دانلود تحقیق آبگرمکن خورشیدی

آبگرمکن خورشیدی

مقدمه:

سیستم های حرارتی خورشیدی نقش مهمی در انرژی خورشیدی دارد، استفاده از دستگاه های خورشیدی سابقه طولانی دارد، گفته شده است ارشمیدس تقریباً در سال 214 قبل از میلاد از آینه مقعر برای داغ کردن آب استفاده کرده است.

سیستم های حرارتی امروزی نیز کم هزینه ترین کاربرد انرژی خورشیدی را دارد.

حرارت خورشید استفاده از حرارت انرژی خورشید را توجیح می کند.

بنابراین تعداد متفاوتی از دستگاه های فنی وجود دارد که اضافه بر گرم کردن فضا، داغ کردن آب یا فرآیندهای صنعتی سیستم های انرژی خورشیدی را می توان برای سرمایش یا تولید برق با کارخانه های تولید برق خورشیدی مورد استفاده قرار داد.

قسمت های عملیاتی اصلی عبارتند از:

گرم کردن استخر شنای خورشیدی

آبگرمکن های خانگی خورشیدی

حرارت کم خورشید برای گرم کردن فضای داخل ساختمان ها

پردازش حرارتی خورشیدی

تولید برق خورشیدی

چون این حیطه های عملیاتی خیلی دور از دسترس هستند، این بخش فقط جنبه های مهم آبگرمکن های خانگی خورشیدی و استخرهای خورشیدی را با سیستم های دارای صفحات خورشیدی بسته و باز مورد بحث قرار می دهیم.

بخش های زیر به کاربرد بعضی کمیت های ترمودینامیک در توضیح اصول نیاز دارد.

جدول 1-3 مهمترین پارامترها، علائم آنها و واحدهایشان را نشان می دهد.

جدول 1-3: کمیت های ترمودینامیک را برای محاسبات حرارتی نشان می دهد.

نام

نشانه

واحد

حرارت، انرژی

جریان حرارت

درجه حرارت

درجه حرارت ترمودینامیک

ظرفیت حرارتی خاص

رسانایی حرارتی

ضریب همبستگی انتقال حرارت

ضریب همبستگی انتقال حرارت

ضریب همبستگی سطحی انتقال حرارت

انرژی به شکل حرارت Q با جریان گرماQo مرتبط می باشد.

1-3                                         

هر تغییر درجه حرارت  نیز باعث تغییر حرارت  می شود تغییر در حرارت را می توان با ظرفیت خاص c و جرم m ماده تحت تأثیر قرار گرفته محاسبه کرد.

2-3                                                   

ممکن است بعضی ابهامات رخ دهد که به استفاده از معیارهای متفاوت دما مرتبط باشد، مقیاس فارنهایت معمولاً برای کار عملی استفاده نمی شود.

ولی همزیستی درجه حرارت  در مقیاس سلسیوس و درجه حرارت مطلقT به کلوین مسئله سازی می باشد.

تبدیل سلسیوس به کلوین از فرمول زیر استفاده می شود.

3-3                                

فرمول تبدیل فارنهایت به سلسیوس و کلوین را می توان در ضمیمه دید.

مقدار عددی تفاوت درجه حرارت  به درجه سلسیوس  مانند تفاوت دما در کلوین (k) می باشد.

برای تعادل صحیح واحدها تفاوت دما در فرمول بالا برای تغییر حرارت باید به کلوین باشد.

همین مورد به معادلاتی مربوط می شود که در بخش بعد ارائه خواهند شد.

ولی چون مقیاس سلسیوس نسبت به کلوین رایج تر است، مقیاس سلسیوس برای اکثر تفاوت های درجه حرارتی ومعادلات این بخش مورد استفاده قرار داده می شود.

جریان حرارتQo که باعث تغییر حرارت با ظرفیت حرارتی ثابتc می شود به صورت زیر است:

4-3                                

برای ظرفیت حرارت مواد متفاوت به جدول 2-3 مراجعه شود.

شکل 1-3 ساخت لایه های n با حیطه سطحی را نشان می دهد.

از یک طرف درجه حرارت  و از طرف دیگر   وجود دارد.

گردیان دما، جریان دما از طریق لایه ها با فرمول زیر را به دست می آورد.

5-3                                         

این جریان دما Qoباعث می شود دما در سمت دارای درجه حرارت کمتر افزایش یابد و در سمت دیگر کاهش داشته باشد تا اینکه هر دو طرف از همان دما برخوردار شوند.

اگر میزان دما یک طرف بیشتر از طرف دیگر باشد تغییردرجه حرارت در سمتی که از دمای بالاتری برخوردار است را می توان نادیده گرفت.

برای مثال میزان دمای محیط اطراف یک ساختمان خیلی بالاتر از داخل ساختمان است.

جریان گرما از طریق دیوارهای ساختمان درجه حرارت هوای خارج را تغییر نمی دهد و این مصداق دارد خواه درجه حرارت محیط نسبت به درجه حرارت ساختمان کمتر باشد یا بیشتر باشد.

