النصر سولر

السخانات الشمسية

السخانات الشمسية وسيلة لاستغلال الطاقة الحرارية الناتجة من اشعة الشمس في تسخين المياه في المنازل و الأغراض التجارية, و تحقق هذه النظم جدوى اقتصادية أعلى من الطاقة الشمسية الفولتضوئية حيث يمكن توفير 30% من فاتورة الكهرباء المنزلية بتكلفة يتم استرداها خلال 3 سنوات فقط.
هناك اربع مكونات رئيسية في اي سخان

  1. لواقط شمسية تقوم بتجميع اشعة الشمس فترتفع درجة حرارتها, و أكثر اللواقط المستخدمة انتشاراً هي المسطحة Flat Plate Collectors ولواقط الأنابيب المفرغة Vacuum Tubes Collectors.
  2. خزان معزول عزل حراري و سعة تبداء من 100 حتي 500 لتر في الأستخدامات المنزلية.
  3. هيكل تثبيت معدني يحمل للمجمعات الشمسية و الخزان معا , ويجب ان يتم التثيبت بما يحقق زاوية ميل مثالية كما هو الحال في الألواح الشمسية.
  4. ملف تسخين كهربائي إحتياطى Auxiliary Electric Heater يعمل بصورة تلقائية بواسطة حساس يقوم بقياس درجة حرارة المياه في الخزان. و تتراوح قدرة هذا الملف بين 2 و 4 كيلو وات ساعة لمعظم الأستخدامات المنزلية.
    و يتم استخدام هذا المصدر التقليدي للكهرباء في الشتاء أو في حال زيادة كبيرة و مؤقتة في استهلاك المياه مع عدم وجود لواقط شمسية كافية.

معايير اختيار السخانات الشمسية و تفييم جودتها

عند شراء سخان شمسي هناك مواصفات يجب معرفتها لتقييم جودة السخان و عمره الأفتراضي. و قد يصل سعر السخان الجيد الي 4 او 5 اضعاف سعر السخان الرخيص ذو نفس السعة!. فمثلأ يوجد تجاريا سخانات 200 لتر سعرها 300 دولار (6000 جنيه) و اخري سعرها 1200 دولار (24000 جنيه).
وليس من الضروري اقتناء افضل و اغلي الأنواع ذات العمر الأفتراضي الطويل و لكن من الضروري عدم الوقوع ضحية لعمليات الغش التجاري و شراء سخان ذات عمر افتراضي 3 سنوات بسعر مرتفع علي اساس انه سوف يعيش 20 عام. و قد يكون من المناسب مثلأ شراء سخان ب300 دولار و عمره الأفتراضي 5-7 سنوات افضل من سخان سعره 1200 دولار و عمره 25 عام, لان الأختيار الرخيص سوف يوفر لك امكانية تغيير السخان مستقبلأ و الأستفادة من التطور التكنولوجي. و يمكن اعتبار عملية شراء سخان شمسي تماما مثل شراء كمبيوتر, فليس من المنطقي اختيار كمبيوتر عمره الأفتراضي 25 عام لأن في جميع الأحوال سوف تحتاج الي تغييره بعد 4 سنوات لتواكب التكنولوجيا الجديدة

