جدول المحتويات
بحث الإنسان منذ القدم عن حلول وبدائل طبيعية للطاقة لاستغلالها في استعمالاته اليومية، وتعتبر الطاقة الشمسية من أهم هذه البدائل التي استطاع الإنسان تسخيرها واستخدامها في العديد من مجالات حياته اليومية، والسخانات الشمسية نموذج ناجح على استعمال الطاقة البديلة في تسخين المياه، حيث أثبتت هذه السخانات كفاءتها على مر السنين في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية لتسخين المياه ومعالجتها، وقد انتشرت هذه الأنظمة بشكل كبير في جميع أنحاء العالم لما تتمتع به من ميزات مقابل عيوب بسيطة لا تكاد تذكر، وتنتشر هذه السخانات بأنظمة مختلفة جاءت لتناسب جميع الأفراد والمنشآت الموجودة في مناطق مختلفة في العالم.
يتحدث هذا المقال عن السخانات الشمسية، ويشمل ما يلي:
- نبذة عن السخان الشمسي، وتاريخه.
- الطرق المتبعة في تصميم السخان الشمسي، وأهم المميزات التي يتمتع بها.
- أهم المواصفات التي يتمتع بها السخان الشمسي.
- عيوب السخان الشمسي.
- أهم الأعطال التي تصيب السخان الشمسي.
نبذة عن السخانات الشمسية
يمكن تعريف السخانات الشمسية على أنها طريقة لتحويل المياه من مياه باردة إلى مياه ساخنة بواسطة الطاقة الشمسية و ضوء الشمس، وتتكون السخانات الشمسية من نظام متكامل؛ حيث يتم تجميع أشعة الشمس في المنطقة المخصصة لذلك والمعروفة في السخانات الشمسية باسم المجمع، ومن ثم يقوم المجمع بدوره في تسخين مائع التشغيل الذي يمر بنظام تسخين المياه، والذي يعمل أيضاً على تخزين المياه الساخنة لاستخدامها في وقت لاحق.
تعتبر السخانات الشمسية من الأنظمة التي تحافظ على البيئة، وتستغل الموارد الطبيعية في الكون لتوليد وصنع الطاقة الحرارية، ويفضل العديد من الأشخاص حول العالم نظام السخانات الشمسية لأن تشغيلها لا يحتاج إلى وقت، أو جهد، أوي أي تكلفة مادية، على عكس الأنظمة الأخرى المُتبعة في تسخين المياه مثل الكهرباء.
تاريخ السخان الشمسي
يعود تاريخ صنع السخانات الشمسية إلى فرانك شومان الذي كان يسكن في مصر، وقام فرانك شومان ببناء أول محطة للطاقة الشمسية حول العالم في منطقة المعادي في مصر والتي تم استعمالها في ذلك الوقت لضخ المياه من نهر النيل إلى حقول القطن القريبة، وقد استطاعت هذه المحطة ضخ 6000 جالون من المياه في الدقيقة الواحدة، والجدير بالذكر أن طريقة تجميع وتسخين المياه ظهرت لأول مرة في الولايات المتحدة عام 1900، حيث كان يقوم البعض بوضع خزانات مدهونة باللون الأسود على سطوح المنازل لغرض تسخين المياه بواسطة الشمس واستعمالها في وقت لاحق.
توالت بعد ذلك المحاولات، حيث تعتبر إسرائيل من الدول الرائدة في مجال الأنظمة الشمسية حيث بنى ليفي يسار في عام 1953 أول مُسخن شمسي في إسرائيل، لتقوم بعد ذلك شركة نيريا ببناء أول مصنع إسرائيلي لتسخين المياه باستعمال الطاقة الشمسية، والجدير بالذكر بأن أكثر من 85% من نسبة السكان في إسرائيل يستعملون نظام الطاقة الشمسية في بيوتهم والذي جعل إسرائيل توفر أكثر من مليوني برميل من النفط كل عام، وانتشر هذا النظام بعد ذلك في اليابان والصين، حيث يستعمل أكثر من 30 مليون بيت في الصين نظام السخانات الشمسية لتسخين المياه في منازلهم، وتعتبر كولومبيا من أهم الدول التي حققت نجاح باهر في تصنيع وتطوير أنظمة السخانات الشمسية بعدما قامت بدراسة أنظمة السخانات الشمسية التي قامت إسرائيل بتصنيعها وتطوير هذه الأنظمة إلى العديد من البرامج التي تُناسب طبيعة كولومبيا، وقد قامت الشركة المُطورة لهذا المشروع والمعروفة بأسم لاس جافيوتا بعد نجاح مشروعها في تطوير أنظمة الطاقة الشمسية بتقديم ضمان على هذا النظام للأشخاص الراغبين باستخدامه، وتصل مدة الضمان إلى 25 عام.
