توصل المهندس المصري “أشرف رزق سعد أحمد” والذي يعمل مديراً لإدارة المشروعات بشركة مياه الشرب والصرف الصحى, إلى ابتكار جهاز (انفرتر 3000 وات) من شأنه تحويل الكهرباء المستمرة إلى كهرباء مترددة 220 فولت, الجهاز وفقاً للمهندس أشرف, به إمكانيات “الانفرتر العادي” بالإضافة إلى أمكانيات UPS, ويتميز الجهاز المبتكر بقوة التحمل والقدرة على العمل لساعات طويلة, فضلاً عن سهولة صيانته ورخص ثمنه.
الجهاز يتميز بحماية ارتفاع وانخفاض الجهد overload and underload protection, يمكن التعديل فيه لزيادة القدرة, والجهاز يتم برمجته بلغات البرمجة المعروفة.
كما يمتلك الجهاز ميزة فى غاية الأهمية وهى توفير الاستهلاك, حيث يعتمد على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية ومن ثم توفير استهلاك الطاقة الحكومية.
يذكر أن التكلفة الفعلية بحسب المبتكر, هى 200 دولار. أما التكلفة السوقية فقدرها المبتكر بـ 450 دولار وهو سعره بالسوق المحلى المصري.
يذكر ان الجهاز تم تصنيعه محلياً بالمجهود الذاتي للمبتكر وقام بتجربته.
Table of Contents
الطاقة وأهمية الجهاز
تعتبر الطّاقة مكوناً أساسياً من مكوّنات الكون، وتعّد من أحد أشكال الوجود وتُشتقّ الطّاقة عادةً من مصادر طبيعيّة وأخرى غير طبيعيّة، لذلك تقسم إلى نوعين رئيسيين، وهما:
الطاقة المتجدّدة:
وهي التي تعتمد على المصادر الطبيعيّة، الطاقات المتجددة هي وسيلة لنشر المزيد من العدالة في العالم بين دول العالم الغني ودول العالم الفقير. وهي ليست حصراً على الذين يعيشون اليوم، فالحد الأقصى من استعمال الشمس والرياح اليوم لن يقلل من فرص الأجيال القادمة. بل على العكس، فعندما نعتمد على الطاقة المتجددة سنجعل مستقبل أولادنا وأحفادنا أكثر أماناً”، هكذا وصف وزير البيئة الألماني الجديد زيجمار غابريل الطاقة المتجددة في حديثه بمناسبة افتتاح المنتدى العالمي الثالث للطاقة المتجددة في مدينة بون. فالطاقة المتجددة بأنواعها من طاقة شمسية وطاقة رياح وطاقة هيدروليكية وطاقة عضوية وغيرها من الطاقات “الطبيعية” تعتبر بالفعل الأمل في توفير الطاقة في المستقبل. من ناحية لأنها طاقات لا تنضب، ومن ناحية أخرى لأنها غير ملوثة للبيئة. بالإضافة إلى ذلك، تطبيق التقنيات الحديثة لتوليد هذه الأنواع من الطاقة سيوفر فرص عمل متعددة للشباب.
الطاقة غير متجدّدة:
وتعتمد على مصادر غير طبيعيّة، لكنّها تشكّلت مع الزّمن وتحت تأثير مجموعة من العوامل. وجميع أنواع هذه الطّاقة تستلزم وجود آليات، وأدوات، وتقنيّات خاصّة لاستخلاصها، وتسخيرها لصالح الإنسان، في موضوع بحثنا هذا سنسلط الضّوء على الطّاقة المتجدّدة وكلّ ما يتعلق بها. الطاقة المتجدّدة Renewable Energy، وهي نوع من أنواع الطّاقة التي لا تنضب ولا تنفد، وتشير تسميتها إلى أنّها كلما شارفت على الانتهاء تتواجد مجدّداً، ويكون مصدرها أحد الموارد الطبيعيّة، كالرّياح، والمياه، والشّمس، وأهمّ ما يميزها أنّها طاقة نظيفة وصديقة للبيئة، كونها لا تخلّف غازات ضارّة كثاني أكسيد الكربون، ولا تؤثّر سلباً على البيئة المحيطة بها، كما أنّها لا تلعب دوراً ذا أثر في مستوى درجات الحرارة. ومصادر الطاقة المتجدّدة تُعتبر متناقضةً تماماً مع مصادرها غير المتجدّدة؛ كالغاز الطبيعي، والوقود النّووي؛ حيث تؤدّي هذه المصادر إلى الاحتباس الحراري، وإطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون عند استخدامها.