جدول 2-3: ظرفیت گرمایی (c) برای بعضی مواد در  را نشان می دهد.

نام

شکل 1-3 انتقال حرارت از طریق لایه هایn با همان حیطه سطحی A

شکل

ضریب همبستگی انتقال حرارت به صورت فرمول زیر است:

6-3                                

که می توان با ضریب همبستگی سطح انتقال حرارت a2,a1 هر دو طرف، رسانایی حرارتی  و ضخامت لایه SI، تمام لایه های n محاسبه کرد.

جدول 3-3 رسانایی حرارتی  مواد متعدد را نشان می دهد.

سیستم های حرارتی خورشیدی برای آبگرمکن

گرمکن خورشیدی استخر شنا

این بخش ابتدا گرمکن استخر شنا را مورد بحث قرار می دهد، به این دلیل نیست که استخرهای شنای آب گرم مزایای اکولوژیکی ندارد- آنها همیشه نیاز زیادی در ارتباط با آب پاکیزه و انرژی دارد.

ولی تقاضا برای دمای پایین برای گرم کردن استخر باعث می‌شود که از سیستم های انرژی خورشیدی ساده و اقتصادی استفاده شود که در این بخش کاربرد گسترده ای دارد.

جدول 3-3: رسانایی گرمایی مواد متفاوت را نشان می دهد.

ماده

رسانایی حرارتی  به (w/mk)

ماده

رسانایی حرارتی  به  (w/mk)

استخرهای شنا در مناطق آب و هوای معتدل معمولاً به سیستم های حرارتی نیاز دارند، در غیر این صورت آانها فقط به مدت چند هفته در سال کاربرد خواهند داشت.

برای مثال حدود 500 هزار استخر شنا در آلمان ساخته شده است.

چون درجه حرارت متوسط هوا حتی در تاستان زیر 20 درجه سانتی گراد است.

پتانسیل عظیمی برای آبگرمکن خورشیدی استخر وجود دارد در موارد زیادی سیستم های گرمایش خورشیدی استخر شنا قبلاً با سیستم های گرمایشی معمولی رقابت داشته است.

نیاز گرمایی برای استخرهای شنای سرباز تا حد زیادی به پرتوهای خورشید متکی می‌باشد.

در زمستان وقتی که نور خورشید کم است استخرهای شنای سرباز معمولاً قابل استفاده نمی باشند، در خلال فصل تابستان و دوره های انتقالی حرارت خورشید گزینه خوبی می باشد.

امروزه مقادیر خیلی زیادی از سوخت های فسیلی برای گرم کردن استخر سرباز تلف می شود.

گرچه گرمایش خورشیدی استخر همان گونه که در شکل 2-3 نشان داده شده است را می توان برای اکثر سیستم های حرارت دهی بر پایه سوخت فسیلی جایگزین کرد.

دمای آب در مناطق آب و هوای اروپای مرکزی در خلال فصل تابستان بین 16 سانتی گراد و 19 درجه سانتی گراد می باشد.

افزایش دما تا چند درجه به طور نرمال ممکن است قابل تحمل باشد.

برای اینگونه نیاز درجه حرارتی پایین از جذب کننده های حرارتی ساده می توان استفاده کرد.

این جذب کننده ها پرتوهای خورشیدی را به حرارت لازم برای استخر شنا تبدیل می سازد.

پمپ آب استخر را از طریق جذب کننده حررات هدایت می کند.

جذب کننده حرارت آب را داغ می کند و به استخر برمی‌گرداند.

تانکر ذخیره آب داغ مانند نمونه ای که در آبگرمکن های خورشیدی خانگی مورد استفاده قرار داده می شود لازم نیست.

خود استخر به عنوان منبع ذخیره حرارت می باشد.

اگر در تابستان از رنگ تیره روی قسمتی که در معرض پرتو خورشید قرار می گیرد استفاده شود آب داخل آن قسمت تقریباً در مدت کوتاهی داغ می شود.

جذب کننده حرارتی استخر شنا خیلی چیز پیچیده ای نیست.

آن را می توان از لوله های سیاه ساخت که به طور دائمی روی سطح بزرگی از سقف نصب می شود.

ماده جذب کننده حرارتی معمولاً پلاستیک است ولی این ماده باید در مقابل تخریب شدن که توسط نور ماوراء بنفش خورشید و آب کلردار استخر ایجاد می شود مقاوم باشد.

بعضی مواد مناسب شامل پلی اتیلن (PE)، پلی پروپلین (PP) و مونومر اتیلن پروپلین دین (EPDM) می باشند.

EPDM طول عمر بیشتر دارد اما هزینه اش گرانتر می‌باشد، PVC نباید به خاطر دلایل اکولوژیکی مورد استفاده قرار داده شود، چون می‌تواند دکوگسین های بسیار سمی از خود منتشر سازد اگر که سوزانده شوند.

پمپ سیستم فقط باید راه اندازی شود اگر جذب کننده بتواند افزایش درجه حرارت آب استخر را فراهم سازد.

