خورشید سرمنشاء انرژی است، انرژی خورشیدی عظیم ترین منبع انرژی در جهان می باشد. این انرژی پاک، ارزان و بی پایان بوده و در تمام مناطق کشورمان و جهان قابل مصرف می باشد. آبگرمکن های خورشیدی از طریق جذب انرژی خورشید توسط صفحات جاذب ( کلکتور ) خود عمل می نمایند و راندمان گرمایشی آنها برحسب نوع کلکتور آنها متفاوت می باشد. آبگرم، در تمام ساعات شبانه روز یعنی در شبها و روزهای ابری، در مخزن دوجداره و عایق حرارتی که دمای آب را تا سه روز بدون تغییر حفظ می کند، نگهداری می شود. با استفاده از این سیستم می توان هزینه های مصرف گاز – گازوئیل و برق را به طور چشمگیری کاهش داد.

    همچنین هزینه های نگهداری و تعمیرات آب گرمکن های خورشیدی بسیار پائین و در حد صفر است زیرا هیچ قطعه متحرکی نداشته و طول عمر کارکرد سیستمها با کیفیت فنی بالا تا ۲۰ سال می رسد. باتوجه به ظرفیت بالقوه کشورمان از نظر انرژی خورشیدی و تعداد ساعات آفتابی بالایی که در بسیاری از نقاط کشور داریم، همچنین مشکلات زیست محیطی و هزینه بالای سوختهای فسیلی، لازم است تا از این فناوری روز دنیا بهره مند شویم.

    آبگرمکن خانگی خورشیدی

   جالب است بدانید که گرمایش آب و فضا مجموعاً بیش از ۸۰% انرژی را در ساختمان‌ها مصرف می‌کند (شکل 1) و بنابراین بیش از یک سوم کل انرژی مصرفی جهان در جهت گرمایش مصرف می‌شود. از این میان گرمایش آب به طور متوسط ۲۰ تا ۳۰ درصد کل انرژی مصرفی در خانه را مصرف می‌کند. بنابراین با استفاده از آبگرمکن خورشیدی می‌توان سالیانه ۷۰% انرژی مورد نیاز برای گرمایش آب را تامین کرد.

شکل(1). تقسیم بندی انرژی مصرفی خانگی

   بخش اصلی یک آبگرمکن خورشیدی کلکتور آن است که خود شامل یک ورق است که به‌وسیله تابش کلی خورشید حرارت یافته و حرارت خود را به یک سیال جذب کننده )مانند آب)  که داخل لوله در حال جریان است، منتقل می‌کند. رنگ این ورق همیشه تیره انتخاب می‌شود و دارای پوشش خاصی است که بتواند ضریب جذب انرژی را به حداکثر و ضریب پخش را به حداقل برساند. برای رسیدن به دمای بالا، مجموعه ورق و لوله‌ها را در داخل یک جعبه عایق با روکش شیشه قرار می‌دهند تا از اثر گلخانه‌ای بتوان استفاده کرد.

   آبی که با این روش گرم می‌شود، بر اثر اختلاف دما و با گردش طبیعی وارد یک تانک دوجداره شده و آب مخزن را گرم می‌کند. این آب گرم شده یا به طور مستقیم به مصرف گرمایش خانوار می‌رسد و یا توسط یک مبدل حرارتی دمای آب مصرفی خانواده را افزایش می‌دهد. شکل 2 طرح ساده ای از این آبگرمکن را نشان می‌دهد.

شکل (2). شماتیکی از کارکرد آبگرمکن خورشیدی

     انواع کلکتورهای خورشیدی

•      کلکتور‌های تخت Flat-plate collectors

   این کلکتور ساده‌ترین و پر استفاده‌ترین نوع کلکتور به‌شمار می‌رود. ساختار آن به شکل یک جعبه مستطیل شکل بوده که در داخل آن یک صفحه جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم با پوششی به رنگ‌های خاص است. این صفحه، جاذب انرژی حرارتی خورشید است. در زیر صفحه، لوله‌های کوچکی قرار گرفته که آب یا سیال انتقال حرارت در آن‌ها جریان دارد. اطراف کلکتور به منظور کاهش اتلاف حرارتی عایق بندی شده است. روی سطح جعبه نیز از پلاستیک شفاف یا شیشه پوشیده شده است.

