تقنيات الطاقة الشمسية النشطة الملائمة لمدينة أسيوط الجديدة ج1

تعد أزمة الطاقة الأحفورية الحالية من أهم الأسباب التى أدت لإستغلال الطاقة المستدامة والتى تأتى فى مقدمتها الطاقة الشمسية . ويعد الإتجاه إلى عمارة المدن الجديد بمصر من أهم العوامل التى تعضد إستخدام مثل هذه الطاقات.

تنوعت تقنيات الطاقة الشمسية النشطة بشكل كبير وإنتشرت فى عدد من المناطق المحلية فى نهاية القرن العشرين . ومع قصور طريقة إمداد المبانى فى المدن بالطاقة الكهربية فى مصر أصبح من الضرورى التوجة إلي تقنيات أو نظم أخرى للطاقة.
وتم تطوير عدة أنواع لهذه التقنيات بالإضافة إلى ظهور رؤى جديدة للتعامل مع هذه التقنيات بشكل فعال وسريع فى هذا المجال على المستوى العالمى . ومع تعدد التقنيات وتعقيدها أصبح لها إنعكاس واضح على التنمية المستدامة للمدن بشكل عام وعلى المدن الجديدة بشكل خاص.
وإنطلاقاً من دراسة المتطلبات المحلية من التقنيات الشمسية النشطة , وتوصيف نطاق الدراسة المكاني تهدف الورقة البحثية إلى إستكشاف ملائمة وإمكانية تطبيق هذه التقنيات على مدينة أسيوط الجديدة , من خلال المفاضلة بينها فى ضوء متطلباتها التقنية والمعمارية والإحتياجات العمرانية للمدينة . وبالتالى تبدأ الورقة البحثية بدوافع الدراسة وهى الحاجة إلى تقنيات طاقة مستدامة – الطاقة الشمسية كنطاق نوعى للإمداد بالطاقة بسبب قصور الأسلوب الحالى , يلية توصيف تقنى لأهم التقنيات التى تم التوصل إليها حتى الأن ومتطلبات ومردود كل تقنية , والتفضيل بينها.
ولتحقيق هدف البحث يتم إستعراض مدينة أسيوط الجديدة كنطاق مكانى للدراسة وأهم الملامح المناخية والمددات التصميمية والعمرانية التى تؤثر على إستخدام متطلبات التقنية وإحتياجات المدينة . ومن هذا المدخل النظرى يتم إستكشاف العلاقة التبادلية بين متطلبات التقنية وإحتياجات المدينة من خلال المفاضلة بين التقنيات فى ضوء نطاقات التطبيق بالمدينة يتم إستنتاج ملائمة وإمكانية تطبيق هذه التقنيات على المدينة وهو الهدف من الدراسة . وتنتهى الورقة البحثية بمناقشة دور التقنيات الشمسية المختارة ومدى إسهامها وإمكانية التطبيق على المدينة قيد الدراسة , مع تحديد تحديات تفعيل هذه التقنيات.

أهداف الدراسة

تهدف الدراسة إلى إستكشاف ملائمة ومردود وإمكانية تطبيق تقنيات الطاقة الشمسية-كوسيلة إمداد بالطاقة المتجددة – على مدينة أسيوط الجديدة كنطاق مكانى للدراسة , من خلال المفاضلة بينها فى ضوء متطلباتها التقنية والمعمارية والإحتياجات العمرانيه للمدينة

مشكلة وإشكالية الدراسة
يمكن تركيز مشكلة الدراسة فى إمداد قطاع المباني بمصر بأسلوب حرارى من مصدر غير متجدد (الوقود الأحفوري) وهذا الأسلوب يمثل 77% من مجموع الطاقة الكهربية الإجمالية المتولدة فى مصر طبقاً لإحصائيات عام 2006-2007م ( الشركة القابضة لكهرباء مصر . 2006) مما يؤدى إلى حتمية إيجاد أساليب بديلة تحقق مبادئ الإستدامة . ومن ثم تكمن إشكالية الدراسة فى عدم وضوح مدى ملائمة وإمكانية تطبيق هذه التقنيات محلياً على النطاق المكانى للدراسة , ومن ثم مردود وإمكانية التطبيق , رغم توفر التقنيات محلياً ووجود مصر فى نطاق الحزام الشمسى , وذلك من خلال إستنتاج مجموعة التقنيات الشمسية التى لها الأولوية من ناحية تحقيق الإستدامة وتوضيح إمكانية التطبيق .