اگر پمپ تحت شرایط هوای ابری شدید یا در خلال شب راه اندازی شود.

آب استخر در جذب کننده سرد می شود که اکنون به عنوان یک رادیاتور عمل می کند.

یک کنترل کننده ساده دو مرحله ای پسماند مغناطیسی می توان از این فرایند جلوگیری نماید.

اگر سنسورها تفاوت درجه حرارت بین استخر و جذب کننده بالاتر از سطح آستانه ای خاص تشخیص دهند، پمپ روشن می شود.

یک سیستم گرمایش کمکی معمولی را می توان همراه با دستگاه تلفیق ساخت تا مطمئن شویم که درجه حرارت دلخواه استخر همیشه به دست می آید.

اگر استخر فقط از انرژی خورشیدی استفاده می کند، درجه حرارت آب با آب و هوا تغییر خواهد داشت.

در خلال دوره های آب و هوایی بد، دمای آب کمی پایینتر است، ولی غالباً قابل قبول است چون استخر تحت این شرایط خیلی مورد استفاده قرار داده نمی شود.

نیاز حرارتی خاص استخرهای شنای سرباز در شرایط آب و هوایی معتدل بین 150 کیلووات در ساعت و 450 کیلووات در ساعت برای هر متر مربع از سطح استخر می‌باشد.

یک سیستم گرمایش خورشیدی که درست طراحی شده می تواند درجه حرارت پایهه23 سانتی گراد را برقرار سازد.

بنابراین سیستم گرمایش فسیلی لازم نمی‌باشد.

برای استخر با مساحت m2 200 متر مربع، سیستم گرمایش خورشیدی می‌تواند از مصرف 75000 لیتر نفت تولید 000/150 کیلوگرم CO2 (با بویلر دارای کارآیی 80% درصد) در هر فصل جلوگیری نماید.

پوشیدن استخر در خلال شب می‌تواند اتلاف حرارت را کاهش دهد و انرژی اضافی را ذخیره سازد.

به عنوان یک قاعده سرانگشتی، اندازه سطح جذب کننده خورشیدی باید 80-50 درصد سطح استخر باشد.

ولی این به طور قابل توجه به شرایط آب و هوا بستگی دار.

تجارب به دست آمده از دستگاه های قبلاً نصب شده یا شبیه سازی های کامپیوتری می تواند معیارهای دقیق تری را برای طراح سیستم فراهم آورند.

هزینه های جذب کننده به صورتm2/100 در متر مربع می باشد.

معمولاً هزینه های سیستم گرمایش خورشیدی کمتر از سیستم های استفاده کننده از سوخت فسیلی می باشد.

فقط اگر استخر شنا سرباز در تمام طول سال فعال باشد یا اگر دمای استخر باید نسبتاً بالا باشد یک سیستم گرمایش فسیلی هزینه ها را در مقایسه با تنها راه حل انرژی خورشیدی کاهش می دهد.

برق برای روشن کردن پمپ سیستم گرمایشی خورشیدی استخر شنا لازم است (به بخش6، قسمت هزینه های سیستم گرمایش خورشیدی در ارتباط با آبگرمکن های خانگی خورشیدی، صفحه 240 مراجعه شود).

ولی سیستم دارای سلول های خورشیدی کوچک می تواند این برق را تولید نماید.

سپس کنترل درجه حرارت را می توان در بعضی موارد حذف کرد چون ژنراتور تولید برق با سلول های خورشیدی فقط وقتی پمپ را روشن می سازد که خورشید در حال تابیدن باشد.

بخش 4 سیستم استفاده کننده از سلول های خورشیدی را با جزئیات توضیح می دهد.

سیستم های آبگرمکن های خورشیدی خانگی

گرم کردن آب خانگی نسبت به گرم ساختن آب استخر از درجه حررات بالاتری برخوردار است.

جذب کننده های ساده استفاده شده برای گرمایش استخر شنا که در اکثر مکان ها وجود دارند برای سیستم های آبگرمکن خورشسیدی خانگی مناسب نیستند، چون جذب کننده به خاطر convection، باران و برف حرارت را از دست می‌دهند، همینطور پرتودهی خورشید می تواند بسیار نامطلوب باشد.

سیستم آبگرمکن خانگی به طور خاص از کلکتورهایی استفاده می کند که دارای اتلاف خیلی پایین تر در درجه حرارت های بالاتر آب می باشند.

آنها یا به صورت مسحط، سطح مسطح تو خالی یا کلکتورهای لوله ای تو خالی می باشند و با سیستم های ذخیره سازی کلکتور تلفیق می شوند.

کلکتورهای آبگرمکن خورشیدی خانگی که بخش کلکتورهای خورشیدی در صفحه 57 نشان داده شده است.

سیستم کامل برای آبگرمکن خانگی فقط از یک کلکتور بسته برای حرارت دادن آب استفاده نمی کند.