تجارة الطّاقة المتجدّدة
وانطلاقاً من مدى أهمية الطّاقة المتجدّدة، ظهر في الآونة الأخيرة نوعٌ جديدٌ من الأعمال تحت مسمّى تجارة الطّاقة المتجدّدة، وتركّزت جلّ أعمالها على تسخير مصادر الطّاقة المتجدّدة، واستغلالها لتكون مصدراً مدرّاً للدخل والنّفع المادي، وذلك من خلال التّرويج لها، وعلى الرّغم ممّا تعاب به كيفيّة استغلال الطّاقة المتجدّدة، من كلفة عالية، وعدم توفّر الآليات والتّقنيات اللازمة بشكل كافٍ، إلّا أنّ هناك عدداً كبيراً من الدّول التي تستعدّ للبدء بمشاريع استثمارية للطاقة المتجدّدة، مع الحرص على رسم أبعاد سياسات هذه المشاريع، والعمل على تطويرها وتنميتها. مميزات الطاقة المتجددة هناك مجموعة من الميّزات التي تتمتّع بها الطاقة المتجدّدة، وتجعلها مصدراً مميّزاً للطاقة، وأهمّها:
- تتواجد الطاّقة المتجدّدة بشكل جيّد في كافّة أنحاء العالم.
- تعتبر الطّاقة المتجدّدة صديقةً للبيئة ونظيفةً. تتواجد بشكل دائم، وتكون قابلةً للتجدّد مرّةً أخرى.
- يسهل استخدامها بالاعتماد على تقنيات وآليات بسيطة. تمتاز بأنّها طاقة اقتصاديّة جدّاً.
- تعدّ عاملاً مهمّاً في التّنمية البيئيّة، والاجتماعيّة، وكافّة المجالات. تساعد على خلق فرص عمل جديدة.
- تساعد على التّخفيف من أضرار الانبعاثات الغازيّة والحراريّة. تمنع هطول الأمطار الحامضيّة الضّارّة
- تحدّ من تجمّع النّفايات بكلّ أشكالها.
- تخليّ المزروعات من الملوّثات الكيميائيّة، وبالتّالي ترفع الإنتاجيّة الزراعيّة.
- تستخدم تقنيات غير معقّدة، ويمكن تصنيعها محليّاً في الدّول النّامية.
أنواع الطاقة المتجددة
تأتي الطّاقة المتجدّدة من عدّة مصادر، ولها أنواع مختلفة، ويمكن تقسيمها إلى عدّة تصنيفات وفقا للآتي:
الطّاقة الشمسيّة:
تُعتبر الأشعة الصّادرة من الشمس وما تحمله معها من حرارة وضوء مصدراً للطاقة الشمسيّة؛ حيث استغلهما الإنسان في مصالحه، وسخّرهما بالاعتماد على وسائل وتقنيات تكنولوجيّة. ويمكن الاستفادة من الشّمس في توليد الطّاقة الحراريّة والكهربائيّة، فأمّا الطّاقة الكهربائيّة فيمكن توليدها من خلال الطّاقة الشمسيّة باستخدام المحرّكات الحراريّة، وألواح الخلايا الضوئيّة الجهديّة، والمحوّلات الفولتوضوئيّة. وقد تمّ استخدام الطّاقة الشمسيّة في عصر ما قبل التّاريخ، وذلك عندما قام الرّهبان باستخدام الأسطح المذّهبة لإشعال ميزان المذبح. وفي عام 212 ق. م قام أرشميدس بحرق الأسطول الرومانيّ، وذلك من خلال تسليط ضوء الشّمس عليه من مسافة بعيدة، مستخدماً في ذلك المرايا العاكسة. وفي عام 1888 توصّل وستون إلى طريقة لتحويل الطّاقة الشمسيّة إلى طاقة ميكانيكيّة، وذلك باستخدام ما يسمّى بعمليّة الازدواج الحراريّ، حيث قام بتوليد جهد بين نقط الاتصال السّاخنة والباردة بين معدنين مختلفين، كالنّيكل والحديد مثلاً.
