Solar energy

1. Solar energy

2. تكنولوجيات الطاقات المتجددة

3. الإشعاع الشمسي العالمي خريطة الإشعاع الشمسى على العالم

4. Potential of Solar Energy in Palestine • it has about 3000 sunshine hours per year • annual average of solar radiation amounting to 5.4 kWh/m2 – day (19.44MJ) on horizontal surface, which classified as a high • in December, it amounts to 2.63 kWh/ m2 - day. • In June: 8.4 kWh/m2 - day

5. النظم الشمسية للطاقة التي يمكن تصنيفها إلى نوعين أساسيين: النظم الحرارية Photothermal: التي تستخدم طاقة الشمس على شكل حرارة كنظم تدفئة أو تبريد الفراغ وتسخين المياه, ونظم استخدامات الضوء : التي تحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربية أو ضوء Photoelectric ومن أشهرها الوحدات الفوتوفلتية ونظم الحرارة الشمسية

6. وجد بالدراسات المناخية والجغرافية أن أى منظومة شمسية ( خلايا فوتوفولطية او سخانات شمسية ) توجه ناحية خط الإستواء وعلى زاوية ميل على الافقي تساوى تقريباً ( خط العرض الواقع به الموقع ) , وفى الشتاء يتم زيادة (10ْ ) فوق خط عرض المكان فى حالة السخانات الشمسية لزيادة الكفاءة أشكال توضح زوايا ميول وحدات الخلايا الشمسيةPV cells على المستوى الأفقي والرأسي وفي فلسطين يتم الميول على زاوية 32 درجة لأكبر اكتساب شمسي The tilted angle β is fixed seasonally as follows: β =L+10 =32 +10 =42 during winter period. β =L=32 during spring and autumn period. β = L-10 =32-10=22 during summer period.

7. كيفية وضع المباني لاستقطاب الطاقة الشمسية صيفاً وشتاءً

8. Solar collectors • وتتوقف كفاءة النظام الشمسي على على عدة عوامل هي: • كميات الإشعاع الشمسي الساقطة على المجمع. • فترة السطوع للشمس خلال اليوم والشهر والسنة. • كفاءة التخزين الحراري لمكان تخزين المياه الساخنة. • كفاءة المجمع الشمسي ومعدل فقده للحرارة. استخدامات النظم الحرارية الشمسية

9. Solar thermal systems النظم الشمسية لتسخين المياه • السخانات الشمسية (المعروف أيضا باسم الواح شمسيه) هو وسيلة لتحويل اشعه الشمس إلى حرارة وتخزينها لاستخدامها فيما بعد • ويمكن صناعة السخانات الشمسية في عدة أحجام لتلبية الاحتياجات من الطاقة الشمسية حسب درجات الحرارة المطلوبة للمياه: • دافئة (أقل من 50 درجة مئوية ) لحمامات السباحة • أو ساخنة (من 60 –80 درجة مئوية ) للاستعمال المنزلي • أو مغلية للحصول علي بخار لتوليد الكهرباء . • وهذا يعتمد علي قدرة السخان الشمسي وتصميمه

10. أنواعSolar thermal systems • وأبسط هذه السخانات السخان الشمسي المسطح flat-plate solar heater (collector) : • وهو عبارة عن صندوق معزول معدني له غطاء من الزجاج العادي أو البلاستيك الشفاف وبداخله لوح ماص للحرارة ملون وغامق. وغالبا باللون الأسود لإمتصاص حرارة أشعة الشمس .وبداخله أنابيب يمر بها الماء لتسخينه ، أو الهواء المراد تسخينه للتدفئة . • واللوح الماص من معدن نحاس أو ألمونيوم أو من سبيكة منهما • والماء الساخن يخزن في خزانات عازلة للحرارة بداخلها . وقد يكون من الزجاج أو الفيبرجلاس للاحتفاظ بحرارة الماء ولاسيما للاستعمال أثناء الليل

11. سخان (مجمع)الأنبوب المفرغ Evacuated-tube heater • لتسخين الماء بدرجة عالية حيث تدخل الشمس من خلال السطح الزجاجي لتقع علي أنابيب زجاجية شفافة مفرغة من الهواء ومغلقة ومتوازية وبداخلها أنابيب ماصة للحرارة تمر بها المياه لتسخن بالتلامس • وتخزن المياه في خزان . • وهناك أنابيب مفرغة وبداخلها أنابيب المياه المراد تسخينها, يسع الأنبوب 19 لتر ماء . مما يجعلها لاتحتاج لخزانات بجوارها لتخزين المياه الساخنة.ويمكن وضع الجهاز مائلا رأسيا أو أفقيا

