به گزارش سرویس انرژی عیارآنلاین، در قسمت‌های اول، دوم و سوم گرمایش خورشیدی، ضرورت گسترش فناوری آبگرمکن خورشیدی در کشور و مزایای اقتصادی، اجتماعی و زیست‌محیطی آن تشریح شد. در این یادداشت، انواع فناوری‌های مرتبط بررسی شده و مقایسه‌ای میان آنها انجام می‌شود.
1- انواع فناوری‌های رایج آبگرمکن خورشیدی در دنیا
یک سیستم آبگرمکن خورشیدی از اجزای متعددی از جمله صفحۀ جاذب (کولکتور)، مخزن، حسگرها، سیستم کنترل و لوله و اتصالات تشکیل شده است که ممکن است به پمپ نیز نیاز داشته باشد. تفاوت اصلی انواع سامانه‌های آبگرمکن خورشیدی به نوع صفحۀ جاذب و سیستم گردش سیال ارتباط دارد. در حالت کلی، فناوری صفحۀ جاذب در آبگرمکن‌های خورشیدی به سه دسته کلی شامل آبگرمکن‌های لوله خلأ، آبگرمکن‌های صفحه تخت شیشه‌دار و آبگرمکن‌های صفحه تخت بدون شیشه تقسیم می‌شود. سیستم گردش سیال نیز به دو نوع تحت فشار (دارای پمپ) و گردش طبیعی (بدون پمپ) دسته بندی می‌شود. در عین حال سیستم می‌تواند دارای سیال واسط باشد و یا بدون سیال واسط کار کند که توضیح هر کدام از این سیستم‌ها در این یادداشت ارائه می‌شود.
1-1- آبگرمکن‌های لوله خلأ
آبگرمکن‌های خورشیدی لوله خلأ جدیدترین نوع آبگرمکن خورشیدی رایج در دنیا هستند (شکل 1). در این نوع آبگرمکن لولۀ خارجی دستگاه از شیشه ساخته شده است تا نور را به لولۀ داخلی عبور دهد. سطح لولۀ داخلی با جاذب تابش پوشیده شده است تا نور را به حرارت تبدیل کند. آب بهداشتی یا سیال واسط که درون لولۀ داخلی در گردش است، حرارت را جذب می‌کند. فضای بین لولۀ داخلی و خارجی خلأ نسبی است که در نقش عایق عمل می‌کند و سبب می شود تلفات حرارتی به حداقل برسد. در نتیجه این آبگرمکن حتی در مناطق سردسیر در صورتی که از تابش آفتاب مناسبی برخوردار باشند، بازدهی قابل قبولی دارد. نسل جدید این نوع از آبگرمکن‌ها با نام heat pipe، دارای ساختار متفاوت و پیچیده‌تری است اما اصول عملکرد آن تفاوت چندانی ندارد.
شکل 1. نمونه‌ای از آبگرمکن‌های لوله خلأ
2-1- آبگرمکن‌های صفحه تخت شیشه‌دار
در آبگرمکن‌های صفحه تخت شیشه‌دار، سیال در تعدادی لولۀ مسی که به یک صفحۀ جاذبِ تابش چسبیده‌اند جریان دارد و از این طریق گرم می‌شود. بر روی صفحۀ جاذب، یک شیشۀ ضخیم قرار می گیرد تا ضمن عبور نور، تا حد ممکن از اتلاف حرارت سیستم جلوگیری کند (شکل 2).
شکل 2. نمونه‌ای از آبگرمکن‌های صفحه تخت شیشه‌دار
3-1- آبگرمکن‌های صفحه تخت بدون شیشه
آبگرمکن‌های صفحه تخت بدون شیشه لوله‌های پلیمری باریکی دارد که سطح آنها با مادۀ جاذب پوشانده شده است (شکل 3). این سیستم‌ها عایق‌بندی، بدنه و شیشه ندارد و به همین دلیل اتلاف حرارت در آنها از سایر آبگرمکن‌ها بیشتر و در نتیجه بازدهی آنها کمتر است.
شکل های 3 و 4. نمونه‌ای از آبگرمکن‌های صفحه تخت بدون شیشه و بسته‌بندی آن
4-1- سیستم گردش سیال
به طور کلی، آبگرمکن‌های خورشیدی بر اساس سیستم‌های گردش آب به دو نوع باز و بسته تقسیم‌بندی می‌شوند. در سیستم باز، آب گرم مصرفی در لوله‌های آبگرمکن جریان می‌یابد و پس از جذب گرما به محل مصرف منتقل می‌شود. اما در سیستم بسته، یک سیال واسط که در مقابل یخ‌زدگی هم مقاوم است (معمولاً مخلوط آب و پروپیلن گلیکول [1]) در آبگرمکن خورشیدی جریان می‌یابد و پس از جذب تابش خورشید، بدون این‌که با آب بهداشتی مخلوط شود، حرارت را از طریق یک مبدل به آن منتقل می‌کند*. در سیستم بسته احتمال یخ‌زدگی و همچنین تجمع رسوب در لوله‌های دستگاه کمتر است.
