مبدأ عمل السخان الشمسي

يحتاج الإنسان إلى العديد من الاحتياجات ليضمن العيش والبقاء على قيد الحياة، ولكن الإنسان يحتاج إلى الطاقة إلى جانب المأكل والمشرب والمسكن والمأوى، ولقد اعتاد الإنسان الانتفاع بمصادر الطاقة الموجودة من حوله دون أن يمنحها الاهتمام أو يوليها بالًا مثل طاقة الماء والرياح وغيرها، ولكن تزايد أعداد السكان على سطح الكرة الأرضية وزيادة الممارسات البشرية السلبية جعلت تلك المصادر المتجددة في خطر كبير، مما أعاد الوعي للأفراد بأهمية الحفاظ على هذه المصادر والاستفادة منها بأقصى درجة ومنها الطاقة الشمسية، وتُعرف على أنها الإشعاع الصادر بفعل الحرارة التي تنتجها، وذلك بسبب التفاعلات والانفجارت التي تحدث في الكرة الملتهبة للعناصر المكونة لها.

وتعد الشمس مصدرًا لا ينضب للطاقة المتجددة ، ولقد صُنفت الشمس كأقوى مصدر للطاقة بسبب الإشعاعات الهائلة التي تمتصها جزيئات الهواء والغيوم في الغلاف الجوي حال عبورها.

ويمكن تقسيم تلك الحرارة على النحو التالي: 50٪ من الضوء المرئي، و 45٪ من الأشعة تحت الحمراء، وكميات أصغر من الأشعة فوق البنفسجية وغيرها من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي، وغالبية تلك الأشعة آمنة ولا تشكل أي خطر على الإنسان باستثناء قدر قليل قد يسبب بعض الحساسية أو الالتهابات الجلدية أو الحروق في أوقات معينة عند ارتفاع الحرارة.

السخان الشمسي

حاول الإنسان اتخاذ جميع الإجراءات والوسائل التي تمكنه من استغلال الطاقة الشمسية والانتفاع بها بأقصى درجة، وأفضت محاولاته إلى طرق عدة واختراعات وابتكارات كثيرة من أهمها وأوسعها انتشارًا السخانات الشمسية، وهي عبارة عن تقنية لتسخين المياه باستخدام الطاقة الشمسية، إذ تُحول الطاقة الشمسية الواصلة إلى السخان إلى طاقة حرارية تبدأ برفع درجة حرارة المياه المخزنة في داخله.

وقد بدأ استعمال هذه التقنية في الولايات المتحدة الأمريكية كوسيلة لتسخين المياه قبل مطلع القرن الماضي وتحديدًا في عام 1891م، وكانت طريقة التسخين المستخدمة تعتمد على طلي الخزانات بالطلاء الأسود؛ لتمتص جدرانه أكبر كمية ممكنة من الحرارة لتسخين مياه الخزانات ولقد ساهمت هذه التقنية على بساطتها في توفير مقدار الطاقة الكهربائية التي يحتاجها الإنسان.

وفي غضون سنوات بسيطة أصبح أصحاب 30٪ من المنازل في ولاية كاليفورنيا يضعون خزانات شمسية على أسطح منازلها لتوفير المال والطاقة على حد سواء، ولكن هذا لا يعني أن المشروع الشمسي لم يواجه بعض العقبات والمشاكل في تاريخه الطويل؛ فبعد الحرب العالمية الثانية وجدت الولايات المتحدة الأمريكية نفسها تعاني من نقص شديد في عنصر النحاس الذي له أهمية كبيرة في السخانات الشمسية، بالإضافة إلى الأزمة التي تولدت عقب حظر منظمة الأوبك المتخصصة في النفط والوقود الأحفوري عامة، إلا أن تجارة السخانات الشمسية أصبحت أفضل في الثمانينات من القرن السابق بفضل إعادة الهيكلة وتوفير المواد والوعي الكبير اتجاه أهمية الحفاظ على مصادر الطاقة الطبيعية والصديقة للبيئة.

مبدأ عمل السخان الشمسي

تتكوّن آلية التّسخين من أربع طُرق هي، أولًا: نظام الدوران السلبي، إذ ينتقل الماء تلقائيًا في هذا النظام من المجمعات إلى خزان التخزين أثناء ارتفاعه وتحدث هذه العملية بسبب الحمل الحراري ولا يوجد حاجة لأي مضخة كهربائية. ثانيًا: نظام التداول المباشر وفي هذا النظام توزع المياه من خلال مجمعات الطاقة الشمسية؛ إذ تسخن بواسطة حرارة الشمس.

