جاذب خورشیدی 1

جاذب خورشیدی:

جاذب خورشیدی مهمترین قطعه کلکتور می باشد ،زیرا میزان بازده کلکتور اساسا” به آن بستگی دارد. یک جاذب خورشیدی با بازده بالا باید از معیارهای کیفیت زیر برخوردار باشد:

• انتقال خوب حرارت به مایع منتقل کننده حرارت
• مقاوم در مقابل خوردگی
• مقاوم در مقابل حرارت
• مقاومت جریانی کم
• گرم شدن در مدت زمان اندک
• جذب زیاد تابش خورشید
• تشعشع حرارتی(انتشار امواج)اندک

مدل های ساخت جاذب:

کیفیت لوله کشی و مقطع لوله ها یا کانال ها، مقاومت جریانی جاذب خورشیدی را تعیین می کند. سیستم های لوله کشی را می توان به دو دسته اصلی تقسیم نمود.

عامل انتقال حرارت در جاذب های مارپیچ عبور می کند. سرعت بالای جریان که در اینجا ضروری است باعث مقاومت جریانی زیادی می شود. بدین خاطر گردش طبیعی ضعیف می شود.

با این وجود این ساختمان جاذب در تاسیسات جریان کند مناسب می باشد زیرا جاذب مارپیچی در این حالت امکان مسافت طولانی جریان و در نتیجه افزایش دمای آن را امکان پذیر می سازد.

عامل انتقال گرما در جاذب های با لوله کشی نرده ای از میان چند کانال موازی جریان پیدا می کند و بدین خاطر مقاومت جریانی ناچیز باقی می ماند. بنابراین این گونه جاذب ها را می توان در تاسیسات جریان طبیعی بکار برد.جاذب خورشیدی می تواند از ورق های نازک مجزا یا از صفحه ای بسته که کانال های جریان در آن قرار گرفته اند تشکیل شود.

پوشش جاذب های حرارتی:

پوشش جاذب خورشید باید بیشترین بخش ممکن از اشعه های موج کوتاه خورشید را که به آن می تابد را به گرما تبدیل (جذب)کند و حتی الامکان کمترین انرژی گرفته شده را به صورت اشعه های گرمایی موج بلند پس دهد(منتشر نماید.)

لاک های مشکی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند تقریبا از بازدهی 95% برخوردار می باشند که این رقم در میزان انتشار بالا به تقریبا 80% می رسد. مزیت آنها در این است که می توان آنها را به راحتی با اسپری یا فلم رنگ بر روی سطح مالید.

پوشش های منتخب می توانند مقادیر زیادی (تقریبا 95%)از اشعه های موج کوتاه خورشید را جذب کنند و در مقایسه با لاک های خورشیدی میزان بسیار ناچیزی یعنی فقط 5 تا 12 درصد از اشعه های گرمایی موج بلند را منتشر می کنند.

یک رویه بسیار نازک به رنگی بین آبی تیره تا مشکی اشعه های خورشید را جذب می کند و انرژی آن ها را به صفحه فلزی زیر آن منتقل می کند. این پوشش به علت ضخامت فوق العاده نازک آن نسبت به امواج گرمایی موج بلند چنان عمل می کند که گویی اصلا وجود ندارد. بنابراین فقط صفحه فلزی(مثلا مس یا آلومینیوم)می تواند اشعه گرمایی را پس دهد.

در صورتی که این صفحه براق فلزی باشد همه اشعه ها را منعکس می کند. چشمی که اشعه گرمایی را منعکس کند هیچ اشعه ای هم پس نمی دهد. هنگامی که میزان جذب و انتشار به امواج بلند بستگی داشته باشد کلا لایه های منتخب مورد توجه قرار می گیرند. فرآیندهای تولید لایه های منتخب به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

پوشش گالوانیزه:

در این حالت در یک فرایند الکترولیتی یا لایه ای بسیار نازک از رنگدانه های مشکی نیکل بر روی سک صفحه آلومینیوم و یا لایه ای بسیار نازک از رنگدانه های مشکی کروم بر روی یک صفحه مسی با پوشش نیکل قرار می گیرد. میزان انتشار حدود 12 تا 15 درصد می باشد. از بیش از 20 سال پیش از این فن آوری لعاب دهی استفاده می شود که تا کنون مقاومت خوبی در مقابل فرسودگی از خود نشان داده است.