همچنین سیال در یک سیستم می‌تواند یا از طریق پمپ و یا بدون پمپ و از طریق گردش طبیعی جریان یابد. سیستم بدون پمپ ساده‌تر و کم هزینه تر است اما مخزن آب گرم الزاماً باید بر بالای صفحۀ جاذب دستگاه نصب شود و به همین دلیل، فضای نصب محدود می‌شود؛ در حالی که در سیستم دارای پمپ، ابعاد و محل نصب مخزن محدودیتی ندارد. به علاوه، سرعت گردش پایینِ آب در سیستم بدون پمپ احتمال بروز یخ‌زدگی را افزایش می‌دهد.
2- مقایسۀ انواع فناوری‌های آبگرمکن خورشیدی
لوله‌های یک آبگرمکن لوله خلأ معمولاً شکننده‌تر از شیشۀ به کار رفته در آبگرمکن صفحه تخت است. اما اگر یکی از آنها بشکند تنها لازم است همان لوله عوض شود، حال آنکه آسیب دیدگی بخشی از یک سطح جاذب در آبگرمکن صفحه تخت شیشه‌دار ممکن است کل سیستم را دچار مشکل کند.
آبگرمکن‌های لوله خلأ به دلیل بازدهیِ بیشتر، فضای کمتری در محل نصب اشغال می‌کنند. به عنوان مثال، سطح جاذب مورد نیاز در یک آبگرمکن لوله خلأ با مخزن 200 لیتری، حدود 2 متر مربع است در حالی که یک آبگرمکن تخت شیشه‌دار با مخزن مشابه، نیازمند 3 تا 4 متر مربع سطح جاذب است.
هزینۀ تمام شدۀ سیستم آبگرمکن خورشیدی کاملاً وابسته به بازار محلی است. به عنوان مثال در کشور آمریکا که خود تولید کنندۀ آبگرمکن‌های صفحه تخت است و آبگرمکن‌های لوله خلأ را وارد می‌کند، سیستم صفحه تخت ارزانتر تمام می‌شود. اما در کشور ما، با توجه به واردات آبگرمکن‌های لوله خلأ از چین و ترکیه، قیمت یک سیستم لوله خلأ به میزان قابل توجهی پایین‌تر است. قیمت یک دستگاه آبگرمکن لوله خلأ متناسب با یک خانوادۀ 4 نفره با مخزن 200 لیتری، 40% کمتر از دستگاه صفحه تخت شیشه‌دار با حجم مخزنِ مشابه است.
بررسی‌ها نشان می‌دهد در آب‌وهوای سرد و ابری و در مناطق معتدل، آبگرمکن‌های لوله خلأ به دلیل وجود فضای خلأ بین هوای محیط و سطح جاذب، اتلاف حرارتی کمتر و بازدهی بیشتری دارند و در نتیجه استفاده از آنها ترجیح دارد [2 تا 6]. در آب‌وهوای گرم و تابش آفتاب مناسب، هر دو نوع آبگرمکنِ لوله خلأ و صفحه تخت شیشه‌دار توانایی تامین آب گرم مصرفی را دارند و تفاوت چندانی میان بازدهی آنها وجود ندارد. البته در سیستم لوله خلأ، اگر حجم مخزن به اندازۀ کافی بزرگ در نظر گرفته نشود، ممکن است در روزهای گرم و آفتابی آب بهداشتی بسیار داغ و غیر قابل استفاده شود. به همین دلیل بهتر است در مناطق گرمسیری برای گرمایش آب به مقدار محدود، از آبگرمکن صفحه تخت استفاده شود.
اما نوع سوم دستگاه‌های آبگرمکن خورشیدی، یعنی آبگرمکن تخت بدون شیشه، ارزانتر از بقیۀ انواع است و با مشکل شکستن لوله یا شیشه مواجه نمی‌شود. به علاوه، انعطاف‌پذیری جنس لوله‌های آن هزینه‌های حمل‌ونقل و بسته‌بندی آن را کاهش می‌دهد (شکل 3). البته این آبگرمکن چون عایق‌بندی و پوشش شیشه‌ای ندارند، بخش زیادی از حرارت دریافتی را در تبادل حرارتی با هوای اطراف از دست می‌دهد و به همین دلیل تنها در مناطق گرم و برای گرمایش آب استخرها به کار می‌رود، چرا که اتلاف حرارتی این نوع آبگرمکن باعث می‌شود افزایش دمای بالایی در آب ایجاد نشود و در نتیجه نتوان از آن برای گرم کردن آب بهداشتی خانه‌ها استفاده کرد. به همین دلیل در استانداردهای حاکم بر آبگرمکن -های خورشیدی در نواحی گرمسیری آمریکا استفاده از این سیستم برای تهیۀ آب گرم مصرفی توصیه نشده است [7].