منهجية الدراسة

يحاول البحث حل الإشكالية السابقة من خلال المنهج الوصفى والتحليلى كما بالشكل (1)
مدى الإحتياج الفعلى للتقنيات الشمسية فى مصر    يتمثل الإحتياج لتقنيات بديلة فى قصور الإمداد بالطاقة الكهربية التقليدية فى مصر بشكل عام , والذى يظهر فى عاملين رئيسيين: إرتفاع تكلفة النظام والطلب المستمر على الطاقة الكهربية, حيث يتكون نظام الإمداد التقليدى فى محطات توليد وشبكة النقل وشبكة توزيع وكلها تزيد تكلفتها

بإستمرار فضلاً عن تكلفة الصيانة . ويتضح من الشكل (2)

توقعات تكلفة نظام الإمداد التقليدى بالمحافظة حتى عام 2022م لمحافظة أسيوط كمثال , ويتطور أيضاً الطلب على الطاقة الكهربية بإستمرار فى قطاع المبانى , كما يتضح من شكل (3)

تقنيات الطاقة الشمسية النشطة خلفية نظرية
تتعدد أساليب تتعدد أساليب إستغلال الطاقة الشمسية حسب طريقة الإستغلال , فهناك إستغلال سلبى للطاقة الشمسية , أى بدون وسائل ميكانيكية مثل التحكم البيئى فى الإشعاع بصياغة الغلاف الخارجى للمبنى , وإستغلال نشط بإستخدام وسائل ميكانيكية مثل أجهزة التركيز الحرارى أو خلايا شمسية خاصة لأداء كل العمليات , وإستغلال مختلط وهو الذي يدمج بين الأسلوبين السابقين . ويتطرق البحث لأنواع تقنيات الطاقة الشمسية النشطة فقط والتى يمكن إجمالها فى ثلاثة أساليب رئيسية تتفرع منها كل التقنيات كما بالشكل (4)

وسيتم تناول أهم التقنيات بالتفصيل فيما يلي :
1- التسخين حتى درجه حرارة غليان الماء ( حوالى 90 درجة مئوية ): وهو الإستغلال المنتشر فى المنازل لتسخين المياة وتجفيف الخضروات والطهى, وهذا النوع هو أبسط الأنواع على الإطلاق حيث لا يحتاج متطلبات تقنية تقريبا ولا يوجد محددات تعوق إنتشارة , بل هو منتشر بكثرة على أسطح المنازل فى مصر , ويمكن تلخيص أهم التقنيات فى جدول (1) .

التطبيق	التوصيف
الأجهزة المنزلية البسيطة	ومن أشهرها الطباخ الشمسى البسيط الذي تعتمد فكرة عملة على تركيز أشعة الشمس بواسطة المرايا وإستخدامها فى التسخين , ويتكون سطحة العلوى من الزجاج وباقى جوانبة من الصاج المدهون باللون الأسود(الرضاوى,1995).
السخانات الشمسية	وهو لتسخين المياة من خلال المجمعات الشمسية وهو أكثر ال إنتشاراً , وأفضلها من الناحية الإقتصادية حيث يمكن إسترداد التكلفة المبدئية بعد مدى زمنى قصير ويتم استكمال العمر الإفتراضى مجاناً(عبد الحافظ,2004).
المجففات الشمسية	أبسط أنواع المجففات يتكون من أنبوب طويل من البلاستيك الشفاف ذو قاعدة سوداء ومغطاة بماده تزيد من إمتصاص أشعة الشمس , ويوجد فى نهاية هذا الأنبوب مروحة ببطارية أو بالخلايا الشمسية أو بأى مصدر كهربى , ونظرية عمل هذة المروحة أنها تقوم بإدخال الهواء وضغطة داخل الأنبوب فيمر الهواء على السطح الماص للحرارة,وبالتالى إرتفاع درجة حرارتة من 50درجة مئوية(عبدالحافظ,2004).
المداخن الشمسية	هى عبارة عن صوبة زجاجية ينفذ منة الإشعاع الشمسى إلى الداخل فتقوم بتسخين الأرضية مع عدم نفاذ الحرارة من السقف,وبالتالى ترتفع حرارة الهواء فيرتفع إلآ أعلى فتستقبلة مدخنة أعلى الصوبة (نديم,2007).
التقطير الشمسى	تعتمد فكرة عملها على دخول الإشعاع الشمسى عبر زجاج سطح حوض مقطر مما يؤدى إلى تسخين المياة المالحة المارة بقاع الحوض وهو عبارة عن صفيحة سوداء,تتكثف المياة على الزجاج على هيئة مياة عذبة صالحة للشرب ويبقى الملح على قاع الحوض.
البرك الشمسية	البرك الشمسية تتكون من مسطحات مائية مالحة عندها يصل إلى 3أمتار,تتوافر بها ثلاث طبقات من المياة ترتفع فيها درجة ملوحة الماء,وتعد البركة الشمسية التى يمكن جمع وتخزين الطاقة الشمسية داخلها أفضل الطرق لإزالة ملوحة مياة البحر,ويمكن لهذه الطريقة تخفيض تكاليف العمليات إلى ثلاثة أرباع أو ثلث تكاليف المحطات التقليدية لإزالة ملوحة المياة (أبوالفضل,2003).

