استخدامات الطاقة الشمسية وتطبيقاتها المختلفة

استخدامات الطاقة الشمسية وتطبيقاتها المختلفة

السخانات الشمسية

السخانات الشمسية "المعروف أيضا باسم ألواح شمسية" هو وسيلة لتحويل أشعة الشمس الى حرارة وتخزينها لأستخدامها فيما بعد . الألواح الشمسية تختلف كليا عن الألواح الضوئية التى تستخدم من أجل انتاج الكهرباء.

كيفية الاستخدام

استخدام الطاقة الشمسية لتسخين المياه يتم من خلال مجمعات لأشعة الشمس وتحويلها لطاقة حرارية لتدفئة المنازل أو تسخين المياه أو توليد الكهرباء بالبخار أو تجفيف المحاصيل أو للطبخ.

وحاليا التسخين للمياه عن طريق أشعة الشمس أصبح شائعا ومنتشرا فى كثير من المدارس والمطاعم والمنازل والمستشفيات والفنادق والقرى السياحية ....سواء استخدامها فى التدفئة أو تسخين المياه. كما تستخدم فى الصوبات بالمزارع على نطاق واسع .

ويمكن صناعة السخانات الشمسية فى عدة أحجام لتلبية الاحتياجات من الطاقة الشمسية حسب درجات الحرارة المطلوبة للمياه سواء أكانت دافئة " أقل من 50 درجة مئوية " لحمامات السباحة أو ساخنة "من 60 – 80 درجة مئوية " للاستخدام المنزلى أو مغلية للحصول على بخار لتوليد الكهرباء . وهذا يعتمد على قدرة السخان الشمسى وتصميمه.

* وأبسط هذه السخانات هو السخان الشمسى المسطح "Flate-Plate solar heater collector " وهو عبارة عن صندوق معزول معدنى له غطاء من الزجاج العادى أو البلاستيك الشفاف وبداخله لوح ماص للحرارة ملون وغامق .

وغالبا باللون الأسود لامتصاص حرارة أشعة الشمس وبداخله سربنتينة ( أنابيب ) يمر بها الماء لتسخينه أو الهواء المراد تسخينه للتدفئة . واللوح الماص من معدن نحاس أو الومنيوم أو سبيكة منهما . لأنهما لهما قدرة كبيرة على توصيل الحرارة وبسرعة وكفاءة عالية . والنحاس مقاوم للتاكل رغم أنه أكثر تكلفة . والصندوق معزول لمنع تسرب الحرارة منه . والماء الساخن يخزن فى خزانات عازلة للحرارة بداخلها . وقد يكون من الزجاج أو الفيبر جلاس للاحتفاظ بحرارة الماء ولا سيما للاستعمال أثناء الليل.

* وبالنسبة لسخانات الهواء الشمسية Solar Air Heater التى تستخدم لتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل بالهواء الساخن فهى أقل تكلفة وأسهل فى التشغيل وأقل حرارة من السخانات الشمسية التى تسخن الماء.

فاللوح الماص للحرارة والمسطح بالسخان الشمسى سواء أكان لوحا معدنيا أو غير معدنى يمر الهواء به بالحمل أو بواسطة مروحة تدفعه وتدوره به لتسخينه. رغم أنه أقل توصيلا للحرارة من الماء.

والسخان الهوائى أقل عطبا ويعمل لسنوات طويلة لكن استخعمالاته ما زالت متدنية فى الدول النامية .ويمكن تشغيله بامرار الهواء لتسخينه تحت اللوح الماص للحرارة أو خلاله أو فوقه وقد ترتفع درجة الحرارة ما بين 20-50 درجة مئوية حسب طريقة العزل بالسخان، ومعدل مرور الهواء به وتراكم الأتربة عليه التى تقلل من امتصاصه للحرارة . وأحسن ناقل للحرارة تكون المادة الماصة من المعدن المخرم. فالمراوح تشفط الهواء وتدفعه بالثقوب بالمعدن بعد تسخينه بالشمس .وهذه السخانات مختلفة الأحجام .وقد تتوقف عن التسخين حسب سوء الأحوال الجوية وغياب الشمس المشرقة.