دستگاه های دیگر مانند تانکر ذخیره سازی آب، پمپ و دستگاه کنترل هوشمند نیاز می باشد تا جریان آب داغ لازم تضمین شود که ما از سیستم های معمولی انتظار داریم.

یک سیستم بسیار ساده آبگرمکن خورشیدی را می توان از تانکر پر از آب سیاه رنگ که در معرض تابش نور خورشید قرار می گیرد ساخت.

اگر تانکر بالاتر از شیر آب نصب شده باشد آبگرم را بدون استفاده از هیچ دستگاه دیگری می توان مورد استفاده قرار داد.

یک مثال در این رابطه دستگاه دوش خورشیدی است که به صورت یک دستگاه یکپارچه فروخته می شود.

در اصل آن یک کیسه سیاه رنگ آویزان شده به شاخه بلند درخت می باشد.

اگر این کیسه به مدت چند ساعت در معرض تابش خورشید قرار گیرد، می توان با آبگرمکن خورشیدی یک دوش گرفت.

ولی این سیستم نیز معمول روزانه را نمی تواند فراهم آورد.

بعد از اینکه کیسه خالی شد دوباره باید با دست آن را از آب پر کرد.

برای برطرف کردن این عیب کیسه و شیر آب را می توان با فشار به هم متصل ساخت و سپس یک شیلنگ را می توان به آن متصل ساخت تا آب آن به طور خودکار تأمین شود، بهینه سازی کردن بیشتر کلکتور خورشیدی با کارآیی بالا در تمام طول سال می تواند جایگزین کیسه شود.

ولی محتوای کلکتور فقط برای یک دوش گرفتن خیلی کوتاه کافی می باشد و درجه حرارت آب خیلی بالا خواهد بود.

بنابارین تانکر ذخیره سازی لازم می شود.

دو سیستم برای متصل کردن تانکرهای ذخیره آب داغ به سیستم های گرمایش خورشیدی در بخش های بعدی توضیح داده می شود.

دو سیستم برای متصل کردن تانکرهای ذخیره آب داغ به سیستم های گرمایش خورشیدی در بخش های بعدی توضیح داده می شود.

سیستم های ترموسیفون (سیفون حرارتی) سیستم های ترموسیفون نشان داده شده در شکل 3-3 از نیروی گرانش استفاده می کند.

آب سرد دارای با چگالی خاص بالاتر نسبت به آب گرم می باشد.

بنابراین آن سنگین تر است و در کف مخزن قرار می گیرد.

کلکتور همیشه زیر تانکر ذخیره آب قرار داده می‌شود.

آب سرد از کف تانکر ذخیره سازی به کلکتور خورشیدی از طریق لوله پایین روند آب هدایت می شود.

وقتی کلکتور آب را داغ کرد، آن دوباره بالا می آید و از طریق یک لوله بالا رونده در انتهای بالایی کلکتور برگردانده می شود.

چرخه آب تانکر لوله های آب و کلکتور آب را حرارت می دهند تا اینکه تعادل درجه حرارتی به دست آید.

اکنون مصرف کننده می‌تواند آب داغ را از بالای تانکر مورد استفاده قرار دهد.

آب مصرف شده با جریان آب تازه از آب سرد از طریق قسمت ورودی در کف تانکر جایگزین می شود.

شکل 3-3 سیستم ترموسیفون را نشان می دهد.

آب سرد به چرخه آب متصل می شود و در کلکتور دو به همان روش که قبلاً توضیح داده شده گرم می شود.

به خاطر تفاوت های درجه حرارتی آب در پرتوهای خورشیدی بالات آب گرم نسبت به پرتوهای کمتر سریع تر بالا می رود و معیارهای جریان افزایش می یابد.

بنابراین جریان آب خودش را تقریباً به طور کامل با تابش پرتو خورشیدی وجود تطبیق می دهد.

خیلی مهم است که تانکر ذخیره سازی در سیستم ترموسیفون خوب بالای کلکتور قرار داده شود در غیر این صورت چرخه آب می تواند در شب به سمت پایین حرکت کند و آب از تانکر ذخیره بالای کلکتور را سرد نماید.

در مناطقی که تابش خورشید زیاد است، تانکرهای ذخیره سازی با طراحی سقفی معمولاً روی سقف قرار داده می شوند.

همینطور کلکتور روی سقف یا روی دیوار طرف تابیش خورشید قرار داده می شود.

در ارتباط با سقف های شیروانی، تانکر ذخیره آب باید تا حد ممکن بالا و زیر سقف قرار داده شود اگر که کلکتور نیز روی سقف نصب می شود.

گاهی اوقات وزن سنگین تانکر پر از آب باعث مشکلات ساختاری می شود، بنابراین تلفیق سازی با سیستم گرمایش معمول که معمولاً در زیر زمین قرار داده می شود مشکل تر می شود.

سیستمی که در آن آب به طور مستقیم از طریق کلکتور جریان پیدا می کند یک جرینان نامیده می شود.

اینگونه سیستم فقط برای مناطق عاری از یخ زدگی مناسب می باشد، در غیر این صورت آب ممکن است در کلکتور لوله ها یخ بزند و کل سیستم را خراب نماید.

