التحديات التي تواجه أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية في المناطق المشمسة

غالبًا ما تُعتبر أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية (SHWS) مثالية للمناطق ذات أشعة الشمس الوفيرة ودرجات الحرارة المرتفعة. وتبدو دول مثل الإمارات العربية المتحدة، بإشعاعها الشمسي الكثيف وأيامها المشمسة الطويلة، مرشحة مثالية لاعتماد تسخين المياه بالطاقة الشمسية على نطاق واسع. ومع ذلك، ورغم الإمكانات الشمسية الواعدة، تواجه العديد من أنواع أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية مجموعة فريدة من التحديات في مثل هذه المناخات الحارة. ويُعد فهم هذه التحديات أمرًا أساسيًا لتصميم أنظمة أكثر فعالية وكفاءة واستدامة لهذه المناطق. 

ارتفاع درجة الحرارة وإجهاد النظام

يُعد ارتفاع درجة الحرارة من أهم التحديات التي تواجه أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية في المناخات الحارة . وبما أن أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية مصممة لامتصاص الإشعاع الشمسي وتحويله إلى حرارة، فإن درجات الحرارة المحيطة المرتفعة، بالإضافة إلى التعرض المطول لأشعة الشمس، قد تدفع هذه الأنظمة إلى تجاوز نطاق درجات الحرارة الأمثل. وغالبًا ما تُواجه هذه المشكلة خلال فترات الذروة الصيفية عندما ينخفض ​​استهلاك الماء الساخن. وقد تتوقف مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية الحديثة عن العمل. 

تشمل عواقب ارتفاع درجة الحرارة ما يلي: 

• تدهور المكونات: يمكن للحرارة الزائدة أن تسبب تدهور المكونات مثل الحشيات والأختام والعزل، مما يؤدي إلى التسربات أو انخفاض الكفاءة. 

• ارتفاع الضغط: تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى رفع الضغط داخل النظام، مما قد يؤدي إلى تشغيل صمامات الأمان أو التسبب في تلف الأنابيب. 

• عمر افتراضي منخفض: يمكن أن يؤدي التعرض المستمر لدرجات الحرارة القصوى إلى تقليل العمر الافتراضي الإجمالي للنظام. 

علاج ارتفاع درجة الحرارة في أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية

في مناطق مثل الإمارات العربية المتحدة، من المهم معالجة مشكلة ارتفاع درجة الحرارة. يمكن تحقيق ذلك من خلال النظام والمكونات. أنظمة التسخين السلبي أو الحراري، التي لا تحتوي على مضخة ويتم فيها تدوير الماء عبر الحمل الحراري الطبيعي، تكون أكثر عرضة للتلف الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة، حيث يصعب التحكم في عملية التسخين. يُنصح باستخدام نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية، سواءً كان نشطًا أو مضخًا، حيث يتم التحكم في عملية التسخين باستخدام وحدة تحكم في درجة الحرارة. سيحمي هذا خزان الماء الساخن من ارتفاع درجة الحرارة على الأقل، ولكنه لن يحمي المجمعات الشمسية! صُممت مجمعات SolarisKit الشمسية المنشورية المسطحة خصيصًا للاستخدام في المناخات المشمسة والحارة مثل الإمارات العربية المتحدة، وستصل درجة حرارتها القصوى إلى 90 درجة مئوية فقط، مما يجعلها أكثر أمانًا وموثوقية.

مشاكل الترسب وجودة المياه

في مناطق مثل الإمارات العربية المتحدة، غالبًا ما تُحلى المياه، وهي عادةً ما تكون عسرة ، غنية بالكالسيوم والمغنيسيوم. عند تسخين هذه المياه العسرة، تترك رواسب قشور على الأسطح الداخلية للمجمعات والأنابيب وخزانات التخزين. 

