۱- آبگرمکن خورشیدی و کاربردهای مختلف آن

انرژی خورشیدی به‌عنوان انرژی تجدیدپذیر یکی از بزرگ‌ترین منابع انرژی به شمار می‌رود. استفاده از انرژی خورشیدی، مصرف سوخت فسیلی را کاهش داده و متعاقباً انتشار آلاینده‌های آبی و گازی را به محیط‌زیست کاهش می‌دهد. انرژی خورشیدی در سامانه‌های مختلفی قابل‌استفاده است. رایج‌ترین روش تبدیل نور خورشید به انرژی حرارتی، تولید آب داغ است. سیستم آبگرمکن خورشیدی به‌صورت تجاری در دسترس بوده و بسیاری از کشورها برای تأمین آب گرم اماکن مسکونی، هتل‌ها، استخرها و سایر مکان‌ها از آن استفاده می‌کنند. در این گزارش پیش از بررسی نقش فناوری نانو در توسعه سیستم آبگرمن خورشیدی، اجزا و انواع سیستم آبگرمکن خورشیدی توضیح داده خواهد شد.

• اجزای سیستم آبگرمکن خورشیدی

کالکتور، مخزن ذخیره آب و لوله‌های موجود در اتصالات از اجزای اصلی سیستم آبگرمکن خورشیدی هستند که در ادامه توضیح داده می‌شوند.

1-1-1- کالکتور

کالکتور خورشیدی عموماً روی سقف ساختمان برای جذب انرژی خورشیدی قرار می‌گیرند. کالکتور صفحه تخت (EPC) و لوله خلأ (ETC) دو نوع کالکتور رایج مورداستفاده در سیستم آبگرمکن خورشیدی است [۱].

کالکتور صفحه تخت

کالکتور صفحه تخت، پرتو خورشیدی را جمع کرده و انرژی خورشیدی را به انرژی حرارتی برای گرمایش آب تبدیل می‌کند. اجزای اصلی این کالکتور عبارتند از (شکل ۱) [۲]:

روکش: روکش که پوشش‌دهنده همه اجزای کالکتور است از آن‌ها در مقابل اثرات محیطی محافظت می‌کند. مواد مورداستفاده در روکش باید مقاوم به خوردگی باشند. این جزء، کالکتور را پایدار و محکم می‌سازد.

لایه آب‌بند: این لایه از مواد پلاستیکی برای پیشگیری از نشت و ورود آب باران به درون کالکتور ساخته شده است. مواد آب‌بندی باید تغییر زیاد دما را تحمل کرده و مقاوم به تابش ماوراء‌بنفش باشند.

پوشش شفاف: این پوشش از شیشه محکم با ضریب بالای عبور ساخته می‌شود. این جزء نیز اجزای کالکتور را از اثرات محیطی حفظ می‌کند.

عایق حرارتی: عایق اتلاف حرارتی از اطراف کالکتور را کاهش می‌دهد. عایق باید به دمای بالای صفحه جاذب مقاوم باشد.

صفحه جاذب: صفحه جاذب انرژی خورشیدی را جذب و به انرژی حرارتی در سیال تبدیل می‌کند. جاذب باید از مواد با هدایت بالا مانند مس با پوشش انتخابی جهت جذب حداکثر پرتو خورشیدی و حداقل انتشار پرتو مادون سرخ باشد.

لوله: لوله در میان کالکتور، حرارت را برای کاربردهای معین جذب می‌کند. انتقال حرارت عمدتاً از طریق همرفت و هدایت اتفاق می‌افتد؛ بنابراین لوله باید از مواد با هدایت بالا مانند مس تشکیل شده باشد.

یک کالکتور صفحه تخت مناسب باید دارای مشخصات زیر باشد:

– مقاوم به شرایط محیطی

– مقاوم به تغییرات دمایی زیاد

– عدم نشت از هر قسمت سیستم

– سهولت نصب

– پایدار و بادوام

– تبدیل انرژی کارآمد

*

شکل ۱- نمایی از کالکتور صفحه تخت [۳]

 

کالکتور لوله‌ای خلأ

کالکتور لوله خلأ با جذب پرتو خورشیدی، سیال درون لوله‌ها را گرم می‌کند. اتلاف حرارتی در این کالکتور نسبت به کالکتور صفحه تخت به دلیل وجود خلأ اطراف لوله کمتر است.‍ این کالکتور به دلیل پیچیده‌تر بودن فرایند ساخت از کالکتور صفحه تخت گران‌تر است. درهرحال این کالکتور نسبت به کالکتور صفحه تخت کارآمدتر بوده و نیاز به فضای کمتری دارد. اجزاء اصلی کالکتور صفحه تخت عبارتند از [۲]:

لوله شیشه‌ای: در این کالکتور از دو لوله تو در تو با خلأ در بین آن‌ها، برای جذب انرژی خورشیدی استفاده می‌شود. سطح خارجی لوله داخلی مساحت کالکتور را تشکیل می‌دهد.

پوشش جاذب: پوشش جاذب بر دیواره/د خارجی لوله داخلی برای جذب پرتو خورشیدی و تبدیل آن به انرژی حرارتی استفاده می‌شود. ضریب جذب این پوشش ۹۴/۰ و یا بیشتر و ضریب نشر آن ۱۲/۰ و یا کمتر است.

درزگیر: درزگیر بین مخزن و کالکتور برای عملکرد درست سیستم آبگرمکن ضروری است. درزگیر باید قادر به پایدار نگه داشتن دما و فشار باشد. این جزء در بالای لوله برای پیشگیری از نشت نصب می‌شود. طول عمر درزگیر باید مانند طول عمر کل سیستم آبگرمکن باشد.

مشخصه‌های اصلی یک کالکتور لوله خلأ مناسب عبارتند از:

– قابلیت تحمل شرایط محیطی مانند باران، گردوغبار

– مقاوم به نشت از هر قسمت سیستم

– پایدار و بادوام

– سهولت نصب

– تبدیل انرژی کارآمد

در این کالکتور پرتو خورشیدی توسط سطح خارجی لوله داخلی جذب شده و حرارت جذب شده به سیال موجود در لوله داخلی انتقال می‌یابد.

شکل ۲- نمایی از کالکتور لوله خلأ [۴]

۱-۱-۲- مخزن ذخیره

سیستم گرمایش آب عموماً به مخزن ذخیره‌ای با عایق مناسب برای نگهداری آب گرم شده نیاز دارد. در بعضی مواقع این مخزن به یک گرمکن گازی یا برقی جهت افزایش دمای آب گرم شده خورشیدی تا یک دمای مطلوب، مجدداً گرم می‌شود. وجود مخزن برای ذخیره آب و استفاده از آن در زمانی که پرتو خورشیدی در دسترس نیست، ضروری است. مخزن ذخیره حرارت خورشیدی می‌تواند به دو صورت گرمای نهان و محسوس باشد [۱].

ذخیره‌سازهای حرارتی محسوس، با افزایش دمای ماده ذخیره کننده، انرژی حرارتی را ذخیره می‌کنند. مقدار انرژی حرارتی ذخیره شده متناسب با چگالی، حرارت ویژه، حجم و تغییر دمای ماده ذخیره کننده است که در این میان، گرمای ویژه، چگالی و هدایت حرارتی از خواص عمده ماده ذخیره‌کننده انرژی حرارتی محسوس است. ذخیره‌ساز حرارتی محسوس از فناوری‌های بالغ قابل‌استفاده در واحدهای مسکونی مقیاس بزرگ است. این ذخیره‌سازها بر اساس فاز محیط ذخیره‌سازی به ذخیره‌سازهایی با محیط جامد (مانند سرامیک، فلزات و…) و مایع (آب، روغن و نمک مذاب و…) تقسیم‌بندی می‌شوند. ذخیره‌ساز با بستر سنگ و آب از رایج‌ترین مواد ذخیره‌کننده در این سیستم است [۵ و ۶].

