التطبيقات الحرارية للطاقة الشمسية

التطبيقات الحرارية للطاقة الشمسية

نبذة تاريخية

منذ فجر التاريخ والانسان يستفيد من الطاقة الشمسية سوء في الانارة او التدفئة وكان الفيلسوف الاغريقي سقراط (470-399قبل الميلاد )او من اشار الى المفاهيم الاساسية والصحيحة للطاقة الشمسية واستخداماتها فلقد اشار سقراط الى ضرورة ان تكون الحوائط الجنوبية للمباني عالية لامتصاص اشعة الشمس والاستفادة منها في التدفئة شتاء وان تكون الحوائط الشمالية للمباني قصيرة حتي لا تمنع النسيم البادر صيفا من تلطيف الجو الداخلي للمباني وكذلك يشير التاريخ الى عالم الرياضيات الاغريقي ارشميدس (287-212 قبل الميلاد) انه قام ببناء عدة اسطح لامعة للعمل كمرايا عاكسة لتركيز اشعة الشمس . وقام بوضع هذه المرايا على شاطئ البحر الابيض المتوسط حيث استطاع بواسطتها إحراق الاسطول الروماني المهاجم لبلادة .

اما الاستفادة الحديثة للطاقة الشمسية كتسخين الماي او تحلية الماء او انتاج قدرة ميكانيكية او كهربائية فلم يظهر في حياة الانسان الا قبيل وبعد الثورة الصناعية في اوروبا فمثلا قام المهندسا لفرنسي سالامون دي كور (1576-1626 م) باختراع مضخة ماء تعمل بالطاقة الشمسية وايضا قام الفيلسوف السويسري دي سوشر (1740-1799) بتصميم واستخدام طابخ شمسي وهكذا توالت الاختراعات حتي يومنا هذا.

التطبيقات الحرارية :

11- تسخين الماء بالطاقة الشمسية

تعتبر هذه التطبيقات من اكثر التطبيقات استخداما على المستوى التجاري ومن الامثلة على هذا التطبيق سخان الماء الشمسي حراري الضخ حيث يقوم المجمع بامتصاص الاشعاع الشمسي الساقط عليه وعند تمرير الماء خلال المجمع تنتقل الحرارة الى الماء والذي يسري الى خزان عازل للحرارة ليضل الماء محتفظ بسخونته اطول فترة ممكنه . حيث يسحب الماء الساخن من اعلى الخزان الى مصدر حراري مساعد لتسخين الماء الى درجة الحرارة المطلوبة حيث يراعى في التصميم ان تكون سعة تسخين المصدر الحراري ممساوية لحمل التسخين المطلوب للماء وذلك لتسخين الماء عندما كليا عندما لا تتوفر الطاقة الشمسية بالليل او عند تلبد السماء بالغيوم .

في اعتقادي هذا النموذج غير اقتصادي لانه يحتاج الى مضخة وطاقة كهربائية فقط تعمل الشمس على تقليل الاستهلاك الكهربائي في تسخين الماء .

22- تدفئة المباني بالطاقة الشمسية

تستخدم الطاقة الشمسية لتدفئة المباني شتاء كما هو موضح الشكل التالي لاحد النماذج البسيطة حيث يتكون النظام من مجمع شمسي وخزان للحرارة بالاضافة الى مصدر حراري مساعد ومروحة وخانقين لتنظيم اتجاه دوران الهواء في النظام . ويحوي الخزان الحراري فرشة من الصخور أو التي تستخدم لتخزين الحرارة الزائدة من المجمع الشمسي لحين الحاجة الى لتدفئة المبني ويستخدم المجمع الشمسي الهواء كمائع لنقل الحرارة من المجمع الشمسي الى الخزان الحراري او المبني ويعمل هذا النظام كالاتي

- تخزين الهواء : في هذه الحالة يتم وضع خانق التجنيب بيحث يتم سريان الهواء من الممر الى الممر 5 ووضع الخانق ثنائي الموضغ بحيث يمر الهواء من الممر 1 الى الممر 2 عندئذ يسري الهواء الساخن الخارج من المجمع الشمسي الى المروحة ومنها الى خزان فرشة الصخور ثم الى المجمع الشمسي مرة اخرى وينتج عن سريان الهواء في الخزان من أعطي الى اسف تدرج درجة حرارة الخزان فتكون أعلى قيمة لها في أعلى الخزان وأقل قيمة لها في قاع الخزان .