* وهناك نوع ثالث من السخانات الشمسية يطلق عليه سخان ( مجمع ) الأنابيب المفرغة "Evacuated-tubes heater collector" لتسخين الماء بدرجة عالية حيث تدخل أشعة الشمس من خلال السطح الزجاجى لتقع على أنابيب زجاجية شفافة مفرغة من الهواء ومغلقة ومتوازية وبداخلها أنابيب ماصة للحرارة تمر بها المياه لتسخن بالتلامس. وتخزن المياه فى خزان. والأنابيب المفرغة حول الأنابيب الماصة للحرارة لا تفقد الحرارة، لأن الفراغ لا يوصل الحرارة ولا يفقدها لعدم وجود هواء يوصل الحرارة أو يحملهل بالحمل أو يدور بداخلها فيفقدها. وهناك أنابيب مفرغة وبداخلها أنابيب المياه المراد تسخينها، يسع الأنبوب 19 لتر ماء. مما يجعلها لا تحتاج لخزانات بجوارها لتخزين المياه الساخنة . ويمكن وضع الجهاز مائلا رأسيا أو أفقيا .

* وتوجد السخانات المركزة Concentrating Collectors التى تستخدم المرايا اللامعة ( المقعرة ) لتعكس الأشعة المركزة للشمس فوق اللوح الماص لتقع فى بؤرة تجميع لأشعة الشمس فوق المستقبل بحيث يمر به الماء المراد تسخينه.

وهذه السخانات تعطى درجات حرارة للماء أعلى بكثير من السخانات الشمسية العادية. وتدور مع اتجاه الشمس. وهذا النوع يعطى ماءا مغليا أو يستخدم فى تقطير وتعذيب المياه المالحة بالحاق جهاز تكثيف به للحصول على الماء المقطر.

ويمكن استخدام هذه الوسيلة لطبخ الطعام فى قدور سوداء يطلق عليها الفرن الشمسى Solar Cookers حيث تسلط عليها هذه المرايا اللامعة لتتركز أشعة الشمس فوق جدران هذه القدور .

وقد تصل درجة الحرارة 200 درجة مئوية. وهذه الوسيلة يمكن من خلالها قتل البكتريا وتعقيم المياه،وهى غير مكلفة لو صممت هذه المجمعات الشمسية مع بناء المبنى. وحجم جهاز تجميع الطاقة يعتمد على الاستعمال والحاجة اليومية. فالشخص يمكنه استهلاك 50 لتر يوميا من الماء الساخن فى درجة من 55 – 60 درجة مئوية .

* وكل خزانات المياه الساخنة معزولة حراريا وبها توصيلة لدخول الماء البارد لها صمام (محبس سكس بلف) يجعل الماء يتجه فى اتجاه واحد ولا يرتد أو يفرغ الخزان. وتوصيلة لخروج الماء الساخن وتوصيلتان لأنابيب التدو ير .ويمكن تثبيت الخزان فوق حامل. ويقدر حجمه 80 لتر لكل شخص، ليستهلك 50 لتر ماء ساخن يوميا.

وهناك تقنية تعذيب وتقطير مياه البرك والمحيطات عن طريق استخدام الطاقة الشمسية المتجددة ولا سيما فى المناطق التى تغمرها أشعة الشمس المتدفقة. وهذه التقنية عبارة عن انشاء خزانات كبيرة من الطوب أو الأسمنت أو البلاستيك أو الاجر ، ومحكمة للمياه المراد تقطيرها. وتغطى بغطاء زجاجى أو بلاستيكى شفاف ومائل. وقعر الخزان مبطن بمادة سوداء ليمتص حرارة الشمس التى تبخر الماء المقطر ليتكثف تحت الغطاء المائل بفعل الهواء الخارجى وليتجمع فى جوانب الغطاء وينساب فى أنابيب أسفله ليعطينا الماء المقطر الذى يتجمع فى خزانات خاصة معزولة عن الحرارة حتى لا يتبخر الماء مرة ثانية.

