امروزه، بحران های اقتصادی و مسائلی مانند محدوديت منابع فسيلی، نگرانی های زيست محيطی، ازدحام جمعيت و مصرف بالای انرژی، همگی مباحث مهمی هستند كه با گستردگی تمام، فكر انديشمندان را در يافتن راهكارهای مناسب برای حل معضلات انرژی در جهان، به خصوص بحران های زيست محيطی با خود درگیر کرده است.
دسترسی كشورهای در حال توسعه به انواع منابع جديد انرژی برای توسعه اقتصادی آن ها اهميت اساسی دارد و پژوهش های جديد نشان داده كه بين سطح پیشرفت يك كشور و ميزان مصرف انرژی آن رابطه مستقيمی برقرار است.
با توجه به منابع محدود انرژی فسيلی و افزايش سطح انرژی در جهان ديگر نمی توان به منابع موجود انرژی اتکا کرد. با وجود تمامی اين مشكلات برای رسيدن به توسعه صنعتی و رفاه بيشتر نيازمند انرژی بیشتری می باشيم كه می توان آن را با استفاده از استخرهای خورشيدی تامين نمود.
اساس کار استخر خورشیدی
اساس كار يك استخر خورشيدی كه برای ذخيره سازی انرژی خورشيدی به كار می رود يك ناحيه گراديانی چگالی پايدار است كه روی ناحيه چگالی ذخيره ساز كه از نظر شوری و دما يكنواخت است (لايه آميخته)، قرار می گيرد.
اين ناحيه گراديانی از حركات همرفتی كه باعث انتقال انرژی به طرف سطح استخر و اتلاف آن می شود، جلوگيری كرده و باعث ذخيره شدن اين انرژی در لايه ذخيره ساز كف استخر می شود. به اين ترتيب می توان از انرژی ذخيره شده خورشيدی استفاده نمود.
از اين مسیر می توان طی فرايند هایی انرژی مورد نياز خود را از خورشيد و با بهره گيری از استخرهای خورشيدی تامين نمود كه با توجه به موقعيت جغرافيايی ايران و همچنين قرارگيری اكثر مناطق صنعتی كشور در معرض نور بسیار عالی خورشيد می توان از اين نعمت خدادادی به نحو عالی در زمینه های مختلفی مانند نيروگاه ها، توليد گرمای مورد نياز جهت فرايندهای شيميايی، صنایع نساجی، پالايش نفت، فرايند استخراج و جداسازی فلزات استفاده نمود .بنابراین می توان در حوزه های صنعتی نيز در مصرف انرژی صرفه جويی كرد و از انرژی های نو به ويژه انرژی رايگان خورشيد بهره كافی برد.
در پایان سال 2010 در کشور آمریکا 15.3 میلیون کیلووات آبگرمکن خورشیدی نصب شده است که 85 درصد از این ظرفیت، صرف استخر های شنا شده است. در واقع تعداد استخرهای خورشیدی در کشور آمریکا بیشتر از هر مدل دیگری از انرژی های خورشیدی است. در نواحی گرم می توان از استخر خورشیدی تقریبا در تمام طول سال استفاده کرد. استخر خورشیدی اقتصادی ترین روش گرمایش آب سرد استخر می باشد.
مالکان استخر می توانند علاوه بر استفاده از گرمایش استخر از گرمایش کمکی به عنوان یک گزینه برای افزایش دما استفاده کنند تا دمای آب مطلوب تر شود. همچنین برای استخر هایی که در سایه واقع شده اند و یا استخر های درمانی و استخرهای پر استفاده که از کاور یا پوشش پلاستیکی بر روی آن استفاده نمی شود، استفاده از گرمایش کمکی علاوه بر گرمایش خورشیدی مورد نیاز است.
