یک کلکتور خورشیدی در فضای مناسب و مکان باز (مثلا پشت بام) و رو به خورشیدی نصب می شود و یک مخزن ذخیره آب در داخل خانه قرار دارد. در آب و هوای سرد، یک پمپ یک مایع ضد یخ را از طریق یک حلقه بسته لوله که آرایه پشت بام و مخزن را به هم وصل می کند، به گردش در می آورد. یک سیم پیچ غوطه ور در داخل مخزن، گرما را از مایع گرم شده توسط خورشید به منبع آب خانگی منتقل می کند. در مناطق عاری از یخبندان، آب آشامیدنی را می توان مستقیماً توسط کلکتور گرم کرد. کلکتورها در دو نوع اصلی وجود دارند که محبوب ترین آنها، نوع صفحه تخت می باشد؛ جعبه های شیشه ای عایق شده (insulated glass boxes) با لوله های مسی متصل به ورق های جاذب (absorber sheets) که گرما را به دام می اندازند. در شرایط ایده آل، آنها می توانند آب 150 درجه، بسیار بالاتر از آب 125 درجه در یک آبگرمکن معمولی تولید کنند. کلکتورهای کارآمدتر از نوع لوله، ورق ها و لوله های جاذب هستند که لوله های خلاء شیشه ای را برای حداکثر اثر عایق محصور می کنند و می توانند آب را تا 200 درجه گرم کنند. و از آنجایی که لوله ها می توانند گرما را زمانی که خورشید مستقیماً بالای سر نیست و حتی در روزهای ابری جذب کنند، برای دریافت مقدار زیادی آب گرم نیازی به آرایه بزرگ ندارید. نکته منفی این است که قیمت آنها دو برابر صفحات تخت است. برخلاف کلکتورهای صفحه تخت، سیستم های لوله ای تخلیه شده جاذب های خورشیدی را در خلاء محصور می کنند و از اتلاف گرمای قابل توجه جلوگیری می کنند. سیستم های آبگرمکن خورشیدی از چند جزء اصلی تشکیل شده اند: کلکتورها، مخزن ذخیره، مبدل حرارتی، سیستم کنترل کننده و گرمکن پشتیبان و. .. که در ادامه هریک را توضیح خواهیم داد:
کلکتورها (a)
کلکتور خورشیدی پنلی است که انرژی گرمایی خورشید را جذب می کند و از آن برای گرم کردن آب استفاده می شود. کلکتورهای خورشیدی معمولاً روی پشت بام نصب می شوند و یا دارای آب هستند که مستقیماً از آنها عبور می کند (سیستم مستقیم)، یا یک سیال انتقال دهنده که انرژی گرمایی را به مخزن ذخیره منتقل می کند (سیستم غیر مستقیم)، در ادامه در خصوص سیستم مستقیم و غیر مستقیم توضیح خواهیم داد. پنل های یک سیستم حرارتی خورشیدی بعنوان کلکتور نیز شناخته می شوند و معمولاً روی پشت بام نصب می گردند. این کلکتورها با اینکه فرآیند مشابهی با پنل های خورشیدی (فتوولتائیک) دارند، اما در عمل متفاوت هستند؛ زیرا به جای تولید برق، گرما تولید می کنند. نور خورشید از پوشش شیشه ای کلکتور می گذرد و به صفحه جاذب () برخورد می کند؛ که دارای پوششی است که برای جذب انرژی خورشیدی و تبدیل آن به گرما طراحی شده است. این گرمای تولید شده به یک سیال انتقال (اعم از ضد یخ یا آب آشامیدنی) موجود در لوله های کوچک در صفحه منتقل می شود.
