أنواع سخانات المياه بالطاقة الشمسية
سخان المياه بالطاقة الشمسية هو جهاز يستخدم طاقة الشمس لتسخين الماء أو الهواء. يُعرف بأسماء مختلفة مثل سخانات المياه الشمسية أو مولدات الهواء الدافئة الشمسية أو غلايات المياه الشمسية. يمكن أن تتخذ سخانات المياه الشمسية تصاميم وبُنى مختلفة حسب الغرض الذي تُصمم لأجله. بشكل عام، تأتي في الأنواع التالية وفقًا لسوائلها:
-
سخانات المياه الشمسية القائمة على السوائل
تُدير سخانات المياه الشمسية القائمة على السوائل سائلًا، وغالبًا ما يكون الماء، عبر المجاميع. يمتص هذا السائل حرارة الشمس ثم يُنقل إلى المنطقة التي تُسخن، عادةً خزان تخزين. تستخدم هذه السخانات الشمسية أحد نوعين من المجاميع. فهناك مجاميع اللوح المسطحة، وهي ببساطة ألواح توضع على سطح المبنى وتمتص حرارة الشمس. وهناك نوع آخر من المجاميع هو مجاميع الأنابيب المُفرغة، التي تتكون من أنابيب زجاجية تحصر وتحتفظ بحرارة الشمس بكفاءة أكبر من اللوح المسطح. يمكن أن يكون السائل في هذه المجاميع أيضًا سائلًا مضادًا للتجمد أو أي سائل غير سام بدلاً من الماء.
-
سخانات المياه الشمسية القائمة على الهواء
في سخانات المياه الشمسية القائمة على الهواء، يكون الهواء هو وسيط التسخين. يُسخن هذا الهواء بواسطة الشمس ثم يُوجه إلى المكان الذي يُحتاج إليه. تُعد سخانات الهواء الشمسية طريقة فعالة للغاية لتدفئة المباني. تكمن كفاءتها في حقيقة أن مجاميع تسخين الهواء الشمسية أبسط بكثير من الأنظمة القائمة على السوائل. لا توجد أنابيب أو خزانات تخزين. كما أنها أسهل بكثير في التركيب والصيانة. تتكون المجاميع من لوح مُمتص مغطى بزجاج شفاف أو بلاستيك. يحبس هذا الزجاج الحرارة التي سخن بها الشمس لوح المُمتص. وتسمح المساحات المفتوحة بين الزجاج ولوح المُمتص بدخول الهواء البارد وتسخينه بواسطة اللوح. يمكن بعد ذلك توجيه هذا الهواء الدافئ إلى المكان الذي يُحتاج إليه.
تُشمل أنواع أخرى من سخانات المياه الشمسية سخانات حمامات السباحة الشمسية، التي تُبقي حمامات السباحة عند درجة حرارة مريحة، والسخانات الشمسية الصناعية، التي تُستخدم في الإعدادات الصناعية لتوفير الماء الساخن أو الحرارة لعمليات مختلفة، وأنظمة الطاقة الشمسية المدمجة، التي تُوفر التدفئة الفراغية وتسخين المياه الشمسية المنزلية.
وظائف ومميزات سخانات المياه بالطاقة الشمسية
يعمل سخان المياه بالطاقة الشمسية أولاً عن طريق تدوير السوائل داخل أنابيب المجمّع الشمسي. ثم يتم تسخين السائل بواسطة الشمس. بعد ذلك، تُنقل المضخة السائل المُسخن إلى خزان التخزين لاستخدامه لاحقًا. يعتمد النظام بشكل كبير على العزل الجيد لتقليل فقدان الحرارة.
تتمتع سخانات المياه بالطاقة الشمسية بميزات مهمة تُحسّن من الكفاءة وسهولة الاستخدام ومتانة النظام. فيما يلي بعض الميزات الرئيسية لسخانات المياه الشمسية:
- حفظ الحرارة: يُعد حفظ الحرارة أو الاحتفاظ بها ضروريًا لمنع الماء المُخزّن من فقدان الحرارة خلال موسم البرد. عادةً ما تحتوي سخانات المياه الشمسية على خزانات تخزين مُعزّلة جيدًا بمواد مثل رغوة البولي يوريثين. يُحافظ هذا العزل الممتاز على درجة حرارة الماء ثابتة لفترات طويلة، حتى بدون أشعة الشمس.
