هنا

[jabir ibn hayyan]

التبريد باستخدام الطاقة الشمسية

من بين الآلاف من تطبيقات الطاقة الشمسية اخترت لكم التبريد خصوصاً، لماذا التبريد؟ لأنه و بكل بساطة من المهم أن نفهم أن أحد القطاعات الأكثر استهلاكاً للطاقة الكهربائية هو التبريد، إذا لم تصدقني فلك أن ترى ما هو مكتوب خلف ثلاجتك و التي ستلاحظ بأنه استهلاكها يدور حول الـ (540) واط، هذا باعتبار أن ثلاجتك بحجم يصل إلى (20) قدماً مكعباً. ليس هناك مشكلة كبيرة تماماً في الـ (540) واط، و لكن هناك مشكلة حقيقية في استمرار استهلاكه للكهرباء باستمراره بالعمل لمدة (15) ساعة يومياً. أما التكييف المركزي فهو بالوعة كهربائية بحد ذاته عندما تصل حاجته إلى ما يقرب الـ (5,000) واط. و لتقريب الصورة عن مقدار ما يمكن للـ (واط) أن يعمله، يمكنك تخيل أن الـ 100 واط كفيلة بتشغيل مصباح عالي التوهج و 150 واط كفيلة بتشغيل تلفزيون ملون قياس 25 بوصة. بإمكانك أن ترى كيف يتربع التكييف على هرم الاستهلاك الكهربائي من خلال الجدول التالي:

الجهاز	الاستهلاك بالواط
ساعة راديو	1
ساعة كهربائية	3
راديو (استعمال سكاني)	5
آلة حلاقة	15
تلفاز أبيض و أسود (12 بوصة)	20
مروحة طاولة	25
مصباح (25 واط، مدمج و فلوري)	28
مستقبل ساتلايت	30
مسجل	30
مشغل أقراص مدمجة	35
مصباح (40 واط، هالوجين و يعمل بالتيار المستمر)	40
مشغل فيديو منزلي	40
مروحة سقف (تعمل بالتيار المتناوب)	50
حاسوب (محمول)	50
مصباح (50 واط، يعمل بالتيار المستمر)	50
تلفزيون ملون (19 بوصة)	70
طابعة حاسوب	100
سخان كهربائي (لحوض سمك)	100
مصباح (100 واط)	100
آلة خياطة	100
مكنسة (يدوية)	100
فرشاة أسنان كهربائية	100
حاسوب (مكتبي)	150
تلفزيون ملون (25 بوصة)	150
إبريق قهوة	200
بطانية كهربائية (Electric Blanket)	200
آلة كاتبة	200
مثقاب (Drill) ¼ بوصة	250
آلة فشار (Popcorn Poper)	250
خلاط	300
فاتح باب المرآب	350
مجففة ملابس (يعمل بالغاز)	400
سخان كهربائي (لسرير مائي)	400
جهاز التخلص من المهملات	450
جهاز تقليم السور (Hedge Trimmer)	450
غسالة	500
مبرد / مجمد (20 قدم مكعب، 15 ساعة عمل يومية)	540
مكنسة (قائمة)	700
صانعة قهوة	800
منشار كهربائي دوار 7,25 بوصة	900
مثقاب (Drill) بوصة واحدة	1000
مقشطة كهربائية (Sander) قطر 3 بوصات	1000
مكيف (غرفة)	1000
سشوار (Blow Dryer)	1000
فرن نفاخ (Furnance Blower)	1000
مكواة	1000
منشار كهربائي سلسلة 12 بوصة	1100
منشار كهربائي رباطي (Band Saw) ـ 12 بوصة	1100
مقشطة كهربائية (Sander) قطر 9 بوصات	1200
مقلاة شواء كهربائية	1200
جهاز الصفيحة الساخنة (Hot Plate)	1200
مكواة الكعك (Waffle Iron)	1200
منشار دائري 8,25 بوصة	1400
جلاية صحون	1500
سخان كهربائي (نقال)	1500
جزازة كهربائية	1500
فرن مايكروويف	1500
محمصة (Toaster)	1500
مجففة ملابس كهربائية	4000
مكيف (مركزي)	5000

