thermal solar energy

انظمة استخدام الطاقة الحرارية الشمسية

رابعا – انظمة استخدام الطاقة الحرارية الشمسية

1 – مقدمة / انظمة مجمعات طاقة الشمس الحرارية :

مجموعة الانظمة التي تعمل على اكتساب حرارة الاشعة الشمسية, تخزينا و تركيزا و نقلا, لتحويلها الى صور من الطاقة الاخرى التي تعين الانسان و تساعده في الحصول على مصادر دائمة متجددة, للطاقة البديلة النظيفة, بطرق اقتصادية تكاد تكون  تكلفتها صفرا بعد استهلاك قيم مكونات النظام, خلال فترة زمنية قصيرة من عمر النظام, باستثناء التكاليف التشغيلية و نفقات الصيانة, باعتماد انظمة ذات اعمار تشغيلية ممتدة, لا تقل عن خمس سنوات, و يصل بعضها الى اكثر من 25 سنة, كعمر انتاجي افتراضي لها. ان للحد من التلوث البيئي, عائد اقتصادي وله عوائد اخرى, اجتماعية و بيئية منظورة في المستويين القريب و البعيد, محليا وعالميا.من اجل مواجهة ازمات الطاقة العالمية, التي اصبحت تثقل ميزانيات الدول غير المنتجة للطاقة, ادت تلك الازمات لنشوب حروب في منطقتنا العربية, حماية لمصالح الدول الكبرى و خوفها الواضح على منابع النفط . ان منطقتنا العربية , تقع في منطقة الاشعاع الشمسي المكثف , فثابت الاشعاع الشمسي العالمي الذي يصل الى 1367 وات للمتر المربع لكل ساعة , يبلغ في متوسطه عربيا اكثرمن 2400 وحدة , هذه الطاقة تكفي لانارة العالم ومده و تزويده, بما يحتاج اليه من طاقة دائمة نظيفة .

يتكون اي نظام حراري شمسي من مجموعة من العواكس و اللواقط و التمديدات , التي في تجميعنا لها في تنظيم معين تعطينا النظام الذي يؤدي الهدف من بنائها و تركيبها . فاذا تم اتباع اساليب علمية في دراسة و تخطيط مسبق , فانها تغطي سنوات عمرها الافتراضي , دونما الحاجة الى اضافات او استبدالات , و هذا ما اتضح من خلال استعمال السخانات الشمسية , التي استمرت في اداء الغرض منها لاكثر من اربعين سنة, و لا زالت تعمل بكفاءة ( التجربة الاردنية في صناعة السخانات الشمسية المسطحة ) .

انه لمن المهم ان نطور تلك النظم القائمة و الاستفادة من تجارب الاخرين و ادخال التحسينات الملائمة لظروفنا المناخية و  مواجهة  تحديات التغيرات السكانية  كما و نوعا و حجما  و الاعداد و الاستعداد في مواجهة التقلبات الاقتصادية  بازماتها التي تعصف بنا في دوراتها المتعاقبة .

تتعدد صور الطاقة التي يمكننا الحصول عليها ( نظريا) من الاشعة الشمسية لتنوع مكونات الشعاع الشمسي , و تحويلها الى طاقة كهربائية او حرارية او ضوئية , باستعمال انظمة و تجهيزات مناسبة . لن يتعرض هذا البحث الى انتاج الطاقة الكهروضوئية ( فوتوفولتيك )  بواسطة الخلايا الضوئية , لكن ذلك لا يعني عدم التعريف بها في ايجاز مختصر , اشارة الى اهمية دورها حاضرا و مستقبلا في الاستفادة من مميزاتها .  ان هذا البحث سيقتصر على طاقة الشمس الحرارية , التي توضح طرق الاستفادة منها في تسخين المياه و تجفيف المحاصيل و في التدفئة و التبريد و اخيرا , انتاج الطاقة الكهربائية من الطاقة الحرارية الشمسية , التي تنتج بمركزات الاشعة الشمسية عن عواكس و لواقط حرارية , تحتوي على سائل ناقل للحرارة , يعمل على تسخين الماء الى درجات حرارة عالية لينطلق بخار الماء تحت ضغط عال , لادارة توربين غازي متصل بمولد كهربائي , بطاقة كهربائية اقلها ان تغطي حاجة منزل صغير منفرد , الى تشغيل محطات توليد الطاقة الكهربائية التي تتجاوز عدة ميجاوات ساعة او اكثر .

2 -  طاقة الشمس الحرارية  :

ترسل الشمس اشعتها عبر ملايين الكيلومترات من الفضاء الممتد بينها و بين المجموعة الشمسية التابعة لها , و ارضنا جزء مهم , بل اهم كوكب في المجموعة الشمسية , ربما هي اهم جرم في الكون على الاطلاق , لانها هي الجرم السماوي الوحيد الذي ينعم بحياة ناشطة فاعلة,  التي يقودها الانسان و يتربع على عرش مملكة الكائنات الحية فيها . هذه الحياة التي تتسم بنظام رباني دقيق, اوجده بحكمة و اقتدار, علينا كمؤمنين به ان نحمده و نشكره على بديع صنعه, فالشمس تجري لمستقر لها و كذلك ايات الليل و النهار . فوجود الشمس بتلك الابعاد و بما ترسله من طاقة محددة الى الارض , و ما يحيط بالارض من غلاف جوي , يمنع عنها اشعاعات الشمس التي ان وصلت الى سطحها لقضت على الكائنات الحية و على الوجود البشري قاطبة . كما ان لحركة الارض و دورانها حول محرها اثر كبير على استقرار درجات الحرارة بمعدلات تمكن الكائنات الحية من مزاولة وظائفها العضوية و استمرارها .

تبلغ درجة حرارة باطن الشمس ملايين الدرجات المئوية , بسبب ضغوط هائلة على نواتها و بسبب الجاذبية , هذه الحرارة تتصاعد على شكل موجات الى سطح الشمس , الا ان الجاذبية الشمسية , تعمل على كبحها , فلا يصل الى السطح الا جزء بسيط من تلك الطاقة و من الاشعة , التي تنطلق الى الفضاء الخارجي . يصل منها الى غلاف الارض الجوي بدرجة حرارة 5700 درجة مئوية , يعكس بعضه و يشتت البعض الاخر و لا ينفذ الا ما يقارب ثلث تلك الاشعة, يعود ذلك الى خواص الطبقات الجو العليا من الغلاف الجوي , طبقات متاينة ( كهروالكترونية ) و اخرى  قوى مغناطيسية – بفعل الجاذبية الارضية – و معظم الاشعة لفوق البنفسجية , و كذلك الوضع مع الطاقة الحرارية الشمسية التي بلغ معدلها 1327 وحدة طاقة لكل متر ربع , كرقم و مستوى قياسي عالمي , تم رصده منذ ثلاثينات القرن الماضي, في مواقع جغرافية مختلفة من الكرة الارضية .  و يختلف قليلا عن الرقم الذي قاسته المحطات الفضائية خارج الغلاف الجوي و الذي يبلغ 1357 وحدة , كما انه ييتفاوت هذا المعدل من موقع جغرافي الى موقع اخر , تبعا لعدة عوامل , احدها الموقع الجغرافي , الساعة و اليوم من السنة , نوع الاشعة, زاوية سقوطهاعلى السطح المستقبل لها, التضاريس المحيطة , الالبيدو , العوالق الجوية ( الغبار , بخار الماء , ثاني اكسيد الكربون , غاز الميثان , و غيرها ) . هذه الطاقة الحرارية , هي مصدر غني للدول التي تتمتع بها , تستطيع الاستفادة منها و تحويلها الى انواع اخرى من الطاقة , باجهزة و انظمة , اقل كلفة , اقتصاديا و بيئيا و اجتماعيا من الانواع الاخرى من انواع الطاقة المعروفة . انها طاقة تبقى مع بقاء الشمس , و شمسنا لا زالت فتية , فمعظم مكوناتها من غاز الهيروجين , بينما لا يتجاوز حجم غاز الهليوم 25% من حجم الشمس , مما يعطي مؤشرا الى ان الشمس ستعيش مدة تزيد عن خمسة مليارات سنة  اخرى قادمة . تكون الاشعة الضوئية المرئية , الاطول ترددا اكثر حرارة و تصل الى اعلاها في الاشعة  الحمراء اكثرها حرارة, الا ان الاشعة تحت الحمراء هي الاكثر حرارة و لكنها اشعة غير مرئية . لاشعاعات الشمس الاخرى , طاقة حرارية الا انه يصعب في الوقت الحالي التعامل معها بنماذج من الانظمة الصناعية التجارية ( اشعبية ) المتوفرة حاليا .

3 – اهمية الطاقة الشمسية الحرارية :

 تاتي اهمية طاقة الشمس الحرارية من :

‌أ.         اثرها المباشر على استمرار وجود الكائنات الحية, فهي مصدر الدفء لها.