ذخیره‌ساز گرمای نهان با استفاده از مواد تغییر فازدهنده انرژی حرارتی را ذخیره می‌کند. در این سیستم ذخیره‌سازی، انرژی حرارتی ذخیره شده بدون افزایش دمای ماده ذخیره‌کننده منجر به تغییر فاز آن می‌شود. در مقایسه با ذخیره‌ساز گرمای محسوس، چگالی ذخیره انرژی و تغییر دمای آن در حین فرایند شارژ و دشارژ بسیار کمتر است. مواد آلی (مانند پارافین، اسید چرب و مواد پلیمری) و معدنی (مانند نمک‌ها و هیدرات‌های نمکی) مختلفی برای ذخیره انرژی در این سیستم ذخیره‌سازی استفاده می‌شود. پارافین و اسید چرب رایج‌ترین مواد تغییر فاز مورداستفاده در سیستم ذخیره‌ساز گرمای نهان است. این ذخیره‌ساز برخلاف ذخیره‌ساز گرمای محسوس به دلیل نرخ انتقال حرارت ضعیف در طول فرایند شارژ و دشارژ هنوز به‌صورت کامل تجاری نشده است [۵، ۶].

• انواع آبگرمکن خورشیدی

سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی به دو دسته کلی مستقیم یا حلقه باز و غیرمستقیم یا حلقه بسته تقسیم می‌شوند. هر کدام از این دسته‌ها می‌توانند فعال و غیرفعال باشند.

در سیستم غیرمستقیم حرارت از سیال انتقال‌دهنده حرارت در کالکتور از طریق مبدل حرارتی به آب موجود در تانک ذخیره انتقال می‌یابد. مبدل حرارتی عموماً از موادی با هدایت حرارتی بالا و مقاومت بالا به خوردگی مانند آلومینیوم، فولاد ضدزنگ، چدن، مس، فولاد و برنز ساخته می‌شود. در سیستم مستقیم، آب مستقیماً از کالکتور به تانک ذخیره چرخش می‌کند. آبگرمکن خورشیدی مستقیم به دلیل حساسیت زیاد سیال کاری به نقطه انجماد فقط می‌توانند آب داغ با محدوده دمایی ۵۰ تا ۶۰ درجه تولید کنند [۷، ۸، ۹]. شکل ۳ دیاگرامی از سیستم آبگرمکن خورشیدی فعال مستقیم و غیرمستقیم را نشان می‌دهد.

 

شکل ۳- نمایی از سیستم آبگرمکن خورشیدی الف) مستقیم ب) غیرمستقیم [۷]

همان‌طور که قبلاً گفته شد، هر دو سیستم مستقیم و غیرمستقیم می‌توانند به‌صورت فعال یا غیرفعال باشند (شکل ۴). در سیستم فعال از پمپ الکتریکی برای چرخش آب یا سیال انتقال‌دهنده حرارت در بین مخزن ذخیره و کالکتور استفاده می‌شود. این دسته از آبگرمکن‌ها در سیستم‌های بزرگ به دلیل حفظ فشار آب و یکنواختی دمای آب پیشنهاد داده می‌شود. سیستم غیرفعال بر گرانش و چرخش طبیعی آب متکی است. سیستم آبگرمکن خورشیدی ترموسیفونی نوعی سیستم غیرفعال است. در سیستم ترموسیفونی آب به دلیل اختلاف فشار در سیستم جریان می‌یابد؛ بنابراین منبع آب سرد در این سیستم باید حداقل ۷ فیت بالاتر از محل نصب آبگرمکن خورشیدی باشد. شکل دیاگرام ساده از آبگرمکن خورشیدی غیرفعال را نشان می‌دهد.

الف
ب
	شکل ۴- نمایی از سیستم آبگرمکن خورشیدی الف) غیرفعال ب) فعال [۲]

 

عواملی اصلی انتخاب نوع سیستم، شرایط آب‌وهوایی، میزان تقاضای آب گرم، اندازه سیستم و فضای در دسترس برای جای‌گذاری اجزای خارجی است. برای مثال سیستم مستقیم غیرفعال با نگهداری کم می‌تواند برای تأسیسات کوچک‌تر با تقاضای کم آب داغ استفاده شود، درحالی‌که سیستم غیرمستقیم فعال عموماً در تأسیسات بزرگ‌تر با تقاضای آب داغ زیاد نصب می‌شود.

• بررسی اقتصادی و بازار آبگرمکن خورشیدی

عواملی که بر هزینه سیستم آبگرمکن خورشیدی تأثیرگذار هستند عبارتند از کالکتور، مخزن ذخیره‌سازی، سیستم کنترل، پمپ، لوله‌ها. از آنجایی که هزینه سایر اجزا به‌جز کالکتور به نوع سیستم (اندازه و بازدهی سیستم) و کاربرد (سطح دمایی مورد انتظار) وابسته است، شاخص هزینه مشخصی برای سیستم آبگرمکن خورشیدی در دسترس نیست. به غیر از هزینه تولید، هزینه نصب نیز باید با برآورد هزینه کلی در نظر گرفته شود. در برخی از کشورهایی که هزینه کارگر بالا است، هزینه نصب سیستم آبگرمکن کوچک خانگی به ۵۰% هزینه سرمایه‌گذاری می‌رسد. از آنجایی که صنعت و تحقیقات بر یکپارچگی سیستم تمرکز کرده‌اند، انتظار می‌رود هزینه کلی سیستم شامل هزینه نصب در سال‌های آتی کاهش یابد [۱۰].

بر اساس گزارش شرکت businesswire، بازار جهانی آبگرمکن خورشیدی از سال ۲۰۱۷ تا ۲۰۲۱ با نرخ رشد سالیانه ۷% توسعه پیدا خواهد کرد. موسسه تحقیقاتی technavio analyst پیش‌بینی کرده است که بازار جهانی این فناوری در سال ۲۰۲۱ به ۹۸/۸ بیلیون دلار برسد [۱۱].

بخش مسکونی به‌عنوان بزرگ‌ترین حوزه کاربردی آبگرمکن خورشیدی، ۸۴% بازار این فناوری را به خود اختصاص داده است (شکل ۵). عواملی مانند افزایش بحران مصرف انرژی و پشتیبانی دولت در کشورهای درحال‌توسعه تأثیر مثبتی بر این حوزه کاربردی در طول مدت پیش‌بینی شده دارد. به‌عنوان مثال هند جهت توسعه آبگرمکن خورشیدی در اکثر ایالات خود تا ۳۰% و برخی از ایالات خاص تا ۶۰% یارانه در نظر گرفته است (شکل ۵) [۱۱].

هتل، مدرسه، سالن و بیمارستان‌ها از مصرف‌کنندگان اصلی آبگرمکن خورشیدی در بخش تجاری هستند. اخیراً این بخش دومین رتبه در بازار آبگرمکن خورشیدی را به خود اختصاص داده و انتظار می‌رود در طول مدت پیش‌بینی شده، سهم آن در بازار به‌ویژه در بخش بیمارستانی افزایش یابد. بعد ذخیره انرژی این سیستم‌ها تأثیر مثبتی بر بازار جهانی آن‌ها دارد. کشورهایی مانند چین، هند و ژاپن، اقداماتی جهت افزایش آگاهی مصرف‌کنندگان در مورد مزایای آبگرمکن خورشیدی انجام داده‌اند [۱۱].

نیاز صنایع به سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی به ملزومات دمایی و نوع کاربرد آن‌ها بستگی دارد. صنایعی مانند فرایندهای لبنی، مواد غذایی، نوشیدنی و دارو بیشترین سهم بازار آبگرمکن خورشیدی را در این بخش دارند.

طبق بررسی‌های مرکز تحقیقات technavio، فروشندگان برتر در زمینه آبگرمکن خورشیدی عبارتند از:

• Chromagen
• EMMVEE Solar Systems
• Genersys
• Jinyi Solar
• Rheem Manufacturing

 

شکل ۵- بازار جهانی آبگرمکن خورشیدی بر اساس مصرف‌کننده نهایی [۱۱]

بررسی فنی سیستم آبگرمکن خورشیدی نشان داد که کالکتور لوله خلأ به دلیل نیاز نسبتاً کم به ذخیره‌سازی و تعمیر و نگهداری کم و پتانسیل تبدیل انرژی زیاد برای کاربرد تجاری و صنعتی در سرتاسر مناطق سرد مناسب است. در سال ۲۰۱۶ سهم بازار این بخش به ۹/۸۸۶ دلار رسید (شکل ۶). از نظر حجمی، جمع‌کننده صفحه تخت FPC) ) تا سال ۲۰۲۵ به ۸۶۳.6 هزار واحد خواهد رسید. طراحی ساده همراه با قیمت مناسب و سهولت نصب و استفاده از ویژگی‌های مهمی است که می‌تواند به افزایش استفاده از این محصولات کمک کند. واحدهای FPC در بخش‌های تجاری و مسکونی کوچک‌تر بسیار موردتوجه هستند [۱۲].