در مناطق با احتمال یخ زدگی سیستم دو جریانی معمولاً مورد استفاده قرار داده می شود.

که در آن آب داخل تانکر ذخیره حفظ می شود.

کمیت ثانویه ای از آب با مایع ضد یخ ترکیب می شود تا به عنوان مایع کاربردی در سیکل خورشیدی مورد استفاده قرار داده شود.

مبدل حرارت را از چرخه خورشیدی به تانکر ذخیره سازی منتقل می‌سازد، بنابراین آب قابل استفاده را از ترکیب ضد یخ جدا می سازد.

گلیکول ها غالباً به عنوان مایع های ضد یخ مورد استفاده قرار داده می شوند.

ولی مایع های ضد یخ باید غیرسمی باشند چون آنها می توانند جریان آب داغ را وقتی که سیستم خراب می شود آلوده سازند.

بنابراین گلیکول اتیلن که برای خیلی کاربردهای فنی مورد استفاده قرار داده می شود برای سیستم های انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار داده نمی شود.

برای جلوگیری از خسارت ناشی از فرسایش خاک، ماده ضد یخ نیز باید مطابق خصوصیات موادی باشد که در ساخت سیستم استفاده شده اند.

2 همینطور سیستم های ترموسیفون از معایب مهمی برخوردار هستند.

خود سیستم خنثی است و نمی تواند نسبت به تغییرات سریع در تابیش خورشیدی واکنش داشته باشند.

سیستم های ترموسیفون، معمولاً برای سیستم های بزرگ با مساحت سطح کلکتوری بیش از m210 متر مربع مناسب هستند.

اضافه بر این تانکر ذخیره سازی باید همیشه بالاتر از کلکتور نصب شود که همیشه به آسانی نمی توان این کار را انجام داد.

کارآیی کلکتور می تواند به علت درجه حرارت های بالا در چرخه خورشیدی کاهش داشته باشد.

ولی سیستم های ترموسیفون سیستم های گرمایش بسیار اقتصادی خانگی هستند.

اصول بسیار ساده است و نه پمپ و نه به سیستم کنترل نیاز دارند.

بنابراین سیستم به خاطر نارسایی در این دستگاه ها دچار مشکل نمی شود، در نهایت انرژی برای راه اندازی پمپ و سیستم کنترل ذخیره می شود.

سیستم های دارای جریان تحت فشار برعکس سیستم های ترموسیفون، سیستم های جریان تحت فشار از یک پمپ برقی برخوردار هستند تا آب را در سیکل خورشیدی حرکت دهند.

کلکتور و تانکر ذخیره سازی را می توان به طور جداگانه نصب کرد و تفاوت ارتفاع بین تانکر و کلکتور دیگر نیاز نمی باشد.

ولی طول لوله ها باید تا حد ممکن کوتاه در نظر گرفته شود چون تمام لوله های آب گرم می توانند باعث اتلاف حرارتی شوند.

شکل 4-3 سیستم دارای جریان تحت فشار را نشان می دهد.

دو سنسور درجه حرارتی دماها در کلکتور خورشیدی و تانکر ذخیره آب را کنترل می‌کنند.

اگر درجه حرارت کلکتور بالاتر از درجه حرارت تانکر تا میزان از آستانه خاص باشد کنترل پمپ را روشن می سازد.

پمپ مایع انتقال حرارت سیکل خورشیدی را جابجا می سازد.

تفاوت درجه حرارت روشن سازی به طور نرمال بین 50 و10 درجه سانتی گراد است.

اگر تفاوت درجه حرارت به زیر آستانه ثانویه کاهش داشته باشد، کنترل دوباره پمپم را خاموش می نماید.

انتخاب هر دو حالت آستانه باید مشخص نماید که پمپ پیوسته در خلال شرایط تابش کم روشن و خاموش نشود.

پمپ های جریان دهنده معمولی که برای تأسیسات گرمایش ساخته می شوند را می‌توان برای سیکل خورشیدی مورد استفاده قرار داد.

این پمپ ها قابل اعتماد و اقتصادی می‌باشند.

اکثر پمپ ها دارای مراحل سرعتی متفاوت می باشند تا میزان جریان را به تابش خورشیدی تطبی و هماهنگ سازند.

معمولاً پمپ ها برای جریان های 30-50 لیتر در ساعت در هر متر مربع در مساحت کلکتور خورشیدی طراحی می شوند.

معیارهای بالاتر جریان برای جذب کننده های استخر شنا انتخاب می شود چون نیاز درجه حرارتی پایین تر است و آب به گرمایش کمتری نیاز دارد.

ولی اگر میزان جریان خیلی پایین باشد، درجه حرارت در کلکتور بالا می رود و کارآیی سیستم کاهش می یابد.

از طرف دیگر اگر میزان جریان خیلی بالا باشد نیاز انرژی برای راه اندازی پمپ به طور غیرضروری بالا می باشد.