جدول(1) تقنيات الطاقة الشمسية الخاصة بتسخين إلى درجة حرارة أقل من 90 درجة مئوية

2- التسخين حتى درجات حرارة مرتفعة (80-300)
يستخدم هذا النوع بكثرة فى محطات توليد الطاقة الكهربائية ,من خلال طاقة حرارية متوسطة تترواح بين (80,15) ,درجة مئوية أو طاقة حرارية مرتفعة تتراوح بين (150,300) درجة مئوية , وقد إستخدمت تقنيات توليد الطاقة الحرارية المتوسطة فى مصر فى محطة الكريمات _ التى سيتم تفصيلها لاحقاً_ كوسيلة توليد مساعدة للطاقة , أما توليد الطاقة الحرارية المرتفعة لم تدخل مجال الإستخدام فى مصر بعد , ويمكن تلخيص أهم هذه التقنيات فى الجدول (2)

التقنية	التوصيف
تقنيات تولد طاقة حرارية أقل من 50 درجة مئوية
المجمعات المفرغة		يمكن إستخدامها للوصول إلى درجة حرارة تتراوح بين 150-10 درجة مئوية , وتتكون من أنابيب زجاجية مفرغة بداخلها السطح الماص للحرارة وفى المجتمعات المتقدمة تغطى الأنابيب بمادة خاصة تساعد على تقليل فقد الحرارة (نديم,2007)
أطباق القطع المكافئ ( مصفوفة خطية )		تستخدم فى تركيز الاشعة الشمسية على المستقبل المكون من أنبوب زجاجى مفرغة تفريغاً شبة كامل داخل أنبوب من الصلب هذا الأنبوب يمر داخلة المياة أو السائل الناقل للحرارة ويثبت طولياً فى الخط البؤرى للمصفوفة , ويتم تسخين السائل داخل الأنبوب من خلال آشعة الشمس المنعكسة,والفراغ بين الأنبوب الزجاجى والصلب يعمل كعازل للحرارة (أبوالفضل,2003)
الأطباق بؤرية ( مصفوفة )		هى عبارة عن مجموعة من المرايا العاكسة تقوم بتجميع وتركيز آشعة الشمس الساقطة على مستقبل مركزى يوضع فى بؤرة كل طبق ويتتبع هذا الطبق مسار الشمس على محورين واحد أفقى والثانى رأسى آلياً,وتم تطوير إستخدام هذه الأطباق بوضع آلة حرارية ميكانيكية فى البؤرة لإنتاج 25ك.و.وذلك للتجمعات الصغيرة(أبوالفضل.2003)
مجموعة التركيز بالإنكسار		بنفس فكرة المجمعات السابقة لكن تركيز آشعة الشمس(خطياً أو بؤرياً) (أبوالفضل,2003)
تقنيات تولد طاقة حرارية تترواح بين 300-150 درجة مئوية أو اكثر
نظم المستقبلات الشمسية			وهو نظام متكامل لتوليد الطاقة الحرارية المركزة من آشعة الشمس التى تتراوح من 800-300 درجة مئوية. ويتطلب تشغيل هذا النوع من المحطات مساحة(A. Goetzberger. V.U. Hoffmann.20505) كبيرة وعدد هائل من المرايا. بالإضافة إلى مساحات لنظم تخزين الطاقة أو نظم توليد مساحة

