يجمع المجمع الحراري الشمسي الحرارة عن طريق امتصاص أشعة الشمس. يشير مصطلح “المجمع الشمسي” عادة إلى ألواح الماء الساخن بالطاقة الشمسية ، ولكن قد يشير إلى تركيبات مثل أحواض مكافئ الطاقة الشمسية والأبراج الشمسية. أو المنشآت الأساسية مثل سخانات الهواء الشمسية. تستخدم محطات الطاقة الشمسية المركزة عادةً المجمعات الأكثر تعقيدًا لتوليد الكهرباء عن طريق تسخين سائل لقيادة توربين متصل بمولد كهربائي. عادة ما تستخدم جامعات بسيطة في المباني السكنية والتجارية للتدفئة. وقد حصل وليام هـ. غوتيل على أول مجمع حراري شمسي مصمم لبناء الأسطح ، وقد أطلق عليه اسم “مجمّع الحرارة الشمسي والمبرد لبناء السقف”.
مجمعات شمسية حرارية تسخين سائل
جامعات الطاقة الشمسية هي إما غير مركزة أو مركزة. في النوع غير المركّز ، تكون منطقة المجمّع (أي المنطقة التي تعترض الإشعاع الشمسي) هي نفسها منطقة الامتصاص (أي المنطقة التي تمتص الإشعاع). في هذه الأنواع تمتص اللوحة الشمسية بأكملها الضوء. لهواة جمع التركيز تركيز أكبر من امتصاص.
تستخدم الألواح المسطحة وأنظمة تجميع الطاقة الشمسية التي يتم تفريغها في تجميع الحرارة من أجل تسخين المساحات أو الماء الساخن المنزلي أو التبريد باستخدام مبرد امتصاص.
جامعي لوحة مسطحة
جامعي اللوحات المسطحة هم أكثر التقنيات الحرارية الشمسية شيوعا. وهي تتكون من حاوية (1) تحتوي على (2) صفيحة ماصة ذات لون غامق مع ممرات دوران السوائل ، و (3) غطاء شفاف يسمح بنقل الطاقة الشمسية إلى داخل العلبة. عادة ما يتم عزل الجانبين والجزء الخلفي من العلبة للحد من فقدان الحرارة للهواء الخارجي. يتم تدوير السوائل عبر ممرات امتصاص السائل لإزالة الحرارة من المجمع الشمسي. يكون سائل الدورة الدموية في المناخات الاستوائية وشبه الاستوائية نموذجياً للمياه. في المناخات التي يكون فيها التجمد محتملًا ، يمكن استخدام سائل نقل حراري مماثل لمحلول مضاد التجمد الآلي بدلاً من الماء ، أو في خليط مع الماء. إذا تم استخدام مائع نقل الحرارة ، يتم استخدام المبادل الحراري عادة لنقل الحرارة من مائع المجمع الشمسي إلى خزان تخزين الماء الساخن. يتكون تصميم الامتصاص الأكثر شيوعًا من أنابيب نحاسية ملحقة بزعانف النحاس أو الألمنيوم الموصلة حرارياً. يتم تطبيق طبقة داكنة على الجانب المواجه للشمس من مجموعة امتصاص لزيادة امتصاصه للطاقة الشمسية. طلاء ماص شائع هو طلاء المينا الأسود المسطح.
في تصاميم تجميع الطاقة الشمسية عالية الأداء ، الغطاء الشفاف هو الزجاج المقسى مع محتوى أكسيد الحديد المخفف (اللون الأخضر المرئي عند مشاهدة جزء من زجاج النافذة من الجانب). قد يكون للزجاج أيضاً نمط تنقيط وهو طلاء مضاد للانعكاس لاحتجاز المزيد من الطاقة الشمسية من خلال تقليل الانعكاس. الطلاء الممتص هو عادة طلاء انتقائي. تتميز الطلاءات الانتقائية بخصائص بصرية خاصة لتحسين الفعالية عن طريق تقليل انبعاث طاقة الأشعة تحت الحمراء من الماص.
أدخلت بعض الشركات المصنعة جامعات الطاقة الشمسية المسطحة الرخيصة التي تستخدم أغطية شفافة من البولي كربونات وتجميعات البولي بروبلين.
معظم مصممي حرارة الهواء وبعض مصنّعي حرارة الماء يمتلكون امتصاصًا مغمورًا تمامًا يتكوّن من صفحتين من المعدن الذي يمرّ المائع بينهما. نظرًا لأن مساحة التبادل الحراري أكبر ، فقد تكون أكثر كفاءة بشكل هامشي من الامتصاص التقليدي.