الطّاقة الحيويّة:
تُستمدّ الطّاقة الحيويّة ممّا يُسمّى بالكتلة الحيويّة؛ والتي هي عبارة عن مادّة عضوية تعمل على تخزين الأشعة الشمسيّة، ثمّ تحويلها إلى طاقة كيميائيّة، وقد تكون هذه المصادر عبارة عن خشب، أو سماد، أو قصب السّكر، وتعتبر مصادر الطّاقة الحيويّة مشابهةً للوقود الأحفوري.
طاقة الرّياح:
يلجأ الإنسان إلى الاعتماد على توربينات الرّياح لاستخراج الطّاقة من الرّياح، وتوليد الطّاقة الكهربائيّة منها، كما تستخدم طاقة الرّياح لإنتاج الطّاقة الميكانيكيّة فيما يُسمّى بطواحين الهواء. وما يقارب 2% من ضوء الشّمس الذي يسقط على سطح الكرة الأرضيّة، يتحوّل إلى طاقة حركة للرياح. وتعدّ هذه كميّةً هائلةً من الطّاقة، والتي تفيض عن حاجة العالم من الاستهلاك في أيّ عام من الأعوام.
الطّاقة الكهرمائيّة:
يعتبر مصطلح كهرومائيّة مصطلحاً شاملاً للكهرباء والماء معاً، ويستخدم هذا النّوع من الطّاقة في استغلال الطّاقة المائيّة لتوليد الطّاقة الكهربائيّة، وتعتبر طاقةً نظيفةً للغاية، وذات انتشار واسع. وفي عملية استغلال هذه الطاقة يتمّ الاعتماد كليّاً على الطّاقة الكامنة في المياه، أو طاقة الوضع، وتحويلها إلى طاقة حركيّة من خلال سقوط الماء وانسيابه من أعلى إلى أسفل، لتتمّ إدارة توربينات التّوليد، فيبدأ المولد الكهربائيّ بالدّوران، وبالتّالي يعمل على إنتاج الطّاقة الكهربائيّة.
فوائد الطّاقة المتجددة
تتعدّد فوائد الطّاقة المتجدّدة حسب الحقل الذي يتمّ استخدامها فيه، ومن أهمّها:
- المجال العسكري: من أهمّ التّطبيقات للطاقة المتجدّدة في المجال العسكريّ، والتي يمكن استخدامها لتسهيل الحياة في المدن العسكريّة الجديدة ما يلي : نظام التّسخين الشّمسي للكليات العسكريّة، وذلك لتلبية حاجات الطلبة. إمداد الواحدات بالمياة السّاخنة، وذلك عن طريق استخدام السّخانات الشّمسية الميدانيّة . تحلية المياه . تغذية المحطّات اللاسلكية الثّابتة.
- المجال المنزلي التّجاري: للطاقة المتجدّدة أهميّة كبيرة في حياة السّكان، ومن أهمّ استخداماتها المنزليّة : تسخين المياه لاستخدامها في أغراض التنظيف، والاستحمام، والغسيل، وذلك عن طريق استخدام المجمّعات الشّمسية، ودون تحويلها إلى أي شكل آخر من أشكال الطاقة، وتعدّ أرخص أنواع الطّاقة تماماً . تسخين المياه بالطّاقة الشّمسية عن طريق استخدام المسطّح الماصّ الشمسيّ.
- المجال الزّراعي: تتعدّد استخدامات الطّاقة المتجدّدة في الاستعمال الزّراعي، ومن أهمّها: تجفيف المنتجات الزراعيّة . الصّوبات الشمسيّة.
- المجال الصّناعي تقطير وتحلية المياه. شحن البطاريات في محطّات التّقوية التليفزيونيّة واللاسلكيّة . إضاءة الممرّات الملاحيّة. أجهزة الإنذار الملاحيّة . نظام تشغيل مكبّرات الصّوت . شحن البطاريّات الكهربائيّة. توليد الكهرباء في القرى النّائية.
