ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-جلسه ی ششم
آشنایی با سایر قسمت‌های آب‌گرم‌کن خورشیدی
اهداف جلسه: آشنایی با سایر قسمت‌های آب‌گرم‌کن خورشیدی
وﺳﺎﯾﻞ موردنیاز: -----
1-1- قسمت‌های آب‌گرم‌کن
اجزای اصلی یک آب‌گرم‌کن خورشیدی خانگی بدین شرح است:
کلکتورهای خورشیدی که حرارت را از تابش خورشید جذب نموده و به سیال حامل انرژی در آب‌گرم‌کن خورشیدی منتقل می‌نماید.
سیال حامل انرژی که عموماً آب بوده و حرارت را از کلکتور آب‌گرم‌کن خورشیدی برای ذخیره‌سازی یا استفاده جذب می‌کند.
مبدل حرارتی برای انتقال گرما بین سیال حامل گرما و آبگرم مصرفی بهداشتی.
پمپ‌هایی که از آن‌ها برای انتقال سیال حامل انرژی در کلکتورهای آب‌گرم‌کن خورشیدی و مبدل حرارتی همچنین در برخی مواقع برای انتقال آبگرم مصرفی بهداشتی استفاده می‌شود.
کنترلری برای روشن کردن پمپ‌ها در مواقع لزوم.
در ادامه به بررسی دقیق‌تر برخی از این قسمت‌ها پرداخته‌شده است:
1-1-1- مخزن آب گرم:
آب گرم شده در این مخزن عایق‌بندی شده، ذخیره می‌گردد.
شکل 6-1 مخزن ذخیره
یک نمونه راهنمای انتخاب مخزن در شکل زیر ارائه‌شده است:
شکل 6-2 راهنمای انتخاب مخزن
1-1-2- گردآور یا کلکتور
شکل 6-3 دو نوع از گردآور
کلکتورهای آب‌گرم‌کن خورشیدی گرمای تابش شده از خورشید را دریافت نموده و آن را به مایع موجود در آب‌گرم‌کن منتقل می‌کنند. گرمای واردشده تحت تأثیر فرآیند گلخانه‌ای در کلکتورها به دام می‌افتد. سطح کلکتور خورشیدی قادر است امواج با طول‌موج کوتاه را جذب و تشعشع با طول‌موج بلند را بازتابش کند. زمانی که تابش مادون‌قرمز با طول‌موج کوتاه از خورشید به سطح جاذب کلکتور برخورد می‌کند حرارت در کلکتور به دام می‌افتد، مایع داخل کلکتور که عموماً آب است در ارتباط با سطح جاذب کلکتور گرما را در خود ذخیره می‌کند و گرم می‌شود.
گردآور خود شامل یک ورق است که به‌وسیله تابش خورشید گرم می‌شود و سپس حرارت خود را به یک سیال جذب‌کننده (مانند آب) که داخل لوله در حال جریان است، منتقل می‌کند. رنگ این ورق همیشه تیره انتخاب می‌شود و از پوشش خاصی در آن استفاده‌شده که جذب انرژی را به بیشترین مقدار خود برساند. برای رسیدن به دمای بالا، مجموعه ورق و لوله‌ها را در داخل یک جعبه عایق با روکش شیشه قرار می‌دهند. گردآورها به دو نوع ثابت و متحرک تقسیم می‌شوند.
گردآور متحرک
گردآورهای متحرک که به آن‌ها پیگرد خورشیدی هم می‌گویند در یک محور و یا دو محور چرخان هستند و خود به شش دسته تقسیم می‌شوند:
1. سهموی شکل
2. بازتابنده‌های خطی
3. بازتابنده‌های بشقابی
4. بازتابنده‌های متمرکز کننده
5. آبشخورهای سهموی
6. آبشخورهای استوانه‌ای
گردآورهای ثابت:
این گردآورها که به‌صورت ثابت در محل خود نصب می‌شوند و نیازی به دنبال کردن خورشید ندارند، به سه مدل تقسیم می‌شوند:
1-گردآورهای نوع صفحه تخت یا مسطح (Flat Plate Collectors - FPC)
2-گردآورهای نوع جفت سهموی (Compound parabolic collectors - CPC)
3-گردآورهای لوله خلأ (Evacuated- tube collectors – ETC)
گردآور تخت یا مسطح
شکل 6-4 گردآور تخت
ساده‌ترین و پراستفاده‌ترین نوع گردآور به شمار می‌رود. ساختار آن به شکل یک جعبه مستطیل شکل است که در داخل آن یک صفحه جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم با پوششی به رنگ‌های خاص قرار دارد. این صفحه، جاذب انرژی حرارتی خورشید می‌باشد. در زیر صفحه، لوله‌های کوچکی قرارگرفته که آب یا سیال در آن‌ها جریان دارد. اطراف گردآور به‌منظور کاهش اتلاف حرارتی عایق‌بندی شده و روی سطح جعبه نیز از پلاستیک شفاف یا شیشه پوشیده شده است. این کلکتورها باید رو به خط استوا نصب شوند، به‌طوری‌که در نیم‌کره شمالی به سمت جنوب و در نیم‌کره شمالی به سمت 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 می‌یابد. اجزای داخلی این گردآور را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.