شکل ۶- بازار آبگرمکن خورشیدی آمریکا بر اساس تکنولوژی، سال ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۵ [۱۲]

بررسی بازار آبگرمکن خورشیدی از دیدگاه سیستمی نشان می‌دهد که سهم بازار سیستم ترموسیفون در سال ۲۰۱۶ به ۲۲/۱ بیلیون دلار می‌رسد و انتظار می‌رود این بخش در طول مدت مذکور با نرخ رشد سالانه ۸/۷% گسترش یابد. این سیستم بر اساس حجم و همچنین درآمد بیشترین سهم بازار آبگرمکن خورشیدی را دارد. این امر عمدتاً به دلیل قیمت‌گذاری به‌صرفه و سهولت نصب و استفاده از آن است. سیستم‌های آبگرمکن دارای پمپ به دلیل عملکرد مؤثر و سازگاری با شرایط آب‌وهوایی سرد در مقیاس بزرگ در اروپا و آمریکای شمالی پذیرفته شده است. سهم بازار این بخش در سال ۲۰۱۶، ۹/۶۷۶ بود [۱۲].

بر اساس گزارش وضعیت جهانی انرژی تجدیدپذیر، ظرفیت کلی کالکتور آب گرمکن خورشیدی در جهان تا انتهای سال ۲۰۱۷، ۴۲۷ گیگاوات است. نرخ افزایش سالانه ظرفیت نصب کالکتور در سال ۲۰۱۷ نسبت به ۲۰۱۶، ۴% کاهش پیدا کرد. این کاهش به دلیل رقابت انرژی خورشیدی با سایر انرژی‌های تجدیدپذیر در بخش مسکونی (حوزه کاربردی اصلی فناوری حرارت خورشیدی) و قیمت پایین سوخت فسیلی است (شکل ۷) [۱۳].

شکل ۷- ظرفیت جهانی کالکتور آبگرمکن خورشیدی، ۲۰۰۷ تا ۲۰۱۷ [۱۳]

کشورهایی که بیشترین ظرفیت کالکتور خورشیدی را در سال ۲۰۱۷ نصب کرده‌اند عبارتند از چین، ترکیه، هند، برزیل، آمریکا و آلمان. شکل ۸ کشورهای را که دارای بیشترین ظرفیت کالکتور آبگرمکن خورشیدی هستند نشان می‌دهد. این کشورها ۹۳% بازار جهانی کالکتور آبگرمکن خورشیدی را در سال ۲۰۱۷ به خود اختصاص داده‌اند. در اکثر این کشورها از کالکتورهای صفحه تخت استفاده می‌شود. در هرحال در چین و هند در سال ۲۰۱۷ بیش از دوسوم کالکتورهای نصب شده از نوع کالکتور لوله خلأ و در ترکیه بیش از ۵۰% از این نوع کالکتور است. با در نظر گرفتن همه ظرفیت‌های نصب شده جدید در ۲۰ کشور برتر، ۷۳% ظرفیت مربوط به کالکتور لوله خلأ (که نسب به سال ۲۰۱۶ (۷۵%) کاهش یافته است)، ۲۳% و ۴% به ترتیب مربوط به کالکتور صفحه تخت و کالکتور آبی بدون لعاب است. همان‌طور که از شکل‌ها مشخص است، چین بیشترین ظرفیت نصب جدید و ظرفیت کالکتور آبگرمکن خورشیدی را دارد. بازار خرده‌فروشی چین در طول سال‌های اخیر به کاهش فعالیت ساخت‌وساز و اشباع شدن بازار در حال کاهش است؛ اما این کاهش با افزایش تقاضا گرمایش محیط و آبگرمکن خورشیدی برای پروژه‌های املاکی بزرگ خنثی شد.

عبور از کالکتور لوله خلأ به کالکتور صفحه تخت در چین در طول سال ۲۰۱۷ افزایش یافت. بازار کالکتور صفحه تخت ۱۳% افزایش یافت در حالی که بازار لوله خلأ ۹% کاهش پیدا کرد. افزایش در فروش کالکتور صفحه تخت به دلیل افزایش تقاضای به‌کارگیری کاربرد بالکی و نمایشی است، جایی که که کالکتور صفحه تخت امن‌تر بوده و زیبایی بیشتری دارد.

ترکیه از نظر ظرفیت جدید نصب کالکتور آبگرمکن خورشیدی با افزایش به مقدار ۳۵/۱ گیگاوات در سال ۲۰۱۷ دارای رتبه دوم است. حفظ بازار فروش آبگرمکن خورشیدی در این کشور حتی بدون یارانه به دلیل بازار ساخت‌وساز قوی این کشور است. تقریباً ۶۰% ظرفیت جدید حرارت خورشیدی در ساختمان‌های جدید عمدتاً در جنوب و غرب این کشور نصب شده است.

شکل ۸- رتبه کشورها بر اساس افزایش ظرفیت نصب شده کالکتور آبگرمکن خورشیدی در سال ۲۰۱۷ [۱۳]

شکل ۹- ظرفیت جانی آبگرمکن خورشیدی سهم ۱۲ کشور برتر و سایر کشورها [۱۳]

۱-۴ وضعیت آبگرمکن خورشیدی در ایران

انرژی خورشیدی یکی از در دسترس‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر در ایران است و استفاده از آن نیاز حال و آینده بشر است. کشور ایران با متوسط سالانه ۲۸۵۰ ساعت آفتاب از چنین پتانسیلی برخوردار است. روش‌های گوناگونی برای استفاده از این انرژی پاک و لایزال خدادادی وجود دارد، اما گرم کردن آب با استفاده از آبگرمکن های خورشیدی، آسان‌ترین و اقتصادی‌ترین روش است.

واقعیت این است که آبگرمکن‌های خورشیدی ساده‌ترین مبدل انرژی خورشیدی گرمایی هستند که در ایران ترویج نیافته در حالی که کشور همسایه ما ترکیه با جمعیت برابر و پتانسیل انرژی خورشیدی کمتر، دارای رتبه سوم جهان در به‌کارگیری و نصب آبگرمکن‌های خورشیدی است و در آن بیش از پنج میلیون آبگرمکن خورشیدی خانگی در حال بهره‌برداری است.

پژوهشگران فعال در زمینه آبگرمکن‌های خورشیدی بیشتر درصدد توسعه فنی و ارتقای عملکرد آن بوده‌اند و کمتر به آسیب‌شناسی عدم ترویج آن پرداخته‌اند. ردی در پژوهشی در ایالت ماهاراشترا هند با مراجعه به نظرات ۶۶ کاربر آبگرمکن خورشیدی، دریافت که موانع عدم توسعه آن‌ها به ترتیب: ۱- هزینه اولیه بالا ۲- بی‌اعتباری در تأمین آب گرم لازم ۳- عدم صرفه‌جویی قابل‌ملاحظه و ۴- در دسترس نبودن خدمات آن بوده است [۱۴].

شادی طلب و نایه در پژوهشی به واکاوی عوامل مؤثر بر پذیرش آبگرمکن های خورشیدی خانگی در نواحی روستایی پرداخته و با نظرسنجی عمومی (عمدتاً غیرکاربر) در چند روستای شهرستان بردسکن (خراسان) دریافتند که ۱- عدم اطمینان و نیاز به آبگرمکن دیگر، ۲- هزینه اولیه بالا، ۳- شایعه عدم رضایت کاربران، ۴- عدم آگاهی عمومی و ۵- عدم ارائه خدمات پس از فروش، مهم‌ترین عوامل مؤثر در عدم پذیرش آبگرمکن‌های خورشیدی در جامعه روستایی ایران بوده است [۱۵].