المبتكر أشرف رزق
الطاقة الشمسية
عرفنا فيما سبق بعض أنواع الطاقة المتجددة وسيتم التركيز فى الدراسة على الطاقة الشمسية الطاقة الشمسية الطاقة الشمسية: Solar Energy هي أحد مصادر الطاقة المتجددة وأكثرها وِفرةَ في العالم، وهي عبارة عن إشعاع شمسي يٍمكن الاستفادة منه في عدّة أمور أهمها: إنتاج تفاعلات كيميائية، وإنتاج الحرارة وتوليد الكهرباء، إضافةً لأنَّ الطاقة الشمسية منتشرة في جميع أنحاء العالم، فإنها تعتبر مصدراً نظيفاً لا يسبب تلوث، بالتالي إذا تم استغلاله والاستفادة منه بشكلٍ مناسب، فإنه سيُلبي نسبة كبيرة من حاجات العالم من الطاقة في المستقبل. إمكانات الطاقة الشمسية كمودر للطاقة يمكن الاستفادة من أشعة الشمس وتجميعها لتحويلها إلى شكلٍ آخر من أشكال الطاقة، مثل: الطاقة الكهربائية، وذلك باستخدام التكنولوجيا والتقنيات الحديثة، بالتالي فإنَّ إقامة مشاريع لتوليد الطاقة الشمسية يعتمد على كمية الأشعة الشمسية التي تسقط على منطقة معينة لتحديد إمكانات الطاقة الشمسية فيها، وقد وُجد أنَّ كمية الأشعة الواصلة لمنطقة معينة تختلف باختلاف موقع المنطقة الجغرافي، ومناخها العام، وطول اليوم لهذه المنطقة. وحتى يتم تحديد إمكانات الطاقة الشمسية كمورد مهم للطاقة في منطقة معينة، يتم قياس كمية الأشعة الساقطة على هذه المنطقة في أوقات مختلفة من السنة، ثم مقارنتها مع مناطق أخرى واقعة على نفس خط العرض، ويتم التعبير عن البيانات الناتجة عن قياس كمية الأشعة الساقطة بالكيلو واط في الساعة لكل متر مربع (كيلو واط*ساعة/ مترمربع)، فإذا كانت إمكانات الطاقة الشمسية مؤهلة لإقامة مشاريع توليد الطاقة الشمسية، فيتم إقامتها في هذه المنطقة. توليد الطاقة الشمسية لتوليد طاقة شمسية وتحويلها إلى شكل يمكن الاستفادة منه ينبغي توفر بعض التقنيات التي تعمل على جمع الفوتونات الناتجة من الإشعاع الشمسي والعمل على تحويلها إلى كهرباء أو حرارة ومن هذه التقنيات: المصفوفات الكهروضوئية. المصفوفات الكهروضوئية المصفوفات الكهروضوئية: Photovoltaic Arrays تعمل على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية بعملية التحويل الكهروضوئي باستخدام الخلايا الكهروضوئية، فهذه المصفوفة عبارة عن عدد من الخلايا الكهروضوئية الموصولة معاً باستخدام مواد فلزية، وموصولة بإطارٍ يدعمها، مما ينتج طاقة أكبر من الطاقة المُنتجة من خلية واحدة، وكل خلية كهروضوئية مكوّنة بشكلٍ أساسي من مادة السيليكون المُعالَج حيث يتم تصنيعه بشكلٍ يسمح بنقل الكهرباء عبره، ويتم وصل المصفوفة بباقي نظام توليد الطاقة الشمسية. تخزين الطاقة الشمسية عند توليد الطاقة الشمسية من أجل تحويلها إلى شكل آخر، فإنها تواجه مشكلة عدم قدرتها على توليد وإنتاج الطاقة مساءً، لذلك كان لا بد من وجود أساليب لتخزين هذه الطاقة ومن هذه الأساليب: تخزين الطاقة الضوئية: يتم استخدام بطاريات داخل النظام لتخزين الكهرباء عند شحنها، ومن الشرط الأساسي لهذه البطاريات أن تكون قابلة لإعادة الشحن، حيث تُخزِّن الطاقة في النهار، ليتم الاستفادة منها مساءً، ثم يتم إعادة شحنها نهاراً. تخزين الطاقة الحرارية: وهذا النمط خاص في أنظمة تسخين الماء والتي تحوّل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية، حيث تحتوي هذه الأنظمة على نظام تخزين مُبسّط على شكل مجمعات لطاقة الشمس، وعند الحاجة ينتقل الماء الساخن من مجمعات التخزين إلى المكان المرغوب به.