تأثير التوسع: 

• انخفاض كفاءة نقل الحرارة: يعمل الحجم كطبقة عازلة، مما يقلل من كفاءة نقل الحرارة. 
• انسداد الأنابيب: يمكن أن يؤدي تراكم الترسبات إلى منع تدفق المياه، مما يزيد من متطلبات الصيانة. 
• فشل النظام: يمكن أن يؤدي تراكم الحجم المستمر إلى فشل النظام بالكامل إذا لم يتم معالجته بانتظام.

علاجات لمشاكل الترسبات والمياه العسيرة

يُعدّ تحديد درجة حرارة التسخين واختيار مواد النظام أمرًا أساسيًا لمعالجة هذه المشكلة. يجب تجنب الأنظمة التي تستخدم النحاس والتي تصل درجات حرارتها إلى درجات حرارة عالية. تُعدّ مواد البوليمر الملساء أقل عرضة للتراكم والتكلّس، مما يجعلها خيارًا جيدًا، ولكن يجب توخي الحذر لضمان عدم وصول النظام إلى درجة حرارة غير آمنة لهذه المواد. صُنع مُجمّع SolarisKit الشمسي من مادة بلاستيكية حرارية عالية الجودة، وهي ناعمة ومقاومة لتراكم الترسبات الكلسية. يُوفّر هذا المُجمّع حلاً جديدًا لتسخين المياه بالطاقة الشمسية يُعالج مشكلة التكلّس.

الغبار والظروف البيئية

تشهد دولة الإمارات العربية المتحدة عواصف غبار متكررة ومستويات عالية من الجسيمات في الهواء. تؤثر هذه العوامل البيئية بشكل كبير على أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية. 

المشاكل الناجمة عن الغبار: 

• فقدان كفاءة المجمع: يؤدي تراكم الغبار على أسطح المجمع إلى تقليل امتصاص الطاقة الشمسية. 
• زيادة احتياجات الصيانة: تتطلب الأنظمة التنظيف المنتظم، مما قد يؤدي إلى زيادة تكاليف التشغيل. 
• خطر التآكل: يمكن أن يؤدي الغبار المختلط بالرطوبة إلى ظروف تآكلية، خاصة إذا لم يتم طلاء المواد أو حمايتها بشكل مناسب. 

عدم التوافق بين العرض والطلب

مشكلة أخرى هي عدم التوافق بين إنتاج الماء الساخن وأنماط استخدامه . ففي المناطق شديدة الحرارة، غالبًا ما يكون الطلب على الماء الساخن أقل خلال فصل الصيف، وهو ما يتزامن مع ذروة توفر الطاقة الشمسية. 

عواقب عدم التوافق في الطلب: 

• إهدار الطاقة: لا يتم تخزين أو استخدام الطاقة الزائدة المولدة، مما يقلل من كفاءة النظام بشكل عام. 
• خطر ارتفاع درجة الحرارة: انخفاض الطلب يعني بقاء الماء في المجمعات لفترة أطول، مما يزيد من خطر ارتفاع درجة الحرارة. 
• انخفاض أداء النظام: يمكن أن تؤدي فترات الركود الطويلة أيضًا إلى تدهور جودة السوائل ومواد النظام. 

التخزين وفقدان الحرارة

رغم وفرة الإشعاع الشمسي، لا يزال التخزين الفعّال للمياه الساخنة يُشكّل تحديًا. فقد يؤثر فقدان الحرارة الناتج عن ارتفاع درجات الحرارة المحيطة، وخاصةً ليلًا عند انخفاضها، على فعالية خزانات التخزين. 

تحديات تخزين المفاتيح: 

• أداء العزل: يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المحيطة المرتفعة إلى تدهور مواد العزل بشكل أسرع. 
• فقدان الحرارة أثناء الليل: حتى في مناخات الصحراء، يمكن أن تكون الليالي باردة، مما يؤدي إلى خسائر حرارية كبيرة إذا كانت الخزانات معزولة بشكل سيئ. 
• وضع الخزان: تتعرض الخزانات الموجودة على السطح، والتي تعد شائعة في أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية، للعوامل الجوية ويمكن أن تتعرض للتآكل الحراري والبنيوي. 