معمولاً پمپ با ولتاژ متناوب از شبکه عمومی راه اندازی می شود.

همینطور این امکان وجود دارد تا ازموتورهای جریان مستقیم برای راه اندازی پمپ استفاده شود.

یک سیستم دارای صفحه خورشیدی کوچک می تواند انرژی لازم برقی را فراهم آورد.

در آن حالت تمام انرژی برای سیستم از خورشید گرفته می شود.

شکل 4-3 سیستم با سیکل دوگانه همراه با جریان تحت فشار را نشان میدهد.

کلکتورهای خورشیدی برای به دست آوردن درجه حرارت های بالاتر لازم برای آبگرمکن خورشیدی انواع کلکتورهای ذیل وجود دارد: سیستم های کلکتوری ذخیره سازی یکپارچه کلکتورهای صفحه ای مسطح کلکتورهای صفحه ای مسطح توخالی کلکتور لوله ای تو خالی کلکتورهای صفحه ای مسطح و کلکتورهای لوله ای تو خالی همیشه به تانکر ذخیره آب نیاز دارند.

حجم آب خود کلکتور خیلی کم است و درجه حرارت های آب داخل کلکتور ممکن است بیش از 100 درجه سانتی گراد برسد اگر آب به صورت پیوسته جابجا نشود.

کارآیی کلکتور نیز به طور قابل توجه در درجه حرارت های عملیاتی بالا افزایش می یابد.

بنابراین تمام سیستم های کلکتور خانگی برای آبگرمکن خانگی به تانکر آب نیاز دارد تا کمیت های بیشتری از حرارت کلکتور را جذب نماید و جریان آب داغ لازم در خلال شرایط آب و هوایی بد و در خلال تاریکی فراهم آورد.

برعکس، سیستم های استخر شنا خورشیدی خود آب استخر به عنوان تانکر می باشد.

سیستم های ذخیره سازی کلکتوری یکپارچه در ارتباط با سیستم های ذخیره سازی کلکتوری یکپارچه (ICS) تانکر ذخیره آب داغ با خود کلکتور به صورت یکپارچه می باشد.

یک سیستم از لحاظ فنی قوی را به سادگی نمی توان ساخت.

جدول 4-3 ضریب همبستگی انتقال حرارت k و ضریب همبستگی انتقال حرارت کلی (g-value) مواد معمولی متعدد و مواد عایق شفاف(TIMS) را نشان می دهد.

اگر سیستم مناطق دارای خط یخ زدگی مورد استفاده قرار داده شود، اتلاف حرارت هم کلکتور و هم منبع ذخیره را سرد می سازد.

در نهایت آنها ممکن است دچار یخ زدگی شده آسیب ببینند.

یک سیستم با جریان دوگانه برای جلوگیری از یخ زدگی ممکن نمی‌باشد تا به عنوان سیستم ذخیره ای کلکتوری یکپارچه مورد استفاده قرار داده شود.

لازم است روش به دست آید تا کاهش قابل توجه اتلاف های حرارتی کلکتوری به دست آید.

عایق گذاری بهتر در قسمت پشت یک مشکل نمی باشد.

مسئله و مشکل اتلاف حرارت از طریق پوشش جلویی می باشد.

بنابراین پوشش باید شفاف باشد ونور خورشید باید از طرف جلو با جذب کم اتلاف های انعکاسی کم وارد شود.

بنابراین پوشش باید شفاف باشد و این هم باعث می شود تا اتلاف های حرارتی زیاد از طریق پوشش رخ دهد.

ایجاد خلاء می تواند باعث کاهش اتلاف حرارتی شود، اما به اندازه ای نیست که لازم شود یک سیستم ذخیره ای کلکتوری یکپارچه طراحی شود.

مواد جدید اصطلاحاً عایق شفاف (TIM) راه حل را برای این مشکلات فراهم آورده است.

(لیین و همکاران 1997، منز و همکاران 1997) این مواد در مقایسه با شیشه های ؟؟

خورشیدی با آهن کم انتقال کمتری دارند.

ولی ضریب همبستگی انتقال حرارتی به طور قابل توجه پایین تر می باشد بنابراین اتلاف های حرارتی تا سطح مقبولی برای سیستم های ICS کاهش می یابد.

جدول 4-3 پوشش های معمولی متعدد و پوشش های TIM را مورد مقایسه قرار می دهد.

شکل 5-3 طرحی از سیستم ICS را نشان می دهد.

تانکر آب داغ از فولاد ضد زنگ ساخته می شود.

قسمت پشت به طور کامل عایق می باشد.

رفلکتورها در سمت داخلی قسمت پشت نور را به مخزن منعکس می سازند که همینطور جذب کننده در این سیستم می باشد.

ماده عایق شفاف زیر پوشش شیشه ای جلو می باشد.

سیستم با مساحت 2 متر مربع دارای گنجایش حدود 160 لیتر می باشد.

سیستم های ICS به تانکر ذخیره سازی حرارتی دیگر که در سیستم های کلکتوری دیگر لازم است نیاز ندارند.