مما تتكون منظومة الطاقة الشمسية؟
يتكون اى نظام شمسى solar PV system من الآتى:
- الالواح الشمسية solar panel
- منظم الشحن charge controller
- المحول او العاكس inverter
- البطاريات batteries
اللوحة الشمسية تحول الطاقة الشمسية لكهرباء (تيار مباشر أو dc electricity بعد ذلك، تمر هذه الكهرباء عبر المنظم إلى البطارية. وظيفة المنظم الأساسية هي التحكم في عملية شحن البطارية و الحفاظ على مستوى مناسب من التيار الكهرباء الذي يتم تخزينه في البطارية. الشمس لا تسطع دائما و لذلك، نحتاج لوسيلة لحفظ الطاقة الكهربائية للاستفادة منها ليلا. البطاريات المستعملة في أنظمة الطاقة الشمسية ليست مثل بطاريات السيارات! عادة ما تكون مصممة لتخزين الشحنة الكهربائية لفترة أطول (deep cycle battery). بعد البطارية يأتي المحول الذي يحول الكهرباء من التيار المباشر إلى التيار الترددي (ac electricity). أغلب الأجهزة الكهربائية المنزلية تستعمل التيار الترددي (220V) و لذلك نحتاج للمحول. في بعض أنظمة الطاقة الشمسية يمكن الاستغناء عن المحول في حال استعملنا أجهزة تعمل بالتيار المباشر مثل بعض أنظمة الإنارة (dc LED lights)، و في هذه الحالة يمكن تقليل تكلفة النظام. لا بد من مراعاة بعض النقاط في تصميم أنظمة الطاقة الشمسية: .حجم اللوحة الشمسية والمنظم البطارية والمحول كلها مترابطة و تتعلق بكمية الأجهزة الكهربائية وعدد ساعات تشغيلها* .*عمر اللوحة الشمسية التشغيلي يتجاوز ال٢٠ سنة .البطاريات عادة ما تعمل ما بين ٥ إلى ٨ سنوات. عمر البطاريات يعتمد على دورات الشحن والتفريغ* *بالنسبة للسعر فأغلى مكونين هما اللوحة والبطارية في كثير من الأحيان (حسب حجم النظام وعدد الأجهزة الكهربائية). لابد من تقدير كمية الإشعاع الشمسي حتى نحدد حجم اللوحة الشمسية المناسب.. وبالنسبة للأحجام، فالألواح الشمسية تأتي بمقاسات كثيرة.*
العاكس أو المحول (Inverter)
هو الجزء المسؤول عن تحويل الطاقة الشمسية لشكل يُمكن الاستفادة منه، حيث إنّ كمية ونوع الطاقة الناتجة من الخلايا الكهروضوئية تعاني من مشاكل، فهي تُنتج تيار كهربائي مستمر وهذا النوع من التيارات لا يناسب جميع الأجهزة، كما أنَّ مقدار الطاقة التي تنتجه الخلية غير ثابت بسبب اختلاف كمية الأشعة الساقطة عليها، فالعاكس يُعالج هذه المشاكل بتحويل التيار المستمر إلى تيار متردد يناسب جميع الأجهزة، كما أنّه يُعالج مشكلة مقدار الطاقة غير الثابتة ويعمل على إنتاج كمية ثابتة من الطاقة، كما يضمن ثبات الجهد للنظام. اى ان الانفرتر (العاكس) هو جهاز وظيفته تحويل تيار الكهرباء المستمر DC القادم من الألواح او البطاريات الي تيار متردد 380/220/110 AC لتشغيل أجهزة المنزل أو المضخات أو ربط نظام الطاقة الشمسية بشبكة الكهرباء القومية. الخصائص الفنية الأساسية لعواكس الطاقة الشمسية:
خصائص موجات التيار المتردد الخارج – AC Output