فرآیند لعاب دهی در خلاء:

تبخیر(تینوکس):

تیتان را در یک اتاق خلاء در دمای تقریبی 400 درجه سانتی گراد تبخیر می کنند که با افزودن کنترل شده اسید و نیتروژن با آن ها ترکیب شده و تیتان اکسید نیترید بدست می آید. این ماده سپس بر روی یک نوار مسی که از آن جا عبور داده می شود می نشیند. به منظور حفاظت آن را با یک لایه کوآرتس می پوشانند.

کاتدپرانی:

فن آوری کاتدپرانی یک فرایند دیگر ایجاد پوشش در خلاء می باشد . در این جا نیز لایه های فلزی موجود در ترکیبات مختلف را بر روی یک فلز(غالبا مس)می نشانند . اما در اینجا به جای تبخیر از روش مخصوصی برای رسوب یون های فلزی استفاده می شود.

پوشش های وکیوم به میزان بازدهی تقریبی 5% می رسند. از آنجائی که این روش ایجاد پوشش به تازگی به بازار آمده است تجارب طولانی مدتی از آن موجود نیست. به کمک روش های مخصوص آزمایش که فرآیند فرسودگی سریع را ایجاد می نمایند مشخص گردید که در طول یک دوره زمانی 25 ساله فقط میزان ناچیزی از کیفیت افت می کند. از آنجائی که بیشترین بخش اتلاف حرارت یک کلکتور با جاذب غری منتخب از طریق تابش حرارتی ایجاد می شود می توان با کاهش آن به افزایش قابل توجهی در بازده انرژی دست یافت. پوشش منتخب مخصوصا در تابش شدید خورشید و افزایش اختلاف دمای کلکتور و محیط اطراف کارایی خود را نشان می دهد. مثلا بازده کلکتور در تهیه آب گرم خورشیدی به میزان تقریبی 18 تا 25 درصد در مقایسه با پوشش مشکی ساده بهبود می یابد.

روکش:

روکش های شفاف:

وظیفه آنها این است که به اشعه های خورشید اجازه عبور بدهند و از تابش برگشتی حرارت از جاذب خورشیدی و نیز اتلاف حرارت به طریق همرفت جلوگیری کنند. روکش ها باید دارای ویژگی های زیر باشند:

حداکثر نفوذپذیری (انتقال)اشعه های خورشید

حداقل نفوذپذیری برای تابش حرارتی جذب

رسانایی حرارتی ناچیز

مقاومت بالا در مقابل شرایط جوی

نشکن بودن

دو سیستم ساده و دوبل در عمل مورد استفاده قرار می گیرد. در صورت استفاده از یک جاذب خورشیدی منتخب معمولا روکش ساده کفایت می کند.

استفاده از روکش دوبل فقط در صورتی دارای مزیت است که با یکی از موراد زیر روبرو باشیم:

جاذب خورشیدی دارای پوشش منتخب نباشد.

سرعت متوسط باد بیش از 4 متر بر ثانیه باشد(در آب و هوای دریایی و کوهستانی).

روکش خارجی از ماده مقاوم حرارتی ساخته نشده باشد.

تاسیسات خورشیدی باید عمدتا در زمستان مورد استفاده قرار گیرد.

رسیدن به سطح دمای بسیار بالا (بالاتر از 80 درجه سانتی گراد)ضروری باشد.

نفوذپذیری شیشه پنجره معمولی برای تابش خورشید 85%می باشد . شیشه هایی که اکسید آهن موجود در آنها کاهش داده شده باشد به میزان 91% می رسند و به عنوان شیشه خورشیدی شناخته می شوند.

فن آوری تاسیسات خورشیدی:

ساختمان و کارکرد تاسیسات خورشیدی:

کلیه قطعات تشکیل دهنده اصلی تاسیسات خورشدید را به کمک دیاگرامی کلی که فقط تامین آب گرم خورشیدی را در بر می گیرد نشان می دهد. برای گرم کردن مداوم منزل به کمک تاسیسات خورشیدی، وجود یک منبع حائل و یک واحد کنترل انشعابی با یک مبع مرکب نیز ضروری می باشد.