في المواقع التي تحتوي على متوسط الطاقة الشمسية المتاحة ، يتم تجميع ما يقرب من نصف إلى قدم مربع لكل جالون من استخدام الماء الساخن ليوم واحد. تشمل تشكيلات أنابيب الامتصاص ما يلي:
القيثارة – التصميم التقليدي مع نواقل الأنابيب السفلية وأنبوب التجميع العلوي ، المستخدم في أجهزة الضغط الحرارية ذات الضغط المنخفض وأنظمة الضخ ؛
– سربنتين (sepentine) – واحد مستمر (S) يعمل على زيادة درجة الحرارة ولكنه لا يزيد من إنتاجية الطاقة الكلية في أنظمة التدفق المتغيرة ، والتي تستخدم في الأنظمة الشمسية المتكاملة للمياه الساخنة فقط (بدون دور تدفئة حرارية) ؛
امتصاص مغمور بالفيضان يتكون من صفحتين من المعدن مختومة لإنتاج منطقة تداول ؛
جامعات امتصاص الطبقة الحدودية تتكون من عدة طبقات من الصفائح الشفافة وغير الشفافة التي تمكن من الامتصاص في طبقة حدودية. نظرًا لأن الطاقة يتم امتصاصها في الطبقة الحدودية ، فإن تحويل الحرارة قد يكون أكثر كفاءة من المحولات التي يتم فيها امتصاص الحرارة من خلال مادة قبل تراكم الحرارة في سائل دائري.
إن جامعي الألواح المسطحة البوليمرية هم بديلون عن جامعي المعادن ويتم إنتاجهم الآن في أوروبا. قد تكون هذه عبارة عن بوليمر كلي ، أو قد تشتمل على صفائح معدنية أمام قنوات مائية متحملة بالتجميد مصنوعة من مطاط السيليكون. تتسم البوليمرات بالمرونة وبالتالي تتحمل التجمد ويمكنها استخدام الماء العادي بدلاً من مضاد التجمد ، بحيث يمكن وضعها مباشرة في خزانات المياه الموجودة بدلاً من الحاجة إلى المبادلات الحرارية التي تقلل من الكفاءة. من خلال الاستغناء عن مبادل حراري ، لا تحتاج درجات الحرارة إلى أن تكون عالية جداً حتى يتم تشغيل نظام الدوران ، لذلك فإن لوحات الدوران المباشر ، سواء كانت بوليمرية أو غير ذلك ، يمكن أن تكون أكثر كفاءة ، خاصة عند مستويات الإضاءة المنخفضة. عانى بعض جامعي البوليمرات المبسط انتقائيًا في وقت مبكر من ارتفاع درجة الحرارة عند العزل ، حيث يمكن أن تتجاوز درجات حرارة الركود نقطة انصهار البوليمر. على سبيل المثال ، درجة انصهار البولي بروبيلين هي 160 درجة مئوية (320 درجة فهرنهايت) ، في حين أن درجة حرارة الركود في المجمعات الحرارية المعزولة يمكن أن تتجاوز 180 درجة مئوية (356 درجة فهرنهايت) إذا لم يتم استخدام استراتيجيات التحكم. لهذا السبب ، لا يستخدم البولي بروبيلين في غالبًا في مجمعات الطاقة الشمسية المغطاة بشكل انتقائي. يتم استخدام البوليمرات بشكل متزايد مثل السيلكونات المعتدلة (التي تذوب عند أكثر من 250 درجة مئوية (482 فهرنهايت)). بعض المجاميع الشمسية المزججة ذات البوليمر الذي لا يحتوي على بوليمر بروبيلين مطلية باللون الأسود غير المطلي بدلاً من المغلفة بشكل انتقائي لتخفيض درجة حرارة الركود إلى 150 درجة مئوية (302 درجة فهرنهايت) أو أقل.
اجلاء انبوب جامع
تستخدم معظم مجمعات الأنابيب الفراغية في أوروبا باستخدام أنابيب الحرارة لجوهرها بدلا من تمرير السائل مباشرة من خلالها. التدفق المباشر أكثر شعبية في الصين. تتكون أنابيب أنابيب الحرارة المفرغة (EHPTs) من عدة أنابيب زجاجية مفرغة كل منها تحتوي على صفيحة ماصة مدمجة في أنبوب حراري. يتم نقل الحرارة إلى سائل النقل (الماء أو خليط مضاد للتجمد – عادةً البروبيلين جليكول) من نظام تسخين الماء الساخن أو نظام التسخين المائي في المبادل الحراري الذي يسمى “المشعب”. يتم لف المشعب في العزل ومغطى بغطاء معدني للحماية أو علبة بلاستيكية. وقد ثبت أن الفراغ الموجود داخل مجمعات الأنابيب التي تم إخلاؤها يستمر لأكثر من 25 عامًا ، ويتم تغليف الطلاء العاكس للتصميم في الفراغ الموجود داخل الأنبوب ، والذي لن يتحلل حتى يفقد الفراغ. إن الفراغ الذي يحيط بالخارج من الأنبوب يقلل بشكل كبير من فقدان الحرارة والحمل الحراري ، وبالتالي تحقيق كفاءة أكبر من جامعي الألواح المسطحة ، خاصة في الظروف الباردة. وتضيع هذه الميزة إلى حد كبير في المناخات الدافئة ، باستثناء الحالات التي يكون فيها الماء الساخن شديد الرغبة ، على سبيل المثال ، في العمليات التجارية. قد تتطلب درجات الحرارة المرتفعة التي يمكن أن تحدث تصميمًا خاصًا لمنع ارتفاع درجة الحرارة.