‌ب.     هي  المصدر الرئيسي للطاقة التي تعمل على خلق متغيرات الطقس و المناخ  , متسببة في حركة الرياح و هطول الامطار.

‌ج.      سهولة تحويلها الى اشكال اخرى من الطاقة .

‌د.        امكانية تخزينها لحين الحاجة .

‌ه.        امكانية الاستفادة من حرارتها المباشرة  .

4 – كمية طاقة الشمس الحرارية :

كمية الاشعة الشمسية ( الضوئية و الحرارية), التي تسقط في منطقة معينة, نسبة الى وحدة المساحة ( متر مربع ),  تعتمد على معادلات رياضية, بهدف تطبيقها واقعيا, لرسم خطة الحصول على اكبر قدر من الطاقة الشمسية , لان المعرفة المسبقة بكميات الطاقة التي يمكن الحصول عليها, سيمكننا من تحديد حجم وحدات الانظمة التي سيتم تركيبها , مساحة و عددا, والمعرفة المسبقة بتكاليف النظام و مدى الجدوى منه . سيبقى الاثر النسبي للعوامل الجوية,على كميات الاشعة الشمسية الواصلة الى سطح عواكس الانظمة قائما, بما تمتصه او تعكسه الاحجام المختلفة من العوالق في المجال الجوي لمنطقة دون غيرها . 

5 – البيانات و المدخلات  :

‌أ.         يتم تحديد الموقع بناءاعلى معطيات  جغرافية معينة ( خطوط الطول و العرض ) يمكن الاستعانة بها, كما توجد خرائط لتحديد المواقع , او باللجوء الى اجهزة  الجي بي اس, او خرائط الانترنت للمواقع مثل جوجل ايرث . حسب الدقة التي يسعى اليها القائمون على صناعات الانظمة الشمسية  او الاستعانة بمحطات الارصاد الجوية و المراكز الجغرافية المحلية .

‌ب.     لا يشترط اتباع نظريات بعينها او معادلات بذاتها , المهم دائما النتائج الاقرب الى الدقة .

‌ج.      في حال عدم توفر معلومات عن منطقة معينة, يمكن الاستعانة باقرب موقع جغرافي تتوفر عنه المعلومات المطلوبة , للحصول على افضل النتائج  للوقع المستهدف.

تبقى التجربة خير برهان, عليها يتم بناء المعطيات ودراستها, لذلك يتوجب اختياراكثرالامكنة اوالمواقع ملائمة  ومناسبة لالتقاط اكبر كمية من الطاقة الشمسية .

6 - العوامل المؤثرة في كمية الطاقة الشمسية الحرارية  :

تتحدد كمية الطاقة الشمسية الواصلة الى موقع دون غيره, التي  يمكن الاستفادة منها, بعدد من العوامل المتكاملة , منها :

‌أ.         الموقع الجغرافي للمكان .

‌ب.     العوامل الجوية و طبيعة المناخ .

‌ج.      ملوثات المجال الجوي المحيط و درجة كثافتها و احجام مكوناتها .

‌د.        ملائمة النظام الشمسي لحجم التطبيق .

‌ه.        نوع النظام الشمسي المستخدم .

‌و.       التقنيات المستخدمة في تصنيع النظام .

‌ز.       جودة وكفاءة مكونات النظام .

‌ح.      النظافة و الصيانة المناسبة  للنظام .

7 - طرق الاستفادة من الطاقة الشمسية الحرارية :

 بتنوع اشكال الطاقة و التي تتحول من شكل الى اخر , فان طرق الاستفادة من انواع الطاقة كثيرة و متنوعة و لا يمكن حصرها في غرض او هدف واحد , و انما يمكن وضع تلك الاغراض تحت عناوين رئيسية لا للحصر و انما لتسهيل دراستها و توضيح انظمتها و و في بيان ميزات و عيوب كل منها . ان اهم الاغراض و الاستعمالات و طرق الاستفادة من الطاقة الشمسية الحرارية, يمكن دمجها في الاغراض التالية : التجفيف, التسخين, التدفئة, التبريد و انتاج الطاقة الكهربائية , و يندرج تحتها العديد من صيغ و تطبيقات, يحتاج كل منها الى نظام او انظمة, منفصلة او مندمجة.

7 – 1 - التجفيف / تسخين الهواء و التبخير بطاقة الاشعة الشمسية :

‌أ.         عندما تتعرض الاجسام  للاشعة الشمسية, فانها تعمل على رفع درجة حرارة المواد الرطبة,فتتبخر ما فيها من مياه و سوائل, يساعدها في ذلك تواجد عوامل جوية و فيزيائية تزيد من عملية الاسراع في التجفيف, كالرطوبة و سرعة الرياح و ارتفاع درجات حرارة الجو المحيط . هذه الخاصية, اسهمت في تخزين المحاصيل الزراعية, كالحبوب و البقوليات و الخضار, التي انتبه الى اهميتها, فعمد اليها لزيادة محاصيله في مواسم زراعتها, و من ثم تجفيفها و تخزينها الى المواسم التي لا تتواجد فيها , بل انه اتجه الى مقايضتها مع مناطق اخرى لا تتوافر فيها تلك الاصناف من المزروعات . ان الانسان في سعيه لتوفير الماوى , عمل على تجفيف انواع من الصلصال(الاجر) تحت اشعة الشمس , ليبني منها منازله و اماكن سكناه, لتقيه الضواري و تقلبات الطقس و حفظ و تخزين غلاله في الصيف و الشتاء . و صنع ملابسه من جلود الحيوانات التي كان يصطادها او يقتنيها بعد ان يعرض الجلود لاشعة الشمس لتجف مضيفا لها موادا لدباغتها و لتتناسب و الغرض منها, لقدعمل على حفظ  الفائض من لحوم طرائده بتعريضها لاشعة الشمس و تجفيفها و اكلها عند الحاجة دون ان تتعرض للتلف .

‌ب.     ان لاشعة الشمس و حرارتها المباشرة دور مباشر في تنفيذ كثير من مهام تتعلق بحياة الانسان في السابق و الحاضر, فلا زالت تعتمد عليها شعوب الدول النامية في المحافظة على محاصيلها الزراعية و  الصناعية للحفظ و التخزين اوفي مبادلاتها التجارية عبر القارات , و الحبوب و الارز و غيرها من منتوجات , انما هي بعض لتلك المحصولات, لا زالت دباغة الجلود و صناعات كالملابس و الكرتون و الورق و التوابل و غيرها من صناعات قائمة على التجفيف بحرارة الشمس .

‌ج.      توجد وسيلتان طبيعيتان للتجفيف , اولاهما التجفيف تحت اشعة الشمس المباشرة,اما الثانية, فهي التجفيف غير المباشر, بوضع الجسم ( المواد) في الظل, للتجفيف البطيء, للمحافظة على نسبة محددة مطلوبة من الرطوبة في المواد المجففة,  تلافيا لاية تغييرات في الشكل و المكونات للمواد المجففة, فاشعة الشمس المباشرة  بما تحتويه من اشعاعات ذات اطوال موجية متنوعة, تؤثر على الطبيعة الفيزيائية للاجسام و على تركيبتها الكيميائية, مما يؤدي الى تغيير كلي او جزئي في مكوناتها, من لون او طعم او محتوى غذائي ان كانت مادة غذائية .

7 -  1 – 2 – طرق و عمليات التجفيف بطاقة الاشعة الشمسية  :

تختلف طرق التجفيف بالاشعة الشمسية, حسب طبيعة الهدف من عملية التجفيف نفسها, و بالادوات المستخدمة في عمليات التجفيف, و في كيفية الاستعانة بالاشعة الشمسية , بان تكون مباشرة او غير مباشرة, او باستعمال وسائل مساعدة اضافية, للوصول الى افضل النتائج المطلوبة و المرغوب فيها . ان لكل طريقة من طرق التجفيف تكاليفها, التي تستدعي التعامل معها بحرص و اهتمام.  لذلك,  فانه من الضرورة مراعاة تلك التكاليف عند اجراء عمليات التجفيف و اخذها في الحسبان . ( فقدان زائد في الرطوبة النسبية , تغيرات الطعم و اللون و الشكل, تغيرات في القيمة الغذائية, فقدان الوزن , التلف , التعرض للغبار و الاتربة و ملوثات الجو, النقصان بسبب القوارض و الحشرات و الحيوانات , السرقة و الضياع , تكاليف اضافية بسبب الحاجة الى اماكن مجهزة بتجهيزات خاصة, الحاجة الى ايد عاملة للتقليب و النقل و التعبئة و اعادة التخزين,.....) .

ان عمليات التجفيف بالاشعة الشمسية, تحتاج الى خبرات ومهارات. فاذا تم اتقانها, فانها تسهم في الحد من استهلاك النفط و مشتقاته و من انبعاث ثاني اكسيد الكربون و مركبات النيتروجين و الكبريت و الرصاص و غيرها من ملوثات ضارة بصحتنا و بيئتنا و بما تحدثه من اثر على غلافنا الجوي من احتباس حراري نستشعره في ايمنا .