شکل 6-5 گردآور صفحه تخت و بخش‌های آن
گردآورهای صفحه تخت عموماً از قسمت‌های زیر تشکیل می‌شوند.
شیشه: یک یا چند صفحه شفاف شیشه‌ای (عبور دهنده پرتو)
لوله‌ها، پره‌ها و کانال‌ها: برای هدایت و انتقال سیال عامل از ورودی به خروجی
صفحات جاذب: صفحه‌هایی تخت، موج‌دار، یا شیاردار که لوله‌ها، پره‌ها یا کانال‌هایی به آن‌ها وصل شده‌اند یا اینکه ممکن است لوله‌ها به‌صورت یکپارچه و قسمتی از صفحات باشند.
مانیفولدها: برای جمع‌آوری و تخلیه سیال
عایق: برای به حداقل رساندن افت حرارتی در اطراف صفحه جاذب محفظه
نگه‌دارنده: برای در برگرفتن اجزای فوق‌الذکر به جهت حفاظت از آن‌ها در مقابل گردوخاک و رطوبت هوا و غیره.
گردآور لوله‌ای تحت خلأ
شکل 6-6 گردآور لوله‌ای
این گردآور از تعدادی لوله دوجداره شفاف موازی تشکیل‌شده است. هر لوله خلأ می‌تواند شامل دو لوله شیشه‌ای ساخته‌شده از شیشه بوروسیلیکات بسیار مستحکم و یا از دو لوله متداخل فلزی و شیشه‌ای تشکیل‌شده باشد. عموماً لوله فلزی از جنس مس می‌باشد که لوله جاذب نام دارد. لوله خارجی شفاف بوده و اجازه عبور نور با کمترین مقدار انعکاس را می‌دهد. لوله درونی عموماً با پوششی از یک فلز مانند مس است که ویژگی‌های عالی جذب تابش خورشیدی و با خواص بازتابی حداقل را دارا می‌باشد. سیال در داخل لوله جاذب داخلی جریان دارد و لوله شیشه‌ای در بیرون قرارگرفته 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. این «تخلیه» از گازها عامل ایجاد خلأ در بین محفظه دو لوله است. خلأ (مانند آنچه در فلاسک چای استفاده می‌شود) یک عایق حرارتی بسیار عالی بوده که منجر به عدم از دست دادن حرارت موجود در لوله داخلی، پس از گرم شدن آن با حرارت خورشید، می‌شود. خواص عایق خلأ به‌اندازه‌ای خوب است که زمانی که دمای لوله داخلی ممکن است 95 درجه سانتی‌گراد رسیده باشد، لوله بیرونی کاملاً سرد و قابل‌لمس است. جاذب‌های لوله خلأ در آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی، به‌خوبی می‌توانند گرمایش آب را حتی در روزهای سرد انجام دهند درحالی‌که جاذب‌های صفحه تخت به علت از دست دادن حرارت قادر به انجام این امر به‌خوبی نیستند.
شکل 6-7 لوله‌های تحت خلأ
عملكرد این مبدل عموماً به‌صورت ترموسیفون است؛ یعنی با استفاده از گرما و بدون دستگاه پمپ آب به‌طور طبیعی در این لوله‌ها در جریان است. حال ببینیم که چگونه این اتفاق می‌افتد؟
وقتی مایع درون این لوله‌ها گرم شود چگالی آن کاهش می‌یابد درواقع آب گرم سبک‌تر از آب سرد است به همین دلیل آب گرم به سمت بالا می‌رود و آب سرد جایگزین آن می‌شود. در آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی تحت خلأ، آب درون لوله‌ها جاری نیست؛ بنابراین علاوه بر اینکه امکان رسوب املاح آب در لوله‌ها از بین خواهد رفت، چنانچه یکی از لوله‌های خلأ بنا به هر دلیلی بشکند آب گرم داخل مخزن هدر نخواهد رفت و سیستم بکار خود ادامه خواهد داد.