تصنع بعض الأنابيب المفرغة (الزجاج المعدني) بطبقة واحدة من الزجاج تندمج مع أنبوب الحرارة في الطرف العلوي وتحيط أنبوب الحرارة وممتص في الفراغ. تصنع أخرى (زجاجية زجاجية) مع طبقة مزدوجة من الزجاج مدمجة معًا في أحد الطرفين أو كلاهما مع فراغ بين الطبقات (مثل زجاجة التفريغ أو القارورة) ، مع امتصاص أنبوب الحرارة وأنابيب الحرارة في الضغط الجوي العادي. تتميز الأنابيب الزجاجية بختم مفرط يعتمد عليه للغاية ، لكن طبقتين من الزجاج تقللان من الضوء الذي يصل إلى جهاز الامتصاص. قد تدخل الرطوبة إلى منطقة غير مفرغة من الأنبوب وتسبب تآكل امتصاص. أنابيب زجاجية معدنية تسمح لمزيد من الضوء بالوصول إلى جهاز الامتصاص ، وحماية أنبوب امتصاص الحرارة من التآكل حتى إذا كانت مصنوعة من مواد مختلفة (انظر تآكل كلفاني).
قد تسمح الفجوات الموجودة بين الأنابيب لسقوط الثلج من خلال المجمع ، مما يقلل من فقدان الإنتاج في بعض الظروف الثلجية ، على الرغم من أن نقص الحرارة المشعة من الأنابيب يمكن أن يمنع أيضًا التخلص الفعال من الثلج المتراكم.
مقارنات من لوحة مسطحة وجامعي أنبوب إخلاء
توجد حجة قديمة بين مؤيدي هاتين التقنيتين. يمكن أن يرتبط بعض من هذا بالهيكل المادي لهواة جمع الأنبوب المفرغ الذي يحتوي على منطقة امتصاص متقطعة. هناك مجموعة من الأنابيب المفرغة على سطح لديها فضاء مفتوح بين أنابيب التجميع ، والفراغ بين الأنبوبين الزجاجي المتحد المركز لكل جامع. تغطي أنابيب التجميع جزءًا صغيرًا من مساحة الوحدة على السقف. إذا تمت مقارنة الأنابيب المفرغة مع مجمعات مسطحة على أساس مساحة السطح المشغول ، يمكن التوصل إلى نتيجة مختلفة عما إذا تمت مقارنة مناطق الامتصاص. بالإضافة إلى ذلك ، فإن معيار ISO 9806 غامض في وصف الطريقة التي ينبغي بها قياس كفاءة المجمعات الحرارية الشمسية ، حيث يمكن قياسها إما من حيث المساحة الإجمالية أو من ناحية مساحة الامتصاص. لسوء الحظ ، لا يتم إعطاء خرج الطاقة لجامعي الحراري كما هو الحال بالنسبة للألواح الكهروضوئية. هذا يجعل من الصعب على المشترين والمهندسين اتخاذ قرارات مستنيرة.
عادةً ما يفقد جامعي الألواح المسطحة الحرارة في البيئة أكثر من الأنابيب المفرغة ، كدالة متزايدة لدرجات الحرارة. وهي غير مناسبة لتطبيقات درجات الحرارة العالية مثل عملية إنتاج البخار. تحتوي أجهزة تجميع الأنبوب المفرغة على مساحة لامتصاص أقل إلى نسبة إجمالي المساحة (عادة 60-80٪ من المساحة الإجمالية) بالمقارنة مع الألواح المسطحة. بناءً على مساحة اللوحة الماصة ، تكون معظم أنظمة الأنابيب المفرغة أكثر كفاءة لكل متر مربع من أنظمة الألواح المسطحة المكافئة. وهذا يجعلها مناسبة عندما تكون مساحة السقف محدودة ، على سبيل المثال حيث يكون عدد شاغلي المبنى أعلى من عدد الأمتار المربعة لمساحة السقف المناسبة والموجودة. بشكل عام ، لكل متر مربع مركب ، فإن أنابيب الإخلاء توفر طاقة أكثر هامشية عندما تكون درجة الحرارة المحيطة منخفضة (على سبيل المثال خلال فصل الشتاء) أو عندما تكون السماء مغمورة. ومع ذلك ، حتى في المناطق التي ليس بها الكثير من أشعة الشمس والحرارة الشمسية ، يمكن لبعض جامعي الألواح المسطحة منخفضة التكلفة أن يكونوا أكثر فعالية من حيث التكلفة من جامعي الأنابيب الذين تم إخلاؤهم. على الرغم من قيام العديد من الشركات الأوروبية بتصنيع أجهزة تجميع الأنبوب ، فإن سوق الأنبوب المفرغ يهيمن عليه مصنعو السيارات في الشرق. العديد من الشركات الصينية لديها سجلات تتبع من 15-30 سنة. لا يوجد دليل واضح على أن التصاميم تختلف في الموثوقية على المدى الطويل. ومع ذلك ، فإن تقنية الأنبوب المفرغ أصغر سنًا (ولا سيما بالنسبة للمتغيرات الجديدة التي تحتوي على أنابيب حرارية مغلقة) ، لا تزال بحاجة إلى إثبات عمر تنافسي. يمكن لنموذجية الأنابيب المفرغة أن تكون مفيدة من حيث القابلية للتوسعة والصيانة ، على سبيل المثال إذا كان الفراغ في أحد الأنبوب يتضاءل.