تقسم طرق التجفيف بالاشعة الشمسية الى قسمين رئيسيين, كما سبق بيانها :

-          7 – 1 – 2 – 1 - طريقة التجفيف الطبيعية المباشرة :

 بتعريض المواد المراد تجفيفها, مباشرة تحت اشعة الشمس, او في الظل (تحت غطاء او اغطية) . لحين الوصول الى درجة التجفيف المناسبة, مع التقليب المستمر, و المحافظة على المواد من التعرض للتلف او الملوثات , في اوعية او تحت اغطية مناسبة, باستعمال مواد ( حسب الحاجة) تعمل مع حرارة الشمس و الجو على تحقيق الهدف من عمليات التجفيف .

-          7 – 1 – 2 – 2 - طريقة التجفيف الصناعية :

 نظام يعمل على تمريرطاقة الاشعة الشمسية, عبر منافذ هوائية صناعية ( انفاق او انابيب ) حاملة للطاقة الحرارية الشمسية بواسطة مراوح دفع او سحب – توربينات- بسرعات معينة, تمر على المواد المراد تجفيفها, على احزمة ناقلة او في مستوعبات ( عنابر) مجهزة خصيصا للتجفيف, على شكل مناسب و لمدة معينة, دون التعرض لاشعاعات الشمس المباشرة . هذا النظام, يعتمد في تكوينه على الهواء الساخن بفعل حرارة الشمس, التي يتم جمعها و حصرها في انابيب تنقلها الى المستوعب( العنبر) او نفق هوائي, يحتوي على المواد من اجل تجفيفها . يتحكم في درجة حرارة الهواء, بداية في المجمع و من ثم في سرعة التوربينات و في حجم انفاق التجفيف .

7 – 1 – 3 – انظمة التجفيف الصناعية بالطاقة الحرارية الشمسية :

تأتي اهمية اللجوء الى التجفيف الصناعي, من الحاجة الى الاسراع في عملية التخلص من الرطوبة, التحكم في مكونات المواد,عدم توفر المساحة اللازمة له, مع التوفير في كلفة اليد العاملة, خصوصا في المناطق المكتظة بالسكان, التي ترتفع فيها تكاليف سعر الارض و غير ذلك . تتم معظم هذه العمليات باستعمال الهواء او البخار الحار, الذي يسخن بواسطة غلايات, تعمل على وقود احفوري ( البترول او الغاز الطبيعي), او باستعمال تيار كهربائي قادم من احتراق داخلي للبترول . هذه المصادر انماهي ملوثات بيئية ذات تكلفة مرتفعة , يمكن الاستغناء عنها, بوجود طاقة الشمس الحرارية, بادخال الانظمة الشمسية, التي تعمل بكفاءة, و باستطاعتها ان تكون بديلا نظيفا رخيصا, تستمد طاقتها الحرارية من الاشعة الشمسية .  تتشكل هذه الانظمة من مكونات تعمل على تجميع طاقة الشمس الحرارية, لتسخين الهواء او بخار الماء في حيز معزول,  ثم تمريره الى عنابر التجفيف . هذه الانظمة هي : الصوبات الشمسية, الواح امتصاص الاشعة الشمسية , المرايا العاكسة و الصحن اللاقط .

-          7 – 1 – 3 – 1 – الصوبات / الشمسية :

تعمل الصوبات الشمسية, على حفظ الطاقة الحرارية, في حيز مغلق معزول عن تيارات الجو الخارجي . فهي تستقطب حرارة الشمس و تحجزها , يتم سحب او دفع الهواء الساخن من تلك الصوبات عبر انابيب او انفاق الى عنابر التجفيف . تصنع الصوبات من مواد شفافة كالبلاستيك, الفيبرجلاس, الزجاج , للصوبات الشمسية عدة اشكال و احجام . تزيد درجات الحرارة الداخلية في الصوبات عن  الجو الخارجي من 5 – 10 درجات, خاصة في ايام الصيف الحارة, الا ان تلك الصوبات لا تكون معزولة كلية فتفقد كثيرا من تلك الحرارة بطرق فقد الحرارة المعروفة ( الحمل , التوصيل و الاشعاع) .لكل منها مواصفات لا تخلو من ميزات و اختلافات من حيث التكلفة و النفاذية و المقدرة على العزل و تحمل الرياح و العمر الافتراضي لكل منها. فيما يلي تعريف باهم انواع الصوبات الشمسية :

‌أ.         الصوبات البلاستيكية : تبنى من هيكل معدني و يغطى بطبقة اوطبقتين من البلاستيك الشفاف, الذي يسمح بمرور اشعة الشمس من خلاله,التي تعمل على رفع درجة حرارة الهواءداخل الصوبة,يتم تحريك الهواء الساخن وتمريره على المواد المراد تجفيفها داخل الصوبة او في عنابرالتجفيف بمراوح بسرعات مناسبة . يستبدل الهواء المسحوب بهواء الجو الخارجي بواسطة فتحات من الجهات المعاكسة لخروج الهواء الحار, يتم طرد الهواء الحار المشبع برطوبة التجفيف من فتحات معاكسة لدخول الهواء الحار الجاف القادم من الصوبة . من ميزاتها , انها سهلة التركيب و رخيصة الثمن ..... , لكن لها عيوب ايضا, منها عدم قدرتها على مواجهة تيارات الرياح و ضعف مقاومتها لاشعة الشمس فتتغيرشفافية الوانها, ثم انه يصعب احكام اغلاقها,..... و غير ذلك . يمكن بناء وحدة واحدة منفصلة صغيرة الحجم, او مجموعة من وحدات متصلة بمساحات او احجام كبيرة . يمكن  بناء وحدات بلاستيكية كما المظلات الشمسية, التي يستفاد منها صيفا و شتاءا, بوضعها على اسطح المنازل, فهي تحد من وطأة اشعة الشمس الساقطة على اسطح المنزل صيفا, كما تعمل كمصيدة للاشعة الشمسية شتاءا,اذا صنعت المظلة من طبقتين يفصل بينهما هواء ساخن بسبب تعرضه لاشعة الشمس و يدفع الى غرف المنزل هواءا دافئا .

‌ب.     صوبات الفيبرجلاس ( الالياف الزجاجية ) : قريبة الشبه من البيوت البلاستيكية, لكن يستبدل البلاستيك بالواح  من الفيبرجلاس الشفاف, مقاومتها اكبر للعوامل الجوية و عمرها الافتراضي ادوم , الا ان تكلفتها اعلى من البلاستيك , كما يمكن اغلاقها باحكام اكثر من صوبات البلاستيك .

‌ج.       صوبات البيوت الزجاجية : غالبا ما تكون على شكل جمالون و ذات قواعد متينة لتتحمل ثقل الالواح الزجاجية الشفافية ذات السماكات المناسبة لحركة الرياح الخارجية . فكما هو واضح, فهي من زجاج شفاف يتحكم فيه عزلا و نفاذا لاشعة الشمس و للهواء و يمكنها ان تكون باحجام و مساحات متفاوتة . لا تختلف اليات العمل فيها للتجفيف عن سابقتيها . اما اهم عيوبها فهي كلفة الزجاج المرتفعة و صعوبة تنظيفها و تعرض الزجاج للكسر و ما قد يسببه ذلك من اصابات و اضرار بالعاملين .

‌د.        الانفاق الحرارية الهوائية : انابيب بلاستيكية( شفافة او معتمة) ممتدة على سطح الارض, تمتص الحرارة من سطح الارض, و من اشعة الشمس المباشرة, التي ترفع درجة حرارة الانابيب والهواء بداخلها,  الذي يسحب بواسطة مراوح في نهاية النفق باتجاه عنابر التجفيف . يكون قطر الانبوب وطوله متناسبا مع حاجة العنبر من تيار هواء التجفيف اللازم لتجفيف المواد داخل العنبر. تتفوق  هذه الطريقة بثلاثة اضعاف عن التجفيف الطبيعي تحت الظل في كافة فصول السنة . تتميز بانخفاض تكاليفها و سهولة العمل فيها و يعاب عليها حاجتها الدائمة الى الصيانة لما تتعرض له من تلف سريع و تعرضها للغبار في غياب فلاتر خاصة .

