تمثـل المعلومـات التكنولوجية التـى تحمیهـا بـراءات الاختـراع أهمية، إذ أنهـا تحتـوي علـى أسـرار تكنولوجية قابلـة للتطبيق الصناعي أى انه يمكن تحويل بعضها الى منتج صالح للاستغلال تجاريًا او صناعيًا . ومؤخراً تمكن المبتكر المصري عبد الرحمن أحمد عبد الواحد من التوصل إلى إلية مبتكرة لتتبع الأشعة الشمسية تعمل بدون مصدر كهرباء أو أي أجهزة الكترونية أو حساسات ضوئية.
الآلية تعمل على استغلال طاقة الرياح خلال أي وقت ليلاً أو نهاراً. تمتاز بعدم اعتمادها على مصدر كهربائي لتناسبالدول النامية في التصنيع وتناسب الأماكن النائية في التطبيق. الالية يمكنها التتبع حول محور أو محورين للتتبع الكامل. يمكن إنتاج الالية بمستوى تكنولوجي محدود وخاصة في الدول النامية.
فوائد بيئية وصحية
تعتبر الطاقة الشمسية مصدر طاقة مهم جدا يمكن الاعتماد عليها لسنوات عديدة بسبب كميتها الواسعة المتاحة. هي واحدة من الطاقات المتجددة التي تعتبر بديل لطاقة الوقود التقليدي في عدة تطبيقات صناعية أو منزلية مثل إنتاج الكهرباء، الطهي وتسخين المياه والتدفئة وتحلية المياه وإنتاج البخار وغير ذلك. وبالتالي فإذا اتيح استغلالها بطرق بسيطة وذو كفاءة بحيث تكون مناسبة في الاستخدام لمعظم القطاعات فسوف يؤدي ذلك إلى فوائد بيئية وصحية واقتصادية.
معظم التطبيقات وخاصة الصناعية تحتاج مصدر حرارة ذو درجات حرارة عالية – ولتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية عند درجات حرارة عالية يلزم تجميع الأشعة الشمسية وتركيزها ثم يتم استخدامها أو تخزينها. وتتم عادة هذه العملية باستخدام مجمعات شمسية ذو أشكال محددة تحتاج التوجيه تجاه الشمس – ونظراً للتغير النسبي لاتجاه أشعة الشمس الساقطة على الأرض مع الوقت تحتاج هذه المجمعات أجهزة تتبع لأشعة الشمس. يوجد صنفين رئيسيين لأجهزة التتبع الشمسية وهما النشط (Active) والانفعالي (Passive). النوع النشط يحتاج إلى مصدر كهربائي لإدارة أجهزته الكهرو-ميكانيكية والإلكترونية والحساسات الضوئية بينما النوع الانفعالي يحتاج لأشعة الشمس فقط لإدارته عن طريق خاصية التمدد الحراري لمعادن أو سوائل خاصة على سبيل المثال.
المميزات
هذا الاختراع يقدم آلية مبتكرة لتتبع أشعة الشمس لا تحتاج إلى مصدر كهربائي أو أي أجهزة كهربائية أو إلكترونية أو حتى حساسات ضوئية وهذه هي أولى مميزاتها والتي تجعلها قابلة للاستخدام في الأماكن النائية – بالإضافة إلا أنها لا تتأثر بشدة الأشعة الشمسية الساقطة ولا بالظروف الجوية المحيطة بالنظام الشمسي مثل درجة الحرارة وسرعة الرياح والغيوم.
الآلية تستغل طاقة الرياح البسيطة ولا يشترط أن تكون رياح مستمرة أو حتى تكون وقت النهار. الطاقة المستغلة من الرياح تستخدم كقوى محركة لتعطي الحركة اللازمة للوحدة الشمسية لتجعلها تتبع شعاع الشمس بدقة على مدار اليوم. من مميزاتها الأخرى بساطة المكونات والتركيب حيث يسهل تصنيعها وإنتاجها بدون خامات ذات مواصفات محددة وتقنيات صناعية عالية المستوى ليسهل انتاجها محلياً في كل البلدان وبالأخص الدول النامية. بالإضافة إلى أن الآلية توفر الطاقة اللازمة لتدوير سائل انتقال الحرارة بين ماسورة التسخين والحمل الحراري باستخدام طاقة الرياح في حالة استخدامها في مثل هذه التطبيقات الحرارية.