وهذه الطريقة غير مكلفة ولا تحتاج لصيانة الأجهزة. وتعمل بانتظام طالما أشعة الشمس موجودة. والمياه الناتجة لها جودة عالية وبها هواء ولا يوجد بها معادن. لهذا طعمها قد يكون غريبا بعض الشىء أثناء الشرب ،لكنها خالية من البكتريا والطفيليات والملوثات تقريبا. وهذه المياه تقلل انتشار العدوى بالأمراض المعدية ولا سيما فى البلدان التى تسبب مياه الشرب العدوى بها، كعدوا الكوليرا والتيفود، عافانا الله واياكم.

تقطير المياه بالطاقة الشمسية "جهاز شمسي لتقطير الماء" Solar Water Distiller

جهاز شمسي لتقطير الماء Solar Water Distiller

تصميم وعمل جهاز تقطير ماء متنقل يعمل بالطاقة الشمسية.

إن الفكرة هي استخدام الماء من أي مصدر (قد يكون ماء مالح أو ماء قذر أو عموما ماء غير صالح للشرب) وإدخاله من جانب واحد من الجهاز و خلال اليوم يخرج من الجانب الآخر ماء صالح للشرب آمن ونظيف.

في جوهر هذا التصميم هناك طريقة إبداعية لتشكيل و استعمال مرآة ذات قطع مكافئ متوسطة الحجم من صفيحة ألمنيوم مرنة (كما يمكن استخدام ورق القصدير المعدني), لعمل الإطار تستخدم قطع ألمنيوم بعرض 1 بوصة وسمك 8/1 بوصه لعمل اطار للمرآة واستخدام زوج من الأسلاك في النهايتين لسحب الإطار للأعلى أو الأسفل لتشكيل القطع المكافئ, وتحصر المرآة بين الإطار أعلى و الإطار الأسفل, وبهذا التصميم الرخيص يمكن للإطار والسلك تشكيل قطع مكافئ جيد مع توفر أمكانية تجميع وتفكيك الجهاز بسهولة.

إن وظيفة الإطار – هي (1) للمسك والقبض و أسر صفيحة الألمنيوم و (2) أعطاء قوة وإبقاء السلك متصلبا ومشدودا, فطول السلك يحدد كيفية تشكيل القطع المكافئ حادا كان أو مسطحا، وتبع ذلك هذا يعني بعد أو قرب بؤرة المرآة من سطح المرآة.

تكون المرآة موضوعة تحت غرفة التبخير حيث تتم تنقية الماء, فغرفة التبخير لها مقلاة من الألمنيوم صبغت باللون الأسود لامتصاص حرارة و أشعة الشمس و التي يتم فيها تسخين الماء المطلوب تقطيره حتى يتبخر, وهذه المقلاة لها غطاء بلاستيك يوضع فوقها لأسر وتكثيف بخار الماء بالإضافة إلى الشفة داخلية التي تحول المياه المكثفة والصافية خارج جهاز التقطير.

من الضروري أن تعدل مرآة القطع المكافئة باليد كل ساعة لإبقاء نور الشمس مركز على المقلاة، غرفة التبخير ذات قطعتين يمكن أن تفكّك لتنظيف أو الخزن, (يمكن أجراء تطوير لتحسين تتبع أشعة الشمس بإضافة محرك صغير لهذا الغرض).

لغرض الإبقاء على جهاز التقطير متنقلا, استعملت مرآة بقياس 1 متر مربعة والتي بإمكانها توفير حوالي 1 جالون من الماء المقطر في اليوم, ويمكن زيادة الكمية المقطرة إلى 4 جالونات باليوم بأجراء بعض التحويرات و التحسينات أو استخدام مرآة بحجم أكبر بالرغم أن ذلك سيصعب من نقل الجهاز, فأن وزنه بقياساته الأولى هو بحدود 20 كجم (بمرآته التي يمكن طيها عن طريق لفها).

أن مشكلة الكبرى في هذا الجهاز متأتية من تجمع أشعة وحرارة الشمس أكثر من اللازم في المقلاة والغطاء البلاستيكي فأنهما يصبحان حارين جدا (60-70 درجة مئوية) هذا مما يعرقل من تكثيف بخار الماء كما يجب, مع إن الزعانف المعدنية الصغيرة الموضوعة في قمة جهاز التقطير مصممة للمساعدة على إزالة الحرارة من غطاء التكثيف.

