مقدمه:
سيستم هاي حرارتي خورشيدي نقش مهمي در انرژي خورشيدي دارد، استفاده از دستگاه هاي خورشيدي سابقه طولاني دارد، گفته شده است ارشميدس تقريباً در سال ۲۱۴ قبل از ميلاد از آينه مقعر براي داغ كردن آب استفاده كرده است. سيستم هاي حرارتي امروزي نيز كم هزينه ترين كاربرد انرژي خورشيدي را دارد.
حرارت خورشيد استفاده از حرارت انرژي خورشيد را توجيح مي كند. بنابراين تعداد متفاوتي از دستگاه هاي فني وجود دارد كه اضافه بر گرم كردن فضا، داغ كردن آب يا فرآيندهاي صنعتي سيستم هاي انرژي خورشيدي را مي توان براي سرمايش يا توليد برق با كارخانه هاي توليد برق خورشيدي مورد استفاده قرار داد. قسمت هاي عملياتي اصلي عبارتند از:
•    گرم كردن استخر شناي خورشيدي
•    آبگرمكن هاي خانگي خورشيدي
•    حرارت كم خورشيد براي گرم كردن فضاي داخل ساختمان ها
•    پردازش حرارتي خورشيدي
•    توليد برق خورشيدي

چون اين حيطه هاي عملياتي خيلي دور از دسترس هستند، اين بخش فقط جنبه هاي مهم آبگرمكن هاي خانگي خورشيدي و استخرهاي خورشيدي را با سيستم هاي داراي صفحات خورشيدي بسته و باز مورد بحث قرار مي دهيم. بخش هاي زير به كاربرد بعضي كميت هاي ترموديناميك در توضيح اصول نياز دارد. جدول ۱-۳ مهمترين پارامترها، علائم آنها و واحدهايشان را نشان مي دهد.

جدول ۱-۳: كميت هاي ترموديناميك را براي محاسبات حرارتي نشان مي دهد.
نام    نشانه    واحد
حرارت، انرژي
جريان حرارت
درجه حرارت
درجه حرارت ترموديناميك
ظرفيت حرارتي خاص
رسانايي حرارتي
ضريب همبستگي انتقال حرارت
ضريب همبستگي انتقال حرارت
ضريب همبستگي سطحي انتقال حرارت        
انرژي به شكل حرارت Q با جريان گرماQo مرتبط مي باشد.

۱-۳                    
هر تغيير درجه حرارت   نيز باعث تغيير حرارت   مي شود تغيير در حرارت را مي توان با ظرفيت خاص c و جرم m ماده تحت تأثير قرار گرفته محاسبه كرد.
۲-۳                         
ممكن است بعضي ابهامات رخ دهد كه به استفاده از معيارهاي متفاوت دما مرتبط باشد، مقياس فارنهايت معمولاً براي كار عملي استفاده نمي شود. ولي همزيستي درجه حرارت   در مقياس سلسيوس و درجه حرارت مطلقT به كلوين مسئله سازي مي باشد. تبديل سلسيوس به كلوين از فرمول زير استفاده مي شود.

۳-۳                
فرمول تبديل فارنهايت به سلسيوس و كلوين را مي توان در ضميمه ديد. مقدار عددي تفاوت درجه حرارت   به درجه سلسيوس   مانند تفاوت دما  در كلوين (k) مي باشد. براي تعادل صحيح واحدها تفاوت دما در فرمول بالا براي تغيير حرارت بايد به كلوين باشد. همين مورد به معادلاتي مربوط مي شود كه در بخش بعد ارائه خواهند شد. ولي چون مقياس سلسيوس نسبت به كلوين رايج تر است، مقياس سلسيوس براي اكثر تفاوت هاي درجه حرارتي ومعادلات اين بخش مورد استفاده قرار داده مي شود. جريان حرارتQo كه باعث تغيير حرارت با ظرفيت حرارتي ثابتc مي شود به صورت زير است:
۴-۳                
براي ظرفيت حرارت مواد متفاوت به جدول ۲-۳ مراجعه شود.
شكل ۱-۳ ساخت لايه هاي n با حيطه سطحي را نشان مي دهد. از يك طرف درجه حرارت   و از طرف ديگر    وجود دارد. گرديان دما، جريان دما از طريق لايه ها با فرمول زير را به دست مي آورد.