-          7 – 1 – 3 – 2 – مجمع / الواح الامتصاص المعدنية :

 تشبه في تركيبها سخانات المياه الشمسية العادية, صندوق معدني مغلق و معزول من جوانبه باستثناء السطح المواجه لاشعة الشمس بداخله يمررهواء  قادم من خارج الصندوق بواسطة شفاطات للهواء الذي يمرر على لوح معدني(من النحاس, الحديد او الالمنيوم ) يغطي انابيب تعمل على زيادة امتصاص الحرارة من لوح الامتصاص لرفع درجة حرارة الهواء الوارد من الجو الخارجي يسحب الى العنبر حيث تتم عمليات التجفيف . يعمل هذا النظام بكفاءة عاليى في الاجواء الحارة الجافة, كما يمكن استبدال الهواء ببخار الماء او اية غازارت اخرى في ظروف عمل مماثلة . الا ان درجات الحرارة المتجمعة لا تزيد عن 5- 15 درجة مئوية عن الجو المحيط الخارجي للصندوق, لوجود فقد واضح في الحرارة من الصندوق و من لوح الزجاج عن طريق الاشعاع و التوصيل و تبعا لكفاءة لوح الامتصاص الذي يفقد جزءا من الحرارة الممتصة بالاشعاع .

-          7 – 1 – 3 – 3 – مجمع / لواقط الانابيب المفرغة :

  الانابيب المفرغة هي العنصر الفعال في جهاز تسخين الماء او الغاز ( الهواء) مكونة من طبقتين من الزجاج يفصل بينهما غاز مخلل الضغط (0.1 بار) في قلبهما انبوب معدني ياتي اما اسطواني او على شكل حرف ( U ) من النحاس او الالمنيوم  المعامل بطلاء له معامل امتصاص عالي للحرارة , و ايضا معامل فقد منخفض , يمتص حرارة اشعة الشمس بفاعلية و يحتفظ فيها و ما يتم اشعاعه من حرارة , يعمل الغلاف الزجاجي المحيط بالانبوب كعازل مرتفع الكفاءة, فطبقة الزجاج الخارجية مطلية بطبقة تمتص الحرارة بفاعلية و لا تعمل على فقدانها لانها مطلية بمادة حافظة للحرارة . توضع مجموعة من الانابيب المفرغة معا في تراص على مسافات معينة حتى لا تعيق من عملية استقطاب الاشعة الشمسية و لا تؤثر على الانابيب المجاورة لها بفقدان او اكتساب حرارة منها , تصطف مجموع الانابيب المفرغة على لوح معدني يسهم ايضا في زيادة امتصاص الحرارة , تغطى كافة المجموعة بصندوق معدني معزول جيدا من كافة الجوانب باستثناء الجزء المواجه لاشعة الشمس و الذي يمكن ان يكون زجاجيا او من البلاستيك الشفاف المنفذين للاشعة الشمسية بفعالية . يمرر الهواء داخل الانابيب المفرغة ملامسا للانابيب المعدنية فيكتسب الحرارة بالتوصيل او يمرر الماء الذي يتبخر بفعل درجات الحرارة داخل المجمع التي تصل الى ما يقرب من 125 درجة مئوية في وجود اشعة شمسية كافية . يرتكز الصندوق على قاعدة معدنية بزاوية لا تقل عن 30 درجة باتجاه خط الافق او( +10 درجات عن خط العرض) لتكون الانابيب بشكل متعامد مع اشعة الشمس في معظم ايام السنة . هذه الحرارة المرتفعة تعمل على رفع درجة حرارة الهواء ( البخار) الذي يرسل الى عنبر التجفيف بواسطة مراوح شفط من خلال مبادل حراري مستمر . لمزيد من التفاصيل عن الانابيب الحرارية المفرغة ( اللواقط), يرجى الاطلاع على الصفحة رقم (       )  .

-          7 – 1 – 3 – 4 – مركّز الاشعة/ مرايا القطع المكافيء الاسطوانية :

 تعمل مرايا القطع المكافيء الاسطوانية على تجميع و تركيز الاشعة الشمسية في بؤرة خطية ممتدة بموازاة قعرها, يوض في هذا الخط البؤري انبوب معدني ذي معامل امتصاص و توصيل حرارى عال, يحمل في وسطه سائل ناقل للحرارة ( او غاز) . ترتفع درجة حرارة السائل الى درجة تزيد عن 250 درجة مئوية, بواسطة مضخة يتم ارسال السائل الناقل للحرارة الى مبادل حراري, يعمل على نقل الحرارة الى غاز او سائل ماء يسحب الى الى عنابر التجفيف . للمزيد من المعلومات عن مرايا القطع المكافيء الاسطوانية يرجى الاطلاع على الصفحة رقم (      ) .

-          7 – 1 – 3 – 5 – مركّز الاشعة/ الصحن اللاقط  :

  يشبه هذا النظام اجهزة لواقط الستالايت, الا انه من جسم عاكس ( مرآة ), تتجمع الاشعة الشمسية في بؤرته, التي يتمركز فيها لاقط حراري, يحتوي على سائل ناقل للحرارة . يضخ السائل الى مبادل حراري, يعمل على تسخين ماء او غاز لدرجة حرارة تصل الى حدود 700 درجة مئوية التي تعمل على تسخين بخار الماء او غاز ( هواء) يسحب الى عنبر التجفيف . سيتم شرح الصحن العاكس و طريقة عمله في الاقسام اللاحقة .

7 – 2 – تسخين السوائل و تحلية المياه / بطاقة الاشعة الشمسية :

تصل الاشعة الشمسية الى الكرة الارضية, فتعمل على تسخين مياه المحيطات و البحار و الانهار, يتبخر جزء من هذه المياه, فتتصاعد الى طبقات الجو العلي و يحملها تيارات هوائية , فتتكاثف على شكل غيوم في الجو و كلما واجهت درجات حرارة منخفضة و تصادمت مع تيارات هوائية فانها تتساقط على شكل امطار و برد و ثلوج .

7 – 2 – 1 - تسخين السوائل / المياه :

-          ان هذه العمليات يمكن تطبيقها بانظمة مماثلة من تسخين و تبخير و تكثيف . فباستطاعة الاشعة الشمسية رفع درجات الحرارة للسوائل و المياه, عندما تتعرض تلك السوائل الى الاشعة المباشرة اوعندما نعمل على تجميع الاشعة الشمسية بواسطة مجمعات خاصة, تسمى باجهزة السخانات الشمسية المسطحة او السخانات التي تعمل بنظام الانابيب المفرغة, و كذلك يستعان بالمجمعات التي تركز الاشعة الشمسية في بؤرة كالقطع المكافيء الاسطواني او الصحن اللاقط او الابراج الشمسية بمرايا عاكسة, زجاجية او معدنية . تعمل هذه الاجهزة على رفع درجة حرارة الماء اوالسوائل الى الدرجة المناسبة للاستخدامات المنزلية او في الاعمال الصناعية .

-          توجد السخانات الشمسية على عدة اشكال الا انها تقوم على نظامين : القسري القائم على وجود مضخة ميكانيكية هي التي تجبر الماء على الحركة داخل الانابيب , بينما النظام الثاني, فهو قائم على ظاهرة انخفاض كثافة السوائل  فترتفع الى الاعلى عندما ترتفع حرارتها, و يحل مكانها السائل الاقل حرارة . يستعمل النظام الاول في المصانع و التجمعات السكانية , بينما يستعمل النظام الثاني في المساكن او المنازل الصغيرة .

-          تعمل السخانات الشمسية ايضا على تسخين مياه برك المسابح بتمرير مياه البركة في دورة داخل انابيب ضمن صناديق مفتوحة تعمل على رفع درجات حرارة مياه البركة لدرجات تتراوح بين 5- 7 درجات في عملية مرور مستمرة, مما يؤدي الى اختلافات واضحة بين درجة حرارة المائ الداخل و الخارج من و الى المجمعات و خصوصا المسطحة منها و التي هي الاكثر استعمالا في تسخين مياه برك السباحة .

7 – 2 – 2 – تحلية المياه :

هنالك اكثر من طريقة للحصول على مياه صالحة للشرب من المياه المالحة او الملوثة بمواد كيماوية و حتى بالميكروبات, لان لاشعة الشمس القدرة على تبخير الماء عن طريق رفع درجة حرارته الى درجات حرارة عالية . من هذه الطرق :

-          تعريض الماء لاشعة الشمس المباشرة, فترتفع درجة حرارته و يتصاعد بخار الماء, الذي يتم اعتراضه باغلفة بلاستيكية معلقة بزاوية تسمح لقطرات الماء المتكاثفة بالانزلاق من على سطحه الداخلي, لتتجمع في اقنية على الحواف الداخلية للغطاء البلاستيكي لتنتقل بفعل الجاذبية الارضية بانسياب عبر مواسير الى خزانات لتجميعه .

-          استعمال مجمعات الاشعة الشمسية ( السخانات ) بانواعها, بتعريض الماء المالح للحرارة الشمسية المتجمعة في السخانات, فيتبخر الماء متصاعدا, ثم يمرر بخار الماء في مكثفات لولبية عادية, او في مكثفات ذات زعانف تبرد هوائيا, يتكاثف من خلالها بخار الماء, لينساب بفعل الجاذبية الارضية او بواسطة مضخات, لحفظه في خزانات للمياه .