12. السخانات المركزة Concentrating Collectors: • التي تستخدم المرايا المقعرة لتعكس الأشعة المركزة للشمس فوق اللوح الماص لتقع في بؤرة تجميع لأشعة الشمس فوق المستقبل بحيث يمر به الماء المراد تسخينه • تعطي درجات حرارة للماء أعلي بكثير من السخانات الشمسية العادية . • وتدور مع إتجاه الشمس . • وهذا النوع يعطي ماء مغليا أو يستخدم في تقطير وتعذيب المياه المالحة أو الطبخ الفرن الشمسي SOLAR COOKERS

13. السخانات الشمسية كمحدد معماري الاعتبارات الفنية الواجب مراعاتها في اختيار وتركيب السخان الشمسي :هناك عدة اعتبارات فنية يتم على ضوئها اختيار وتركيب السخان الشمسي المناسب نذكر منها:1-نوع منظومة السخان الشمسي والتي يتم تحديدها بناءاً على طبيعة الاستهلاك ونوعية المياه المتوفرة وكمية المياه المطلوبة للاستعمال اليومي .2-سعة الخزان و التي تمثل كمية المياه المطلوبة للاستعمال اليومي والتي تعتمد بالدرجة الاولى على عد د افراد المنزل .3-زاوية الميل للمجمعات الشمسية والتي يجب ان تتناسب مع الموقع الجغرافي للمنزل .4-تثبيت السخان الشمسي بإحكام مواجهاً للجنوب بقدر الامكان مع تفادي حدوث ظلال على سطح المجمع من المباني المجاورة.5- تغطية اسطح المجمعات الشمسية كلما دعت الحاجة الى ذلك.6-خدمة الصيانة والمتابعة .

14. ولحساب الأحمال المطلوبة من المياه الساخنة يلزم تحديد الحمل اليومي من الطاقة ودرجة الحرارة المطلوبة للتسخين طبقاً للمعادلة التالية: • P = MC (Thot - T cold) • P = الحمل اليومي من الطاقة (kWh/day) • M= الكتلة من الماء في اليوم (kg/day), 3.785 kg/gallon • C = الحرارة النوعية للماء = 0.001167 kWh/kgC • Thot = درجة حرارة المياه الساخنة المطلوبة (ْم) وتصل عادةً إلى 50ْم=120ْف • Tcold = درجة حرارة المياه الساخنة المطلوبة (ْم) وتصل عادةً إلى 18ْم=65 ْف تحديد حجم النظام الشمسي: يعتمد حجم النظام الشمسي على الأحمال اليومية المطلوبة من المياه الساخنة وكثافة الإشعاع الشمسي: Ac = P / (  solar Imax)

15. تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية

16. منظومات تتبع الشمس : Sun Tracking • بالنسبة لمجمعات الطاقة الشمسية الثابتة فيتم حساب زوايا ميولها على المستوى الأفقي والرأسى • أما المجمعات الطاقة الشمسية المتحركة فيتم توجيهها بواسطة جهاز يسمى ( Sun Tracker ) أى المتتبع الشمسى , ويتم برمجة حركــة الجهاز حسب الموقع من خطوط الطول والعرض وحركة الشمس طوال العام , • وهذه المنظومات تزيد من مقدار الطاقة المحصلة من الشمس عـن الانظمة الثابتة بنسبة 33% , منظومات تتبع الشمس Sun Tracking

17. حساب تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية • كل واحد كيلووات طاقة كهربائية تنتج من خلايا PV )1000 وات( تنتج من مساحة قدرها 1 م2 , • بمعنى أن (1 كيلووات/م2) أى 1م2 خلايا PV تنتج 1 كيلووات • وذلك في حالات أقصى إشعاع شمسي متعامد ولحظياً , وتقل بطبيعة الحال في وجود السحاب أو يختل تعامد الشمس

18. منهجية إستخدام الطاقة الشمسية كمحدد معمارى • محطات أقليمية لتوليد طاقة شمسية (وحدات قطع ناقص - وحدات فوتوفولتية ) • وتعتمد هذه الفكرة على تركيز أشعة الشمس على أنبوب (Tube) به زيت فترتفع درجة حرارته ويمر هذا الزيت على مبادل حراري به ماء حيث يسخن فيتبخر ونتيجة هذا البخار تدور توربينات توليد طاقة كهربائية وكلما زادت ضخامة المحطة كلها زادت القدرة الكهربية المستمدة منها . • ويمكن أن تكون المرايا إما مسطحة الشكلFlatأو على شكل قطع مكافئ (Parabolic) ويمكن ان تزود ببرنامج تتبع الشمسSun tracker لزيادة كفاءتها بنسبة 33% وكلما زادت ضخامة المحطة كلها زادت القدرة الكهربية المستمدة منها