۵-۳                    
اين جريان دما Qoباعث مي شود دما در سمت داراي درجه حرارت كمتر افزايش يابد و در سمت ديگر كاهش داشته باشد تا اينكه هر دو طرف از همان دما برخوردار شوند. اگر ميزان دما يك طرف بيشتر از طرف ديگر باشد تغييردرجه حرارت در سمتي كه از دماي بالاتري برخوردار است را مي توان ناديده گرفت. براي مثال ميزان دماي محيط اطراف يك ساختمان خيلي بالاتر از داخل ساختمان است. جريان گرما از طريق ديوارهاي ساختمان درجه حرارت هواي خارج را تغيير نمي دهد و اين مصداق دارد خواه درجه حرارت محيط نسبت به درجه حرارت ساختمان كمتر باشد يا بيشتر باشد.
جدول ۲-۳: ظرفيت گرمايي (c) براي بعضي مواد در   را نشان مي دهد.
نام
شكل ۱-۳ انتقال حرارت از طريق لايه هايn با همان حيطه سطحي A
شكل

ضريب همبستگي انتقال حرارت به صورت فرمول زير است:
۶-۳                
كه مي توان با ضريب همبستگي سطح انتقال حرارت a2,a1 هر دو طرف، رسانايي حرارتي   و ضخامت لايه SI، تمام لايه هاي n محاسبه كرد. جدول ۳-۳ رسانايي حرارتي   مواد متعدد را نشان مي دهد.
سيستم هاي حرارتي خورشيدي براي آبگرمكن

گرمكن خورشيدي استخر شنا
اين بخش ابتدا گرمكن استخر شنا را مورد بحث قرار مي دهد، به اين دليل نيست كه استخرهاي شناي آب گرم مزاياي اكولوژيكي ندارد- آنها هميشه نياز زيادي در ارتباط با آب پاكيزه و انرژي دارد. ولي تقاضا براي دماي پايين براي گرم كردن استخر باعث مي‌شود كه از سيستم هاي انرژي خورشيدي ساده و اقتصادي استفاده شود كه در اين بخش كاربرد گسترده اي دارد.
جدول ۳-۳: رسانايي گرمايي مواد متفاوت را نشان مي دهد.
ماده    رسانايي حرارتي   به (w/mk)
ماده    رسانايي حرارتي   به  (w/mk)

استخرهاي شنا در مناطق آب و هواي معتدل معمولاً به سيستم هاي حرارتي نياز دارند، در غير اين صورت آانها فقط به مدت چند هفته در سال كاربرد خواهند داشت. براي مثال حدود ۵۰۰ هزار استخر شنا در آلمان ساخته شده است. چون درجه حرارت متوسط هوا حتي در تاستان زير ۲۰ درجه سانتي گراد است. پتانسيل عظيمي براي آبگرمكن خورشيدي استخر وجود دارد در موارد زيادي سيستم هاي گرمايش خورشيدي استخر شنا قبلاً با سيستم هاي گرمايشي معمولي رقابت داشته است.
نياز گرمايي براي استخرهاي شناي سرباز تا حد زيادي به پرتوهاي خورشيد متكي مي‌باشد. در زمستان وقتي كه نور خورشيد كم است استخرهاي شناي سرباز معمولاً قابل استفاده نمي باشند، در خلال فصل تابستان و دوره هاي انتقالي حرارت خورشيد گزينه خوبي مي باشد. امروزه مقادير خيلي زيادي از سوخت هاي فسيلي براي گرم كردن استخر سرباز تلف مي شود. گرچه گرمايش خورشيدي استخر همان گونه كه در شكل ۲-۳ نشان داده شده است را مي توان براي اكثر سيستم هاي حرارت دهي بر پايه سوخت فسيلي جايگزين كرد.

