الوسم: المياه

الحقل الشمسي

1. إن الحقل الشمسي عبارة عن مئات أو آلاف المرايا العاكسة ( Heliostats Mirrors) المصفوفة في خطوط شبه دائرية. وكل مرآة عاكسة مثبتة علي قاعدة تشبه تماما قاعدة دش الستلايت المتحرك, حيث تقوم كل هذه المرايا بعكس و تركيز أشعة الشمس علي برج ثابت يصل ارتفاعه إلى عشرات الأمتار. و تتحرك كل هذه المرايا مع حركة الشمس بحيث تتبعها بدقة ليتم عكس أشعة الشمس بأعلى تركيز ممكن علي البرج الثابت في عملية مشابهة لحركة زهرة عباد الشمس. و تتم في داخل البرج الثابت عملية تسخين الماء و تحويله إلى البخار اللازم في عملية توليد الطاقة الكهربائية التقليدية.

   السؤال المهم في هذه العملية هو: ما هي مساحة الأرض التي تحتاجها محطة الطاقة الشمسية الحرارية؟

   بعد تجارب الدول الصناعية مثل الولايات المتحدة و ألمانيا و أسبانيا، يقول العلماء و الخبراء في هذا المجال أنه بالتكنولوجيا المتوفرة حاليا و التي تتطور بسرعة يمكن توليد جيجا وات واحدة بمساحة قدرها 33 كم مربع وأنه يمكن لمساحة قدرها 1% من الصحراء الكبرى إنتاج كل احتياجات العالم من الطاقة. و من المعلوم أيضا أن قدرة محطات القوة الكهربائية في الكويت حاليا تعادل تقريبا عشرة جيجا وات. و هذا يعني إننا نحتاج إلى 330 كم مربع من الأرض أي تقريبا 2% من المساحة الكلية لدولة الكويت و البالغة 17818 كم مربع لإنتاج كل احتياجاتنا الحالية من الكهرباء.

   و مع تقدم التكنولوجيا في هذا المجال أمكن خفض هذه المساحة. فقد استطاعت الشركات المصنعة للمرايا العاكسة و الأبراج الثابتة تقليص المساحة إلي تقريبا 15 كم مربع لكل جيجا وات واحدة مما يعني 150 كم مربع فقط أي في أقل من 1% من مساحة الكويت لتغطية إحتياجاتنا من الطاقة.

   

   

   قد يتساءل البعض منا هل من الممكن توليد الطاقة الكهربائية من المحطات الشمسية في الليل و أثناء موسم الغبار والأمطار؟

   الجواب نعم.

   من الممكن إنتاج الكهرباء من هذه المحطات في الليل و بكفاءة عالية و ذلك بتخزين الفائض الحراري الكبير من الطاقة الشمسية في مادة ملحية تسمي الملح المذاب (Molten Salt ) الذي يمكنه تخزين الطاقة الحرارية في خزانات و من ثم يتم إعادة استخدامها في الليل في عملية إنتاج البخار عن طريق عملية التبادل الحراري. كما يمكن إضافة الغاز أو مشتقات النفط كوقود ثانوي في حالة هبوب العواصف و الغبار و الأمطار و تسمي هذه العملية ب ( Hybrid System).

