דוד שמש היא מערכת להמרת אנרגית סולארית, כלומר אנרגיה המגיעה מהשמש - לחום. דבר המתבטא בעליית טמפרטורהת המים. מערכת הדוד שמש היא למעשה מאוד פשוטה והעיקרון הפיסיקלי העומד מאחוריה גם הוא פשוט: קולט שמש למעשה ממיר את אנרגיית האור לחום על מנת לחמם את המים. 2 החלקים העיקריים במערכת הינם מיכל המים (הדוד האוגר מים) וקולטי השמש (שתפקידם להמיר את אנרגיה סולארית לחום).


הסבר לאנימציה: השמש זורחת, מחממת את הקולטים ואת המים שבתוכם – צבע המים הופך מכחול לאדום. המים החמים ה"קלים" (הפחות צפופים) זורמים כלפי מעלה לחלק העליון של הדוד – ומים קרים חדשים נכנסים מהחלק התחתון של הדוד לתחתית הקולטים. כתוצאה מכך הדוד מתמלא לאט במים חמים. הזרימה בין הדוד לקולט מתרחשת מעצמה ללא צורך במשאבה בגלל הבדלי הצפיפויות בין מים קרים לחמים (מים חמים צפים על מים קרים). בערב – אפשר להתרחץ במים חמים (מהחלק העליון של הדוד). זכויות היוצרים של האנימציה שייכות למכון דוידסון לחינוך מדעי, מותר להשתמש תוך מתן קרדיט נאות.

קולט השמש: כפי שציינו, קולט שמש למעשה ממיר את אנרגיית האור לחום על מנת לחמם את המים. קולטי השמש ממוקמים בכיוון דרום משום שבצהרי היום שטף האור הוא הגדול ביותר בשעות היממה. בכדי שרוב אור השמש יבלע בקולט, צבעם של הקולטים הינו שחור. צינור נחושת (בדרך כלל) נמצא בתוך הקולט (ראו איור). קרינת השמש עוברת דרך הזכוכית השקופה, פוגעת במשטחים השחורים ונבלעת. עקב כך מתחממים המשטחים ומחממים את הצינורות שצמודים להם. הזגוגית למעשה עוזרת בשמירת החום שנוצר בגוף הקולט - בדיוק כמו בחממה, כלומר האור נכנס לתוך הקולט דרך הזכוכית, הופך לחום בזכות הצבע השחור, ונכלא בתוך הקולט כי זכוכית לא מוליכה חום טוב.

למעשה המים שבצינור הנחושת מתחממים לא רק מקרינת השמש שפוגעת בהם אלא גם מהחום שפולט המשטח השחור שבמגע עם הצינורות ובכלל זה מהאוויר החם שנוגע בצינור. כאשר המים בצינור מתחממים הם עולים מעלה, שכן צפיפותם נמוכה מזו של המים הקרים שבדוד, למיכל שאוגר אותם. ברגע שהמים החמים עלו מעלה הם בעצם מפנים מקום למים קרים יותר שמגיעים מהדוד - ומתרחשת זרימה בלתי פוסקת של מים מהדוד אל הקולט וההפך, כאשר אל תחתית הקולט זורמים מים קרים מתוך הדוד משום שתחתית הקולט היא הנמוכה ביותר ואליה 'נופלים' המים הקרים שהם הכי צפופים ("כבדים") - אם הייתם בבריכה אולי שמתם לב שהמים העמוקים הם קרים יותר מהמים שנמצאים בחלק העליון של הבריכה - וככה זה בדיוק בדוד. כפי שניתן לראות באנימציה שבראש העמוד, בתוך דוד השמש - הצינור שמוריק את המים החמים אל הבית מגיע עד החלק העליון ביותר של הדוד - שם מתרכזים המים החמים.

מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע

וד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע

281 תגובות

  • שירי פרגר

    הסבר פעולת דוד שמש

    יש לי שאלה:
    אם הבנתי נכון - הדוד מלא במים.
    כאשר המים מתקררים - (למשל בלילה כאשר אין שמש) האם המים מתכווצים ונכנסים לדוד מים נוספים מרשת המים כדי שהדוד יהיה מלא?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    כן

