السخانات الشمسية هى أفضل و أسهل وسيلة لاستغلال الطاقة الشمسية الحرارية و الاستفادة منها مباشرة, و هى وسيلة مستخدمة لتسخين المياه منذ فترة طويلة, ربما منذ بداية هذا القرن و ذلك نظراً للحاجة لتوفير الماء الساخن فى المناطق التى لا يتوافر فيها مصادر الطاقة التقليدية أنذاك. و مع مرور الوقت زاد الاهتمام بتطوير السخانات الشمسية و كذلك استعمالها فى كل الاماكن حتى التى يتوافر فيها المصادر الاخرى للطاقة, نظراً لانها تعتبر من أفضل استخدامات الطاقة الشمسية فى الوقت الحاضر, و ذلك لانها بسيطة و غير مكلفة و ذات جدوى اقتصادية عالية حيث أن كفاءة استعمالها أعلى من الطاقة الشمسية الفولتضوئية, مما جعل استعمالها ليس مجرد استعمال الطاقة الشمسية بغرض الحفاظ على البيئة و لكن أيضاً لتحقيق عائد اقتصادى جيد.

هذا و تتعدد استخدامات و تطبيقات السخانات الشمسية, و لكن الاستخدام الاشهر و الاكثر لها هو الحصول على الماء الساخن للاستعمالات المنزلية، و لكن لها أيضاً استخدامات أخرى كثيرة و متنوعه و منتشرة فى جميع القطاعات, فعلى سبيل المثال يتم استخدامها فى الصناعة كوسيلة تسخين ابتدائية!!

إذ أصبحت وسيلة منتشرة فى الصناعات التى تحتاج الى البخار الساخن, حيث يجب أن يكون هناك غلاية ترفع درجة حرارة الماء الى درجة التبخير “أعلى من 100 درجة مئوية”، فبدلاً من دخول الماء البارد الى الغلاية مباشرة, يمكننا باستخدام السخانات الشمسية التقليدية أن نرفع درجة حرارة الماء حتى 70 أو 80 درجة مئوية, مما يساهم فى تقليل الوقود التقليدى الذى تستخدمه الغلاية للحصول على البخار.

و كذلك يمكن استخدام السخانات الشمسية فى المستشفيات أو الفنادق و القرى السياحية,  بجانب احتياجاتها للمياه الساخنة للنزلاء، اذ يتطلب هذا التطبيق أيضاً وجود ماء ساخن للتطهير و التعقيم  وكذلك غسيل الملابس أو  أغطية الأسره.

 

 

أنواع السخانات الشمسية:

       جميع السخانات الشمسية تشترك فيما بينها فى وجود خزان حرارى (تنك معزول) و كذلك حامل تثبيت, و لكن هناك اختلافات كبيرة فى الطريقة التى يتم بها تسخين الماء.  حيث أن هناك أنواع و تصنيفات كثيرة للسخانات الشمسية, طبقاً للتصميم أو طريقة سريان الماء داخل السخان, أو حتى هناك فروق داخل النوع الواحد طبقاً لطريقة التصنيع و الخامات المستخدمة. و يجب علينا قبل اختيار أو شراء سخان شمسى أن نفهم تلك الفروق و التصنيفات جيداً حتى يكون أختيارنا بناء على معلومات دقيقة.

أولاً هناك تصنيف طبقاً للضغط الذى يتحمله السخان: ” أما سخان ذو دورة مضغوطة أو سخان غير مضغوط”  و هذا له علاقة بالمواد المستخدمة فى صناعة السخان الشمسى، فالسخانات ذات الدائرة المضغوطة تتحمل ضغط أعلى من الضغط الجوى, قد يصل الى ماهو أكثرمن 10 بار “الضغط الجوى= 1 بار”، و يوجد أخرى غير مضغوطة و هى التى لا تتحمل ضغط أعلى من الضغط الجوى.