بالنظر إلى نظم التبريد الكهربائية التقليدية اليوم فإنها تتكون ببساطة من دورة ذات أربع مراحل نوجز فيها مبدأ عملها. المراحل الأربع هي الضاغط أو الكباس (Compressor) و الذي يضغط غازاً بمواصفات خاصة سنأتي على ذكره لاحقاً، المكثف (Condenser)، و صمام التمدد (Expansion valve)، و أخيراً المبخّر (Evaporator). الضاغط، و الذي يعمل بالكهرباء و الذي تصرف فيه الكيمة الأكبر من الطاقة الكهربائية، يقوم بضغط غاز خاص كما قلنا يدعى بالغاز المبرد (Refrigerant) ليرتفع ضغطه و ترتفع درجة حرارته. بإزالة الضغط يعود الغاز إلى حالته السابقة و ينخفض ضغطه و تنخفض حرارته، و "يا دار ما دخلك شر"! أما الفكرة في الموضوع فهي تكمن في أننا نضحك على الغاز، فعندما ترتفع درجة حرارته فإنها ترتفع لتعلو عن درجة حرارة الجو المحيط (Ambient temperature)، و إذا سمحنا لهذا الغاز بأن يبادل حرارته العالية مع الجو المحيط فإن حرارته ستبرد لتصبح أقل، بعدها يصبح خليطاً رطباً من السائل و الغاز، ذلك يتم فعلاً في المكثف (تكثيف الغاز الساخن إلى حالة الخليط الرطب (Wet mix))، و الآن عندما نزيل الضغط عن الخليط في صمام التمدد فإن درجة حرارته تنخفض كثيراً ليصبح سائلاً بارداً. الآن ما علينا سوى الاستفادة من هذه البرودة بتمرير هذا السائل في المبخّر المسؤول عن امتصاص الحرارة من المكان المراد تبريده ليسخن الغاز ليعود بعدئذ في دورة إلى الضاغط.باقتراض أن درجة حرارة الهواء المحيط التي كنا نتحدث عنها (30)ـْ س. فذلك يعني أن درجة الحرارة العالية للغاز ستكون مهمتها في تبادل الحرارة سهلة مع محيط درجة حرارته تصل إلى (30)ـْ س. أما إذا ارتفعت حرارة الغاز المحيط إلى (45)ـْ س درجة فهذا يعني أن الضاغط عليه أن يعمل بقوة أكبر ليحقق درجة حرارة أعلى للغاز المضغوط و حتى يتيح المجال لذلك الغاز بتبادل الحرارة مع المحيط فهو مجبر على رفع درجة حرارته زيادة عن الحالة السابقة بأكثر من (15) ـْ س أعلى مما هي في حالة الـ (30)ـْ س ذلك أن التناسب غير خطي هنا. و هذا يعني المزيد من الإجهاد على الضاغط (و ذلك يساهم في تحديد عمره بالمناسبة)، و المزيد من الاستهلاك للطاقة الكهربائية.مهندسو التكييف و التبريد يعلمون جيداً بأن عدوهم اللدود هو درجة الحرارة المحيطة، و التي تحددها الشمس بشكل أساسي، بارتفاع درجة الحرارة إلى أرقام "خليجية" أي كما في دول الخليج لتصل في بعض الحالات المتطرفة إلى أكثر من (50)ـْ س و التي تجهد فيها الضواغط لدرجة أنها نفسها تسخن و تفصل نفسها حماية لها من الاحتراق! و أثناء عملها في تلك الظروف، غني عن القول أننا لا نعود نسأل في توفير الكهرباء لأن الأمر يغدو صعباً جداً، أي عمل الضواغط كما ينبغي و توفير الكهرباء في نفس الوقت. و لكن أليس من الساخر بأننا نهرب من حرارة الشمس و نصرف المزيد من الطاقة لتبريديها و الشمس ذاتها مصدر هائل للطاقة الإشعاعية و الحرارية على حد سواء؟ السؤال الجوهري هنا، هو كيف نحول طاقة الشمس إلى طاقة تبريد؟ كيف ندع الشمس تبرد نفسها علينا؟هناك العديد من المدارس في هذا الصعيد، أحدها تقول بالاستفادة من طاقة الشمس باستخدام خلايا الضوئية اللوحات الكهربائية الشمسية (Photovoltic - PV) و التي تحول طاقة الشمس إلى كهرباء، و الكهرباء تشغل الضاغط المطلوب. نفس الأسلوب التقليدي و لكن عوضاً عن أن أشبك الثلاجة أو المكيف المطلوب بالكهرباء الرئيسية (Mains)، أشبكها بخلية ضوئية تعمل بطاقة الشمس. من الاتهامات الرئيسية لهذا النظام هو عدم قدرته على الاستفادة من طاقة الشمس عندما يزداد السطوع بشكل يتناسب مع هذه الزيادة. فيموقع الشركة المطورة لهذا النظام، يزعم هؤلاء الناس بأنك تستطيع تشغيل الثلاجات التي تعمل بهذا المبدأ على التيار المستمر و هي ميزة هائلة الأهمية لأن الطاقة الشمسية تلازم التيار الكهربائي المستمر (Direct Current - DC) و تلازم التخزين بالبطاريات و التي تزود بالتيار المستمر أيضاً، و يزعمون كذلك بأن الطاقة التي تستهلكها هذه الثلاجات تصل إلى 600 واط فقط!

