تعتبر تقنية ثيرموسيفونينج ، والمعروفة أيضًا باسم ثيرموسيفونينج ، تقنية مناسبة . تستخدم هذه العملية الموارد الطبيعية والمتجددة والقوانين الأساسية للديناميكا الحرارية لخلق حركة لإمدادات ساخنة من الهواء أو الماء. مصدر الطاقة لهذه العملية هو الإشعاع الشمسي (أو أي مصدر آخر للحرارة). يتم التقاط طاقة الشمس في جهاز تجميع الطاقة الشمسية ويتم نقلها إما إلى الهواء أو الماء عن طريق التوصيل. يمكن تفسير العملية برمتها من خلال تأثير التسخين الحراري : عندما يتم تسخين الهواء أو الماء، فإنه يكتسب حركيةالطاقة من مصدر التدفئة ويصبح متحمسا. ونتيجة لذلك، يصبح الماء أقل كثافة، ويتوسع، وبالتالي يرتفع. في المقابل، عندما يتم تبريد الماء أو الهواء، يتم استخلاص الطاقة من الجزيئات ويصبح الماء أقل نشاطا وأكثر كثافة ويميل إلى "الغرق". تستغل تقنية ثيرموسيفون الاختلافات الطبيعية في الكثافة بين السوائل الباردة والساخنة، وتتحكم فيها في نظام ينتج حركة السوائل الطبيعية. تتوفر حاليًا العديد من الأنظمة المعتمدة على هذه التقنية، ويمكن قراءتها بمزيد من التفصيل في النص التالي.
مبدأ نظام السيفون الحراري هو أن الماء البارد له جاذبية نوعية (كثافة) أعلى من الماء الدافئ، وبالتالي فإن كونه أثقل سوف يغوص إلى الأسفل. لذلك، يتم تركيب المجمع دائمًا أسفل خزان المياه، بحيث يصل الماء البارد من الخزان إلى المجمع عبر أنبوب ماء نازل. إذا قام المجمع بتسخين الماء، فإن الماء يرتفع مرة أخرى ويصل إلى الخزان من خلال أنبوب ماء صاعد في الطرف العلوي من المجمع. تضمن دورة الخزان ← أنبوب الماء ← المجمع تسخين الماء حتى يصل إلى درجة حرارة التوازن. ويمكن للمستهلك بعد ذلك الاستفادة من الماء الساخن من أعلى الخزان، مع استبدال أي ماء مستخدم بالماء البارد في الأسفل. ثم يقوم المجمع بتسخين الماء البارد مرة أخرى. بسبب ارتفاع الاختلافات في درجات الحرارة عند ارتفاع الإشعاع الشمسي، يرتفع الماء الدافئ بشكل أسرع منه عند الإشعاعات المنخفضة. لذلك، فإن دوران الماء يتكيف بشكل مثالي تقريبًا مع مستوى الإشعاع الشمسي. يجب وضع خزان تخزين نظام السيفون الحراري أعلى بكثير من المجمع، وإلا فإن الدورة يمكن أن ترجع للخلف أثناء الليل وسوف يبرد كل الماء. علاوة على ذلك، فإن الدورة لا تعمل بشكل صحيح عند اختلافات الارتفاع الصغيرة جدًا. في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي والهندسة المعمارية المسطحة، عادة ما يتم تركيب صهاريج التخزين على السطح. الدورة لا تعمل بشكل صحيح عند اختلافات الارتفاع الصغيرة جدًا. في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي والهندسة المعمارية المسطحة، عادة ما يتم تركيب صهاريج التخزين على السطح. الدورة لا تعمل بشكل صحيح عند اختلافات الارتفاع الصغيرة جدًا. في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي والهندسة المعمارية المسطحة، عادة ما يتم تركيب صهاريج التخزين على السطح.