دماي آب در مناطق آب و هواي اروپاي مركزي در خلال فصل تابستان بين ۱۶ سانتي گراد و ۱۹ درجه سانتي گراد مي باشد. افزايش دما تا چند درجه به طور نرمال ممكن است قابل تحمل باشد. براي اينگونه نياز درجه حرارتي پايين از جذب كننده هاي حرارتي ساده مي توان استفاده كرد. اين جذب كننده ها پرتوهاي خورشيدي را به حرارت لازم براي استخر شنا تبديل مي سازد. پمپ آب استخر را از طريق جذب كننده حررات هدايت مي كند. جذب كننده حرارت آب را داغ مي كند و به استخر برمي‌گرداند. تانكر ذخيره آب داغ مانند نمونه اي كه در آبگرمكن هاي خورشيدي خانگي مورد استفاده قرار داده مي شود لازم نيست. خود استخر به عنوان منبع ذخيره حرارت مي باشد.

اگر در تابستان از رنگ تيره روي قسمتي كه در معرض پرتو خورشيد قرار مي گيرد استفاده شود آب داخل آن قسمت تقريباً در مدت كوتاهي داغ مي شود. جذب كننده حرارتي استخر شنا خيلي چيز پيچيده اي نيست. آن را مي توان از لوله هاي سياه ساخت كه به طور دائمي روي سطح بزرگي از سقف نصب مي شود.

ماده جذب كننده حرارتي معمولاً پلاستيك است ولي اين ماده بايد در مقابل تخريب شدن كه توسط نور ماوراء بنفش خورشيد و آب كلردار استخر ايجاد مي شود مقاوم باشد. بعضي مواد مناسب شامل پلي اتيلن (PE)، پلي پروپلين (PP) و مونومر اتيلن پروپلين دين (EPDM) مي باشند. EPDM طول عمر بيشتر دارد اما هزينه اش گرانتر مي‌باشد، PVC نبايد به خاطر دلايل اكولوژيكي مورد استفاده قرار داده شود، چون مي‌تواند دكوگسين هاي بسيار سمي از خود منتشر سازد اگر كه سوزانده شوند.
پمپ سيستم فقط بايد راه اندازي شود اگر جذب كننده بتواند افزايش درجه حرارت آب استخر را فراهم سازد. اگر پمپ تحت شرايط هواي ابري شديد يا در خلال شب راه اندازي شود.

آب استخر در جذب كننده سرد مي شود كه اكنون به عنوان يك رادياتور عمل مي كند. يك كنترل كننده ساده دو مرحله اي پسماند مغناطيسي مي توان از اين فرايند جلوگيري نمايد. اگر سنسورها تفاوت درجه حرارت بين استخر و جذب كننده بالاتر از سطح آستانه اي خاص تشخيص دهند، پمپ روشن مي شود.
يك سيستم گرمايش كمكي معمولي را مي توان همراه با دستگاه تلفيق ساخت تا مطمئن شويم كه درجه حرارت دلخواه استخر هميشه به دست مي آيد. اگر استخر فقط از انرژي خورشيدي استفاده مي كند، درجه حرارت آب با آب و هوا تغيير خواهد داشت. در خلال دوره هاي آب و هوايي بد، دماي آب كمي پايينتر است، ولي غالباً قابل قبول است چون استخر تحت اين شرايط خيلي مورد استفاده قرار داده نمي شود.

نياز حرارتي خاص استخرهاي شناي سرباز در شرايط آب و هوايي معتدل بين ۱۵۰ كيلووات در ساعت و ۴۵۰ كيلووات در ساعت براي هر متر مربع از سطح استخر مي‌باشد. يك سيستم گرمايش خورشيدي كه درست طراحي شده مي تواند درجه حرارت پايهه۲۳ سانتي گراد را برقرار سازد. بنابراين سيستم گرمايش فسيلي لازم نمي‌باشد. براي استخر با مساحت m2 200 متر مربع، سيستم گرمايش خورشيدي مي‌تواند از مصرف ۷۵۰۰۰ ليتر نفت توليد ۰۰۰/۱۵۰ كيلوگرم CO2 (با بويلر داراي كارآيي ۸۰% درصد) در هر فصل جلوگيري نمايد. پوشيدن استخر در خلال شب مي‌تواند اتلاف حرارت را كاهش دهد و انرژي اضافي را ذخيره سازد.

