كيف يعمل السخان الشمسي

كيف يعمل السخان الشمسي[1]

نحن من الأزواج الشابة،انتقلنا للسكن في بيت يقع في الطابق الثاني من عمارة مكونة من 5 طوابق. علينا أن نقرر، هل ننصب سخان شمسي على سقف الطابق الخامس، او ننصب سخانًا كهربائيًا داخل البيت (في مخزن صغير فوق الحمامات). أحد الجيران الذي التقيناه، ادعى أن السخان الشمسي  أكثر نفعًا  وأطلعنا على عدد كبير من السخانات الشمسية على سقف البناية. بالمقابلقاللنا صديق:الجميع يركبون سخانات شمسية، لكن بحسب رأيه تركيب السخان الكهربائي أكثر نفعًا وأرخص ثمنًا.

من فضلكم ساعدونا في اتخاذ القرار.

مهمة:

•       تصوغ كل مجموعة ادعاءً يساعد الشاب وزوجته على اتخاذ القرار (ادعاء/قرار + تعليل = حجة أو تبرير)

•       تقوم كل مجموعة بعرض تبريرها.

سؤال:

هل تعتقدون أنكم تستطيعون تقديم إستشارة للزوجين دون معلزمات سابقة؟

مقارنة بين المعطيات التقنية للسخان الشمسي والمعطيات التقنية للسخان الكهربائي.

تمعَّنوا في الجدول وأجيبوا عن الأسئلة لاحقًا:

معايير	سخان كهربائي سعته (100 لتر)	سخان شمسي سعته (100 لتر)+ لاقطات
سعر الجهاز	700 شاقل	1000+ 1700 = 2700 شاقل
معدل"مدة صلاحية " السخان	15 سنة	10 سنوات
معدل"مدة صلاحية" اللاقطات	---	10 سنوات
المقاومة الكهربائية لجسم التسخين	20 أُوم	20 أُوم
الجهد الكهربائي اللازم للتشغيل	220 V	220 V
زمن تشغيل السخان ( "بويلر")	30 دقيقة	30 دقيقة
سعر الكهرباء ( سعر الكيلواط ساعة الواحد	0.50 شاقل	0.50 شاقل
مساحة اللاقطات	---	3 أمتار مربعة
معدل بُعد السخان عن الحنفيات في البيت (القُطر الداخلي للأنبوبة من السخان حتى الحنفيات)	3 أمتار (قطر 16 ملم)	15 مترًا (قُطر 16 ملم)
معدل عدد ساعات تشغيل جسم التسخين (بويلر)[2]	365	85
طاقة/مواد تُبذل في البناء	خزان (حوالي 1 متر مربع، طبقتان من الصفيح ومادة عازلة بينهما)	خزان +لاقطات (3 +1 متر مربع)
كمية النفايات الناتجة بعد الاستخدام	خزان ، حوالي 120 لترًا	خزان (120 لترًا) +لاقطات (300 لتر)+

1.      كيف يمكن أن تساعدنا النتائج في اتخاذ القرار؟

2.      أي مصطلحات في الجدول غير معروفة لكم؟

3.      اكتبوا ثلاث أسئلة يمكن الإجابة عليها من الجدول.

4.      اكتبوا ثلاثة اسئلة لا يمكن الإجابة عليها من الجدول.

فعاليات في الكهرباء

بناء مصطلحات أساسية ( جهد،تيار كهربائي، مقاومة، طاقة كهربائية وقدرة، نجاعة).

لكي نحسب تكلفة الكهرباء اللازمة لتشغيل سخان، يجب أن نحسب أولاً القدرة P))التي تُقاس بوحدات واط (W). قدرة السخان هي كمية الطاقة في الثانية التي يستهلكها السخان.  لكي نحسب الطاقة التي يستهلكها السخان لتسخين الماء  خلال فترة زمنية محددة (مثلاً: خلال 30 ثانية)، يجب أن نضرب القدرة بالزمن (tفي الثانية)، هذا يعني

E=P*t.
العلاقة بين التيار الكهربائي، الجهد الكهربائي والقدرة تظهر في القانون التالي: P=V*IحيثيُشيرV الى الجهد (بالفولط )،I يشير إلى التيار الكهربائي المار في السخان ( بالامبير).

-ما الذي نعرفه من لائحة المعطيات؟

-هل نستطيع حساب القدرة بحسب هذه المعطيات؟

التيار الكهربائي غير مُعطى،  لذلك لا نستطيع استخدام القانون P=V*I . لكي نستعمل القانون،يجب علينا أن نحسب أولاً التيار الكهربائي المار في السخان.

تعرفتم في الماضي على العلاقة بين التيار الكهربائي والمقاومة. هذه العلاقة  R=^V/_Iنسمِّيها " قانون اوم " حيث المقاومة  (R)تقاس بوحدات " أوم" (Ω)، التيار (I) بالأمبير (A)، الجهد الكهربائي (V) بالفولط (v).

يمكن كتابة قانون أوم بالصيغة التالية أيضًا : V=I*R,I=^V/_R

تمارين :

1.      احسبوا التيار الكهربائي في دائرة كهربائية على التوالي، فيها مصباحوالجهد الكهربائيV 6 ومقاومة المصباح الكهربائية Ω 6.