شکل (3). نمایی از کلکتور‌های تخت Flat-plate collectors

•      کلکتورهای تحت خلا Evacuated-tube collectors

   جمع كننده خورشیدی تحت خلاء كه به Collector Glass-Metalمعروف می باشد همانند یك مبدل حرارتی دو لوله ای از دو لوله متداخل فلزی و شیشه ای تشكیل شده است. دراین جمع كننده عموماً لوله فلزی از جنس مس می باشد كه به نام لوله جاذب بوده بطوریكه سیال در داخل آن جریان دارد و لوله شیشه ای در بیرون قرار گرفته و از تلفات جابجایی بین محیط و لوله جاذب جلوگیری می كند. جهت به حداقل رساندن تلفات جابجایی، فضای بین دو لوله از هوا تخلیه می شود. عملكرد این مبدل به صورت ترموسیفون بوده كه بواسطه آن جریان سیال گرم در داخل جمع كننده در اثر اختلاف دانسیته سیال گرم و سرد صورت میگیرد. در اثر جریان سیال گرم در داخل مخزن ذخیره كوئیل دار، آب مصرفی گرم می شود. این موضوع نه تنها سبب كاهش هزینه های ساخت، پمپاژ آب و نگهداری سیستم میشود، بلكه این جمع كننده در دمای متوسط به لحاظ جذب تابش خورشیدی حداكثر در اثر تمركز اشعه تابیده شده در محور لوله ها عملكرد بهتری نسبت به جمع كننده های خورشیدی مسطح دارد.

شکل (4). نمایی از کلکتورهای تحت خلا Evacuated-tube collectors

   ساختار یا ساختمان آب گرمکن خورشیدی

   ساده‌ترین آب گرمکن خورشیدی از یک گردآور تخت (کلکتور) و یک مخزن ذخیره آب تشکیل شده است. شرایط لازم نصب این آب گرمکن آن است که قسمت فوقانی گرد آور پایین‌تر از قسمت تحتانی مخزن ذخیره قرار گیرد و حداقل انحراف گرد آور نسبت به سطح افق ، در حدود ۲۰ درجه رو به جنوب انتخاب شود.

شکل(5). معرفی قسمت های مختلف پنل خورشیدی

   طرز کار

   ابتدا مخزن آب گرم با آب سرد پر می‌شود و آب داخل لوله‌های گردآور ، هنگامی که خورشید روی سطح گرد آور می‌تابد به تدریج گرم شده و به کندی به طرف مخزن از طرف بالا ذخیره می‌شود، آب سرد مخزن نیز از طریق لوله دیگربه طرف قسمت پایین گردآور جریان یافته تا زمانی که تابش خورشیدی برای گرم کردن آب کفایت کند، این عمل ادامه می‌یابد.

      انواع سیستمهای آبگرمکن خورشیدی

•  آبگرمکن خورشیدی کم فشار (سیستمهای چرخش طبیعی – ترموسیفون)

   با آنکه چندین دهه از ساخت نخستین آبگرمکن خورشیدی ترموسیفون می گذرد، اما با این حال یکی از تکنولوژیهای برتر برای بکارگیری انرژی خورشید استفاده از این نوع آبگرمکنها می باشد. کارایی بالا، سهولت ساخت، عدم حضور قطعات متحرک و عدم نیاز به نگهداری، باعث برتری آبگرمکنهای ترموسیفون نسبت به نوع دیگر، یعنی آبگرمکنهای جابجایی اجباری شده است. در آبگرمکنهای خورشیدی چرخش طبیعی، مخزن ذخیره در ارتفاع مشخصی ( ۳۰ تا ۶۰ سانتیمتر) نسبت به بالاترین قسمت لوله های تحت خلا قرار داده می شود تا از چرخش معکوس سیال در ساعاتی که تابش خورشید وجود ندارد، جلوگیری شود.