جدول(2) تقنيات الطاقة الشمسية الخاصة بتسخين إلى درجة حرارة تتراوح بين 80-300 درجة مئوية

3- توليد الطاقة الكهربية مباشرة:
ينتشر هذا النوع من التقنيات فى المبانى والمحطات معاً لإنتاج الكهرباء بطريقة مباشرة,ويعتمد هذا النوع على مصفوفة من الخلايا الفوتوفولتية توجة بشكل عمودى على الشمس لتحول الإشعاع الشمسى الواقع عليها إلى طاقة كهربية مباشرة,وبدأت هذة الخلايا فى الإنتشار بمصر فى الفترة الأخيرة ولكن فى مجالات محددة , ويمكن تلخيص أهم انواع الفوتوفولتية فى جدول(3).

الخلايا	التوصيف
الخلايا السليكونية	تتعدد ألوانها وأشهرها الأزرق وتعطى أكبر نسبة كفاءة حوالى 18% ولها عدة أنواع وهى خلايا غير متبلورة ,خلايا وحيدة البلورة , وخلايا متعددة البلوره (Christian schitich,2003).
الخلايا غير السليكونية	تتعدد ألوانها وكفاءتها فى التحويل الكهربى منها(خلايا الكادميوم تيللوراديد-خلايا سبائك نحاس-خلايا زرنيخ الجاليوم) وتعتبر الأخيرة أعلى تكلفة من مثيلاتها حيث تبلغ كفاءتها 30% (زيادة ميدانية لهيئة الطاقة الجديدة والمتجدده 2008).
الخلايا ذات الأقلام الرقيقة	تتميز بأسطح متجانسة مهيكلة بقطوع فاصلة وضيقة وشفافة جداً,يتسبب صغر سمكها فى مرونه مصفوفة الخلايا,وبالتالى يمكن تركيبها على مختلف الأسطح (Christian schitich,2003).
الخلايا المتطورة	هناك مجموعة كبيرة من الأنواع التى تم إستنتاجها من الأنواع الأساسية السابقة مثل الخلايا شبة الشفافة والخلايا الفوتوفولتية الكروية(عبارة عن كريات صغيرة مولدة للطاقة) والخلايا الهجينة(تهجين نوعين أو ثلاثة معاً) والخلايا المدمجة فى مواد البناء والزجاج والقرميد الشمسى (قرميد مولد للطاقة) وخلايا بلاستيكية وغيرها تتميز بخصائص أعلى من مثيلاتها رغم أنها لم تدخل فى نطاق التطبيق الفعلى حتى الأن (peter Goverkian,2008)

