آبگرمکن خورشیدی
ساختار یا ساختمان
سادهترین آب گرمکن خورشیدی از یک گردآور تخت (کلکتور) و یک مخزن ذخیره آب تشکیل شده است. شرایط لازم نصب این آب گرمکن
آن است که قسمت فوقانی گرد آور پایینتر از قسمت تحتانی مخزن ذخیره قرار گیرد و حداقل انحراف گرد آور نسبت به سطح افق که برای تحقیقی جریان تومو سیفونی ، در حدود 20 درجه رو به جنوب انتخاب شد.
طرز کار
ابتدا مخزن آب گرم با آب سرد پر میشود و آب داخل لولههای گردآور ، هنگامی که خورشید روی سطح گرد آور میتابد به تدریج گرم شده و به کندی به طرف مخزن از طرف بالا ذخیره میشود، آب سرد مخزن نیز از طریق لوله دیگربه طرف قسمت پایین گردآور جریان یافته تا زمانی که تابش خورشیدی برای گرم کردن آب کفایت کند، این عمل ادامه مییابد
دلایل استفاده از آبگرمکن های خورشیدی
- حفاظت محیط زیست
- جلوگیری از افزایش گرمای کره زمین
- ذخیره منابع انرژی تجدید ناپذیر
- کاهش هزینه های انرژی گرمایی
- افزایش ضریب اطمینان و ایمنی
- کاربرد آسان و راحت
- دسترسی همیشگی به منبع انرژی
اجزاء آبگرمکن خورشیدی
یک آبگرمکن خورشیدی از اجزاء زیر تشکیل شده است:
1- گردآورنده 2- مخزن ذخیره 3- مبدل گرمایی 4- کنترل کننده های اتوماتیک 5- پمپ، لوله ها شیرآلات و اتصالات.jpg)
آبگرمکن های خورشیدی پمپدار
این دستگاه یک آبگرمکن خورشیدی پمپدار است که به عنوان جبران ساز قابلیت استفاده از سوخت گاز را دارا می باشد. در این آبگرمکن، مخزن ذخیره در پائین و در داخل ساختمان قرار میگیرد و بر روی بام تنها کلکتورهای خورشیدی نصب می شوند.
مهمترین ویژگیهای آن به صورت زیر است:
• مخزن دوطبقه:
مخزن این آبگرمکن به صورت دو طبقه است که در طبقه اول (مخزن خورشیدی) یک مخزن دوجداره و در طبقه دوم (مخزن گازی) یک مخزن تک جداره دودکش دار قرار دارد. جداره دوم مخزن خورشیدی به وسیله لوله های ارتباطی با یک یا دو عدد کلکتور که در بالای ساختمان نصب می شود مرتبط می گردد و به وسیله یک پمپ سیرکولاتور کوچک، سیال عامل مابین کلکتورها و جدره دوم مخزن به گردش در می آید. این دو مخزن به وسیله لوله های رابط به یکدیگر متصل میباشند.
• سیستم جبران ساز (کمکی):
در این آبگرمکن، علاوه بر المنت برقی، در فضای مابین دو مخزن یک مشعل گازی کوچک قرار داده شده است. آب سرد از شبکه لوله کشی شهری ابتدا به مخزن خورشیدی وارد شده و در مجاورت جدار متصل به کلکتورها گرم می شود. هنگام خروج آب گرم از مخزن به مصرف، آب از مخزن خورشیدی بوسیله لوله های ارتباطی وارد مخزن گازی می شود. در این حالت در صورتیکه دمای آب ورودی به مخزن گازی به اندازه کافی توسط بخش خورشیدی گرم شده باشد، سنسور مشعل گازی را گرم نگه داشته و گاز روشن نمیشود. اما در صورت کمبود دمای آب ورودی از قسمت خورشیدی، مشعل گازی به صورت اتوماتیک روشن شده و کمبود دمای مورد نیاز را جبران می نماید.
• سیستم تخلیه (بدون نیاز به ضدیخ و منبع انبساط):
سیال عامل در این محصول آب است. در داخل مخزن خورشیدی یک مخزن مخفی به عنوان مخزن تخلیه تعبیه شده است. آب گردش کننده در کلکتورها در داخل این مخزن قراردارد. در زمانیکه پمپ آب با فرمان کنترلر روشن میشود، بخشی از آب مخزن تخلیه به داخل کلکتورها پمپ شده و پس از عبور جداره دوم مخزن، دوباره به مخزن تخلیه باز می گردد. در زمانیکه گردش پمپ با فرمان کنترلر قطع می شود، آب موجود در کلکتورها به صورت ثقلی به داخل مخزن تخلیه باز می گردد و کلکتورها خالی از آب می شوند. لذا در زمستانها نیازی به ضد یخ نیست و در تابستانها هم سیستم جوش نمی آورد.