- حماية من الصقيع: في المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة جدًا، تحتاج سخانات المياه الشمسية إلى حماية من التجمد. عادةً ما تحتوي سخانات المياه الشمسية على سوائل خاصة مضادة للتجمد تُوزع الحرارة حول النظام لمنع الأنابيب من التجمد والانكسار عندما يكون الجو باردًا جدًا.
- المواد المتينة: تتطلب سخانات المياه الشمسية موادًا يمكنها تحمل الظروف البيئية القاسية. تُصنع معظم سخانات المياه الشمسية من أنابيب وخزانات ومكونات أخرى مصنوعة من مواد مقاومة للتآكل مثل النحاس أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو الألومنيوم المُغطى بشكل خاص. تُحمل هذه المواد التعرض للماء وأشعة الأشعة فوق البنفسجية وحتى الظروف الجوية القاسية لعقود من الزمن دون التدهور. يمكن أيضًا استخدامها في التطبيقات الصناعية التي تتضمن ملامسة المواد الكيميائية أو المحاليل الكاوية.
- تحكمات درجة حرارة الماء: تحتوي جميع سخانات المياه الشمسية تقريبًا على ثرموستات تُساعد في مراقبة درجة حرارة الماء المُخزّن والتحكم بها. تُظهر هذه الثرموستات على شاشات رقمية درجة حرارة الماء الدقيقة. يمكن للمستخدمين ضبطها على الإعدادات المطلوبة للحصول على أقصى قدر من الراحة.
- التنظيف التلقائي: يُعد التنظيف التلقائي ميزة حيوية لمنع تراكم القشور والمواد المعدنية، خاصةً في المناطق التي تحتوي على ماء صلب. تحتوي سخانات المياه الشمسية على خزانات تنظيف ذاتي ذات وظائف خاصة، مثل الشطف الدوري أو اضطراب الخزان، التي تُزيل جميع الاهتزازات والقشور.
تطبيقات سخانات المياه بالطاقة الشمسية
تُستخدم سخانات المياه الشمسية في العديد من التطبيقات. تُساعد في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وتوفير المال على المدى الطويل. تشمل تطبيقاتها؛
- تسخين الماء: يمكن استخدام الطاقة الشمسية لتسخين الماء للاستخدام في المنازل والمدارس والمستشفيات والمكاتب. تُجمع الألواح المثبتة على السطح طاقة الشمس وتُسخن إمدادات المياه. في الأماكن التي تُعاني من محدودية الكهرباء أو ارتفاع تكاليفها، يُعد تسخين المياه الشمسية خيارًا مناسبًا. يُخزّن الماء المُسخن بواسطة الطاقة الشمسية في خزان مُعزّل حتى يُصبح ضروريًا. يُوفر هذا النظام بديلاً للغلايات الكهربائية أو البخارية باهظة الثمن. كما أنه يُساعد في توفير الكهرباء عن طريق تسخين المياه المُستخدمة لغسل الأطباق والملابس مسبقًا.
- المساعدة في تسخين حمامات السباحة: يُعد تسخين حمامات السباحة بالطاقة الشمسية استخدامًا مهمًا آخر لسخانات المياه الشمسية. يمكن للمجاميع الشمسية المثبتة على السطح تسخين ماء حمامات السباحة، مما يُطيل من موسم السباحة. تُنقل مضخة ماء حمامات السباحة عبر الألواح المثبتة على السطح أثناء الطقس المشمس، مما يسمح للشمس برفع درجة حرارتها. وبما أنه لا تُوجد حاجة إلى طاقة إضافية، تُعد هذه طريقة منخفضة التكلفة للحفاظ على راحة حمامات السباحة. تُشجع المياه الدافئة على السباحة وممارسة التمارين الرياضية بينما يُقلل تسخين المياه بالطاقة الشمسية من استخدام الكهرباء.