   در اوایل صبح، تابش خورشید باعث گرم شدن آب در لوله های تحت خلا می شود. آب گرم شده آن با جابجایی طبیعی بالا رفته، به مخزن ذخیره می رسد و آب سرد مخزن از پایین آن به داخل لوله های تحت خلا جاری می گردد. به این ترتیب چرخش طبیعی براساس قانون چگالی آبگرم و سرد در جایی که تابش خورشید به اندازه کافی باشد، به خودی خود برقرار می شود. آبگرم به سمت بالا می رود و آب سرد بسمت پایین، بنابراین آبگرم در مخزن بالای آبگرمکن ذخیره می شود و امکان برداشت آبگرم از آبگرمکن خورشیدی فراهم می شود. این سیستم بسیار ساده، کارا و قابل اطمینان بوده ولی در شرایط آب و هوایی سرد و دماهای زیر صفر درجه کارایی خوبی ندارد. با این وجود می بایست حتما در مرتفع ترین قسمت ساختمان قرار گیرد تا بتواند آبگرم ساختمان را تامین نماید. حداقل ارتفاع مورد نیاز جهت تامین فشار آب از موقعیت مخزن آب تا مصرف کننده آب در این سیستم باید ۵ متر باشد. مشکل عمده این سیستم پدیده یخ زدگی در فصول سرد سال می‌باشد.

شکل (6). شماتیکی از عملکرد آبگرمکن خورشیدی کم فشار (سیستمهای چرخش طبیعی – ترموسیفون)

• آبگرمکن خورشیدی تحت فشار (جابجایی اجباری)

   این سیستم مدار بسته می‌باشد و برای جابجایی سیال از پمپ استفاده می‌کنند. تفاوت اصلی این نوع سیستم با آبگرمکن ترموسیفون در این است که آب داخل لوله های تحت خلا در این حالت تحت فشار به گردش در می آید. بدلیل اینکه لوله های تحت خلا از جنس شیشه هستند و تحمل فشار آب را ندارند، از لوله های هیت پایپ مسی بعنوان ناقل حرارت استفاده شده است. سر لوله های هیت پایپ در داخل مخزن آب قرار دارد، لوله های هیت پایپ که در داخل لول های تحت خلا قرار دارند، در اثر جذب انرژی خورشید گرم شده و گرمای خود را به آب درون مخزن آب منتقل می کنند.

   مزیت اصلی این سیستم این است که نیازی به اینکه آبگرمکن بر روی پشت بام قرار گیرد، نیست. بعبارت دیگر برخلاف آبگرمکن های کم فشار که می بایست حتما بر روی ارتفاع قرار گیرند تا بتوانند فشار آبگرم لازم را در خانه تامین نمایند، وجود ندارد و می توان آبگرمکن را در موقعیت دلخواه و مناسب مثلا در فضای زیر شیروانی، داخل حمام و یا در اطراف سقف قرار گیرد. این نوع سیستمها نیز به دو دسته مخزن مجزا و یکپارچه تقسیم می شوند و می توان مخزن آبگرمکن را از کلکتورهای آبگرم جدا نمود. برای جلوگیری از یخ زدگی از ضد یخ استفاده می‌شود. این سیستم در مناطقی که اختلاف دمای زیادی را تجربه می‌کند، کارایی کمتری دارد.

 شکل(7). شماتیکی از عملکرد آبگرمکن خورشیدی تحت فشار (جابجایی اجباری)

شکل(8). شماتیکی از مسیر لوله کشی آبگرمکن خورشیدی تحت فشار (جابجایی اجباری)

شکل(9). شماتیکی از آبگرمکن خورشیدی تحت فشار (جابجایی اجباری)