همچنین فدایی و همکاران دریافتند که ۱- نبود راهبری استراتژیک، ۲- عدم بهره‌گیری مطلوب از منابع انسانی، ۳- مشکلات در ساختار اجرایی و نظارتی و ۴- عدم تناسب اهداف و توان مدیریتی، علل عدم تحقق اهداف کشور در بخش انرژی‌های تجدیدپذیر از جمله ترویج آبگرمکن‌های خورشیدی در برنامه چهارم توسعه ایران بوده است.

آبگرمکن‌های ترموسیفونی (اعم از کالکتور صفحه تخت و یا کالکتور لوله خلأ) از این جهت که ارزان‌تر و کاربرد و نگهداری آن‌ها ساده‌تر است و از طرفی نیازمند مصرف توان الکتریکی (جهت عملکرد پمپ) نیستند، نسبت به سایر آبگرمکن‌ها مزیت دارند. در مقابل، مخزن ذخیره آب و لوله‌های رفت (سرد) و برگشت (گرم) آب به منبع در هوای آزاد قرار دارند و حتی اگر این لوله‌ها به‌خوبی هم عایق‌بندی شده باشند، پدیده اتلاف انرژی از منبع ذخیره آب گرم و یخ‌زدگی لوله‌های رفت‌وبرگشت آب در شب‌های سرد و طولانی زمستان، از مشکلات خاص این نوع آبگرمکن‌ها محسوب می‌شود [۱۴].

از سال (۲۰۰۲) میلادی در راستای همکاری‌های علمی بین دو کشور ایران و آلمان پروژه‌ای با همکاری مرکز تحقیقات و مطالعات محیط‌زیست و انرژی ایران (CEERS)، انستیتو ووپرتال آلمان (Wuppertal Institute for Climate)، دانشگاه اسنوبروک آلمان (University of Osnabruck) و با همکاری بنیاد هانریش بول (Hanrish Boel Foundation) با عنوان «سیاست‌گذاری در زمینه آب‌وهوا و توسعه پایدار؛ فرصت‌هایی برای همکاری ایران و آلمان » آغاز شد. یکی از دستاوردهای حاصل از این پروژه تدوین گزارشی در مورد انرژی حرارتی خورشیدی در ایران در سال ۲۰۰۵ بود. در این گزارش اشاره شده است که متوسط تابش جهانی برای ایران حدود kWh/m²/day 3/5 است که در مناطق مرکزی ایران این مقدار به بیش از ۷/۷ ساعت در روز می‌رسد. با توجه به مساحت ایران (حدود ۱۶۴۸۰۰۰ کیلومتر مربع)، کل مقدار تابش در ایران حدود ۳/3 میلیون تراوات ساعت در سال است که سیزده برابر کل انرژی مصرفی در ایران است. علی‌رغم شرایط مناسب طبیعی تابش، به‌کارگیری انرژی خورشیدی در ایران بسیار ناچیز است، در دو سال گذشته حدود ۴۰۰۰ دستگاه گرمایش خورشیدی در سال تولید و نصب شده است [۱۶].

در مناطق شهری ایران، تأسیسات گرمایش هوا و آب گرم بسیار متنوع است. بیشترین سیستم‌های مورداستفاده، دیگ بخار گازی‌سوز مرکزی است که در زیرزمین ساختمان‌های مسکونی، تجاری و اداری نصب می‌شود. وضعیت در مناطق جنوبی ایران کاملاً متفاوت است و سیستم لوله‌کشی گاز وجود ندارد. در نتیجه آب گرمکن‌های برقی (نوع استوانه‌ای با ظرفیت‌های ۶۰، ۸۰، ۱۰۰ و ۱۲۰ لیتری) کاربرد وسیعی برای تولید آب گرم مصرفی دارند.

بر اساس این مطالعه هزینه سرمایه‌گذاری بر روی سیستم آبگرمکن خورشیدی برای یک ساختمان دو طبقه معمولی ۵۸۸/۱ دلار آمریکا خواهد بود. با فرض طول عمر ۲۵ ساله برای سیستم و نرخ بهره اسمی ۲۲ درصد در سال، هزینه ثابت سیستم حرارتی خورشیدی سالانه ۳۵۲ دلار آمریکا خواهد بود (شکل ۱۰). هزینه نگهداری و تعمیرات بین ۵/۰ الی ۱ درصد سرمایه‌گذاری بوده و حدود ۱۳ دلار آمریکا برای سال اول در نظر گرفته می‌شود.

با فرض قیمت گازوئیل معادل ۱۶/۰ دلار آمریکا در هر لیتر (در سال ۲۰۰۵) یا 0016/۰ دلار آمریکا در هرکیلووات ساعت، صرفه‌جویی در هزینه‌ها با جایگزینی سیستم حرارتی خورشیدی به جای سوخت‌های فسیلی، ۴/۱۴ دلار آمریکا در سال اول خواهد بود. با توجه به شرایط فوق، کاملاً واضح است که این سرمایه‌گذاری برگشت مالی قابل‌توجهی را به همراه ندارد. با فرض ثابت بودن قیمت‌ها، صرفه‌جویی سالانه کمتر از ۲ دلار آمریکا خواهد بود. با توجه به رشد تورم که سریع‌تر از رشد قیمت انرژی است، این صرفه‌جویی مالی حتی در سال‌های بعدی کاهش نیز خواهد یافت و هزینه متوسط راه‌اندازی و نگهداری از مبلغ صرفه‌جویی شده بیشتر خواهد شد.

بنابراین سیستم‌های حرارتی خورشیدی با قیمت‌های موجود انرژی، فاصله زیادی با مقرون‌به‌صرفه بودن برای سرمایه‌گذاری خصوصی دارند. حتی اگر به ۵۰ درصد هزینه سرمایه‌گذاری یارانه تعلق گیرد، همچنان هیچ‌گونه سوددهی برای سرمایه‌گذاری خصوصی نخواهد داشت. علت اصلی را می‌بایست در قیمت بسیار پایین سوخت‌های فسیلی در ایران در مقایسه با سطح جهانی قیمت‌ها و یارانه‌های بسیار بالای آن‌ها جستجو کرد.

شکل ۱۰- هزینه-منفعت سیستم آبگرمکن خورشیدی برای ساختمان دو طبقه در منطقه ۲۲ تهران، با نرخ بهره اسمی ۲۲%، با قیمت‌های کنونی گازوئیل برای ساختمان‌های مسکونی، رشد ۳/۸% قیمت نفت و نرخ تورم عمومی ۱۴% [۱۶]

سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی با در نظر گرفتن قیمت‌های صادراتی سوخت فسیلی با فرضیات مشخص در رابطه با تورم، افزایش قیمت انرژی و نرخ بهره دارای منفعت بیشتری خواهند بود. سطح کنونی قیمت‌های انرژی در ایران مصرف شدید انرژی را به همراه داشته است، زیرا این قیمت‌ها انگیزه‌ای برای صرفه‌جویی در انرژی به وجود نیاورده است و از سرمایه‌گذاری بر روی اقدامات صرفه‌جویانه انرژی با توجه به عدم سوددهی آن‌ها جلوگیری کرده است. البته با فرض کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی با به‌کارگیری اقدامات صرفه‌جویانه انرژی، صادرات مقدار بیشتر سوخت‌های فسیلی با قیمت‌های بازار جهانی نفت امکان‌پذیر شده که در نهایت باعث رشد رفاه و بنیه اقتصادی ایران خواهد شد (شکل ۱۱).

با فرض قیمت‌های نفت در سطح ۳۸ دلار آمریکا در هر بشکه (سال ۲۰۰۵)، ارزش هر کیلووات ساعت انرژی حاصل از آن 024/۰ دلار آمریکا خواهد بود. نتیجه این محاسبه برای سیستم حرارتی خورشیدی، صرفه‌جویی سالانه انرژی به مبلغ ۲۱۶ دلار آمریکا در شروع راه‌اندازی آن است. با فرض افزایش قیمت سوخت‌های فسیلی، ارزش انرژی صرفه‌جویی شده با نصب سیستم حرارتی خورشیدی هرسال بیشتر خواهد شد.