کلکتورها در اندازه ها و انواع مختلف وجود دارد: صفحه تخت (flat plates)، لوله خلاء (ETC)، ذخیره سازی کلکتور یکپارچه (ICS) و ترموسیفون (Thermosyphon). کلکتورهای صفحه تخت برای چندین دهه مورد استفاده قرار گرفته است. آنها از یک صفحه جاذب متصل به لوله های داخل پانل ساخته شده اند. صفحات جاذب معمولاً از ورق مس یا آلومینیومی ساخته می شوند که برای جذب حداکثر انرژی به رنگ سیاه یا به روش شیمیایی حک شده است. مزیت اصلی آنها نسبت به مدل های لوله تخلیه قیمت است. کلکتورهای صفحه تخت رایج ترین و عموماً ارزان ترین نوع کلکتور هستند، اما نور خورشید کمتری را جذب می کنند و در شرایط سردتر کارایی کمتری دارند. لوله های مسی ماتریسی از رایزرها () را ایجاد می کنند و به یک صفحه جاذب که در یک جعبه عایق پوشانده شده با یک شیشه سکوریت یا یک صفحه پوششی پلیمری () قرار دارد، چسبانده می شوند. کلکتورهای لوله تخلیه شده، از ردیف هایی از لوله های شیشه ای شفاف و موازی تشکیل شده اند که از هوا تخلیه شده اند و یک عایق حرارتی بسیار کارآمد برای سیالی که در طول لوله جریان دارد ایجاد می کنند. در این نوع کلکتورها، با احاطه کردن صفحه جاذب با لوله شیشه ای، بسیاری از جنبه های کلکتورهای صفحه تخت را بهبود می بخشد. خلاء داخل لوله های شیشه ای بعنوان یک عایق قوی عمل می کند و باعث می شود که فناوری لوله تخلیه بهتر از کلکتورهای صفحه تخت در هوای سردتر عمل کند. این موضوع نقطه قوت آبگرمکن های خورشیدی نوع لوله خلأ می باشد (نسبت به آبگرمکن های خورشیدی صفحه تخت). همچنین باد و توفان از فاصله و فضای بین لوله های خلأ (که در حدود یک ساتیمتری هم قرار دارند) عبور می کرده و به دستگاه آسیب نمی زند. حتی اگر یکی از لوله ها دچار مشکل شود، می توان آن را براحتی تعویض کرد و نیازی به تعمیر کل سیستم نیست. همچنین در طول روز به طور یکنواخت گرما را جمع آوری می کنند و آب را تا دمای بالاتر گرم می کنند. سیستم های لوله ای تخلیه شده معمولاً در مواقعی که دماهای بالاتر یا حجم های بالاتر آب مورد نیاز است، و همچنین برای سیستم های گرمایش فرآیند و تهویه مطبوع خورشیدی استفاده می شوند. کلکتورهای لوله خلاء فضای کمتری را در پشت بام اشغال می کنند، اما سنگین تر و شکننده تر هستند. اندازه و تعداد کلکتورهایی که نصب می شود بستگی به میزان نور خورشید و میزان آب گرم مورد نیاز دارد.
به طور کلی، کلکتورهای صفحه تخت و کلکتورهای لوله خلاء را می توان به روشی مشابه با پانل های خورشیدی چند کریستالی و تک کریستالی مقایسه کرد. مانند پانل های خورشیدی پلی کریستالی، کلکتورهای صفحه تخت قیمت کمتری دارند، اما کارایی کمتری دارند. کلکتورهای لوله تخلیه شده، مانند پانل های خورشیدی تک کریستالی، در قسمت جلو گران تر هستند، اما به دلیل راندمان بالاتر، در درازمدت پول بیشتری را صرفه جویی می کنند.
مخزن انبساط (b)
باتوجه به قابلیت تغییر حجم سیال ها (مثلا در اینجا آب یا سیال گرمایش) بر اثر تغییرات دمایی، در هر سیستم سیالی مدار بسته، نیاز است تا یک مخزن انبساط در نظر گرفته شود. این مخزن در زمان هایی که حجم سیال در گردش، بر اثر گرما افزایش یافت، بطور خودکار در دسترس قرار می گیرد تا آن مقدار از سیال که دیگر در مدار سیستم اصلی، نمی تواند وجود داشته باشد را در خود ذخیره کند و پس از کاهش حجم سیال، مجددا آن را به مدار اصلی سیستم باز می گرداند.