ویژگی و مزایا:
• حذف بار مخزن از روی پشت بام
• طول عمر بیشتر و اتلاف دمای کمتر (به دلیل Indoor بودن مخزن)
• کارآیی بالا
• زیبایی بیتشر ساختمان (فقط کلکتور بر روی بام است)
• قابلیت استفاده از سیستم جبران ساز گازی
• عدم نیاز به ضد یخ و منبع انبساط
.jpg)
آبگرمکن های خورشیدی ترموسیفونی
اصل ترموسیفون حرارتی:
در یک سیکل بسته از سیال، درصورتیکه قسمتی از مدار که در ارتفاع پائینتر قراردارد گرمتر از قسمت بالاتر باشد، به دلیل اینکه چگالی کمتری دارد به سمت بالا حرکت میکند و تداوم این اختلاف دما و ارتفاع، باعث ایجاد جریان سیال در این مدار می شود و سیال به صورت طبیعی و بدون نیاز به پمپ به گردش در می آید. به این نوع جریان سیال، جریان ترموسیفونی می گویند.
از اصل ترموسیفون حرارتی، در آبگرمکن های خورشیدی استفاده می شود. بدین نحو که یک مخزن دوجداره ذخیره آب را در بالای کلکتور خورشیدی قرارداده و مابین جدار دوم مخزن ذخیره و لوله های کلکتور خورشیدی یک مدار بسته تشکیل می شود. با تابش خورشید بر روی سطح کلکتور خورشیدی، سیال داخل آن گرم شده و جریان ترموسیفونی مابین کلکتور و مخزن برقرار می شود. گردش آب گرم در جداره دوم مخزن سبب گرم شدن آب داخل مخزن اصلی می گردد و آب گرم با فشار در شبکه جاری می گردد.
حرکت ترموسیفون تا زمانی که انرژی خورشید موجود باشد ادامه دارد. این حرکت با افول خورشید متوقف می شود.
عایق:
مخزن ذخیره در آبگرمکن های ترموسیفونی باید به خوبی عایق شود تا در طول شب، آب گرم ذخیره شده در آن گرم بماند. همچنین لوله های ارتباطی مابین مخزن و کلکتور نیز باید به خوبی عایق شوند.
ضدیخ:
در شرایط آب و هوایی سردسیر که روزهایی از سال دمای هوا زیر صفر میرود، باید برای جلوگیری از یخ زدگی در سیکل بسته کلکتورها از ضدیخ مناسب استفاده نمود.
سیستم جبران ساز
آبگرمکن های خورشیدی به منظور جبران کمبود احتمالی انرژی خورشید، باید دارای یک سیستم جبران ساز باشند. سیستم جبران ساز در آبگرمکن های خورشیدی ترموسیفونی یک المنت برقی است که در داخل مخزن اصلی قرار دارد و در مواقع مورد نیاز به صورت اتوماتیک روشن میشود. این المنت برقی دارای یک ترموستات است که میتوان دمای دلخواه را توسط آن تنظیم کرد.
ویژگی ها و مزایای این نوع آبگرمکن ها:
ساختار ساده و نصب راحت و سریع
کارآیی بالا با سهم خورشیدی روزانه به طور متوسط 60% دارای المنت برقی با تنظیم دمای دلخواه
این سیستمها به دو دسته مدار باز و بسته تقسیم می شوند. در سیستم مدار باز ( سیستم مستقیم ) آب به صورت مستقیم در میان گردآورنده جاری می باشد. این سیستم بسیار ساده، کارا و قابل اطمینان بوده ولی در شرایط آب و هوایی سرد و دماهای زیر صفر درجه کارایی خوبی ندارد، و یخ زدن آب داخل لوله ها ممکن است منجر به پارگی آنها شود. در سیستمهای مدار بسته ( غیر مستقیم ) معمولا سیالی غیر از آب که نقطه انجماد پایین تری دارد ( مانند مخلوط پروپیلن گلایکول و آب ) بکار گرفته می شود.
