مقدمة
لقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة
الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية
والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان
استغلال الطاقة الشمسية.
تسخر الطاقة الشمسية حالياً في أنحاء متعددة
من العالم ويمكنها أن تؤمن أضعاف معدّل الاستهلاك الحالي للطاقة في العالم
إذا ما تمّ استغلالها بشكل صحيح. كما يمكن استخدام الطاقة الشمسية لانتاج
الكهرباء مباشرة أو للتسخين أو حتّى للتبريد.
لقد تم تصنيع نماذج كثيرة
من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا
الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة، وهي لا تستهلك وقوداً ولا
تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة.
التحويل
الحراري للطاقة الشمسية يعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية
عن طريق المجمعات ( الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية.فإذا تعرض جسم
داكن للون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص الإشعاع وترتفع درجة
حرارته فيستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد
الكهرباء وغيرها. وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في
مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية.
استخدام الطاقة الشمسية
استفاد
الإنسان منذ القدم من طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف
المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى وردت في
كتب العلوم التاريخية فقد أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الرماني في حرب عام
212 ق م عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من
الدروع المعدنية. وفي العصر البابلي كانت نساء الكهنة يستعملن آية ذهبية
مصقولة كالمرايا لتركيز الإشعاع الشمسي للحصول على النار. كما قام علماء
أمثال تشرنهوس وسويز ولافوازييه وموتشوت وأريكسون وهاردنج وغيرهم باستخدام
الطاقة الشمسية في صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير الماء
وتسخين الهواء. كما أنشئت في مطلع القرن الميلادي الحالي أول محطة عالمية
للري بوساطة الطاقة الشمسية كانت تعمل لمدة خمس ساعات في اليوم وذلك في
المعادي قرب القاهرة. لقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من
الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في
التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في
ميدان استغلال الطاقة الشمسية.
بالإضافة لما ذكر تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي:
إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى.
توفير
عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو
وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم.
تحويل الطاقة الشمسية
يمكن
تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي
التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية، ويقصد بالتحويل
الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية
بوساطة الخلايا الشمسية (الكهروضوئية)، وكما هو معلوم هناك بعض المواد
التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون
والجرمانيوم وغيرها. وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء
في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير
الإلكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من
الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا. وقد نال العالم اينشتاين جائزة
نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة.
وقد تم تصنيع نماذج
كثيرة من الخلايا الشمسيةتستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز
الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة، وهي لا تستهلك وقوداً
ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة. ويتحقق
أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية
) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني
ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي
فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه. كما تستخدم
الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق
والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها. أما التحويل الحراري للطاقة الشمسية
فيعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات (
الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية.فإذا تعرض جسم داكن للون ومعزول عن
الإشعاع الشمسي فأنه يمتص الإشعاع وترتفع درجة حرارته. ويستفاد من هذه
الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها.
وتعد
تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري
للطاقة الشمسية. يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر
استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها كذلك يمكن
الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام، حيث أن هناك أبحاث تجري في
هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس
تحت أشعة الشمس أثناء الطهي. ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان
هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة ، إلا أن مدى الاستفادة منها
يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية. وعليه
يبدو أن المطلوب من تقنيات بعد تقنية وتطوير التحويل الكهربائي والحراري
للطاقة الشمسية هو تقنية تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة
احتجاب الإشعاع الشمسي. وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل
التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي.
وتعد
بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات
الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع، حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها
متوفرة إلا إنها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعني المفهوم.
فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة
كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية. وكذلك تخزينها إذا دعت
الضرورة. ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية
إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها آخذة في الانخفاض
المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية.
عندما يكون الخيار
الأمثل لمحطة البث أو التقوية هو موقع جبلي في منطقة معزولة, فليس هناك
بديل عن الطاقة الشمسية لتجنب تكاليف الصيانة والتشغيل.
مع انخفاض سعر الخلايا الشمسية و الارتفاع المستمر لأسعار الكهرباء و النفط, حان الوقت للتجديد و الاستقلالية في مصدر الكهرباء.
إذا
كان عدم توفر الكهرباء عائقا أمام أهدافك في إتمام مشروعك الزراعي, أو كون
المنطقة بعيدة عن مصدر الكهرباء, فإن الطاقة الشمسية هي خيارك الأول و
الأوفر.
لتجنب أسلاك الكهرباء و بشاعتها, و لتوفير تكلفة البنية
التحتية, و للمساهمة في بيئة نظيفة, من الأجدر بك استخدام نظم الطاقة
الشمسية لبساطتها و عدم خطورتها.