3- استفاده از فناوری‌های مختلف در ایران و جهان
شرکت بهینه‌سازی مصرف سوخت به عنوان متولی اصلی گسترش فناوری آبگرمکن خورشیدی در کشور، طی دهۀ گذشته برای نصب آبگرمکن‌های خورشیدی در نقاط مختلف کشور، به طور کامل از سیستم صفحه تخت شیشه‌دار و متناسب با فناوری روز اروپا استفاده کرده است [8]. البته در سال‌های اخیر، استفاده از آبگرمکن‌های لوله خلأ نیز در کشور رو به افزایش گذاشته است. کشور چین که بزرگترین تولیدکنندۀ آبگرمکن‌های لوله خلأ در جهان است تقریباً به طور کامل از این نوع آبگرمکن‌ها در بازار داخلی استفاده می‌کند. در کشورهای آمریکا و کانادا بخش اعظم سیستم‌های نصب شده از نوع صفحه تخت بدون شیشه و برای گرمایش آب استخرها بوده است. کشور آمریکا آبگرمکن‌های صفحه تخت را در داخل تولید و نیاز بازار به آبگرمکن‌های لوله خلأ را از طریق واردات تامین می‌کند. در سایر کشورها، به ویژه آلمان و ترکیه که از کشورهای پیشرو در زمینۀ استفاده از آبگرمکن‌های خورشیدی هستند، بازار تولید و مصرف عمدتاً بر روی آبگرمکن‌های صفحه تخت شیشه‌دار متمرکز است.
با توجه به ویژگی‌های هر یک از انواع سیستم‌های خورشیدی، در مناطق غرب و شمال غرب کشور، که از آب و هوای معتدل برخوردار هستند، استفاده از فناوری لوله خلأ اولویت دارد. در سایر مناطق کشور، می‌توان از آبگرمکن‌های صفحه تخت شیشه‌دار نیز بهره گرفت. البته به نظر می‌رسد اختلاف قیمت این دو سیستم در کشور باعث می‌شود رغبت بیشتری به استفاده از سیستم لوله خلأ وجود داشته باشد. در مناطق گرم جنوب کشور که شدت آفتاب به ویژه در طول تابستان بسیار زیاد است حتی می‌توان به استفاده از فناوری‌های ساده‌تر از قبیل آبگرمکن‌های صفحه تخت بدون شیشه نیز توجه کرد. هم اکنون شرکت‌های متعددی در کشور، انواع آبگرمکن‌های لوله خلأ و صفحه تخت شیشه دار را تولید می‌کنند. اغلب این شرکت‌ها صفحات جاذب تابش و لوله‌های خلأ را از کشورهای ترکیه و چین وارد و بقیۀ قطعات و لوازم را در داخل تولید می‌کنند. لازم است تولیدکنندگان و بازرگانان از یک سو و مسئولان و سیاستگذاران از سوی دیگر برای توسعۀ فناوری آبگرمکن‌های خورشیدی متناسب با شرایط اقلیمی کشور اقدام کنند تا شاهد بهره‌گیری حداکثری کشور از ظرفیت انرژی خورشید برای تولید حرارت باشیم.
*: لازم به ذکر است که محلول اتیلن گلیکول ممکن است باعث آلودگی آب بهداشتی شود و به همین دلیل به جای آن باید از پروپیلن گلیکول استفاده نمود. برای اطلاعات بیشتر به منبع [1] مراجعه نمایید.
منابع:
1) http://www.homepower.com/articles/solar-water-heating/domestic-hot-water/closed-loop-solar-hot-water
2) Solar Heating and Cooling Technology Roadmap, 2012, Inernational Energy Agency (IEA).
3) http://www.heliodyne.com/industry_professionals/downloads:
Evacuated Tube Comparison Study
4) http://www.homepower.com/articles/solar-water-heating/equipment-products/solar-collectors-behind-glass
5) www.apricus.com
6) http://SolarIsHot.com/
7) http://www.solarstandards.org/OurStandards
8) http://ifco.ir/building/renew/sunwaterheater.asp
