کلکتور خورشیدی

1-تعریف کلکتور خورشیدی

گردآورنده های تخت خورشیدی ساده ترین و متداول ترین وسیله برای تبدیل انرژی تابشی خورشید به گرمای مفید می باشند.(یک گردآورنده خورشیدی را می توان به عنوان یک نمونه ویژه از مبدل گرما در نظر گرفت که انرژی تابشی خورشید را به گرما تبدیل می کند.)البته گردآورنده خورشیدی در مقایسه با سیستم های مبدل گرما دارای تفاوت هائی می باشد.در مبدل های گرمایی انتقال گرما معمولا از طریق جابجایی و رسانایی از سیالی به سیال دیگر اغلب با میزان خیلی زیاد به سیال دیگر انجام می گیرد و عملا انتقال گرما از طریق تابش در آنها بسیار ناچیز است، در حالی که در یک گردآورنده خورشیدی،انتقال گرما از طریق تابش نقش اساسی دارد.میزان انرژی تابشی خورشید بدون متمرکز کردن در بهترین شرایط عملی ،حدود 1100 وات بر مترمربع است و با شرایط جوی تغییر می کند.دامنه طول موج تابش که از نقطه نظر کاربرد انرژی خورشیدی اهمیت دارد ، از 0/29  تا 2/5  میکرومتر تغییر می کند که به هر حال ، از طول موج تابش های صادره از بسیاری از مواد جذب کننده انرژی کوتاه تر می باشد.بنابراین ، تجربه و تحلیل گردآورنده های تخت خورشیدی ، برعکس مبدل های گرمایی ، باید بر اساس میزان کم و متغیر انرژی که در آن انرژی تابشی مهمترین روش انتقال گرما است ، صورت گیرد.

solar collector

با طراحی درست گردآورنده های تخت عادی می توان دمای سیال خروجی از آنها را بنا بر نیاز به حدود 100 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای محیط رساند . گردآورنده های تخت هر دو جزء تابش خورشید یعنی تابش مستقیم و تابش پخش را جذب و به گرما تبدیل می کنند و ساخت آنها در مقایسه با گردآورنده های متمرکز کننده بسیار ساده تر می باشد .

2- متداول ترین کاربرد گردآورنده های تخت

عبارت است از گرم کردن آب مصرفی و فضای منازل و همچنین استفاده از آنها در تهویه مطبوع و بالاخره تهیه آب گرم یا هوای گرم مورد نیاز در فرآیندهای صنعتی ، گردآورنده های تخت را معمولا به طور ثابت نصب می کنند و به همین جهت دارای مشکلات مربوط به سیستم دنبال کننده خورشیدی که در گردآورنده های متمرکز کننده به کار می روند ، نمی باشند .

قسمت های مهم یک گردآورنده تخت عبارتند از یک صفحه جذب کننده و تعدادی لوله یا کانال متصل به صفحه جذب کننده و یا شیارهائی که در روی صفحه جذب کننده ایجاد می گردد . مواد نارسانا برای جلوگیری از به هدر رفتن گرمای گردآوری شده از طریق رسانائی و حداقل یک پوشش جهت مهار کردن گرما که از طریق جابجایی و تابش به کار می رود . و بالاخره ، یک قاب برای جا دادن قطعات مختلف گردآورنده در آن می باشد .

در برخی از گردآورنده های تخت صفحه جذب کننده و لوله ها یکپارچه بوده و یا مستقیما از لوله ها به عنوان صفحه جذب کننده استفاده می کنند تا هزینه ساخت گردآورنده را حتی الامکان کاهش دهند . قاب که در برگیرنده سایر قطعات گردآورنده می باشد باید طبیعتا از اجسامی انتخاب شود که در نتیجه ماندن در هوا و باد و باران ، پوسیده و شکسته نشود . صفحه جذب کننده را به طرق مختلف به رنگ سیاه مات در می آورند و به آن لوله هائی به صورت های مختلف نصب می کنند . صفحه جذب کننده را پس از آماده شدن در داخل قاب قرار می دهند . برای جلوگیری از اتلاف گرمای گردآوری شده در داخل قاب ، زیر صفحه جذب کننده و اطراف آن را با مواد عایق مناسب می پوشانند اما هنوز به علت باز بودن سطح بالای قاب ، اتلاف گرما به صورت جابجائی به هوای اطراف وجود دارد و به علاوه ، تمام سیستم در مقابل باد و باران و برف مصون نیست .

