التطبيقات الحرارية للطاقة الشمسية: المقطر الشمسي

يتكون المقطر الشمسي من حوض معزول حراريا ومغلق الاطراف وله غطاء زجاجي شفاف، ويكون الغطاء الزجاجي في العادة مائلا وذلك للسماح للبخار المتكثف عليه أن ينحدر الى مجرى طرفي تتجمع فيه المياه النقية، كما نرى في الشكل رقم (١). يمكن بناء الحوض من المواد الرخيمة التي لا تتلف بتأثير لماء، ومن الضروري عزل فعر الحوض وجوانبه بالعوازل الحرارية لتقليل انتقال الحرارة من ماء الحوض الى الخارج وذلك لرفع كفاءة المقطر، وفي العادة يطلى قعر الحوض بالطلاء الأسود أو أي طلاء آخر ملام للعمل على زيادة امتصاص أشعة الشمس، وفي بعض تصاميم الأحواض تطلى أسطح الحوض العمودية الداخلية بطلاءات عاكسة للإشعاع وذلك لعكس الأشعة الساقطة عليها الى الماء، ومن الضروري احكام اغلاق جوانب الحوض لتقليل تسرب المواء المشبع بالبخار من الداخل الى الخارج ولتقليل انتقال الحرارة عبر فتحات تسرب الهواء. يسخن الماء في الحوض نتيجة لسقوط أشعة الشمس وترتفع درجة

حرارته الى مستوى أعلى من درجة حرارة الغطاء الزجاجي وأعلى من درجة حرارة الهواء الموجود داخل الحوض بين سطح الماء والغطاء الزجاجي، وحيث إن ضغط بخار الماء يرتفع مع ارتفاع درجة الحرارة فان ضغط بخار الماء على درجة حرارة الماء أعلى منه على درجة حرارة المواء داخل الحوض، ونتيجة لهذا الفارق في الضغط بين طبقة البخار الملامسة لسطح ماء الحوض والبخار الموجود في الهواء فان ماء الحوض يأخذ في التبخر لمعادلة ضغط البخار داخل الحوض، ونتيجة لعوامل الحمل الحراري فان المواء المشبع يتحرك الى الأعلى ويحل محله هواء أقل تشبعا بالبخار.

من الجانب الآخر ذكرنا أن درجة حرارة الغطاء الزجاجي تكون أقل من درجة حرارة ماء الحوض، ولذلك ما إن يلامس البخار المشبع سطح الزجاج حتى يبدأ جزء من البخار بالتكثف حتى يصبح ضغط البخار في المواء المشبع مساويا للضغط عند درجة حرارة الزجاج، يتكثف البخار على سطح الزجاج وينزلق بتأثير ثقله الى المجاري الجانبية حيث يتجمع ويخرج الى الخارج ماء نقيا. وطالما استمرت فروق درجات الحرارة وفروق الضغوط داخل الحوض قائمة فان عملية التبخر والتكثف تستمر.

من المعلوم أن بخار الماء حين يتكثف يفقد كمية من الحرارة تعرف باسم حرارة التكثيف، وفي حالة المقطر الشمسي فان هذه الحرارة تنتقل الى الزجاج ومنه الى الخارج، أي أنها حرارة مفقودة لا يستفاد منها، وللتغلب على فقدان الحرارة هذا تم تطوير بعض المقطرات الشمسية متعددة الأدوار حيث يتكثف البخار من الحوض السفلي على قعر الحوض العلوي، وبذلك تنتقل حرارة التكثيف الى ماء الحوض العلوي بدل أن تقذف للخارج.

تدل التجارب التي أجريت على المقطرات الشمسية أن كفاءتها تتراوح ما بين 30 – 40% بمعنى أن كمية الطاقة المطلوبة لإنتاج ما ينتجه المقطر من ماء نقي تعادل 30 – 40% من كمية الاشعاع الشمسي الساقط عليه، وأما الكية الباقية من الاشعاع الشمسي فتعتبر طاقة مفقودة، وكأي نظام حراري آخر فان مدخلات الطاقة الى ال مقطر تساوي الخرجات منه، وعليه يتخذ ميزان الطاقة للمقطر الشمسي شكل العلاقة التالية:

الاشعاع الشمسي الساقط على سطح المقطر = الاشعاع الممتص والمنعكس عن الزجاج وأجزاء الحوض الأخرى حرارة التبخر + الحرارة المفقودة من الحوض بالإشعاع والحمل والتوصيل.

ويشكل الاشعاع الممتص والمنعكس عن الزجاج وأجزاء الحوض الأخرى حوالي 20 – 30% من مجمل الاشعاع الساقط، وتشكل حرارة التبخر حوالي 30 – 40% أما الحرارة المفقودة من الحوض فتشكل حوالي 30 – 40% وهي تضم الحرارة المفقودة بالإشعاع من ماء الحوض والحرارة المفقودة عبر جوانب الحوض وقعره والحرارة المفقودة بالحمل عبر الزجاج ونتيجة لتسرب المواء الخارجي أو تسرب بعض بخار لماء الى الخارج.

تدل نتائج التجارب التي أجريت على المقطرات الشمسية ان بالإمكان انتاج خمسة ليترات من الماء النقي كل يوم من كل متر مربع واحد من مساحة الحوض وذلك في الأيام المشرقة، وتميل بعض المصادر الى اعتبار جالون واحد في اليوم لكل متر مربع قيمة وسطية معقولة، وعلى هذا يمكننا تخيل المساحات الواسعة من المقطرات الشمسية المطلوبة لإنتاج ملايين الجالونات من الميا، ، فثلا اذا اعتبرنا أن الكويت تنتج حوالي مائة مليون جالون من الماء يوميا فأنها بحاجة الى مائة مليون متر مربع من المقطرات الشمسية، واذا أخذنا بعين الاعتبار لمساحة المطلوبة للصيانة وتمديد الأنابيب ومحطات الضخ وغيرها فان المساحة الكلية المطلوبة تزيد عن مائة مليون المتر المربع، أي اكبر من مائة كيلو متر مربع، غير أن المناطق التي تعاني من شح المياه عادة ما تكون أراضي قاحلة أو صحراوية لا تشكل المساحة فيها أمرا بالغ الأهمية.

والمقطرات الشمسية ليست شائعة الاستعمال في العالم اذ أن معظم الموجود منها ذو طابع تجريبي، وكان قد بني في القرن الماضي مقطر تبلغ مساحته حوالي ٥١,٠٠٠ قدم مربع في احدى مناطق المناجم في تشيلي، واستمر في العمل الى أن أغلق المنجم، وهناك مقطرات أصغر مساحة في الهند واليونان، ويعزى سبب عدم انتشار المقطرات الشمسية الى الجوانب الاقتصادية ذلك أن طرق انتاج الماء النقي في المحطات المركزية تعتبر أقل كلفة، غيرن هناك بعض الجوانب الايجابية في المقطرات الشمسية التي تتمثل في المستوى التكنولوجي البسيط وفي كونا أقل عرضة للتأثر بأعمال التخريب والعدوان الخارجي.