلى تبديل أو إصلاح عن طريق أشخاص مؤهلين .

• العمر التشغيلي للحساس ليس طويلا جدا منذ أن يوضع في الخدمة , فإذا كان الحساس لا يعمل جيدا فيمكن تنظيفه وبعد ذلك إذا لم يعمل فيجب تبديله. والمنظم لا يعمل بشكل صحيح بدون الحساس فلا يمكنه إظهار قيم حقيقية للحرارة ولا لمنسوب الماء وبالتالي عدم التحكم بالصمام الكهربائي بالشكل المطلوب .

-5كيف يمكن تحديد حجم مسخن الماء الشمسي؟

إن الاستهلاك العادي للماء من أجل الاستحمام هو 30 ليتر للرجل و 40 ليتر للمرأة, وإذا أضفنا استهلاك الماء في المطبخ فتكون حاجة كل شخص من 40 – 50 ليتر في اليوم. ومنه حجم المسخن المطلوب.

-6 كيف يمكن حماية الجهاز من الصواعق؟

يجب أن يكون ارتفاع مانع الصواعق على سطح المنزل أعلى من أعلى نقطة من جهاز التسخين الشمسي 50 سم على الأقل و أن يكون البعد الأفقي 10 سم , ولا يسمح بتركيب مانع الصواعق على الجهاز مباشرة.

-7 ما هي المسافة الصحيحة الفاصلة عند تركيب عدة أجهزة تسخين شمسي على رتل ؟

بعد تركيب الجهاز نجد له ظل من الخلف , إن أبعد نقطة من الظل عن الجهاز تسمى مسافة التغطية. عادة تكون هذه المسافة 1.25 مرة من ارتفاع الجهاز , لذلك فالمسافة الأفضل بين جهازي تسخين شمسيين على خط واحد هو 1.5 مرة من ارتفاع الجهاز.

-8 لماذا يتجمد الماء داخل الأنابيب في الشتاء القاسي ؟

هناك سببين رئيسين لتجمد الماء في الأنابيب :

• نوعية سيئة للأنابيب غير مقاومة للتجمد.

• عملية عزل و اختيار نوع عازل الأنابيب سيئة .

-9 ما هو الوقت الأمثل لتعبئة الجهاز بالماء؟

قد تصل درجة حرارة الأنابيب إلى 240 درجة عند تعرضها للشمس أثناء النهار لذلك فسوف تنفجر عند ملأها بالماء البارد , ولإطالة عمر الأنابيب المفرغة فالوقت الأمثل لإملائها بالماء هو خلال الليل أو في الصباح الباكر.

ملاحظات عند التركيب:

• يجب الحرص عند التركيب على أن يكون وجه الجهاز باتجاه الجنوب وبدون أية حواجز أمامه تحجب الأشعة الشمسية.

• يجب التأكد ما إذا كان الجوان السيليكوني الحلقي ثابت بشكل جيد في مكانه على الخزان قبل تركيب الأنابيب المفرغة.

• يجب عدم تعريض وصلات الأنابيب للحمولات التي قد تسبب تحطم هذه الوصلات.

• يجب التأكد من أن فتحة التهوية غير مغلقة لوقاية الجهاز, و كذلك يجب عزل الأنابيب الخارجة لمنع هروب الحرارة.

• يجب تثبيت قاعدة الجهاز بشكل جيد ,و ذلك لتفادي الرياح القوية.

مميزات سخانات الأنابيب المفرغة الشمسية

تتمتع تلك السخانات القائمة على تقنية الأنابيب المفرغة ، بكثير من المميزات الهامة التي تؤهلها لأن تكون البديل الأمثل لاستغلال أحد أهم مصادر الطاقة البديلة وهي الطاقة الشمسية بكفاءة عالية ، فهي آمنة وصديقة للبيئة وقد تم استخدام تقنية العزل الحراري العالي High Insulationفيها عن طريق استخدام البولي يورثان Polyurethane في داخل الأنابيب المفرغة مما يؤدي إلى الاحتفاظ بالحرارة لوقت طويل .

وبالإضافة لقدرتها على امتصاص الطاقة الشمسية بشكل فائق ، فقد روعي تصنيع التنك الداخلي وأنابيب التوصيل الخارجية من معدن الستانلس ستيل Stainless Steel المقاوم للتآكل وللعوامل الجوية المختلفة، كما أن كافة القطع المطاطية والوصلات الداخلية ، مصنوعة من مواد غير سامة ولا تؤثر على خصائص الماء المار فيها , وتتميزهذه السخانات بسهولة التركيب والبساطة ، حتى في أسوء الظروف عندما يتم كسر أحد الأنابيب المفرغة بفعل قسري ، عندها ينبغي ببساطة إزالة الأنبوب المكسور عن طريق تحرير اللاقط الخاص به ووضع أنبوب جديد مكانه بكل سهولة ويسر .

إن هذه المميزات والقدرات العالية التي تتمتع بها هذه السخانات ، تؤهلها لأن تحتل أسطح منازلنا لتوفر لنا المياه الساخنة معظم أيام السنة ، لكونها اقتصادية وصديقة للبيئة، كما أنها تزود بوحدة تسخين كهربائية فعالة في حال احتجاب أشعة الشمس لفترات طويلة في فصل الشتاء ، ولا يقتصر استخدامها في المنازل فحسب ، بل إنها أيضا تلبي احتياجات التجمعات السكنية الكبيرة بالمياه الساخنة، كالفنادق والمستشفيات والنوادي وغيرها

: شارك

Tweet

✚

مواضيع ذات صلة