گردآورهای سهموی
این گردآورها سطح آینه‌ای دارند و برای تجمع انرژی خورشیدی بر روی تیوب جاذب که شامل سیال انتقال حرارت است، بکار می‌رود.
شکل 6-8 گردآور سهموی
کدام گردآور بهتر است؟
پاسخ این سؤال وابسته به عوامل مختلفی ازجمله دمای محیط است.
شکل 6-9 گردآور بهینه. نمودار بازده در برابر، نسبت دمای محیط به تشعشع خورشید
با توجه به شکل برای دمای 10 تا 50 درجه سانتی‌گراد بالای دمای محیط از گردآور صفحه تخت و در صورت نیاز به دماهای بیشتر باید از گردآور لوله‌های تحت خلأ استفاده شود. همچنین در جدول زیر با توجه به آب‌وهوای مناطق استفاده از دو نوع گردآور مختلف پیشنهادشده است:
جدول 6-1 گردآور مناسب با توجه به منطقه آب و هوایی
1-1-3- کنترل آب‌گرم‌کن
کنترل آب‌گرم‌کن یا به‌صورت دستی و یا خودکار انجام می‌شود. بعضی از آب‌گرم‌کن‌ها مجهز به ترموستات هستند که کنترل منبع انرژی را به عهده دارد. وقتی درجه حرارت از حد معمول پایین‌تر باشد، به‌طور خودکار سامانه به کار می‌افتد و حرارت را بالا می‌برد. اکثر مواقع برای اینکه از اتلاف حرارت جلوگیری کنند، آب‌گرم‌کن‌ها را عایق‌کاری می‌کنند؛ که در جلسه بعد به مبحث عایق‌کاری پرداخته می‌شود.
شکل 6-10 کنترل آب‌گرم‌کن
• آزمایش:
• تکلیف:
با دانلود نرم‌افزار PV-Solar Power System از Google play store، زاویه قرار دادن کلکتور را در محل زندگی خود تعیین کنید و آن را با روش گفته‌شده در این جلسه و جلسه قبل مقایسه کنید. جدول زیر را تکمیل و ارسال نمایید.
وارد سایت http://valentin.de/calculation/thermal/system/ww/en شده و با انتخاب کشور ایران و شهر تهران، نوع و مساحت گردآورنده، حجم مخزن آب‌گرم‌کن، دمای خروجی و نوع سوخت کمکی را تغییر داده و نتیجه را با انتخاب گزینه result مشاهده کنید.
در شرایط یکسان کدام نوع گردآورنده تأثیر بیشتری روی Solar fraction (انرژی‌ای که از خورشید تأمین می‌شود به‌کل انرژی موردنیاز) دارد؟
• منابع مطالعه:
• https://buildingplus.ir
• http://www.avisasolar.ir
• http://valentin.de/calculation/thermal/start/en
• http://www.alternative-energy-tutorials.com
• سوتریس کالوگیرو، مترجم سعید محمدی، کلکتور خورشیدی، انتشارات علوم روز
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش اول
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش دوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش سوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش چهارم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش پنجم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش ششم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هفتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هشتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش نهم
وﺳﺎﯾﻞ موردنیاز: -----
1-1- قسمت‌های آب‌گرم‌کن
اجزای اصلی یک آب‌گرم‌کن خورشیدی خانگی بدین شرح است:
کلکتورهای خورشیدی که حرارت را از تابش خورشید جذب نموده و به سیال حامل انرژی در آب‌گرم‌کن خورشیدی منتقل می‌نماید.
سیال حامل انرژی که عموماً آب بوده و حرارت را از کلکتور آب‌گرم‌کن خورشیدی برای ذخیره‌سازی یا استفاده جذب می‌کند.
مبدل حرارتی برای انتقال گرما بین سیال حامل گرما و آبگرم مصرفی بهداشتی.
پمپ‌هایی که از آن‌ها برای انتقال سیال حامل انرژی در کلکتورهای آب‌گرم‌کن خورشیدی و مبدل حرارتی همچنین در برخی مواقع برای انتقال آبگرم مصرفی بهداشتی استفاده می‌شود.
کنترلری برای روشن کردن پمپ‌ها در مواقع لزوم.
در ادامه به بررسی دقیق‌تر برخی از این قسمت‌ها پرداخته‌شده است:
1-1-1- مخزن آب گرم:
آب گرم شده در این مخزن عایق‌بندی شده، ذخیره می‌گردد.