7 – 3 - التدفئة بطاقة الاشعة الشمسية :

‌أ.         لا تقتصر عمليات التدفئة, على رفع درجة حرارة حيزاو مكان بالتدفئة المباشرة, فالبيوت الخضراء ايضا تهدف الى توفير الطاقة و ليس هدرها, لان العزل الجيد للابنية و تخطيطها السليم, يقلل من الاعتماد على استهلاك الطاقة بانواعها, كما ان انظمة التهوية واستعمال الشبابيك ذات الانظمة المتعددة الطبقات, يقلل من فقدان الحرارة و يمنع تسربها, من و الى المنزل او المنشأة, و يتكفل بادخال انارة كافية. هذه التكاليف الاضافية في الابنية, التي يتردد البعض في الانفاق عليها, انما هي استثمار يأتي من ادخار في الطاقة, يتم تعويضها خلال فترات زمنية معقولة, لا تمثل عبئا ماديا على اجمالي تكاليف البناء و لا على شكله و جماله, بل  تعمل بتناسق في تشكيل لوحة محببة للنفس و صديقة للبيئة, تحد من التلوث بانواعه.

‌ب.     الاضطرار للتدفئة امر لا مفر منه, حتى مع توفرالمساكن الخضراء, فالفقد الحراري عندما تتفاوت درجات الحرارة بين داخل المساكن او المنشآت مع الوسط البيئي المحيط, يؤدي الى ضرورة الحصول على الدفء, لذلك, فان المجمعات الشمسية خيار من الخيارات التي تعمل على توفير الدفء من الطاقة الشمسية, بضخ الحرارة منها عبر اجهزة لنقل الحرارة , التي سبق الاشارة الى بعض منها في الصفحات السابقة, عند الحديث عن التجفيف باستعمال الطاقة الشمسية ( الصوبات و المجمعات الشمسية) . كما يستخدم الماء بدلا عن الهواء في داخل اللواقط, مع بعض الاختلافات في نوع و شكل اللاقط, شكل و مساحة السطح الماص للحرارة, مع استخدام مبادلات حرارية . كما تظهر الحاجة لوجود مصافي( فلاتر) للهواء, لضمان عدم دخول الغبار و الاتربة و غيرها.

‌ج.      ان درجة حرارة الهواء المناسبة للتدفئة تتراوح بين 20 – 35 درجة مئوية, لذلك تراعى درجات الحرارة بين الماء الحار( السائل الناقل للحرارة) في المبادل مع نظيره من الهواء المار في المبادل, للمحافظة على فروقات الحرارة المطلوبة - تتراوح حرارة سائل المبادل 55- 65 درجة مئوية - تقريبا. كل ذلك يستدعي, توفر خزان حفظ حراري, معزول بطريقة تعمل على حفظ درجات حرارة محتوياته, لفترات يمكن تحديدها و التحكم فيها, بناءا على بيانات الطقس و المناخ للمنطقة و حجم المنشأة او المسكن . تختلف الخزانات الحرارية المستعملة لخزن الطاقة, حسب المدة و درجات الحرارة و نوع المجمع و نوع السائل الناقل و معدلات فقد الحرارة و نوع العازل, مع مراعاة التكاليف.  

‌د.        يتوقف نظام التدفئة بالطاقة الشمسية عن العمل في حال اختفاء الاشعة الشمسية, في وجود الغيوم و الغبار الكثيف و بعد الغروب. مما يستدعي وجود نظام حراري  تقليدي مساعد, لتغطية عجز الطاقة الحرارية الشمسية, خاصة عند نفاذ الطاقة المخزونة في الخزان الاحتياطي .

7 – 4 – التبريد باستعمال طاقة الشمس الحرارية :

‌أ.         تتم عملية التبريد بطريقتين اساسيتين: الانضغاط و الامتصاص , لغازات لها طبيعة التحول من حالة فيزيائية الى اخرى ( الغازية و السيولة) عند تعرضها لضغوط او درجات حرارة مختلفة,  و هي في مكان محصور, ينتج عن ذلك تبادل حراري مع الوسط المحيط. في عملية التبريد بالانضغاط, فعملية التبريد تحتاج الى غاز( كالفريون ) يتحول الى سائل تحت الضغط بفعل ( ميكانيكي خارجي) يرتفع درجة حرارته, التي يفقدها  بالاشعاع و الحمل في مبادل حراري ( المكثف ) و بعد ان يتحول الى سائل يمررمن خلال بخاخ( صمام) الى (المبخر) فيمتص الحرارة من الوسط المحيط ليتحول الى غاز ثم تكرر العمليات بوجود الضاغط الذي يحتاج الى طاقة محركة له يستمدها من ( تياركهربائي) لدورانه.

‌ب.     في عملية التبريد بالامتصاص, فان لبعض الغازات خاصية الذوبان في سوائل, عند تعرضهما ( الغاز و السائل) الى درجة حرارة يعودان الى الانفصال, يتم تمرير الغاز داخل مكثف لتبريده, فيتحول الى سائل, يمرر داخل مبخر, فيمتص الحرارة من الوسط المحيط في المبخر ليعود الى حالته الغازية, و بوصوله الى السائل فانه يذوب مرة اخرى فيه, و بوجود الحرارة, يتبخر ثانية, ليكرر العمليات السابقة في دورانه . لا يحتاج هذا النظام الى حركة ميكانيكية, فكل ما يحتاجه لاتمام عملية التبريد مصدر حراري يعمل على فصله من الوسط المذيب .

‌ج.      توجد عدة غازات لكل منها مذيب اكثر فاعلية عن غيره, فقد كان يستعمل و الى وقت قريب غاز الميثان NH3( النشادر) والماء) H2O ) في الثلاجات التي تعمل على التبريد بطريقة الامتصاص,الا انها عملية تم التوقف عنها لوجود اضرار واضحة على صحة الانسان, عند تسرب غاز الميثان, فهو يثير حساسية رئوية اذا تم استنشاقه بكثرة, و قد يسبب تسمما في حال زيادة كميته في الهواء المحيط. الا انه يستعمل و على نطاق واسع في مصانع انتاج قوالب الثلج, لكفاءته في التبريد و تفوقه على الغازات الاخرى, و عدم اضراره في البيئة, مع اخذ احتياطات السلامة, خصوصا بعدما تم التاكد من الاضرار التي تسببها غازات الفريون بانواعها على طبقة الاوزون, و الدعوة الاممية بالبحث عن بدائل للفريون.

‌د.        يمكن استعمال بروميد الليثيوم(BrLi) و الماء في عمليات التبريد( التكييف) التي يحتاجها الهواء داخل المساكن او المنشآت التي لا تتطلب درجات حرارة اقل من ( 8 درجات مئوية). فالماء يذوب في مركب بروميد الليثيوم, يتبخر الماء عند تعرض المزيج لدرجة حرارة ( 80 درجة مئوية) يتصاعد فيها بخار الماء, الذي يتم تكثيفه بامتصاص الحرارة من داخل ( المبخر) ليعود للذوبان في بروميد الليثيوم مرة اخرى . فالتبريد بواسطة هذا المزيج يتوقف عند الدرجات المنخفضة ( الصفر المئوي) لتجمد الماء و تمدده .

‌ه.        تحتاج عملية التبريد هذه الى : مصدر حراري ( المجمعات الشمسية), مكثف, مبخر, ماء ومادة الامتصاص (بروميد الليثيوم ) . مع وجود اختلال في الضغط بين المكثف و المبخر( 5- 65 )ملم زئبق, يتم الحصول عليه من تبريد بخار الماء بفعل – المكثف – و عملية الامتصاص للماء التي يجريها بروميد الليثيوم,و بمرور بخار الماء داخل المبخر فانه يمتص الحرارة منه في عملية التحول الى سائل, مما يخفض محتوى المبخر الى 8 درجات مئوية, الى ان يعاد فصل الماء مرة اخرى منه على شكل بخار ماء بفعل حرارة المجمع الشمسي .

7 – 5 - انتاج الطاقة الكهربائية من طاقة الشمس الحرارية :

‌أ.         تنبع اهمية انتاج الطاقة الكهربائية من طاقة الشمس الحرارية, من كونها طاقة نظيفة, لا تحدث اية تلوثات للبيئة, ثم انها طاقة متجددة لا تنضب, تعطي كميات هائلة من الطاقة, تزيد عن احتياجات البشرية بالاف ما يحتاجونه من الطاقة سنويا, فهي مستمدة من طاقة الشمس مباشرة . الا ان الامر لا يخلو من معوقات و تحديات, تتطلب تذليلها و مواجهتها, من تلك الصعوبات, و ربما اهمها, ان الاشعة الشمسية, لا تتوفر طوال ساعات اليوم, لوجود غروب للشمس, ثم الاختلاف في الطاقة الشمسية تبعا للموقع الجغرافي على سطح الكرة الارضية, و ما ينشأ عن اختلاف طول ساعات النهار و وجود السحب و الغبار, ثم اقتصارها على مجمعات شمسية معينة تعطي درجات حرارة مرتفعة, لتوليد بخار الماء بضغط عال, ليتمكن من ادارة و تحريك توربينات بخارية لتوليد الطاقة الكهربائية المطلوبة. لذلك, كان على الباحثين و المصممين التغلب على هذه الصعوبات و ايجاد حلول لها, باقل التكاليف الممكنة, قدرة تحويل عالية .