- تدفئة المكان مع عدم توفر الطاقة الشمسية : في هذه الحالة يوضع الخانق التجنيبي لتوصيل الممر 4 ب الممر 6 ويوضع الخانق ثنائي الموضع لتصويل الممر 3 بالممر 2 عندئذ يسري الهواء العائد من المكان الى خزان فرشه الصخور فيتم تسخينة ثم يمر الهواء الساخن الى المروحة ومنها الى المصدر الحراري المساعد حيث ترفع درجة حرارة الهواء الى الدرجة المطلوبة للتدفئة ثم يمرر الهواء الى المكان المطلوب تدفئته .

- تدفئة المكان مع توفر الطاقة الشمسية : هناك احتمالان في هذه الحالة إما ان يكون مقدار الحرارة المنقولة بالهواء من المجمع الشمسي اكبر من المقدار المطلوب لتدفئة المكان او اقل منه فعندما تكون الحرارة اكبر يتم ضبط الخانق التجنيبي بحيث يقسم الهواء القادم ن الممر 4 بين الممرين 5و 6 حسب حمل التدفئة للمبني ويوضح الخانق ثنائي الموضع لتوصيل الممر 1 بالممر 2 عندئذ يمر الهواء الخارج من المجمع الى المروحة يحث يوزع بين الممرين 5و 6 ويمرر الجزء الخاص بالممر 5 الى خزان فرشة الصخور بينما يمرر جزء الممر 6 الى المكان المطلوب تدفئته ويتحد الهواء العائد من المكان مع الهواء العائد من الخزان الحراري ثم يدخل الخلطي الى المجمع الشمسي اما اذا لم تكن الحرارة المنقولة بالهواء من المجمع كافية لتدفئة المكان فعندئذ يعدل وضع الخانق التجنيبي لتوصيل الممر 4 بالممر 6 ويمر كل الهواء القادم من المجمع الشمسي خلال المروحة الى المصدر الحراري المساعد لرفع درجة حرارته الى الدرجة المطلوبة لتدفئة المكان .

33- التسخين الشمسي لحمامات السباحة :

كمثال على هذا النموذج النظام الشائع ويتكون من دائرتين احدهما دائرة سائل المجمع الشمسي والاخرى دائرة ماء حمام السباحة ويتكون سائل دائرة حالمجمع الشمسي من ماء مخلط به مانع تجمد لحماية المجمع الشمسي عند انخفاض درجة الحرارة الجو الخارجي الى اقل من درجة الصفر المئوية ولتدفئة ماء الحمام يسحب ماء الحمام الى قرب القاع ثم يتم ترشيحه بتمريريه خلا المرشح للتخلص من أي مواد عالقة به , ثم يمرر الماء خلال المبادل الحراري حيث يتم التسخين بسائل دائرة المجمع الشمسي ثم يمرر الماء العائد الى المبادل الحراري الى المصدر الحراري المساعد حيث يتم تسخينة الى درجة الحرارة المطلوبة للحمام قبل ان يصب هذا الماء الى الحمام .

44- تنقية المياة المالحة

يستخدم المجمع الاتي لتنقية المياة المالحة حيث يتكون المجمع من قاعدة مطلية بلون اسود ذو كفائة عالية لامتصاص الاشعة الشمسية ثم تمرر على هذه القاعدة طبقة رقيقة من الماء لكي يسهل تسخينها بسرعة وتكون القاعدة مغلفة بزجاج شفاف على شكل مثلث او هرم كما في الشكل حيث يعمل الزجاج الشفاف للسماح للاشعة الشمسية بالنفاذه فتمتص القاعدة الطاقة الشمسية ثم تقوم بتسخين الطبقة الرقيقة من الماء المالح الذي بدورة يفصل عن الملح ويتبخر ليتكثف على جدران الزجاج بسبب الفرق بين درجات الحرارة ومن ثم يتم تقطيرة ونزولة من جوانب الزجاج الى ممر يسمح بخروج الماء النقي ويبقى في القاعدة الملح والذي يتم اخراجة من ممر بشكل ماء مركز الملوحة حيث يعمل جزء من مياة التغذية بتعويض النقص وتنظيف القاعدة .

انظر الشكل الاتي

55- توليد القدرة الكهربائية

هذه النماذج ما تزال تحتاج الى كثير من الابحاث حتي تكون ذو جدوى اقتصادية ومن امثلة هذه الانظمة النموذج الاتي يعمل هذا النظام حسب دورة رانكن التقليدية لتوليد القدرة حيث تتكون هذه الدورة من مولد لبخار الماء وتورين بخاري ومكثف لطرد حرارة تكثيف البخار الى الجو الخارجي , ومضخة لارجاع البخار الكثف الى المولد البخاري حيث يعمل ضغط البخار على تدوير التوربين الذي بدولة يحول طاقة البخار الى طاقة ميكانيكة والذي بدورة يقوم بتدوير مولد كهربائي لتحويل القدرة الميكانيكية الى قدرة كهربائية .

