آبگرمکن خورشیدی و کاربرد آن

آب گرمایش خورشیدی ( SWH ) آب را با نور خورشید با استفاده از یک کلکتور حرارتی خورشیدی گرم می کند . انواع پیکربندی ها با هزینه های متفاوت برای ارائه راه حل ها در آب و هوا و عرض های جغرافیایی مختلف در دسترس هستند. SWH ها به طور گسترده برای کاربردهای مسکونی و برخی از کاربردهای صنعتی استفاده می شوند

نصب کلکتورهای آب خورشیدی در اسپانیا

یک کلکتور رو به خورشید، سیال کاری را گرم می کند که برای استفاده بعدی به یک سیستم ذخیره سازی می رود. SWH فعال (پمپ شده) و غیرفعال ( همرفت محور) هستند. آنها فقط از آب استفاده می کنند، یا از آب و سیال در حال کار استفاده می کنند. آنها به طور مستقیم یا از طریق آینه های متمرکز نور گرم می شوند. آنها به صورت مستقل یا هیبریدی با بخاری های برقی یا گازی کار می کنند. در تاسیسات در مقیاس بزرگ، آینه ها ممکن است نور خورشید را در یک جمع کننده کوچکتر متمرکز کنند.

از سال 2017، ظرفیت حرارتی آب گرم خورشیدی جهانی (SHW) 472 گیگاوات بوده و بازار تحت سلطه چین ، ایالات متحده و ترکیه است . باربادوس ، اتریش ، قبرس ، اسرائیل و یونان کشورهای پیشرو از نظر ظرفیت هر نفر هستند.

تاریخ

موتور خورشیدی فرانک شومان روی جلد مارس 1916 آزمایشگر الکتریکی اثر هوگو گرنزبک
سوابق کلکتورهای خورشیدی در ایالات متحده مربوط به قبل از سال 1900 است، [4] که شامل یک مخزن سیاه رنگ نصب شده بر روی سقف است. در سال 1896 کلارنس کمپ از بالتیمور یک مخزن را در یک جعبه چوبی محصور کرد، بنابراین اولین “آبگرمکن دسته ای” را که امروزه شناخته می شود، ایجاد کرد. فرانک شومان اولین نیروگاه حرارتی خورشیدی جهان را در معادی مصر ساخت و با استفاده از فرورفتگی های سهموی یک موتور 45 تا 52 کیلووات (60 تا 70 اسب بخار) را که 23000 لیتر (6000 گال آمریکا) آب در دقیقه از رودخانه نیل به سمت رودخانه پمپاژ می کرد . مزارع پنبه مجاور

در دهه 1920 از کلکتورهای صفحه تخت برای گرمایش آب خورشیدی در فلوریدا و کالیفرنیای جنوبی استفاده شد. پس از سال 1960، اما به ویژه پس از بحران نفتی 1973، علاقه در آمریکای شمالی افزایش یافت .

انرژی خورشیدی در استرالیا , کانادا , چین , آلمان , هند , اسرائیل , ژاپن , پرتغال , رومانی , اسپانیا , انگلستان و ایالات متحده استفاده می شود .

مدیترانه ای

اسرائیل، قبرس و یونان رهبران سرانه استفاده از سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی هستند که 30 تا 40 درصد خانه‌ها را پشتیبانی می‌کنند.

سیستم های خورشیدی صفحه تخت در اسرائیل تکمیل و در مقیاس وسیع مورد استفاده قرار گرفتند. در دهه 1950 کمبود سوخت باعث شد تا دولت گرم کردن آب را بین ساعت 10 شب تا 6 صبح ممنوع کند. Levi Yissar اولین نمونه اولیه آبگرمکن خورشیدی اسرائیلی را ساخت و در سال 1953 شرکت NerYah را راه اندازی کرد، اولین تولید کننده تجاری آب گرمایش خورشیدی در اسرائیل. آبگرمکن های خورشیدی تا سال 1967 توسط 20 درصد از جمعیت استفاده می شد. پس از بحران انرژی در دهه 1970، در سال 1980 اسرائیل نیاز به نصب آبگرمکن های خورشیدی در تمام خانه های جدید (به جز برج های مرتفع با مساحت سقف ناکافی) داشت. در نتیجه، اسرائیل رهبر جهان در استفاده از انرژی خورشیدی سرانه شدبا استفاده از 85 درصد از خانوارها از سیستم های حرارتی خورشیدی (3 درصد از مصرف انرژی اولیه ملی)، تخمین زده می شود که سالانه 2 میلیون بشکه (320000 مترمکعب) نفت در کشور صرفه جویی شود.

در سال 2005، اسپانیا اولین کشور جهان شد که نیاز به نصب برق فتوولتائیک در ساختمان‌های جدید داشت، و دومین کشور (پس از اسرائیل) که نیاز به نصب سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی در سال 2006 داشت .

تاسیسات جدید آب گرم خورشیدی در سال 2009، در سراسر جهان

پس از سال 1960، سیستم ها در ژاپن به بازار عرضه شدند .

استرالیا دارای انواع مقررات ملی و ایالتی برای حرارت خورشیدی است که با MRET در سال 1997 شروع می شود.

سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی در چین محبوب هستند، جایی که مدل‌های پایه از حدود 1500 یوان (235 دلار آمریکا) شروع می‌شوند که حدود 80 درصد کمتر از کشورهای غربی برای اندازه کلکتور معین است. حداقل 30 میلیون خانوار چینی یک خانواده دارند. این محبوبیت به دلیل لوله‌های تخلیه کارآمد است که به بخاری‌ها اجازه می‌دهند حتی در آسمان خاکستری و در دمای بسیار پایین‌تر از انجماد کار کنند.

الزامات طراحی

این بخش به نقل قول های اضافی برای تأیید نیاز دارد . ( ژانويه 2016 )
نوع، پیچیدگی و اندازه سیستم گرمایش آب خورشیدی عمدتاً با موارد زیر تعیین می شود:

• تغییرات دمای محیط و تابش خورشیدی بین تابستان و زمستان
• تغییرات دمای محیط در چرخه روز و شب
• امکان گرم شدن یا یخ زدن بیش از حد آب آشامیدنی یا سیال کلکتور

حداقل نیازهای سیستم معمولاً با مقدار یا دمای آب گرم مورد نیاز در طول زمستان تعیین می شود، زمانی که دمای خروجی و آب ورودی سیستم معمولاً در پایین ترین حد خود هستند. حداکثر خروجی سیستم با توجه به نیاز به جلوگیری از داغ شدن بیش از حد آب در سیستم تعیین می شود.

محافظت در برابر یخ زدگی

اقدامات حفاظتی در برابر یخ زدگی از آسیب دیدن سیستم به دلیل انبساط سیال انتقال انجماد جلوگیری می کند. سیستم های تخلیه پس از توقف پمپ، سیال انتقال را از سیستم تخلیه می کنند. بسیاری از سیستم های غیر مستقیم از ضد یخ (مثلاً پروپیلن گلیکول ) در سیال انتقال حرارت استفاده می کنند.

در برخی از سیستم های مستقیم، کلکتورها را می توان به صورت دستی در زمانی که انجماد انتظار می رود تخلیه کرد. این رویکرد در آب و هواهایی که دمای انجماد اغلب اتفاق نمی‌افتد، رایج است، اما می‌تواند نسبت به یک سیستم خودکار کمتر قابل اعتماد باشد زیرا به اپراتور متکی است.

نوع سوم حفاظت در برابر یخ زدگی، تحمل انجماد است، که در آن لوله های آب کم فشار ساخته شده از لاستیک سیلیکونی به سادگی در هنگام انجماد منبسط می شوند. یکی از این کلکسیونرها اکنون دارای اعتبارنامه European Solar Keymark است.

محافظت در برابر گرمای بیش از حد

هنگامی که برای یک یا دو روز از آب گرم استفاده نشده باشد، سیال موجود در کلکتورها و ذخیره سازی می تواند در تمام سیستم های غیر “زهکشی” به دمای بالایی برسد. هنگامی که مخزن ذخیره در یک سیستم “زهکشی” به دمای مطلوب خود می رسد، پمپ ها متوقف می شوند و فرآیند گرمایش پایان می یابد و در نتیجه از گرم شدن بیش از حد مخزن ذخیره جلوگیری می شود.

برخی از سیستم‌های فعال در مواقعی که نور خورشید کم است یا در شب، آب را در مخزن ذخیره می‌کنند و آب داغ را از طریق کلکتور به گردش در می‌آورند و گرما را از دست می‌دهند. این در لوله کشی مستقیم یا ذخیره حرارتی بسیار مؤثر است و در سیستم هایی که از کلکتورهای لوله تخلیه شده استفاده می کنند، به دلیل عایق کاری برتر، عملاً بی اثر است. هر نوع کلکتوری ممکن است همچنان بیش از حد گرم شود. سیستم های حرارتی خورشیدی با فشار بالا و مهر و موم شده در نهایت به عملکرد دریچه های کاهش دما و فشار متکی هستند . بخاری های کم فشار و با تهویه باز دارای کنترل های ایمنی ساده تر و قابل اطمینان تری هستند که معمولاً یک دریچه باز هستند.

برنامه های کاربردی

ETSCها می توانند در فصل زمستان مفیدتر از سایر کلکتورهای خورشیدی باشند. ETC ها را می توان برای مقاصد گرمایشی و سرمایشی در صنایعی مانند داروسازی و دارو، کاغذ، چرم و نساجی و همچنین برای منازل مسکونی، بیمارستان ها، خانه سالمندان، هتل ها، استخرها و غیره استفاده کرد.

یک ETC می تواند در طیف وسیعی از دماها از متوسط تا زیاد برای آب گرم خورشیدی، استخر شنا، تهویه مطبوع و اجاق خورشیدی کار کند.

محدوده دمای عملیاتی بالاتر ETCها (تا 200 درجه سانتیگراد (392 درجه فارنهایت)) آنها را برای کاربردهای صنعتی مانند تولید بخار، موتور حرارتی و خشک کردن خورشیدی مناسب می کند.