  1. الأختيار بين السخانات الشمسية المسطحة و تقنية الأنابيب المفرغة – Vacuum Tubes
    1. النوع الأول: أنابيب مفرغة غير مضغوطة
      تعتمد هذه التقنية على أنابيب مفرغة تمتص الطاقة الحرارية بكفاءة عالية وتحولها إلى طاقة حرارية لتسخين المياه .
      حيث يتألف كل أنبوب مفرغ من أنبوبين من الزجاج ، أحدهما بداخل الآخر ، ويصنعان من زجاج البوروسيلكيت “Borosilicate ” الذي يتميز بالمتانة ، ومقاومته للكسر .
      السخانات الشمسية
      الأنبوب الخارجي شفاف ويسمح لأشعة الشمس بالمرور من خلاله بانعكاس قليل جدا، أما الأنبوب الداخلي الماص للحرارة فيطلى بطبقة سوداء أو زرقاء تمتص أشعة الشمس الساقطة عليه بنسبة تصل إلى 95% .
      يتم تثبيت نهايتي الأنبوبين مع بعضهما بطريقة الصهر” Fusion “بعد تفريغ الهواء الموجود بينهما تحت درجة حرارة عالية ، وينتج عن عملية التفريغ هذه وجود منطقة عزل Vacuum بين الأنبوبين ، وهذا ما يجعل تلك الأنابيب متميزة بكفاءتها حيث يمنع هذا الفراغ تسرب الطاقة الحرارية التي اكتسبتها المياه و وقف عمليتي التوصيل و الحمل الحراريتين, لذلك نجد أن الأنبوب الداخلي قد تتجاوز درجة حرارته 95 درجة مئوية في حين يبقى الأنبوب الخارجي باردا . مما يؤدي إلى الحيلولة دون عملية فقدان الحرارة المكتسبة التي تحدث في السخانات الشمسية التقليدية المسطحة. هذه الكفائة العالية تجعلنا نستطيع الحصول علي الماء الساخن المطلوب بتكلفة و مساحة قليلة.
      في هذا النظام المياه تتدفق فعليا داخل الأنبوب الداخلي, و يوضع الخزان بشكل أفقي أعلى من الأنابيب ويوصل معها من الأسفل وهكذا يهبط الماء البارد المتجمع في أسفل الخزان الى اللواقط ليسخن ومن ثم يعود الى الخزان في أعلاه. و من المعروف ان الماء الدافئ أخف وزنا من الماء البارد فيرتفع إلى أعلى الأنبوب حيث يملأ الخزان, و الماء البارد الأثقل وزنآ يهبط لأسفل ألأنبوب فيتعرض للأشعاع الشمسي و يتم تسخينه, هذه الظاهرة الطبيعية معروفة بأسم الثيرموسيفونية thermo-siphoning.

      و لأ يوجد في هذا النظام اي مواسير نحاس مكلفة مثل السخان الشمسي المسطح, ما يجعل سعره رخيص نسبيا.
      تستخدم هذا السخان فقط في نظام الحلقة المفتوحة Open Loop بالضغط الجوي العادي حيث لأ يمكن ضغط الماء في الأنابيب الزجاجية.
      عيب هذه السخانات هو ان الجوانات الكاويش بين الأنابيب الزجاجية و الخران تتلف بعد فترة قصيرة و يحدث تسريب للمياه. يمكن صيانة هذه الجوانات و تغييرها بصفة دورية و لكن في النهاية يصبح النظام غير فعال و مزعج. العمر الأفتراضي للسخان الأنابيب المفرغة لأ يتجاوز 7 سنوات و ضمانه 5 سنوات فقط في افصل الأنواع و سنة واحدة فقط في الأنواع الصيني.
      هذا النوع مثالي في تطبيقات تسخين لأ تحتاج الي ضغط الماء مثل حمامات السباحة و الأماكن النائية أو التي لأ يصلها شبكة مواسير مياه باردة و تعتمد علي خزانات المياه العلوية الغير مضغوطة, فيتم هنا وضع خزان الماء الساخن للنظام الشمسي بجانب خزانات الماء البارد فيصل الماء البارد و الساخن الي نقطة الأستخدام بنفس ضغط الجاذبية الطبيعي دون تدخل اي مضخات.
    2. النوع الثاني: السخانات الشمسية المسطحة Flat plate collectors
      السخانات الشمسية المسطحة
      المجمع الشمسى في هذه السخانات عبارة عن لوح رقيق جداً من الألومنيوم Absorber مدهون بمادة ماصة لاشعة الشمس. و يتدفق الماء المراد تسخينه في مواسير نحاسية داخل هذه اللواطق فيحدث التبادل حراري.
      يتم وضع سطح الامتصاص و المواسير داخل هيكل معدني معزول بالصوف الزجاجي أو البولي يوريثان ومحكم الاغلاق من الأعلى بطبقة من الزجاج سمكها 4مم بهدف الاحتفاظ بالحرارة في الداخل وتقليل الفواقد الحرارية
      ميزة هذا النوع من السخانات الشمسية ان عمره الأفتراضي كبير يصل الي 25 عام و الأنواع الجيدة منه تأتي بضمان 10 سنوات و لكن عيبه ان درجات حرارة المياه التي نحصل عليها اقل من سخانات الأنابيب المفرغة. فنحات الي مسطحات للمجمعات الشمسية اكبر.
      سعر هذا السخان مرتفع نتيجة تكلفة المواسير النحاسية التي تغذي الخران
      يفضل استخدام هذا النظام في التطبيقات المنزلية و الأدارية العادية و تنفيذ مضخة لضغط مواسير الماء الساخن.
  2. مساحة المجمعات الشمسية