به عنوان يك قاعده سرانگشتي، اندازه سطح جذب كننده خورشيدي بايد ۸۰-۵۰ درصد سطح استخر باشد. ولي اين به طور قابل توجه به شرايط آب و هوا بستگي دار. تجارب به دست آمده از دستگاه هاي قبلاً نصب شده يا شبيه سازي هاي كامپيوتري مي تواند معيارهاي دقيق تري را براي طراح سيستم فراهم آورند. هزينه هاي جذب كننده به صورتm2/100 در متر مربع مي باشد. معمولاً هزينه هاي سيستم گرمايش خورشيدي كمتر از سيستم هاي استفاده كننده از سوخت فسيلي مي باشد. فقط اگر استخر شنا سرباز در تمام طول سال فعال باشد يا اگر دماي استخر بايد نسبتاً بالا باشد يك سيستم گرمايش فسيلي هزينه ها را در مقايسه با تنها راه حل انرژي خورشيدي كاهش مي دهد.

برق براي روشن كردن پمپ سيستم گرمايشي خورشيدي استخر شنا لازم است (به بخش۶، قسمت هزينه هاي سيستم گرمايش خورشيدي در ارتباط با آبگرمكن هاي خانگي خورشيدي، صفحه ۲۴۰ مراجعه شود).
ولي سيستم داراي سلول هاي خورشيدي كوچك مي تواند اين برق را توليد نمايد. سپس كنترل درجه حرارت را مي توان در بعضي موارد حذف كرد چون ژنراتور توليد برق با سلول هاي خورشيدي فقط وقتي پمپ را روشن مي سازد كه خورشيد در حال تابيدن باشد. بخش ۴ سيستم استفاده كننده از سلول هاي خورشيدي را با جزئيات توضيح مي دهد.

سيستم هاي آبگرمكن هاي خورشيدي خانگي
گرم كردن آب خانگي نسبت به گرم ساختن آب استخر از درجه حررات بالاتري برخوردار است. جذب كننده هاي ساده استفاده شده براي گرمايش استخر شنا كه در اكثر مكان ها وجود دارند براي سيستم هاي آبگرمكن خورشسيدي خانگي مناسب نيستند، چون جذب كننده به خاطر convection، باران و برف حرارت را از دست مي‌دهند، همينطور پرتودهي خورشيد مي تواند بسيار نامطلوب باشد. سيستم آبگرمكن خانگي به طور خاص از كلكتورهايي استفاده مي كند كه داراي اتلاف خيلي پايين تر در درجه حرارت هاي بالاتر آب مي باشند. آنها يا به صورت مسحط، سطح مسطح تو خالي يا كلكتورهاي لوله اي تو خالي مي باشند و با سيستم هاي ذخيره سازي كلكتور تلفيق مي شوند.

كلكتورهاي آبگرمكن خورشيدي خانگي كه بخش كلكتورهاي خورشيدي در صفحه ۵۷ نشان داده شده است.
سيستم كامل براي آبگرمكن خانگي فقط از يك كلكتور بسته براي حرارت دادن آب استفاده نمي كند. دستگاه هاي ديگر مانند تانكر ذخيره سازي آب، پمپ و دستگاه كنترل هوشمند نياز مي باشد تا جريان آب داغ لازم تضمين شود كه ما از سيستم هاي معمولي انتظار داريم.