    הרי הדוד מחובר כל הזמן למערכת המים

  • שירי פרגר

    הסבר לשאלתי

    נראה לי שלא הסברתי את עצמי בשאלה המקורית.
    השאלה מתייחסת למערכת סולארית סגורה. זאת אומרת שהמים שבדוד אינם מגיעים לקולטים ויש הפרדה מוחלטת בין הנוזל המתחמם בקולטים והמים המגיעים לצרכן. קרינת השמש מחממת את המים בקולטים, הנוזל עולה לעבר הדוד ונכנס אל צינור מחליף חום שיש בדוד. תוך כדי מסירת החום מהנוזל למחליף החום ואל מי הדוד, הנוזל מתקרר, זורם במורד מחליף החום, יוצא מתחתית הדוד וחוזר לקולט לסיבוב נוסף של חימום. אותי מעניין לדעת אם כתוצאה מהתקררות המים בתוך הדוד, למשל בשעות הלילה, האם המים "מתכווצים" והנפח שלהם יורד ואז הדוד צורך מים מהרשת העירונית כדי למלא את הנפח, או שפשוט נשאר אוויר בדוד. מקווה שהצלחתי להבהיר את עצמי.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    במערכת סגורה

    אם לא מדובר בדוד שמש רגיל, אלא במערכת חימום מים סגורה - (כשמה) לא נכנסים או יוצאים חומרים. שינויי הנפח / צפיפות של המים פשוט מתבטאים בשינויי לחץ פנימי בתוך המערכת. דרך אגב, שינויי הנפח הם קלים מאוד, הצפיפות של המים לא משתנה ביותר מ 2-3% בין מים קרים לחמים (כך שזה תנודות שהמערכת יכולה לסבול), ראי כאן, שינויי צפיפות של מים עם הטמפ':
    http://www.expertsmind.com/questions/cartesian-graph-of-density-of-water-temperature-30132596.aspx

  • שירי פרגר

    מערכת סגורה

    תודה :)

  • ליאור

    עוד שאלה אם אפשר

    שלום שוב,
    רציתי לשאול בבקשה,
    לפי מה שאני הבנתי, כשהדוד מגיע ל 62 מעלות עבודה החימום נעצרת כדי למנוע פיצוץ.
    בוא נגיד שאני פותח את הדוד ולא סוגר אותו, אפשר להגיד שהדוד לוקח "הפסקה" כשהוא מגיע ל 62 מעלות?
    ואם כן אז אין באמת פעולה נון-סטופ אצל הדוד, מכיוון שהוא נסגר ונפתח אוטומטי?
    תודה מראש,

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

  • ליאור

  • ליאור

    שאלה

    היי,
    אמא שלי אומרת שברגע שהיא סוגרת ופותחת את הדוד המיים מתחממים יותר מהר, האם דבר זה הגיוני?

  • ליאור

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מה זאת אומרת סוגרת ופותחת?

    אם הכוונה סוגרת את הדוד ליציאת וכניסת מים (לזמן היום) אז זה הגיוני - כי בזמן הסגירה של הדוד אין אפשרות של כניסה של מים קרים לתוכו.

  • ליאור

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אז אני לא מוצא לכך בסיס מדעי

    זה רק מקצר את חייה של הנורה...

  • ליאור

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

  • ליאור

  • עמוס

    ואם יש דוד שמש לבית פרטי, ותהיה קרינת שמש חזקה

    ולא ישתמשו בדוד החשמלי במשך הרבה מאוד זמן, נניח, כמה ימים, הדוד פשוט יתפוצץ מעומס המים החמים בתוכו? גם אם הוא עמיד בפני לחץ, כמה מים הוא כבר יכול להחזיק? ואם המים שבתוכו מתקררים, איך הם מפנים מקום למים חמים כשיש בתוכם כבר מים? אלו השאלות שלא נענות כאן, את כל הדברים לגבי הלוחות הסולאריים אני כבר ידעתי

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובות

    בקשר לדוד חשמלי - כדי למנוע פיצוץ שמו חיישן חום (תרמוסטט) שמפסיק את פעילות החימום ברגע שהמים מגיעים לטמפ' מסויימת (בדרך-כלל 60 מעלות), וכך נמנע מהדוד להתפוצץ בשימוש בדוד חשמל.
    לגבי חימום יתר מהשמש - אנרגיית השמש פשוט לא מספיק חזקה - אל תשכח שבלילות אין שמש, והדוד מתקרר מעצמו, כך שנדיר שהטמפ' תעלה על טמפ' הרתיחה - ובכל מקרה, יש המתקינים על הדוד שסתום פורק לחץ - שמונע מהדוד להתפוצץ (משחרר מתוכו מים אם הלחץ עולה על לחץ מסויים).
    לגבי המים הקרים ופינוי המקום לחמים - זה מעגל - כלומר מים קרים (צפופים) זורמים לתחתית הקולטים - כאשר מים חמים (פחות צפופים) זורמים מראש הקולטים אל הדוד במעגל.
    ראה הסבר נוסף עם אנימציה, למוצג דוד שמש שבגן המדע שבמכון. נראה לי שהוא מסביר יותר טוב את כל התהליך שמתרחש.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע
     