المشكلة أو القصور في الفنون السابقة:
يمكن تلخيص المشاكل الموجودة في الطرق المستخدمة الحالية كالاتي:
أولاً: المشاكل الموجودة في الطرق الانفعالية
- عزم الدوران الناتج صغير ومحدود ولا يمكن استخدامه الا مع الوحدات الصغيرة جداً في الحجم والوزن.
- دقة التتبع فيها سيئة جدا فهي تعتبر تتبع تقريبي زوايا محدودة ولذلك يقتصر استخدامها مع الأنظمة الشمسية التي يمكن أن تعمل بدون تتبع ولكن بكفاءة أقل نسبياً.
- وقت الاستجابة لعملية التسخين ثم التمدد الحراري للشرائح المزدوجة أو للموائع يعتمد على مدى شدة الأشعة الشمسية الساقطة على الجهاز. بمعنى أنه عندما تكون شدة الأشعة الشمسية الساقطة قليلة يكون وقت الاستجابة كبير وأحيانا لا يتحرك الجهاز.
- الظروف الجوية مثل الغيوم والرياح تأثر سلبياً على أداء مثل هذه الأجهزة تؤدي الى عدم استقرارها.
- تحتاج هذه الطرق إلى أدوات بمواصفات محددة بالإضافة إلى تجهيزات جانبية تعتمد على ظروف المكان.
- غير عملية ولذلك فهي غير منتشرة.
ثانياً: المشاكل الموجودة في الطرق النشطة
- اعتمادها على مصدر للطاقة الكهربائية ولذلك فلا يمكن استخدامها في الأماكن النائية البعيدة عن شبكة الكهرباء دون شرط وجود خلايا ضوئية شمسية مع بطاريات وأجهزة كهروميكانيكية. في بعض الأحيان إذا اعتمدت على توليد الكهرباء في المكان ذاته فستزيد تكلفة الوحدة وممكن ان تجعلها غير اقتصادية خاصة مع الوحدات صغيرة الحجم. وفي حالة ان كانت الوحدات الشمسية هي خلايا ضوئية فهي تستهلك جزء من الكهرباء المتولدة ويمكن ان تقلل الكفاءة الكلية للوحدات صغيرة الحجم.
- الاحتياج إلى أدوات كهربائية وإلكترونية ليست متوفرة في معظم البلاد وخاصة البلاد النامية وليست برخيصة الثمن أو بسيطة الصيانة ولذلك فالاعتماد على مثل هذه الأجهزة لا يحقق الاكتفاء الذاتي للإنتاج المحلي لمثل هذه البلدان.
ثالثاً: المشاكل الموجودة في عملية التتبع التقريبي
التتبع التقريبي له مشاكل عديدة مثل:
- استخدام مثل هذه الأنظمة محدود فهو لا يصلح لمعظم الأجهزة الشمسية التي تحتاج لتركيز الشمس بدقة محددة بل هو يصلح فقط للأجهزة التي ممكن أن تعمل في وضع ثابت بدون تتبع مثل الخلايا الشمسية والسخانات الشمسية المسطحة والمطبخ الشمسي الصندوقي.
- رغم أنه يزيد كفاءة النظام الشمسي قليلاً عن الوضع الثابت ولكن يحتاج إلى مجهود التدخل اليدوي كل عدة دقائق في بعض الاستخدامات مثل المطبخ الشمسي الصندوقي ولذلك فهو غير عملي.
- كفاءة عملية التتبع قليلة ومحدودة جداً.
الجديد في موضوع الاختراع
الاختراع يقدم نظام مبتكر لتتبع الاشعة الشمسية ولدوران الوحدات الشمسية بحيث يصلح لمعظم الأنظمة الشمسية سواء كانت حركة التتبع حول محور واحد أو محورين. الالية ميكانيكية بالكامل بدون جهاز الكتروني أو كهربائي ثم تتم حركة الدوران للوحدات الشمسية المستخدمة بصورة ميكانيكية كاملة باستغلال طاقة الرياح وقت الليل أو وقت النهار أو كلاهما. الاختراع يمتاز عن غيره بالآتي:
- لا يحتاج هذا النظام إلى مصدر كهربائي لإدارته أو مكونات الكترونية لتحس اتجاه شعاع الشمس. ولذلك فيمكن استخدامه في الأماكن النائية البعيدة عن شبكة الكهرباء وأيضاً بدون شرط أنتاج الكهرباء في مكان الاستغلال (ليس شرط وجود الواح شمسية ضوئية).