- التدفئة الفراغية: تُستخدم بعض الأنظمة لتسخين المياه المُسخّنة بالطاقة الشمسية للمساعدة في تدفئة المباني خلال الأشهر الأكثر برودة. تُجمع الألواح المثبتة على السطح أشعة الشمس لتسخين خزان المياه. ثم يتم ضخ هذا الماء الدافئ عبر مشعات خاصة تُوضع حول الغرف. يُوفر مصدرًا طبيعيًا للحرارة عند سطوع الشمس، مما يجعله أكثر راحة. عند دمجها مع نظام التدفئة الحالي للمبنى، تُساعد في توفير تكاليف الوقود عن طريق استخدام الطاقة الشمسية المجانية عند توفرها. يُعد التسخين بالطاقة الشمسية مفيدًا بشكل خاص في الأماكن ذات الشتاء البارد حيث يتم تخزين المزيد من ضوء الشمس خلال أشهر الصيف الأكثر دفئًا.
- تسخين الماء الصناعي: يمكن للمصانع أيضًا الاستفادة من تسخين الماء بالطاقة الشمسية. غالبًا ما تحتاج العمليات الصناعية إلى كميات كبيرة من الماء الساخن للتنظيف أو معالجة الطعام أو تصنيع المنسوجات. تُوفر سخانات المياه الشمسية خيارًا صديقًا للبيئة. يمكن للمجاميع المثبتة على السطح إنتاج ماء بدرجة حرارة عالية، والذي يُستخدم في العديد من الأغراض الصناعية. يُقلل توصيل الألواح الشمسية بخزانات المياه في المصنع من الاعتماد على الكهرباء والوقود الأحفوري. وهذا يُقلل من التكاليف بينما يُساعد الشركات على التحول إلى الطاقة الخضراء عن طريق تقليل انبعاثات الكربون من عملياتها.
كيفية اختيار سخانات المياه بالطاقة الشمسية
يتطلب اختيار سخان المياه بالطاقة الشمسية مراعاة عوامل مختلفة بعناية لضمان تناسبها مع الاحتياجات. فيما يلي بعض النصائح للمساعدة في إجراء عملية شراء مُستنيرة.
- احتياجات الطاقة: قبل شراء أي سخان مياه بالطاقة الشمسية، من الضروري تقييم وتحديد كمية الطاقة المُطلوبة. يجب حساب إجمالي استهلاك الطاقة اليومي في المنزل وتقدير مقدار ما يمكن للنظام الشمسي تعويضه لاختيار الحجم والنوع المناسبين.
- المناخ: يُؤثر الطقس المحلي بشكل كبير على كفاءة النظام. إذا كان الجو حارًا جدًا، فقد يُفضل اختيار نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية والعكس صحيح في المناطق الباردة. تأكد من أن الوحدة يمكنها التعامل مع درجات الحرارة القصوى دون تلف أو فقدان الفعالية إذا كانت موجودة في ظروف مناخية قاسية.
- الميزانية: تُعد الميزانية دائمًا عاملاً ويجب مراعاتها قبل إجراء أي عملية شراء لسخان مياه بالطاقة الشمسية. احسب مقدار المال المُوفر في فواتير الكهرباء بعد تركيب هذه الأنظمة بالإضافة إلى تكاليف الصيانة مع مرور الوقت. سيساعد ذلك في تحديد ما إذا كان الاستثمار الآن منطقيًا من الناحية المالية في وقت لاحق. تذكر أنه بينما قد تكون بعض الأشياء رخيصة الثمن للوهلة الأولى، فقد تُصبح باهظة الثمن بسبب الإصلاحات والاستبدالات المستمرة، لذا فكر في الخيارات بعناية قبل اتخاذ أي قرار إضافي.
- النوع: يُشمل النوعان الشائعان المتوفران اليوم: المجاميع الشمسية الحرارية والمُجمعات الكهروضوئية (PV): تعمل كلتا الطريقتين بشكل مختلف، لكنهما تُحققان نفس الغرض - تسخين الماء للاستخدام داخل المنازل أو حمامات السباحة. اعتمادًا على مكان السكن، قد تُطبق لوائح مختلفة فيما يتعلق بإجراءات التركيب، مثل التصاريح المُطلوبة من السلطات المحلية، قبل إعداد أي جهاز من هذا القبيل في الهواء الطلق. لذلك، يجب معرفة كل نوع من أنواعها، جنبًا إلى جنب مع القوانين المعمول بها، بشكل جيد مسبقًا.