نسبت هزینه- منفعت برای سرمایه‌گذار بخش خصوصی ۴/۰ است؛ یعنی سود حاصل از صرفه‌جویی در انرژی سه برابر بیشتر از هزینه‌ها است (با فرض نرخ بهره اسمی ۲۲% رشد سالانه ۳/۸% در قیمت گازوئیل و رشد سالانه ۱۴% در هزینه نگهداری و تعمیرات).

شکل ۱۱- مقایسه هزینه-منفعت آبگرمکن خورشیدی برای یک ساختمان دو طبقه در منطقه ۲۲ تهران، با قیمت کنونی گازوئیل برای ساختمان‌های مسکونی با توجه به قیمت صادرات حدود ۳۸ دلار در هر بشکه نفت (نرخ بهره اسمی ۲۲%، رشد ۳/۸% قیمت نفت و رشد ۱۴% نرخ تورم عمومی) [۱۶]

شایان ذکر است که با فرض تقبل هزینه سرمایه‌گذاری (۵۸۸/۱ دلار آمریکا)، راه‌اندازی و نگهداری سیستم حرارتی خورشیدی از طرف دولت ایران، مقدار نفت صرفه‌جویی شده می‌تواند در بازار جهانی به فروش رسد. این امر با قوانین اوپک مطابقت دارد، زیرا سهمیه ایران در ازای تولید و نه صادرات است. با فرض اینکه سرمایه‌گذاری اولیه از طریق وام خارجی با نرخ بهره اسمی ۳% تأمین شود، سود خالص برای کشور حدود ۴۲۰۰ دلار آمریکا در طول دوران عمر سیستم آبگرمکن خورشیدی (۲۵ سال) خواهد بود (با فرض افزایش سالانه ۲% در قیمت بازارهای جهانی انرژی و افزایش ۲% هزینه تگهداری و تعمیرات).

جایگزینی انرژی الکتریکی با انرژی خورشیدی از دیگر مزایای توسعه آبگرمکن‌های خورشیدی است. در بخش جنوبی ایران، آبگرمکن‌های خورشیدی جایگزین مصرف برق خواهد شد که حتی با توجه به قیمت‌های پایین کنونی انرژی، سیستم‌های گرمایش خورشیدی می‌توانند در بعضی اوقات سوددهی داشته باشند. همان‌گونه که قبلاً نیز اشاره شد، سیستم حرارتی خورشیدی سوددهی بالایی خواهد داشت و هزینه‌ای معادل ۲۵۰/۰ دلار آمریکا صرفه‌جویی به همراه داشت؛ اما تعرفه مالیاتی کنونی نیروی برق برای بخش مسکونی در ایران حدود ۰۱۲/۰ دلار در هر کیلووات ساعت است. چنین قیمت‌های پایینی برای نیروی برق از مهم‌ترین موانع سرمایه‌گذاری خصوصی برای بهبود بهره‌وری انرژی و انرژی‌های تجدیدپذیر است.

موارد زیر به‌طور مختصر نتایج حاصل از این مطالعه را بیان می‌کند:

• با توجه به سوخت‌های فسیلی با قیمت سال ۲۰۰۴، هیچ‌کدام از سیستم‌های خورشیدی موردمطالعه نمی‌توانند اقتصادی باشند. قیمت تمام شده نفت برای خانوارهای ایرانی حدود یک بیستم قیمت نفت خام در بازار جهانی است.
• اگر قیمت نفت منطبق با قیمت کنونی در بازار جهانی شود، با در نظر گرفتن مفروضات مشخصی برای نرخ تورم، افزایش قیمت انرژی و نرخ‌های بهره، تمامی موارد بررسی شده مقرون‌به‌صرفه خواهند شد و حتی برخی از آن‌ها بسیار سودمند خواهند بود.
• از نقطه نظر بودجه‌بندی، سرمایه‌گذاری در تأسیسات خورشیدی، مزایای فراوانی برای کشور ایران خواهد داشت. هزینه‌های تولید گرما توسط تأسیسات خورشیدی بسیار پایین‌تر از قیمت‌های نفت در بازارهای جهانی است. در نتیجه ارائه یارانه توسط دولت ایران برای سرمایه‌گذاری بر روی تأسیسات حرارتی خورشیدی منفعت اقتصادی خواهد داشت.
• سرمایه‌گذاری در انرژی خورشیدی، سرمایه‌گذاری بدون ریسک است و درآمد بالایی برای اقتصاد ایران به همراه خواهد آورد. اگر فرض شود که دولت ایران با دریافت وام از بازارهای مالی بین‌المللی با نرخ بهره ۳% به حمایت از تأسیسات خورشیدی بپردازد، مصرف سوخت برای گرمایش در خانوارهای ایرانی کاهش خواهد یافت. همچنین اگر قیمت نفت ۳۸ دلار آمریکا برای هر بشکه در نظر گرفته شود و هر ساله قیمت نفت ۲% افزایش داشته باشد، تأسیسات حرارتی خورشیدی می‌تواند سود خالص اقتصادی برابر با ۴۲۰۰ دلار آمریکا در این دوره حاصل نماید. اگر فرض شود که یک‌چهارم خانوارهای تهرانی اقدام به نصب سیستم‌های گرمایش خورشیدی نمایند، کل درآمد خالص برای اقتصاد ایران ۱۸۰۰ میلیون دلار آمریکا خواهد رسید.
• مشکلات در بخش انرژی ایران به تنهایی از طریق سیستم‌های گرمایش خورشیدی حل نخواهد شد؛ اما استفاده از این سیستم‌ها می‌تواند گامی مهم به سوی بازسازی پایدار عرضه انرژی باشد.
• سیاست کنونی قیمت‌گذاری در بخش انرژی ایران اثرات هنگفت و سنگینی بر روی اقتصاد ایران دارد. یارانه بسیار بالا برای سوخت‌های مصرفی در گرمایش و حمل‌ونقل، در کنار یارانه‌های ارائه شده به نیروی برق موجب استفاده غیرکارآمد از انرژی شده و از به‌کارگیری انرژی خورشیدی و سایر انرژی‌های تجدیدپذیر جلوگیری کرده است. نتیجه این امر اتلاف منابع با ارزش انرژی در ایران است که می‌تواند در بازار جهانی با قیمت‌های بالایی به فروش رسیده و سرمایه‌های مالی بی‌شماری را برای کشور به همراه داشته باشد. همچنین استفاده داخلی از سوخت‌های فسیلی موجب انتشار آلودگی در محیط‌زیست شده که اثرات منفی بر روی سلامت انسان‌ها به همراه داشته و به ساختمان‌ها آسیب می‌رساند و میزان تولید محصولات کشاورزی را کاهش می‌دهد. متأسفانه این‌گونه هزینه‌ها می‌بایست توسط تمامی افراد جامعه پرداخته شود. به غیر از هزینه‌های اجتماعی یاد شده که یارانه‌های بخش انرژی ایجاد می‌کنند، اثرات منفی دیگری نظیر عدم توسعه بخش تجاری در زمینه انرژی حرارتی و تکنولوژی کارآمد نیز بر اقتصاد کشور وارد می‌شود.

علی‌رغم مزایای اقتصادی فراوان برای بودجه کشور، برقراری یک استراتژی حمایتی از اجرای گسترده سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی مزایای دیگری را به شرح زیر در پی خواهد داشت:

آبگرمکن‌های خورشیدی می‌توانند به طرق مختلف در ایران استفاده شوند و پیش‌نیازهای فنی آن‌ها در کشور موجود است. با فرض اینکه ۲۵ درصد خانوارهای تهرانی این‌گونه سیستم‌ها را نصب نمایند، مقدار کل انرژی خورشیدی مصرفی برابر با MWh/yr ۱۳۱۰۰۰۰ خواهد بود که به کاهش گازهای گلخانه‌ای معادل ۵۰۳۰۰۰ تن دی کسید کربن در سال بالغ خواهد شد.