سیستم کلی ساده است.

بعضی از قسمت های یافت شده در سیستم های کلکتوری دیگررا لازم نمی باشد و این خود باعث کاهش هزینه آن می شود.

اگر درجه حرارت اب در تانکر ذخیره سازی خیلی پایین باشد یک آبگرمکن کنترل شده یا ترموستات می تواند درجه حرارت را تا سطح مطلوب افزایش دهد.

شکل 5-3 برش مقطعی از سیستم کلتوری ذخیره سازی یکپارچه را نشان می دهد.

معایب سیستم های ICS وزن زیاد و ابعاد بزرگ آنها می باشد.

این باعث می شود تا عملیات نصب سازی در اکثر موارد مشکل تر باشد.

اضافه بر این کارآیی سیستم معمولاً کمتر از سیستم دید آن با جریان تحت فشار می باشد.

اینها دلایلی است که چرا سیستم‌های یکپارچه تا به امروز جایگاه و نفوذ بازاری خوبی نداشته است.

کلکتورهای صفحه ای مسطح امروزه رایج ترین کلکتورها برای سیستم های آبگرمکن خورشیدی خانگی در کشورهای زیادی کلکتورهای صفحه ای مسطح می باشد.

اینجا عمدتاً از 3 قسمت تشکیل می‌شوند: پوشش شفاف محفظه کلکتور جذب کننده (سلول خورشیدی) جذب کننده در داخل محفظه کلکتور صفحه ای مسطح قرار دارد.

این جذب کننده نور خورشید را به حرارت تبدیل می سازد و آن را به آب موجود در لوله هایی انتقال مید هد که از درون سیستم عبور می کنند.

محفظه کلکتوردر قسمت پشت آن و اطراف آن کاملاً عایق بندی می شود تا اتلاف حرارتی به حداقل ممکن برسد.

ولی هنوز بعضی اتلاف های حرراتی کلکتوری که عمدتاً به تفاوت درجه حرارت بین جذب کننده و هوای محیط بستگی دارد.

این اتلاف‌های حرارتی به انتقال گرما (همرفت) و اتلاف های پرتویی مربوط می شود.

جابجایی هوا باعث اتلاف های انتقال گرمایی (همرفتی) می شود.

قاب شیشه ای روی کلکتورها را می پوشاند و باعث جلوگیری از اکثر اتلاف های حرارتی ناشی از انتقال گارما می شود.

اضافه بر این آن منتشر شدن حرارت از جذب کننده به محیط را به همین روش مانند وضعیت گلخانه ای کاهش می دهد.

ولی شیشه نیز قسمت کمی از نور خورشید را منعکس می سازد.

که نمی تواند به جذب کننده (سلول خورشیدی) برسد.

شکل 6-3 و 7-3 مکانیزم و جریان انرژی در کلکتورهای صفحه ای مسطح را نشان می دهد.

پوشش شیشه ای جلویی قسمت اندکی از نیروی تابش خورشید همانطور که در شکل 8-3 نشان داده شده است منعکس و جذب می کند اکثر پرتو خورشیدی از شیشه عبور می کند.

انعکاس P، جذبa، مقدار عبورT را می توان در این فرایندها توضیح داد.

جمع این مقدار باید همیشه مساوی با 1 باشد.

(7-3) P+P+T=1 نیروهای تابشی هماهنگ به صورت فرمول ذیل می باشد.

8-3 شکل 6-3 فرایند در کلکتور صفحه ای مسطح را نشان می دهد.

جذب پرتوهای خورشیدی باعث بالارفتن حرارت قاب شیشه ای می شود.

اگر شیشه دارای تعادل حرارتی برخوردار باشد، آن باید پرتو جدا شده را ساطع نماید.

پس برق ناشی از پرتو ساطع شده مساوی با برق پرتو جذب شده می باشد در غیر اینصورت شیشه به طور نامحدودی گرم می شود.

بنابراین شدت انتشار با میزان جذب a برابر است: (9-3) a=E از یک طرف پوشش جلویی باید در اکثر پرتوهای خورشیدی قابل نفوذ باشد.

از طرف دیگر آن همینطور باید پرتو حرراتی جذب کنند (سلول خورشید) را در عقب نگه دارد و اتلاف های انتقال حررات به محیط را کاهش دهد.

اکثر کلکتورها از شیشه تک لایه ساخته شده و از شیشه خورشیدی به طور حرارتی با آهن کم عمل آوری شده استفاده می کنند.

این شیشه دارای شدت انتشار بالا (t-1) است و مقاومت خوبی در مقابل تأثیرات محیطی دارد.

پوشش های جلویی ساخته شد و از شیشه نسبت به نمونه های ساخته شده از پلاستیک برتری دارند و به این دلیل است که طول عمر پلاستیک به خاطر مقاومت کمتر در مقابل تابش ماوراء بنفش و تأثیرات آب و هوایی کمتر است.