- الحجم والسعة: يجب على المشتري اختيار سخان مياه شمسي يُناسب تفضيلاته. حدد مقدار الماء الساخن المُطلوب يوميًا بناءً على حجم الأسرة وأنماط الاستهلاك، ثم اختر نظامًا مُناسبًا للحجم وفقًا لذلك.
- التكلفة: يجب على المشترين مراعاة تكلفة سخان المياه الشمسي الأولية والتكاليف الإضافية مع مرور الوقت، حيث تتراكم النفقات الضرورية، مثل رسوم الصيانة، وفواتير الكهرباء من أنظمة النسخ الاحتياطي، إلخ، عند حساب إجمالي تكلفة امتلاك مثل هذا الجهاز. انظر إلى الميزات التي تُقدمها طرز مختلفة أيضًا، قبل التوصل إلى أي استنتاج.
أسئلة وأجوبة شائعة حول سخانات المياه بالطاقة الشمسية
س 1: ما هي الزاوية المثالية لسخانات المياه الشمسية؟
ج 1: تعتمد زاوية سخان المياه الشمسي على خط العرض المحلي. بالنسبة للأماكن ذات الأسطح المسطحة، يتم إمالة السخانات بزاوية من 5° إلى 15°. بالنسبة للأسطح شديدة الانحدار، يجب أن تكون الزاوية أقل من انحدار السطح. يمكن تعديل الزاوية وفقًا للمواسم. في فصل الشتاء، قم بإمالة الألواح بزاوية أكثر انحدارًا لالتقاط المزيد من ضوء الشمس. في فصل الصيف، ستكون زاوية أكثر انخفاضًا كافية. سيؤدي ذلك إلى تعظيم تعرض اللوح الشمسي للشمس على مدار العام.
س 2: ما هي مدة عمر سخانات المياه الشمسية؟
ج 2: مع الصيانة السليمة، يمكن أن تدوم سخانات المياه الشمسية لأكثر من 30 عامًا. تحتوي الأنظمة على عنصر نقل حرارة واحد. لذلك، عندما يبدأ المجمّع في التدهور بعد ثلاثة عقود، لا يزال بإمكان المستخدم استخدام سخان المياه العامل لمدة 20 عامًا أخرى. يُعد البناء المتين لسخان المياه الشمسي والصيانة البسيطة المُطلوبة بشكل روتيني استثمارًا طويل الأجل.
س 3: ما هي الصيانة المُطلوبة لسخانات المياه الشمسية؟
ج 3: تتطلب سخانات المياه الشمسية صيانة دورية لضمان عملها بشكل صحيح. قم بفحص واستبدال قضيب الأنود في خزان التخزين كل ثلاث سنوات. يمنع هذا القضيب تآكل الخزان بحيث يمكن للمستخدمين الاستمتاع بالماء الساخن لفترة أطول. أيضًا، قم بشطف الخزان سنويًا لإزالة تراكم الرواسب. يمكن أن تسد هذه الرواسب الأنابيب وتُقلل من كفاءة السخان. إذا كنت تستخدم نظام دوران مباشر، فافحص الألواح الزجاجية بحثًا عن الشقوق والتسريبات. تُسمح هذه الشقوق بدخول الهواء البارد وتُزيد من تكاليف الطاقة.
س 4: كم عدد المجاميع الشمسية المُطلوبة؟
ج 4: يستخدم المنزل من 20 إلى 40 جالون من الماء يوميًا لكل فرد من أفراد الأسرة. لذلك، قم بتقدير متطلبات الماء الساخن اليومية وقم بقياس إنتاج كل مجمّع يوميًا. بعد ذلك، قسّم إجمالي الطلب اليومي على الماء الساخن على الكمية التي يمكن أن يوفرها مجمّع واحد. سيضمن ذلك تسخين كل جالون مُطلوب يوميًا.