شكل يوضح نظم الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء
خلايا الشَّمْس تُكافِح التَّلوُّث
في
نوفمبر 1999م قام العلماء في "سبكترولاب" (إحدى وحدات مؤسسة هاجز
الالكترونية وقسم الطاقة بالمعمل القومي للطاقة المتجددة) بتسجيل زيادة
جديدة في القدرة التحويلية للخلايا الشمسية، حيث سجلوا تحويل 32.3% من
الطاقة الشمسية الداخلة إلى تيار كهربي، وتعتبر هذه النسبة ضعف القدرة
التحويلية القديمة للخلايا، ويعتقد العلماء أنه يمكنهم زيادة هذه النسبة
إلى 40%.
وبمضاعفة القدرة التحويلية للخلايا فإن حجم نظام تجميع
الأشعة الضوئية لتحويلها إلى تيار كهربي سيقل إلى النصف، مما يعني تخفيض
التكلفة الإجمالية للخلايا وزيادة قدرتها على المنافسة كمصدر للكهرباء
أكثر صحية، إذن فإن التحدي الحقيقي الآن هو إخراج هذه التكنولوجيا الحديثة
إلى الحَيِّز التطبيقي بصورة أوسع لإثبات صلاحيتها على المدى الواسع، ومع
زيادة الطلب على الخلايا الشمسية يتوقع انخفاض سعرها فتصبح في متناول كل
الأفراد، وبذلك نضمن انخفاض معدلات التلوث بشكل كبير في المستقبل.
الخلايا الشمسية
هي
أحد أشهر تطبيقات استخدام الطاقة الشمسية، ويرجع تاريخها إلى عام 1839م
عندما اكتشف الفرنسي "إدموند بكوريل" أن الضوء الواقع على قطب كهربي
مُنْغَمِس في محلول مُوَصِّل قد ينتج تيارًا كهربيًّا، وفي عام 1941م
اخترع الأمريكي "روسل أوهل" الخلية الشمسية المصنوعة من السليكون.
تصنع
الخلايا الكهروضوئية عادة من السليكون المعالج كيماويًّا ( السليكون هو
نفس مادة الرمل الموجودة على الشواطئ في جميع أنحاء العالم)، وهي تعمل على
تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية، فعندما يقع الضوء الشمسي على
الخلية الكهروضوئية يتحرر منها الكترون، وتُجْمَع الالكترونات المحررة في
أسلاك موصلة بالخلية فتنتج تيارًا كهربيًّاً. والخلايا الكهروضوئية هي
المصدر الأساسي للكهرباء في الأقمار الصناعية، ولكن تكلفتها العالية جعلت
من الصعب استخدامها كمصدر كهربائي على الأرض، وبالتالي كان يتم استخدامها
فقط في حالة عدم وجود أي بدائل أرخص. وقرار استخدام الخلايا الشمسية
بالنسبة لمعظم مستخدميها هو قرار بيئيّ، فَهُم يرون تجنب استخدام البدائل
الأخرى.
الطاقة الشمسية
تسخر الطاقة الشمسية حالياً في أنحاء
متعددة من العالم ويمكنها أن تؤمن أضعاف معدّل الاستهلاك الحالي للطاقة في
العالم إذا ما تمّ استغلالها بشكل صحيح. يمكن استخدام الطاقة الشمسية
لانتاج الكهرباء مباشرة أو للتسخين أو حتّى للتبريد. ولا يحدّ الإمكانيات
المستقبلية للطاقة الشمسية سوى استعدادنا للاستفادة من الفرصة.
ثمة طرق
عديدة مختلفة لاستخدام الطاقة المتأتية عن الشمس. الاّ أنّ عبارة "الطاقة
الشمسية" تعني تحويل ضوء الشمس إلى طاقة حرارية أو كهربائية لكي نستخدمها.
إنّ نوعي الطاقة الشمسية الأساسيين هما : "الفولطائية الضوئية" و"الطاقة
الحرارية الشمسية".
الفولطائية الضوئية
تعني انتاج الكهرباء من
الضوء. يكمن السر في هذه العمليّة في استخدام مواد شبه موصلة يمكن تكييفها
لتطلق الكترونات، وهي الذرّات السالبة التي تشكّل أساس الكهرباء. والمادة
الأكثر استخداماً في الأجزاء الفولطائيّة هي السيليكون، وهي مادّة نجدها
عادةً في الرمال. في كافة الأجزاء الفولطائيّة طبقتان على الأقل من هذه
المواد شبه الموصلة، احداهما ايجابيّة والاخرى سلبيّة. عندما ينعكس الضوء
على الطبقة شبه الموصلة ، يتسبب الحقل الكهربائي في الوصلة ما بين هاتين
الطبقتين بتدفّق الكهرباء، مولّداً تيّاراً كهربائيّاً مستمرّاً. وكلما
كان الضوء أقوى ، كلّما كان دفق الكهرباء أكبر.