يتكون المولد البخاري من نظامين الاول هو المجمع الشمسي والثاني هو التقليدي حيث يعمل المولد التقليدي في حالي غياب الشمس نتيجة الغيوم او في الليل وايضا لتغطية النقص للقدرة المطلوبة

انظر الشكل الاتي

66- التبريد الشمسي

هذا من الطف النماذج نعرف ان الشمس تعمل على تسخين الاشياء لكن التبريد كيف يوضح لنا النموذج الشمسي الاتي فكرة عن تلك الطريقة حيث يتكون من مجمع شمسي وخزان حراري ومصدر حراري مساعد ومضخات ومكثف (طرد حراري للجو) وتوربين وضاغط وصمامات وحمل لتبريد

كيف يعمل هذا النظام في الدورة الاولى دورة المجمع الشمسي يعمل على تسخين مائع مكون من خليطين مثل محلول بروميد الليثيوم مع الماء حيث يكون الماء هو مائع التبريد او محلول الامونيا مع الماء حيث تكون الامونيا هي مائع التبريد

يعمل هذا المجمع في اربع دورات

- دورة مجمع الطاقة الشمسية وتخزين الطاقة الحرارية للمائع في خزان حراري

- دورة نقل الحرارة من الخزان الحراري الى السخان المساعد لضمان تعويض أي نقص في درجة حرارة المائع الذي سخن بالطاقة الشمسية.

- دورة رانكن التقليدية لتوليد القدرة الميكانيكية .

- دورة التبريد بانضغاط البخار , في هذه الدورة يقوم التوربين بتشغيل الضاغط الذي يعمل على ضخ مائع التبريد من المبخر الى المكثف ويتم تكثيف بخار معائع التبريد في الكثف بواسطة الهواء الجوي او مائع تبريد ثم يتمدد سائل مائع التبريد خلاص صمام التمدد الى المبخر حيث تنخفض درجة الحرارة من الحمل نتيجة تبخير مائع التبريد في المبخر ثم تستمر الدورة بنفس الترتيب السابق .

الية العمل

تعمل هذه الدورة بإضافة الحرارة الى المولد الحراري حيث يتم توليد مائع التبريد في الصورة البخارية يسري بخار مائع التبريد الناتج من المولد الى المكثف حثي يتم تكثيفه الى سائل وتطرد حرارة التكثيف الى الجو المحيط . يتمدد سائل مانع التبريد الى المبخر خلال صمام التمدد ويتم تبريد حمل التبريد بسحب الحرارة اللازمة لتبخير مائع التبريد ويسري بخار مائع التبريد الى الماص . بعد توليد بخار مائع التبريد في المولد الحراري يخرج الخليط الثنائي ضعيف التركيز في مائع التبريد من المولد الحراري حيث يمر في المبدل الحراري ثم ينخفض ضغطة خلال صمام التمدد الى الماص . في الماص يمتص الخليط الثنائي بخار مائع التبريد القادم من المبخر وينتج من عملية الامتصاص طاقة حرارية تطرد الى الجو الخارجي .تقوم المضخة برفع ضغط الخليط الثنائي النتائج من عملية الامتصاص الى الضغط المرتفع في المولد الحراري ثم تستمر الدورة بنفس الترتيب السابق . ويستخدم المبدل الحراري الموضح في الدولة لتحسين اداء الدورة بالتبادل الحراري بين الخليط الثنائي الساخن العائد من المولد والخليط الثنائي البارد الذاهب الى المولد .

يتم تسخين المولد الحراري باستخدام الطاقة الحرارية المختزنة في الخزان الحراري والسخان المساعد . ويستخدم صمام التجنيب لتمرير مائع نقل الحرارة الى المصدر الحراري المساعد دون الحاجة الى تمريرة في خزان الحرارة عند عدم توفر طاقة حرارية مختزنة بخزان الحرارة .

عيوب هذه الدورة انها لا تعتمد على الطاقة الشمسية بشكل كلي فهي تحتاج المصدر تسخين مساعد وايضا الى القدرة الكهربائية . فهل بالإمكان صناعة مبرد يعمل بشكل كلي من الطاقة الشمسية في الوقع ممكن ذلك .

مزايا هذه الدورة في حال غياب الشمس او في الليل فهذه الدورة لن تتوقف عن العمل بفضل المصدر الحراري المساعد .

77- التجفيف الشمسي

لقد استخدم البشر الطاقة الشمسية في تجفيف المحاصيل الزراعية لإطالة عمر تخزينها بدون ان تتلف , حيث كان يتم التخصل من الرطوبه وتخفيض نسبه الماء فيها بتعريضها للشمس مع التقليب .من عيوب هذه الطريقه انها تستغرق ايام واحينا شهور بحسب احوال الطقس بالاضافة الى تلوث المحاصيل ولكي نتخلص من هذه العيوب يجب ان نستخدم نموذج حديث وكمثال لهذه النماذج النموذج المشهور المستخدم حيث يتركب من الاتي .

مجمع شمسي للتسخين الهواء , صمامات , سخان كهربائي مساعد , عمود تجفيف ,مروحة ومبدل حراري .

الية عمل هذا النموذج

تقوم المروحة بشفط الهواء الخارجي وتمريرة الى المجمع الشمسي الذي بدورة يعمل على تسخين هذا الهواء ثم يمر الهواء عبر صمام اخر الى السخان الكهربائي المساعد لرفع درجة حرارة الهواء الى الدرجة المطلوبة لنزع الرطوبه من المنتجات ثم يندفع الهواء الساخن بتجاه العمود الذي يحوي المنتج المطلوب نزع الرطوبة منه وبعد ذلك يخرج من انبوب بتجاه مبدل حراري للاستفادة من الحرارة المتبقية في الهوء .

الصمامات هي عبارة عن صمام ثنائي يمكنه في حال غياب الشمس او الليل من العمل دون الحاجة للمجمع الشمسي .

انظر التصميم اسفل

88- البرك الشمسية

هي احدى التطبيقات الحديثة لاستغلال الطاقة الشمسية حيث تحتوي على ماء غير متجانس الملوحة بحيث تزيد الملوحة بالتدريج كلما اقتربنا من القاع حيث تكون اقل ما يمكن على سطح البركة , حيث ينتج عن هذا الاختلاف في الملوحة تدرج في درجة الحرارة حيث تزيد درجة الحرارة بزيادة الملوحة . ويقسم الماء في البرك الشمسية الى ثلاث طبقات

الطبقة العليا هي طبقة الحمل وهي طبقة رقيقه من المياة قليلة الملوحة حيث يتم في هذه الطبقة انتقال الحرارة بالحمل , الطبقة الثانية تقع تحت الطبقة العليا وتعرف هذه الطبقة بطبقة اللاحمل وفي هذه الطبقة تنتقل الحرارة بالتوصيل الحراري فقط . اما الطبقة السفلي فتعرف بطبقة التخزين حيث يتم تخزين درجة الحرارة وتنتقل الحرارة في هذه الطبقة بطريقة الحمل .

ملاحظة : يلزم في هذه الطبقة المحافظة على تدرج ملوحة المياة لضمان ارتفاع كفاءة التخزين الحراري بها .

استخدامات البرك الشمسية

تستخدم لتوليد القدرة الميكانيكية بالاضافة الى كونها مجمع شمسي في هذا المجمع لا نستخدم طريقة رانكن ولكن نستخدم بعض الموائع العضوية حيث يعمل الماء الساخن في قاع البركة بستخين المائع العضوي وتبخيرة ومن ثم سحبه بمضخة الى الغلاية لتعمل على تكثيفه بواسطة ماء من الطبقة العلياء في البركة .

ايضا في هذه الطريقة نحن نستخدم الكهرباء للمضخات وبالتالي لا تعطينا الاستفادة الكاملة بحيث نستغني عن الطاقة الكهربائية ولكن تقلل من استهلاك الكهرباء لكن هذه النماذج هي للتوضيح اما كيف ممكن نستخدم الطاقة الشمسية بالكامل فذلك بعمل منظومه متكاملة .

انظر الشكل

99- ابراج الاستقبال

وهنا نستخدم مجموعة كبيرة من المرايا لعكس و تجميع ضوء الشمس وتركيزه في نقطه اعلى البرج وتسمي بالهليوستاتات والذي يمكن ان يكون احدى امرين مستقبل مركزي كما في الشكل او مضخة تعمل بالبخار حيث توضع غلاية اعلى البرج وعند تركيز ضوء الشمس على الغلاية تعمل بتسخين الماء وتحويله الى بخار وتعمل مثل الآلات البخارية والتي بدورها تحرك مولد كهربائي واما كما في طريقتنا التي سنسردها في هذا المقال حيث يوجد اعلى البرج مستقبل مركزي يسخن بفعل الطاقة الشمسية المركزة علية حيث ترتفع درجة الحرارة الى مقدار كبير تصل الى 1000 درجة مئوية وتنتقل الحرارة من سطح المستقبل المركزي الى التطبيقات المختلفة اسفل البرج كما في الشكل .