تطبيقات
يتمثل الاستخدام الرئيسي لهذه التقنية في المباني السكنية حيث يكون للطلب على المياه الساخنة تأثير كبير على فواتير الطاقة. هذا يعني بشكل عام حالة مع عائلة كبيرة ، أو حالة يكون فيها الطلب على الماء الساخن مفرطًا بسبب الغسيل المتكرر للغسيل. وتشمل التطبيقات التجارية المغاسل ، غسيل السيارات ، مرافق الغسيل العسكرية ومؤسسات الأكل. ويمكن استخدام هذه التقنية أيضًا للتدفئة في الفضاء إذا كان المبنى خارج الشبكة أو إذا كانت قوة المرافق عرضة لانقطاعات متكررة. من المرجح أن تكون أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية فعالة من حيث التكلفة للمرافق التي تحتوي على أنظمة تسخين المياه التي تكون باهظة التكلفة ، أو مع عمليات مثل المغاسل أو المطابخ التي تتطلب كميات كبيرة من الماء الساخن. تستخدم جامعات السوائل غير المزججة عادة لتسخين المياه لحمامات السباحة ولكن يمكن تطبيقها أيضًا على التسخين المسبق لمياه كبيرة الحجم. عندما تكون الأحمال كبيرة بالنسبة لمنطقة التجميع المتوفرة ، يمكن إجراء الجزء الأكبر من تسخين المياه عند درجة حرارة منخفضة ، أقل من درجات حرارة حمام السباحة حيث توجد جامعات غير مزججة في السوق كخيار صحيح. نظرًا لأن هواة الجمع ليسوا بحاجة إلى تحمل درجات الحرارة المرتفعة ، يمكنهم استخدام مواد أقل تكلفة مثل البلاستيك أو المطاط. العديد من المجمعات غير المزججة مصنوعة من البولي بروبلين ويجب تصريفها بالكامل لتجنب تلف التجميد عندما تنخفض درجات حرارة الهواء أقل من 44F في الليالي الصافية.
عاء
وعاء شمسي هو نوع من المجمعات الحرارية الشمسية التي تعمل بشكل مشابه لطبق مكافئ ، ولكن بدلاً من استخدام مرآة مكافئ تتبع مع جهاز استقبال ثابت ، فهي تحتوي على مرآة كروية ثابتة مع جهاز استقبال التتبع. هذا يقلل من الكفاءة ، لكنه يجعل من أرخص لبناء وتشغيل. ويطلق المصممون عليه نظام الطاقة الشمسية الذي يتم توزيعه من خلال مرآة ثابتة. كان السبب الرئيسي لتطويرها هو القضاء على تكلفة تحريك مرآة كبيرة لتعقب الشمس كما هو الحال مع أنظمة طبق مكافئ.
مرآة المكافئ الثابتة تخلق صورة مختلفة الشكل للشمس وهي تتحرك في السماء. فقط عندما يتم توجيه المرآة مباشرة إلى الشمس ، يقوم الضوء بالتركيز على نقطة واحدة. هذا هو السبب في نظم طبق مكافئ تتبع الشمس. مرآة كروية ثابتة تركز الضوء في نفس المكان بغض النظر عن وضع الشمس. ومع ذلك ، لا يتم توجيه الضوء إلى نقطة واحدة ولكن يتم توزيعه على خط من سطح المرآة إلى نصف دائرة نصف قطرها (على طول خط يمر عبر مركز الكرة والشمس).
عندما تتحرك الشمس عبر السماء ، تتغير فتحة أي جامع ثابت. هذا يسبب تغيرات في كمية ضوء الشمس التي تم التقاطها ، وإنتاج ما يسمى تأثير الجيوب الأنفية من انتاج الطاقة. ويزعم أنصار تصميم زبدية الطاقة الشمسية انخفاضا في إجمالي انتاج الطاقة مقارنة مع مرايا القطع المكافئ التي تقابلها تكاليف أقل للنظام.
يتم جمع ضوء الشمس المركزة على الخط البؤري لعاكس كروي باستخدام جهاز استقبال التتبع. يدور هذا المستقبِل حول الخط البؤري ويتوازن عادةً. قد يتكون المتلقي من أنابيب تحمل سائل لنقل حراري أو الخلايا الضوئية للتحويل المباشر للضوء إلى كهرباء.
نتج تصميم عاء الطاقة الشمسية عن مشروع قسم الهندسة الكهربائية بجامعة تكساس التقنية ، برئاسة إدوين أوهير ، لتطوير محطة توليد كهرباء بقوة 5 ميجاوات. تم بناء وعاء شمسي لمدينة كروسبيتون بولاية تكساس كمرفق تجريبي. كان للوعاء قطر 65 قدمًا (20 مترًا) ، مائلًا بزاوية 15 درجة لتحسين علاقة التكلفة / العائد (33 درجة من شأنه أن يحقق أقصى عائد). تم تقليم حافة نصف الكرة الأرضية إلى 60 درجة ، مما أدى إلى خلق فتحة بحد أقصى 3،318 قدم مربع (308.3 متر مربع). هذا الوعاء الطيار أنتج الكهرباء بمعدل 10 كيلووات.