برای جلوگیری از اتلاف گرما به هوای اطراف از یک طرف و همچنین مقدار بیشتری گرما ، حداقل یک پوشش از یک صفحه شفاف مانند شیشه در بالای قاب قرار می دهند ، به جای شیشه می توان از مواد دیگری مانند انواع ورق های پلاستیکی استفاده نمود .(در اینجا ذکر این نکته لازم است که از نظر کاربرد های انرژی خورشیدی پوشش شفاف ورق است که در مقابل تابش گرما شفاف است ، نه لزوما در مقابل تابش نور ) میزان جذب یا عبور تابش گرما از اجسامی مانند شیشه یا ورق پلاستیکی بستگی به طور موج امواجی دارد که به آن اجسام برخورد می کند قسمت عمده تابش خورشیدی پس از گذشتن از جو و رسیدن به زمین از شیشه عبور می کند و قسمتی از آن توسط جذب کننده ای که در پشت شیشه قرار دارد ، جذب می شود و دمای آن افزایش می یابد . قسمت دیگری از این امواج که مقداری از انرژی خود را در اثر برخورد به جذب کننده از دست داده اند و طول موجشان افزایش یافته است ، بازتابیده می شوند . از طرف دیگر جذب کننده که خود گرم شده است ، و شروع به صدور امواج الکترومغناطیس می کند که طول موج آنها نیز به علت پایین بودن دمای جذب کننده بلند است . این امواج با طول موج بلند به شیشه برخورد می کنند ، ولی شیشه بنا بر خاصیتی که دارد این امواج را جذب و از عبور آنها جلوگیری می نماید . در نتیجه ، می توان گفت شیشه در مقابل این امواج بازتاب به عنوان جسم سیاه عمل می کند و در نتیجه ، گرما در پشت شیشه محبوس گردیده و دمای شیشه نسبت به دمای محیط افزایش می یابد ولی این دما به مراتب از دمای صفحه جذب کننده کمتر است . در حقیقت ، گرمای خورشید بدین وسیله به دام می افتد . چون بشر این کیفیت را از دیرباز در گل خانه ها می شناخته است ، آن را اثر گل خانه ای نامیده اند . در این نوشتار از این کیفیت به نام تله گرما نام برده خواهد شد  با توضیحاتی که داده شد ، به این نتیجه می رسیم که با قرار دادن یک شیشه در بالای قاب گردآورنده خورشیدی چند عمل مفید انجام می گیرد :

  • اول اینکه در نتیجه ایجاد تله گرما دمای زیر شیشه افزایش می یابد .
  • دوم آنکه از اتلاف گرما به هوای اطراف از طریق جابجایی جلوگیری می گردد .

البته هنوز مقداری اتلاف گرما به صورت جابجایی از شیشه به هوای اطراف صورت می گیرد ، ولی به هر حال چون این عمل در دمای به مراتب پایین تری نسبت به دمای صفحه جذب کننده انجام می گیرد ، طبق اصول انتقال گرما مقدار این اتلاف خیلی کمتر از وقتی است که خود صفحه جذب کننده در تماس با هوای اطراف باشد . هم چنین به علت فاصله کمی که بین صفحه جذب کننده و شیشه وجود دارد ، سرعت انتقال گرما به علت به وجود نیامدن کامل سلول های جریان جابجایی چندان زیاد نیست . در برخی از گردآورنده ها به جای یک پوشش از دو یا حتی سه پوشش استفاده می شود . شیشه علاوه بر تمام خواص فوق به عنوان یک پوشش محافظ ، برای گردآورنده در برابر باد و باران و برف می باشد .

شیشه های ضد انعکاس

در شیشه های متداول امروزی خورشیدی در هر دو طرف شیشه 4٪ اشعه بازتاب داده و جمعا 91٪ نور توسط شیشه جذب و به کلکتور خورشیدی وارد می شود . شرکت (S/A)Sunarc Technology که پوشش جاذب را می سازد ، در حال حاضر با همکاری شرکت Wagner&Coروشی را ابداع کرده است که در این روش بازتاب نور توسط شیشه بالایی آن قدر کم می شود که انتقال نور از 91٪ به 96٪ می رسد . اگر با روش هیدرواکسید بازتاب نور کم شود با این روش شیشه بالایی هموار می شود و ضریب انکسار از 1/53‌ به 1/3 کاهش یافته و مقدار انعکاس نور به مینیمم می رسد . از آنجایی که با این روش راندمان جذب نور تقریبا از 0/8 به 0/86 می رسد ، این روند به بهبود کار کلکتور می انجامد . اگر این روش مربوط به درجه حرارتی باشد که برای به کار انداختن کلکتور لازم است ، انتقال حرارت خالص از 7٪ به 10٪ می رسد .

آزمایش ها نشان می دهد که شیشه ضد انعکاس دارای شفافیت و استحکام دراز مدت است . تنها پس از 7 سال آزمایش در فضای باز آلودگی های موجود در محیط توانست انتقال بهبود یافته نور را که به اندازه 5٪ بود از0/5 %  به 4/5 %  کاهش دهد . با خودکار شدن روش هیدرواکسید ، این روند در یک مدار بسته انجام می گیرد که بدین ترتیب ماده زاید یا انتشار گرما رخ نمی دهد . آب محرک تصفیه می شود و دوباره به چرخه بر می گردد . البته بدون تردید مقادیر کمی از کلسیم و سیلیسیم نیز به وجود می آید.