پمپ (c)
وجود پمپ برای انتقال حرارت آب در سیستم های مدار بسته و تحت فشار، از ارکان اصلی می باشد که وظیفه انتقال آب (یا سیال انتقال انرژی) موجود در داخل لوله های مدار انتقال حرارت (از کلکتور به سمت مخزن و برعکس) را برعهده دارد. در آبگرمکن خورشیدی، دبی پمپ متناسب با ظرفیت تولید آب گرم، در نظر گرفته می شود. پمپ در مدار آبگرمکن خورشیدی فعال، نقش مهمی دارد و با به گردش در آوردن سیال داخل مدار سیستم، از داغ شد بیش از حد بر اثر گرما و یا از یخ زدگی آن بر اثر برودت هوا جلوگیری می کند.
سیستم کنترل (d)
امروزه وجود سیستم های نظارتی و کنترلی، یکی از قطعات ضروری در هر سیستم مورد استفاده می باشد. از این رو، سیستم های نظارتی و کنترل برای اندازه گیری و نظارت بر عملکرد آبگرمکن خورشیدی موضوعی الزامی است؛ که با نمایش موارد و اشکالات پیش آمده در سیستم و چرخه آبگرمکن خورشیدی، کمک شایانی در اقدام سریع اپراتور می کند که موجب کارکرد بهتر آبگرمکن خورشیدی می شود. اکثر سیستم های آبگرمکن خورشیدی دارای سیستم کنترلی هستند که اطمینان حاصل می کند که آب در مخزن ذخیره خیلی داغ نمی شود. سیستم های کنترل کننده همچنین می توانند از چرخش آب سرد در سیستم زمانی که بیرون بسیار سرد است و سیال انتقال به اندازه کافی گرم نمی شود، جلوگیری کنند.
مبدل حرارتی (e) و مخزن ذخیره سازی (f)
برای انتقال گرمای آب (یا سیال انتقال انرژی) به آب گرم موجود در مخزن اصلی، از یک مبدل حرارتی استفاده می شود؛ که در داخل مخزن ذخیره آب گرم قرار داشته و موجب تبادل گرمایی میان سیال انتقال انرژی و آب موجود در مخزن می شود. هنگامی که مایع انتقال در کلکتورها گرم شد، به یک سری لوله معروف به مبدل حرارتی منتقل می شود که در داخل مخزن ذخیره آب گرم قرار دارد. لوله های عایق همان لوله هایی هستند که مسیر انتقال سیال را از کلکتور به مخزن آب گرم و برعکس امکان پذیر می سازد. هنگامی که این لوله ها با مایع انتقال گرم پر می شوند، گرما از لوله ها به آب منتقل می شود و آب گرمی را می سازد که آماده استفاده در خانه است.
مخزن آبگرمکن (g) و سیستم پشتیبان
در نهایت، انرژی گرمایی دریافت شده، بکمک قابلیت رسانش به مخزن اصلی آبگرمکن منتقل می شود و موجب گرم شدن آب می گردد. یک آبگرمکن خورشیدی برای ذخیره آب گرم مصرفی، دارای یک مخزن اصلی می باشند (متناسب با ظرفیت تولید آب گرم) که بصورت دوجداره و همراه با لایه ای از عایق حرارتی و از متریال های بادوام ساخته شده تا دمای آب گرم حفظ و از اتلاف گرما جلوگیری شود (وجود مخزن دوجداره و عایق موجود در بدنه آن سبب افزایش راندمان حرارتی آب گرمکن خورشیدی می شود). در فصل زمستان ممکن است انرژی خورشید به مقدار کافی در دسترس نباشد و آبگرمکن خورشیدی نتواند آبگرم کافی را برای مصرف تامین کند یا بدلیل حضور مهمان به مدت طولانی و یا افزایش میزان مصرف، مقدار آبگرم بیشتری نسبت به حالت عادی (که براساس آن آبگرمکن خورشیدی طراحی شده است) نیاز باشد. در این مواقع، برای تامین آب گرم مورد نیاز، از یک سیستم پشتیبان (که پایه مصرف انرژی های تجدید ناپذیر است) استفاده می شود؛ در این مواقع سیستم خورشیدی باید به عنوان پیش گرم کننده آب استفاده شود. در این صورت با لوله کشی مناسب بین آبگرمکن خورشیدی و سیستم پشتیبان، آبی که توسط انرژی خورشید تا حدی گرم شده به سیستم منتقل می شود تا در آنجا با مصرف انرژی کمتری، دمای آن به دمای مطلوب برای مصرف برسد.
