مجمع شمسي حراري
أنواع المجمعات الشمسية المستخدمة لتجميع الحرارة > مجمعات الألواح المسطحة

مجمعات الألواح المسطحة، التي تم تطويرها بواسطة هوتيل وويلير عام 1950، تعد النوع الأكثر شيوعاً. وهي تتكون من (1) لوح مسطح داكن لامتصاص الطاقة الشمسية، (2) غطاء شفاف يسمح للطاقة الشمسية بالمرور ولكنه يقلل من فقدان الحرارة، (3) سائل لنقل الحرارة (الهواء، مضاد التجمد، أو الماء) لإزالة الحرارة من لوح الامتصاص، (4) داعم أو غطاء لعزل الحرارة. ويتكون لوح الامتصاص من صحيفة امتصاص رقيقة (من بوليمرات ثابتة حرارياً، ألومنيوم، صلب أو نحاس، والتي يتم طلائها بطلاء أسود لامع أو انتقائي) مدعومة في كثير من الأحيان بشبكة أو ملف من أنابيب بها سائل موضوعة في غلاف معزول من الزجاج أو غطاء من البولي كربونات. وفي ألواح تسخين المياه، عادة ما يتم تمرير السائل خلال أنابيب لنقل الحرارة من لوح الامتصاص إلى خزان مياه معزول. وقد يتحقق ذلك مباشرة أو عن طريق مبادل حراري. معظم الشركات المصنعة لحرارة الهواء وبعض الشركات المصنعة لحرارة المياه لديها لوح امتصاص مغمور كلياً مكون من لوحتين من المعدن يمر بينهما السائل. ولأن منطقة التبادل الحراري أكبر، فإنها قد تكون أكثر كفاءة قليلاً من ألواح الامتصاص التقليدية.
يمر ضوء الشمس عبر الواجهات الزجاجية ويضرب لوح الامتصاص، والذي حينما يسخن يحول الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية. ويتم نقل الحرارة إلى السائل الذي يمر خلال الأنابيب المتصلة بلوح الامتصاص. وعادة ما يتم طلاء ألواح الامتصاص «بطلاءات انتقائية»، والتي بدورها تمتص وتحتفظ بالحرارة بدرجة أفضل من الطلاء الأسود العادي. وعادة ما تصنع ألواح الامتصاص من معدن – النحاس أو الألومنيوم- لأن هذا ال[[معدن موصل جيد للحرارة. ويعتبر النحاس أكثر تكلفة ولكنه موصل أفضل وأقل عرضة للتآكل مقارنة بالألومنيوم. وفي المواقع التي يتوفر فيها معدلات متوسطة من الطاقة الشمسية، يكون حجم مجمعات الألواح المسطحة تقريباً نصف إلى واحد قدم مربع لكل جالون من استخدام الماء الساخن يومياً.
هناك عدد من تشكيلات أنابيب الامتصاص:
القيثارة: تصميم تقليدي ذو أنبوبة سفلية رافعة وأنبوبة تجميع علوية، تستخدم في الأنظمة الحرارية منخفضة الضغط وأنظمة الضخ.
الأفعواني أو المعوج: هو نوع مستمر يعمل على زيادة درجة الحرارة ولكن ليس إجمالي الطاقة الإنتاجية في أنظمة التدفق أو السريان المتغيرة، وتستخدم في أنظمة المياه الساخنة المنزلية فقط المدمجة الشمسية (أي لا دور لها في تدفئة المباني).
لوح الامتصاص المغمور كلياً المكون من لوحين من المعدن المستخدمين لإنتاج منطقة دوران.
مجمعات امتصاص الطبقة الحدية وتتكون من عدة طبقات من الصفائح الشفافة والمعتمة والتي تسمح بالامتصاص في طبقة حدية. ولأن الطاقة الشمسية يتم امتصاصها في الطبقة الحدية، فإن التحول الحراري قد يكون أكثر كفاءة من المجمعات التي يتم توصيل فيها الحرارة الممتصة خلال مادة وذلك قبل تراكم الحرارة في سائل دوار.
