آبگرمکن خورشیدی: چگونه خورشید آب حمام ما را گرم میکند؟
انرژی خورشید چیست و چرا میتواند آب را گرم کند؟
خورشید مانند یک کوره غولپیکر و گرم در آسمان است. هر روز ذرههای ریزی به نام فوتون[2] از آن به طرف زمین میآیند. وقتی این فوتونها به یک سطح تیره برخورد میکنند، انرژی خود را به صورت گرما پس میدهند. برای مثال، اگر یک تیشرت سیاه در آفتاب بگذارید، گرمتر از تیشرت سفید میشود. آبگرمکن خورشیدی از همین قانون ساده استفاده میکند: $ E = h \nu $ که در آن $E$ انرژی هر فوتون، $h$ عدد ثابت و $\nu$ بسامد نور است. هرچه نور بیشتر باشد، گرمای بیشتری تولید میشود.
اجزای اصلی آبگرمکن خورشیدی (مثل یک ساندویچ گرم کننده)
یک آبگرمکن خورشیدی معمولی از سه قسمت مهم ساخته شده است. برای درک بهتر، این قطعات را در جدول زیر مقایسه میکنیم:
| نام بخش | کار آن | تشبیه برای دانشآموز |
|---|---|---|
| صفحه جاذب (تیره) | نور خورشید را میگیرد و تبدیل به گرما میکند | مثل کفی سیاه کفش که زیر آفتاب داغ میشود |
| لولههای مسی یا فلزی | آب سرد در آنها جریان دارد و گرما را میگیرد | مثل نی نوشیدنی که آب گرم را بالا میبرد |
| مخزن ذخیره (تانکر عایق) | آب گرم شده را نگه میدارد تا دیرتر سرد شود | مثل قمقمه که چای را گرم نگه میدارد |
آبگرمکن خورشیدی چگونه گام به گام آب را گرم میکند؟
مراحل کار این دستگاه بسیار ساده است و شبیه به یک چرخه است:
- خورشید به صفحه تیره جاذب میتابد. این صفحه مانند یک پنکه برعکس، گرما را در خود حبس میکند.
- لولههای پر از آب که روی صفحه قرار دارند، داغ میشوند. دمای آب درون لولهها به تدریج بالا میرود.
- آب گرم از لولهها به سمت مخزن ذخیره حرکت میکند (طبیعتاً آب گرم سبکتر است و بالا میآید).
- آب سرد از ته مخزن وارد لولهها میشود تا دوباره گرم شود. این جابهجایی بدون پمپ انجام میشود و به آن جریان ترموسیفون میگویند.
- آب گرم در مخزن عایقبندی شده میماند و هر وقت شیر آب گرم را باز کنیم، از همان آب استفاده میکنیم.
مقایسه آبگرمکن خورشیدی با بخاری گازی و برقی
برای اینکه بهتر متوجه مزایا و معایب شویم، این سه روش گرم کردن آب را در یک جدول مقایسه کردهایم:
| نوع وسیله | منبع انرژی | هزینه ماهانه (تقریبی) | آسیب به محیط زیست |
|---|---|---|---|
| آبگرمکن خورشیدی | نور رایگان خورشید | 0 تومان | خیلی کم |
| بخاری گازی | گاز شهری | 50-100 هزار تومان | متوسط تا زیاد |
| آبگرمکن برقی | برق | 80-150 هزار تومان | زیاد |
چالشهای مفهومی (پرسش و پاسخ)
پرسش ۱: چرا آبگرمکن خورشیدی در شب یا روزهای ابری کار نمیکند؟
پاسخ: چون منبع انرژی آن نور مستقیم خورشید است. در شب که خورشید نیست، فوتونی به صفحه نمیتابد. در روز ابری هم ابرها مانع رسیدن بیشتر نور میشوند. ولی مخزن عایقبندی شده، آب گرم را چند ساعت بعد از غروب آفتاب هم گرم نگه میدارد.
پرسش ۲: آیا آبگرمکن خورشیدی در زمستان آب خیلی داغی تولید میکند؟
پاسخ: در زمستان چون خورشید کوتاهتر میتابد و هوا سردتر است، دمای آب گرم کمتر از تابستان است. اما اگر صفحه را در جهت درست (رو به جنوب در نیمکره شمالی) نصب کنید و از شیشه عایق روی آن استفاده کنید، باز هم میتواند آب ولرم مناسبی برای شستشو فراهم کند. میزان گرمای جذب شده از رابطه $ Q = mc\Delta T $ به دست میآید که $Q$ گرما، $m$ جرم آب، $c$ ظرفیت گرمایی و $\Delta T$ افزایش دما است.
پرسش ۳: آیا آبگرمکن خورشیدی با پنل خورشیدی که برق تولید میکند فرق دارد؟
پاسخ: بله، کاملاً فرق دارد. آبگرمکن خورشیدی (که به آن کلکتور خورشیدی[1] هم میگویند) نور را مستقیماً به گرما تبدیل میکند. اما پنل خورشیدی (صفحه فتوولتاییک[3]) نور را به برق تبدیل میکند. برای گرم کردن آب، روش مستقیم (آبگرمکن خورشیدی) بسیار کارآمدتر از تبدیل نور به برق و بعد برق به گرما است.
یک روز با آب گرم خورشیدی (مثال واقعی)
صبح زود که خورشید تازه طلوع کرده، آب درون مخزن خنک است. اما تا ظهر، نور خورشید به صفحه روی پشتبام میتابد. دمای آب در لولهها به 55 درجه سلسیوس میرسد. پس از مدرسه، تو میآیی و شیر آب گرم را باز میکنی. آبی که از سرشیر بیرون میآید کاملاً گرم و بدون هیچ هزینه گاز یا برق است. حتی مادرت میتواند ظهر با همان آب گرم خورشیدی لباسها را بشوید. در یک روز آفتابی، این دستگاه میتواند بیش از 100 لیتر آب گرم برای یک خانواده 4 نفره تهیه کند.
پاورقیها
[1] صفحه خورشیدی یا کلکتور خورشیدی (Solar Collector): وسیلهای که انرژی تابشی خورشید را جذب کرده و به گرما تبدیل میکند. در آبگرمکنهای خورشیدی، این صفحه معمولاً به رنگ سیاه است.
[2] فوتون (Photon): یک ذره بنیادی که حامل انرژی نور است. فوتونها از خورشید خارج میشوند و با سرعت نور به زمین میرسند.
[3] صفحه فتوولتاییک (Photovoltaic Panel): همان پنل خورشیدی که برق تولید میکند. این صفحه نور را مستقیم به جریان برق تبدیل میکند، نه به گرما.