تختلف سخانات المياه من مكان إلى أخر حسب نوع السخان نوع الطاقة المستخدمة ، فقد تعمل بالغاز أو بالكهرباء والطاقة الشمسية معا ًحسب توفر تلك الطاقة ، وكل منها من حيث التكلفة ، كما تختلف في أشكالها ، مثل السخان ذو المقطع الدائري أو البيضاوي أو المستطيل ، وألوانها لكي تتناسب مع محيطها ، وسعاتها التي تتراوح مابين 20 الى 120 لتر ، وفي هذا العدد يسعدنا أن نستعرض السخانات العاملة بالطاقة الكهربائية .
مبدأ عمل السخان
يعتمد عمل السخان الكهربائي على مبدأ التسخين الناتج عن مرور التيار للمقاومة التي تبديها تلك الموصلات ، وكلما زادت مقاومة الموصلات زادت الحرارة الناتجة ، وهذا ما يحدث في عنصر التسخين في السخان الكهربائي ، الذي يتميز بمقاومته العالية ، حيث يقوم منظم الحرارة بتوصيل التيار العنصر او عنصري التسخين ، فترتفع حرارته ، فتنتقل هذه الحرارة إلى الماء تعمل تيارات الحمل على توزيع الحرارة على مياه الخزان بالتساوي ، وعندما تصل درجة حرارته على الدرجة المطلوبة يفصل منظم الحرارة التيار عن عنصر التسخين ذاتياً .
يظل الماء محتفظاً بحرارته إطول مدة ممكنة ، وذلك لوجود العازل الحراري ، فغذا انخفضت حرارته فإن المنظم الحراري يستشعر ذلك ويقوم بتوصيل التيار لعنصر التسخين لتعويض ذلك الانخفاض ، ثم يفصل التيار بعد ذلك ، وهكذا يحتفظ السخان بالمياة الساخنة عند درجة حرارة معينة

أنواع السخانات
تصنف السخانات من حيث طاقتها وإمكانياتها التسخينية إلى نوعين ، هما :
· السخان الفوري
يركب هذا النوع من السخانات على صنبور الماء أو على خط التغذية الرئيسي لدورة المياه أو على خط التغذية الرئيسي لدورة المياه أو المطبخ ، ويوصل إليه التيار من أحد المقابس الكهربائية الموجودة في نفس المكان أو قريبة منه ، وله وضعيتان فقط للتسخين ضعيفة ومرتفعة ، ويتميز بخفض إستهلاك الطاقة لتسخين المياه لأن الطاقة لا تستهلك إلا أثناء إستخدام الماء الساخن ، كما يتميز بإستمرارية تدفق المياه الساخنة لفترات طويلة جداً ، وسرعة تدفق المياه الساخنة بعد فتح الصنبور مباشرة ، مما يقلل من إستهلاك المياه .
يتكون السخان الفوري عادة ، كما في الشكل (1 ) من جزئين أساسيين هما: عنصر التسخين : ويتألف من سلك مقاومة ( Resistance ) مصنوع من خليط ( سبيكة ) النيكل كروم . يغلف عنصر التسخين بأنبوب محكم التثبيت على عوازل خزفية ، ويجب أن تتراوح قدرة تحمله مابين 1500- 2000 وات للقيام بعملية التسخين الفوري
قاطع التيار : ويتحكم فصل وإيصال التيار الكهربائي عن طريق تأثره بضغط الماء ، حيث يوصل نقطتي التماس عند وجود تيار مائي ، ويقطع التيار الكهربائي عند توقف جريان الماء نتيجة لقفل صنبور الماء أو ضعفه .

