السخانات الشمسية الحرارية

اليوم رح نكفي حكينا عن الطاقة الشمسية وبالتحديد عن سخانات المي اللي بيشتغلو عالطاقة الشمسية اللي منشوفون عالسطوح..
كما ذكرنا في الأسبوع الماضي تعرف الأجهزة التي تقوم بتحويل الطاقة الشمسية الى حرارة باللواقط الشمسية. بينما نطلق اسم السخان الشمسي على كافة مكونات نظام التسخين بالطاقة الشمسية ككل كالخزان واللواقط والأنابيب الواصلة بينهما بالاضافة الى أية مضخات أو مبادلات حرارة.
تختلف اللواقط الشمسية بحسب شكلها، استطاعتها، وكفاءة تحويلها للطاقة الشمسية الى طاقة حرارية كما تختلف درجة الحرارة العظمى التي من الممكن أن يصل اليها السائل ضمنها أيضاً بحسب التصميم والعزل الحراري وتدفق السائل بداخل هذه اللواقط. 
أكثر اللواقط المستخدمة انتشاراً هي اللواقط المسطحة (Flat Plate Collectors) ولواقط الأنابيب المفرغة (Vacuum Tubes Collectors): 
• اللواقط المسطحة: وتكون عبارة عن صفيحتين من المعدن يمر بينهما السائل المراد تسخينه ضمن شبكة من الفراغات تشكل ما يشبه الأنابيب لزيادة سطح التماس بين الصفيحة الخارجية التي تسخن بأشعة الشمس والسائل. من الممكن أيضا أن تكون هذه اللواقط بشكل صفيحة واحدة يلحم على سطحها الخارجي شبكة طويل من الأنابيب أيضاُ بهدف زيادة سطح التماس. غالباً ما توضع سطوح الامتصاص هذه (Absorber) ضمن هيكل بلاستيكي أو معدني معزول بالصوف الزجاجي أو البولي يوريثان ومحكم الاغلاق من الأعلى بطبقة أو أكثر من الزجاج بهدف الاحتفاظ بالحرارة في الداخل وتقليل ضياعاتها. 
• لواقط الأنابيب المفرغة: وفيها يوجد سطح الامتصاص ضمن أنبوب زجاجي ويكون أيضاً على شكل صفيحة معدنية على تماس مع أنبوب يحتوي السائل المراد تسخينه. يتم إفراغ الأنبوب الزجاجي من الهواء بهدف تقليل الضياعات الحرارية داخل اللاقط الشمسي.
تطلى اللواقط الشمسية (المسطحة والأنبوبية) بطلاء أسود خاص (Selective Coating) . فكما نعرف إن اللون الأسود يمتص أشعة الشمس بشكل كبير وبالتالي ترتفع درجة حرارته أكثر من باقي الألوان الن أنه يتمتع بمعامل اصدار عالي يجعله يشع هذه الحرارة مرة أخرى الى الوسط بشكل أشعة تحت حمراء. يقوم هذا الطلاء الانتقائي بتقليل ضياعات الاشعاعات هذه وبالتالي تحسين مردود اللواقط الشمسية. 
بعد أن يحدد مصمم النظام عدد اللواقط الشمسية واستطاعاتها يتم تجميع هذه اللواقط في أنظمة تسخين شمسية (سخانات). تختلف هذه الأنظمة عن بعضها بشكل رئيسي بآلية تحريك السائل ضمن النظام. وبشكل عام تقسم هذه الأنظمة الى قسمين:
• السخانات الثيرموسيفونية ( Thermosiphonic Systems) وتعتمد على مبدأ أن السائل عندما يتم تسخينه تنخفض كثافته ويصعد للأعلى بينما السائل الأكثر برودة يمتلك كثافة أكبر ويهبط للأسفل. وبالتالي بالتصميم الذكي للنظام تنتفي الحاجة لوضع مضخات لتحريك السائل. أغلب السخانات المنزلية الموجودة في بلادنا هي من هذا النوع وهي أكثر من كافية للاجتياجات المنزلية. تتكون على الأغلب من خزان معزول يوضع بشكل أفقي أعلى من اللواقط الشمسية ويوصل معها من الأسفل وهكذا يهبط الماء البارد المتجمع في أسفل الخزان الى اللواقط ليسخن ومن ثم يعود الى الخزان في أعلاه. يمكن لهذه الأنظمة أن تستخدم لواقط شمسية مسطحة أو لواقط الأنابيب المفرغة.
• سخانات المضخات (Forced Circulation Systems): وتوجد مضخات في هذه الأنظمة تؤمن تدفق السائل من والى الخزان وغالياً ما تحتوي أيضاً على مبادلات حرارية. من البديهي أن هذه الأنظمة تمتلك كفاءة أعلى وذلك لأن السرعة الأعلى لتدفق السائل التي تؤمنها المضخات تضمن تبادلاً حرارياً أعلى بين سطح الامتصاص والسائل. ولكن هذه الأنظمة غالباً ما تكون معقدة وتحتاج متطلبات صيانة أعلى من السخانات الثيرموسيفونية، كل هذه بالاضافة الى سعرها الغالي يحول دون استخدامها للتطبيقات المنزلية.
في الأسبوع المقبل سوف نتحدث عن تصميم أنظمة الطاقة الشمسية بشكل مبسط بالاضافة الى لمحة عن بعض البرامج التي تساعد المصممين على القيام بمحاكاة لعمل هذه الأنظمة وبالتالي التنبؤ بفاعليتها.