‌ب.     تنحصر المجمعات التي تتولد عنها درجات حرارة عالية في عدد محصور من تلك المجمعات, فهي تقتصر على المجمعات التي تتركز فيها اشعة الشمس في بؤرة لا تقل عن 1/50 من مساحة السطح العاكس, للوصول الى درجة حرارة تفوق درجة غليان الماء و تبخره(100 درجة مئوية), بل تتعدى ذلك بكثير, لمنح بخار الماء ضغطا, يمكنه من الاندفاع بقوة تستطيع ادارة التوربين البخاري. فلا تتمكن مجمعات السخانات الشمسية المسطحة العادية و لا التي تعتمد على الانابيب المفرغة, من الوصول الى درجة كافية تعطي البخار الضغط الكبير المطلوب .

‌ج.      المجمعات التي تركز اشعة الشمس بكفاءة عالية هي : جرن القطع المكافيء المستطيل, الصحن اللاقط ( مرآة مقعرة) و البرج الحراري. هذه المجموعة من الانظمة اللاقطة, تم تنفيذها في عدد من دول العالم, و تنتج طاقة كهربائية تغطي نسبا مئوية جيدة من حاجة تلك الدول من الطاقة الكهربائية, في مزارع من اللواقط الممتدة, بعض تلك المحطات, تعمل بازدواجية مختلطة من الطاقة, كمصدر مساعد لمواجهة العقبات و تذليلها . فكانت الطاقة المنتجة من الاشعة الشمسية الحرارية لا تقل عن 75% من اجمالي الطاقة الكلية المنتجة . لتغذي شبكات توزيع الكهرباء و باسعار معقولة, آخذة في التدني لتقترب من كلفة انتاج وحدة الطاقة من الوقود الاحفوري المكافيء.

‌د.        تنشط دول الاتحاد الاوروبي, في عملية لانشاء مزارع اانتاج الطاقة الكهربائية, في دول الشمال الافريقي خصوصا ( المغرب و الجزائر), لقربهما من القارة الاوروبية. لان الدول العربية تقع في افضل مناطق الحزام الشمسي و تتمتع مناطقها المحاذية للصحراء العربية الكبرى بفترات شمس ساطعة لاكثر من 330 يوم سنويا, بعدد ساعات نهارية لا تقل عن 9 ساعات شتاءا و تصل الى 17 ساعة صيفا, في طقس جاف قليل السحب و الامطار .

‌ه.        تتولد عن الاشعة الشمسية طاقة كهروضوئية, من الخلايا الضوئية, المكونة من مركبات  اشباه الموصلات كالسيزيوم او السليكون و غيرهما, هذه الطاقة الكهروضوئية, هي ايضا منافس جيد للطاقة الكهروحرارية الشمسية. هي ليست مدار هذا البحث لانها تعتمد كلية على الطاقة الشمسية الضوئية و ليست على طاقة الشمس الحرارية, تنويها لعدم الخلط بينهما .

7 – 5 – 1 - انظمة تحويل الطاقة الحرارية الشمسية الى طاقة كهربائية :

النظام الكهروحراري الشمسي لانتاج الطاقة الكهربائية : هو نظام يعمل كمجموعة من التجهيزات و المعدات, التي تشكل وحدة نظام حراري, جامعة للطاقة الحرارية الشمسية المركزة في بؤرة, للوصول الى درجات حرارة عالية, يتم الاستفادة من هذه الحرارة في رفع درجة حرارة ( سائل ( كالماء- او احد الغازات )لتبخيره و تمدد بخاره الى مستوى عالي من الضغط, بمقدرته ادارة توربين بالسرعة مناسبة, لادارة مولد كهربائي, بقدرة انتاجية تغطي الاستهلاك الحالي والمستقبلي للوحدة السكنية او المنشأة .

7 – 5 – 2 - مكونات النظام الكهروحراري الشمسي :

يتكون النظام الكهروحراري من اجزاء و اقسام تعمل معا في تناسق و تكافؤ للحصول على الطاقة الكهربائية في نهاية عملياتها الكلية, و يمثل المخطط الهيكلي في الشكل المرفق, توزيعا لمواقع الوحدات و ادوار كل منها و التي من اهمها :

‌أ.         اللاقط الشمسي ( الحراري )  .

‌ب.     مبادل حراري .

‌ج.      توربين بخاري .

‌د.        مولد كهربائي .

‌ه.        مضخات .

‌و.       سائل ناقل للحرارة .

‌ز.        مصدر للمياه .

‌ح.      خطوط توصيل السوائل و المياه ( انابيب معدنية ) .

‌ط.      صمامات ( محابس ) يدوية واتوماتيكية .

‌ي.     موازين حرارة و مقاييس للضغط .

‌ك.      مجسات حرارية واجهزة تتبع شمسية .

‌ل.      محركات هيدروليكية و ميكانيكية .

‌م.        لوحات تحكم الكترونية وكهربائية .

‌ن.      منظم و محولات طاقة كهربائية .

‌س.    شبكة كهرباء .

‌ع.      مصدر تسخين حراري اضافي ( وقود نفط او غيره ) .

7 – 5 – 3 - ملخص عمل النظام الكهروحراري الشمسي :

تركز الاشعة الحرارية الشمسية على لاقط مركزي, محتوي على سائل ناقل للحرارة, ترتفع درجة حرارة السائل الى درجة حرارة مئوية في حدود 250 درجة  مئوية او اكثر. ينتقل السائل الى مبادل حراري, يحتوي على الماء, يتحول الماء الى بخار, يندفع البخار الحار بضغط عالي الى توربين بخاري, يتحرك التوربين البخاري بفعل ضغط البخار مولدا حركة دورانية, تنتقل الحركة الدورانية بواسطة عمود ناقل للحركة الى مولد كهربائي, منتجا تيارا كهربائيا .

8 –  انواع انظمة مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية :

للحصول على اكبر كمية طاقة من اشعة الشمس, فان الاستعانة بانظمة مجمعة, يستوجب ان تعمل  هذه المجمعات على اكتساب اكبر كمية من طاقة الشمس و تقليل الفاقد منها بكفاءة و ان تكون ذات جدوى اقتصادية, هذه العمليات تتطلب, الحد من معوقات تحد من وصول الاشعة الشمسية الى اجزاء المجمع الشمسي,  باستخدام مواد ذات قدرة امتصاص عالية , و استعمال مواد طلاء مناسبة لزيادة القدرة على امتصاص الطاقة و تقلل من الاشعاع المنعكس منها, للحد من الطاقة المفقودة عن طريق الحمل والتوصيل والاشعاع, بتقليل معامل انتقال الحرارة من السطح الماص, باستعمال غطاء زجاجي متعدد الطبقات, و تفريغ المجمع من الهواء, و تقليل مساحة السطح الماص لتقليل فقده للطاقة, مع الكفاءة في نقل الطاقة الى السائل الناقل للحرارة . ان اهم انواع انظمة المجمعات الشمسية, يمكن ادراجها في ثلاثة انواع  رئيسية و هي :  المجمعات الشمسية المسطحة او المستوية, المجمعات الشمسية المركزة و المجمعات الشمسية ذات الانابيب المفرغة.

8 – 1 -  المجمعات الشمسية المسطحة/  ذات الاسطح المستوية  :

تنتشر المجمعات الشمسية المسطحة او المستوية اكثر من غيرها من المجمعات الشمسية,لاسباب تعود الى رخص ثمنها و سهولة تركيبها و توفر المياه الساخنة بدرجات حرارة تناسب كافة الاستعمالات المنزلية و الخدمية. يتالف المجمع الشمسي المسطح/ المستوي, الذي يعرف بالسخان الشمسي, من صندوق معدني بغطاء شفاف بداخله لوح معدني ماص للحرارة و مواد عازلة تحد من انتقال الحرارة من داخل الصندوق الى المحيط الخارجي. يتصل الصندوق بواسطة انابيب, مع مصدر للمياه, لتنتهي في خزان للمياه الساخنة. تحمل الصندوق قاعدة معدنية,  ترفعه بزاوية متعامدة مع اشعة الشمس و تبعده عن التعرض للمياه و الصدمات .

يوجد عدة تصاميم لانظمة المجمعات الشمسية, منها ما يعمل على تسخين المياه او الغازات, و منها ما تتحرك في وسطه المياه بفعل ظاهرة تمدد السوائل و يتحرك بفعل الجاذبية الارضية, و منها ما يتحرك السائل قسريا عن طريق مضخات تعمل على مروره في الانابيب بتدفق معين يقوم على حساب كميةالاستعمال و درجات الحرارة المطلوبة و المساحة الكلية للمجمعات. و منها ما يكون نظاما متكاملا يعتمد على النظام القسري مع وجود مبادل حراري و مصدر خارجي لتسخين المياه .