    في السخانات المسطحة Flat Plate يجب ان تتناسب مساحة المجمعات الشمسية مع سعة السخان. و بصفة عامة في الدول العربية نحتاج الي مساحة من 1.2 الي 1.5 م2 لكل 100 لتر سعة للسخان و تزيد هذه المساحة كلما اتجهنا شمالأ, ففي شمال أوروبا نحتاج الي 4 م2 لكل 100 لتر. هذه المساحة سوف توفر لك مع 90٪ من متطلبات المياه الساخنة في الصيف و 60% في الشتاء. فمثلأ لو عندنا سخان سعته 300 لتر يجب ان لأ تقل مساحة المجمع الشمسي عن 3.6 م2 حال تركيبه في جدة أو 4.5 م2 في حال تركيبه بتونس. و من الملاحظ هنا ان بعض الشركات المخادعة أو الضعيفة فنيا تقوم بتركيب مجمعات شمسية صغيرة مساحتها لأ تتناسب مع حجم السخان الي الزبائن قليلي الخبرة الذين يسألون فقط عن سعة السخان بالتر دون الخوض في اي تفاصيل
    اما سخانات الأنابيب المفرغة فتحتاج مسطح اقل نتيجة الكفائة الأعلي, و في الدول العربية نحتاج الي مساحة من 0.9 الي 1.1 م2 و عشرة انابيب لكل 100 لتر سعة للخزان, فمثلأ السخان سعة 300 لتر يحتاج الي مساحة 3.3م2 و 30 أنبوبة مفرغة. و مرة اخري كما في السخانات المسطحة التوفير في مسطح و عدد الأنابيب مجال خصب للغش التجاري يجب الأنتباه له عند الشراء.

  3. فائدة السخانات المضغوطة؟

    السخانات المسطحة ذات الدائرة المضغوطة pressurized تتحمل ضغط مياه يصل الى 10 بار و يتم تركيب مضخة للحصول على الماء الساخن تحت ضغط يتساوي مع ضغط الماء البارد في شبكة المواسير القادمة من الشارع, و ذلك يسهل عملية خلط الماء البارد و الساخن في الخلاط عند مكان الأستعمال نتيجة تساوى الضغوط.
    أما سخانات الأنابيب المفرغة الغير مضغوطة فتعتمد على وجود السخان الشمسى فى أعلى نقطة بالمبنى, و يكون نزول الماء تحت تأثير الجاذبية الارضية فقط, مما له تاثير سلبى على قلة تدفق المياه الساخنة و صعوبة خلطها بالماء البارد خاصة فى الادوار العليا للمبني, نتيجة قلة ضغط الماء الساخن.
    طبعا النوع المضغوط يحتاج الي استخدام سمك مواسير نحاس اكبر لتتحمل الضغوط و مواصفات اعلي للخزان و ذلك بخلاف سعر المضخة. هذه التكلفة الأضافية تصل الي 20% – 30% من اجمالي سعر النظام
    و من عيوب هذا النوع المضغوط هو الحاجة الي صيانة المضخة.
    و بصفة عامة يفضل استخدام السخانات المسطحة المضغوط في المنازل العادية.

  4. دائرة مغلقة ام مفتوحة؟ Closed vs Open Loop

    السخانات الشمسية تنقسم الي نوعين:

    1. السخانات ذات الدائرة المفتوحة Open loopسخان دائرة مفتوحة
      جميع سخانات الأنابيب المفرغة تندرج تحت هذا النظام.
      اما السخانات المسطحة فيكمن ان تكون اما دائرة مفتوحة أو مغلقة.
      يمر الماء المراد تسخينه مباشرة خلال المجمع الشمسي الي الخزان
      عيب هذا السخان ان يحدث به انسداد في المواسير النحاس داخل المجمع الشمسي نتيجة وجود شوائب في الماء. و بالتالي يحتاج الي صيانة دورية.
      لأ يمكن استخدام هذا النظام في الأماكن التي تتعرض لدرجات حرارة اقل من صفر نتيجة تجمد المياه في المواسير مع عدم وجود اي اضافات للماء تمنع التجمد Anti freeze
      يمكن استخدام هذا النظام في الأماكن التي تتمتع بنقاء المياه في شبكة المدينة.