تم تطوير وعاء أوروفيل الشمسي قطره 15 مترا من اختبار سابق لوعاء 3.5 متر في 1979-1982 من قبل معهد بحوث الطاقة تاتا. أظهر هذا الاختبار استخدام وعاء الطاقة الشمسية في إنتاج البخار لأغراض الطهي. بدأ تنفيذ المشروع الشامل لبناء وعاء شمسي ومطبخ من عام 1996 ، وكان يعمل بكامل طاقته بحلول عام 2001.
مجمعات شمسية حرارية لتسخين الهواء
يتكون جامع الهواء الشمسي البسيط من مادة ماصة ، في بعض الأحيان لها سطح انتقائي ، لالتقاط الإشعاع من الشمس وينقل هذه الطاقة الحرارية إلى الهواء عبر نقل الحرارة. ثم يتم توصيل هذا الهواء الساخن إلى مساحة المبنى أو إلى منطقة العملية حيث يتم استخدام الهواء الساخن لتسخين المساحة أو احتياجات التدفئة العملية. تعمل أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية الحرارية بطريقة مماثلة لأفران الهواء القسري التقليدية ، وتوفر الحرارة عن طريق تدوير الهواء فوق سطح تجميع الطاقة ، وامتصاص الطاقة الحرارية للشمس ، وامتصاص الهواء المتلامس معها. يمكن إجراء جامعات بسيطة وفعالة لمجموعة متنوعة من تطبيقات تكييف الهواء والمعالجة.
يمكن لمجموعة متنوعة من التطبيقات أن تستخدم تقنيات حرارة الهواء الشمسية لتقليل البصمة الكربونية من استخدام مصادر الحرارة التقليدية ، مثل الوقود الأحفوري ، لإنشاء وسائل مستدامة لإنتاج الطاقة الحرارية. يمكن معالجة تطبيقات مثل تسخين المساحات ، أو تمديد موسم الصوبة الزجاجية ، أو التهوية المسبقة للتسخين ، أو هواء المكياج ، أو حرارة المعالجة بواسطة أجهزة حرارة الهواء الشمسي. في مجال “التوليد المشترك للطاقة الشمسية” ، يتم إقران التقنيات الحرارية الشمسية مع الخلايا الكهروضوئية (PV) لزيادة كفاءة النظام عن طريق إبعاد الحرارة عن المجمعات الكهروضوئية ، وتبريد الألواح الكهروضوئية لتحسين أدائها الكهربي مع تدفئة الهواء في نفس الوقت لتدفئة الفضاء.
تدفئة الفضاء والتهوية
يمكن أن يتم تسخين الفضاء للتطبيقات السكنية والتجارية من خلال استخدام ألواح تسخين الهواء الشمسي. تعمل هذه التهيئة من خلال سحب الهواء من مغلف المبنى أو من البيئة الخارجية ونقله من خلال المجمع حيث يدفأ الهواء عن طريق التوصيل من الماص ، ثم يتم توفيره إلى المساحة المعيشية أو العاملة إما بوسائل سلبية أو بمساعدة معجب. كان جورج لوف (Löf) ، وهو شخصية رائدة في هذا النوع من الأنظمة ، هو الذي بنى نظامًا هوائيًا يعمل بالطاقة الشمسية في عام 1945 لشراء منزل في بولدر بولاية كولورادو. وفي وقت لاحق شمل سريرًا من الحصى لتخزين الحرارة.
مطلوب التهوية والهواء النقي أو هواء المكياج في معظم المباني التجارية والصناعية والمؤسسية لتلبية متطلبات الكود. عن طريق سحب الهواء من خلال جهاز تجميع الهواء غير الملصق غير المصقول بشكل مناسب أو سخان الهواء ، يمكن للهواء النقي المسخن بالطاقة الشمسية تقليل حمل التسخين أثناء التشغيل النهاري. يتم الآن تثبيت العديد من التطبيقات حيث يقوم المجمع المرتجل بالتسخين المسبق للهواء النقي الذي يدخل جهاز التنفس الصناعي لاستعادة الحرارة من أجل تقليل زمن التذويب من فيروس HRV. كلما زادت درجة حرارة التهوية ودرجة الحرارة كلما كان وقت الاسترداد أفضل.
التدفئة عملية
كما تستخدم حرارة الهواء بالطاقة الشمسية في تطبيقات المعالجة مثل تجفيف الغسيل والمحاصيل (مثل الشاي والذرة والقهوة) وغيرها من تطبيقات التجفيف. يمكن للهواء الذي يتم تسخينه من خلال تجميع الطاقة الشمسية ومن ثم تمريره عبر وسيط لتجفيفه أن يوفر وسيلة فعالة للحد من محتوى الرطوبة في المادة.
أنواع جامع تسخين الهواء الشمسي
عادة ما يتم تصنيف الهواة من خلال طرق مجاري الهواء الخاصة بهم كواحد من ثلاثة أنواع:
عبر جامعي
الجبهة مرور
تمرير الظهر
الجمع بين وجامعي التمريرات الخلفية
يمكن أيضا تصنيف جامعي السطح الخارجي:
لامع
غير المطلي
عبر الهواء جامع الهواء
تقدم أعلى كفاءة من أي تقنية شمسية ، تمريرة مرور عبر ، مجرى الهواء على جانب واحد من ممر الامتصاص عبر مادة مثقوبة ويتم تسخينه من الخصائص الموصلة للمادة وخواص الحمل الحراري للهواء المتحرك. تتميز ماصات الامتصاص عبر السطح بأكبر مساحة سطحية تسمح بمعدلات نقل حرارة عالية نسبياً ، ولكن يمكن أن يتطلب انخفاض كبير في الضغط قدرة أكبر على المروحة ، كما أن تدهور مواد امتصاص معينة بعد عدة سنوات من التعرض للإشعاع الشمسي يمكن أن يؤدي بالإضافة إلى ذلك إلى مشاكل في جودة الهواء والأداء. .