تعمل أنظمة Thermosyphon بشكل اقتصادي للغاية مثل أنظمة تسخين المياه المنزلية. المبدأ بسيط، لا يحتاج إلى مضخة أو تحكم. ومع ذلك، فإن أنظمة السيفون الحراري عادة لا تكون مناسبة للأنظمة الكبيرة، أي تلك التي تزيد مساحة سطح المجمع عن 10 متر مربع. علاوة على ذلك، من الصعب وضع الخزان فوق المجمع في المباني ذات الأسطح المنحدرة، كما أن أنظمة السيفون الحراري أحادية الدائرة مناسبة فقط للمناطق الخالية من الصقيع.
محتويات
الفيزياء الأساسية
الديناميكا الحرارية هي دراسة الطاقة .
- القانون الأول للديناميكا الحرارية - ينص على أن الطاقة يمكن أن تتغير من شكل إلى آخر، ولكن لا يمكن استحداثها أو تدميرها. يتم الحفاظ على الطاقة دائما.
يمكن تطبيق هذا القانون على حركة الماء في نظام التسخين الحراري: يتم توجيه الطاقة من الشمس ونقلها (عن طريق التوصيل والحمل الحراري) إما إلى الماء أو الهواء أو أي وسيلة أخرى مختارة. تلغي عملية التسخين الطبيعية هذه الحاجة إلى مصادر الطاقة الخارجية مثل الوقود الأحفوري أو الكهرباء.
- القانون الثاني للديناميكا الحرارية - ينص على أنه في جميع عمليات تبادل الطاقة، إذا لم تدخل أي طاقة إلى النظام أو تخرج منه، فإن الطاقة الكامنة للحالة ستكون دائمًا أقل من طاقة الحالة الأولية. دائمًا ما يكون صافي العائد للنظام أقل من العائد الذي تم وضعه في البداية.
يتم الحفاظ على الطاقة دائمًا، إلا أن الطاقة (أو الحرارة في هذه الحالة) غالبًا ما يتم فقدانها في نظام معين (التسخين الحراري) كحرارة. قد تؤدي إضافة العزل بقيم R المناسبة إلى النظام والسباكة إلى تقليل فقدان الحرارة بشكل كبير، وبالتالي زيادة الكفاءة.
- قانون بلانك - يتناسب الطول الموجي للإشعاع المنبعث من السطح مع درجة حرارة السطح. تنتقل الطاقة نتيجة اختلاف درجات الحرارة بين جسمين. الأجسام المظلمة تمتص الحرارة، بينما الأجسام الخفيفة تنعكس.
ستساعد لوحات التجميع ذات الألوان الداكنة داخل المجمع الشمسي في زيادة امتصاص الطاقة الشمسية، وبالتالي زيادة كمية الحرارة المتاحة لتسخين الماء أو الهواء في عملية التسخين الحراري. في المقابل، يجب استخدام الأنابيب العاكسة أو ذات الألوان الفاتحة وخزانات التخزين لأن الألوان الفاتحة ستساعد على تقليل الإشعاع الحراري خارج النظام.
تسخين المياه السلبي
إن عملية التسخين الحراري السلبي للمياه هي عملية تسخين ونقل المياه داخل النظام دون الحاجة إلى الكهرباء أو استخدامها. تعمل هذه العملية من خلال الاستفادة من الظواهر الطبيعية مثل الطاقة الشمسية والجاذبية ومصدر المياه المتاح. يعتبر المجمع الشمسي والأنابيب وخزان المياه من المواد المطلوبة لعملية التسخين. يتم توزيع تدفق المياه داخل وخارج المجمع الشمسي. يدخل الماء البارد إلى الجزء السفلي من المجمع الشمسي حيث يتم تسخينه بعد ذلك عن طريق الحمل الحراري بواسطة الإشعاع الشمسي. عندما يسخن الماء يصبح أقل كثافة من الماء البارد، ويتمدد، ثم يرتفع ( يتدفق) .) من خلال الأنابيب. يخرج الماء الساخن من الجزء العلوي من المجمع الشمسي بشكل طبيعي. يغوص الماء البارد والأكثر كثافة ويبقى داخل المجمع الشمسي حتى يتم تسخينه. عندما يتم تسخين الماء البارد، فإنه يتوسع، ويرتفع، ويتم دفعه خارج الجزء العلوي من المجمع الشمسي، مما يسمح للمياه الباردة بالتدفق إلى المجمع الشمسي. تستمر هذه العملية بشكل طبيعي حتى تصل درجة حرارة الماء إلى التوازن مع مدخلات الإشعاع الشمسي.