تصميم السخان الشمسي
على الرغم من اختلاف أنواع السخانات الشمسية إلا أنها جميعها تشترك بنفس التصميم، حيث يتم تصميمها من مجموعة من الألواح الإطارية التي يتم توزيعها داخل أنابيب نحاسية لها لون أسود مغطاة بالزجاج لتخزين الحرارة من أشعة الشمس، وتعمل معظم أنظمة السخانات الشمسية بدائرة مفتوحة متعددة تعمل على مبدأ التعب الحراري، ويحتوي السخان الشمسي على مجموعة من اللواقط الشمسية الماصة المصنوعة من مادة الفولاذ المجلفن، أو النحاس، وتقوم هذه اللواقط بمهمة تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية لتسخين المياه، وتتكون السخانات الشمسية من مجموعة من المكونات وهي:
- سطح امتصاص الأشعة الشمسية.
- قنوات سريان.
- وسيط التسخين.
- عوازل حرارية لمنع تسرب الحرارة المكتسبة من أشعة الشمس في وسيط التخزين إلى الوسط المحيط.
يتم تصميم النظام الشمسي المنزلي بعد القيام بمجموعة من الخطوات الهامة التي تتمثل فيما يلي:
- حساب كمية الاستهلاك اليومي للأجهزة المنزلية المُستخدمة.
- إختيار نوع الانفرتر المُناسب.
- حساب وتحجيم عدد الألواح الشمسية المُستخدمة.
- إختيار عدد البطاريات اللازمة للنظام الشمسي.
- اختيار منظم الشحن.
ميزات السخان الشمسي
- من الأنظمة الصديقة للبيئة، فهو نظام يعتمد على الموارد الطبيعية في البيئة كما يمنع تلوثها؛ حيث أن هذه السخانات لا تُسبب أي انبعاث للضوضاء على عكس الأنظمة الأخرى المُستخدمة.
- من الأنظمة التي لا يمكن نفاذها، فهي تعتمد بشكل كامل على أحد أهم الموارد الطبيعية وهي الشمس.
- يمكن استخدام هذه السخانات في المنازل، والمصانع، والشركات، حيث إنّ نظامها يعتمد على تركيب الألواح على أسطح المنشآت المختلفة.
- لا تتطلب مساحات كبيرة أو واسعة للاستفادة منها، فهي مناسبة للمشاريع المنزلية الصغيرة على عكس طاقة الرياح التي تحتاج إلى مساحات واسعة لتطبيقها.
- يمكن تطبيقها في أي مكان في العالم مثل الأماكن النائية التي لا يمكن فيها استغلال وتشغيل الطاقة الكهربائية.
- لا تحتاج إلى صيانة دورية، على عكس الأنظمة الأخرى.
- تُقلل من أسعار الكهرباء التي يتم استهلاكها لغايات تسخين المياه.
- تعمل على الحفاظ على جودة المياه.
مواصفات السخان الشمسي
تختلف مواصفات السخان الشمسي من سخان إلى سخان آخر؛ ويعود ذلك لاختلاف أنواع الأنظمة المستعملة في هذه السخانات، وفيما يلي مواصفات أهم الأنظمة التي تعمل بها السخانات الشمسية:
أنظمة تعمل بالهواء
تتلخص مواصفات هذا النظام بتسخين الهواء الذي يتم تجميعه، وتحريك هذا الهواء إلى الماء من خلال مروحة، ويتم تسخين الماء من خلال المبادل الحراري، وتخزينه لغايات الاستخدام المنزلية، أو الخدمية، والجدير بالذكر بأنّ هذا النظام يحتاج إلى مضخات قوية وصيانة دورية خصوصاً بالمناطق المتجمدة.