العودة ، الجبهة ، والجمع جامع الهواء المرور
في تكوينات التمريرات الخلفية ، التمريرات الأمامية ، والتكوينات المركبة ، يتم توجيه الهواء إما إلى الخلف ، أو إلى الأمام ، أو على كلا جانبي جهاز الامتصاص ليتم تسخينه من العودة إلى رؤوس أنابيب التزويد. على الرغم من أن تمرير الهواء على كلا جانبي الامتصاص سيوفر مساحة سطح أكبر لنقل الحرارة الموصلة ، يمكن أن تنشأ مشاكل مع الغبار (fouling) من تمرير الهواء على الجانب الأمامي للامتصاص مما يقلل من كفاءة الامتصاص عن طريق الحد من كمية ضوء الشمس التي يتم تلقيها . في المناخات الباردة ، سيؤدي الهواء المار بجانب الزجاج إلى مزيد من فقدان الحرارة ، مما يؤدي إلى انخفاض الأداء العام للجامع.
أنظمة زجاجية
عادةً ما تحتوي الأنظمة المزججة على لوح علوي شفاف ولوحات جانبية وخلفية معزولة لتقليل فقدان الحرارة للهواء المحيط. يمكن أن تمتص الألواح الماصة في اللوحات الحديثة نسبة امتصاص تصل إلى أكثر من 93٪. جامعي الطاقة الشمسية المزجج (الأنواع المعاد تدويرها التي تستخدم عادة لتدفئة الأماكن). الهواء يمر عادة على طول الجزء الأمامي أو الخلفي من لوحة امتصاص بينما تنقية الحرارة مباشرة منه. يمكن بعد ذلك توزيع الهواء الساخن مباشرة على التطبيقات مثل التدفئة والتجفيف في الفضاء أو يمكن تخزينه للاستخدام في وقت لاحق. يمكن أن يكون رد المبالغ المدفأة لألواح تسخين الهواء الشمسية المزجج أقل من 9 إلى 15 سنة اعتمادًا على الوقود الذي يتم استبداله.
أنظمة غير مزججة
وقد تم استخدام أنظمة غير مزججة أو أنظمة هواء فاتحة لتسخين الهواء المكعب أو التهوية في التطبيقات التجارية والصناعية والزراعية والتشغيلية. وهي تتكون من صفيحة امتصاصية يمر عبرها الهواء أو من خلالها ، حيث تقوم بتقشير الحرارة من الماص. تعتبر مواد التزجيج غير الشفافة أقل تكلفة ، وتقليل فترات الاسترداد المتوقعة. يعتبر جامعو الجسيمات المتقشرون “غير مزجج” لأن أسطح المجمع الخاصة بهم معرضة للعناصر ، وغالباً ما تكون غير شفافة ولا تغلق بإحكام.
غير مجمعة مجمعات الطاقة الشمسية
خلفية
يشير المصطلح “جامع الهواء غير المطلي” إلى نظام تسخين الهواء الشمسي الذي يتكون من ماص معدني بدون أي زجاج أو زجاج فوق. النوع الأكثر شيوعا من جامع غير المزجج في السوق هو المجمع الشمسي المخطَط. وقد تم رصد هذه التكنولوجيا على نطاق واسع من قبل هذه الوكالات الحكومية ، كما طورت شركة الموارد الطبيعية الكندية أداة الجدوى RETScreen ™ لتوضيح توفير الطاقة من خلال تجميع الطاقة الشمسية. منذ ذلك الوقت ، تم تركيب عدة آلاف من أنظمة تجميع الطاقة الشمسية في مجموعة متنوعة من التطبيقات التجارية والصناعية والمؤسسية والزراعية والعملية في بلدان حول العالم. كانت هذه التقنية تستخدم في الأساس في التطبيقات الصناعية مثل مصانع التصنيع والتجمع حيث كانت هناك متطلبات تهوية عالية وحرارة سقف طبقية ، وغالباً ما كان الضغط السلبي في المبنى. مع تزايد الدافع إلى تركيب أنظمة الطاقة المتجددة على المباني ، يتم الآن استخدام مجمعات الطاقة الشمسية المنتشرة في جميع أنحاء المبنى بسبب إنتاج الطاقة المرتفعة (يصل إلى 750 وات الحرارية / متر مربع) ، وتحويل الطاقة الشمسية (90٪) انخفاض تكاليف رأس المال عند مقارنتها بالتسخين الكهروضوئي الشمسي والطاقة الشمسية.