· السخان البطيء .
يطلق على هذا النوع اسم السخانات البطيئة أو التراكمية ، لأن عملية التسخين فيها تتم ببطء ، ويتراكم الماء الساخن ويخزن بداخلها ،وهي واسعة الإنتشار ، ويمكن تصنيفها أيضا إلى نوعين سخانات عمومية ( تستخدم في أغراض متعددة ) وتخدم فئة كبيرة من الناس كالمحلات التجارية ، والنوادي ، والمدارس والمستشفيات والورش الصناعية وغيرها . أما النوع الثاني فيطلق عليه السخان التجاري ، وهو شائع الإستخدام في المنازل تتكون السخانات البطيئة ( التراكمية ) الكهربائية ، شكل (2) من عدد الأجزاء من أهمها مايلي :
v خزان الماء : ويصنع بشكل إسطواني من فلز يتم إختياره حسب نوع المياه ومصادرها ، فإذا كانت المياه حامضية صنع الخزات من سبائك فلزية خاصة أساسها النيكل ، أما إذا كان الماء عسراً فيفضل صناعته من سبائك الصب الثقيل ، وقد يصنع من الفلز المجفن أو المغلف بمادة البورسلان تحت الحرارة لمقاومة الصدأ والتآكل والإهتراء ، ويحاط من الخارج بغلاف فلزي يفصل بينهما مادةة عازلة ، مثل الصوف الزجاجي أو الألياف أو اللباد أو مواد أخرى لتقليل الفقد الحراري ، وللمحافظة على حرارة الماء أطول مدة ممكنة ، قد يكون السطح العلوي من الخزان مقوساً لكي يتحمل الضغط إضافة إلى ذلك فإنه يجب ترك حيزاً إضافيااً ليسمح بتمدد الماء عند التسخين كما يجب أن تكون حواف الوصل للخزان ملحومة بطريقة جيدة ، والتأكد من ذلك بإختبارها تحت ضغوط عالية .
v عنصر التسخين : ويعد مع المنظم الحراري أهم أجزاء السخان ، وهو عبارة عن سلك مقاوم ملفوف بشكل لولبي داخل إنبوب من الحديد أو النحاس ويحاط بعازل من الخرز الخزفي أو مسحوق عازل حراري ، ويتم إقفال أطراف العازل تماما لمنع تسرب الماء . تتراوح قدرة تحمل عنصر التسخين مابين 1000 إلى 2000 وات وقد يزاد السخان بعنصر تسخين إضافي عندأعلاه إذا كان كبيراً لزيادة كفاءئه . يأتي عنصر التسخين على أشكال مختلفة شكل (3) طبقاً للطاقة المستهلكة إلا أنها جميعاً تعمل بنفس النظرية ، ويثبت عنصر التسخين في السخان إما على أحد جوانب السخان ، كما في السخانات العمومية ، أو على سطحه السفلي ، كما في السخانات التجارية ويكون تثبيته بطريقة يمكن معها إخراجه بسهولة عند الحاجة لفحصه أو تبديله .
v منظم الحرارة ( Thermostat ) : وهو ضروري لجميع سخانات المياه ، والغرض منه التحكم في فتح وغلق الدائرة الكهربائية لعنصر التسخين ( تم استعراضها بالتفصيل في العدد السابق ) ، وذلك لإبقاء درجة حرارة الماء عند الحدود المطلوبة .
يوجد بسخانات المياه نوعان من منظمات الحرارة ، هما المنظمات الأحادية ، وتتحكم في عنصر تسخين واحد ، والمنظمات الثنائية ( مزدوجة ) ، وتوجد غالباً في السخانات العمومية التي تحتوي على عنصري تسخين ، شكل (4) .
يتحكم منظم الحرارة الثنائي في مرور التيار لكل من عنصري التسخين العلوي والسفلي ، حيث يقفل دائرة عنصر التسخين العلوي عندما تنخفض درجة حرارة الماء في الجزء العلوي من السخان عند حد معين ويفتح دائرة عنصر التسخين في الجزء السفلي فإن المنظم يغلق دائرة عنصر التسخين في هذا الجزء ويفتح دائرة عنصر التسخين في الجزء العلوي .
عمود الحماية : وهو عبارة عن عمود من المغنيسيومم يتدلى داخل خزان السخان العمومي . يقوم هذا العمود بحماية جدار الخزان من الداخل خصوصاً في مناطق المياه الحمضية ، حيث يتفاعل معها مباشرة قبل أن يتفاعل مع مادة الخزان ، ولذا فإن هذا العمود يتأكل خلال سنوات قليلة ، ويجب فحصة من آن لآخر ، وذلك بإخراجه وقياس سمكه الذي يجب أن يتراوح ما بين 01.25 الى 2 سم تقريباً ، فإذا كان أقل من ذلك ، يجب تغييره مباشرة ، أما بالنسبة للسخانات التجارية فلا تحتوي على مثل هذا العمود نظراً لأن مياه المنازل تكون في الغالب عذبة .
v صمام الأمان : وهو عبار عن صمام تنفيس يسمح – من خلال إنبوبة التفريغ – بتسرب الماء وبخاره عندما يزيد الضغط داخل السخان عن حد معين ( 1كجم لكل سنتيمتر مربع ) حتى لا ينفجر يثبت صمام الأمان – عادة – على السطح العلوى للسخانات العمومية ، ويمكن التأكد من أن الصمام يعمل بصورة جيدة بالضغط على الرافعة الموجودة أعلى الصمام ، فإذا إنساب منها الماء دل على أنها سليمة . ويجب فتح صمام الأمان عند تفريغه من الماء لتنظيفه ، ليعمل على دفع الماء إلى الخارج .
v الصمام وحيد الإتجاه : ويعمل على الحيلولة دون رجوع الماء الساخن بإتجاه إنبوب التغذية بالماء البارد ، حتى لا يؤدي إلى هدر جزء كبير من الطاقة ، ويوجد بهذا الصمام شبك معدني يمنع مرور المواد الغربية مثل الرمل والتراب إلى داخل السخان . يدمج أحيانا في السخانات المنزلية الصغيرة ( التجارية ) صمام الأمان مع الصمام وحيد الإتجاه في صمام واحد ، شكل (5) بحيث يؤدي مهمتي التنفيس عند إرتفاع الضغط ، ومنع رجوع الماء من خلال إنبوبة الدخول .
v مقياس درجة الحرارة : ويوجد عادة على غلاف السخان ، وله مؤشر يتحرك على تدريج يحمل أرقام أو معلم بسهم تزداد المسافة بين خطيه كلما ارتفعت درجة الحرارة أو على تدريج معلم بأرقام تدل على درجة الحرارة شكل ( 6 ) .
تختلف السخانات في طريقة قياس درجة حرارة الماء ، فبعض السخانات تزود بمقياس يعتمد على التمدد الحراري ، وفي هذه الحالة يجب أن يلامس المؤشر من الخلف مادة الغلاف الداخلي للسخان لكي يتحسس التغير في درجة الحرارة ، وفي بعضها يتم تحديد درجة حرارة الماء بتوصيل مصباح مع دائرة عنصر التسخين يضيء عندما تكون دائرة عنصر التسخين مقفلة وينطفيء عندما تفتح .