لتجاوز بعض المشاكل الواردة أعلاه في صعوبة تكثيف البخار يمكن استخدام أحد النموذجين التالين, وهما يعتبران من النماذج الثابتة.

تسخين حمامات السباحة بالطاقة الشمسية

تسخين حمامات السباحة بالطاقة الشمسية  

مما لاشك فيه أن استخدام الطاقة الكهربائية فى تدفئة حمامات السباحة يعتبر من الناحية التشغيلية مكلفا جدا،فالطاقة الكهربائية اللازمة لتدفئة كميات كبيرة من الماء و المحافظة على درجة حرارتها الى الحد المناسب للسباحة يعتبر مرتفعا بدرجة قد تحرم الكثيرين من أصحاب المسابح الخاصة من ممارسة السباحة والاستمتاع بها فى معظم أوقات العام.

ولتوفر ققدر كاف من الاشعاع الشمسى وبالأخص فى الفترات الباردة من العام فى المناطق ذات المناخ الصحراوى، لذا فأن الطاقة الشمسية يمكن أن تكون مصدرا فعالا لتدفئة مياه المسابح والاستفادة منها لتشمل فصول الربيع والخريف والشتاء أحيانا.

ويستخدم لهذا الغرض مجمعات شمسية تقوم بتسخين الماء من خلال مروره فى أنابيب صغيرة مدهونة باللون الأسود ومعرضة للاشعاع الشمسى المباشر.وتتكون المجمعات الشمسية المتطورة والمخصصة لتسخين الماء من ألواح اطارية تتوزع داخلها أنابيب نحاسية سوداء ومغطاة بالزجاج لأجل حبس الحرارة داخل اللوح وبالتالى ذيادة كفائتها التسخينية. وللمحافظة على الحرارة المكتسبة فان خلفية اللوح تكون عادة معزولة بالصوف الصخرى لمنع الحرارة من التسرب من الجهة الخلفية. ولتقليل التكلفة المالية للطاقة اللازمة لتمرير ماء المسبح من خلال المجمعات الشمسية لتسخينه.

كما أن المجمعات الشمسية ذات الأنابيب المفرغة تكون ذات كفاءة فائقة ليس لها مثيل فى تسخين مياه حمامات السباحة طوال العام

فان المجمعات تركب أحيانا ضمن دائرة حركة الماء الذاهب الى جهاز التنقية وتوضع مضخة جهاز التنقية عادة على مؤقت زمنى يقوم بتشغيله فى الفترات التى يتوافر فيها الاشعاع الشمسى بكميات كافية.

ويتم توجيه المجمعات الشمسية من أجل التسخين طوال العام الى جهة الجنوب وذلك لمواجهة الاشعاع الشمسىبزاوية ميل على السطح الأفقى تساوى قيمة خط العرض للموقع +15 وذلك للحصول على أكبر قدر من الطاقة الشمسية و بالأخص فى فصل الشتاء. أما اذا كان استخدام المجمعات لفصل الصيف فقط فيكون الميل يساوى خط العرض مطروحا 10 درجات الى 15 درجة.

وللمحافظة على حرارة ماء المسبح فعادة ما تستخدم عوازل حرارية للانابيب المغذية والراجعة من المجمعات الشمسية وكذلك تتم تغطية سطح المسبح أثناء فترة غياب الاشعاع الشمسى. وتتفاوت المصادر فى تحديد درجة حرارة الماء المناسبة للانسان، وفى أغلب تلك المصادر لا تتجاوز 28 درجة مئوية، كما أنها لا تقل عن 24 درجة مئوية. ويعتمد تقدير مساحة المجمعات الشمسية على عدة عوامل من أهمها :

• الموقع الجغرافى وكمية الاشعاع الشمسى المتوفر.
• المدة الزمنية من العام المطلوبة للاستفادة من المسبح.
• كفاءة المجمع الشمسى.
• نوعية المسبح وهل هو داخلى أم خارجى.
• استخدام غطاء للمسبح فى الفترات المسائية من عدمه.