این سیستمها دو چرخه جداگانه دارند که از طریق یک مبدل گرمایی به یکدیگر متصل شده اند، و این مبدل گرما را از سیال داخل گردآورنده به آب مصرفی منزل منتقل می کند
مزیت رقابتی آبگرمکن های خورشیدی
امروزه کیفیت و کارایی برتر سیستم های آبگرمکن خورشیدی براساس میزان قدرت جذب انرژی تابشی وهمچنین مقدار سطح اتصال ورقه های جاذب و لوله های متصل به آنها سنجیده می شود.
- کارایی بالای کلکتورهای خورشیدی
- راندمان بالای کل سیستم آبگرمکن های خورشیدی
- حداقل اتلاف حرارتی در کل سیستم
- تامین آب گرم متوسط 60 درجه سانتیگراد و بالاتر (در صورت نیاز مشتری)
- استفاده از عایق های حرارتی مناسب و مرغوب
- استفاده از المنت برقی جهت گرم کردن آب در روزهای ابری کامل
- امکان طراحی مطابق با انواع ساختمانهای مهندسی ساز
- قابلیت طراحی بهینه توسط نرم افزارهای کامپیوتری
- مقاومت کامل در برابر خوردگی
- داشتن گارانتی برای کل سیستم
.jpg)
مخزن ذخیره:
به منظور ذخیره آب گرم مصرفی از یک یا دو مخزن فلزی بهمراه عایق درنظرگرفته شده است. جنس مخازن عمدتاً از گالوانیزه و یا استنلس استیل بوده که حسب تقاضا متفاوت می باشد. ظرفیت مخزن بر اساس میزان مصرف آب گرم تعیین می شود. مخازن عمدتاً از نوع مخزن دو جداره می باشد. همچنین رنگ مخازن براساس تقاضا قابل سفارش می باشد.
مخرن انبساطی:
به منظور دفع نوسانات حجمی سیال در اثر تغییرات دما، یک مخزن انبساطی در مجاورت مخزن استفاده می گردد. همچنین تامین آب جبرانی بر عهده مخزن انبساطی است.
نگهدارنده فلزی:
نگهدارنده ها شامل اسکلت فلزی است که وظیفه نگهداری مخزن و سطوح جاذب را بر عهده دارد.
انواع كلكتورهاي خورشيدي گرم كننده مايع عبارتند از:
كلكتور تخت Flat Plate Collector:
این کلکتور سادهترین و پر استفادهترین نوع کلکتور بهشمار میرود. ساختار آن به شکل یک جعبه مستطیل شکل بوده که در داخل آن یک صفحه جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم با پوششی به رنگهای خاص است. رنگ این ورق همیشه تیره انتخاب میشود و دارای پوشش خاصی است که بتواند ضریب جذب انرژی را به حداکثر و ضریب پخش را به حداقل برساند. اساساً كلكتور غير متمركز كننده¬اي است كه سطح جاذب آن مسطح مي¬باشد. زیر صفحه لولههای کوچکی از جنس مس به صفحه جاذب جوش خورده¬اند که آب یا سیال انتقال حرارت در آنها جریان دارد. اطراف کلکتور به منظور کاهش اتلاف حرارتی عایق بندی شده است. روی سطح جعبه از پلاستیک شفاف یا شیشه پوشیده شده است. برای رسیدن به دمای بالا مجموعه ورق و لولهها را در داخل یک جعبه عایق با روکش شیشه قرار میدهند تا با استفاده از اثر گلخانهای بتوان حرارت بيشتري را بدام انداخت.
جنس روكش سياه معمولاً از جنس اكسيد كروم است كه99% اشعه آفتاب را جذب مي¬كند. جريان بوسيله خاصيت ترموسيفوني يا بوسيله پمپ الكتريكي به مخزن ذخيره عايق بندي شده است كه مي¬تواند دوجداره نيز باشد.