تسخين الهواء بالطاقة الشمسية هي تقنية تسخين الطاقة المتجددة المستخدمة لتسخين الهواء أو تكييفه للمباني أو معالجة تطبيقات الحرارة. وهي عادة ما تكون الأكثر فعالية من حيث التكلفة لجميع تكنولوجيات الطاقة الشمسية ، لا سيما في التطبيقات واسعة النطاق ، وهي تعالج أكبر استخدام لبناء الطاقة في المناخات الحرارية ، والتي هي تدفئة الفضاء وتسخين العمليات الصناعية. هم إما مزجج أو غير مزجج.
طريقة التشغيل
جامعات الهواء غير المزججة تسخن الهواء الخارجي (الخارج) بدلاً من الهواء المعاد تدويره. عادة ما يتم تركيب مجمعات الطاقة الشمسية المركبة على الحائط لالتقاط زاوية الشمس السفلية في أشهر التدفئة في فصل الشتاء وكذلك انعكاس الشمس من الثلج وتحقيق الأداء الأمثل والعائد على الاستثمار عند التشغيل بمعدلات تدفق تتراوح بين 4 و 8 CFM لكل قدم مربع (72 إلى 144 م 3 / س 2) لمنطقة المجمّع.
يتكون السطح الخارجي لهواة جمع الطاقة الشمسية من آلاف الثقوب الدقيقة الصغيرة التي تسمح للطبقة الحدية من الحرارة بالتقاطها وتجميعها بشكل موحد في تجويف الهواء خلف الألواح الخارجية. يتم سحب هواء التهوية الساخن هذا تحت ضغط سلبي في نظام التهوية في المبنى حيث يتم توزيعه عبر وسائل تقليدية أو باستخدام نظام مجاري الطاقة الشمسية.
الهواء الساخن الذي قد يدخل إلى نظام HVAC متصلاً بجامع منتشر يحتوي على منافذ هواء موضوعة على طول الجزء العلوي من المجمع ، خاصة إذا كان المجمع يواجه الغرب. ولمواجهة هذه المشكلة ، قامت شركة Matrix Energy بتسجيل براءة اختراع على مجمع جامع ذو وضع مخارج أقل للهواء وتأطير مثقوب لتجويف لزيادة الاضطراب الهوائي وراء الامتصاص المثقب لزيادة الأداء.
تُظهر هذه الرؤية الكثيفة مكونات تجميع الطاقة الشمسية في MatrixAir و تدفق الهواء. يخفف مدخل الهواء السفلي من كمية الهواء الساخن لنظام التدفئة والتهوية والتكييف (HVAC) أثناء التشغيل الصيفي.
وقد أظهرت المراقبة الشاملة من قبل الموارد الطبيعية الكندية و NREL أن أنظمة تجميع الطاقة الشمسية التي تم شطبها قد خفضت ما بين 10-50٪ من حمل التسخين التقليدي وأن RETScreen هو مؤشر دقيق لأداء النظام. تعمل أجهزة تجميع الطاقة الشمسية المرتقبة بمثابة حاجب للسباحة ، كما أنها تمسك بفقدان الحرارة المتسرب من مغلف المبنى الذي يتم تجميعه في تجويف الهواء الخاص بالهواة وإعادة سحبه إلى نظام التهوية. لا توجد صيانة مطلوبة مع أنظمة تسخين الهواء الشمسي ، ويبلغ العمر المتوقع أكثر من 30 عامًا.
أشكال مختلفة من تجميع الطاقة الشمسية
يمكن أيضًا تركيب أجهزة تجميع غير مزججة في السقف للتطبيقات التي لا يوجد فيها جدار ملائم للجنوب أو لاعتبارات هندسية أخرى. قامت “ماتريكس إنيرجي إنك” ببراءة اختراع منتج على السقف يسمى “دلتا” ، وهو عبارة عن نظام تسخين هوائي شمسي مركب على السقف حيث لا تتوفر الواجهات المواجهة للجنوب أو الشرق أو الغرب ببساطة.
كل وحدة من عشرة أقدام (3.05 م) سوف توفر 250 CFM (425 م 3 / ساعة) من الهواء النقي المسخن عادة مما يوفر توفير سنوي للطاقة مقداره 1100 كيلووات ساعة (4 جيجاوات) سنوياً. هذا المركب الفريد المكون من مرحلتين ، والذي تم تركيبه على السقف ، يعمل بكفاءة تبلغ 90٪ تقريبًا ، حيث تقدم كل وحدة أكثر من 118 لتر / ثانية من الهواء المسخن لكل متر مربعين. يمكن توصيل ما يصل إلى سبعة جامعات على التوالي في صف واحد ، مع عدم وجود حد لعدد الصفوف المتصلة على التوازي على طول قناة مركزية واحدة تنتج عادة 4 CFM من الهواء المسخن لكل قدم مربع من المساحة المتاحة للسقف. +
يمكن تكوين هواة جمع الجسيمات لتسخين الهواء مرتين لزيادة درجة حرارة الهواء التي تم تسليمها مما يجعلها مناسبة لتطبيقات التدفئة الفضائية وكذلك تسخين هواء التهوية. في نظام من مرحلتين ، تكون المرحلة الأولى هي المجموعة النموذجية غير المزججة النموذجية ، أما المرحلة الثانية فتحتوي على أعمال التزجيج التي تغطي المجمع المرتقب. يسمح التزجيج لكل هذا الهواء المسخن من المرحلة الأولى بتوجيهه من خلال المجموعة الثانية من المجمعات المرتدة للمرحلة الثانية من التسخين الشمسي.
