المجمعات الشمسية الحرارية

 ان الاسم الشائع لهذه المجمعات هو المجمعات الشمسية، ومهمة هذه المجمعات على اختلاف أشكالها هي تحويل الطاقة الشمسية الى طاقة حرارية على درجات حرارة مختلفة حسب طبيعة الاستخدام المطلوب، وبشكل عام تقوم هذه المجمعات بنقل الطاقة الحرارية الناتجة الى أحد الموائع كالهواء أو الماء أو أي من السوائل الأخرى لاستخدامها من ثم في تلبية أحد المتطلبات. 

إن من الحقائق الأساسية في العالم المادي أن الطاقة لا تخلق ولا تفنى وانما يمكن تحويلها من شكل الى آخر، وهكذا فلو نظرنا الى المجمع الشمسي باعتباره جسما يستقبل الطاقة الشمسية فانه يقوم بتحويل هذه الطاقة الى أشكال أخرى يتم الحصول على جزء منها بينا يفقد الجزء الآخر، أما الجزء الذي نحصل عيه فيتمثل في رفع درجة حرارة أحد الموائع مثلا بينا الجزء المفقود هو الذي ينتقل من المجمع مرة أخرى للأجواء المحيطة به.

ولو حاولنا صياغة ما تقدم بشكل علاقة حسابية لقلنا:

الطاقة الساقطة على المجمع = الطاقة المكتسبة + الطاقة المفقودة

وبهذا نرى أن المجمع الشمسي لا يخلق الطاقة من العدم كما أنه لا يفنيها بل يقوم بتحويلها. وإذا حاولنا البحث عن الطاقة الحرارية المكتسبة نجد أنها كمية الحرارة التي حصل عيها المائع الذي انتقلت له الحرارة. وإذا حاولنا حسابها نجد أنها تساوي كتلة المائع مضروبة بحرارته النوعية وبارتفاع درجة حرارته. وحين نضع ما تقدم بشكل علاقة رياضية يظهر أن:

الحرارة المكتسبة = كتلة المائع × حرارته النوعية × ارتفاع درجة حرارته وباستعمال الرموز نضع العلاقة كالتالي:

ح1= ك x ن x ت

أما الحرارة المفقودة إلى الأجواء المحيطة فإنها تنتقل عبر وسائل التوصيل والحمل والإشعاع وللسهولة فسوف نهمل تأثير الوسيلة الأخيرة ونركز على فقدان الحرارة بالتوصيل والحمل. وتعتمد كمية الحرارة المفقودة من المجمع على معامل انتقال الحرارة من سطح المجمع إلى الأجواء المحيطة وعلى مساحة سطح المجمع وعلى فارق درجات الحرارة بين سطح المجمع والأجواء المحيطة وبشكل رياضي نضع العلاقة كالتالي:

الحرارة المفقودة = مساحة سطح المجمع x معامل انتقال الحرارة ×

فارق درجات الحرارة بين سطح المجمع والأجواء المحيطة

وباستعمال الرموز نضع العلاقة كالتالي:

ح 2= س * م * ف

فان مجموع الحرارة المكتسبة والحرارة المفقودة تساوي كمية الطاقة الساقطة على سطح المجمع التي تساوي بدورها كمية الإشعاع الشمسي على وحدة المساحة مضروبا بمساحة سطح المجمع، أي:

الطاقة الساقطة على المجمع = الاتساع الشمسي على وحدة المساحة x مساحة سطح المجمع

ح 3= ش * س

لنضع ميزان الطاقة للمجمع الشمسي بشكل رياضي:

ح 3 = ح 1+ ح 2

وإذا قسمنا طرفي العلاقة على ح 3 ينتج:

لنلاحظ أن ح3/ح1 هو نسبة الطاقة المكتسبة إلى الطاقة الساقطة على سطح المجمع، أي إنها تمثل كفاءة المجمع، أما ح3/ح2 فإنها تمثل العلاقة بين الطاقة المفقودة والطاقة الساقطة على المجمع، ويمكننا أن نختصر ح3/ح2 إلى صيغة اكثر قبولا حين نضع:

إذا اعتبرنا أن معامل انتقال الحرارة من سطح المجمع إلى الأجواء المحيطة ذو قيمة ثابتة نرى أن ح3/ح2 تتناسب طرديا مع فارق درجات الحرارة بين درجة حرارة سطح المجمع والأجواء المحيطة وعكسيا مع شدة الإشعاع الشمسي، إذا أعدنا كتابة ميزان الطاقة للمجمع الشمسي نرى:

1 = كفاءة المجمع + م x ش/ف

أو

كفاءة المجمع = 1- م ش/ف

لكن نتيجة لعوامل امتصاص وانعكاس الإشعاع الشمسي عن زجاج المجمع وعن الصفيحة الماصة داخل المجمع فان كفاءة المجمع تأخذ شكل العلاقة التالية:

كفاءة المجمع = 0.8 – م ش/ف

أما الشكل البياني لهذه المعادلة فيظهر كخط مستقيم تقل قيمته كلما ازدادت قيمة العامل (م x ش/ف).