19. محطات أقليمية لتوليد طاقة شمسية (قطع مكافئ ) • تعتمد فكرة هذه المحطة على تركيز أشعة الشمس على مجمع (Container) به زيت فيغلى وينتقل إلى مبادل حراري به ماء حيث يسخن فيبخر الماء ونتيجة لهذا البخار تدور توربينات توليد طاقة كهربائية . ويمكن زيادة عدد هذه الوحدات العاكسة – (على شكل كروى) لزيادة قدرة المحطة. • وهذه الوحدات إما أن تكون ثابتة أو متحركة لتتبع الشمس وتزيد بالتالى كفائتها بنسبة 33%

20. محطات أقليمية لتوليد طاقة شمسية (المرايا العاكسة ) • وهذه المحطة تعتمد فى فكرتها على المحطتين السابقتين الا أنها يمكن زيادة مسطحات المرايا العاكسة لزيادة قدرة المحطة – وذلك حتى حد معين – ولابد لهذه المرايا أن تكون متحركة لتتبع حركة الشمس منذ إشراقها حتى قبل الغروب . وتكون القدرة الكهربية لهذه المحطة كبيرة ولهذا يفضل ان تكون محطات إقليمية مستقلة أو متصلة بشبكة التوزيع الأساسية للمدينة .

21. محطات إقليمية لتوليد الطاقة من المداخن الشمسية (Solar Chimney) • حيت تعتمد على الإشعاع الشمسي الذي يسخن الهواء فى الجزء السفلى من المحطة حيث يسخن وتقل كثافته فيرتفع لأعلى بسرعات رهيبة (حيث فرق درجات الحرارة كبير جدا) ويمر هذا الهواء فى المدخنة التى بها توربين فيولد الكهرباء .وهذه المحطات قدرتها كبيرة جداً لدرجة تجعلها محطات إقليمية على مستوى المدن وإن كانت حتى الأن فى طور التجارب

22. محطات إقليمية لتوليد الطاقة من وحدات فوتوفولتية • وهى محطات تعتمد فى توليدها للطاقة الكهربائية على تجميع أكبر قدر ممكن وحدات الخلايا الشمسية فى منظومة متكاملة , ويمكن أن تكون تلك الوحدات ثابتة أو متحركة بواسطة Sun tracker لزيادة كفاءة الطاقة المنتجة , وتتميز هذه المحطات بإمكانية تشغيلها على نطاق واسع (إقليمى , عدة قرى سياحية , تجمع سكنى , مدن جديدة) , أو على نطاق ضيق ( قرية سياحية واحدة ) .

23. ( ثانياً ) على مستوى الوحدة السكنية بدائل المعالجات المعمارية • فى حالات تعذر وضع الخلايا الفوتوفولتية على الأسطح أو على المنشأ يمكن الاعتماد على الفراغات المحيطة بالمنشأ مع عدم تعرضه للظلال المباشرة ولذلك يفضل وضع الخلايا الفوتوفولتية في الاتجاه الجنوبي الشرقي، الجنوبي، الجنوبي الغربي للمبنى وتلافى الظلال من المباني المجاورة .

24. استغلال الأسقف • فى حالة توزيع الوحدات على أكثر من مجموعة يراعى دراسة الظلال حتى لا تلقى بالظلال على نفسها • يراعى أن يكون السقف سهل الوصول اليه لسهولة عمليات الصيانة الدورية . • يراعى توفير أماكن للبطاريات وحفظها من العوامل الجوية المختلفة . • يراعى تلافى سقوط ظلال على الوحدات الفوتوفولتية من أى مبنى مجاور أو عناصر عالية كالأبراج أو الأشجار.

25. في هذه الحلول يمكن للمعماري استغلال الواجهة الجنوبية للمبنى فى عمل تشكيل معماري حيث يمكن توظيفه لخدمة توجيه وحدات الخلايا الفوتوفولتية مع تلافى الظلال . • ويمكن للفراغات أسفل الوحدات ان تستغل كأماكن للبطاريات وباقي الأجهزة اللازمة أو كفراغات لعمل عزل حراري لتلافى الشمس المباشرة .

26. فى الحلول المتاحة فى السقف المائل يمكن إستغلال السقف بتوجيه ميوله ناحية الجنوب وبزاوية ميل على الافقى تساوى الزاوية المطلوبة لوحدات الخلايا الفوتوفولتية . • يمكن تقسيم السقف الى عدة وحدات مائلة لتوزيع اكبر كمية من وحدات الخلايا الفوتوفولتية عليه . • يمكن إستغلال السقف المائل فى عمل العزل الحرارى المتاح . • يمكن توجيه الميول للسقف بشكل منعزل عن توجيه المبنى .