کلکتور خورشیدی تابش جهانی را به انرژی گرمایی تبدیل می کند که به یک منبع حرارتی منتقل می شود. سیستم ها از نظر نوع انتقال گرما به دو گونه اصلی مختلف قابل تقسیم می باشند: تاسیسات دارای پمپ جریان، و تاسیسات دارای جریان به کمک نیروی ثقل(سیفون حرارتی ،جریان طبیعی).

تاسیسات دارای پمپ جریان و واحد کنترل:

عامل انتقال گرما به کمک یک پمپ به جریان می افتد که توسط یک ترموستات الکترونیکی روشن و خاموش می شود.ترموستات دمای منبع مجاور مبدل حرارتی خورشیدی را با دمای کلکتور مقایسه می کند و فقط هنگامی پمپ را روشن می کند که کلکتور چند درجه گرم تر باشد.

تاسیسات دارای جریان به کمک نیروی ثقل:

در صورتی که به توان کلکتورها و منبع آب گرم را در وضعیتی قرار داد که لوله ها با شیب حداقل 2% از کلکتور به سمت منبع بروند دیگربه پمپ و ترموستات نیازی نخواهد بود. عامل انتقال گرمای خورشیدی به دنبال گرم شدن در جاذب منبسط می گردد و بدین ترتیب وزن مخصوص آن از آب سردی که در لوله برگشت قرار دارد سبک تر می شود و بنابراین آب سرد از منبع به سمت کلکتور جریان پیدا می کند. به علت اختلاف وزن، فشاری رو به بالا ایجاد می شود که به واسطه آن آب گرم کلکتور به سمت منبع بالا می رود، در آن جا گرما را پس می دهد و پایین می آید و در حالی که سنگین تر شده است به سمت جاذب برمی گردد تا زمانیکه دمای جاذب بیشتر از دمای منبع باشد این جریان گردشی خود به خود عمل می کند.

از آنجایی که اغلب تنظیم محل منبع حرارتی بالای کلکتور امکان پذیر نمی باشد و به منظور گرم کردن تکمیلی معمولا دیگ بخار در زیرزمین قرار می گیرد، با این وجود حداقل در ساختمان های تک واحدی کلا گزینه جایگزین قابل توجهی به حساب می آید .

تاسیسات جریان طبیعی:

تاسیسات جریان طبیعی مخصوصا هنگامی انتخاب می شود که سیستم گرمای مرکزی در پشت بام طراحی شود. از آنجائی که دیگ بخار و منبع آب گرم در انبار پشت بام نصب می شوند، مسیر لوله کشی تا کلکتور بسیار کوتاه می گردد.در صورتی که کلکتور در انتهای پایینی پشت بام نصب شود، احتمال دارد که به توان لوله کشی تا منبع آب گرم را با شیب مورد لزوم انجام داد .در این صورت شما یک تاسیسات خورشیدی جمع و جور ،و از آن مهم تر با هزینه مناسب خواهید داشت. در ناحیه دریای مدیترانه تاسیسات سیفون حرارتی در بسیاری از موارد به صورت تاسیساتی حمع و جور و کوچک بر روی پشت بام های صافی که آن جا بسیار رایج است یافت می شود.

کلکتور خورشیدی:

تاثیر گرمایی اشعه های خورشید را می توان در پدیده های روزمره زیادی مشاهده نمود.هنگامی که در یک روز سرد که پنجره بسته است خورشید مستقیم به خانه می تابد دمای اتاق به طور قابل توجهی افزایش می یابد. به محض این که اتومبیل مدت کمی در آفتاب قرار گیرد دمای داخل آن به طور غیر قابل تحملی بالا می رود،مخصوصا اگر رنگ وسایل داخل اتومبیل تیره باشد. در هر دو مورد فوق اشعه خورشید از میان پنجره نفوذ می کند و با رسیدن به وسایل داخلی تبدیل به گرما می شود و نمی تواند خارج شود.

یک کلکتور خورشید این اثر گلخانه ای را با بازده زیاد مورد استفاده قرار می دهد. یک صفحه مشکی هسته کلکتور خورشیدی تشکیل می دهد که جاذب نور خورشید می باشد و جریان مایع منتقل کننده گرما از میان آن می گذرد. به منظور جلوگیری از اتلاف گرما دور تا دور جاذب نور خورشید عایق بندی می شود: اینکار در سمت جلو به وسیله پوششی شفاف (مثلا شیشه)و در سمت عقب و طرفین به وسیله یک عایق حرارتی مقاوم در مقابل گرما(مثلا پشم شیشه)انجام می گیرد.