يتوفر حاليًا نوعان من أنظمة تبادل المياه الحرارية: النظام المقترن، ونظام التغذية بالجاذبية.
نظام الاقتران
.jpg)
تعمل الأنظمة المقربة على نفس مبادئ التضمين الحراري السلبي المذكور أعلاه. يجب وضع خزان تخزين هذه الأنظمة فوق المجمع الشمسي للاستفادة من دوران المياه الناتج عن عملية التسخين الحراري السلبي.
مواد
- طاقة شمسية
- جامع الطاقة الشمسية
- الأنابيب
- عازلة
- ماء
- خزان
- سقف قوي أو نظام دعم آخر
يكلف
- تشير أبحاث عام 2007 إلى أن سخانات المياه الحرارية السلبية قد تتراوح من 500 دولار إلى 6500 دولار. قد يختلف السعر حسب حجم الخزان والتعرض لأشعة الشمس والموقع الجغرافي
- تقدم العديد من الدول والولايات وخدمات المرافق حوافز للمشاركة في مجال الطاقة المتجددة
الايجابيات
- غير ملوثة
- توفير الطاقة - لا حاجة للكهرباء للتسخين الحراري السلبي
- فعاله من حيث التكلفه
- توفير المساحة - (أي في الداخل)
سلبيات
- قد يؤدي تعرض الخزان للظروف البيئية الخارجية إلى تقليل الكفاءة، اعتمادًا على الموقع الجغرافي
- الجماليات - قد تعتبر غير سارة بصريا
- مطلوب هيكل دعم قوي (أي السقف)
- غير مناسب للاجواء شديدة البرودة
- الموقع - يجب وضعه في منطقة ذات تعرض مناسب لأشعة الشمس (أي الجانب الجنوبي من المنطقة المرغوبة)
نظام تغذية الجاذبية
.jpg)
تستخدم أنظمة تغذية الجاذبية نفس مبادئ التضخيم الحراري السلبي كما يفعل النظام المقترن، ولكن يختلف موضع الخزان. يتم تركيب الخزانات أفقيًا على السطح، والذي غالبًا ما يقع مباشرة فوق مجمع الطاقة الشمسية. بمجرد الحاجة إليه، يأخذ الماء الساخن الموجود داخل خزان التخزين المسار الأقل مقاومة ويتحرك عبر الجاذبية إلى الموقع المطلوب. تتطلب أنظمة التغذية بالجاذبية المزيد من الأنابيب/السباكة لتوزيع الماء الساخن، ويجب أخذ هذا العامل في الاعتبار عند تركيب أو شراء نظام التسخين الحراري.