8 – 1 – 1 -  مكونات المجمع الشمسي المسطح / المستوي :

يتكون المجمع الشمسي المسطح من الغطاء الشفاف, الصندوق, لوح الامتصاص, انابيب السائل الناقل, المواد العازلة, وعناصر مساعدة ( القاعدة, شبك معدني للحماية و خزانات مياه و وحدة تسخين مياه احتياطية – كهربائية او محروقات ) .

8 – 1 – 1 – 1- الغطاء الشفاف لصندوق المجمع الشمسي :

تستعمل الاغطية الشفافة لتمريراكبر قدر من الاشعة الشمسية الى داخل الصندوق و حفظ الحرارة المجمعة داخله, يعتبر الغطاء الزجاجي الاكثر فاعلية لشفافيته و قدرته على تمرير معظم الاشعة الشمسية, لشفافيته و لارتفاع معامل النفاذية له, فهو يسمح بمرور الاشعة ذات الترددات القصيرة, محدثا ظاهرة الاحتباس الحراري داخل الصندوق . يتعرض الزجاج الى تقلبات في درجات الحرارة و الى ضغط من داخل الصندوق و خارجه مما يؤدي الى كسره, و يتطل ب هذا تحسين نوعيته لزيادة تحمله و زيادة كفاءة مرور الاشعة الشمسية من خلاله, و توجد اغطية من البلاستيك الشفاف التي لها مواصفات شبيهة بالزجاج و تستعمل على مدى واسع بدلا عن الزجاج.

8 – 1 – 1 – 2-  صندوق المجمع الشمسي :

للصندوق مجموعة ادوار يقوم بادائها, الاحتباس الحراري, بالعزل عن البيئة المحيطة, و بالحد من تيارات الحمل الهوائية داخله و خارجه, ثم حماية لوح الامتصاص و انابيب حمل السائل من التعرض للعوامل الجوية و تعريض كل من لوح الامتصاص و الانابيب بالتعامد مع الاشعة الشمسية الساقطة عليها لاكتساب اكبر طاقة شمسية . فالطاقة الشمسية الساقطة عموديا يزيد مقدارها عن تلك الساقطة بزاوية مائلة تبعا لخط العرض الجغرافي للمنطقة . يبنى الصندوق من الصاج المجلفن لمنع تآكله بسبب الصدا( الاكسدة) او من الخشب, كما يمكن ان يصمم من الفيبر جلاس او من الواح بلاستيكية . يراعى في التصميم و الشكل ان يكون مناسبا للمنظر العام للمبنى و ما يجاوره و ان يكون باتجاه مواجه للشمس بشكل عمودي وفي امتداد شرق غرب و بزاوية من( 10- 15) درجة تضاف الى خط عرض المنطقة لمواجهة الاعتدالين الشمسيين . ان احكام  حجم الصندوق و مجموع مساحة سطحه الخارجي بما فيها الغطاء الشفاف من اجل اغلاقه وعزله عن البيئة المحيطة, هي من الامور التي يجب الحرص عليها, للحصول على اعلى كفاءة و اداء للنظام و للمحافظة على درجات الحرارة المكتسبة من قبل لوح الامتصاص و الانابيب و ما تحتويه من سائل .

8 – 1 – 1 – 3- لوح الامتصاص وانابيب السائل الناقل للحرارة :

‌أ.         يعمل لوح الامتصاص,على اكتساب طاقة حرارية من الاشعة الشمسية, و نقلها بالتوصيل عبرانابيب, الى السائل الناقل للحرارة ( الماء ) . فترتفع درجة حرارته, ليصعد الى اعلى المجمع, بفعل ظاهرة تمدد السوائل, او يتم سحبه بمضخة في الانظمة ( القسرية) .

‌ب.     يعتبر لوح الامتصاص النحاسي الافضل لان معامل توصيله للحرارة ( و للتيار الكهربائي) الاكثر بين معظم المعادن, الا ان كلفته المرتفعه فرضت وضع بدائل عنه, مثل الالمنيوم و الحديد, لكنهما اقل كفاءة من النحاس, لكل معدن خصائص ومميزات ولا يخلو ايا منها من عيوب فيزيائية او كيماوية او في تكلفته .

‌ج.      يعمل لوح الامتصاص على نقل الحرارة التي اكتسبها الى الانابيب التي اما ان تكون ملحومة به او موصدة بداخله بين صفيحتين او ان يكون للانابيب زعانف ( اجنحة) جانبية تعمل عمل لوح الامتصاص .

‌د.        يفترض في التصاميم ان تعمل على امتصاص اكبر قدر من طاقة الاشعة الساقطة عليها و نقلها الى السائل في الانابيب,هذه الكفاءة تعتمد على عدة عوامل منها, مساحتها, مدة تعرضها للاشعة قدرتها على الاحتفاظ بالحرارة, و هذا يعتمد على لون سطح اللوح, و غير ذلك .

‌ه.        تصنع الانابيب من معادن كالنحاس او الحديد, او من اللدائن كالبلاستيك او المطاط. و تبقى طريقة الاستعمال سببا في تحديد النوع الملائم للانابيب , نوعا و حجما و شكلا . 

8 – 1 – 1 – 4 -  المواد العازلة :

تعمل المواد العازلة, على تقليل انتقال الحرارة, بين لوح الامتصاص و الصندوق, لاتصاله بمحيط بيئي اقل حرارة من درجة محتوياتهالتي تم اكتسابها من الاشعة الشمسية . فقدان الحرارة هي احدى العيوب التي تحد من كفاءة المجمع الشمي, فالمواد العازلة تقي الصندوق من فقدان الحرارةة و بالتالي رفع كفاءة المجمع, فترتفع درجة حرارة التسخين . يفضل عزل كافة جوانب الصندوق لمنع تسرب الحرارة منه, بالاضافة الى عزل لوح الامتصاص عن الصندوق عزلا تاما . مع مراعاة ثمن المواد العازلة و اختيار الانسب منها . يتراوح سمك المواد العازلة حسب نوعها و كلفة كل منها و كفاءة العزل فيها .توجد مجموعة من العوازل المستعملة في العزل الحراري, من اشهرها المواد الرغوية( الفوم ) و هي متعددة الانواع ايضا و لكل منها جودته و سعره , كما توجد مواد عازلة اخرى, كالصوف الصخري و الالياف الزجاجية, كما يمكن استعمال الياف نباتية او اخشاب, الا انها تتاثر بالرطوبة و تتعرض للتعفن و التحلل في فترة زمنية قصيرة .

8 – 1 – 1 – 5 - عناصر مساعدة :

‌أ.         القاعدة : وظيفة القاعدة هي لحمل الصندوق و خزانات المياه ثم المحافظة على ثباته و منع تطايره بفعل التيارات الهوائية , تصنع القاعدة من معدن صلب ( الحديد) بمقاسات و اطوال تناسب حجم الصندوق و مساحته, و تتحمل وزن الخزانات و محتواياتها من المياه ( الباردة و الساخنة ) .يفضل ان تكون من الحديد المجلفن او المدهون لتتحمل تقلبات الطقس و تقاوم الصدأ .

‌ب.     شبك معدني للحماية : يعمل الشبك المعدني على وقاية اللوح الزجاجي من اية مؤثرات ميكانيكية قد يتعرض لها من الاشخاص او سقوط اجسام صلبة عليه التي تؤدي الى كسره مما يفقد الصندوق كفاءته و جودة اداء المجمع .

‌ج.      خزانات المياه : ان الهدف الاساسي للمجمعات الشمسية, هو تسخين المياه الى درجات الحرارة المطلوبة منها, بالاستفادة من الطاقة الشمسية, لذلك لا بد من توفير مصدر دائم للمياه المنوي تسخينها عبر النظام و ارسال المياه الساخنة الى خطوط لاستعمالها المباشر او تخزينها في خزانات معزولة وغير قابلة للصدأ ( من الصاج المجلفن او الستانلس ستيل) .

‌د.        وحدة تسخين مياه احتياطية ( تعمل على الطاقة الكهربائية او المحروقات ) : في حال زيادة الطلب على المياه الساخنة, فان النظام قد يعجز عن توفيرها و قد تختفي الشمس لفترات زمنية طويله خصوصا في فصل الشتاء بسبب تواجد الغيوم لفترات طويلة , لكون النظام لا يعمل الا في توفر اشعة الشمس المباشرة , فانه يستحسن توفير جهاز تسخين يعمل على الوقود ( المحروقات النفطية ) او على الطاقة الكهربائية .

‌ه.        شبكات تمديد المياه : ان وجود النظام لا يكتمل الا بوجود شبكة من تمديات الانابيب ( معدنية او من اللدائن ) لايصال المياه من النظام و الى اماكن استهلاك المياه الساخنة, يشترط تواجد محابس و ( منظمات) لسهولة انتقال المياه و يمكن الاستعانة بمضخات كهربائية لزيادة فاعلية نقل المياه .