پیش‌بینی می‌شود که نرخ رشد مصرف نیروی برق ایران سالانه بین ۶ الی ۸ درصد برای ده سال آینده خواهد بود. هزینه‌های مرتبط با ساخت نیروگاه‌های جدید و توسعه شبکه انتقال برق بسیار هنگفت است. این‌گونه هزینه‌ها با به‌کارگیری سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی به‌جای مصرف برق، می‌توانند تا حدودی کاهش یابند.

چنان‌چه روند مصرف انرژی همانند ده سال گذشته باقی بماند، مصرف انرژی اولیه در ایران به مقدار ۱۲۷۰ میلیون بشکه نفت خام در سال ۲۰۰۶ خواهد رسید که در مقایسه با ۸۰۳ میلیون بشکه در سال ۱۹۹۷ افزایش قابل‌توجهی را نشان می‌دهد. لذا از آنجایی که رشد مصرف داخلی نفت مترادف با کاهش صادرات نفت خام است، این امر منجر به کاهش درآمدهای ناشی از صادرات خواهد شد.

تسریع حرکت دولت ایران در مسیر آینده انرژی پایدار، مزایای فراوانی را عاید کشور خواهد نمود. در سطح جهانی توانایی رقابت انرژی‌های تجدیدپذیر به‌مرور طی سالیان و دهه‌های آتی افزایش خواهد یافت. ایجاد سریع‌تر بسترهای مناسب برای استفاده از انرژی خورشیدی در ایران باعث افزایش سرعت در تولید انبوه تأسیسات و افزایش منافع اقتصادی خواهد شد. از یک طرف تفاوت هزینه‌ها برای یک کیلووات ساعت انرژی از نفت با یک کیلوولت ساعت انرژی خورشیدی در آینده افزایش خواهد یافت و از طرف دیگر تعداد تأسیسات نصب شده و مقدار انرژی صرفه‌جویی شده افزایش خواهد یافت.

• چالش‌های موجود در آبگرمکن خورشیدی

موارد زیر از مشکلات اصلی عدم رشد بازار آبگرمکن خورشیدی است [۱۷، ۱۸]:

• آبگرمکن برقی به دلیل هزینه کم برق در مقایسه با هزینه زیاد آبگرمکن خورشیدی مقرون‌به‌صرفه‌تر است.
• عدم آگاهی مصرف‌کنندگان از اثرات محیطی آبگرمکن برقی
• عدم آگاهی از کاهش بالقوه هزینه مصرف انرژی با استفاده از آبگرمکن خورشیدی
• عدم وجود قوانین تسهیل یا گسترش استفاده از فناوری آبگرمکن خورشیدی
• عدم وجود استانداردهای اجباری جهت تست و صدور گواهی برای محصولات آبگرمکن خورشیدی
• کمبود پرسنل فنی آموزش دیده برای نصب و حفظ آبگرمکن خورشیدی

از نظر فنی نیز سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی با چالش‌هایی مواجه است. یکی از چالش‌های مطرح در این زمینه افزایش بهره‌وری سیستم به‌ویژه در فصول سرد، انتقال حرارت و فشردگی سیستم است. کارایی سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی به دلیل استفاده از انرژی خورشیدی که دارای ماهیت تناوبی است، به شدت تحت تأثیر شرایط آب‌وهوایی قرار می‌گیرد. امروز پژوهش‌های گسترده در زمینه افزایش کارایی سیستم آبگرمکن خورشیدی انجام شده است. بسیاری از این پژوهش‌ها با استفاده از فناوری نانو، اجزای مختلف سیستم آبگرمکن خورشیدی را اصلاح و بازدهی آن را افزایش داده‌اند [۱۹].

موسسه تحقیقاتی CCS (Global Carbon Capture and Storage Institute) موارد زیر را به‌عنوان اولویت تحقیقاتی سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی معرفی کردند [۱۰]:

– بهبود عملکرد کالکتور خورشیدی از طریق توسعه لایه پوشش‌دهنده، مواد جدید، طراحی و فرایندهای درگیر در کالکتور

– بهبود فشردگی سیستم آبگرمکن خورشیدی از طریق بهبود فشردگی سیستم با ترکیب سیستم خورشیدی و سیستم پشتیبانی مرسوم. با بهبود فشردگی سیستم، نصب آن راحت و هزینه کاهش می‌یابد.

– توسعه سیستم‌های چندمنظوره با قابلیت تولید انرژی حرارتی، ذخیره‌سازی، تنظیم‌کنندگی دمای فضا و توزیع انرژی

– سهولت نصب، بهبود یکپارچه‌سازی، افزایش پایداری، قابلیت اطمینان و طول عمر زیاد

۳- فناوری نانو در آبگرمکن خورشیدی

همان‌طور که قبلاً توضیح داده شده، کالکتور، سیال انتقال‌دهنده حرارت، مخزن ذخیره از اجزای اصلی یک سیستم آبگرمکن خورشیدی هستند. اصلاح این اجزای از راهکارهای اصلی بهبود بازدهی سیستم است. در بحث کالکتورها اصلاح صفحات جاذب جهت جذب بیشتر پرتو خورشیدی به‌ویژه در روزهای ابری، اصلاح سیال انتقال‌دهنده حرارت جهت بهبود مشخصه‌های آن مانند افزایش هدایت از موضوعات مطرح در این زمینه است. بهبود عایق مورداستفاده در مخزن نیز یکی دیگر از موضوعات مهم در این زمینه است که باعث کاهش اتلاف حرارتی و افزایش بازدهی سیستم می‌شود. به‌کارگیری ذخیره‌ساز محسوس و نهان نیز یکی دیگر از راهکارهای به‌کارگیری آبگرمکن خورشیدی در شرایط عدم دسترسی پرتو خورشیدی است. امروزه فناوری نانو در همه این موضوعات ورود پیدا کرده و باعث بهبود بازدهی سیستم آبگرمکن خورشیدی می‌شود [۲۵-۲۰].

افزایش بازدهی سیستم با استفاده از نانوسیالات یکی از حوزه‌های به‌کارگیری فناوری نانو در سیستم آبگرمکن خورشیدی است. سیال انتقال‌دهنده حرارت به‌طور مؤثری می‌تواند عملکرد سیستم آبگرمکن خورشیدی را تحت تأثیر قرار دهد. این سیال حرارت را از کالکتور جمع کرده و به مبدل حرارتی انتقال می‌دهد. حرارت از آنجا به مخزن ذخیره انتقال می‌یابد. سیال انتقال‌دهنده حرارت برپایهٔ ویژگی‌های مانند نقطه ذوب، نقطه انجماد، ویسکوزیته و ظرفیت حرارتی انتخاب می‌شود. آب، آمونیاک، استون، متانول و پنتان می‌توانند به‌عنوان سیال کاری در آبگرمکن استفاده شوند، اما آب بهترین عملکرد را نسبت به سایر سیالات در این سیستم دارد. مواد تغییر فازدهنده مانند پارافین واکس نیز برای این هدف استفاده می‌شوند. انتقال حرارت ضعیف سیالات مرسوم در مقایسه با اکثر جامدات مشکل اصلی فشرده‌سازی و کارایی سیستم است. یافتن ذرات جامدی با هدایت حرارتی چند صد برابر سیالات مرسوم از اهمیت زیادی برخوردار است. شناورسازی ذرات جامد بسیار ریز در سیال می‌تواند باعث بهبود هدایت حرارتی سیال شود. نانوذرات فلزی و غیرفلزی معلق در سیال انتقال‌دهنده حرارت ویژگی حمل‌ونقلی و انتقال حرارتی سیال را تغییر می‌دهد. نانولوله کربنی، اکسید آلومینیوم، گرافن و اکسید مس از جمله نانوذرات مورداستفاده در نانوسیالات است. افزایش هدایت حرارتی نانوسیالات به درصد حجمی، اندازه، نوع نانوذرات و سیال پایه بستگی دارد. با ثابت در نظر گرفتن عدد رینولدز، انتقال حرارت نانوسیالات با افزایش درصد حجمی نانوذرات و کاهش اندازه ذرات افزایش می‌یابد [۲۰،۲۶].