التيار المنزلي يعمل علي موجة جيبية نقية تسمي Pure Sine Wave وهناك موجة مربعة و أخرى تسمى الموجة المعدلة Modified Sine Wave ما توضح الصورة فاللون الأحمر يوضح التيار العادي والألوان الأخرى توضح أشكال أخرى من الموجات هذا سيفرق معك في تشغيل بعض الأجهزة التي لا تعمل إلا على الموجة الجيبية الحقيقية إذن عند شراء الانفرتر سنجد أن بعض الأجهزة يوصف بأنه يخرج موجة جيبية نقية او معدلة Pure Sine Wave أو Modified Sine Wave وهذا سيكون له فرق في السعر وأيضا في نوعية الأجهزة التي يمكن تشغيلها فإذا كان الخرج بيور ساين ويف فسوف يكون مماثل تماما للكهرباء العمومي وبالتالي تشغيل كافة الأجهزة في حدود الحمل الأقصى له طبعا يلاحظ أن الموجة المعدلة غير منسجمة مع الأجهزة التي فيها موتور وإن كانت تشغلها أحيانا ولكن يحدث تغير في سلوك الجهاز مثلا المروحة تعمل ولكن يلاحظ تغيير في صوتها ودورة الموتور وهذه نقطة سلبية يعوضها انخفاض السعر. فأجهزة الانفرتر ذات الموجة الجيبية المعدلة لا تصلح لتشغيل جميع الأجهزة التى بها مواتير AC Motor مثل: الثلاجات و المراوح وغسالة الملابس وغسالة الصحون، ولا يصلح لتشغيل التليفزيون أو الريسيفر ولا حتى أجهزة الكمبيوتر واللاب توب، كما أنها ممكن أن تتلف الأجهزة الطبية، فتلك الأجهزة تصلح فقط للإضاءة، ومع ذلك تقلل العمر الأفتراضى للمصابيح الكهربية.
قدرة الانفرتر Rated Power
يلاحظ أن الأجهزة يعبر عن استهلاكها غالبا بالوات وبعض الانفرتر يعبر عن قدرتها بالفولت أمبير VA وهذا يستدعي الانتباه عند حساب القدرة وتحويل الفولت أمبير إلى وات يستدعي الضرب في معامل القدرة الكهربائية دعنا نفترض أنه 60% بمعنى أن الجهاز الانفرتر إذا قيل انه يخرج 1000 فولت أمبير فيكون الأجهزة التي يمكن تحميلها عليه اجمالي 600 وات. بالنسبة للمواتير التي يتم تحميلها علي النفرتر يجب حساب التيار الفعلي عند بدء تشغيل الموتور بعمل التصحيح الأزم لمعامل القدرة الكهربائية وهنا سوف تقوم بحساب الأحمال التي يتوقع أن تقوم بتحميلها ويمكنك الرجوع إلى لوحة الطاقة الخاصة بالجهاز ويكون مدون فيها هذه المعلومة أو الاسترشاد بهذا الجدول بشكل تقريبي مع وضع هامش بالزيادة تفاديا لزيادة الحمل يجب أن يكون المستخدم حريصا وعارفا لطبيعة الجهاز وعدم التحميل الزائد والاستجابة لما يصدر عن الجهاز من تحذيرات عند زياد الحمل بتخفيف الأحمال وإطفاء بعض الأجهزة أو اطفاء الجهاز بالكلية إذا كان لا يتحمل وخاصة مع الانقطاع المتكرر للكهرباء الانفرتر المنخفض التردد والمرتفع التردد Low frequency vs High Frequency هناك نوعين من الانفرتر ودون الغوص في النظريات، يمكن ببساطة القول أن هناك اختلافات في الوزن والتكلفة والقدرة القصوي والضوضاء.
- العاكس المنخفض التردد يستخدم الملفات النحاسية الكبيرة “copper transformer” لتحويل التيار وبالتالي هو ثقيل وغالي
- العاكس المرتفع التردد يستخدم الترانزات “transistors” الالكترونية لتحويل التيار.
طريقة عمل الانفرتر
الانفرتر جزء لا يتجزأ من التكنولوجيا الحديثة وقد لعب الأنفرتر دورا بارزا في العالم التكنولوجي الحديث بسبب الارتفاع المفاجئ للسيارات الكهربائية وتقنيات الطاقة المتجددة. المحولات تحويل الطاقة DC إلى طاقة التيار المتردد. كما أنها تستخدم في إمدادات الطاقة غير المنقطعة ، التحكم في الآلات الكهربائية وتصفية الطاقة النشطة.