وفيما يلى رسم تخطيطى يبين مقارنة بين التكلفة بين تسخين حمام السباحة بالغاز الطبيعى والتكلفة باستخدام الطاقة الشمسية

مقارنة بين التكلفة باستخدام الغاز الطبيعى والطاقة الشمسية

ومن الأمثلة التى تبرز حجم التوفير فى استهلاك الطاقة الكهربائية وما يعود به من فائدة تجربة تسخين المسبح المغطى لمدرسة مارى ريد الابتدائية فى مقاطعة بريتش كولومبيا فمساحة المسبح تبلغ 325 متر مربع ويتم تسخينه بالطاقة الكهربائية.

وقد ساعد نظام التسخين الشمسى فى تهيئة المسبح للسباحة ابتداءا من شهر أبريل وحتى شهر أكتوبر وقد وفر ذلك على ادارة المدرسة جزء مما كانت تدفعه فى تلك الأشهر مقابل استهلاك الطاقة الكهربائيةوالذى كان بلغ عشرين ألف دولار و أنخفض بنسبة 50 % . بناء على الارقام السابقة فان تغطية التكاليف التأسيسية لهذا النظام يتوقع أن يتم فى غضون ثلاث سنوات ونصف. ومن التجارب الناجحة فى مجال تسخين المسابح فى الشرق الأوسط،ونظام التسخين النفذ فى تل أبيب والذى يعتبره ديفيد كت ذو كفاءة عالية ومنخفض التكلفة. وهذا النظام الشمسى الذى صمم خصيصا لتسخين المسابح عبارة عن مجمع شمسى كبير يتكون من جزئين ومرتبط بمضخة نظام التنقية.

أنظمة التسخين والطبخات الشمسية

الطبخات الشمسية

لقد كان استخدام حرارة الشمس المباشرة من أهم الحلول التى طرحت لاستعمالها طاقة للطهى وذلك لقلة تكاليفها ووفرتها وسهولة الحصول عليها، وقد ادى ذلك الى تصميم وتطوير الطباخات الشمسية ،ويعد هذا الاستخدام من أبسط استخدامات الطاقة الشمسية خاصة فى المجتمعات التى تتوفر فيها طاقة الشمس المشرقة.

الأساس العلمى للطبخ الشمسى

يعتمد الأساس العلمى للطبخ الشمسى على الاستفادة من مبدأ الاحتباس الحرارى الناجم عن سقوط الاشعاع الشمسى وانعكاسه داخل صندوق معزول من جميع جوانبه بعازل حرارى عدا الجانب الأعلى المواجه للشمس فيغطى بلوح من الزجاج أو البلاستيك الشفاف، كما يتم طلاء أسطحه الداخلية بلون داكن غير لامع لكى يقوم بامتصاص أكبر قدر ممكن من الحرارة اعتمتدا على نظرية بلانك للأجسام الداكنة.

عند سقوط أشعة الشمس على السطح الزجاجى فان الموجات القصيرة تنفذ الى داخل الصندوق أما الموجات الطويلة فان جزء كبير منها ينعكس الى الخارج وبما أن الموجات الطويلة ليست ذات طاقة عالية مقارنة بالموجات القصيرة فان الفاقد بالانعكاس يكون ضئيلا. وبذلك فان الأشعة الممتصة بواسطة السطح الداكن تتحول الى طاقة حرارية ترفع درجة الحرارة داخل الصندوق . يساعد وجود العازل الحرارى للصندوق على احتفاظه بقدر كبير من الطاقة . أما الغطاء الزجاجى رغم أنه يساعد على فقد جزء كبير من الطاقة الى الخارج عن طريق الانكسار الا أنه يعمل على انعكاس الطاقة الى داخل الصندوق ( الانحباس الحرارى )،وكمثال على هذه الظاهرة فى حياتنا اليومية نجد أن درجة الحرارة داخل السيارة المعرضة للشمس أعلى مندرجة الحرارة خارجها، وذلك لأن حرارة الشمس عندما تنفذ مخترقة زجاج السيارة فانها تنحبس فى الداخل عن طريق الانعكاس.

ويوجد أنواع كثيرة من الطباخات الشمسية

الطباخ الشمسى البسيط والطباخ ذو المراه الواحدة والطباخ ذو المرايا الثلاث وغيرها