    2. السخانات ذات الدائرة المغلقة Closed loopسخان دائرة مغلقة

      ماء المستهلك لا يمر مباشرة إلى المجمعات الشمسية بل يتم تسخينه داخل الخزان عن طريق مبادل حراري مغمور داخل المياه المراد تسخينها كما و موضح بالرسم التخطيطي في الصورة ويمثل المجمع الشمسي والمبادل الحراري المغمور دائرة مغلقة يمر خلالها مياه مقطرة مضافا إليها إضافات كيماوية مانعة للصدأ.
      بسبب إغلاق الدائرة يمكن للضغط أن يتراكم مع ارتفاع درجة الحرارة. و بالتاي هذا نظام يلزم له تركيب صمامات تخفيف الضغط و خزان تمدد لأغراض السلامة
      طبعا هذا النظام اغلي في السعر نتيجة استخدام مواسير نحاسية اكثر سمكا تتحمل الضغط العالي بخلاف الي وجود مكونات أضافسة مثل صمامات الأمان و خزان التمدد
      فوائد الدائرة المغلقة:

      1. عدم انسداد المواسير النحاسية داخل المجمعات الشمسية في الأماكن التي تعاني من ارتفاع نسبة الرواسب و الشوائب في الماء
      2. إطلالة عمر السخان الشمسي بالمناطق التي توجد بها مياه ذات درجة ملوحة ملحوظة
      3. في الأماكن الباردة التي تعاني من درجات حرارة اقل من صفر يمكن وضع محلول propylene glycol مانع لتجمد السائل داخل الدائرة المغلقة
      4. يمكن تركيب خزان المياه في اي مكان و لأ يشترط ان يكون فوق المجمعات الشمسية
  5. مادة و لون طلاء اللواقط

    تطلى اللواقط الشمسية (المسطحة والأنبوبية) بطلاء خاص Selective Coating لونه اسود أو ازرق.
    الطلاء الأسود مصنوع من مادة الكروم black chrome و يمتص أشعة الشمس بنسبة 90% good absorption الأ انه يفقد جزء من هذه الحرارة حيث الكروم له معامل الأصدار emissivity rate يصل الي 15%
    اما الطلاء الأزرق فمصنوع من مادة التيتانيوم blue titanimum و المعروف تجاريا باسم Tinox التي تنتج في المانيا و يمتص نسبة فائقة من الأشعة الشمسية تصل الي 95% و تحتفظ بالحرارة بصورة جيدة جدا لأنها تتمتع بمعامل اصدار منخفض low emissivity rate يتراوح بين 3% و 5% فقط. فتقل الفواقد الحرارية و يتم تحسن مردود اللواقط الشمسية عند استخدامه . و لذلك عند المفاضلة بين طلاء اللواقط الشمسية يفضل التيتانيوم الأزرق و هو بالطبع اغلي سعرآ , علي عكس ما قد تتصوره للوهلة الأولي ان الأسود افضل الأنواع

  6. مادة تصنيع الخزان

    الأنواع الجيدة ذات العمر الأفتراض الذي يصل الي 25 عام يجب ان تكون الخزانات من الأستلس ستيل 316 المانع للصدأ تماما. و سمك الخزان يتراوح بين 2 الي 3 مم في الأنواع التي تتحمل اكثر من 6 بار ضغط.
    فلو كان اختيارك للسخان علي اساس العمر الطويل يجب ان تتأكد ان الخزان استنلس حتي تحقق هذا الهدف المنشود, و لو كنت تختار سخان بسيط و تعرف مسبقا انك سوف تقوم بتبديله بعد 5 سنوات فمن المضحك شراء سخان ذو خزان استنلس مع ضعف باقي المواصفات في مكونات النظام!
    الخيار الثاني و الأكثر شيوعا لخزانات المياه هي الحديد المطلي بالمينا الزجاجي Glass or enamel-coated steel بطبقتين سمك 0.25 – 0.40 مم , هذه الخزانات يصل عمرها الأفتراضي الي 10 سنوات و سعرها مناسب.
    اما في السخانات الرخيصة ذات العمر الأفتراضي القصير فيتم تصنيع الخزان من الحديد المجلفن بسمك ضعيف, و لأ ينصح بأستخدام هذا النوع اطلقا خاصة عندما يكون الماء الساخن في الخزان تحت ضغط.
    جلفنة الحديد تتم باستخدام مادة الزنك, و من المعروف علميا ان الزنك يفقد قدراته في الحماية من الصداء عند درجة حرارة 80 مئوية, و هي قيمة بسيطة و عادية جدا داخل خزانات المياه الساخنة.
    و من ضمن الخدع التجارية كتابة عبارة “مقاوم للصداء” امام كلمة “حديد مجلفن”, لان الجلفنة تساعد علي مقاومة و لأ تمنع الصدأ.