اشعه های خورشیدی:

اشعه های خورشید پس از داخل شدن از میان پوشش نفوذ می کنند وتوسط جاذب نور خورشید به گرما تبدیل می شوند. مایع منتقل کننده گرما که از میان جاذب عبورمیکند گرما را می گیرد و از مسیر لوله کشی به سمت یک منبع حرارتی منتقل می کند و از طریق یک مبدل حرارتی آب موجود در منبع حرارتی را گرم می کند تا پس از سرد شدن به منظور گرفتن گرما مجددا به سمت جاذب جریان پیدا کند.

بازده یک کلکتور به وسیله منحنی بازدهی بیان می شود که بر مبنای آن می توان دریافت چه نسبتی از انرژی تایید شده خورشید (تابش جهانی)به انرژی گرمایی قابل استفاده تبدیل می گردد. اتلاف انرژی موجود به دو بخش شامل اتلاف تابشی و اتلاف گرمایی تقسیم می شود. اتلاف تابشی شامل جذب اشعه توسط پوشش شفاف و نیز انعکاس آن از روی پوشش جاذب می باشد. اتلاف حرارتی به وسیله انتقال رسانایی حرارت، انتقال و جابجایی حرارت (همرفت)و تشعشع حرارتی پدید می آید. هر قدر اختلاف دمای جاذب با محیط بیشتر باشد این اتلاف ها یشتر خواهند بود.

انتقال رسانایی حرارت:

انتقال رسانایی حرارت عبارت است از جریان گرما در داخل مواد جامد،مایع یا گازی شکل در کلکتور اتلاف حرارت از طریق انتقال رسانایی در عایق بندی به طرف پشت و طرفین می باشد. در صورتی که جاذب و قاب کلکتور دارای عایق بندی حرارتی خوبی باشند،این اتلاف نسبتا ناچیز می باشد.

کلیه اجسام دارای تشعشع حرارتی می باشند. این نوع انتقال نیاز به عامل انقال دهنده ندارد و در فضای خالی از هوا (خلاء)نیزحرکت می کند. در کلکتور تشعشع حرارتی در جاذب و پوشش رخ می دهد. پوشش کلکتور برای تشعشع حرارتی جاذب بسیار غیر قابل نفوذ است. با وجود این بخش از تشعشع جذب پوشش می شود و آن را گرم می کند. سپس پوشش این انرژی را به بیرون پس می دهد.

همرفت(جابجایی حرارت)به معنی انتقال حرارت از طریق یک عامل متحرک(گاز یا مایع)می باشد. اتلاف حرارت به وسیله جریان هوا بین سطح گرم جاذب و صفحه سرد بخش عظیمی از کل اتلاف حرارتی را تشکیل می دهد. به علاوه باد می تواند اتلاف همرفتی را به طور قابل توجهی افزایش دهد.مهم ترین پارامتر در انتخاب قطعات مختلف کلکتور به حداقل رساندن اتلاف انرژی می باشد.

کلکتور خورشیدی:

نوع ساخت یک کلکتور و نیز مساحت و ضخامت صفحه شیشه ای میزان مقاومت آن در مقابل برف و باد را مشخص می کند .مشکلات برف با افزایش ارتفاع منطقه رابطه مستقیم دارد و به چهار منظقه تقسیم می شود که از 1 در سواحل دریای شمال تا 4 در ارتفاعات آلپ متغیر است. به این دلیل در آلمان کلکتورهای بر طبق منطقه مخصوص خود می توانند تا ارتفاع مشخصی از سطح دریا مورد استفاده قرار گیرند.

به علاوه نوع نصب و شیب کلکتور نیز بر حداکثر ارتفاع تاثیر می گذارند.حداکثر ارتفاع مجاز (از سطح دریا)از استاندارد DIN 1055 شامل کلکتورهای خورشیدی یورو و نیز همه انواع دیگر کلکتور با یک حداکثر بار مجاز بالغ بر 2550 N/M² می گردد.در صورتیکه نتوان کلکتورهای بدون فوندانسیون را در داخل کف یا صقف بتونی یک بام تخت مهار نمود،باید آنها را در مقابل فشار باد با وزنه های پایه مناسب محکم نمود .این وزنه ها ممکن است سنگ های بتونی یا قوطی های حلبی پر از شن باشند.