به‌طورکلی مزایای اصلی نانوسیالات عبارتند از:

– مساحت سطح ویژه بالا و متعاقباً سطح انتقال حرارت بیشتر بین ذرات و سیالات

– پایداری پراکندگی زیاد با حرکات بروانی ذرات

– کاهش انرژی مصرفی جهت پمپ کردن در مقایسه با سیالات خالص برای دستیابی به تشدید انتقال گرمای معادل

– کاهش مسدود شدن ذرات در مقایسه با دوغاب‌های مرسوم و متعاقباً بهبود کوچک‌سازی سیستم

– خواص قابل تنظیم شامل هدایت حرارتی و ترشوندگی سطحی با تغییر غلظت ذرات برای کاربردهای مختلف

نانوذرات فلزی و معدنی همچنین می‌توانند در مواد تغییر فازدهنده برای افزایش انتقال حرارت و ظرفیت ذخیره‌سازی به‌عنوان سیال انتقال‌دهنده حرارت و مواد ذخیره‌کننده حرارت خورشیدی استفاده شود. در برخی موارد، مواد ذخیره‌کننده حرارت با ابعاد میکرونی یا میلی‌متری هستند که معمولاً ساختار هسته و پوسته دارند. هسته ممکن است به‌صورت نانوکامپوزیتی از مواد تغییر فازدهنده و کسر کوچکی از نانوذرات هدایت حرارتی بسیار بالا و نقطه ذوب بالاتر از مواد تغییر فازدهنده باشد. پوسته نیز از لایه نازکی از نانوذرات خنثی با قابلیت هدایت بالا است. ماده تغییر فازدهنده در هسته می‌تواند در حین تغییر حالت جامد-مایع، انرژی حرارتی نهان را جذب یا آزاد سازد. نانوالیاف کربنی، گرافیت با حفره‌های نانومتری و اکسیدها و هیدروکسیدهای نانومتری از جمله نانومواد به‌کار رفته در مواد تغییر فازدهنده هستند.

بهبود لایه عایق مخزن ذخیره‌سازی آبگرمکن خورشیدی و لایه جاذب موجود در کالکتور با استفاده از نانوذرات از حوزه‌های دیگر کاربردی فناوری نانو در سیستم آبگرمن خورشیدی است. با استفاده از نانوذرات می‌تواند عایق حرارتی عالی بدون افزایش وزن در سیستم ایجاد کرد.

۴- محصولات صنعتی و ثبت اختراعات

جدول ۱ اختراعات اخیر ثبت شده در زمینه ساخت آبگرمکن خورشیدی با استفاده از فناوری نانو را نشان می‌دهد. این اختراعات مستخرج از پایگاه اطلاعاتی گوگل پتنت است [۲۷]. همان‌طور که در این جدول مشخص است، اکثر اختراعات موجود در این زمینه مربوط به نانوسیالات، اصلاح لایه پوششی کالکتور جهت جذب پرتو خورشیدی و اصلاح عایق مخزن است. در لایه جذب پرتو خورشیدی از نانوموادی مانند گرافن، TiC، TiN، SiC و SiC-Si₃N₄ استفاده شده است. از نانوذرات اکسیدتیتانیم، اکسیدسیلیسیوم و اکسیدروی نیز برای اصلاح لایه مقاوم به خوردگی و عایق استفاده شده است.

جدول ۱- سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی ساخته شده با استفاده از فناوری نانو

ردیف	شماره پتنت	عنوان	سال	توضیحات
۱	CN107940770A	لوله بخار خلأ شیشه‌ای برای آبگرمکن خورشیدی و روش تهیه لوله شیشه‌ای خلأ کالکتور گرمایی	۲۰۱۷	استفاده از نانومواد هادی گرافیتی و آلومینیوم نیتریدی به‌عنوان عامل انتقال‌دهنده حرارت در کالکتوری لوله خلأ شیشه‌ای
۲	CN206146019U	لوله جمع‌کننده حرارت آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۷	استفاده از نانوفیلم الماس در پوشش لوله‌های جاذب حرارت
۳	CN106524525A	جاذب خورشیدی کربن بلک-گرافن نانومتری برای آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۶	استفاده از جاذب نانوگرافن و کربن بلک
۴	CN106568206A	جاذب خورشیدی نانومتری TiC برای آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۶	استفاده از نانوذرات TiC در جاذب خورشیدی
۵	CN106546011A	جاذب خورشیدی نانومتری TiN برای آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۶	استفاده از نانوذرات TiN به‌عنوان جاذب
۶	CN106500373A	جاذب انرژی خورشیدی نانومتری SiC برای آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۶	استفاده از نانوذرات SiC به‌عنوان جاذب
۷	CN106546009A	جاذب انرژی خورشیدی نانومتری SiC-Si3N4 برای آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۶	استفاده از نانوذرات SiC-Si3N4 به‌عنوان جاذب
۸	CN101851460A	پوشش پودری پلی‌استر برای آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۶	از افزودنی‌هایی مانند نانوذرات سیلیکا، اکسیدتیتانیم، اکسیدروی در پلی‌استر برای بهبود افزایش مقاومت به خوردگی سیستم آبگرمکن خورشیدی استفاده شد.
۹	CN104497990A	سیال انتقال‌دهنده حرارت نانواکسید گرافن برای آبگرمکن خورشیدی و روش آماده‌سازی آن	۲۰۱۴	استفاده از اکسید گرافن به‌عنوان نانوسیال انتقال‌دهنده حرارت
۱۰	CN103673356A	عایق لایه‌ای از مخزن عایق آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۳	مواد عایق سرامیکی حاوی نانوذرات در مخزن ذخیره
۱۱	CN102516494A	ترکیب فوم برای مخزن آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۳	نانوذرات اکسیدسیلیسیوم با فوم پلی‌اورتان برای ساخت عایق مخزن آبگرمکن خورشیدی استفاده شد.
۱۲	CN202885295U	سیستم هوشمند چرخش آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۳	استفاده از نانولوله کربنی در نانوسیال جهت افزایش بازدهی تبدیل و انتقال حرارت
۱۳	CN203323443U	پوسته خارجی مخزن آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۳	استفاده از نانوپوشش ضدباکتریایی در درون مخزن
۱۴	CN202613743U	آبگرمکن خورشیدی جدید	۲۰۱۲	استفاده از پنل فوتوولتائیک در جذب انرژی خورشیدی و تولید برق و ذخیره آن با باتری و سپس استفاده گرمکن‌های فیلم نانوالکتریک برای گرمایش آب
۱۵	CN202692505U	آبگرمکن خورشیدی	۲۰۱۲	استفاده از پوشش‌های اکسید تیتانیومی پوشیده با نانوسیلیکا
۱۶	CN202149626U	نانو مایع آب‌گرم‌کن خورشیدی	۲۰۱۱	استفاده از نانولوله‌های کربنی در نانوسیال انتقال‌دهنده حرارت
۱۷	CN102147160A	مخزن ذخیره‌سازی آب گرم آبگرمکن خورشیدی در محیط داخلی	۲۰۱۱	استفاده از نانوپوشش نقره در دیواره داخلی مخزن ذخیره آب
۱۸	CN101832590A	سیستم گرمایش خورشیدی و روش گرمایش و تهیه آب گرم	۲۰۱۰	استفاده از نانوسیال برای ساخت آبگرمکن خورشیدی با دمای کاری ۳۵ تا ۶۰ درجه
۱۹	CN201561591U	نانولوله‌های ویژه سه لایه آبگرمکن خورشیدی	۲۰۰۹	استفاده از نانولوله‌های سه لایه در سیستم آبگرمکن خورشیدی
۲۰	CN201146607Y	لوله برق الکتریکی خودکنترل دما برای آبگرمکن خورشیدی	۲۰۰۷	ساخت آبگرمکن خورشیدی با لوله گرمکن الکتریکی تنظیم‌کننده اتوماتیک دما، استفاده از نانومواد پلیمری در پوشش خارجی لوله‌ها
۲۱	CN1664464A	مخزن درونی آبگرمکن خورشیدی با نانوپوشش	۲۰۰۵	استفاده از نانوپوشش آلیاژی نیکل- فسفر و کرم-روی

 

جدول ۲ محصولات آبگرمکن خورشیدی با استفاده از فناوری نانو از شرکت‌های مختلف نشان می‌دهد.