2.      احسبوا المقاومة الكهربائية لمصباح  في دائرة كهربائية يمر فيها تيار مقداره A2 والجهد الكهربائي فيها V 10.

3.      احسبوا التيار الكهربائي الذي يمر في سخان كهربائي بالاعتماد على  جدول مقارنة المعطيات التقنية للسخان الشمسي والسخان الكهربائي.

الفعالية 1: نجاعة السخان في عملية تسخين الماء

حاولوا الإجابة عن الأسئلة  التالية :

1.      ما هي النجاعة؟

2.      بماذا تتعلق النجاعة؟

3.      كيف نستطيع، حسب رأيكم، حساب النجاعة؟

4.      ما هي وحدات قياس النجاعة؟

تجربة: حساب النجاعة لجسم تسخين في الإبريق الكهربائي

تجهيزات: إبريق كهربائي، ساعة ضبط الوقت وميزان حرارة.

أ. سجِّلوا قدرة الإبريق الكهربائي ( يُسجَّل عادةًفي قاعدة الإبريق).

ب. أدخلوا 1 لتر ماء إلى الإبريق  وقيسوا درجة حرارة الماء، سجِّلوا ذلك في الجدول. اتركوا ميزان

    الحرارة في الإبريق ( احرصوا أن لا يتلامس ميزان الحرارة مع قاعدة الُإبريق).

ت. شغلوا الابريق وساعة  ضبط الزمن.

ث. راقبوا ارتفاع درجة حرارة الماء،أغلقوا مفتاح الإبريق الكهربائي عندما تصل درجة الحرارة إلى 60

درجة مئوية (60⁰ C).أوقفوا ساعة ضبط الوقت . سجِّلوا الزمن الذي قستموه في الجدول.

ج. فرغوا الإبريق. أضيفوا ماء بارد وانتظروا عدة دقائق.

ح. غيِّروا الماء وكرروا العملية.

خ. أكملوا الجدول:

القياس	درجة الحرارة الابتدائيةبدرجات مئوية	درجة الحرارة النهائية بدرجات مئوية	الفرق في درجات حرارة الماء Tنهائي—Tابتدائي بالدرجة المئوية	كتلة الماء(m) (كتلة 1لتر ماء مقطر هي 1 كغم )	زمن التسخين بالثواني
1		600 C		1 كغم
2		600 C		1 كغم

Δ Q =c*m*(Tنهائي – Tابتدائي)

د. استخدموا قانون حساب كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة الماء(ΔQ):

عندما يكونCالحرارة النوعية للماء ومقدارها  4200 جول\كغم\ثانية

Eelc=P*t

ذ. احسبوا كمية الطاقة الكهربائية التي استهلكها الابريق:

     تظهر قدرة الابريق الكهربائي (P) عادةً في قاعدة الابريق على اللاصقة  ( تُقاس بـ W). الزمن (t) يُقاس عمليا

في الثانية ( انظروا الجدول اعلاه).

أ‌.        

*100Q/Eelc)Δ)=η

احسبوا نجاعة الابريق(η -أطا)

ما هي كمية الطاقة التي زُوِّدت بالمقارنة مع الطاقة التي حصلنا عليها.

الفعالية 2: حساب تكلفة تشغيل المسخن /بويلير

أ‌.         ما هو الجهد في الشبكة الكهربائية الموصول بها السخان  الكهربائي /الشمسي؟

ب‌.     احسبوا التيار الكهربائي المار من السخان عند تشغيله.

ت‌.     عوضوا المعطيات في القانون P=IVواحسبوا قدرة السخان.

ث‌.     احسبوا تكلفة التسخين في كل مرة نشغل السخان. افرضوا أن السخان يعمل حوالي نِصف ساعة في كل مرة: 0.5 (سعر الكيلواط ساعة بالشاقل) ضرب قدرة السخان بالـ KW ضرب زمن التشغيل ( ساعات).

فعالية 3 : حسابات تكلفة إضافية

أكملوا الجدول:

	سخان كهربائي	سخان شمسي
تكلفة التسخين في كل مرة*
تكلفة التسخين السنوية**
تكلفة الشراء***
المجموع الكلي للتكلفة السنوية
كمية الماء التي تُبذر****

* افرضوا  ن السخان (بويلر) يعمل نِصف ساعة في كل مرة.

**افرضوا أنه يلزم ماء ساخن يوميًا: 365 يومًا في السخان الكهربائي، 85 يومًَا في السخان الشمسي

*** سعر السخان يُقسم على عدد سنوات عمله.

**** كمية الماء التي تُبذر حتى يصلنا الماء الساخن.

تلخيص:

خذوا بعين الاعتبار (بشكل كيفي) الطاقة التي تُستثمر في إنتاج الخزانات واللاقطات، النفايات التي تتجمع بعد انتهاء صلاحية الخزانات، وكذلك التكاليف التي حسبتموها واجمعوها: أي سخان من الأفضل أن نختار (وفق الظروف التي عُرضت أمامكم)؟

هل هذا الاختيار صحيح في كل الظروف؟

---

[1]طوَّر هذه المهمة ميري أورن وروني مُعلم.

[2]نفترض أن اللاقطات تعمل حوالي  280 يومًا في السنة، وفي الأيام الأخرى (85) يعمل السخان الكهربائي (بويلر) (في منطقة المركز). في السخان الكهربائي، يعمل السخان (بويلر) كل السنة.