كبديل للمجمعات المعدنية، يتم إنتاج مجمعات ألواح مسطحة بوليمرية جديدة الآن في أوروبا. وقد تكون مصنوعة كلياً من البوليمر، أو أنها قد تشمل لوحات معدنية أمام قنوات مياه تتحمل التجميد مصنوعة من مطاط السيليكون.البوليمرات، والتي تعد مرنة ومن ثم تتحمل التجمد، لديها القدرة على احتواء الماء العادي بدلاً من مضادات التجمد، لذلك يمكن تسييرها مباشرة إلى خزانات المياه الموجودة بدلاً من الحاجة لاستخدام مبادلات حرارية والتي تقلل الكفاءة. وبالاستغناء عن المبادلات الحرارية في هذه الألواح المسطحة، فإن درجات الحرارة لا يلزم أن تكون عالية جداً لكي تعمل أنظمة الدوران لذا فإن مثل تلك الألواح المباشرة للدوران، سواء كانت من
البوليمر أو غير ذلك، قد تكون أكثر فعالية وخاصة في المستويات المنخفضة من الضوء.
بعض المجمعات البوليمرية المطلية بشكل انتقائي في وقت مبكر تعاني من السخونة الزائدة عندما يتم عزلها، حيث يمكن أن تتجاوز درجات حرارة الركود أو الجمود درجة انصهار البوليمر. على سبيل المثال، درجة انصهار البولي بروبيلين هي 160 درجة مئوية (320 درجة فهرنهايت)، في حين أن درجة حرارة الركود أو الجمود للمجمعات الحرارية المعزولة قد تزيد عن 180 درجة مئوية (356 درجة فهرنهايت) إذا لم يتم استخدام استراتيجيات التحكم. ولهذا السبب لا يتم استخدام البولي بروبيلين غالبا في المجمعات الشمسية الزجاجية المطلية انتقائياً. ويتم استخدام البوليمرات مثل السيليكون المعتدل على نحو متزايد (والذي يذوب عند درجة حرارة أكبر من 250 درجة مئوية (482 درجة فهرنهايت). بعض المجمعات الشمسية الزجاجية غير القائمة على بوليمر البولي بروبيلين يتم طلائها بالأسود اللامع بدلاً من طلائها انتقائياً من أجل تقليل درجة حرارة الركود أو الجمود إلى 150 درجة مئوية (302 درجة فهرنهايت) أو أقل.
وفي المناطق التي يكون فيها التجمد احتمال قائم، فإن تحمل التجمد (وهي القدرة على التجمد مراراً وتكراراً دون تشقق) يمكن تحقيقه من خلال استخدام بوليمرات مرنة. ولقد تم استخدام أنابيب مطاط السيليكون لهذا الغرض في المملكة المتحدة منذ عام 1999. المجمعات المعدنية التقليدية تعد عرضه للضرر من التجمد، لذلك إذا كانت مملوءة بالمياه، فإنه يجب تسييرها بعناية بحيث يتم تصريفها تماماً لأسفل باستخدام الجاذبية قبل توقع حدوث التجمد، لذلك فإنها لا تتصدع. ويتم تثبيت العديد من المجمعات المعدنية كجزء من نظام مبادل حراري مغلق. وبدلاً من الحاجة لتدفق المياه الصالحة للشرب مباشرة خلال المجمعات، فإنه يتم استخدام خليط من الماء ومادة مضادة للتجمد مثل البروبيلين جليكول (والذي يستخدم في الصناعات الغذائية) كسائل لتبادل الحرارة للحماية من أضرار التجمد وصولاً إلى درجة حرارة الخطر المحددة محلياً والتي تعتمد على نسبة البروبيلين جليكول في الخليط.
استخدام الجليكول يقلل من حرارة الماء مما يزيد بشكل طفيف من القدرة على التحمل، في حين أن إضافة مبادل حراري إضافي قد يخفض من أداء النظام عند المستويات المنخفضة من الضوء.
المجمع غير المطلي أو (البركة) هو شكل بسيط من مجمعات الألواح المسطحة دون وجود غطاء شفاف. وعادة ما يتم استخدام البولي بروبيلين أو مطاط (EPDM) أو مطاط السيليكون كلوح امتصاص. ولتدفئة التجمع أو البركة، يمكن أن تعمل بشكل جيد جداً عندما تكون درجة الحرارة الناتجة المرغوبة قريبة من درجة الحرارة المحيطة (أي: عندما يكون الجو الخارجي دافئ). وكلما أصبحت درجة الحرارة المحيطة أبرد، تصبح تلك المجمعات أقل فعالية.
معظم مجمعات الألواح المسطحة لديها متوسط عمر متوقع أكثر من 25 سنة.