يك سيستم بسيار ساده آبگرمكن خورشيدي را مي توان از تانكر پر از آب سياه رنگ كه در معرض تابش نور خورشيد قرار مي گيرد ساخت. اگر تانكر بالاتر از شير آب نصب شده باشد آبگرم را بدون استفاده از هيچ دستگاه ديگري مي توان مورد استفاده قرار داد. يك مثال در اين رابطه دستگاه دوش خورشيدي است كه به صورت يك دستگاه يكپارچه فروخته مي شود. در اصل آن يك كيسه سياه رنگ آويزان شده به شاخه بلند درخت مي باشد. اگر اين كيسه به مدت چند ساعت در معرض تابش خورشيد قرار گيرد، مي توان با آبگرمكن خورشيدي يك دوش گرفت.
ولي اين سيستم نيز معمول روزانه را نمي تواند فراهم آورد. بعد از اينكه كيسه خالي شد دوباره بايد با دست آن را از آب پر كرد. براي برطرف كردن اين عيب كيسه و شير آب را مي توان با فشار به هم متصل ساخت و سپس يك شيلنگ را مي توان به آن متصل ساخت تا آب آن به طور خودكار تأمين شود، بهينه سازي كردن بيشتر كلكتور خورشيدي با كارآيي بالا در تمام طول سال مي تواند جايگزين كيسه شود. ولي محتواي كلكتور فقط براي يك دوش گرفتن خيلي كوتاه كافي مي باشد و درجه حرارت آب خيلي بالا خواهد بود. بنابارين تانكر ذخيره سازي لازم مي شود. دو سيستم براي متصل كردن تانكرهاي ذخيره آب داغ به سيستم هاي گرمايش خورشيدي در بخش هاي بعدي توضيح داده مي شود.

سيستم هاي ترموسيفون (سيفون حرارتي)
سيستم هاي ترموسيفون نشان داده شده در شكل ۳-۳ از نيروي گرانش استفاده مي كند. آب سرد داراي با چگالي خاص بالاتر نسبت به آب گرم مي باشد. بنابراين آن سنگين تر است و در كف مخزن قرار مي گيرد. كلكتور هميشه زير تانكر ذخيره آب قرار داده مي‌شود. آب سرد از كف تانكر ذخيره سازي به كلكتور خورشيدي از طريق لوله پايين روند آب هدايت مي شود.
وقتي كلكتور آب را داغ كرد، آن دوباره بالا مي آيد و از طريق يك لوله بالا رونده در انتهاي بالايي كلكتور برگردانده مي شود. چرخه آب تانكر لوله هاي آب و كلكتور آب را حرارت مي دهند تا اينكه تعادل درجه حرارتي به دست آيد. اكنون مصرف كننده مي‌تواند آب داغ را از بالاي تانكر مورد استفاده قرار دهد. آب مصرف شده با جريان آب تازه از آب سرد از طريق قسمت ورودي در كف تانكر جايگزين مي شود.

شكل ۳-۳ سيستم ترموسيفون را نشان مي دهد.
آب سرد به چرخه آب متصل مي شود و در كلكتور دو به همان روش كه قبلاً توضيح داده شده گرم مي شود. به خاطر تفاوت هاي درجه حرارتي آب در پرتوهاي خورشيدي بالات آب گرم نسبت به پرتوهاي كمتر سريع تر بالا مي رود و معيارهاي جريان افزايش مي يابد. بنابراين جريان آب خودش را تقريباً به طور كامل با تابش پرتو خورشيدي وجود تطبيق مي دهد. خيلي مهم است كه تانكر ذخيره سازي در سيستم ترموسيفون خوب بالاي كلكتور قرار داده شود در غير اين صورت چرخه آب مي تواند در شب به سمت پايين حركت كند و آب از تانكر ذخيره بالاي كلكتور را سرد نمايد. در مناطقي كه تابش خورشيد زياد است، تانكرهاي ذخيره سازي با طراحي سقفي معمولاً روي سقف قرار داده مي شوند. همينطور كلكتور روي سقف يا روي ديوار طرف تابيش خورشيد قرار داده مي شود.