مجمعات شمسية حرارية لتوليد الكهرباء
يتم استخدام أحواض وأطباق وأبراج مكافئة في هذا القسم بشكل شبه حصري في محطات توليد الطاقة الشمسية أو لأغراض الأبحاث. وقد استخدمت أحواض مكافئ لبعض أنظمة تكييف الهواء الشمسية التجارية. على الرغم من البساطة ، هذه المكثفات الشمسية بعيدة جدا عن التركيز الأقصى النظري. على سبيل المثال ، فإن تركيز الحوض المكافئ هو حوالي 1/3 من الحد الأقصى النظري لزاوية القبول نفسها ، أي لنفس التفاوتات الإجمالية للنظام. يمكن الوصول إلى الحد الأقصى النظري باستخدام مكثفات أكثر تفصيلاً استنادًا إلى بصريات غير مصورة. يمكن أيضًا استخدام مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية بالاقتران مع المجمعين الكهروضوئيين للحصول على الحرارة والطاقة المركّزة.
حوض ذو قطع مكافئ
يستخدم هذا النوع من المجمعات بشكل عام في محطات الطاقة الشمسية. يتم استخدام عاكس مكافئ ذو شكل منخفض لتركيز ضوء الشمس على أنبوب معزول (أنبوب ديوار) أو أنبوب حراري ، يوضع في النقطة المركزية ، ويحتوي على سائل التبريد الذي ينقل الحرارة من المجمعات إلى الغلايات في محطة الطاقة.
طبق مكافئ
وبجمع أدوات مكافئ الأطباق ، تركز واحدة أو أكثر من أطباق مكافئ الطاقة الشمسية في نقطة بؤرية واحدة ، على غرار الطريقة التي يركز بها التلسكوب العاكس على ضوء النجوم ، أو يركز هوائي الطبق على الموجات الراديوية. يمكن استخدام هذه الهندسة في الأفران الشمسية ومحطات الطاقة الشمسية.
ويعني شكل القطع المكافئ أن الأشعة الضوئية الواردة التي تتوازى مع محور الصحن ستنعكس نحو التركيز ، بغض النظر عن مكان وصولها إلى الطبق. يصل الضوء من الشمس إلى سطح الأرض بشكل شبه موازٍ تمامًا ، ويتم محاذاة الطبق مع محوره الذي يشير إلى الشمس ، مما يسمح بظهور جميع الإشعاعات الواردة تقريبًا نحو النقطة المركزية للطبق. معظم الخسائر في مثل هذه المجمعات يرجع ذلك إلى عيوب في شكل مكافئ وانعكاس غير كامل.
وتكون الخسائر الناجمة عن الانتثار في الغلاف الجوي ضئيلة في العموم. ومع ذلك ، في يوم ضبابي أو ضبابي ، ينتشر الضوء في جميع الاتجاهات من خلال الغلاف الجوي ، مما يقلل بشكل كبير من كفاءة طبق مكافئ.
في صحن ستيرلينغ تصاميم محطة الطاقة ، يتم وضع محرك ستيرلينغ إلى دينامو ، في محور الطبق. هذا يمتص الطاقة التي تركز عليها وتحولها إلى كهرباء.
برج الطاقة
برج الطاقة هو برج كبير تحيط به مرايا تتبع تسمى heliostats. هذه المرايا تصطف نفسها وتركز ضوء الشمس على جهاز الاستقبال في الجزء العلوي من البرج ، يتم نقل الحرارة المجمعة إلى محطة كهرباء أدناه. يصل هذا التصميم إلى درجات حرارة عالية جدًا. درجات الحرارة العالية مناسبة لتوليد الكهرباء باستخدام طرق تقليدية مثل التوربينات البخارية أو تفاعل كيميائي مباشر بدرجة حرارة عالية مثل الملح السائل. من خلال تركيز ضوء الشمس ، يمكن للأنظمة الحالية الحصول على كفاءة أفضل من الخلايا الشمسية البسيطة. يمكن تغطية مساحة أكبر باستخدام مرايا غير مكلفة نسبياً بدلاً من استخدام خلايا شمسية باهظة الثمن. يمكن إعادة توجيه الضوء المركّز إلى موقع مناسب عبر كابل الألياف الضوئية لاستخدامات مثل إضاءة المباني. يمكن تحقيق التخزين الحراري لإنتاج الطاقة خلال الظروف الملبدة بالغيوم والمبيت ، وغالبًا عن طريق تخزين الخزان تحت الأرض للسوائل الساخنة. وقد استخدمت الأملاح المنصهرة للتأثير الجيد. كما اقترحت سوائل أخرى للعمل ، مثل المعادن السائلة ، بسبب خصائصها الحرارية الفائقة.
ومع ذلك ، تتطلب أنظمة التركيز تتبع الشمس للحفاظ على تركيز أشعة الشمس في المجمع. هم غير قادرين على توفير قوة كبيرة في ظروف الإضاءة المنتشرة. فالخلايا الشمسية قادرة على توفير بعض المخرجات حتى لو أصبحت السماء غائمة ، ولكن خرج الطاقة من أنظمة التركيز ينخفض بشكل كبير في الظروف الغائمة حيث لا يمكن تركيز الضوء المنتشر.