- مكوناته الميكانيكية وتصنيعه لا تحتاج الى مستوى انتاج ذو تكنولوجيا عالية بالإضافة الى عدم احتياجه الى أجهزة كهربائية او الكترونية ولذلك فهو يمكن انتاجه في كل البلدان حتى النامية منها. ومن ثم يمكن ان يشارك في عملية الاكتفاء الذاتي بالإضافة الى عائد اقتصادي للبلاد النامية.
- لا تؤثر الظروف الجوية مثل الغيوم وسرعة الرياح ودرجة الحرارة والأمطار على أداءه مثل الأنظمة الاخرى.
- يجمع بين مميزات كل من الأنظمة الانفعالية والأنظمة النشطة ويكمن ذلك في الاتي.
- لا يحتاج مصدر كهرباء لتفعيل دور الحساسات لتحس اتجاه شعاع الشمس ولكن يتم استغلال الحرارة الساقطة من شعاع الشمس لمعرفة اتجاهه.
- لا يحتاج مصدر كهربائي لإدارة الوحدات الشمسية والحساسات حول محور (أو محاور) الدوران فهو يعتمد على استغلال طاقة الرياح خلال وقت اتاحتها وقت الليل أو النهار.
- إمكانية تطبيقه مع جميع الوحدات الشمسية المركزة بمختلف الاحجام سواء كانت صغيرة مثل التطبيقات المنزلية البسيطة او الصناعية المتوسطة.
- إمكانية استخدامه مع التتبع حول محور واحد أو محورين كما هو الحال في التتبع الكلي للتركيز في نقطة (Parabolic Dish Concentrator)
- يمكن الوصول به الى دقة تتبع ممتازة على مدار الفترة المشمسة خلال اليوم بالكامل بداية من الشروق إلى الغروب للحصول على نسب تركيز عالية للأشعة الشمسية المجمعة.
مجالات تطبيق الاختراع:
هذا الاختراع يمكن تطبيقه في جميع الوحدات الشمسية سواء كانت كهربية مثل الخلايا الشمسية أو كانت حرارية بأنواعها المختلفة المركزة والغير مركزة. وعلى سبيل ذلك يمكن تطبيقه في التطبيقات الأتية؛
من حيث تقسيم الأنظمة الشمسية على حسب إنتاجها:
- الأنظمة الحرارية (Thermal solar systems)
- الأنظمة الكهربائية (Electric solar systems)
ومن ناحية التقسيم حسب التركيز فيمكن استخدامه في:
- الأنظمة التي لا تحتاج لتركيز (None-concentrated solar systems) لتزيد من كفاءتها عن وضع الثبات.
- الأنظمة التي تحتاج للتركيز (Concentrated solar systems) مثل
- التركيز في نقطة مثل (Parabolic Dish Concentrator) وفي هذه الحالة سيلزم دمج حساسين حراريين للدوران حول محورين
- التركيز في خط مثل (Parabolic Trough Collector)
- التركيز في مدى محدود مثل (Compound Parabolic Trough Collector)
ومن حيث التطبيقات حسب الاستخدام فيمكن استخدامه في:
- العمليات الحرارية بأنواعها في المناطق النائية
- تحلية المياه في المناطق النائية
- محطات إنتاج البخار في المصانع
- الخلايا الشمسية
- الطهي والتسخين المنزلي
- سخانات المياه المسطحة
وبمعني أشمل يمكن استخدامه في معظم التطبيقات الشمسية.
ملخص القياسات العملية:
البحث قدم أسلوب مبتكر لنظام متكامل لوحدة تركيز الطاقة الشمسية مع ألية لتتبع الاشعة الشمسية بدون كهرباء أو حتى مواد خاصة. بالإضافة الي تقديم تركيبة مبتكرة لحوض تجميع شمسي مقعر وأيضاً تقديم اسلوب مبتكر لتدوير سائل انتقال الحرارة باستخدام طاقة الرياح. الالية المبتكرة لتتبع الاشعة الشمسية تستغل طاقة الرياح خلال وقت الليل كما أن عملية تدوير سائل انتقال الحرارة تعمل بطاقة الرياح أيضاً خلال وقت النهار. علما بأن الية التتبع وعملية تدوير سائل انتقال الحرارة يعملان بطاحونة هواء واحدة ويتم التنقل بينهما أوتوماتيكياً. تم اختبار النموذج بالمحاكاة النظرية ثم بالقياسات الفعلية باستخدام أجهزة قياس بعد معايرتها وتوصيلها بنظام جمع بيانات. أظهرت النتائج العملية أن الكفاءة الحرارية العملية في الساعات المتوسطة لليوم تتراوح في المدى (38: 50) %. كما وصل المجمع الشمسي المقعر الذي عرضه91سم الى أعلى درجة حرارة 185 م° في أيام الخريف بينما وصل الى 180 م° عند الانقلاب الشتوي حيث كانت درجة حرارة الجو (18:22م°) و (12:20م°) على التوالي.