یک نمونه راهنمای انتخاب مخزن در شکل زیر ارائه‌شده است:
1-1-2- گردآور یا کلکتور
کلکتورهای آب‌گرم‌کن خورشیدی گرمای تابش شده از خورشید را دریافت نموده و آن را به مایع موجود در آب‌گرم‌کن منتقل می‌کنند. گرمای واردشده تحت تأثیر فرآیند گلخانه‌ای در کلکتورها به دام می‌افتد. سطح کلکتور خورشیدی قادر است امواج با طول‌موج کوتاه را جذب و تشعشع با طول‌موج بلند را بازتابش کند. زمانی که تابش مادون‌قرمز با طول‌موج کوتاه از خورشید به سطح جاذب کلکتور برخورد می‌کند حرارت در کلکتور به دام می‌افتد، مایع داخل کلکتور که عموماً آب است در ارتباط با سطح جاذب کلکتور گرما را در خود ذخیره می‌کند و گرم می‌شود.
گردآور خود شامل یک ورق است که به‌وسیله تابش خورشید گرم می‌شود و سپس حرارت خود را به یک سیال جذب‌کننده (مانند آب) که داخل لوله در حال جریان است، منتقل می‌کند. رنگ این ورق همیشه تیره انتخاب می‌شود و از پوشش خاصی در آن استفاده‌شده که جذب انرژی را به بیشترین مقدار خود برساند. برای رسیدن به دمای بالا، مجموعه ورق و لوله‌ها را در داخل یک جعبه عایق با روکش شیشه قرار می‌دهند. گردآورها به دو نوع ثابت و متحرک تقسیم می‌شوند.
گردآور متحرک
گردآورهای متحرک که به آن‌ها پیگرد خورشیدی هم می‌گویند در یک محور و یا دو محور چرخان هستند و خود به شش دسته تقسیم می‌شوند:
1. سهموی شکل
2. بازتابنده‌های خطی
3. بازتابنده‌های بشقابی
4. بازتابنده‌های متمرکز کننده
5. آبشخورهای سهموی
6. آبشخورهای استوانه‌ای
گردآورهای ثابت:
این گردآورها که به‌صورت ثابت در محل خود نصب می‌شوند و نیازی به دنبال کردن خورشید ندارند، به سه مدل تقسیم می‌شوند:
1-گردآورهای نوع صفحه تخت یا مسطح (Flat Plate Collectors - FPC)
2-گردآورهای نوع جفت سهموی (Compound parabolic collectors - CPC)
3-گردآورهای لوله خلأ (Evacuated- tube collectors – ETC)
گردآور تخت یا مسطح
ساده‌ترین و پراستفاده‌ترین نوع گردآور به شمار می‌رود. ساختار آن به شکل یک جعبه مستطیل شکل است که در داخل آن یک صفحه جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم با پوششی به رنگ‌های خاص قرار دارد. این صفحه، جاذب انرژی حرارتی خورشید می‌باشد. در زیر صفحه، لوله‌های کوچکی قرارگرفته که آب یا سیال در آن‌ها جریان دارد. اطراف گردآور به‌منظور کاهش اتلاف حرارتی عایق‌بندی شده و روی سطح جعبه نیز از پلاستیک شفاف یا شیشه پوشیده شده است. این کلکتورها باید رو به خط استوا نصب شوند، به‌طوری‌که در نیم‌کره شمالی به سمت جنوب و در نیم‌کره شمالی به سمت 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 می‌یابد. اجزای داخلی این گردآور را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.
گردآورهای صفحه تخت عموماً از قسمت‌های زیر تشکیل می‌شوند.
شیشه: یک یا چند صفحه شفاف شیشه‌ای (عبور دهنده پرتو)
لوله‌ها، پره‌ها و کانال‌ها: برای هدایت و انتقال سیال عامل از ورودی به خروجی
صفحات جاذب: صفحه‌هایی تخت، موج‌دار، یا شیاردار که لوله‌ها، پره‌ها یا کانال‌هایی به آن‌ها وصل شده‌اند یا اینکه ممکن است لوله‌ها به‌صورت یکپارچه و قسمتی از صفحات باشند.
مانیفولدها: برای جمع‌آوری و تخلیه سیال
عایق: برای به حداقل رساندن افت حرارتی در اطراف صفحه جاذب محفظه
نگه‌دارنده: برای در برگرفتن اجزای فوق‌الذکر به جهت حفاظت از آن‌ها در مقابل گردوخاک و رطوبت هوا و غیره.
