جهاز تحكم بالطاقة الشمسية

جهاز التحكم الشمسي هو جهاز إلكتروني يتحكم في مضخة الدوران في نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية ، وذلك لاستخلاص أكبر قدر ممكن من الحرارة من الألواح الشمسية وحماية النظام من السخونة الزائدة. تتمثل الوظيفة الأساسية لجهاز التحكم في تشغيل مضخة الدوران عند توفر الحرارة في الألواح، مما يؤدي إلى تحريك سائل التشغيل عبر الألواح إلى المبادل الحراري في خزان التخزين الحراري . تتوفر الحرارة عندما تكون درجة حرارة الألواح الشمسية أعلى من درجة حرارة الماء في المبادل الحراري. يتم تحقيق الحماية من السخونة الزائدة عن طريق إيقاف تشغيل المضخة عندما يصل خزان التخزين إلى أقصى درجة حرارة له، وأحيانًا تبريد الخزان عن طريق تشغيل المضخة عندما تكون درجة حرارة الخزان أعلى من درجة حرارة الألواح.

تعرض معظم أجهزة التحكم التجارية درجة حرارة الماء الساخن في المتجر وتوفر معلومات عامة عن حالة النظام، بما في ذلك إجمالي إنتاج الطاقة.

تستخدم أبسط دائرة تحكم بالطاقة الشمسية مُقارِنًا مزودًا بمدخلين لدرجة الحرارة، أحدهما عند اللوحة الشمسية والآخر عند المبادل الحراري في خزان التخزين الحراري ، بالإضافة إلى مخرج للتحكم في المضخة. أما وحدات التحكم التجارية فتستخدم معالجًا دقيقًا مزودًا عادةً بشاشة LCD وواجهة مستخدم بسيطة تحتوي على عدد قليل من الأزرار. ويمكن تزويد وحدة التحكم والمضخة بالطاقة من مصدر كهربائي رئيسي أو من وحدة كهروضوئية .

تتمثل الوظيفة الرئيسية لجهاز التحكم في تشغيل أو إيقاف مضخة الدوران. عادةً ما يتم تشغيل المضخة عندما تكون درجة حرارة اللوحة الشمسية أعلى من درجة حرارة الماء في المبادل الحراري للمتجر، وإيقافها عندما تكون درجة حرارة اللوحة أقل. يؤدي تشغيل المضخة إلى نقل الحرارة من اللوحة إلى المتجر. أما إيقافها عند تبريد الألواح فيمنع انعكاس العملية وفقدان الحرارة من المتجر. يقيس جهاز التحكم ويقارن درجات الحرارة في اللوحة والمبادل الحراري كل بضع ثوانٍ.

لا تُشغّل أجهزة التحكم التجارية المضخة إلا عندما يكون فرق درجة الحرارة بين الألواح والماء في المبادل الحراري كافيًا لتوفير طاقة أكبر بكثير مما تستهلكه المضخة. يُسمى فرق درجة الحرارة هذا بفرق التشغيل (عادةً ما بين 4 و15  درجة مئوية). وتُطفئ المضخة عندما لا تعود الألواح ساخنة بما يكفي لتوفير حرارة كافية للمخزن ( فرق الإيقاف ). كلما زاد الفرق بين هذين الفرقين، قلّت دورات تشغيل وإيقاف المضخة. عادةً ما يُحدد مُركّب أنظمة الطاقة الشمسية هذه العوامل بما يتناسب مع التركيب المحدد، ويعتمد ذلك بشكل خاص على كفاءة المبادل الحراري وقدرة الألواح على الإنتاج.

تُتيح أجهزة التحكم فترة تشغيل إضافية لاستخلاص جزء من الطاقة الحرارية المتبقية في الأنابيب المتصلة بعد تبريد الألواح. كما قد تُفعّل بعض ميزات الأمان، مثل تبريد المتجر عندما تتجاوز درجة حرارته درجة حرارة محددة مسبقًا، كـ 65  درجة مئوية، وذلك بإعادة الحرارة الزائدة إلى الألواح لتصريفها إلى البيئة المحيطة.