تصميم النظام والتكيف

تم تصميم العديد من أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية في المناطق المعتدلة أو الدافئة إلى حد ما وليست مثالية للظروف القاسية في الخليج . 

تتضمن قيود التصميم ما يلي: 

• المواد غير المحسنة: تتدهور بعض المواد بشكل أسرع في ظل ظروف الأشعة فوق البنفسجية الشديدة والحرارة العالية. 
• الافتقار إلى آليات التحكم: غالبًا ما تفتقر الأنظمة الأساسية إلى أدوات التحكم الذكية لتنظيم امتصاص الحرارة أو تحويل الحرارة الزائدة. 
• تخطيطات غير فعالة: يمكن أن يؤدي وضع أو توجيه الألواح بشكل غير صحيح إلى أداء دون المستوى الأمثل حتى في الظروف المشمسة. 

الصيانة وتوعية المستخدم

يتطلب الأداء الفعال لنظام SHWS صيانة دورية ومشاركة المستخدمين.  اختر شريكًا قادرًا على تقديم باقة خدمة وصيانة مع نظامه. 

تحديات الصيانة: 

• نقص الفنيين المهرة: هناك نقص في الخبرة المتوفرة محليًا في صيانة الطاقة الشمسية الحرارية. 
• إهمال المستخدم: قد لا يفهم المستخدمون النهائيون أهمية التنظيف المنتظم أو إزالة الترسبات أو التفتيش. 
• تكاليف الخدمة: يمكن أن تكون خدمات الصيانة، إذا تم الاستعانة بمصادر خارجية، باهظة الثمن وغير متسقة. 

المضي قدمًا: الحلول والابتكارات 

وللتغلب على هذه التحديات، لا بد من تنفيذ مجموعة من الحلول التكنولوجية والتصميمية والسياسية : 

• المواد المتقدمة: استخدام مكونات مقاومة للأشعة فوق البنفسجية والحرارة. 
• الأنظمة الذكية: دمج أجهزة استشعار إنترنت الأشياء للمراقبة والأتمتة في الوقت الفعلي لمنع ارتفاع درجة الحرارة. 
• الأنظمة الهجينة: الجمع بين الطاقة الشمسية وأنظمة الطاقة الكهربائية أو الغازية الاحتياطية لتحقيق الموثوقية. 
• معالجة المياه: تركيب مرشحات أو أجهزة تنقية مسبقة المعالجة لتقليل الترسبات. 
• بروتوكولات التنظيف المنتظمة: أنظمة تنظيف آلية أو سهلة الاستخدام للمجمعين. 
• دعم السياسات: الإعانات، وحملات التوعية، وبرامج التدريب لتعزيز التبني. 

خاتمة 

تُعدّ أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية واعدة للغاية للمناطق المشمسة والحارة مثل الإمارات العربية المتحدة، إلا أنها لا تخلو من التحديات. فارتفاع درجة الحرارة، والترسب، ومشاكل الغبار، كلها عوامل تُسهم في قلة استخدامها. ومع ذلك، فمع الجمع الأمثل بين الابتكار والتصميم المحلي والسياسات الداعمة، يُمكن لهذه الأنظمة أن تُصبح حجر الزاوية في تسخين المياه المستدام في المنطقة. ومن خلال مواجهة هذه التحديات بشكل مباشر، يُمكن لدولة الإمارات العربية المتحدة والمناطق المماثلة الاستفادة الكاملة من أكثر مواردها الطبيعية وفرةً: الشمس. 

إذا كنت تبحث عن شريك محلي متخصص في تسخين المياه بالطاقة الشمسية، تواصل مع SolarisKit اليوم . يسعدنا دعم مشروعك!