يوضح الأطلس الشمسي لمصر أنها تقع فى نطاق الحزام الشمسي حيث تتراوح شدة الإشعاع الشمسي المباشر بين 2000 ك.و.س / م2 / سنة شمالاً – 3600 ك.و.س / م2 / سنة جنوباً وتتراوح ساعات السطوع الشمسي بين 9 – 11 ساعة يومياً مع أيام غيام محدودة على مدارالعام، الأمر الذى يشجع على استغلال هذا المصدر فى تسخين المياه .
لماذا الطاقة الشمسية
يبحث الإنسان دوماً عن مصادر جديدة للطاقة لتغطية إحتياجاته المتزايدة في تطبيقات الحياة المتطورة التي نعيش، ويعيب الكثير من مصادر الطاقة نضوبها وتكلفة إستغلالها المرتفعة والتأثير السلبي لإستخدامها على البيئة، وقد تنبّه الإنسان في العصر الحديث إلى إمكانية الإستفادة من حرارة أشعة أن الشمس والتي تتصف بأنها طاقة متجددة ودائمة لا تنضب، وأدرك جلياً الخطر الكبير الذي يسببه إستخدام مصادر الطاقة الأخرى والشائعة (وخاصةً النفط والغاز الطبيعي) في تلوّث البيئة وتدميرها، مما يجعل الطاقة الشمسية الخيار الأفضل على الإطلاق. وقد استخدمت الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء في تطبيقات عديدة منها محطات توليد الكهرباء وتحلية المياه، وتشغيل إشارات المرور وإنارة الشوارع، وتشغيل بعض الأجهزة الكهربائية مثل الساعات والآلات الحاسبة، وتشغيل الأقمار الإصطناعية والمركبات والمحطات الفضائية، ومؤخراً رأينا على التلفاز سيارة تسير بالطاقة الشمسية تصل سرعتها إلى 60 ميل (96 كم) في الساعة. وظهرت أهمية الطاقة الشمسية مجدداً كعامل مهم في الإقتصاد العالمي وفي الحفاظ على البيئة مع استخدام السخانات الشمسية في معظم دول العالم وحتى الغنية منها لتسخين المياه لمختلف الأغراض، وقد زاد في أهميتها نجاحها في التطبيقات العملية وسهولة تركيبها وتشغيلها. وتعد مصر أحد الدول في منطقة الشرق الأوسط في تفعيل استخدام الطاقة الشمسية وتصنيع وإنتاج وتطوير السخانات الشمسية، لخدمة الوحدات السكنية، هذا بالإضافة إلى استخدامها في المستشفيات والمدارس والفنادق وتدفئة برك السباحة، وفي العديد من التطبيقات الصناعية والخدمية والزراعية، حيث يتم تركيب السخان الشمسي والذي يتناسب مع جميع التطبيقات على إختلاف أحجامها كنظام مستقل ودائم أو كنظام مساعد لأنظمة التدفئة المركزية وأنظمة تسخين المياه.
إن النجاح في استخدام الطاقة الشمسية يعتمد على العديد من العوامل المتكاملة، نذكر منها:
1- الموقع الجغرافي (قوة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة وسرعة الرياح (
2- ملائمة النظام الشمسي مع حجم التطبيق.
3- نوعية المنتج (النظام الشمسي).
4- التقنية المستخدمة في تصنيع النظام الشمسي
5- جودة وكفاءة المكونات المستخدمة.
6- طريقة التركيب والتشغيل.
7- خدمة الصيانة والمتابعة.
تعريفات أساسية
* الطاقة الشمسية الساقطة على سطح الأرض:
هي الجزء من الإشاعات المنبعثة من الشمس والتي تصل عبرالغلاف الجوى إلى سطح الأرض وتقدر عادة بكمية الطاقة الساقطة على المستوى الأفقي لكل متر مربع خلال اليوم.
* السخان الشمسي ( منظومة تسخين المياه بالطاقة الشمسية ):
هي منظومة متكاملة تتكون من عدة أجزاء تستخدم في تجميع الأشعة الشمسية الساقطة عليها وتحويلها إلى طاقة حرارية يستفاد منها في تسخين المياه خلال ساعات سطوع الشمس،حيث تخزن المياه الساخنة في خزان حرارى تمهيدا لإستخدامها خلال اليوم.
* الحمل الحرارى المطلوب من السخان الشمسي:
الطاقة الحرارية اللازمة لتوفير كمية المياه الساخنة يوميا تعادل السعة التخزينية للمنظومة عند درجات حرارة تتراوح ما بين 50 إلى 60درجة وذلك على مدار العام الكامل،ويصل هذا الحمل الحراري إلى حوالي 3000كيلووات ساعة سنويا لسخان شمسي تبلغ سعته التخزينية 200لتر من المياه الساخنة.
* معامل المشاركة الشمسية :
هو المعامل الذي يعتمد على جودة وكفاءة السخان الشمسي،ويمثل النسبة بين كمية الطاقة الفعلية المستفادة من المنظومة والمنقولة إلى الماء خلال فترة زمنية محددة إلى كمية الطاقة اللازمة للوفاء بالحمل الحراري المطلوب من المنظومة خلال نفس الفترة الزمنية .
المكونات الرئيسية لمنظومة السخان الشمسي:
( أ ) المجمع الشمسي.
( ب ) الخزان.
( ج ) هيكل التثبيت ومواسير التوصيل.
استخدام الطاقة الشمسية
استفاد الإنسان منذ القدم من طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى وردت في كتب العلوم التاريخية فقد أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الروماني في حرب عام 212 ق م عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من الدروع المعدنية . وفي العصر البابلي كانت نساء الكهنة يستعملن آية ذهبية مصقولة كا لماريا لتركيز الإشعاع الشمسي للحصول على النار .