در صورتی که فاصله بین کف و سطح زیر کلکتور کمتر از 30 سانتیمتر باشد می توان وزنه پایه را به علت کاهش فشار دینامیکی کاهش داد. کیفیت لازم برای صفحه شیشه ای بستگی به شیب کلکتور دارد. برای شیب حداقل 35 درجه یک بام می توان از شیشه های مخصوص گلخانه ائی ضخامت 4 میلی متر استفاده نمود. ابعاد شیشه ها باید مطابق با قالب های استاندارد 200*60 سانتی متر یا 73*143 سانتی متر باشد.در منطقه برفی (کوهستانی متوسط ،کوهپایه های آلپ و مناطق آلپ)در بالاتر از 500 متر و در منطقه برفی (کوهستان های میانه آلمان،ارتفاعات آلپ)صرفا باید پیش تنیده (به ضخامت 3 تا 4 میلیمتر)استفاده نمود.

ساختمان کلکتور:

کلکتور از نظر نوع ساخت اساسا” به دو دسته کلکتورهای تخت و کلکتورهای لامپ وکیوم تقسیم می شوند.

کلکتور تخت:

قاب کلکتور تخت از یک چارچوب کلکتور و عایق بندی حرارتی تشکیل می گردد و کیفیت آن برای اطمینان از کارکرد کلکتور خورشیدی در طی سالیان متمادی از اهمیت تعیین کننده ای برخوردار است. قاب باید مقاوم در مقابل آب و هوا ،سبک ،مقاوم در مقابل ضربه و مقاوم در مقابل کج شدن باشد و آب به آن نفوذ نکند.مواد مورد استفاده عمدتا آلومینوم آنودیزه ،فولاد ضد زنگ و مواد سینتتیک تقویت شده با الیاف شیشه ای می باشند.

از آنجائی که قاب های کلکتورهای تخت در مقابل نفوذ نیستند باید بخار آب ایجاد شده در آن بتواند از طریق منافذ هوای کافی خارج شود. در غیر این صورت به روکش شفاف صدمه می زند. این منافذ باید در مقابل دمای تا 160 درجه سانتی گراد مقاوم باشند. مثلا صفحات اتیروپور ساده برای اینکار مناسب نیستند.اسفنج سخت pu باید فقط به همراه الیاف سوزنی پشم شیشه به ضخامت 2 تا 3 سانتی متر مورد استفاده قرار گیرد که در زیر جاذب به عنوان عایق گرما به کار می رود. عایق بندی باید مطابق با رسانایی حرارتی مواد که از روی ضریب گذر گرما به دست می آید ضخامتی از 5 تا 8 سانتی متر داشته باشد.

رسانایی حرارتی ماده:

رسانایی حرارتی ماده عبارت از مقدار جریان حرارتی است که هنگامی که اختلاف دما 1^OC باشد از میان یک لایه به ضخامت یک متر عبور می کند.

ضریب گذر گرما که به آن مقدار K نیز گفته می شود عبارت از مقدار جریان حرارتی است که از میان سطحی به مساحت یک متر مربع عبور می کند.هر قدر مقدار K کوچکتر باشد حرارت بهتر حفاظت می شود

کلکتورهای لامپ وکیوم از یک لامپ شیشه ای وکیوم شده تشکیل می شود .آنها در انواع گوناگون عرضه می شوند اما در همه آنها به منظور عایق بندی حرارتی به جای استفاده از پشم شیشه یا مواد عایق بندی مشابه اقدام به ایجاد خلاء در داخل کلکتور می نمایند.بدین وسیله اتلاف حرارت می تواند در مقایسه با کلکتور تخت به طور قابل توجهی کاهش یابد از آنجائی که خلاء را حتی به ساده ترین شکل باید در یک شکل گرد ایجاد نمود در اینجا جاذب خورشیدی را در داخل یک لامپ شیشه ای قرار می دهند .

کلکتورهای لوله گرما:

در داخل جاذب مایعی قرار دارد که حتی در دمای پایین نیز متصاعد می شود. بخار به سمت یک مبدل حرارتی بالا می رود. در آنجا انرژی خود را به مایع چرخه خورشیدی می دهد و بدینوسیله مایع می شود و به سمت جاذب پایین می رود.این چرخه نیازمند آنست که لوله های گرمایی بایک یا حداقل زاویه شیب مشخص نصب شوند.