www.geocities.com/hcyefren

دراسة عملية لإستخدام الطاقة الشمسية في ليبيا كطاقة بديلة وتصنيع نموذج لمجمع شمسي لتسخين المياه

 ماهر عبد الرسول صادق
فتحي سليمان الكردي - أسامة سليمان الحاج - حسين محمد عمارة - ساسي امحمد قرادة - صلاح محمد حرب
قسم الهندسة الميكانيكية ـ المركز العالي للمهن الشاملة ـ يفرن ـ الجماهيرية الليبية

الملخص
نتيجة التوسع الهائل في استخدام وتوليد الطاقة الكهربائية، وفي الصناعة، وتفجر أزمة الطاقة وتلوث البيئة، اتجهت البحوث الحالية إلى الاهتمام المتزايد بالبحث عن أنواع أخرى من الطاقة النظيفة و المتجددة والغير قابلة للنضوب بالإضافة إلى قلّة كلفتها. تعتبر الطاقة الشمسية، إحدى أهم المصادر للطاقة النظيفة والمتجددة والبديلة للطاقة التقليدية مثل النفط والغاز والفحم، والتي يمكن استخدامها ـ أي الطاقة الشمسية ـ لتخفيف العبء عن الطاقة التقليدية من حيث كون الطاقة الشمسية طاقة اقتصادية ورخيصة الثمن ولا تقوم بتلويث البيئة كما تفعل الطاقة التقليدية. تم في هذا البحث دراسة عملية لإمكانية استخدام الطاقة الشمسية في ليبيا كطاقة بديلة، ومدى إمكانية مشاركة الطاقة الشمسية في تخفيف العبء عن الطاقة التقليدية وما يترتب منه في تقليل الملوثات على البيئة كونها طاقة نظيفة وتقليل الكلفة من استخدام الطاقة التقليدية، حيث ما يميّز الطاقة الشمسية بأنها طاقة اقتصادية. تم قياس شدة الإشعاع الشمسي الساقط على أرض الجماهيرية الليبية ومن ثم تم تمثل شدّة الإشعاع على خارطة الجماهيرية الليبية. تم تصنيع نموذج لمجمع شمسي لتسخين المياه حيث يتم تدوير المياه بواسطة مضخة تعمل بواسطة خلية شمسية وبشكل متناوب حيث أثبتت تجارب هذا البحث إن تشغيل المضخة بشكل متناوب يُعطي كفاءة أعلى للمجمع الشمسي بنسبة ثمانية بالمائة وكانت فترة التناوب المثلى هي خمس دقائق للتشغيل ومثلها للإطفاء

المقدمة
إن الطاقة الشمسية هي مصدر الحياة على كوكب الأرض، وهي المصدر الوحيد للطاقة التي تصلنا إلى سطح الأرض. والشمس هي عبارة عن كتلة غازية يبلغ نصف قطرها حوالي ـ 696000 كم ـ وكتلتها حوالي ـ 2×10^29 طن ـ. وتتكون أساساً من غاز الهيدروجين ـ حوالي 75% ـ وغاز الهليوم حوالي ـ 25% ـ بالإضافة إلى كميات ضئيلة من بعض العناصر الأخرى مثل الحديد والسليكون والنيون والكربون. وتتولد نتيجة للتحول المستمر لكل أربع ذرات هيدروجين إلى ذرة هليوم في تفاعل اندماجي. ولما كانت ذرة الهليوم الناتجة من التفاعل أقل من مجموع كتل ذرات الهيدروجين الداخلة فيه، فإن فرق الكتلة هذا يتحول إلى ضوء وحرارة تنتقل على هيئة أشعة تبلغ شدة انبعاثها من الشمس ـ 3.8×10^23 كيلو وات ـ وتشع هذه الكمية في جميع الاتجاهات، ولا يصل إلى كوكب الأرض منها إلا مقدار ضئيل يتناسب مع مساحة الأرض ومع المسافة بين الأرض والشمس ولا يصل الإشعاع الشمسي الساقط على الغلاف الجوي كله إلى سطح الأرض فإن جزءً منه يقدر بحوالي ـ 13% ـ ينعكس إلى الفضاء خارج الغلاف الجوي، وجزءً آخر حوالي ـ 26% ـ يمتص من مكونات الغلاف الجوي والغيوم. أما ما يصل إلى الأرض من الإشعاع الشمسي على شكل إشعاع مباشر وإشعاع منتشر ـ مبعثر ـ فهو لا يزيد عن حوالي ـ 34% ـ من الإشعاع الشمسي الكلي الساقط على الغلاف الجوي. تبلغ قيمة شدّة الإشعاع الشمسي الساقط على المحيط الخارجي للأرض ـ 1353 W/sq.m ـ وهو ما يعرف بالثابت الشمسي ويتعرض الإشعاع الشمسي المار إلى سطح الأرض إلى حالات من التبعثر والامتصاص من قبل الظروف الجوية ومن قبل مكونات الغلاف الغازي بالكرة الأرضية حيث تعمل هذه المكونات وأيضاً ذرات الغبار والماء العالقة بالهواء على امتصاص وانكسار جزءً من الأشعة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض. كما تختلف كمية الإشعاع الشمسي الواصل إلى الأرض نتيجة لموقع الشمس بالنسبة إلى موقع وحركة الأرض ويؤدي ذلك إلى حدوث الليل والنهار والفصول الأربعة. لقد شاع استخدام منظومات تسخين المياه الشمسية لتزويد الماء الساخن بشكل واسع نتيجة لبساطة التقنية المستخدمة في مثل هذه المنظومات وكذلك لسهولة التركيب والتشغيل والصيانة. وقد أدى استعمال المنظومات الشمسية في أغلب أيام السنة ماعدا الأيام الغائمة والباردة جداً، إلى مردودات اقتصادية جيدة والحفاظ على البيئة نتيجة لعدم الحاجة لمصادر مثل الكهرباء والنفط والغاز التي تستعمل عادة في تشغيل سخانات الماء التقليدية. لقد شاع استخدام هذه المنظومات في مناطق عديدة من العالم حتى في المناطق التي لا تتوفر فيها معدلات كافية من الإشعاع الشمسي والمتميزة بقصر ساعات سطوع الشمس، في حين تتميز أرض الجماهيرية الليبية بمعدلات عالية من الإشعاع الشمسي وساعات سطوع شمس طويلة وهذا يشجع على استعمال الطاقة الشمسية في مجال تسخين المياه للأغراض المنزلية على أقل تقدير وبشكل واسع في توفير الماء الساخن للصناعات الغذائية والوحدات الخدمية في المصانع والمجمعات السكنية وفي عمليات التدفئة للبيوت الخضراء. وتوجد منظومات متعددة ومتنوعة لتسخين الماء يكون المجمع الشمسي من أهم أجزائها الرئيسية. وهو الجزء الذي يحول الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية تنقل بواسطة سائل مثل الماء إلى بقية أجزاء المنظومة للاستعمال المباشر أو الغير مباشر. سنقوم في هذا البحث بتصميم وتصنيع نموذج للمجمّع الشمسي ومن ثم اختباره ودراسة شدة الإشعاع الشمسي الساقط على أرض الجماهيرية الليبية وإمكانية الاستفادة منه  ـ المصدر 1 و 2 و 3 ـ

إمكانية استخدام الطاقة الشمسية في الجماهيرية الليبية
تكمن الطاقة الشمسية في شدّة الإشعاع الشمسي الساقط على سطح الأرض. يتكوّن الإشعاع الشمسي الكلّي من مركبتين، الإشعاع المباشر والإشعاع المنكسر ـ المبعثر ـ، تُعتبر أرض الجماهيرية الليبية من أكثر مناطق العالم تعرضاً للإشعاع الشمسي حيث إن متوسط ما يتلقاه متر مربع من الأرض الليبية من الإشعاع الشمسي يبلغ 2190 كيلوواط ساعة / سنة، في حين أن العديد من بلدان أوربا لا يتلقى سوى نصف هذه الكمية ـ مصدر 1 ـ. لقد تم قياس شدّة الإشعاع الشمسي الساقط على أرض الجماهيرية الليبية خلال السنة وتمثيل معدّل شدة الإشعاع الساقط لوحدة المساحة على خارطة الجماهيرية الليبية كما مبيّن في الشكل ـ 1 ـ ويوضّح الجدول ـ 1 ـ قيمة معدّل شدة الإشعاع الشمسي الساقط خلال السنة وحسب لون المناطق المميّزة على الخارطة

الشكل (1) خارطة الجماهيرية الليبية مقسمة إلى مناطق حسب شدّة الاشعاع الشمسي الذي يسقط عليها خلال السنة والجدول رقم (1) يبين قيمة الاشعاع الشمسي لكل منطقة حسب اللون ولوحدة المساحة

جدول رقم ـ 1 ـ يبين شدة الاشعاع الشمسي الساقط على ارض الجماهيرية الليبية خلال السنة وحسب المناطق التي تبينها الوان الجدول والخارطة

النموذج المصنّع
تم تصميم وتصنيع نموذج لمجمّع شمسي يُستخدم لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية ومن ثم الاستفادة من هذه الطاقة في تسخين المياه أو التدفئة أو غيرها من التطبيقات الأخرى. يتكوّن المجمّع الشمسي من لوحة معدنية من الألمنيوم مطليّة بطلاء أسود غير لمّاع ـ لوح ماص ـ مساحتها ـ 0.25 ـ متر مربّع، ويتم تثبيت على هذه اللوحة شبكة الأنابيب النحاسية لتمرير الماء. تم تثبيت لوحاً زجاجياً على مسافة 3 سم من واجهة اللوحة المعدنية، ثم تم حقن الفراغ بين اللوحة والزجاج بغاز غير متفاعل مع الماء لمنع تكوين بخار الماء بينهما، وأخيراً تم استخدام عازل حراري من الصوف الزجاجي لتغليف المجمّع من الجوانب وملئ كل الفراغات الموجودة تحت اللوح الماص. الشكل ـ 2 ـ يوضّح أجزاء المجمع الشمسي. بعد الانتهاء من تصنيع المجمّع الشمسي، تم تصميم وتصنيع منظومة كاملة تعمل بالطاقة الشمسية لتسخين المياه والتدفئة. الشكل ـ 3 ـ يبيّن مخطط للمنظومة المصنّعة. تتكوّن هذه المنظومة من المجمّع الشمسي الذي تم تصنيعه أولاً، خزّان حراري لحفظ الماء الساخن سعة ـ 12 ـ لتر، مضخّة كهربائية تعمل على التيار المستمر، مبادل حراري، بطارية خزن، مروحة وموتور كهربائي يعمل بالتيار المستمر، خلية شمسية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية لتجهيز المضخة والموتور بالطاقة اللازمة. الــــــــــشكل ـ 4 ـ يبيّن صورة فوتوغرافية لهذه المنظومة والتي تم تصنيعها في المركز العالي بيفرن

 

الشكل (2) يوضح أجزاء المجمع الشمسي الذي تم تصنيعه

الشكل (3) يوضح مخطط لمنظومة تسخين المياه ويمكن استخدامها لتدفئة الهواء أيضا

الشكل (4) صورة فوتوغرافية للمنظومة المصنعة موضح عليها جميع الاجزاء

النتائج
بعد الانتهاء من تصميم وتصنيع المنظومة تم تشغيلها لحساب كفاءة المجمّع الشمسي. بعد إجراء عدد من اختبارات التشغيل للمنظومة وجدنا إن عملية تشغيل المضخّة بصورة متناوبة لمدّة خمس دقائق ومن ثم إطفائها لمدّة خمس دقائق وهكذا.. باستخدام مفتاح توقيت كهربائي، يُزيد من كفاءة المنظومة بحوالي 8%، لذلك تم اعتماد هذه الطريقة في تشغيل المنظومة. تم أخذ الحسابات في يوم 8/4/2003 في مختبر قسم الهندسة الميكانيكية للمركز العالي بيفرن من الساعة التاسعة صباحاً وحتّى الساعة الثانية ظهراً، حيث تم قياس كلاًّ من درجة حرارة ماء الخزان، درجة حرارة المحيط الخارجي ودرجة حرارة الماء الخارج من المجمّع الشمسي عند بدأ تشغيل المضخّة بواسطة محارير رقميّة. الشكل ـ 5 ـ يبيّن درجات الحرارة الثلاثة مع الزمن حيث تمّت القراءة كل 15 دقيقة
تُعرّف كفاءة المجمّع الشمسي بأنها النسبة بين الطاقة المكتسبة بواسطة المجمّع الشمسي ـ Quse ـ إلى كميّة الطاقة العظمى للإشعاع الشمسي الساقط على المجمّع ـ Qmax ـ. لذلك فمن الممكن حساب كفاءة المجمّع وكما يلي :ـ

Quse= m * CP * (To - Ti)

Qmax = It * AC


حيث أن:ـ
ـ m = المعدل الكتلي لسريان الماء [kJ/kg.K] ـ
ـ CP = الحرارة النوعية للمائع الموجود في المجمّع الشمسي [kJ/kg.K] ـ
ـ To = درجة حرارة الماء الخارج من المجمّع [K] ـ
ـ Ti = درجة حرارة الماء الداخل إلى المجمّع [K] ـ
ـ It = شدّة الإشعاع الشمسي الأقصى الساقط على المجمّع لوحدة المساحة [kW/sq.m] ـ
ـ AC = المساحة الفعليّة للمجمّع الشمسي [sq.m] ـ

Efficiency = (0.2591 * 4.21 * 1.5) / (8.55 * 0.25) = 0.738 = 73.8 %

الشكل (5) يوضح درجات حرارة الماء الخارج من المجمع وماء الخزان والجو المحيط مع الزمن

 الاستنتاجات
إمكانية استخدام الطاقة الشمسيّة في أرض الجماهيرية الليبية بكفاءة كبيرة والتعويض الجزئي للطاقة التقليديّة وهذا يؤدي بدوره إلى تقليل الملوثات والأضرار البيئية الناتجة من استخدام الطاقة التقليدية كما يؤدي إلى التقليل من استهلاك الطاقة الكهربائية والتي تستخدم لتسخين المياه أو التدفئة وما يترتب عليها من صرف أموال طائلة، وبالتالي تقليل ما ينفقه الفرد من دخله السنوي. ويجب تشغيل مضخّة السخّان الشمسي بصورة متناوبة لزيادة كفاءة عمل المجمّع الشمسي بهذه الطريقة وبنسبة 8% من كفاءة المجمّع الكليّة

شكر وتقدير
نتقدم بالشكر والتقدير لمركز دراسات وأبحاث الطاقة الشمسية في طرابلس وقسم الهندسة الميكانيكية في المركز العالي للمهن الشاملة في يفرن لدعمهما اللامحدود للأبحاث والدراسات في مجال الطاقة المتجددة.

المصادر
ـ 1- الطاقة الشمسية بديل النفط، د. أنطوان حداد، م. أميرة سبيتي، مجلّة العلم والتكنولوجيا، معهد الإنماء العربي، بيروت، لبنان، العدد 2، حزيران، 1983
ـ 2- الشمس مصدر الحياة ومخزن الطاقة المتجددة، د.أحمد عبد الهادي، مركز زايد للتنسيق والمتابعة، أيلول 2002
ـ 3- الطاقة الشمسية أمل المستقبل، حسين الصبان، الطبعة الأولى، 1987
ـ 4 ـ مستقبل الطاقة الشمسية ـ د.دانيل س. هلاسي وترجمة زكريا احمد البرادعي نشر دار الوعي العربي لسنة 1994
ـ 5 ـ مقدمة في الطاقة الشمسية، تأليف سول وايدر، ترجمة د.شاكر جابر وآخرون، جامعة الموصل1989