جدول(3) أنواع الخلايا الفوتوفولتية التى تولد الطاقة الكهربية بشكل مباشر
أمثلة تطبيقية لإستخدام تقنيات الطاقة الشمسية النشطة
يوجد بمصر عدة نماذج لتطبيق أغلب التقنيات المذكورة سلفاً , ولكن يغلب على هذه النماذج إقتصار النظم المستخدمة فى التطبيق على نماذج منفصلة ذات مقياس صغير كما يتضح مما يلى:
1- نظم التسخين:
تنتشر بكثرة أعلى أسطح المنازل بغرض تسخين المياة فقط كالسخانات الشمسية وغيرها.
2- تقنيات توليد الطاقة الحرارية المتوسطة:
وتظهر هذه التقنيات فى مصر فى محطة شمسية بالكريمات كأول تجربة من نوعها حيث تستخدم أطباق القطع المكافئ لتوليد الطاقة,ومن المقرر الإنتهاء من تنفيذ المحطة فى نهاية عام 2010م , وتمتد الأطباق على مسطح أفقى يبلغ 130800م2 وينتج المكون الشمسى للمحطة فى المرحلة التجريبية – طاقة مقدارها 34ج.س/ سنه , وهى قدرة ضعيفة حيث تبلغ نسبة المساهمة الشمسية فى التوليد فى المحطة حوالى 4% فقط (هيئة الطاقة الجديدة والمتجدده.2006) .
3- تقنيات توليد الطاقة الحرارية المرتفعة:
لا توجد أمثلة بمصر لنظم المستقبلات المركزية,ولكن توجد محطة تستخدم هذة النظم فى مدينة بارستاو بكاليفورنيا تسمى محطه سولار يتكون فناء المحطة من عدد كبير من المرايا الموجهة للمستقبل المركزى,وتحتل هذة المرايا مساحة دائرية تبلغ قطرها 800 م لتوليد 10 م.و. قدرة وقد بدأت المحطة فى التوليد منذ عام 1996م (V U Hoffann 2005 A Goetzberger ) .
4- نظم توليد الطاقة الكهربية المباشرة:
تعد أبرز التجارب المحلية التى تحتوى على هذة النظم فى مصر هى المدرسة الألمانية التابعة لإدارة السفارة الألمانية ويقع بحى الدقى وتم تركيب الوحدات فى ثلاث مجموعات الأولي (10) وحدات تم تثبيتها أعلى مدخل المدرسة الجنوبى لآثارة والثانية الإدارة 125 وحدة تم تثبيتها أعلى مدخل المدرسة الجنوبى للإثارة 125 وحدة والثالثة وحدات إستطالة على سطح كتلة الإدارة بالمدرسة أعلى تأخذ إستطالة على سطح كتلة الإدارة بالمدرسة لتعملان على توليد الطاقة اللازمة لفتح المياة إلي الطاقة اللازمة لفتح المياة إلى حمام سباحة.

مؤشرات حول التطبيق فى مصر
يرجع تأخر تنافس إستخدام الطاقة الشمسية كمصدر توليد للطاقة إلى القصور التقنى وإرتفاع تكلفة توليد الطاقة طبقاً لإحصائيات وكالة الطاقة العالمية كما يتضح من شكل ( 2006 (9),(ERC) Energy Research centre)
ورغم المعوقات السابقة يعتبر أسلوب الإمداد بالطاقة الشمسية بمختلف أنواعها من الاساليب الواعدة للإمداد بالطاقة الكهربية فى المستقبل القريب, ورغم أن مردود التقنيات حالياً يعتبر بعيد المدى إلا أن تطبيقها يحقق أغلب مبادئ الإستدامة , ويمكن تلخيص مبادئ الإستدامة التى يحققها تطبيقاً لنظم السباقة فى الحفاظ على الطاقة والإستمرارية فى الإمداد فضلاً عن معالجة المشكلات البيئية وتعظيم الفائدة من الموارد.
وتعظيم الفائدة من الموارد,وتحقق ايضاُ ولكن بشكل أقل مبدأ البقاء والتعامل الرشيد مع البيئة,وكذلك كفاءة الإمداد بالمياة وكفاءة النقل مثل إستخدام السيارات الشمسية من خلال إمداد الخلايا الفوتوفولتية وعلى العكس فإن تطبيقها لا يحقق بعض المبادئ الأخرى مثل إعادة التديرو والتعامل مع المخلفات لأن إعادة تدوير مواد تصنيع الخلايا الفوتوفولتية كمثل عملية مكلفة جداً وصعبة والتخلص من هذة المخلفات ضار جداً بالبيئة (على ,2010)

مدينة أسيوط الجديدة
خلفية نظرية
تعتبر مدينة أسيوط الجديدة إحدى المدن المستقلة التى تم إنشاؤها فى المنطقة الصحراوية , وتم إختيارها كبيئة للدراسة لما لها من مقومات لتطبيق النظم الشمسية.
1- تعريف عام بالمدينة: تقع المدينة شرق نهر النيل فى المدخل الجنوبى الغربى للوادى الأسيوطى على بعد حوالى 20 كم شمالآ وخط طول (3115) شرقاً , وترتفع فوق سطح البحر بمقدار 75 – 100 م , وللمدينة مدخلان الأول للمنطقة السكنية وهو الرئيسى من الإتجاة الجنوبى , والثانى يقع على المحور الشرقى للتجمع , تبلغ المساحة الكلية لحرم المدينة أربعة آلاف فدان تقريباً تمثل المبانى 60% والباقى مسطحات خضراء
2- محددات المدينة العامة (توصيف الوضع الراهن): وينتج عن هذا ظهور هدة محددات تؤثر سلباً على تأهيل المدينة لإستغلال التقنيات المذكورة , رغم وجود مقومات مناخية سيتم توضيحها لاحقاً . ويمكن تلخيص هذه المحددات فى الجدول (4)