27. استغلال الواجهة والمدخل استغلال المعالجات المعمارية لاستقطاب الأشعة الشمسية

29. الأسطح المنحنية • الأشكال المتعددة و المختلفة لوحدات الطاقة الشمسية الخلايا الفوتوفولتية

30. في حالة استخدام وحدات الطاقة من الخلايا الفوتوفولتية على شكل قطع مكافئ تزيد من فرص استقبالها لأشعة الشمس وفى هذه الحالة يراعى المعماري بعض الحلول التي تتوافق مع شكل القطع المكافئ . • وفى حالة استخدام أنظمة (Sun Tracking) تتبع الشمس تزيد كفاءة الطاقة المتجددة بنسبة 33% عن الأنظمة الثابتة . وكذلك الحال في حالة استخدام أنظمة مركزة لأشعة الشمس عن طريق العدسات وتسمى Concentrator .

31. يمكن تجميع عدة وحدات سكنية ذات حمل كهربي (محدد) وعمل محطة مصغرة من وحدات الخلايا الفوتوفولتية في مكان مخصص بالخدمات ويراعى فيه عدم وجود ظلال ومواجه للجنوب وسهل الوصول اليه لعمل الصيانة . وبذلك يمكن تطبيق هذا الأسلوب على عدد من الخدمات مثل حمامات السباحة – النادي الصحي – المطبخ … الخ .

32. يشير مصطلح الفوتوفلتيكPV إلى الجمع بين كلمة photo وتعني باليونانية الضوء وكلمة Volta نسبة إلى العالم الفيزيائي الايطالي Alessandro Volta مخترع البطارية الكيميائية سنة 1800. تقوم الوحدات الفوتوفلتية بتحويل ضوء الشمس المباشر إلى طاقة كهربائية فعندما تصطدم طاقة ضوء الشمس بالمواد شبه الموصلية المكونة للخلية الشمسية تفقد الالكترونات المكونة لذراتها في ظاهرة تسمى التأثير الفوتوفلتي وتتحرك باتجاه واحد مكونة تيار كهربي يتدفق خلال الخلية الشمسية لتوليد تيار كهربي مستمر

33. مكونات نظام الخلايا الشمسية(Photo Voltaic Cells)

34. أنواع نظم الوحدات الفوتوفلتية • تتحدد كفاءة الخلية الشمسية بالعلاقة بين نسبة الطاقة الناتجة (وات) ووحدة المساحة (م2) ويمكن تقسيم نظام الوحدات الفوتوفلتية عموماً إلى: • النظم المنفصلة Stand-alone systems وهي التي تعتمد على الطاقة الناتجة عن الوحدات الفوتوفلتية فقط وتلحق عادة بجهاز تحكم وبطاريات.

35. النظم المدمجة Hybrid systems وهي تجمع بين خلايا الوحدات الفوتوفلتية ونظم مكملة أخرى لتوليد كهرباءكتوربينات الرياح والديزل والغاز. وتلحق ببطاريات صغيرة ونظم تحكم. النظم المتصلة بالشبكة Grid connected systemsوهي تعمل كمحطات طاقة صغيرة تغذي الشبكة.

37. لحساب مساحة PV • مثال: • مدة السطوع الشمسي على مدينة غزة هو 5 ساعات , مصفوفة فوتوفلتية قدرتها 75وات فسوف تنتج معدل كهربائي : • 75وات * 5 ساعات = 375 وات/ اليوم • مساحة PV =(الحمل الكلي للمبنى\ كفاءة المحول * ساعات السطوع الشمسي) كفاءة Polycrystalline “PV array“ = 8-12%

38. خطوات تركيب نظام شمسي من الوحدات الفوتوفلتية PV بالمسكن • الخطوة الأولى: تحديد الأحمال المطلوبة بالمسكن سواء من التيار المتردد أو المستمر وتحديد قوة التيار الكهربائي وعدد ساعات التشغيل في اليوم ويراعى عند تحديد احتياجات الطاقة تأثيرها المباشر على: • مساحة الوحدات الفوتوفلتية اللازمة لتلبية أحمال الطاقة المطلوبة أو إعادة شحن البطاريات. • قدرة البطاريات اللازمة لتلبية أحمال الطاقة المطلوبة دون تشغيل المولد الاحتياطي في فترات الليل أو غياب السطوع الشمسي. • كمية الوقود اللازم للمولد أو حجم النظام المتكامل مع نظام الوحدات الفوتوفلتية • الخطوة الثانية: اختيار النظام المنفصل الأنسب: • تحديد نوع النظام : ويؤثر على نوع النظام عدة عوامل منها: متطلبات أحمال الطاقة الكلية والقصوى سواء كان التطبيق موسمي أو طول العام, مرونة النظام, وبعد مكان تثبيت النظام عن الشبكة الخارجية. • تقييم الإشعاع الشمسي • تقييم حجم مصفوفة الوحدات الفوتوفلتيةPV اللازمة وقدرة البطاريات