صيانة السخانات

تشمل صيانة السخانات ما يلي :

· النظافة
يؤدي بقاء المياه في خزان السخان لفترة طويلة إلى تكون الصدا وترسب الاملاح ، وبالتالي إلى تلف السخان ، ولتلافي ذلك يجب تفريغ المياه من السخان الكهربائي كل فترة تتراوح ما بين 30 الى 60 يوماً على مدار العام ،، أما إذا كانت المياه المستخدمة من النوع العسر فإنه يجب تفريغ الماء كل شهر ويتم ذلك بفتح صمام الصرف في الجانب السفلي للخزان وترك الماء يخرج حتى يصبح نظيفاً ، وهذه العملية تمنع ترسب المواد في قاع الخزان فإنه يجب فتح صمام التنفيس لكي يسمح بتدفق الماء وإخراجها .
ومع أن السخان التجاري لا يوجد له فتحات تصريف إلا أنه يمكن تنظيفه بنزع صمام الأمان ووصلات المياه ومحاولة ملئه بالماء وتفريغه عدة مرات .
يجب قبل البدء في تنظيف السخان أخذ الإحتياطات اللازمة حتى لا يتعرض من يقوم بذلك للخطر ومن تلك الإحتياطات ما يلي :
1. فصل التيار الكهربائي .
2. ترك الماء داخل خزان السخان حتى يبرد .
3. قفل صمام تغذية السخان .
· تبديل المنظم
يجب تبديل المنظم الحراري اذا أثبت الفحص عدم صلاحيته أو عدم كفاءته ، ويتم ذلك حسب الخطوات التالية :
1. فصل التيار الكهربائي عن السخان .
2. فك الأسلاك الموصلة للمنظم الحراري .
3. سحب المنظم وإستبداله بجديد من فس الطراز .

· تبديل عنصر التسخين
يجب تغيير عنصر التسخين إذا ثبت عدم صلاحيته حسب الخطوات التالية :
1. تفريغ السخان ن الماء