كما قام علماء أمثال تشرنهوس وسويز ولافوازييه وموتشوت وأريكسون وهاردنج وغيرهم باستخدام الطاقة الشمسية في صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير الماء وتسخين الهواء . كما أنشئت في مطلع القرن الميلادي الحالي أول محطة عالمية للري بوساطة الطاقة الشمسية كانت تعمل لمدة خمس ساعات في اليوم وذلك في المعادي قرب القاهرة . لقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية .
بالإضافة لما ذكر تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي :-
1- إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى بالاضافة أنها طاقة مجانية ومتجددة.
2- توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة.
3- لا تلوث الجو وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم.
تحويل الطاقة الشمسية
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ، ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بواسطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ،وكما هو معلوم هناك بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم وغيرها . وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا . وقد نال العالم اينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة.
وقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة ،وهي لا تستهلك وقوداً ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة . وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة .
ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ) وحدة شمسية )أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه . كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها .
أما التحويل الحراري للطاقة الشمسية فيعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية .فإذا تعرض جسم داكن اللون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص لإشعاع وترتفع درجة حرارته . يستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها.
وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية . يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها كذلك يمكن الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام ،حيث أن هناك أبحاث تجري في هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس تحت أشعة الشمس أثناء الطهي .
ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة ،إلا أن مدى الاستفادة منها يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية. وعليه يبدو أن المطلوب من تقنيات بعد تقنية وتطوير التحويل الكهربائي والحراري للطاقة الشمسية هو تقنية تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي . وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي . وتعد بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع ، حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها متوفرة إلا نها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعني المفهوم . فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية . وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة . ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها أخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية.
أنواع السخانات الشمسية ( منظومة تسخين المياه بالطاقة الشمسية ) :
حدث تطور تقني ملحوظ فى مجال صناعة السخانات الشمسية على مستوى العالم حيث يوجد نوعيات مختلفة من السخانات تتباين فيما بينها فى العناصر والخامات والتصميم والسعات وطريقة العمل حتى تتناسب مع كافة الإحتياجات تحت الظروف المناخية المختلفة.
وتنقسم السخانات الشمسية إلى نوعين اساسين:
Open loop solar water heaters: (Direct system without heat exchanger). Developed for warm countries was no freezing risk. Cold water moves to open loop tank directly, and then moves into collector to be heated and hot water moves back to tank to use.
وهى المنظومات التى يمر فيها الماء المراد تسخينه مباشرة خلال المجمع الشمسي ومنه إلى الخزان ويندرج تحت هذا القسم نوعين من المنظومات :-
| منظومة التدوير الطبيعى ( بدون مضخة):شكل(1) |
| 2- منظومة التدوير القصري :شكل(2) |
Closed loop solar water heaters: (Indirect system with heat exchanger). There is an external heat exchanger around the tank. Heat exchanger and returns back to the collector runs to heat exchanger and returns back to the collector after heat exchanging. Regularly, cold water in the tank is heated by the heat exchanging method and becomes ready to use.
تتشابه هذه السخانات مع السخانات ذات الدائرة المفتوحة فيما عدا أن الماء المستهلك لايمر مباشرة إلى المجمعات الشمسية بل يتم تسخينه داخل الخزان عن طريق مبادل حرارى مغمور داخل المياه المراد تسخينها كما و موضح بالرسم التخطيطى فى شكل (3،4 ) ويمثل المجمع الشمسي والمبادل الحرارى المغمور دائرة مغلقة يمر خلالها فى أغلب الأحيان مياه مقطرة مضافا إليها إضافات كيماوية مانعة للصدأ وذلك لإطلالة عمر السخان الشمسي بالمناطق التى توجد بها مياه ذات درجة ملوحة ملحوظة . وتنقسم هذه المنظومات إلى نوعين :
| 1_ منظومات التدوير الطبيعى : شكل (3) |
2_منظومات التدوير القصري: شكل (4) |
الإعتبارات الفنية الواجب مراعاتها فى اختيار وتركيب السخان الشمسي
هناك عدة إعتبارات فنية يتم على ضوئها إختيار وتركيب السخان الشمسي المناسب نذكر اهمها : 1- نوع منظومة السخان الشمسي والتى يتم تحديدها بناء على طبيعة الإستهلاك ونوعية المياه المتوفرة بالمنزل وكمية المياه المطلوبة للإستعمال اليومي.
سعة الخزان المتمثلة فى كمية المياه المطلوبة للإستعمال اليومي والتى تعتمد بالدرجة الأولى على عدد أفراد الأسرة علما بأنه توجد منظومات ذات سعات كبيرة يمكن أن تسد بإحتياجات عدد من الأسر تقيم معا فى مبنى واحد.
زاوية الميل الجمعات الشمسية والتى يجب أن تتناسب مع الموقع الجغرافى للمنزل
( تختلف زاوية الميل طبقا لخط العرض ).
4- تثبيت السخان الشمسي بإحكام مواجها للجنوب بقدر الإمكان مع تفادى حدوث ظلال على سطح المجمع من المبانى المجاورة . 5- الإستعانة بمصفى للمياه قبل تغذيتها للمنظومة فى المناطق التى تتسم بوجود مياه بها رواسب جبرية أو أى رواسب أخرى عالقة بها .
6-ضرورة ضبط المنظم الحرارى ( الثرموستات ) فى السخانات الشمسية التى يوجد به عنصر تسخين كهربى مساعد عند درجة حرارة منخفضة ( 50 درجة مئوية مثلا ) حتى لا يؤثر وجود عنصر التسخين المساعد سلبيا على أداء المنظومة.
7- تنظيف أسطح المجمعات الشمسية كلما دعت الضرورة ، وخاصة فى المواسم ذات الرياح المتربة
