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太陽的魔法：如何利用陽光加熱水？
隨著可再生能源需求的急劇增加，太陽能水加熱系統（SWH）成為解決水加熱需求的一個重要解決方案。這種技術通過使用太陽熱集熱器，將陽光轉化為熱能來加熱水。根據不同的氣候類型和經濟狀況，市場上存在多種不同配置的SWH系統，廣泛應用於住宅和某些工業場景中。
太陽能水加熱系統的基本原理是：面向太陽的集熱器加熱工作流體，然後這些流體進入儲存系統以備後用。根據系統的操作方式，SWH可以分為主動型（需要幫浦）和被動型（依賴對流驅動）。這些系統可以僅使用水，或同時使用水和其他工作流體，並且可以直接加熱或利用光聚焦鏡進行加熱。這類系統的普及使其成為全球可再生能源領域中的一個標誌性解決方案。
太陽能水加熱系統的熱容量在2017年達到472GW，其中中國、美国和土耳其占主導地位。
歷史沿革
太陽能集熱器的歷史可以追溯到19世紀。早在1900年前，美國就已經出現了黑色油漆的水箱安裝在屋頂上的記錄。1896年，巴爾的摩的克拉倫斯·肯普發明了第一個「批次水加熱器」。隨著時間的推移，這項技術逐漸演變並在1950年代和1970年代的能源危機中獲得了新的關注。
以色列、賽普勒斯和希臘是每人使用太陽能水加熱系統的領導國，支持30%至40%的家庭使用這項技術。
設計要求
設計太陽能水加熱系統時需考慮多個因素。例如，常見的要求包括：環境溫度的變化、太陽輻射的變化以及如何避免水溫過高或結冰。系統的最小要求通常根據冬季的熱水需求確定，而最大輸出則是為了防止水過熱。
防凍與過熱保護
防凍措施的目的在於防止液體因凍結而造成系統損害。最常見的防護措施是排水系統，當泵停止工作時，可以將流體排出。此外，某些間接系統會使用防凍劑。在保障安全操作方面，隨著太陽能系統的日益普及，各種創新型防護機制也紛紛出台。
不論是主動還是被動系統，合理的設計和有效的防護措施都是確保太陽能水加熱系統正常運行的關鍵。
結構與工作原理
簡單的太陽能水加熱系統通常包括一個帶有玻璃蓋的絕緣箱和一個平板集熱器。這些系統可以能夠充分利用熱能，進而將水加熱至所需的溫度。在許多情況下，收集的熱能會儲存在一個較大的水儲存箱中，以便在天氣不佳或需求增加時使用。
系統配置的分類
根據供應方式，水加熱系統可分為直接和間接系統。直接系統通過集熱器循環可飲用水，而間接系統則使用熱交換器來將熱量轉移到水中。雖然直接系統價格便宜，但幾乎沒有防凍保護，而間接系統則通常設有高效的防凍及過熱保護功能。
結語
無論是在個人住宅還是大型工業應用中，太陽能水加熱都展現出巨大的潛力。隨著技術的不斷進步，全球對太陽能的依賴將越來越強。而我們是否已經開始充分利用這種來自陽光的魔法呢？