لعاب دادن دوگانه می تواند باعث کاهش اتلاف های حرارتی شود همین طور قدرت پرتو تابشی خورشید را کاهش می دهد و هزینه ها را افزایش می دهد.

شکل 7-3 تبدیل انرژی در کلکتور خورشیدی و اتلاف های حرارتی را نشان می دهد.

1 استفاده از مواد خالص برای پوشش دهی جلویی می تواند کارآیی کلکتور را افزایش دهد.

این مواد باید باعث وارد شدن پرتو شوند، اما انتشارات infrares به سمت خارج از پشت صفحه جذب کننده را منعکس سازند.

انعکاس های infrared شیشه مانند in2o3 یا zno2 با شدت انتشار بالا برای نور قابل رؤیت می باشد.اما انعکاس بالا برای infrared این لایه ها را برآورده می سازد.

جدول 5-3 پارامترهای در ارتباط با این مواد را نشان می دهد، ولی هزینه های بالاتر و شدت انتشار ضعیف تر نور قابل رؤیت در مقایسه با شیشه استاندارد باعث جلوگیری از استفاده گسترده این مواد گردیده است.

محفظه کلکتور را می توان از پلاتسکی، فلز یا چوب ساخت، محفظه آن باید پوشش شیشه ای جلویی را آب بندی نماید تا هیچ حرارتی نتواند از داخل آن به خارج انتقال داده شود و گرد و خاک حرارت یا رطوبت به داخل کلکتور سرایت نکند.

تعداد زیادی از کلکتورها دارای تهویه کنترل شده می باشند تا از ایجاد شدن در داخل آنها جلوگیری کرد کلکتورها روی طرف داخل پوشش شیشه ای قرار داده می شوند.

شکل 8-3: فرآیند در پوشش شیشه ای جلویی کلکتور را نشان می دهد.

جدول 5-3 عوامل جذب، انتقال و انعکاس دهی را برای In2o3,Zno2 برای شیشه IR را در مقایسه شیشه پنجره ای معمولی را نشان می دهد.

ماده برای عایق ضربه ای عقبی باید در مقابل درجه حرارت و ضربه های شدید مقاومت داشته باشد.

مواد مناسب کف پلی اتران یا تحفه های الیاف معدنی می باشند.

عایق گذاری و تمام دیگر مواد دارای عامل های پیوندی نمی باشد که ممکن است در درجه حرارت بخار شوند چون اینها را می توان روی قاب شیشه ای جلویی به صورت متراکم قرار داد و باعث کاهش دادن پرتو دهی خورشیدی به داخل شد.

کلکتور می تواند به درجه حرارت های stagnation حدود200 درجه سانتی گراد برسد.

تمام مواد استفاده شده یابد در مقابل این درجه حرارت ها مقاوم باشند.

در نتیجه جذب کننده معمولاً از موادی مانند مس، فولاد یا آلومینیوم ساخته می شود.

طرح های جذب کننده متعددی همانطور که در شکل 9-3 نشان داده شده است.

مورد استفاده قرار داده می شود.

جذب کننده های دارای لوله های مسی soldered شده یا به زور وارد شده در آنها امروز بیشترین رواج را دارند.

اکنون آلومینیوم بعنوان جذب کنند فلزی به صورت محدودی مورد استفاده قرار داده می شود چون آن در مقابل فرسایش مقاومت ندارد و تولید آن نسبت به دیگر مواد به انرژی دروندادی بیشتری نیاز دارد.

کاملاً بدیهی و مشخص است مواد تیره رنگ نور خورشید را خیلی بهتر جذب می کنند و تا درجه حرارت های بالا گرم می شوند.

ولی مواد فلزی به طور طبیعی از سطوح تیره برخوردار نیستند و باید در این رابطه از پوشش دهی تیره رنگ برخوردار شوند.

Lacquer تیره رنگ یکی از این گزینه ها است.

Lacquer دارای مقاومت درجه حرارتی برای این هدف خوب می باشد، اما مواد خیلی پیشرفته تری برای پوشش دهی جذب کننده وجود دارد.

اگر یک سطح سیاه گرم شود آن قسمت از انرژی حرارتی جذب شده را به صورت پرتو حرارتی انتشار می دهد.

این را می توان با صفحه های داغ برقی برای آشپزی مورد توجه قرار داد.

پرتو حرارت را بدون اینکه دست در تماس با صفحه داغ باشد می توان روی پوست حس کرد.

یک جذ کننده lacquer سیاه دارای همین اثر می باشد.

آن فقط قسمتی از حرارت جذب شده را به جریان آب انتقال می دهد، بقیه حرارت ؟؟

خواسته به صورت پرتو حرارتی به محیط منتقل می شود.

اصطلاحاً پوشش های انتخابی تقریباً به اندازه سطوح lacquer نور خورشید را جذب می کنند، اما مقدار خیلی کمتری از پرتو حرارتی را دوباره از خود ساطع می نمایند.

مواد مورد استفاده قرار گرفته برای این پوشش های پیشرفته شامل کروم سیاه balck chrome، نیکل سیاه یا Tinox می باشند.