أهم ابتكاراته
- في شهر مارس 2018حصل على براءة الاختراع الاول من أكاديمية البحث العلمي والتكنولوجيا
- بينما الاختراع الثاني الدولي في مرحلة اختيار دول الحماية الان وهو في مجال الطاقة الشمسية ايضاً
- تقدم بطلب دولي للاختراع الثالث هذا العام 2018 في مجال خطوط الانابيب (مثل شبكات المياه)
الاختراع أخذ وقت وجهد وصبر ليس بالقليل حتى وصل الى التجربة العملية العلمية ثم مقارنته باختراعات دولية أخرى حتى الحصول على ” بـــراءة اخـــتـــراع” من أكاديمية البحث العلمي والتكنولوجيا..
الاختراع هادف وليست فكرة من وحي الخيال. بعد ثورة 25 يناير قرر عبد الرحمن استخدام مؤهلاته الهندسية لحل مشكلة من مشاكل البلد، فركز على الطاقات المتجددة حيث تمتلك مصر منها ما يكفيها وزيادة كما تمتلك الموارد البشرية بعقولها الممتازة ولكن العوامل الاقتصادية والامكانيات التكنولوجية كانت تحد من استغلال مثل هذه الطاقات. فهدف الاختراع هو استغلال الطاقة الشمسية بمكونات يمكن انتاجها بمستوى تكنولوجي محدود (ورشة بسيطة) حتى يحقق الاكتفاء الذاتي للبلاد النامية على مستوى معظم التطبيقات وخاصة المصانع والبيوت وفي الأماكن النائية البعيدة عن الشبكة.
وبدوره حاول عبد الرحمن ان يقدم نموذج يستغل هذه الطاقات بأسلوب تصنيع وتكنولوجيا تناسبنا كدولة نامية دون الاعتماد على التكنولوجيا الحديثة والمكونات التي لا نمتلكها والبعد عن استيرادها بالعملة الصعبة.
إن اتجاه شعاع الشمس يتغير على مدار اليوم من الشروق الى الغروب ويتغير مسارة كل يوم عن الاخر على مدار السنة. توجد أجهزة معروفة تحول الطاقة الشمسية الى كهربية وأخرى الى حرارة وتكون ثابتة في موضعها رغم تغير اتجاه الشعاع الشمسي، مع انها لو تتبعت الشعاع اشمسي لزادة كفاءتها بنسبة عالية ولكن إذا تم تتبعها بالأنظمة الكهروميكانيكية المعروفة ستكون بدون جدوى اقتصادية وبعض الأحيان استهلاك هذه الأنظمة الكهرو ميكانيكية لجزء من الطاقة المنتجة سيؤدي الى قلة الكفاءة النهائية للوحدة ولذلك فلا تطبق وتعمل الوحدة بكفاءتها المحدودة. كما توجد أجهزة شمسية أخرى لها كفاءة عالية ولكن لا تعمل في الوضع الثابت فلابد لها من تتبع الشعاع الشمسي بدقة بواسطة أجهزة كهربائية والكترونية وحساسات ضوئية. ففي هذا الاختراع قدمت الية ميكانيكية بسيطة التركيب والتصنيع لتتبع الاشعة الشمسية بدقة دون الحاجة الى أجهزة كهربائية أو الكترونية أو حساسات ضوئية.
بالإضافة الى توفير عملية نقل الحرارة من المجمع الشمسي الى الحمل في حالة التركيز الحراري دون الحاجة لكهرباء. الالية تستمد طاقتها اللازمة من طاقة الرياح ليلاً ونهاراً وقتما وجدت.
عمل المخترع على انشاء نموذج متكامل فعلى بيده في بيته واختبره بأجهزة جمع بيانات وأظهر نتائج ممتازة في الدقة والتركيز حيث وصل درجة الحرارة الى 186 درجة مئوية في فصل الخريف (باستخدام حوض مجمع صغير الحجم بطول 150 سم وعرض 90 سم).
يسعى المخترع للتواصل مع من يكمل مسيرته حتى انتاجه كمنتج نهائي وبالأخص في الاختراع الدولي الثاني الذي هو في فترة الحماية الدولية الان.