مواد
- طاقة شمسية
- جامع الطاقة الشمسية
- الأنابيب
- عازلة
- ماء
- خزان
- سقف قوي أو نظام دعم آخر
يكلف
- عادةً ما تكون أنظمة تغذية الجاذبية هي سخانات المياه السلبية الأقل تكلفة
- تشير أبحاث عام 2007 إلى أن التكلفة قد تتراوح من 400 دولار إلى 5500 دولار (لا تشمل تكلفة التثبيت -إن أمكن). قد يختلف السعر حسب حجم الخزان والتعرض لأشعة الشمس والموقع الجغرافي
- تقدم العديد من الدول والولايات وخدمات المرافق حوافز للمشاركة في مجال الطاقة المتجددة
الايجابيات
- غير ملوثة
- توفير الطاقة - لا حاجة للكهرباء للتسخين الحراري السلبي
- فعاله من حيث التكلفه
- توفير المساحة - (أي في الداخل)
- الجماليات - (وضع الخزان الأفقي)
سلبيات
- تضيف السباكة والأنابيب تكاليف إضافية إلى النظام
- الجماليات - قد تعتبر غير سارة بصريا
- مطلوب هيكل دعم قوي (أي السقف)
- غير مناسب للاجواء شديدة البرودة
- الموقع - يجب وضعه في منطقة ذات تعرض مناسب لأشعة الشمس (أي الجانب الجنوبي من المنطقة المرغوبة)
تسخين المياه النشط
.jpg)
تعمل أنظمة التسخين بالطاقة الشمسية النشطة، والمعروفة أيضًا باسم أنظمة المضخات أو الأنظمة المنقسمة ، على نفس أساس تأثير التسخين الحراري ، إلا أن الأنظمة النشطة تستخدم مصدر طاقة آخر غير الطاقة الشمسية للمساعدة في دفع العملية. يقوم هذا النظام بتثبيت المجمع الشمسي فقط على السطح، بينما يتم تركيب الخزان على الأرض أو في أي مكان آخر بالأسفل. تتطلب وحدات تسخين المياه النشطة هذه شكلاً خارجيًا من أشكال الطاقة لضخ المياه في جميع أنحاء النظام. ومن خلال استخدام طاقة إضافية، تكون هذه الأنظمة النشطة أقل فعالية من حيث التكلفة من الأنظمة السلبية.
مواد
- طاقة شمسية
- جامع الطاقة الشمسية
- طاقة كهربائية
- مضخة كهربائية
- أنابيب إضافية
- عازلة
- ماء
- خزان
يكلف
- تشير أبحاث عام 2007 إلى أن سخانات المياه الحرارية النشطة قد تتراوح من 1200 دولار إلى 10500 دولار. قد يختلف السعر وفقًا لحجم الخزان ومتطلبات الأنابيب الداخلية والتعرض لأشعة الشمس والموقع الجغرافي
- تقدم العديد من الدول والولايات وخدمات المرافق حوافز للمشاركة في مجال الطاقة المتجددة
الايجابيات
- توفير المال
- فعاله من حيث التكلفه
- الجماليات - عدم وضع خزان على السطح
- الحد من الغازات الدفيئة - إذا تم عزلها بشكل صحيح، فمن المحتمل أن تسبب تلوثًا بسيطًا مثل الأنظمة السلبية.
سلبيات
- يستخدم طاقة أكثر من النظام السلبي
- يتطلب صيانة أكثر من النظام السلبي
- فقدان الحرارة - أثناء النقل من المجمع الشمسي إلى خزان التخزين أدناه
- يلوث البعض – من الاستخدام الكهربائي
- الموقع - يجب وضعه في منطقة ذات تعرض مناسب لأشعة الشمس (أي الجانب الجنوبي من المنطقة المرغوبة)
تبادل الهواء السلبي
_(3).jpg)
مثال على طريقة نظام التسخين الحراري الشمسي السلبي هو التبادل الحراري الحراري . يعتمد على مبدأ الحمل الحراري الطبيعي ، حيث يتم تدوير الهواء أو الماء في دائرة عمودية مغلقة دون استخدام مضخة. ينتقل الهواء البارد في الداخل من خلال فتحة التهوية ويتم توجيهه إلى فتحة في الجزء السفلي من جهاز تجميع الطاقة الشمسية. يتم بعد ذلك تسخين الهواء الموجود داخل المجمع الشمسي بواسطة الشمس عبر الإشعاع الشمسي. الهواء البارد كثيف وسوف يغوص، بينما الهواء الدافئ أقل كثافة وسوف يرتفع. عندما يسخن الهواء داخل المجمع الشمسي، فإنه يصبح أقل كثافة من الهواء البارد ويرتفع. يرتفع الهواء الدافئ من فتحة التهوية الموجودة في الفتحة العلوية للمجمع الشمسي، ويتحرك إلى المنطقة المرغوبة (أي في الداخل)، ويتم استبداله بهواء بارد. ستستمر عملية تبادل الهواء هذه حتى تصل درجة حرارة الهواء الداخلي إلى التوازن مع درجة الحرارة الخارجية.