أنظمة التداول المباشر
تعمل هذه الأنظمة على ضخ كميات المياه التي تم تسخينها في ساعات النهار أثناء سطوع الشمس، ومن ثم يعمل النظام في هذا النوع على حفظ المياه من التجمد من خلال إعادة تدوير المياه الساخنة إلى الخزان، ويتم عادةً استخدام هذا النظام من السخانات الشمسية في المناطق التي لا تنخفض فيها درجات الحرارة بشكل كبير، ولا تتعرض للتجمد إلا في حالات نادرة.
أنظمة تعمل على تسخين المياه بطريقة غير مباشرة
يعمل هذا النظام من خلال حلقة مغلقة، حيث يتم تدوير السوائل المحمية من التجمد من خلال هذه الحلقة، ويعمل المبادل الحراري في هذا النظام بكفاءة تصل إلى 90 بالمئة، ويتم استخدام هذا النوع من السخانات الشمسية عادةً في المناطق التي تنخفض فيها درجات الحرارة بشكل كبير وتتعرض إلى التجمد.
أنظمة التصريف لأسفل
يتم عادةً استعمال هذا النوع من السخانات الشمسية في المناطق التي تغيب عنها الشمس لفترات، ويعتمد هذا النظام على معالجة وتسخين المياه بشكل غير مباشر من خلال حلقة مغلقة يتم من خلالها نقل الحرارة إلى المياه عن طريق المبادل الحراري، وعندما تغيب أشعة الشمس لفترات طويلة، يتم تجفيف مائع المجمع بواسطة الجاذبية.
عيوب السخانات الشمسية
على الرغم من كفاءة السخانات الشمسية إلا أنها تعاني من بعض العيوب التي يمكن تلخيصها في النقاط التالية:
- تمتص كمية قليلة من أشعة الشمس مقارنة مع الكميات التي يتم هدرها وعدم امتصاصها على مدار اليوم.
- كفاءتها غير ثابتة، حيث أنها تتغير بتغير الفصول؛ حيث تزيد كفاءة عملها في فصل الصيف، وتقل بشكل كبير في فصل الشتاء مما يجعل البعض يلجأ إلى استخدام بعض الأنظمة الأخرى في فصل الشتاء مثل نظام تسخين المياه بواسطة الكهرباء.
- ارتفاع تكلفة تغيير وصيانة ألواح السخانات الشمسية عند تعرضها للتلف.
- ارتفاع أسعار بعض القطع المهمة في السخانات الشمسية مثل البطارية التي تعمل على تخزين الطاقة الشمسية.
أعطال السخانات الشمسية
عدم نزول مياه ساخنة
تعتبر مشكلة عدم نزول مياه ساخنة من السخان الشمسي من أهم الأعطال التي قد يتعرض لها، وهناك مجموعة من الأسباب المؤدية لذلك والتي يمكن تلخيصها فيما يلي:
- وجود كميات كبيرة من الغبار والأوساخ على أنابيب المجمعة في السخانات الشمسية.
- تسرب الهواء من الأنبوب المجمع.
- تلف الأنبوب الحراري.
- انخفاض درجات الحرارة بشكل كبير.
- خلل في تصريف وإمداد المياه بسبب عدم إحكام إغلاق صمام المياه.
تلف الألواح وعدم عملها بشكل صحيح
ينتج هذا العطل عادةً بسبب عدم تركيب الألواح بشكل صحيح، أو محاولة إزالة هذه الألواح من قبل شخص مبتدء.
تسريب الحرارة
يظهر هذا العطل عندما يتعرض صمام تخفيف درجة الحرارة والضغط في الألواح الشمسية إلى التلف، ويحدث نتيجة لذلك تريب في الماء والحرارة، كما قد تحدث مشكلة تسربات المياه في السخانات الشمسية نتيجة عدم إحكام تركيبات الأنابيب في السخانات.
عدم انتقال المياه بشكل صحيح في النظام
ينتج هذا العطل عادةً من انسداد المضخة الدورانية في النظام مما يؤدي إلى خلل في عملية نقل المياه.