يستخدم جهاز التحكم الشمسي الذي يعمل بالطاقة الكهروضوئية الكهرباء الشمسية المنتجة في الموقع لتشغيل المضخة التي تقوم بتوصيل سائل النقل المسخن بالطاقة الشمسية إلى خزان الماء الساخن.

من المزايا المزعومة للطاقة الكهروضوئية أنها تقلل من إجمالي انبعاثات الكربون المرتبطة بتشغيل النظام، إذ تغني عن الحاجة إلى توفير هذه الطاقة من مصادر الوقود الأحفوري. مع ذلك، فإن الطاقة اللازمة لتشغيل النظام ضئيلة للغاية مقارنةً بالطاقة التي ينتجها، وبالتالي فإن انخفاض انبعاثات الكربون الناتج عن إضافة الطاقة الكهروضوئية يُعدّ ضئيلاً.

تتمثل الفائدة العملية الأهم لوحدة التحكم التي تعمل بالطاقة الشمسية في بساطة النظام ككل. فبدلاً من استخدام خوارزميات معقدة تعتمد على درجات حرارة المخزن واللوحة الشمسية، يتم تشغيل المضخة مباشرةً بواسطة اللوحة الشمسية: فعندما تشرق الشمس، تعمل المضخة. عملياً، تُعد هذه الخوارزمية فعالة بنسبة تقارب 90-99% من معظم خوارزميات التحكم الأخرى، ولها مزايا واضحة في تقليل تعقيد النظام.

من عيوب استخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية توقف المضخة فور حجب الشمس. في الألواح الشمسية ذات الأنابيب المفرغة والأنابيب الحرارية، يمكن تخزين كمية كبيرة من الطاقة في كل أنبوب لحظة دخول الشمس. لتجنب ارتفاع درجة حرارة الأنابيب، من الضروري إما ضخ الدائرة لفترة وجيزة بعد شروق الشمس، أو توفير خزان كبير من السائل في المجمع أعلى الأنابيب. لا يتوافق أي من هذين الخيارين مع نظام المضخة الكهروضوئية المباشر البسيط، لذا تقتصر هذه الأنظمة على استخدام مجمعات الألواح المسطحة الأقل كفاءة.

قد يحتوي جهاز التحكم الذي يعمل بالطاقة الشمسية على مخزن طاقة صغير يسمح له بالبقاء موصولاً بالكهرباء وعرض درجات الحرارة ليلاً عندما لا توجد أشعة شمس. عادةً ما يكون مخزن الطاقة هذا على شكل مكثفات فائقة ، لأن عمرها أطول بكثير من عمر البطاريات .

تأتي فوائد وحدة التحكم الشمسية التي تعمل بالطاقة الكهروضوئية مصحوبةً بانخفاض في أداء النظام بنسبة تتراوح بين 1 و10%. ^{[ 1 ]} ويعود ذلك إلى فقدان الحرارة في بعض الأحيان عندما تكون درجة حرارة اللوحة الشمسية أعلى من درجة حرارة خزان المياه، ولكن لا يوجد ضوء شمس كافٍ لتشغيل المضخة. يحدث هذا بشكل رئيسي في الأيام الحارة عندما يكون الماء الساخن متوفرًا بكميات زائدة، لذا يكون الانخفاض المحتمل أقل أهمية مما هو عليه في الأوقات التي يكون فيها الخزان أكثر برودة.

• مارتن سي، واتسون إم (2002). " مزيد من الاختبارات لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية " ( ملف PDF ). وزارة التجارة والصناعة في المملكة المتحدة. تاريخ الاطلاع: 4 أغسطس 2007.

• رابطة تجارة الطاقة الشمسية