مواد
- مجمع الطاقة الشمسية - كلما كان مجمع الطاقة الشمسية أكبر، كلما كان ذلك أفضل.
- إطار
- 6 ألواح رأسية مقاس 2 في 6 بوصة - خزائن جانبية
- ألواح 2 × 6 و 2 × 8 - العتبة العلوية
- مسامير متخلفة - يوصى بها، ولكنها ليست ضرورية للتركيب
- سطح أملس
- ألواح البولي كربونات المموجة
- 10 ألواح - عرض 26 بوصة وارتفاع 8 أقدام
- أزواج من الألواح متداخلة على شريط خشبي عمودي مقاس 1 × 1 بوصة - تصنع ألواحًا بعرض 4 أقدام لكل خليج
- طلاء مقاوم للأشعة فوق البنفسجية - يوضع على الجانب المواجه للشمس لإطالة العمر
- لوحة امتصاص الطاقة الشمسية
- حاجز نافذة معدني أسود مكون من طبقتين - مثبت في الجزء العلوي والسفلي من الفتحات
- فتحات
- الثقوب التي يتم قطعها من خلال جوانب المبنى - ستمنع اللوحات البلاستيكية التدفق الخلفي للهواء عبر الفتحات العلوية ليلاً.
يكلف
- تشير أبحاث عام 2007 إلى أن المبادلات الحرارية السلبية قد تتراوح من 55.00 دولارًا إلى 400 دولار. قد يختلف السعر بسبب حجم المجمع/المجمعات، وعزل المنطقة المراد تسخينها، والتعرض لأشعة الشمس، والموقع الجغرافي.
- تقدم العديد من الدول والولايات وخدمات المرافق حوافز للمشاركة في مجال الطاقة المتجددة
الايجابيات
- تكلفة منخفضة
- حافظ الطاقة
- الحد من التلوث
- يمكن استخدامها لتبريد الالكترونيات
سلبيات
- زيادة الصيانة - (أي التغطية في أوقات انخفاض الإشعاع الشمسي)
- الموقع الجغرافي قد يغير الفعالية
- يتطلب الإغلاق اليدوي لمخمدات السحب الخلفية ليلاً
- يفضل التقسيط المواجه للجنوب
مشاريع ذات صلة
مراجع
- الخرائط الديناميكية للمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL)، وبيانات نظم المعلومات الجغرافية، وأدوات التحليل - الخرائط الشمسية (2007) متاحة: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- سيتاريلا، جو. "Thermosyphons - نهج أفضل لتبريد وحدة المعالجة المركزية؟" رفع تردد التشغيل. 5 أغسطس 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- ريسا، غاري. "قم ببناء سخان شمسي بسيط" أخبار الأرض الأم. يناير 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- "الجزء الثاني: جولة في تطبيقات الطاقة المتجددة." http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov، NI، Belyakova، IG "تحرير الحرارة أثناء تكثيف البخار في ثيرموسيفون". مجلة الفيزياء الهندسية 43(3)، الصفحات 970-974، 1982.
- تصميم وأداء ثيرموسيفون مدمج. Aniruddha, P., Yogendra, J., Beitelmal, M,Patel, C., Wenger, T. Woodruff School للهندسة الميكانيكية. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf