تويتر
الطاقة الشمسية وحساباتها
تعتبر الطاقة الشمسية من أهم مصادر الطاقة المتواجدة علي الكرة الأرضية حيث أنها مرتبطة بتتابع الليل والنهار – حركة الهواء وحدوث الرياح ودورة الماء في الطبيعة – الدورة
الحيوية للنبات – بعض العمليات الحيوية للانسان والحيوان علاوة علي كونها مصدر ضوء طبيعي.
وتبدأ دورة الطاقة في الطبيعة من الطاقة الشمسية إلى المملكة النباتية ثم إلى الحيوانات والإنسان ـ ومن دفن المواد النباتية والآدمية والحيوانية تحت ضغط وحرارة عاليتين في باطن الأرض تنتج الطاقات الكامنة كالبترول والفحم وخلافه .
]دورة الطاقة في الطبيعة ].
كما أن استهلاك الأفراد والمجتمعات للطاقة يتباين حسب مدى تحضر هذه المجتمعات ، فنجد أن الطاقة التي يستهلكها الفرد المتمدين كبيرة جداً بمقارنتها بالطاقة التي يستهلكها الإنسان البدائي – أما الإنسان الزراعي فتتركز استخداماته للطاقة معتمدا على الأدوات والحيوانات في أداء
العمليات الزراعية وهي تعتبر أول خطوة لتصنيع الطاقة – أما الإنسان الصناعي والمتمدن فانه يستخدم الطاقة بكل أنواعها.
طرق انتقال الحرارة ( الطاقة الحرارية ) :
1. التوصيل : وفيه يتم انتقال الطاقة الحرارية بين الأجسام المتلاصقة .
2. الإشعاع : وهو انتقال الطاقة الحرارية عن طريق موجات كهرومغناطيسية وهي الوسيلة التي تصل لنا بها أشعة الشمس .
3. الحمل : وهي خاصية انتقال الحرارة في السوائل والغازات حيث يتم رفع درجة حرارة الحيز المحيط بمصدر الطاقة ثم يندفع في أي حيزعن طريق تيارات الحمل
الشمس :
هي أحد الأجرام السماوية ذو مصدر اشعاعي كبير تتحرك أشعتها بسرعة 300 ألف كيلومتر/ثانية وتستغرق حوالي 8.3 دقيقة لتصل لسطح الأرض , ويبلغ قطرها = 1.39 مليون كيلومتر, ومتوسط بعدها عن الأرض 150 ميلون كيلومتر , ودرجة حرارة سطحها 5760 ْم .
حسابات الطاقة الشمسية :
أشعة الشمس التى تصل إلينا من خلال طبقات الجو عمودياً على وحدة المساحة بكثافة 1.4كيلووات/مترمربع ويسمى الثابت الشمسى وقد يختلف بنسبة 3.5% بسبب دوران الأرض حول الشمس حيث أن الأرض بيضاوية قليلاً. وأشعة الشمس الساقطة تنقسم إلى أشعة مباشرة وغير مباشرة وأشعة منعكسة وإشعاعات الشمس تحتوى على موجات مختلفة من الإشعاعات تتراوح أطوال موجاتها 10 -10 إلى 1000م وفى الطبقات العليا من الهواء(20-50 كم) يمتص غاز الأوزون أغلب الموجات القصيرة وكذلك بخار الماء يمتص الموجات الطويلة ويصل إلى الأرض الموجات المتوسطة التى تقع بين0.2ـ 3.0 ميكرون.
وعلى ذلك فانه من كل 100 وحدة من أشعة الشمس ينعكس الى أعلى مرة أخرى 25 وحدة بسبب السحب ، ويمتص حوالى 16 وحدة فى الجو ويتشتت حوالى 7 وحدات ويمتص بخار الماء وحدة واحدة ولا يصل الى سطح الأرض الا 51 وحدة فقط.
الثابت الشمسي : (Gsc)
هو الطاقة المشعة من الشمس في وحدة الزمن الساقطة علي وحدة مساحة متعامدة لاتجاه الإشعاع الشمسي وتبعد مسافة مساوية لمتوسط بعد الأرض عن الشمس وتبلغ قيمته حوالي 1.4 كيلوات / م2 ويختلف بنسبة 3.5 % ( قيمة الثابت GSC = 1.4 + 3.5 kW/m2 ) .
زاوية ميل الشمس (d ) :
هي الزاوية التى تقع بين الخط الواصل بين الشمس والأرض والمستوي المار بخط الإستواء , وتتغير هذه الزاوية بتغير التاريخ حيث تتراوح قيمتها ما بين الصفر° , + 23.5° . ويمكن حسابها من المعادلة التالية :
d = 23.45 Sin ( 300* 284 + n)
365
حيث أن :
n = اليوم من السنة الذي يتم عنده حساب زاوية ميل الشمس و تتراوح قيمتها ما بين 1 إلى 365 يوم
لذلك فهناك جداول فيها قيمة (d ) خلال السنة حيث العامل المتغير الوحيد في المعادلة هو n ) ) ومعلوم حدود تغيره .
طول النهار :
يزداد طول النهار من ديسمبر حتى يونيو ويقل من يونيو إلى ديسمبر وذلك في الجزء الشمالي من الأرض ويعكس ذلك في الجزء الجنوبي من الأرض .
التوقيت الشمسي :
يعرف التوقيت الشمسي المتوسط (Lst) بأنه الوقت المحلي لو كانت الأرض تدور حول الشمس بسرعة ثابته [ وحيث ان مدار الأرض حول الشمس بيضاوي فهذا يعني أن سرعة الدوران غير ثابتة وبالتالي فأن الشمس تظهر متقدمة أو متأخرة عن الوقت المتوسط حسب اليوم من السنة وهذا الذي يسبب فروق التوقيت يوم عن يوم].
ويتم حساب التوقيت الحقيقي من خلال معادلة الزمن التالية :
Solar Time = Standard Time + 4 ( Lst – L Loc ) + E
حيث أن :
Solar Time = التوقيت الشمسي لمنطقة ما .
Standard Time = الوقت المحلي القياسي للمنطقة .
4 = ثابت بمعدل تغير الوقت الشمسي 4 دقيقة لكل درجة من دوران الأرض .
و حيث أن الأرض تدور 360º في اللفة حول نفسها بما يقابل يوم كامل .
قيمة الثابت = ( 24 × 60 ) ÷ 360 = 4 دقيقة / درجة من دوران الأرض.
Lst = عبارة عن خط وهمي يمر بالمركز التقريبي لكل نطاق زمني وذلك لكل 15 ْ من دوران الأرض . قيمته تكون صفرº أو 15 ºأومضاعفات 15º إلى 360º.
L Loc = خط طول المنطقة .
E = معامل تصحيح الوقت وهو مرتبط باليوم من السنة وهو موجود في
المجمعات الشمسية :
هي مبادلات حرارية تستخدم أشعة الشمس في تسخين مادة ناقلة غالباً ما تكون الماء أو الهواء – وتصنع المجمعات الشمسية من الزجاج أو البلاستيك الذي يسمح بنفاذ الأشعة تحت الحمراء ( الأكثر أهمية ) ويجب ان يكون سطح المجمع مستوي حتى لا يشتت الأشعة الساقطة علي المجمع .
تنقسم المجمعات الشمسية حسب وسط التسخين إلى:
المجمعات الشمسية التى تستخدم الهواء كوسط انتقال ، وتلك التى تستخدم الماء كوسط انتقال
أولا : المجمعات الشمسية الهوائية وتتميز بما يلى :
1- عدم إتلاف الأسطح الماصة للحرارة. 2-لا تحدث تسرب للهواء.
3- مصدر طبيعي آمن ورخيص ومتوافر. 4- مجمعات ذات تصميم بسيط .
ويعـــــاب عليها :
1- قلة كفاءة الهواء في نقل الحرارة .
2- تحتاج لأجهزة مساعدة لرفع كفاءة الأداء.
ويشترط لحسن أداء المجمعات الهوائية:
1- أن يكون السطح المقابل للشمس مستوى تماما.
2- أن تكون مساحة السطح كبيرة بالنسبة لحجم الهواء المار.
3- ألا تسبب حركة الهواء دوامات داخل مسار الهواء .
4- أن يكون سريان الهواء داخل المجمع من الخلف إلى الأمام
5- يفضل استخدام مواد معينة في المجمعات الهوائية مثل الألومنيوم والصلب المجلفن
المجمعات الشمسية الهوائية الأعلى كفاءة :
أ- ذات الزعانف الخلفية : وفيه تعمل الزوائد علي زيادة سطح الامتصاص مما يحسن من كمية الحرارة المنتقلة وهذا النظام هو الأكثر انتشاراً .
ب- المجمع ذو اتجاهين للهواء : يتم فيه مرور الهواء من السطح الأمامي فيخفض درجة حرارة السطح العلوي مما يقلل من كمية الحرارة المفقودة – وعند مروره مرة أخري للسطح السفلي ترتفع درجة الحرارة وبالتالي يقل فقد الحرارة من السطح المعرض للشمس وبالتالي نرفع من كفاءة المجمع الا أنه يحتاج لفترة زمنية لمرور الهواء وأنه ذو معدل تدفق أقل.
ج- المجمع الهوائي المزدوج : فيه يمر الهواء في نفس الوقت من أسفل وأعلي سطح الامتصاص وبعض الحرارة قد تفقد خلال الزجاج العلوي لكن الحرارة المكتسبة من
سطح الامتصاص أعلي مما يفقده من خلال الزجاج – وبالتالي تلافي عيوب المجمع ذو الاتجاهين.
د- المجمع الزجاجي ذو الألواح الزجاجية المتداخلة : فيه يمر الهواء خلال الأسطح المتوازية بالإضافة إلى أن الجزء الشفاف من كل لوح يسمح بحجز الأشعة دون الحمراء من اللوح الذي يليه وبالتالي يقلل الأشعة المفقودة – إلا أنه يعاب عليه انه ذو تكلفة إنشائية عالية ومعقدة .
ه- المجمع الهوائي ذو السطح المتعرج : وهو أشبه ما يكون بالمجمعات (ذات الزعانف ) إلا أن السطح المتعرج عبارة عن جزء ملحوم في المجمع وليس سطح المجمع و يفضل فيه دهان الأرضية باللون الأسود.
المجمعات الشمسية الهوائية الأقل كفاءة :
أ- المجمع السطحي ذو التغذية الخلفية : تصميمه بسيط ومساحة سطح الامتصاص صغيرة بالمقارنة بالأنظمة السابقة وغير محتوي علي أجزاء تساعد علي تحريك الهواء داخل المجمع ليأخذ أكثر من مسار لذا تكون كفاءته قليلة .
ب- المجمع ذو النظام النسيجى : يتركب من أسطح متوازية من القماش ذو الفتحات حيث يندفع الهواء من أعلي في المقدمة ويطرد الهواء من الخلف لأسفل وهذا يحسن إلى حد ما
من الحرارة المنتقلة خلاله ولكن توجد مقاومة كبيرة مما يستدعي إضافة قوة خارجية (كهربائية مثلاً) لسحب الهواء الساخن لذلك فان هذا النظام محدود الاستخدام .
ج- المجمع ذو الفتحات : هو نظام تغذية خلفي عادى ولكن كفاءته أقل من المجمع ذو التغذية الخلفية حيث أن الفتحات واتجاه الهواء يعملان علي توليد مقاومة ما يستدعي استخدام مضخة لسحب الهواء .
ثانياً : المجمعات الشمسية التي تستخدم السوائل كوسط انتقال :
وهي المجمعات التي تستخدم السوائل كوسط انتقال ( خاصة الماء) وفيها يدفع السائل من أسفل خلال مضخة صغيرة ثم يسخن الماء وترتفع درجة حرارته ليخرج من فتحة الخروج مرتفع درجة الحرارة .
• ويتم استخدام مواسير سوداء لتمتص معظم الأشعة التي تسقط عليها.
يفضل استخدام الماء عن باقي السوائل وذلك لتميزه ببعض الخواص منها :
1- الماء مصدر طبيعي رخيص وآمن ومتوافر.
2- ذو حرارة نوعية عالية.
3- ذو لزوجة منخفضة تسهل سريانه.
4- ذو نقطة غليان مرتفعة.
5- غير قابل للاشتعال.
ولكن يراعي أخذ الاحتياطيات اللازمة لعدم الصدأ والتجمد وذلك باستخدام مواسير غير قابلة للصدأ أو إضافة مانع للصدأ و مانع للتجمد وذلك في حالة عدم استخدامه للأغراض المنزلية.
العوامل التي تؤثر علي أداء المجمعات الشمسية التي تستخدم الماء كوسط انتقال :
(وتعتبر هذه العوامل هي شروط الأداء الجيد لهذه المجمعات) ومنها :
1- اتزان السريان للسائل المستخدم .
2- ضمان سلامة الوصلات ومناطق الارتباط فى مجارى السوائل.
3- تقليل التآكل
4- بساطة التصميم وقلة تكاليف التشغيل وأعمال الصيانة .
وتقسم المجمعات التي تستخدم السوائل كوسط انتقال حسب نظام السريان إلى :
أولاً : النظم الأعلى كفاءة :
أ- ذات السريان عبر المواسير : ويكون السريان فيها خلال أنابيب يمكن تجميعها علي هيئة الواح معرجة وبانطباقهم مع بعض وبعد لحامهم لحام جيد لمنع التسرب خلال محيط المجاري الطولية .
ب- ذات السريان الكلي ( الدفق الكامل ) : وفيه يكون السطح العلوي به فتحات تسمح بسريان الماء علي السطح العلوي الداخلي .
ثانيا : النظم الأقل كفاءة :
أ- ذات المواسير الطوليه المترابطة : وهى عبارة عن ماسورة واحدة ملفوفة ( مثل سرابنتينه الثلاجة ). ويعاب عليها :
1. أنها ذات دفق أقل وقد تحتاج لوسيلة مساعدة لتتابع حركة السائل.
2. هناك تراكم لدرجات الحرارة من نقطة لأخرى .
3. لو حدث سدد في أي نقطة خلال السريان يسبب عطل كامل في النظام كله.
ب- ذات المواسير الملحومة : وهو عبارة عن مواسير متوازية ملحومة من نهايتها لتجميع خط الدفع والخروج ويعاب عليها الفقد للحرارة خلال مناطق اللحام .
حركة السوائل خلال المجمعات الشمسية :
تعتمد كفاءة المجمعات الشمسية علي مدي كفاءة انتقال الحرارة عبر السوائل المستخدمة وهذا يعتمد علي حركة السائل داخل المجمع حيث انه يجب أن يكون السريان منتظماً .
وهناك أربعة طرق رئيسية لسريان السوائل داخل المجمعات الشمسية هي :
أ- طريقة السريان المتوازي المتبادل فتحات الدخول والخروج :
يساعد هذا النظام علي تحريك السائل في خطوط متوازية بنفس المعدل تقريباً لأن الخطوط متساوية الطول. ويفضل تقسيم السريان إلى خطوط كثيرة متوازية ثم يحدث لها تجميع في النهاية وخصوصا عندما يراد رفع درجة حرارة الماء إلى درجة عالية.
والمقصود بالتبادل في هذا النظام هو تبادل وضع فتحتي الدخول والخروج حتي يتيح للسائل ان يتخلل المجمع من أحد الأطراف إلى الطرف الآخر .
ب- طريقة السريان المتوازية المباشرة :
لا ينصح باستخدام هذه الطريقة لعدم انتظام السريان حيث ان السائل يكون سريع الحركة من المنتصف وبطئ في الجوانب .
ج- طريقة السريان المموج :
لا ينصح بها لأنها لا تعطي انتظام في السريان علاوة علي المقاومة الناتجة ضد السريان مما يستلزم إضافة قدرة إضافية لدفع السوائل .
د- طريقة الألواح :
وتعد أحسن الطرق المستخدمة حيث أنها تعطي انتظام جيد للسريان وتغطي كل الألواح الامتصاص وبالتالي تكون كفاءتها في نقل الحرارة عالية عن الأنواع السابقة الذكر وذلك لزيادة المسطح المعرض للأشعة الشمسية
طرق ارتباط المجمعات الشمسية التي تستخدم السوائل :
لزيادة معدلات الماء المتدفق وكمية الحرارة المتحصل عليها يتم ربط المجمعات بأحد الطرق التالية :
1- طريقة التوصيل المتوازي المتبادل:
وهي احسن الطرق للحصول علي سريان منتظم حيث يكون معدل السريان متساو في كل وحدة ولا يحتاج إلى منظم خارجي للسريان.
2- طريقة التوصيل علي التوازي:
يكون السريان غير منتظم سريعاً في بعض الوحدات ويكون بطيئا في وحدات أخري وذلك لانخفاض الضغط علي امتداد محاور السريان.
3- طريقة التوصيل علي التوازي والتوالي :
وهي طريقة جيدة في حالة استخدام عدد من الوحدات متساو في كل صف وتصلح لمعدلات الماء العالية .
هناك تصميمات أخرى للمجمعات الشمسية منها:
1- المجمعات الشمسية ذات الأنابيب المفرغة :
وهي عبارة عن ماسورتين متداخلتين بينهما فراغ و يمر المائع داخل المواسير الداخلية الزجاجية وهي لا تحتاج إلى مواد عازلة كالتصميمات السابقة .
2- مجمعات شمسية تستخدم الانكسار والانعكاس :
وفيها تستخدم عدسة دقيقة السمك ذات تماثل دائري وذلك لتركيز أشعة الأشعة وسط العدسة ليتركز علي ماسورة الامتصاص وبالتالي يزيد من كمية الأشعة الساقطة علي وسط التسخين ومنها المجمع الشمسي المنحني ، والمجمع الشمسي المقعر .
أما الانكسار فنعني به تغيير مسار الشعاع بتغيير الوسط المار به حيث ان الوسط الأول هو الهواء والوسط الثاني هو الزجاج .
مجموعة العوامل التي تؤثرعلى كفاءة المجمعات الشمسية :
1- مادة تصنيع المجمع: يجب أن تكون المادة المستخدمة موصلة جيدة .
2- ميل المجمع: يجب ان تكون زاوية ميل المجمع تمكنه من استقبال اكبر قدر من أشعة الشمس المتعامدة علي سطح المجمع وعلي ذلك فيوصى :
أ- أن تكون زاوية ميل المجمع مساوية لخط عرض المنطقة إذا استخدم المجمع طوال العام.
ب- أن يكون ميل المجمع أقل 10-15ْ عن خط عرض المنقطة إذا استخدم المجمع صيفاً فقط.
ج- ان يكون ميل المجمع أزيد من10-15 ْعن خط عرض المنطقة اذا استخدم المجمع شتاءً فقط
3- المكان الجغرافى: الأماكن التي بها ضباب وأتربة ودخان تمتص قدر من الطاقة الشمسية وعلي ذلك فان الأماكن المفتوحة والمرتفعة تزداد فيها كمية الطاقة الممتصة بحوالي 20% عن المدن .
4- تاثير الوقت من النهار: نجد أن أشعة الشمس تختلف حسب مكان الشمس في الأفق حيث انها تبدأ ضعيفة حتي تشتد وسط النهار ثم تأخذ في الضعف حتي الغروب .
5- تاثير الظل : تساقط الظلال علي المجمع في أي لحظة من اليوم يقلل من اجمالي الطاقة الممكن تجميعها
6- خامة سطح الامتصاص: يتأثر أداء المجمعات الشمسية بالخامات المصنع منها سطح الامتصاص ومدي استوائها .
7- نقط الاتصال بين الوصلات: ونقط اللحام في خط نقل الطاقة يجب أن تكون محكمة الاتصال.
تعتبر الطاقة الشمسية من أهم مصادر الطاقة المتواجدة علي الكرة الأرضية حيث أنها مرتبطة بتتابع الليل والنهار – حركة الهواء وحدوث الرياح ودورة الماء في الطبيعة – الدورة
الحيوية للنبات – بعض العمليات الحيوية للانسان والحيوان علاوة علي كونها مصدر ضوء طبيعي.
وتبدأ دورة الطاقة في الطبيعة من الطاقة الشمسية إلى المملكة النباتية ثم إلى الحيوانات والإنسان ـ ومن دفن المواد النباتية والآدمية والحيوانية تحت ضغط وحرارة عاليتين في باطن الأرض تنتج الطاقات الكامنة كالبترول والفحم وخلافه .
]دورة الطاقة في الطبيعة ].
كما أن استهلاك الأفراد والمجتمعات للطاقة يتباين حسب مدى تحضر هذه المجتمعات ، فنجد أن الطاقة التي يستهلكها الفرد المتمدين كبيرة جداً بمقارنتها بالطاقة التي يستهلكها الإنسان البدائي – أما الإنسان الزراعي فتتركز استخداماته للطاقة معتمدا على الأدوات والحيوانات في أداء
العمليات الزراعية وهي تعتبر أول خطوة لتصنيع الطاقة – أما الإنسان الصناعي والمتمدن فانه يستخدم الطاقة بكل أنواعها.
طرق انتقال الحرارة ( الطاقة الحرارية ) :
1. التوصيل : وفيه يتم انتقال الطاقة الحرارية بين الأجسام المتلاصقة .
2. الإشعاع : وهو انتقال الطاقة الحرارية عن طريق موجات كهرومغناطيسية وهي الوسيلة التي تصل لنا بها أشعة الشمس .
3. الحمل : وهي خاصية انتقال الحرارة في السوائل والغازات حيث يتم رفع درجة حرارة الحيز المحيط بمصدر الطاقة ثم يندفع في أي حيزعن طريق تيارات الحمل
الشمس :
هي أحد الأجرام السماوية ذو مصدر اشعاعي كبير تتحرك أشعتها بسرعة 300 ألف كيلومتر/ثانية وتستغرق حوالي 8.3 دقيقة لتصل لسطح الأرض , ويبلغ قطرها = 1.39 مليون كيلومتر, ومتوسط بعدها عن الأرض 150 ميلون كيلومتر , ودرجة حرارة سطحها 5760 ْم .
حسابات الطاقة الشمسية :
أشعة الشمس التى تصل إلينا من خلال طبقات الجو عمودياً على وحدة المساحة بكثافة 1.4كيلووات/مترمربع ويسمى الثابت الشمسى وقد يختلف بنسبة 3.5% بسبب دوران الأرض حول الشمس حيث أن الأرض بيضاوية قليلاً. وأشعة الشمس الساقطة تنقسم إلى أشعة مباشرة وغير مباشرة وأشعة منعكسة وإشعاعات الشمس تحتوى على موجات مختلفة من الإشعاعات تتراوح أطوال موجاتها 10 -10 إلى 1000م وفى الطبقات العليا من الهواء(20-50 كم) يمتص غاز الأوزون أغلب الموجات القصيرة وكذلك بخار الماء يمتص الموجات الطويلة ويصل إلى الأرض الموجات المتوسطة التى تقع بين0.2ـ 3.0 ميكرون.
وعلى ذلك فانه من كل 100 وحدة من أشعة الشمس ينعكس الى أعلى مرة أخرى 25 وحدة بسبب السحب ، ويمتص حوالى 16 وحدة فى الجو ويتشتت حوالى 7 وحدات ويمتص بخار الماء وحدة واحدة ولا يصل الى سطح الأرض الا 51 وحدة فقط.
الثابت الشمسي : (Gsc)
هو الطاقة المشعة من الشمس في وحدة الزمن الساقطة علي وحدة مساحة متعامدة لاتجاه الإشعاع الشمسي وتبعد مسافة مساوية لمتوسط بعد الأرض عن الشمس وتبلغ قيمته حوالي 1.4 كيلوات / م2 ويختلف بنسبة 3.5 % ( قيمة الثابت GSC = 1.4 + 3.5 kW/m2 ) .
زاوية ميل الشمس (d ) :
هي الزاوية التى تقع بين الخط الواصل بين الشمس والأرض والمستوي المار بخط الإستواء , وتتغير هذه الزاوية بتغير التاريخ حيث تتراوح قيمتها ما بين الصفر° , + 23.5° . ويمكن حسابها من المعادلة التالية :
d = 23.45 Sin ( 300* 284 + n)
365
حيث أن :
n = اليوم من السنة الذي يتم عنده حساب زاوية ميل الشمس و تتراوح قيمتها ما بين 1 إلى 365 يوم
لذلك فهناك جداول فيها قيمة (d ) خلال السنة حيث العامل المتغير الوحيد في المعادلة هو n ) ) ومعلوم حدود تغيره .
طول النهار :
يزداد طول النهار من ديسمبر حتى يونيو ويقل من يونيو إلى ديسمبر وذلك في الجزء الشمالي من الأرض ويعكس ذلك في الجزء الجنوبي من الأرض .
التوقيت الشمسي :
يعرف التوقيت الشمسي المتوسط (Lst) بأنه الوقت المحلي لو كانت الأرض تدور حول الشمس بسرعة ثابته [ وحيث ان مدار الأرض حول الشمس بيضاوي فهذا يعني أن سرعة الدوران غير ثابتة وبالتالي فأن الشمس تظهر متقدمة أو متأخرة عن الوقت المتوسط حسب اليوم من السنة وهذا الذي يسبب فروق التوقيت يوم عن يوم].
ويتم حساب التوقيت الحقيقي من خلال معادلة الزمن التالية :
Solar Time = Standard Time + 4 ( Lst – L Loc ) + E
حيث أن :
Solar Time = التوقيت الشمسي لمنطقة ما .
Standard Time = الوقت المحلي القياسي للمنطقة .
4 = ثابت بمعدل تغير الوقت الشمسي 4 دقيقة لكل درجة من دوران الأرض .
و حيث أن الأرض تدور 360º في اللفة حول نفسها بما يقابل يوم كامل .
قيمة الثابت = ( 24 × 60 ) ÷ 360 = 4 دقيقة / درجة من دوران الأرض.
Lst = عبارة عن خط وهمي يمر بالمركز التقريبي لكل نطاق زمني وذلك لكل 15 ْ من دوران الأرض . قيمته تكون صفرº أو 15 ºأومضاعفات 15º إلى 360º.
L Loc = خط طول المنطقة .
E = معامل تصحيح الوقت وهو مرتبط باليوم من السنة وهو موجود في
المجمعات الشمسية :
هي مبادلات حرارية تستخدم أشعة الشمس في تسخين مادة ناقلة غالباً ما تكون الماء أو الهواء – وتصنع المجمعات الشمسية من الزجاج أو البلاستيك الذي يسمح بنفاذ الأشعة تحت الحمراء ( الأكثر أهمية ) ويجب ان يكون سطح المجمع مستوي حتى لا يشتت الأشعة الساقطة علي المجمع .
تنقسم المجمعات الشمسية حسب وسط التسخين إلى:
المجمعات الشمسية التى تستخدم الهواء كوسط انتقال ، وتلك التى تستخدم الماء كوسط انتقال
أولا : المجمعات الشمسية الهوائية وتتميز بما يلى :
1- عدم إتلاف الأسطح الماصة للحرارة. 2-لا تحدث تسرب للهواء.
3- مصدر طبيعي آمن ورخيص ومتوافر. 4- مجمعات ذات تصميم بسيط .
ويعـــــاب عليها :
1- قلة كفاءة الهواء في نقل الحرارة .
2- تحتاج لأجهزة مساعدة لرفع كفاءة الأداء.
ويشترط لحسن أداء المجمعات الهوائية:
1- أن يكون السطح المقابل للشمس مستوى تماما.
2- أن تكون مساحة السطح كبيرة بالنسبة لحجم الهواء المار.
3- ألا تسبب حركة الهواء دوامات داخل مسار الهواء .
4- أن يكون سريان الهواء داخل المجمع من الخلف إلى الأمام
5- يفضل استخدام مواد معينة في المجمعات الهوائية مثل الألومنيوم والصلب المجلفن
المجمعات الشمسية الهوائية الأعلى كفاءة :
أ- ذات الزعانف الخلفية : وفيه تعمل الزوائد علي زيادة سطح الامتصاص مما يحسن من كمية الحرارة المنتقلة وهذا النظام هو الأكثر انتشاراً .
ب- المجمع ذو اتجاهين للهواء : يتم فيه مرور الهواء من السطح الأمامي فيخفض درجة حرارة السطح العلوي مما يقلل من كمية الحرارة المفقودة – وعند مروره مرة أخري للسطح السفلي ترتفع درجة الحرارة وبالتالي يقل فقد الحرارة من السطح المعرض للشمس وبالتالي نرفع من كفاءة المجمع الا أنه يحتاج لفترة زمنية لمرور الهواء وأنه ذو معدل تدفق أقل.
ج- المجمع الهوائي المزدوج : فيه يمر الهواء في نفس الوقت من أسفل وأعلي سطح الامتصاص وبعض الحرارة قد تفقد خلال الزجاج العلوي لكن الحرارة المكتسبة من
سطح الامتصاص أعلي مما يفقده من خلال الزجاج – وبالتالي تلافي عيوب المجمع ذو الاتجاهين.
د- المجمع الزجاجي ذو الألواح الزجاجية المتداخلة : فيه يمر الهواء خلال الأسطح المتوازية بالإضافة إلى أن الجزء الشفاف من كل لوح يسمح بحجز الأشعة دون الحمراء من اللوح الذي يليه وبالتالي يقلل الأشعة المفقودة – إلا أنه يعاب عليه انه ذو تكلفة إنشائية عالية ومعقدة .
ه- المجمع الهوائي ذو السطح المتعرج : وهو أشبه ما يكون بالمجمعات (ذات الزعانف ) إلا أن السطح المتعرج عبارة عن جزء ملحوم في المجمع وليس سطح المجمع و يفضل فيه دهان الأرضية باللون الأسود.
المجمعات الشمسية الهوائية الأقل كفاءة :
أ- المجمع السطحي ذو التغذية الخلفية : تصميمه بسيط ومساحة سطح الامتصاص صغيرة بالمقارنة بالأنظمة السابقة وغير محتوي علي أجزاء تساعد علي تحريك الهواء داخل المجمع ليأخذ أكثر من مسار لذا تكون كفاءته قليلة .
ب- المجمع ذو النظام النسيجى : يتركب من أسطح متوازية من القماش ذو الفتحات حيث يندفع الهواء من أعلي في المقدمة ويطرد الهواء من الخلف لأسفل وهذا يحسن إلى حد ما
من الحرارة المنتقلة خلاله ولكن توجد مقاومة كبيرة مما يستدعي إضافة قوة خارجية (كهربائية مثلاً) لسحب الهواء الساخن لذلك فان هذا النظام محدود الاستخدام .
ج- المجمع ذو الفتحات : هو نظام تغذية خلفي عادى ولكن كفاءته أقل من المجمع ذو التغذية الخلفية حيث أن الفتحات واتجاه الهواء يعملان علي توليد مقاومة ما يستدعي استخدام مضخة لسحب الهواء .
ثانياً : المجمعات الشمسية التي تستخدم السوائل كوسط انتقال :
وهي المجمعات التي تستخدم السوائل كوسط انتقال ( خاصة الماء) وفيها يدفع السائل من أسفل خلال مضخة صغيرة ثم يسخن الماء وترتفع درجة حرارته ليخرج من فتحة الخروج مرتفع درجة الحرارة .
• ويتم استخدام مواسير سوداء لتمتص معظم الأشعة التي تسقط عليها.
يفضل استخدام الماء عن باقي السوائل وذلك لتميزه ببعض الخواص منها :
1- الماء مصدر طبيعي رخيص وآمن ومتوافر.
2- ذو حرارة نوعية عالية.
3- ذو لزوجة منخفضة تسهل سريانه.
4- ذو نقطة غليان مرتفعة.
5- غير قابل للاشتعال.
ولكن يراعي أخذ الاحتياطيات اللازمة لعدم الصدأ والتجمد وذلك باستخدام مواسير غير قابلة للصدأ أو إضافة مانع للصدأ و مانع للتجمد وذلك في حالة عدم استخدامه للأغراض المنزلية.
العوامل التي تؤثر علي أداء المجمعات الشمسية التي تستخدم الماء كوسط انتقال :
(وتعتبر هذه العوامل هي شروط الأداء الجيد لهذه المجمعات) ومنها :
1- اتزان السريان للسائل المستخدم .
2- ضمان سلامة الوصلات ومناطق الارتباط فى مجارى السوائل.
3- تقليل التآكل
4- بساطة التصميم وقلة تكاليف التشغيل وأعمال الصيانة .
وتقسم المجمعات التي تستخدم السوائل كوسط انتقال حسب نظام السريان إلى :
أولاً : النظم الأعلى كفاءة :
أ- ذات السريان عبر المواسير : ويكون السريان فيها خلال أنابيب يمكن تجميعها علي هيئة الواح معرجة وبانطباقهم مع بعض وبعد لحامهم لحام جيد لمنع التسرب خلال محيط المجاري الطولية .
ب- ذات السريان الكلي ( الدفق الكامل ) : وفيه يكون السطح العلوي به فتحات تسمح بسريان الماء علي السطح العلوي الداخلي .
ثانيا : النظم الأقل كفاءة :
أ- ذات المواسير الطوليه المترابطة : وهى عبارة عن ماسورة واحدة ملفوفة ( مثل سرابنتينه الثلاجة ). ويعاب عليها :
1. أنها ذات دفق أقل وقد تحتاج لوسيلة مساعدة لتتابع حركة السائل.
2. هناك تراكم لدرجات الحرارة من نقطة لأخرى .
3. لو حدث سدد في أي نقطة خلال السريان يسبب عطل كامل في النظام كله.
ب- ذات المواسير الملحومة : وهو عبارة عن مواسير متوازية ملحومة من نهايتها لتجميع خط الدفع والخروج ويعاب عليها الفقد للحرارة خلال مناطق اللحام .
حركة السوائل خلال المجمعات الشمسية :
تعتمد كفاءة المجمعات الشمسية علي مدي كفاءة انتقال الحرارة عبر السوائل المستخدمة وهذا يعتمد علي حركة السائل داخل المجمع حيث انه يجب أن يكون السريان منتظماً .
وهناك أربعة طرق رئيسية لسريان السوائل داخل المجمعات الشمسية هي :
أ- طريقة السريان المتوازي المتبادل فتحات الدخول والخروج :
يساعد هذا النظام علي تحريك السائل في خطوط متوازية بنفس المعدل تقريباً لأن الخطوط متساوية الطول. ويفضل تقسيم السريان إلى خطوط كثيرة متوازية ثم يحدث لها تجميع في النهاية وخصوصا عندما يراد رفع درجة حرارة الماء إلى درجة عالية.
والمقصود بالتبادل في هذا النظام هو تبادل وضع فتحتي الدخول والخروج حتي يتيح للسائل ان يتخلل المجمع من أحد الأطراف إلى الطرف الآخر .
ب- طريقة السريان المتوازية المباشرة :
لا ينصح باستخدام هذه الطريقة لعدم انتظام السريان حيث ان السائل يكون سريع الحركة من المنتصف وبطئ في الجوانب .
ج- طريقة السريان المموج :
لا ينصح بها لأنها لا تعطي انتظام في السريان علاوة علي المقاومة الناتجة ضد السريان مما يستلزم إضافة قدرة إضافية لدفع السوائل .
د- طريقة الألواح :
وتعد أحسن الطرق المستخدمة حيث أنها تعطي انتظام جيد للسريان وتغطي كل الألواح الامتصاص وبالتالي تكون كفاءتها في نقل الحرارة عالية عن الأنواع السابقة الذكر وذلك لزيادة المسطح المعرض للأشعة الشمسية
طرق ارتباط المجمعات الشمسية التي تستخدم السوائل :
لزيادة معدلات الماء المتدفق وكمية الحرارة المتحصل عليها يتم ربط المجمعات بأحد الطرق التالية :
1- طريقة التوصيل المتوازي المتبادل:
وهي احسن الطرق للحصول علي سريان منتظم حيث يكون معدل السريان متساو في كل وحدة ولا يحتاج إلى منظم خارجي للسريان.
2- طريقة التوصيل علي التوازي:
يكون السريان غير منتظم سريعاً في بعض الوحدات ويكون بطيئا في وحدات أخري وذلك لانخفاض الضغط علي امتداد محاور السريان.
3- طريقة التوصيل علي التوازي والتوالي :
وهي طريقة جيدة في حالة استخدام عدد من الوحدات متساو في كل صف وتصلح لمعدلات الماء العالية .
هناك تصميمات أخرى للمجمعات الشمسية منها:
1- المجمعات الشمسية ذات الأنابيب المفرغة :
وهي عبارة عن ماسورتين متداخلتين بينهما فراغ و يمر المائع داخل المواسير الداخلية الزجاجية وهي لا تحتاج إلى مواد عازلة كالتصميمات السابقة .
2- مجمعات شمسية تستخدم الانكسار والانعكاس :
وفيها تستخدم عدسة دقيقة السمك ذات تماثل دائري وذلك لتركيز أشعة الأشعة وسط العدسة ليتركز علي ماسورة الامتصاص وبالتالي يزيد من كمية الأشعة الساقطة علي وسط التسخين ومنها المجمع الشمسي المنحني ، والمجمع الشمسي المقعر .
أما الانكسار فنعني به تغيير مسار الشعاع بتغيير الوسط المار به حيث ان الوسط الأول هو الهواء والوسط الثاني هو الزجاج .
مجموعة العوامل التي تؤثرعلى كفاءة المجمعات الشمسية :
1- مادة تصنيع المجمع: يجب أن تكون المادة المستخدمة موصلة جيدة .
2- ميل المجمع: يجب ان تكون زاوية ميل المجمع تمكنه من استقبال اكبر قدر من أشعة الشمس المتعامدة علي سطح المجمع وعلي ذلك فيوصى :
أ- أن تكون زاوية ميل المجمع مساوية لخط عرض المنطقة إذا استخدم المجمع طوال العام.
ب- أن يكون ميل المجمع أقل 10-15ْ عن خط عرض المنقطة إذا استخدم المجمع صيفاً فقط.
ج- ان يكون ميل المجمع أزيد من10-15 ْعن خط عرض المنطقة اذا استخدم المجمع شتاءً فقط
3- المكان الجغرافى: الأماكن التي بها ضباب وأتربة ودخان تمتص قدر من الطاقة الشمسية وعلي ذلك فان الأماكن المفتوحة والمرتفعة تزداد فيها كمية الطاقة الممتصة بحوالي 20% عن المدن .
4- تاثير الوقت من النهار: نجد أن أشعة الشمس تختلف حسب مكان الشمس في الأفق حيث انها تبدأ ضعيفة حتي تشتد وسط النهار ثم تأخذ في الضعف حتي الغروب .
5- تاثير الظل : تساقط الظلال علي المجمع في أي لحظة من اليوم يقلل من اجمالي الطاقة الممكن تجميعها
6- خامة سطح الامتصاص: يتأثر أداء المجمعات الشمسية بالخامات المصنع منها سطح الامتصاص ومدي استوائها .
7- نقط الاتصال بين الوصلات: ونقط اللحام في خط نقل الطاقة يجب أن تكون محكمة الاتصال.
تعليق