انواع آبگرمكنها:
آبگرمكن هاي خورشيدي را ميتوان از نظر نوع كاركرد به دو دسته عمده تقسيم بندي نمود: آبگرمكن هاي ترموسيفوني ( سيستم با گردش طبيعي) آبگرمكن هاي پمپي ( سيستم با گردش اجباري يا مدار باز)
الف) آبگرمكن هاي ترموسيفوني ( سيستم با گردش طبيعي) در اثر تابش نور خورشيد به صفحات جاذب كلكتورها و جذب انرژي گرمايي توسط اين صفحات سيال موجود در كلكتورها در اثر خاصيت رسانايي گرم مي¬شود در اثر وجود اختلاف دما چگالي بين ابتدا و انتهاي رايزر متفاوت است. اين پديده باعث بوجود آمدن خاصيت ترموسيفون در رايزر مي¬شود و بنا به اين خاصيت سيال گرم به بالا حركت كرده و به منبع ذخيره وارد مي گردد. درصورتيكه سيستم Direct ( مستقيم ) باشد در اين صورت سيال گرم شده همان آب مصرفي مي باشد كه مورر مصرف قرار خواهد گرفت و چنانچه In direct (مخزن دوجداره باشد) سيال گرم شده محلول آب و ضد يخ است كه در جداره بيروني مخزن را گرم و سپس به كلكتور باز مي گردد. شماي كلي اين سيستم در ذيل نمايش داده شده است :
آبگرمكن خورشيدي ترموسيفوني Direct ( مستقيم )
آبگرمكن خورشيدي ترموسيفوني In-Direct ( غير مستقيم )
ب) آبگرمكن هاي پمپي ( سيستم با گردش اجباري يا مدار باز): در اين دسته از آبگرمكنهاي خورشيدي كه معمولا بصورت غير مستقيم ( با تعداد كلكتور بالا و مخزن دو جداره ) مي باشد جهت انجام بهتر عمل سيركولاسيون از يك پمپ استفاده مي شود اين آبگرمكن ها معمولا جهت سيستم هاي بزرگ به كار مي رود همچنين در سيستم هاي خانگي نيز كاربرد دارد.
در اين حالت مخزن ذخيره درهر محلي از ساختمان و نسب به كلكتورها مي تواند قرار بگيرد. پمپ را در مسير ورود محلول سرد به كلكتورها قرار مي دهند اين محلول پس از گرم شدن توسط صفحات جاذب كلكتورها برگشت مي كند. در اين نوع از سيستم هاي خورشيدي به دليل افزودن يك پمپ سيركولاسيون به مدار گردش سيال به ميزان قابل توجهي راندمان وتوان خروجي را بهبود مي¬يابد. در اين نوع سيستم منبع ذخيره جدا از كلكتورها ودر نزديكترين مكان به محل مصرف نصب مي گردد.
همچنين اين سيستم مجهز به يك كنترلر دما مي باشد كه اين كنترلر درمواقع نياز به پمپ دستور قطع و وصل مي دهد.
روش عملكرد كنترلر به اين ترتيب است كه اختلاف دماي (T∆) بين خروجي كلكتور و خروجي مخزن را اندازه گرفته و پس از مقايسه با T∆ تنظيم شده روي اين كنترلر (بسته به محل نصب كلكتور ميزان T∆ متغيير است) فرمان قطع يا وصل شدن عمل سيركولاسيون ( خاموش يا روشن كردن پمپ ) در مدار را مي دهد در ذيل شماي كلي اين سيستم نمايش داده مي شود:
آبگرمكن خورشيدي با سيركولاسيون اجباري
معرفي آبگرمكن هاي خانگي و عمومي:
موارد مصرف آبگرمكن هاي ترموسيفوني و پمپي در سيستمهاي خانگي و عمومي مي باشد. الف)سيستمهاي خانگي جهت تامين آبگرم مصرفي 4 -7 نفر در روز مورد استفاده قرار ميگيرند. سيستم هاي خانگي را ميتوان از دو نوع ترموسيفوني يا پمپي انتخاب كرد.
آبگرمكن هاي خورشيدي خانگي:
آبگرمكن هاي خورشيدي خانگي از نظر كاركرد به دو دسته ترموسيفوني و پمپي تقسيم مي شوند:
1- آبگرمكنهاي خانگي توموسيفوني
الف) با مخزن افقي ساختار و عملكرد اين دسته از آبگرمكن هاي خورشيدي نسبتا ساده مي باشد هر آبگرمكن از يك مخزن و تعدادي كلكتور تشكيل شده كه عملكرد آن بستگي زيادي به شرايط زماني و مكاني ( منطقه جغرافيايي) خواهد داشت. صفحات جاذب كلكتورها انرژي تابشي خورشيد را جذب و به گرما تبديل مي كند. لولههاي رايزر متصل به اين صفحات گرماي جذب شده را به سيال عبوري منتقل ميكند. درصورتيكه سيستم (Indirect) باشد، سيال گرم در مخزن ذخيره مي شود (متشكل از منبع ذخيره دو جداره ) سيال گرم ( محلول آب و ضد يخ ) وارد جداره خارجي شده و آب مصرفي را گرم مي كند.