  7. عزل الخزان

    العزل الحراري للخزان ذات أهمية قصوي للحد من فقدان الحرارة أثناء الليل. و من مواد العزل النموذجية البولي يوريثين الرغوي foamed polyurethane بسمك يتراوح بين 5 و 10 سم. درجات الحرارة في أحدث جيل من خزانات المياه تنخفض أقل من 3 درجات مئوية في اليوم الواحد

  8. شهادات الأعتماد

    لو كنت تريد شراء سخان غالي و عمره الأفتراضي طويل فيجب التأكد ان يكون السخان بجميع مكوناته حاصل علي شهادة معتمدة مثل Keymark بالنسبة الي منتجات الأتحاد الأوروبي أو شهادة IAPMO R&T بالنسبة الي المنتجات في باقي دول العالم

بعض الأسئلة الشائعة حول السخانات الشمسية

  1. كيف يمكن تحديد حجم السخانات الشمسية؟
    الاستهلاك العادي للشخص حوالي 120 لتر مياه يوميا. و السخان الشمسي قادر علي تسخين المياه في الخزان مرتين في اليوم خلال الشتاء و 3 مرات في الصيف, فمثلأ سخان 300 لتر يمكنه تسخين 600 لتر مياه يوميا في الشتاء و 900 في الصيف. و لذلك الشخص يحتاج الي 50 – 60 لتر سعة للسخان الشمسي. فمثلأ عائلة تتكون من 5 اشخاص تحتاج الي سخان سعته من 250 الي 300 لتر لكافة الأستخدامات المنزلية خلأل اليوم
  2. ما هي درجة الحرارة التي يتم ظبطها للترموستات
    من الضروري ضبط المنظم الحراري ( الترموستات ) في السخانات الشمسية عند درجة حرارة منخفضة ( 50 درجة مئوية مثلا ) حتى يتم الأستفادة القصوي من المنظومة فلأ يعمل عنصر التسخين المساعد سلبيا الأ لفترات محدودة قدر الامكان
  3. هل يمكن استعمال السخان الشمسي في الشتاء؟
    في الشتاء تكون أشعة الشمس ضعيفة و لذلك السخانات الشمسية تعمل بنظام هجين hybrid من الطاقة الشمسية و الكهرباء التقليدية. يجب تصميم السخان بحيث لأ تزيد نسبة الأعتماد علي الطاقة التقليدية عن 40% في الشتاء
  4. ما هي زاوية ميل المجمعات الشمسية؟
    يتم توجيه المجمعات الشمسية نحو الجنوب في النصف الشمالي من الكرة الأرضية مع تفادى حدوث ظلال على سطح المجمع من المباني المجاورة, تماما مثل الألواج الشمسية
    كما يتم استخدام افضل زاوية ميل شتوية طبقا للموقع الخغرافي, و بصفة عامة في مصر مثلآ هذه الزاوية 46 في الساحل الشمالي و 40 جنوبا عند أسوان
  5. لماذا يكون التدفق عند مخرج ماء ضعيف في بعض الأحيان؟
    يحدث ذلك في سخان الأنابيب المفرغة عندما تكون المياه غير مضغوطة بصورة كافية بسبب ان فرق الأرتفاع بين الخزان الشمسي و فتحة المخرج غير كافية و حل هذه المشكلة يكون إما بزيادة ارتفاع السخان و وضعه في مكان اعلي أو بزيادة أقطار الأنابيب.
    اما سبب ضعف الماء في السخانات المسطحة المضغوطة هو انسداد المواسير النحاس بسبب الرواسب أو تلف مضخة الضغط.
  6. ما هي المشاكل الكامنة في المنظم الإلكتروني و الحساس؟
    إن الوظيفة الرئيسية للمنظم هي التعبئة الأوتوماتيكية للماء في الخزان و التحكم بالسخان الكهربائي الأحتياطي. والمنظم لا يعمل بشكل صحيح عند تلف الحساس فلا يمكنه إظهار قيم حقيقية للحرارة ولا لمنسوب الماء وبالتالي عدم التحكم بالصمام الكهربائي بالشكل المطلوب. و العمر التشغيلي للحساس ليس طويلا فيجب تنظيفه أو تبديله بصورة دورية.
  7. ما هي الصيانة التي يجب ان اقوم بها للسخان
    تنظيف أسطح المجمعات الشمسية كلما دعت الضرورة ، وخاصة في المواسم ذات الرياح المتربة