8 – 2 - المجمعات الشمسية ذات الانابيب المفرغة :

ما يميز هذا النوع من المجمعات الشمسية ذات الانابيب المفرغة, انها تحد من فقدان الحرارة لوجود طبقة مفرغة من الهواء تحيط بلاقط الاشعة الشمسية على شكل انبوب زجاجي , قد مفردا من طبقة واحدة او مزدوجا من طبقتين. تتعدد اشكال الانابيب المفرغة حسب طريقة عملها, فقد يمرر فيها انبوب معدني يخترقها من الطرفين, او ان يكون الانبوب على شكل حرف يو ( U (, او ان يكون الانبوب الزجاجي الداخلي يعمل بنظام الحمل الحراري ( السيفون) بان يرتفع الماء الساخن لانخفاض كثافته. لمجمع الانابيب عيوبا تظهر من خلال تهريب الماء عندما تضعف مواد عدم التسرب( الجلد المطاطي) بتاثرها بتغيرات الطقسمع مرور الزمن, و دخول الهواء الخارجي عند نقاط التقاء الزجاج بالانبوب المعدني باختلاف معامل تمدد كل من الزجاج و معدن الانبوب . يكون الزجاج الداخلي الملاصق للوح الامتصاص مدهونا بمادة امتصاص للحرارة بينما الطبقة المقابلة لها تكون من الزجاج الشفاف منفذة للاشعة الشمسية و مانعة للحرارة من الانبعاث من خلالها . ترتفع درجة حرارة الماء الى اكثر من درجة الغليان , لذلك يراعى في هذه الانابيب المفرغة ان تكون اسطوانية الشكل ليتوزع الضغط على كافة الاجزاء الداخلية بالتساوي, مما يزيد من مساحة الاجزاء المعرضة للضغط و تزيد قدرتها على تحمل المزيد منه.

توضع الانابيب على شكل مجموعة متقاربة بينها فاصل, لمنع انتقال الحرارة بينها, فهي اقل عرضة لكامل الاشعة الشمسية الساقطة على وحدة المساحة , لذلك يكون اللوح الماص من تحتها على شكل اسطواني مقعر, لتجتمع عليه اكبر كمية من الاشعة الشمسية, التي يمتصها و يوصلها الى الانبوب المفرغ بواسطة الجسم المعدني في الوجه الملاصق للوح من الانبوب, يسخن الجسم المعدني ثم يسخن ماء الانبوب بالحمل المباشرللحرارة .

8 – 3 -  المجمعات الشمسية المركزة :

يوجد عدد كبيرمن المجمعات الشمسية المركزة, حسب الشكل او وظيفة كل منها, فمنها ما هوعلى شكل جزء اسطواني ( قطع مكافيء اسطواني), و منها على شكل الصحن ( مرآة مقعرة) و منها يكون متمركزا في وسط غابة من المرايا المستوية او المقعرة و التي تتمركز اشعتها على موقع محدد ( برج ) في وسطها و عاكسة اشعة الشمس على البرج باشعاعات مركزة . ان تركيز اشعة الشمس في بؤرة واحدة, يرفع درجات الحرارة فيها الى درجات عالية, تفوق كثيرا درجة غليان الماء. بوضع جسم لاقط في تلك البؤرة يكسبه تلك الدرجات العالية من الحرارة, و للمحافظة على هذه الدرجة المكتسبة, فانه يتم تصغير حجم ( اللاقط) للحد من فقدانه للحرارة المكتسبة مع الهواء المحيط, كما يتم عزله بانابيب مفرغة من الهواء, و احيانا يحقن بغاز الهليوم او الهيدروجين تحت ضغط منخفض( 0.01 بار). يتكون المجمع الشمسي المركز من: السطح العاكس, اللاقط, السائل الناقل للحرارة و نظام التوجيه ( تتبع) الشمس. يلحق بالمجمع عدد من الملحقات و التوابع لتعمل مع المجمع كنظام بسبب وجود درجات حرارة مرتفعة جدا- تزيد عن 150 درجة مئوية – هذه الدرجات يستفاد منها في: تسخين المياه, للاستعمالات المنزلية و للمنشآت و المصانع و في تحلية المياه, و في عمليات تكييف الاجواء( صيفا بالتبريد و شتاءا بالتدفئة) كما يتم تشغيل جهاز توربين بخاري لادارة ممولد كهربائي, بقدرات تصل الى عشرات الميجا وات طاقة كهربائية . توجد المجمعات الشمسية المركزة على عدة اشكال, فمنها المركب و منها على شكل الطبق و ما يسمى ببرج الطاقة .  

8 – 3 -  1-  مجمع القطع المكافيء  الاسطواني- المجرى- المركز:

السطح العاكس هو قطع مكافيء( الجزء الداخلي لجزء اسطوانة ) تكون البؤرة على شكل خط موازي لمنتصف القطع المكافيء, يتمركز في البؤرة انبوب معدني, يفضل ان يكون معزولا بطبقتين زجاجتين شفافتين, يفرغ الهواء بينهما و يستبدل بغاز الهيدروجين او الهيليوم تحت ضغط منخفض, تعملان على الحد من فقد الحرارة المكتسبة من داخل الانبوب, المنعكسة من سطح القطع المكافيء- الذي يعمل كمرآة مقعرة, تتمركز في بؤرة, فترتفع درجة حرارة السائل الناقل للحرارة في الانبوب. بفعل تركيز الاشعة المنعكسة عن سطح القطع المكافيء, فان درجة حرارة الانبوب و السائل تتراوح بين 150- 300 درجة مئوية, و هذا التفاوت بسبب نسبة تركيز تزيد عن 20 مرة و التي تقاس من قسمة طول طرفي القطع المكافيء على قطر الانبوب المعدني . من الممكن زيادة درجات الحرارة تالى اعلى من تلك الدرجات بزيادة نسبة التركيز,بمتابعة حركة الشمس الظاهرية بمجسات حساسة للضوء متصلة بمحرك كهربائي يوجه المجمع مع حركة الشمس .    

8 – 3 – 2 -   المجمع الشمسي المركز المركب :

يعمل هذا المجمع على تلافي الحاجة الى نظام لتتبع الاشعة الشمسية, فسطحه العاكس مكون من دمج قطاعين مزدوجين متماثلين,مركبين من قطع مكافيء, يعكسان الاشعة الشمسية الساقطة عليهما على خط بؤري مار في اللاقط المعدني - الانبوب المحتوي على السائل الناقل للحرارة . تطبيقا لظاهرة (زاوية القبول(الزاوية المحصورة بين خطين يوصلان طرفي المجمع العلويان مع نقطة تماسهما على اللاقط . تعمل هذه الزاوية على عكس الاشعة الساقطة منها على اللاقط و لا يتشتت بعيدا عن المجمع . فكلما اتسعت زاوية القبول فانها تعمل على استقبال الاشعة الشمسية بافق اوسع ايا كان تموضع الشمس في القبة السماوية .

8 – 3 -  3 -  مجمع الطبق المركز:

الطبق المركز يشبه طبق (الستالايت) من حيث الشكل, الا انه مرآة مقعرة عاكسة للاشعة الشمسية  لتتمركزفي بؤرتها, يوضع في البؤرة جسم كروي او اسطواني ( اللاقط) يمتص الاشعة المسلطة عليه, يمرر من خلال اللاقط انبوابا يحتوي على السائل الناقل للحرارة, النسبة بين مساحة الطبق ( الكبيرة)  و مساحة اللاقط ( الصغيرة) فان تركيزالاشعة يكون مرتفعا, يؤدي ذلك الى رفع درجة حرارة السائل الى الف درجة مئوية. يسيطر جهازي تحكم و تتبع للشمس, في حركتها اليومية والفصلية, لاستقبال اكبر كمية من الاشعة الشمسية .

8- 3 – 4 – مجمع برج الطاقة المركز :

برج محاط بعدد كبير من المرايا المسطحة او المقعرة, توجه الاشعة الشمسية المنعكسةعن المرايا الى موضع محدد في اعلى البرج( اللاقط) يحتوي على سائل ناقل للحرارة العالية الدرجات ( اكثر من 700 – 1300 درجة مئوية), تعتمد درجات الحرارة على النسبة بين مساحة اسطح المرايا العاكسة و مساحة اللاقط, غالبا ما تستخدم ابراج الطاقة لانتاج كميات كبيرة من التيار الكهربائي( بالميجا وات) التي تحتوي على توربينات بخارية, تعمل بطريقة مزدوجة ( الوقود و الطاقة الشمسية)  لتوليد البخار في حال اختفاء الاشعة الشمسية بسبب الغيوم او الغروب .

ملاحظة : هذه نبذة عن كتاب سيصدر تحت مسمى " واقع و تحديات الطاقة البديلة النظيفة في الوطن العربي " .