و هذا المعيار له تأثير كبير عند المفاضلة بين أنواع السخانات المختلفة: حيث أن السخان الذى يتحمل الضغط…… يمكننا من الحصول على الماء الساخن عند مكان الاستعمال تحت ضغط, مما يسهل عملية خلط الماء البارد بالماء الساخن نتيجة تساوى الضغوط،  أما فى الانواع الغير مضغوطة فأنه يعتمد على وجود السخان الشمسى فى أعلى نقطة فى المبنى, و يكون نزول الماء الساخن منه تحت تأثير الجاذبية الارضية فقط, و هذا له تاثير سلبى على قلة تدفق المياه الساخنة و صعوبة خلطها بالماء البارد ……خاصة فى الادوار العليا و القريبة من السخان الشمسى, نتيجة قلة ضغط الماء الساخن, و بالتالى سيادة الماء البارد ذو الضغط الاعلى.

أيضاً من المزايا الاخرى للسخانات المضغوطة: خلال فصل الصيف تجعل الماء يصل الى درجة الغليان عند درجة حرارة أعلى من 100 درجة, و بالتالى لا يحدث الغليان السريع, و الذى يؤدى الى فقد السخان مياه كثيرة نتيجة التبخير، هذا على العكس تماماً مع السخانات الغير مضغوطة و التى تفقد كمية كبيرة من الماء فى فصل الصيف نتيجة البخر. لذلك لا ينصح باستعمال أنظمة السخانات الغير مضغوطة و خاصة فى المناطق الحارة مثل مصر.

ثانياً هناك تصنيف طبقا لطبيعة سريان المائع المراد تسخينه: و هى أما أن تكون سخانات تعمل بنظرية السريان الطبيعى  “Thermosyphon Systems” و يطلق عليها أيضاً منظومة سلبية أو غير فعالة (Passive)  حيث يتحرك الماء أو المائع المراد تسخينه ما بين الخزان و المجمعات الشمسية نتيجة لاختلاف الكثافة فقط. فعند امتصاصه لاشعة الشمس تزداد حرارته و بالتالى تقل كثافته, فيرتفع الى أعلى نقطة فى الخزان و هكذا يظل الماء الساخن فى ألاعلى و الماء البارد فى الاسفل، حتى تسخن كل كمية المياه الموجودة فى الخزان.

أما المنظومة الاخرى و هى منظومة تسخين فعاله (Active) و هى تتكون من مجمعات شمسية, و خزان خاص بالماء الساخن معزول حرارياً, و كذلك مبادل حرارى و بعض المضخات الازمة لتدوير الماء داخل المنظومة, و يكون أيضا من مكونات تلك المنظومة وحدة تحكم الكترونية و ملحقاتها من حساسات و صمامات و خلافه، و المنظومة الفعالة عادة تستخدم فى التطبيقات الكبيرة التى تحتاج كمية هائلة من المياه الساخنة مثل السخانات المركزية للفنادق, أو أنظمة التدفئة و التسخين.

لذلك فأن:  النظام الفعال الذى يحتوى على طلمبات يكون أغلى بكثير من النظام الغير فعال و الذى يعمل بالسريان الطبيعى.

ثالثاً هناك تصنيف طبقاً للتقنية المستعملة أو نظرية عمل السخان الشمسى, و هى ثلاث أنواع رئيسية:

1- السخانات الشمسية المسطحة (Flat plate collectors) و هذا النوع هو أول نوع سخانات شمسية ظهرت فى محاولة لاستغلال الطاقة الشمسية الحرارية، ثم تم تطويرها و  جرى عليها الكثير من التحديثات و التطور التكنولوجى فى الخامات و كذا طريقة التصنيع مما جعلها من أفضل الخيارات الموجودة حالياً, لأنها تكنولوجيا تم أختبارها تجارياً منذ ما يزيد عن الثمانين عاما و أثبتت نجاحاً فى الاسواق, و هى ببساطة عبارة عن مجمع شمسى يعمل على نظرية امتصاص الحرارة و حبسها داخله جيداً, بالاضافة لبقية مكونات السخان المشتركة مع الانواع الاخرى: و هى التنك و الوصلات و الحوامل. هذا و يوحد داخل هذا النوع أيضاً تصنيفين داخليين: أما سخان مسطح ذو دائرة مغلقة، أو سخان مسطح ذو دائرة مفتوحة.