• آبگرمکن خورشیدی برگشت ثقلی

   سیستمهای برگشت ثقلی عموماً جزء سیستمهای غیرمستقیم گرمایش آب است که در آن آب در یک سیکل بسته حرارت خورشید را از کلکتور دریافت کرده و به وسیله یک مبدل حرارتی آب داخل مخزن را گرم می‌نماید. سیستم تا زمانی که انرژی خورشید به میزان کافی موجود باشد، کار می‌کند. در غیر اینصورت پمپ از کار افتاده و سیال داخل کلکتور در اثر نیروی گرانشی به داخل مخزن تخلیه می‌شود. این سیستم‌ها برای مناطقی که اختلاف دمای زیادی را تجربه می‌کنند بسیار مناسب است. سیستم برگشت ثقلی کلکتورهای SGPمتناسب با شرایط کشور ایران طراحی شده و بدلیل عدم استفاده از ضد یخ، نسبت به سیستم‌های ترموسیفون و تحت فشار برتری فراوانی دارد.

 شکل(10). نمایی از آبگرمکن خورشیدی برگشت ثقلی

   مکانیزم عایق بندی آبگرمکن خورشیدی

   بخش اصلی تشکیل دهنده آبگرمکن خورشیدی مجموعه لوله هایی است به نام کلکتور collectorکه از یک استوانه شیشه ای با روکشی از یک ترکیب خاص تیره رنگ که اشعه آفتاب آنرا بشدت داغ می کند. در داخل این استوانه ها آب جریان دارد که با جذب گرمای استوانه گرم می شود. برای جلوگیری از هدر رفت گرمای استوانه تیره رنگ ، با در نظر گرفتن یک لایه خلأ ، استوانه را داخل استوانه ای شیشه ای و بزرگتر قرار می دهند. لایه خلأ به دلیل قابلیت بالای عایق بودن اجازه نمی دهد گرمای استوانه ی داخلی به استوانه ی خارجی رسیده و تلف شود.

در زمستان برای استفاده از سیستم های خورشیدی با سه مسئله روبرو هستیم :

1. زاویه مایل تابش خورشید
2. دمای پایین هوا
3. روزهای کوتاه

   زاویه قرارگیری تیوبها در زمستان طوری تنظیم می شود که اشعه مایل خورشید کاملاً بر آن عمود می شود و بنابراین حتی بهتر از تابستان در واحد زمان اشعه خورشید را جذب می کند. این سیستم ها به دلیل عایق بندی قوی مشکلی با دمای پایین هوا ندارند و با وجود وکیوم یا خلا بین دو جداره تیوبها و لایه ضخیم پلی اورتان جداره تانکرها تقریباً هیچ گرمایی از سیستم خارج نمی شود. در روزهای ابری هم کلکتورها قابلیت جذب اشعه های پراکنده را دارند و با توجه به عایق بندی قوی این سیستم ها آب موجود در آنها حتی در شبهای سرد زمستان هم سرد نمی شود .

   مزایای استفاده از آبگرمکن های خورشیدی عبارتند از :

1. عدم وجود ادوات متحرک در سیستم یعنی اینکه کاملا بدون صدا می باشد .
2. بسیار قابل اطمینان بوده زیرا طول عمر پنل های آن پانزده الی بیست سال است .
3. گنجایش ۳۰۰ لیتری اینگونه آبگرمکن ها در پر مصرف ترین حالت تابستان روزانه برای استحمام و شستشو برای هفت نفر پاسخگو می باشد.
4. مخـازن دو جداره استـیـل با پوشش ۵.۵ سانتی متری عایق فشرده پلی اورتان .
5. قابلیت استفاده در تمامی فصول حتی در دمای ۳۰- درجه.
6. قابلیت گرمایش آب تا بیش از ۹۰ درجه در روزهای آفتابی و تا ۵۰ درجه درروزهای نیمه ابری (در دو ساعت اولیه دمای آب مخزن به ۴۰ الی۵۰ درجه رسیده و در عرض ۵ ساعت به بیش از ۹۰ درجه خواهد رسید.)
7. پس از طی چهار الی پنج سال سرمایۀ اولیۀ شما که جهت نصب و راه اندازی سیستم پرداخته اید به شما برگشت داده می شود و تا پایان عمر پنل ها از انرژی رایگان خورشید استفاده خواهید نمود .
8. کاملا امن و بی خطربوده و همیشه در دسترس میباشد .
9. پاک و بدون آلایندگی محیط زیست است .