در استخر خورشیدی آب ابتدا به سمت فیلترها پمپ می شود و پس از عمل فیلتراسیون وارد کلکتورهای استخرهای خورشیدی می شود. اگر دمای آب بالاتر از دمای تعیین شده استخر باشد هیتر گرمایشی استخر روشن نمی شود اما اگر آب به دمای تعیین شده در ترموستات نرسد هیتر گرمایشی روشن شده و آب را به دمای مورد نظر می رساند.
در سیستم گرمایش کمکی استخر معمولا از گاز طبیعی برای گرم کردن آب استفاده می شود. هیترهای گرمایشی که با گاز طبیعی آب را گرم می کنند تقریبا می توانند در هر 4 ساعت 5 درجه فارنهایت دمای آب را افزایش دهند. اما در استخرهای خورشیدی هر درجه افزایش دمای آب چندین روز زمان می برد.
تاریخچه استخر خورشیدی
فناوری استخرهای خورشيدی يكی از تكنيك های نسبتا ساده برای بهره برداری از انرژی خورشيدی است كه برای ذخيره و استفاده از انرژی گرمايی خورشيد ابداع گرديد و دارای كاربردهای زیادی است.
اولين بار در سال1958 ئگنر ردلف بلوخ و دكتر هری تابور طرح يك استخر خورشيدی آب نمك صنعتی را تهيه كردند و در دهه های 70و80 ميلادی اين فناوری قابل اجرا شد.
لوسين برونيكی توربين حرارت پايين از گازهای آلی را ابداع نمود و در سال 1965 شركتی را برای ساخت و فروش اين گونه توربين ها تاسيس كرد. از طريق اين توربين بود كه دریافت انرژی از استخرهای خورشيدی امكان پذير شد، به طوری كه در سال 1981سه هزار دستگاه آن در 43 كشور جهان در سخت ترين شرايط بدون مشكل در حال كار بودند.
شركت برونيكی و بنياد تحقيقات علوم آمريكا موفق شدند با همكاری يكديگر اولين نيروگاه آزمايشی استخرهای خورشيدی آب نمك (EIn Bokek Pilot PLANT) را بسازند.
صرفه اقتصادی استخر خورشیدی
سیستم آبگرمکن خورشیدی استخر اقتصادی ترین روش گرمایش استخر است. هزینه اولیه سیستم گرمایش استخر خورشیدی در ابتدا با سیستم گرمایش با گاز طبیعی یکسان است اما با گذشت زمان هزینه گرمایش استخر خورشیدی به مراتب کمتر است و این باعث اقتصادی تر شدن سیستم گرمایش استخر با انرژی خورشیدی می شود.
علت بالا بودن بازده استخرهای خورشیدی هزینه پایین این استخر ها است. در بیشتر سیستم های آبگرمکن خورشیدی استخر روباز تنها عضو متحرک در این سیستم شیر برقی موتوردار است که توسط یک کنترلر فعال می شود. این کنترلر دارای دو سنسور است که یکی در کنار کلکتور خورشیدی در معرض نور آفتاب قرار دارد و سنسور دیگر دمای آب استخر را اندازه گیری می کند. زمانی که انرژی خورشیدی مناسبی وجود دارد که آب استخر را گرم کند شیر باز می شود و آب وارد کلکتورهای آبگرمکن خورشیدی می شود.
زمانی که دمای آب استخر به حد بالای دمای تنظیم شده می رسد و یا زمانی که مقدار تابش خورشید کم است به طوری که دمای کلکتور ها به 1 یا 2 درجه فارنهایت بالاتر از دمای استخر نمی رسد شیر بسته می شود و فعالیت گرمایش استخر بدون سیستم گرمایش خورشیدی انجام می شود.
زمان بازگشت سرمایه یک استخر خورشیدی با توجه به فاکتور های مختلف بین 1.5 تا 5 سال است. مقدار دقیق این بازگشت سرمایه به فاکتورهای مختلفی بستگی دارد.
اجزای آبگرمکن خورشیدی استخر
- کلکتور خورشیدی: آب استخر در آن گردش کرده و توسط اشعه آفتاب گرم می شود.