گردآور لوله‌ای تحت خلأ
این گردآور از تعدادی لوله دوجداره شفاف موازی تشکیل‌شده است. هر لوله خلأ می‌تواند شامل دو لوله شیشه‌ای ساخته‌شده از شیشه بوروسیلیکات بسیار مستحکم و یا از دو لوله متداخل فلزی و شیشه‌ای تشکیل‌شده باشد. عموماً لوله فلزی از جنس مس می‌باشد که لوله جاذب نام دارد. لوله خارجی شفاف بوده و اجازه عبور نور با کمترین مقدار انعکاس را می‌دهد. لوله درونی عموماً با پوششی از یک فلز مانند مس است که ویژگی‌های عالی جذب تابش خورشیدی و با خواص بازتابی حداقل را دارا می‌باشد. سیال در داخل لوله جاذب داخلی جریان دارد و لوله شیشه‌ای در بیرون قرارگرفته 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. این «تخلیه» از گازها عامل ایجاد خلأ در بین محفظه دو لوله است. خلأ (مانند آنچه در فلاسک چای استفاده می‌شود) یک عایق حرارتی بسیار عالی بوده که منجر به عدم از دست دادن حرارت موجود در لوله داخلی، پس از گرم شدن آن با حرارت خورشید، می‌شود. خواص عایق خلأ به‌اندازه‌ای خوب است که زمانی که دمای لوله داخلی ممکن است 95 درجه سانتی‌گراد رسیده باشد، لوله بیرونی کاملاً سرد و قابل‌لمس است. جاذب‌های لوله خلأ در آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی، به‌خوبی می‌توانند گرمایش آب را حتی در روزهای سرد انجام دهند درحالی‌که جاذب‌های صفحه تخت به علت از دست دادن حرارت قادر به انجام این امر به‌خوبی نیستند.
عملكرد این مبدل عموماً به‌صورت ترموسیفون است؛ یعنی با استفاده از گرما و بدون دستگاه پمپ آب به‌طور طبیعی در این لوله‌ها در جریان است. حال ببینیم که چگونه این اتفاق می‌افتد؟
وقتی مایع درون این لوله‌ها گرم شود چگالی آن کاهش می‌یابد درواقع آب گرم سبک‌تر از آب سرد است به همین دلیل آب گرم به سمت بالا می‌رود و آب سرد جایگزین آن می‌شود. در آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی تحت خلأ، آب درون لوله‌ها جاری نیست؛ بنابراین علاوه بر اینکه امکان رسوب املاح آب در لوله‌ها از بین خواهد رفت، چنانچه یکی از لوله‌های خلأ بنا به هر دلیلی بشکند آب گرم داخل مخزن هدر نخواهد رفت و سیستم بکار خود ادامه خواهد داد.
گردآورهای سهموی
این گردآورها سطح آینه‌ای دارند و برای تجمع انرژی خورشیدی بر روی تیوب جاذب که شامل سیال انتقال حرارت است، بکار می‌رود.
کدام گردآور بهتر است؟
پاسخ این سؤال وابسته به عوامل مختلفی ازجمله دمای محیط است.
با توجه به شکل برای دمای 10 تا 50 درجه سانتی‌گراد بالای دمای محیط از گردآور صفحه تخت و در صورت نیاز به دماهای بیشتر باید از گردآور لوله‌های تحت خلأ استفاده شود. همچنین در جدول زیر با توجه به آب‌وهوای مناطق استفاده از دو نوع گردآور مختلف پیشنهادشده است:
جدول 6-1 گردآور مناسب با توجه به منطقه آب و هوایی
1-1-3- کنترل آب‌گرم‌کن
کنترل آب‌گرم‌کن یا به‌صورت دستی و یا خودکار انجام می‌شود. بعضی از آب‌گرم‌کن‌ها مجهز به ترموستات هستند که کنترل منبع انرژی را به عهده دارد. وقتی درجه حرارت از حد معمول پایین‌تر باشد، به‌طور خودکار سامانه به کار می‌افتد و حرارت را بالا می‌برد. اکثر مواقع برای اینکه از اتلاف حرارت جلوگیری کنند، آب‌گرم‌کن‌ها را عایق‌کاری می‌کنند؛ که در جلسه بعد به مبحث عایق‌کاری پرداخته می‌شود.
• آزمایش:
• تکلیف:
با دانلود نرم‌افزار PV-Solar Power System از Google play store، زاویه قرار دادن کلکتور را در محل زندگی خود تعیین کنید و آن را با روش گفته‌شده در این جلسه و جلسه قبل مقایسه کنید. جدول زیر را تکمیل و ارسال نمایید.
• منابع مطالعه:
• https://buildingplus.ir
• http://www.avisasolar.ir
• http://valentin.de/calculation/thermal/start/en
• http://www.alternative-energy-tutorials.com
• سوتریس کالوگیرو، مترجم سعید محمدی، کلکتور خورشیدی، انتشارات علوم روز
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش اول
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش دوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش سوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش چهارم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش پنجم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش ششم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هفتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هشتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش نهم