لازم به اشاره است که، هر سیستم آبگرمکن خورشیدی دارای یک سیستم پشتیبان نیز می باشد که در روزهایی که هوا برای تولید آب گرم کافی از انرژی خورشیدی خیلی ابری است، بخاری پشتیبان شروع به کار کرده و با گاز یا برق برای خانه آب گرم تولید می کند. بخاری های پشتیبان تقریباً 20 درصد از مصرف آب گرم را در طول سال تشکیل می دهند. در مورد نوع مخزن ذخیره سازی و سیستم پشتیبان نصب شده، سه گزینه اصلی دارید: مخازن فقط ذخیره سازی (Storage Only)، سیستم های پشتیبان گیری غیر مستقیم (Indirect Backup) و سیستم های پشتیبان گیری مستقیم (Direct Backup). به زبان ساده، سیستم های ذخیره سازی دارای یک مخزن واحد با مبدل حرارتی برای آبگرمکن خورشیدی هستند و معمولاً در کنار یک سیستم آب پشتیبان با یک مخزن جداگانه نصب می شوند. این نوع نصب برای صاحبان خانه هایی مناسب است که قبلاً یک سیستم آب گرم کاربردی دارند که می تواند بعنوان پشتیبان عمل کند، اما می خواهند یک عنصر آبگرمکن خورشیدی را اضافه کنند و هزینه های نصب را پایین نگه دارند. سیستم های پشتیبان مستقیم، تولید گرمای پشتیبان انتخابی را مستقیماً در مخزن تعبیه می کنند و این امکان را می دهند که تمام آب گرم خود را در یک واحد ذخیره سازی واحد، شبیه به یک سیستم غیرمستقیم، تجمیع کنید. آنها دو مبدل حرارتی در داخل مخزن دارند (یکی در پایین و به سمت بالا)، و زمانی که تابش خورشیدی انرژی گرمایی کافی را تامین نمی کند، منبع آب گرم پشتیبان داخلی برای تکمیل انرژی خورشیدی وارد می شود. سیستم های پشتیبان مستقیم برای صاحبان خانه هایی که به دنبال صرفه جویی در فضا و طراحی مجدد کامل دستگاه آب گرم خود هستند، عالی هستند، زیرا فقط به یک واحد مخزن نیاز دارند. سیستم های پشتیبان غیر مستقیم دارای دو مبدل حرارتی نیز هستند، یکی برای انرژی خورشیدی و دیگری برای تولید پشتیبان. مبدل مرتبط با تولید پشتیبان می تواند گرما را از منبعی مانند دیگ بخار وارد کند و سیستم های غیرمستقیم را برای مالکانی که قبلاً از دیگ برای گرمایش فضا استفاده می کنند محبوب کند.
موادی که مخزن ذخیره از آن ساخته شده است نیز می تواند تفاوت ایجاد کند. متداول ترین مواد مخزن، فولاد با روکش شیشه ای یا میناکاری شده است، اما می توانید مخازن فولادی ضد زنگ یا سنگی را نیز انتخاب کنید. مخازن فولادی روکش دار مقرون به صرفه ترین هستند، اما در طول زمان دوام بالایی ندارند. مخازن استنلس استیل دارای گارانتی طولانی تری هستند و وزن کمتری دارند، اما قیمت آنها به طور قابل توجهی بیشتر از گزینه های فولادی پوشش داده شده است. مخازن با روکش سنگ نسبت به مدل های دیگر عمر طولانی تری دارند، اما وزن آنها بیشتر از مخازن فولادی پوشش داده شده است که به طور بالقوه هزینه های حمل و نقل را افزایش می دهد.