  • עידו

    שמירת המים החמים בתוך הדוד

    בוא נניח שדוד המים מלא במים חמים, ונניח שהתחלתי להשתמש רק בחלק מהמים החמים בדוד. האם מים קרים שנכנסו כעת למקום שהתפנה בתוך הדוד לא אמורים לקרר את המים החמים שקיימים בתוך הדוד? האם קיימת הפרדה או הגנה כלשהי שהמים החמים בתוך הדוד לא יתקררו כתוצאה מכניסת המים הקרים החדשים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    יש קצת ערבוב

    <p>
    ויש התקנים שמכסים בשרוול את הצנרת הפנימית כדי למנוע ערבוב, אבל באופן כללי הערבוב הוא לא קטן יחסית והמים הקרים נכנסים לתחתית. אבל כעבור כמה זמן בגלל תנועת דיפוזיה של חלקיקי המים המים כן יתקררו בכל הדוד. תוכל לשים לב לזה - אם תתרחץ כך שבסיום הרחצה שלך עדיין תמהל את המים, ומישהו יבוא להתרחץ כעבור שעתיים והמים כבר יהיו קרים עבורו...</p>
    <p>
    בברכה<br />
    ד&quot;ר אבי סאייג<br />
    מכון דוידסון לחינוך מדעי<br />
    מכון ויצמן למדע</p>

  • נועה נוי

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

  • מורן מרקו

    אתם לא יודעים מה זה מערבלי שמש

    זה המגע הנוצר כאשר אני נוגעת והופכת לאבן בתאוריה פשוטה חמורים למקור אנרגיה של הגזים של דור ושלי ונוצר אליפסת אנרגיה

  • קרן

    יש לי שאלה

    מהם גלגולי האנרגיה שעוברים בדוד שמש?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובה

    גלגול אחד - אור השמש הופך לחום (תנועה, 'אנרגיה קינטית', של חלקיקי המים שהטמפ' שלהם עולה).
    אם את רוצה ממש לדייק - האור הופך לחום בצנרת השחורה של הקולטים, שמעבירים את האנרגיה למים. ולבסוף - חלק מאנרגיית החום של המים הופכת לאנרגיה קינטית, אנרגיה של תנועה - כאשר המים החמים זורמים למעלה הדוד, והמים הקרים מתחתית הדוד זורמים אל הקולטים.
    ד"ר אבי סאייג

  • בנימין

    שאלה

    בדרך כלל קולטנים נמצאים מתחת לדוד. מדוע באיור נראה הפוך?
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

  • לירון א

    מעגל הזרימהוהצנרת

    שלום,
    לא בדיוק ברור לי מההסבר. האם המים שנכנסים לקולט הם מים מהצינור הראשי או שהם מים מהדוד ב"מעגל סגור". אם הם מהדוד, להיכן נכנסים המים מהצינור הראשי?
    בדוד עצמו, לפי הציור שלכם, נראה שהצינור למקלחת יוצא חלקו העליון של הדוד. אם כך, הם מים קרים נשארים בדוד "החוץ למשחק" בעוד המים החמים מגיעים מהקולט וישר יוצאים למקלחת?
    אשמח לפירוט יותר מפורט של המנגנון.

  • עמי

    המיים הקרים מהצנרת נכנסים לתחתית הקולט

    צנרת המיים חמים מחוברת לחלק העליון של הדוד שם מתרכזים המיים החמים.
    כשמשתמשם במיים החמים נכנסים במקומם לתחתית הקולט מיים מהצנרת הרגילה "הקרה" של הבית.
    שהמיים מתחממים מהשמש הם מוסעים למעלה אל הדוד.

  • מתמטיקה

    יופי . אבל איפה המספרים ?

    איזה גודל לוח קולט צריך)A(בשביל להרתיח כמות מיים )B( תוך כמה זמן המים ירתחו (C)? איזה עוצמת אור צריך(D) ? איך מודדים אותה ?(E)
    מהו הלחץ שדוד יכול לעמוד בו ?(F)
    מה קורה אם המים רותחים בדוד מספר שעות ? )90-100( מעלות ?
    האם היתן לייצר קיטור מדוד שמש ?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מידע טכני

    האתר שלנו עוסק במתן מידע מדעי כללי (שמסביר את עקרונות הפעולה) ולא מידע טכני (כמו ששאלת).

  • עמודים