كيفية تحديد حجم واختيار نظام تجميع الطاقة الشمسية متعدد المنافذ لمشاريع المياه الساخنة التجارية

في مشاريع الطاقة الشمسية الحرارية التجارية، يُعدّ اختيار نوع المُجمّع المناسب وتحديد حجم النظام بدقة عاملين حاسمين في نجاح المشروع من الناحيتين التقنية والمالية. تختلف احتياجات الطاقة وجداول التشغيل ومتطلبات الموثوقية اختلافًا كبيرًا بين الفنادق والمستشفيات والمدارس والمجمعات السكنية والمنشآت الصناعية. قد يؤدي النظام ذو الحجم الزائد إلى هدر رأس المال ومخاطر الركود، بينما قد يفشل النظام ذو الحجم الناقص في تلبية الطلب ويُزعزع ثقة المستخدمين.

تشرح هذه المقالة كيفية تحديد الحجم والاختيار الصحيحين لـمجمع الطاقة الشمسية متعدد المنافذالنظام، مع التركيز على تكنولوجيا مشعب الأنابيب المفرغة، وتحليل الطلب التجاري على الماء الساخن، وتكامل النظام، وتوقعات الأداء، والعائد على الاستثمار.

1. فهم نمط حمل الماء الساخن

تبدأ أي مشاريع تسخين المياه بالطاقة الشمسية التجارية بفهم دقيق لاحتياجات المبنى من المياه الساخنة. ويشمل ذلك حجم الاستهلاك اليومي، وفترات ذروة الطلب، والتغيرات الموسمية، ومتطلبات درجة الحرارة.

• كمية الماء الساخن اليومية (لتر في اليوم)

• ساعات ذروة الطلب (صباحاً، مساءً، أو بشكل مستمر)

• درجة حرارة التسليم المطلوبة

• درجة حرارة مدخل الماء البارد حسب الموسم

• معدل الإشغال وسلوك الاستخدام

تشهد الفنادق عادةً ذروةً حادةً في الصباح والمساء، بينما قد تشهد المستشفيات والمساكن الطلابية طلباً أكثر استقراراً على مدار اليوم. أما المنشآت الصناعية، فقد يكون لديها أحمال مدفوعة بالعمليات مع متطلبات درجة حرارة محددة.

2. تحويل الطلب إلى متطلبات الطاقة الحرارية

بمجرد معرفة حجم الماء الساخن، يمكن تحويله إلى طلب على الطاقة الحرارية باستخدام العلاقات الديناميكية الحرارية الأساسية. وهذا يسمح للمهندسين بتقدير كمية الطاقة الشمسية التي يجب أن يوفرها النظام على أساس سنوي ويومي.

عادة ما يتم تصميم مساهمة الطاقة الشمسية لتغطية نسبة مئوية من إجمالي الطلب السنوي بدلاً من 100٪، مما يسمح لأنظمة التدفئة المساعدة بالتعامل مع ذروة الأحمال والظروف الجوية القاسية.

3. الاختيار بين تقنيات التجميع

في حين يتم استخدام مجمعات الألواح المسطحة ومجمعات الأنابيب المفرغة على نطاق واسع، غالبًا ما يتم تفضيل مجمعات الأنابيب المفرغة للمشاريع التجارية بسبب كفاءتها العالية في ظل درجات الحرارة المحيطة المنخفضة والأداء الأفضل خلال مواسم الشتاء والكتف.

كما أن تصميم المشعب يبسط عملية التكامل والصيانة الهيدروليكية، مما يجعله أكثر ملاءمة للأنظمة الكبيرة.

4. تحديد حجم حقل المجمع

يتم تحديد حجم حقل المجمعات الشمسية من خلال الجمع بين تحليل الأحمال، وبيانات المناخ، وكفاءة المجمعات، ومساحة التركيب المتاحة. وتشمل العوامل الرئيسية ما يلي:

• الإشعاع الشمسي المحلي (كيلوواط ساعة/م²/سنة)

• منحنى كفاءة المجمع

• خسائر النظام (الأنابيب والمبادلات الحرارية والتخزين)

• إمكانية الوصول إلى السطح أو منطقة التشمس

والنتيجة هي منطقة تجميع مستهدفة تحقق التوازن بين تكلفة الاستثمار وإنتاج الطاقة.

5. تحديد حجم خزانات التخزين والتخزين الحراري

تفصل خزانات التخزين بين عملية جمع الطاقة واستهلاكها. ويُعدّ اختيار الحجم المناسب للخزانات أمراً بالغ الأهمية لتجنب هدر الطاقة وضمان إمداد مستقر بالمياه الساخنة.

تستخدم الأنظمة التجارية النموذجية ما بين 50 و 100 لتر من التخزين لكل متر مربع من مساحة التجميع، وذلك حسب أنماط الاستخدام وتصميم النظام.

6. التصميم الهيدروليكي والتحكم في التدفق

يضمن التوزيع المنتظم للتدفق عبر حقل المجمعات المتعددة تشغيل جميع المجمعات عند درجات حرارة وكفاءة متقاربة. ويتطلب ذلك اختيارًا دقيقًا لأحجام الأنابيب وصمامات الموازنة والمضخات.

7. التكامل مع أنظمة التدفئة المساعدة

نادراً ما تعمل أنظمة الطاقة الشمسية بمفردها. وعادةً ما يتم دمجها مع غلايات الغاز أو السخانات الكهربائية أو المضخات الحرارية التي توفر الطاقة الاحتياطية خلال فترات انخفاض توافر الطاقة الشمسية.

تحدد منطق التحكم متى يتم استخدام الطاقة الشمسية الحرارية ومتى يتم تفعيل الأنظمة المساعدة.

8. التقييم الاقتصادي والعائد على الاستثمار

يشمل التقييم الاقتصادي تكلفة رأس المال، وتوفير تكاليف التشغيل، وتكاليف الصيانة، وعمر النظام. تتراوح فترات استرداد تكلفة أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية التجارية عادةً من 4 إلى 8 سنوات، وذلك تبعاً لأسعار الطاقة والمناخ واستخدام النظام.

9. إدارة المخاطر وموثوقية النظام

تشمل إدارة المخاطر تجنب الركود والتجمد والتآكل والترسبات. ويساهم التصميم السليم واختيار المواد المناسبة والمراقبة الدقيقة في تقليل المخاطر على المدى الطويل وتحسين موثوقية النظام.

خاتمة

إن تحديد الحجم المناسب واختيار نظام تجميع الطاقة الشمسية متعدد المنافذ ليس عملية بسيطة تعتمد على المعادلات. بل يتطلب تحليلاً منظماً لملامح الأحمال، والظروف المناخية، وتكامل النظام، والأهداف المالية.

بالنسبة للمشاريع التجارية والمؤسسية، توفر أنظمة الأنابيب المتشعبة المفرغة توازنًا قويًا بين الكفاءة والموثوقية وقابلية التوسع. وعندما يتم تصميمها بشكل صحيح، فإنها توفر توفيرًا في الطاقة على المدى الطويل، وتشغيلًا مستقرًا، وفوائد بيئية قابلة للقياس.