در ارتباط با سقف هاي شيرواني، تانكر ذخيره آب بايد تا حد ممكن بالا و زير سقف قرار داده شود اگر كه كلكتور نيز روي سقف نصب مي شود. گاهي اوقات وزن سنگين تانكر پر از آب باعث مشكلات ساختاري مي شود، بنابراين تلفيق سازي با سيستم گرمايش معمول كه معمولاً در زير زمين قرار داده مي شود مشكل تر مي شود.
سيستمي كه در آن آب به طور مستقيم از طريق كلكتور جريان پيدا مي كند يك جرينان ناميده مي شود. اينگونه سيستم فقط براي مناطق عاري از يخ زدگي مناسب مي باشد، در غير اين صورت آب ممكن است در كلكتور لوله ها يخ بزند و كل سيستم را خراب نمايد. در مناطق با احتمال يخ زدگي سيستم دو جرياني معمولاً مورد استفاده قرار داده مي شود. كه در آن آب داخل تانكر ذخيره حفظ مي شود. كميت ثانويه اي از آب با مايع ضد يخ تركيب مي شود تا به عنوان مايع كاربردي در سيكل خورشيدي مورد استفاده قرار داده شود. مبدل حرارت را از چرخه خورشيدي به تانكر ذخيره سازي منتقل مي‌سازد، بنابراين آب قابل استفاده را از تركيب ضد يخ جدا مي سازد. گليكول ها غالباً به عنوان مايع هاي ضد يخ مورد استفاده قرار داده مي شوند. ولي مايع هاي ضد يخ بايد غيرسمي باشند چون آنها مي توانند جريان آب داغ را وقتي كه سيستم خراب مي شود آلوده سازند. بنابراين گليكول اتيلن كه براي خيلي كاربردهاي فني مورد استفاده قرار داده مي شود براي سيستم هاي انرژي خورشيدي مورد استفاده قرار داده نمي شود. براي جلوگيري از خسارت ناشي از فرسايش خاك، ماده ضد يخ نيز بايد مطابق خصوصيات موادي باشد كه در ساخت سيستم استفاده شده اند.

همينطور سيستم هاي ترموسيفون از معايب مهمي برخوردار هستند. خود سيستم خنثي است و نمي تواند نسبت به تغييرات سريع در تابيش خورشيدي واكنش داشته باشند. سيستم هاي ترموسيفون، معمولاً براي سيستم هاي بزرگ با مساحت سطح كلكتوري بيش از m210 متر مربع مناسب هستند. اضافه بر اين تانكر ذخيره سازي بايد هميشه بالاتر از كلكتور نصب شود كه هميشه به آساني نمي توان اين كار را انجام داد. كارآيي كلكتور مي تواند به علت درجه حرارت هاي بالا در چرخه خورشيدي كاهش داشته باشد. ولي سيستم هاي ترموسيفون سيستم هاي گرمايش بسيار اقتصادي خانگي هستند. اصول بسيار ساده است و نه پمپ و نه به سيستم كنترل نياز دارند. بنابراين سيستم به خاطر نارسايي در اين دستگاه ها دچار مشكل نمي شود، در نهايت انرژي براي راه اندازي پمپ و سيستم كنترل ذخيره مي شود.

سيستم هاي داراي جريان تحت فشار
برعكس سيستم هاي ترموسيفون، سيستم هاي جريان تحت فشار از يك پمپ برقي برخوردار هستند تا آب را در سيكل خورشيدي حركت دهند. كلكتور و تانكر ذخيره سازي را مي توان به طور جداگانه نصب كرد و تفاوت ارتفاع بين تانكر و كلكتور ديگر نياز نمي باشد. ولي طول لوله ها بايد تا حد ممكن كوتاه در نظر گرفته شود چون تمام لوله هاي آب گرم مي توانند باعث اتلاف حرارتي شوند. شكل ۴-۳ سيستم داراي جريان تحت فشار را نشان مي دهد.
دو سنسور درجه حرارتي دماها در كلكتور خورشيدي و تانكر ذخيره آب را كنترل مي‌كنند. اگر درجه حرارت كلكتور بالاتر از درجه حرارت تانكر تا ميزان از آستانه خاص باشد كنترل پمپ را روشن مي سازد. پمپ مايع انتقال حرارت سيكل خورشيدي را جابجا مي سازد. تفاوت درجه حرارت روشن سازي به طور نرمال بين ۵۰ و۱۰ درجه سانتي گراد است. اگر تفاوت درجه حرارت به زير آستانه ثانويه كاهش داشته باشد، كنترل دوباره پمپم را خاموش مي نمايد.