على ما يبدو فإن وكالة الفضاء الأمريكية ناسا مهتمون بالموضوع بحسب هذه الصفحة على موقعهم على الإنترنت. و الصور التالية تبين كيف يمكن لنا بتطبيق هذه التكنولوجيا أن نحمل ثلاجاتنا معنا في رحلاتنا و في المناطق النائية. و المأخوذة الصورة التالية مأخوذة منه.




صورة تظهر كيف يمكن تغيير طريقة تفكيرنا في التبريد، الجهاز يعمل في الخلاء و بدون كهرباء خارجيةهناك مدرسة أخرى تقول بالاستفادة من طاقة الشمس في تسخين مادة الـ (غلايكول) الكحولية (Glycol) لتقوم بدورها بنقل الحرارة إلى الغاز المبرد (Refrigerant) و الوصول إلى درجة حرارة عالية كفيلة بضغطه. هذا يعوض تماماً عن استخدام ضاغط يعمل بالكهرباء، لتستمر الدورة بالشكل الاعتيادي. و من هنا كان لا بد من استخدام مرايا على شكل قطوع مكافئة (Parabolic) و الضرورية لتركيز أشعة الشمس على أنابيب الـ (غلايكول).

بإمكانك أن ترى أشكال المرايا و كيف موصولة مع أنابيب الغلايكول.و هذا الموقع يتحدث في هذا الموضوعمدرسة أخرى تقول باستخدام مبدأ التبريد بالامتزاز (Adsorbtion Refrigeration) و يروق للآخرين تسميته التبريد بالامتصاص (Absorbtion Refrigeration). في هذا النظام تطلق الأمونيا (Ammonia) السائلة على الهيدروجين (Hydrogen) لتتبخر على هيئة غاز، و بوجود غاز الهيدروجين يتحقق التبريد أثناء التبخر، ترسل الأمونيا الغازية إلى خزان ماء يقوم بامتزاز الغاز، يسخن المحلول في حرارة الشمس لتنفصل الأمونيا الغازية عن الماء، تكثف الأمونيا الغازية على هيئة سائل يطلق على الهيدروجين في إعادة للدورة التبريدية.

عرض يوضح المراحل التي يمر بها التبريد بالامتزاز
مخطط يوضح المراحل بصورة مختلفةأحد الأنظمة المشابهة يستخدم ملح بروميد الليثيوم (Lithium Bromide) و الماء، يبخر الماء على ضغط خفيض في مشعات البرودة الموضوعة في المناطق المراد تبريدها و لتعود و تمتص المياه في محلول مائي من بروميد الليثيوم. بعدئذ، تفصل المياه على شكل بخار عن المحلول بالتسخين الآتِ بالطبع من حرارة الشمس.
المبدأ العام واحد بغض النظر عن المبرد المستخدماستخدام مغاير آخر موضح تالياً يتلخص بتمرير هواء دافئ رطب خلال رذاذ محلول مائي ملحي. الرذاذ يخفض الرطوبة. يمرر الهواء الأقل رطوبة في مبرد تبخيري (Evaporative Cooler) ليبرد و يستعيد الرطوبة، الآن تزال الرطوبة من الهواء المبرد برذاذ من المحلول المائي الملحي و الذي يعاد إنتاجه بتسخينه تحت ضغط خفيض متسبباً في تبخير الماء. الماء المتبخر يعاد تكثيفه ليوجه إلى عائداً إلى المبرد التبخيري. و لتوضيح الصورة تابع الشكل و الذي و جدته على صفحة في ويكيبيديا هذه.


يبدي المتوجسون من هذه الأنظمة قلقاً بخصوص سمية الأمونيا أو "عدم ارتياح" لمادة كيميائية يمكن أن تسبب أضرار مثل بروميد الليثيوم لذا يتوجب توخي الحذر عند التعامل مع هذه المواد.هذه الأنظمة من الأرجح أنها ستحقق الفوائد التالية:

• توفير الطاقة الكهربائية بشكل كبير و تعزيز قدرة شبكات توزيع الكهرباء.
  
• تقديم طاقة "خضراء"، نظيفة و صديقة للبيئة. أنظمة كهذه مناسبة جداً في الحد من غازات الكلوروفلوروكربون (Chlorofluorocarbons - CFCs).
  
• تقدم حلاً لأنظمة التبريد المتنقلة و في تلك المناطق التي يستحيل وصول الكهرباء إليها.
  
• تقدم حلاً للتبريد الصناعي خاصة و أنه أعلى قدرة من أنظمة التبريد الكهربائية.