براي افزايش كارآيي آبگرمكن ها، صفحات جاذب را درون فريمي قرار مي دهند و بخش زيرين آن را با عايق مناسب مي پوشانند تا تلفات حرارتي آن كاهش يابد. همچنين براي پيشگيري از تلفات حرارتي در سطح فوقاني صفحات جاذب، سطح رويه فريم را معمولا با يك يا دو لايه شيشه ( يا مواد شفاف مشابه) مي پوشانند خواص تابشي صفحات جاذب در عملكرد آبگرمكن خورشيدي اثر زيادي دارد براي كاركرد بهتر لازم است صفحات جاذب داراي ضريب جذب بالايي بوده و بر عكس براي اينكه تلفات حرارتي آن كم باشد بايد ضريب صدور پائيني داشته باشد به صفحاتي كه داراي اين ويژگي باشند صفحات منتخب (Selective Surface) مي گويند.
تانك ( مخزن): جداره داخلي تانك از ورق گالوانيزه با ضخامت 3 ميليمتر و پوسته بيروني آن از ورق گالوانيزه به ضخامت 2-3 ميليمتر ساخته ميشود. همچنين روكش آن از ورق فولادي با ضخامت 8/0-9/0 ميليمتر همراه با پوشش رنگ الكترواستاتيك مي باشد. عايق بندي تانك معمولاًبا فوم تزريقي انجام شده و ظرفيت آن بسته به ميران مصرف (سفارش خريد) هر اندازه مي تواند باشد. همچنين اين مخزن مي تواند داراي يك سيستم كمكي ( المنت برقي 1200-2000 وات) جهت گرم كردن آب در روزهاي ابري مي باشد.
ب) ترموسيفون مستقيم (Direct) با سيستم لوله حرارتي استفاده از اين سيستم در جاهايي كه دماي زير صفر دارد توصيه نمي شود چرا كه سيال گردش داخل كلكتور همان آب مصرفي است و ممكن است در اثر پائين آمدن دما در فصول سرد اين آب يخ بزند و سبب تركيدگي لوله هاي كلكتور گردد. مخزن سيستم تحت فشار آب شهري نيست و به همين دليل فشار آب گرم خروجي تابع ارتفاع تانك مي باشد.
آبگرمكنهاي خانگي پمپي:
اين سيستم از يك مخزن ، دو كلكتور و يك پمپ تشكيل يافته است توضيح مربوط به كلكتورهاي مخزن اين سيستم دقيقا مشابه توضيحات ذكر شده سيستم ترموسيفوني مي باشد با اين تفاوت كه مخزن اين سيستم در هر جايي از ساختمان مي تواند قرار بگيرد دراينصورت آنرا جدا از كلكتور و در نزديكترين مكان به محل مصرف قرار مي دهند از اين نوع سيستم به عنوان سيستم كمكي يا پيش گرمكن نيز مي توان بهره گرفت افزودن اين پمپ سيركولاسيون به مدار سبب افزايش راندمان و توان خروجي محصول مي گردد.
آبگرمكن هاي خورشيدي عمومي( سيستم گردش اجباري):
اين دسته از آبگرمكنهاي خورشيدي لزوما به صورت غير مستقيم(In Direct) و با مخزن كويل دار مي باشد و استفاده از پمپ جهت گردش محلول آب و ضد يخ الزامي مي باشد در اين سيستم از تعداد زيادي كلكتور ( تعداد آن بستگي به ميزان مصرف يا تعداد نفرات استفاده كننده از آن دارد) به صورت سري و موازي استفاده ميگردد كه نماي شماتيك آن نمايش داده شده است اين سيستم براي گرمايش آب مصرفي مورد نياز در حمامها، استخرها و صنايع گوناكون بكار مي رود.
اجزاي تشكيل دهنده آبگرمكن هاي خورشيدي عمومي عبارتند از :
1- كلكتور در تعداد مشخص بر اساس ميزان مصرف آبگرم روزانه 2- مخازن كويل دار جهت ذخيره آبگرم در حجم زياد 3- پمپ هاي سيركولاسيون: جهت گردش سيال داخل كلكتورها و تبادل حرارتي با تانك 4- منبع هاي انبساط : جهت تعادل سيال 5- تاسيسات مربوطه : جهت تبادل و انتقال حرارت