هذا المجمع الشمسى يتكون من:”سطح الامتصاص الحرارى” و هو عبارة عن لوح رقيق جداً من الألومنيوم ملحوم به عن طريق الليزر مجموعة من المواسير النحاس، ثم يتم دهان هذا السطح بمادة ماصة لاشعة الشمس, و هناك نوعين من الدهانات أما دهان أسود, أو دهان أزرق انتقائى و يتم طلاء سطح الامتصاص بالكروم SELECTIVE CHROME COATING ذو معامل إمتصاص مرتفع 93 – 97 % ومعامل إشعاع منخفض 3 – 7 % و هى أفضل فى أمتصاص الحرارة من الشمس. بالاضافة الى بقية مكونات المجمع الشمسى: من زجاج خارجى و سطح خلفى و أيضاً عزل جيد و الاطار الخارجى للمجمع.

 

           

2- السخانات ذات الانابيب المفرغة  (Vacuum Tubes) تعتبر تكنولوجيا أحدث للسخانات الشمسية, ظهرت مؤخراً فقط فى أواخر السبعينات, و هى تتكون من ماسورتين زجاجيتين بداخل بعض و يوجد بينهما فراغ. الماسورة الداخلية تكون هى سطح الامتصاص, أما الفراغ (Vacuum) فيعتبر عازل جيد للحرارة أفضل بكثير من الهواء, أما الانبوبة الخارجية فهى شفافة و تسمح لاشعة الشمس بالمرور من خلالها بأقل نسبة أنعكاس منها، و يتم تثبيت نهايتى الانبوبين مع بعض بطريقة الصهر, و هذا الزجاج مصنوع من مادة البوروسيلكيت (Borosilicate) و الذى يتميز بالمتانة ومقاومته للكسر.

ومثل بقية السخانات الشمسية فأن هذا النوع يتكون أيضاً من التنك المعزول و حامل التثبيت. و هذا النوع يعطى درجات حرارة عالية جداً و لكن مشكلته انه من النوع الغير مضغوط (الذى لا يتحمل ضغط) و بالتالى يحدث غليان الماء سريعا فى الصيف مما يجعله يفقد كمية مياه كبيرة، هذا بالاضافة الى أن الماده المصنوع منها الجوانات التى توصل الانابيب مع التانك تتلف سريعاً و تؤدى الى تسريب المياه من التانك.

و الخلاصة أن هذا النوع فى التسخين ممكن أن يصل الى درجات حرارة أعلى قليلاً و لكنه غير مناسب لاجوائنا الحارة و يتلف سريعاً, بالاضافة الى أنه ليس من النوع المضغوط. 

 

3- السخانات ذات أنابيب التسخين  (Heat Pipes) و هى تعتبر مزيج بين النوعين السابقين, أو بمعنى أخر هى أشبه ما يكون بسخانات الانابيب المفرغة و لكن تستخدم نظام الدائرة المضغوطة، و لكن كفائتها فى التسخين اقل من النوعين السابقين، و هذا النظام يعتمد على نظرية هامة فى الفيزياء: و هى انه فى حالة انخفاض الضغط, فأن درجة حرارة غليان الماء تقل مع انخفاض الضغط, و بهذه الطريقة يمكننا ان نحصل على غليان للماء فى درجة حرارة منخقضة جداً من 30 الى 50 درجة.

 و كما نرى فى الشكل بالاعلى: فأن هذا النوع من السخانات يتكون من انابيب نحاس مغلقة من الاتجاهين و بداخلها كمية قليللة من الماء النقى و تم تفريغ الهواء من هذه الانابيب “بحيث يكون بداخلها فراغ”، و تلك الانابيب النحاس يكون لها رؤوس موجودة داخل التنك الخاص بالسخان, و تمر تلك الانابيب أيضاً داخل أنابيب زجاجية مشابهة للموجودة فى سخانات الانابيب المفرغة. و يوجد أيضاً فراغ ما بين الانبوب الزجاج الخارجى و الانبوب النحاس الداخلى، عندما يتعرض الانبوب النحاسى لاشعة الشمس فأن الماء الذى بداخله يصل الى درجة الغليان عند درجة حرارة منخفضة و يتحرك البخار الى رأس الانبوب الموجودة داخل التنك و معه طاقة حرارية و التى يفقدها عن طريق التبادل الحرارى مع الماء البارد الموجود فى التنك, و بذلك يقوم بتسخين الماء الموجود فى التنك.

[wpforms id=”1065″ title=”false” description=”false”]