	المحددات
مكانية	يحد المدينة من الغرب حافة الهضبة الغربية ومن الشرق نهر النيل ثم الصحراء الشرقية . وقوع المدينة فى الصحراء تتطلب نقل الطاقة الكهربية إليها عبر كابلات.
عمرانية	تحديد موضع إيواء الأنشطة المختلفة بالنسبة إلى بعضها البعض داخل الإطار العام لموقع المدينة. أصبحت المسافات البيئية بين المبانى ثابتة ولايمكن تقليلها أو زيادتها. وصول البنية التحتية للمدينة كلها مما يضعف تقبل تغير شامل.
تصميمية	تتخلل المسطحات الخضراء المدينة حيث تبلغ مساحتها تقريباً 92 فدان أغلبها بين المجمعات السكنية. تعتبر أبعاد ونسب وتوجية المباني وعناصر المنشآت من الحوائط ومواد البناء والتشطيب المكونة لغلاف المبنى ثابتة لا يمكن تعديلها. تصميم المبانى بشكل غير موفر للطاقة مع عدم الأخذ فى الإعتبار مبدأ ترشيد الطاقة وتقليل إستهلاكها فى المبانى

جدول (4) محددات المدينة لإستغلال تقنيات الطاقة الشمسية النشطة

3- التوصيف المناخى لمدينة اسيوط الجديدة: ويتطلب دراسة إمكانية تطبيق تقنيات الطاقة الشمسية النشطة إلقاء الضوء على التوصيف المناخى لمدينة اسيوط الجديدة كأحد مدن جمهورية مصر العربية الواقعة ضمن دول الحزام الشمسي , وتتصف البيئة المناخية للمدينة عموماً بكبر المدى الحرارى اليومى وزيادة الأشعاع الشمسى كما فى جدول (5).

4- الوضع الراهن لإمداد المدينة بالطاقة الكهربائية:
يتم الإمداد بالطاقة الكهربائية فى مصر بأسلوب حرارى وهذا الأسلوب يولد من الطاقة الكهربية تقريباً 77% من مجموع الطاقة الكهربية الأجمالية المتولدة فى مصر طبقاً لإحصائيات عام 2006-2007 م, أما المصادر المتجددة كلها لا تساهم إلا بحوالى 77.7% اغلبها من الطاقة المائية من خلال السد العالى وخزان أسوان ونظراً لعدم إستطاعة الشركات المرتبطة بالشبكة تلبية إحتياجات السكان يتم إنشاء شركات غير مرتبطة بالشبكة أو شراء الطاقة من القطاع الخاص وهو مايبلغ نسبتة 11.3% من مجموع الطاقة المتولدة فى مصر عام 2006 – 2007 م( الشركة القابضة لكهرباء مصر,2006) أما بالنسبة للمدينة فيتم إمدادها عن طريق محطتين بخاريتين مربوطتين بالشبكة الموحدة الأولى – المحطه البخارية القديمة تم إنشاؤها عام 1967 م بسعة 30×3م وتكلفت وقت إنشائها حةالى 11.5 مليون جنية مصرى أما الثانية – المحطة البخارية الجديدة – تم إنشاء أول وحدة عام 1986م بسعة 325م وقدرت الدراسات تكلفة توليد الميجاوات الواحدة من المحطتين عام 2003 م حوالى 3,64 مليون جنية مصرى وتتضمن الخطة الشاملة للتطوير إضافة وحدات جديدة لمحطة أسيوط البخارية الجديدة ( مركز دراسات وبحوث جنوب الوادى ,2004 )

شكل (6): يوضح بيان بدرجات الحرارة لكل شهر على مدار العام لمدينة أسيوط الجديدة درجة الحرارة

شكل (7) ملائمة الطاقة الشمسية النشطة لنطاقات التطبيق بالمدينة وإستنتاج ملائمة التقنيات