ويمكن توصيل أنابيب السخان هذه إلى سخان مياه أو يمكن استخدامها مباشرة، وهذا النظام مناسب في الأماكن التي لا تتساقط فيها الثلوج، أما إذا استخدم في الأماكن ذات المناخ البارد جدًا أو التي تتساقط فيها الثلوج فإنه يحتاج إلى الحماية من التجمد. ثالثًا: نظام دوران الحلقة المغلقة؛ إذ تُخزّن السوائل غير المجمدة في مجمعات تسخن حرارة الشمس من هذا السائل الذي يمر عبر مبادل حراري في خزان التخزين.

وتنقل هذه العملية الحرارة من السائل غير المتجمد إلى الماء في الخزان، ثم يتحول السائل غير المتجمد إلى المجمعات. رابعًا: نظام الدوران النشط أو ما يُسمّى بالدوران القسري يُستخدم فيه أدوات التحكم والمضخات الكهربائية والصمامات لإجبار الماء للانتقال من المجمع إلى خزان التخزين، ويستخدم هذا النظام على نطاق واسع في الولايات المتحدة الأمريكية، ولكن يعتمد مبدأ عمل السخان الشمسي على نوعية المجمعات الشمسية التي يحتويها، فلكل منها طريقة عمل تختص بها، ومن المعلوم أن درجة حرارة المياه المطلوبة للحرارة في السخان المنزلي تكون مُرتفعة نوعًا ما، وتختلف المجمعات الشمسية في كفاءة تسخين المياه عن بعضها، وفيما يأتي بيان لذلك:

– سخّانات اللواقط المسطحة.

– سخّانات لواقط الأنابيب المفرغة.

مكونات السخان الشمسي

يوجد العديد من أنواع السخانات الشمسية التي تختلف عن بعضها في الشكل والحجم والمواد وآلية التصنيع والاستخدام أيضًا، ولكنها تشترك في المكونات الأساسية التي سنذكرها في السطور التالية

– خزان مائي: إذ لا بد من وجود خزان توضع فيه المياه بعد تسخينها، ويعتمد حجمه على مقدار الاستهلاك اليومي، وغالبًا ما تتراوح السعة التخزينية في الخزان ما بين (100- 500) لتر، وأهم ما يميز هذه الخزانات مقدرتها على العزل الحراري؛ وذلك من أجل المحافظة على سخونة المياه لأطول وقت ممكن، والاستفادة منها في أثناء الليل أو عند انخفاض درجات الحرارة عامة.

-المجمعات الشمسية: وهي عبارة عن مجموعة من اللواقط التي تُستخدم من أجل تجميع أشعة الشمس ومن ثم ترتفع درجة حرارتها، ومن أكثر اللواقط المستخدمة شيوعًا هي اللواقط المسطحة ولواقط الأنابيب المفرغة.

– هيكل تثبيت معدني: يُثَبت كل من الخزان المائي والمجمعات الشمسية مع بعضهما، على أن تكون زاوية ميل تثبيت المجمعات بمقدار معين يسمح بزيادة مقدار الأشعة الشمسية الساقطة عليها.

– سخان كهربائي احتياطي: تُزوَد السخانات الشمسية بهذا السخان الذي يقيس درجة حرارة المياه بواسطة الحساس الموجود داخله، وتكمن وظيفة هذا السخان الاحتياطي في تسخين المياه المخزنة داخل الخزان في أوقات الشتاء على وجه التحديد، وكذلك في حالة زيادة الاستهلاك المنزلي للمياه الساخنة مع عدم وجود كمية كافية من اللواقط المستخدمة في التسخين.

– أنابيب الفولاذ: تتواجد هذه الأنابيب بالقرب من كابل استشعار درجة الحرارة، ويُصنع من الفولاذ لضمان مقاومة الصدأ على المدى البعيد وكذلك لتحمل درجات الحرارة المرتفعة وعدم السماح للماء بالتسرب.

– محول الصمامات: ويُستخدم هذا الجزء من أجل تشغيل صمام التحويل باستخدام الحرارة المتولدة من النظام الحراري الشمسي فقط، وتتميز هذه الصمامات بسهولة التركيب وغالبًا ما تُصنع في الولايات المتحدة الأمريكية على نطاق واسع.