جدول ۲- محصولات تجاری موجود از آبگرمکن خورشیدی ساخته شده با استفاده از فناوری نانو

تصویر محصول	نام محصول	شرکت
	TES solar water heater	Tianke Energy Saving
	Nano plastic inner tank	suntyeco
	NANO SOLARS FPC LPD -1, 2, 3, 4 PANEL	Kaizen NanoLabs Pvt. Ltd
	Nano Coating for Solar Panels	Percenta Nanotechnology
	Nuetech Nano Solar Water Heaters 110, 200, 260 LPD	Nuetech Solar Systems Pvt. Ltd
	Nano Spa Heater 5-27 Amp	Elecro Engineering Ltd
	Nanosol 35-Gallon Capacity Portable Solar Water Heating Unit	Premium Solar LLC
	Nanotek Extreme Solar Pool Heating	Australian Energy Systems

 

5- خلاصه

انرژی خورشیدی یکی از در دسترس‌ترین منابع انرژی تجدیدپذیر در ایران است. کشور ایران با متوسط سالانه ۲۸۵۰ ساعت آفتاب از چنین پتانسیلی برخوردار است. روش‌های گوناگونی برای استفاده از این انرژی پاک و لایزال خدادادی وجود دارد، اما گرم کردن آب با استفاده از آبگرمکن های خورشیدی، آسان‌ترین و اقتصادی‌ترین روش بهره‌برداری از این منبع انرژی است. عدم اطمینان و نیاز به آبگرمکن دیگر، هزینه اولیه بالا، شایعه عدم رضایت کاربران، عدم آگاهی عمومی و عدم ارائه خدمات پس از فروش از عوامل مؤثر در عدم پذیرش آبگرمکن‌های خورشیدی در ایران است. توسعه آبگرمکن خورشیدی باعث کاهش مصرف سوخت فسیلی و به دنبال آن کاهش انتشار آلاینده به محیط‌زیست و افزایش بیشتر صادرات سوخت‌های فسیلی می‌شود. پشتیبانی دولت و تخصیص یارانه از رویکردهای مؤثر در توسعه آبگرمکن خورشیدی است. تاکنون سیستم‌های ترموسیفونی به دلیل سادگی و سهولت در نصب بیشترین سهم را در بازار جهانی آبگرمکن خورشیدی دارد. با استفاده از فناوری نانو می‌توان اجزای مختلف انواع آبگرمکن‌های خورشیدی را اصلاح و عملکرد آن‌ها بهبود بخشید. نانوسیالات، عایق و لایه مقاوم به خورندگی اصلاح شده با نانومواد و لایه جاذب پرتو خورشیدی اصلاح شده با نانومواد از مهم‌ترین اقدامات انجام شده جهت بهبود عملکرد سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی با استفاده از فناوری نانو است. از آنجایی که این اصلاحات می‌تواند باعث بهبود بازدهی و عملکرد سیستم و کاهش هزینه‌ها شود، امروزه بسیاری از محصولات جدید سیستم آبگرمکن خورشیدی با استفاده از فناوری نانو ساخته شده است. با توجه به بررسی بازار جهانی آبگرمکن خورشیدی و وضعیت ایران در حوزه فناوری نانو، تولید سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی با استفاده از نانومواد می‌تواند یک رویکرد مؤثر برای توسعه آبگرمکن خورشیدی با کارایی بالا در داخل کشور باشد.

 

مراجع

[1] Shukla R., Sumathy K., Erickson P., Gong J., Recent advances in the solar water heating systems: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 19 (2013) 173–190.

[2] Kumar A., and Goswami N., User’s handbook on solar water heaters. (2010), http://www.undp.org/content/dam/india/docs/user’s_handbook_on_solar_water_heaters.pdf

[3] http://www.greenspec.co.uk/building-design/solar-collectors/

[4] http://www.alternative-energy-tutorials.com/solar-hot-water/evacuated-tube-collector.html

[5] Vikram D., Kaushik S., Prashanth V., Nallusamy N., An Improvement in the Solar Water Heating Systems using Phase Change Materials, Proceedings of the International Conference on Renewable Energy for Developing Countries (2006).

[6] Shukla A., Buddhi D., Sawhney R.L., Solar water heaters with phase change material thermal energy storage medium: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 2119–2125.

[7] Gautama A., Chamolib S., Kumara A., Singh S. A review on technical improvements, economic feasibility and world scenario of solar water heating system, Renewable and Sustainable Energy Reviews 68 (2017) 541–562.

[8] http://www.energydepot.com/RPUres/library/Swaterheater.asp

[9] http://solarheatcool.sustainablesources.com/

[10] https://hub.globalccsinstitute.com/publications/strategic-research-and-innovation-agenda-renewable-heating-cooling/32-solar-thermal-technologies#fn_32

[11] https://www.businesswire.com/news/home/20170210005007/en/Global-Solar-Water-Heater-Market-Forecast-Worth

[12] Solar Water Heaters Market Size, Share & Trends Analysis Report, By Technology (ETC, FPC, UWC), By Application (Residential, Commercial, Industrial), By System, By Region, And Segment Forecasts, 2018 – 2025

[13] Renewable Global Status Report, 2018. p. 103.

[14] صادق‌زاده، محمدعلی، ۱۳۹۴، آسیب‌شناسی عدم ترویج آبگرمکن‌های خورشیدی بر اساس مطالعه میدانی و نظرسنجی، کنفرانس بین‌المللی فناوری و مدیریت انرژی، تهران- پژوهشگاه نفت، انجمن انرژی ایران،
https://www.civilica.com/Paper-IEAC02-IEAC02_083.html

[15] شادی طلب، ژاله، 1388، واکاوی عوامل مؤثر بر پذیرش آبگرمکن‌های خورشیدی خانگی در نواحی روستایی (مطالعه موردی شهرستان بردسکن)، نشریه توسعه محلی روستایی-شهری، 67-87

[16] سیاست‌گذاری در زمینه آب‌وهوا و توسعه پایدار فرصت‌هایی برای همکاری ایران و آلمان، 1384، ماهنامه اقتصاد انرژی مهر- شماره 75-76

[17] Veeraboina P., Ratnam G.Y., Analysis of the opportunities and challenges of solar water heating system (SWHS) in India: Estimates from the energy audit surveys & review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 668– 676.

[18] http://www.altenergy.org/renewables/solar/solar-water-heating.html

[19] Hussein A. K., Applications of nanotechnology to improve the performance of solar collectors – Recent advances and overview, Renewable and Sustainable Energy Reviews 62 (2016) 767–792

[20].Nagarajan P.K, Subramani J., Suyambazhahan S., Sathyamurthy R., Nanofluids for solar collector applications: A Review, The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014

[21] Khana M. M. A., Ibrahim N. I., Mahbubul I.M., Muhammad H., Evaluation of solar collector designs with integrated latent heat thermal energy storage: A review, Solar Energy 166 (2018) 334–350.

[22] El-Mahallawi I. S., Abdel-Rehim A. A., Khattab N., Rafat N. H., Effect of Nano-Graphite Dispersion on the Thermal Solar Selective Absorbance of Polymeric-Based Coating Material, https://doi.org/10.1007/978-3-319-72362-4_49

[23] Khanafer K., Vafai K., Applications of Nanomaterials in Solar Energy and Desalination Sectors, http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-407819-2.00005-0

[24] Al-Kayiem H. H., Lin S. C., Performance evaluation of a solar water heater integrated with a PCM nanocomposite TES at various inclinations, Solar Energy 109 (2014) 82–92.

[25] Msomi V., Nemraoui O., Improvement of the performance of solar water heater based on nanotechnology, 6^th international conference on renewable energy research and application, 2017.

[26] Natarajan E. and Sathish R., Role of nanofluids in solar water heater, Int J Adv Manuf Technol, 2009, DOI 10.1007/s00170-008-1876-8.

[27] https://patents.google.com/