- فیلتر: آب قبل از این که وارد کلکتور شود توسط فیلتر ها تصفیه شده و مواد زائد آن حذف می گردد.
- پمپ: آب توسط پمپ در فیلتر و کلکتور به گردش در می آید.
- شیر کنترل سطح: شیر کنترل اتوماتیک یا دستی است که آب استخر را به کلکتور ها هدایت می کند.
طراحی استخر خورشیدی
در طراحی استخر خورشیدی باید فاکتور های زیر را در نظر بگیریم
- محاسبه منابع خورشیدی محل
- ابعاد سیستم خورشیدی
- شیب و جهت مناسب کلکتورهای خورشیدی
- بازدهی سیستم
- قیمت های سیستم انتخابی
محاسبه منابع سیستم خورشیدی محل مورد نظر
قبل از محاسبه و نصب سیستم آبگرمکن خورشیدی استخر شما باید مقدار منابع خورشیدی محل خود را محاسبه کنید. بازدهی و طراحی سیستم استخر خورشیدی به مقدار انرژی خورشیدی که محل ساختمان شما دریافت می کند بستگی دارد. سیستم گرمایش استخر خورشیدی به دو صورت مستقیم و پراکنده می باشد. از این رو حتی اگر در ناحیه ای که اقلیم گرم و آفتابی دارد زندگی نمی کنید محل شما هنوز هم منابع آفتابی مناسبی دارد. بنابراین اگر ساختمان شما در ناحیه بدون سایه جنوبی باشد گزینه خوبی برای استخر خورشیدی است.
محاسبه ابعاد سیستم گرمایش خورشیدی استخر
محاسبه سایز سیستم آبگرمکن خورشیدی استخر به فاکتور های زیادی بستگی دارد که این فاکتورها شامل موارد زیر است
- ابعاد استخر
- طول مدت فصل شنا
- میانگین دمای محیط
- دمای مطلوب استخر
- مقدار منابع خورشیدی محل
- شیب و جهت کلکتورهای خورشیدی
- بازدهی کلکتورها
- استفاده از روکش استخر
تاثیر روکش استخر خورشیدی
روکش استخر تاثیر بسیار زیادی بر حفظ دمای استخر دارد. به خصوص در استخر های روباز که در تماس بیشتری با هوای سرد و همچنین در معرض باد هستند امکان اتلاف حرارتی بسیار بیشتر است. با استفاه از روکش استخر در استخر خورشیدی می توان تا حد بسیار زیادی از اتلاف حرارتی جلوگیری کرد. یکی از بزرگترین علت های اتلاف حرارتی در استخرها تبخیر سطحی آن ها می باشد و به این علت که تبخیر یک فرآیند گرماگیر است باعث گرفتن گرما و سرد شدن آب استخر می شود. بنابراین در صورتی که در استخر خورشیدی از روکش استفاده شود دمای آن می تواند بسیار بالاتر بماند.
جانمایی کلکتورهای سیستم گرمایش استخر خورشیدی
کلکتورها می تواند در پشت بام و هر نقطه ای نزدیک به استخر شنا و در جهت و شیب مناسب برای آفتاب قرار گیرد. این عوامل می تواند بر کیفیت کارکرد سیستم خورشیدی تاثیر بگذارد.
جهت کلکتورهای سیستم خورشیدی
کلکتور آبگرمکن خورشیدی استخر باید طوری قرار داده شود تا مقدار دریافت انرژی آن به حداکثر برسد. به طور کلی بهترین جهت برای دریافت بیشترین مقدار از انرژی روزانه برای نواحی که در نیمکره شمال قرار دارند(مانند ایران) سمت جنوب است. اگرچه تحقیقات جدید نشان می دهد که با توجه به شیب ، کلکتورهای آبگرمکن خورشیدی استخر می توانند تا 45 درجه به سمت شرق و یا غرب تغییر جهت دهد بدون اینکه کاهش محسوسی در عملکرد آن داشته باشد. همچنین فاکتورهای دیگری نیز تاثیر دارد. مانند جهت بام خانه ( اگر سقف خانه شیروانی است و اگر قصد دارید کلکتورها را روی سقف قرار دهید ) و یا ویژگی های محلی ناحیه مثل سایه ها و یا شرایط آب هوایی ( مثل صبح های مه آلود و یا عصرهای ابری ) و این فاکتورها می تواند بر کارکرد کلکتور تاثیر بگذارد.
شیب کلکتورهای سیستم خورشیدی
زاویه کلکتور بر اساس عرض جغرافیایی و مدت زمان فصل شنا متفاوت است. به صورت ایده آل برای استخرهای تابستانی شیب استخر برابر با زاویه عرض جغرافیایی منهای 10 تا 15 درجه است. برای استخرهای چهار فصل شیب استخر برابر با زاویه عرض جغرافیایی است.
محاسبه راندمان سیستم خورشیدی
بر اساس نرخ کارکرد کلکتورهای خورشیدی استخر می توان بازده استخر خورشیدی را محاسبه کرد. نرخ کارکرد کلکتورهای خورشیدی با واحد بی تی یو بر فوت مربع اندازه گیری می شود. همچنین از واحد مگاژول بر متر مربع هم استفاده می شود.
نرخ بالای کارکرد کلکتورهای خورشیدی نه تنها هزینه اولیه کمتری ایجاد می کند بلکه همچنین ممکن است مساحت کمتری را برای سیستم های خورشیدی اشغال کند.
مزایا استخر خورشیدی
صرفه جویی هزینه استخر خورشیدی در طول زمان
آبگرمکن خورشیدی استخر در مقایسه با دیگر تکنولوژی ها کم هزینه تر و ماندگارتر است. در طول مدت زمان استفاده از آن هزینه آن کاملا توجیه پذیر است. در استخرهای خورشیدی به علت استفاده نکردن از گاز یا برق هزینه راه اندازی آن به مرور جبران می شود. به همین دلیل استخر خورشیدی اقتصادی ترین روش گرمایش استخر است. گرمکن خورشیدی استخر در نهایت هزینه راه اندازی و هزینه قبض های برق و گاز شما را جبران خواهد کرد.
جلوگیری از استفاده بیش از حد سوخت فسیلی
در آبگرمکن خورشیدی استخر برای رسیدن به دمای آسایش در آب از سوخت های فسیلی استفاده نمی شود. گازهای ناشی از احتراق سوخت های فسیلی باعث ایجاد اثر گلخانه ای و گرمایش جهانی می شود که در استخر خورشیدی این اتفاق نمی افتد.
به طور کلی استخرهای خورشیدی برای کسانی که دغدغه آسیب های زیست محیطی و حفظ هوای پاک را دارند بهترین گزینه است. به همین جهت استفاده از سیستم گرمایش خورشیدی استخر و تمام سیستم های انرژی پاک علاوه بر دیگر مزایای خود پدیده ای انسانی و فرهنگی است که می تواند قدمی برای جلوگیری از آسیب رسانی بشر به محیط زیست باشد.
کاربرد های استخر خورشیدی
- تامين انرژی برای پروژه های نمک زدایی
- تامین گرما برای گلخانه ها
- استفاده از هوای گرم برای خشک کردن الوارها، ماهی و محصولات کشاورزی
- استفاده از گرمای استخر خورشیدی در سیستم های سرمایش جذبی برای نگهداری مواد غذایی فاسد شدنی و مواد دارویی مانند واکسن ها در درجه حرارت پایین
- استفاده از گرمای استخر خورشیدی در پروسه های صنعتی مانند استفاده از آب گرم در صنعت نساجی و صنایع غذایی
- استفاده از گرمای استخر خورشیدی برای تولیدبرق