ولا يحتاج النظام
الفولطائي الضوئي إلى ضوء شمس ساطع كي يعمل. فهو يولّد الكهرباء أيضاً حتى
عندما يكون الطقس غائماً، مع طاقة تتناسب وكثافة الغيوم. وبسبب انعكاس ضوء
الشمس من الغيوم يمكن للأيّام القليلة الغيوم أن تنتج طاقة أكثر من
الأيّام التي تكون فيها السماء صافية كلّياً. ومن الشائع في أيامنا هذه أن
يتم تزويد الآلات الصغيرة، كالآلات الحاسبة مثلاً، بالطاقة عبر استخدام
قطع صغيرة جداً تعمل على الطاقة الشمسيّة. كما تستخدم الفولطائيّة
الضوئيّة لتأمين الكهرباء في مناطق تفتقر إلى شبكة للطاقة. لقد طوّرنا
ثلاّجة تحمل اسم المبرّد الشمسي، وتعمل على الطاقة الشمسيّة. بعد تجربتها،
ستستخدمها المنظّمات الانسانيّة للمساعدة في ايصال اللقاحات إلى مناطق
تفتقر إلى الكهرباء، كما سيستخدمها أي شخص لا يرغب في أن يعتمد على شبكة
الطاقة للحفاظ على برودة طعامه.
ويستخدم المهندسون المعماريّون بشكل
متزايد القطع الفولطائيّة الضوئيّة كميّزة من ميّزات التصميم. فعلى سبيل
المثال، يمكن أن يحلّ قرميد السطوح الشمسي أو اللوحات الشمسيّة مكان مواد
بناء السطوح التقليديّة. كما يمكن إدخال قشرة رقيقة مرنة على السطوح
المعقودة فيما تسمح وحدات شبه شفافة بمزيج من الظلال والنور. وتستخدم
القطع الفولطائيّة الضوئيّة في تأمين طاقة قصوى للمبنى في أيام الصيف
الحارّة حين تحتاج أنظمة التكييف إلى أقصى قدر ممكن من الطاقة، فتساعد
بالتالي على خفض شحنة الكهرباء القصوى. يمكن للفولطائيّة الضوئيّة على
المستويين العالي والضيّق أن تولّد طاقة لشبكة الكهرباء أو أن تعمل
بذاتها.
مصانع الطاقة الحرارية الشمسية
تركّز مرايا مصانع الطاقة
الحراريّة الشمسيّة الضخمة ضوء الشمس في خط واحد أو نقطة واحدة. وتستخدم
الحرارة التي تنتج عن هذه العمليّة لتوليد البخار. بدوره، يُستخدم البخار
الحار والمضغوط جداً لتشغيل توربينات تقوم بتوليد الكهرباء . في المناطق
التي تكثر فيها الشمس يمكن لمصانع الطاقة الحرارية الشمسيّة أن تضمن انتاج
الكهرباء بكميات كبيرة . استناداً إلى التقديرات، فانّ قدرة مصانع الطاقة
الحراريّة الشمسيّة التي تعادل 354 ميغاوات حالياً ستتجاوز الخمسة آلاف
ميغاوات مع حلول العام2015. ومع حلول العام 2020 سترتفع القدرة الإضافية
بمعدّل يقارب 4500 ميغاوات كلّ عام، وقد تصل الطاقة الحراريّة الشمسيّة
الاجماليّة حول العالم إلى قرابة 000 30 ميغاوات، أي ما يكفي لتزويد 30
مليون منزل بالطاقة.
أشعة الشمس للتدفئة والتبريد
تقوم الطاقة
الحراريّة الشمسيّة على استخدام حرارة الشمس مباشرةً. يمكن لخزّان تجميع
الطاقة الحراريّة الشمسيّة على السطح أن يؤمّن المياه الساخنة للمنزل وأن
يساعد في تدفئته. تقوم الأنظمة الحراريّة الشمسيّة على مبدأ بسيط معروف
منذ قرون، هو تسخين الشمس للمياه الموجودة في وعاء قاتم. تعتبر تقنيات
الحرارة الشمسيّة الموجودة حاليّاً في السوق فعّالة ويمكن الاعتماد عليها
بشكل كبير، وهي تؤمّن الطاقة الشمسيّة لمجموعة واسعة من الاستعمالات،
بدءاً من المياه الساخنة في المنازل إلى تدفئة الأبنية السكنيّة
والتجاريّة مروراً بتدفئة أحواض السباحة فضلاً عن التبريد بواسطة الطاقة
الشمسيّة والتدفئة الصناعيّة وتحلية مياه الشفة.
إنّ إنتاج المياه
الساخنة للمنازل هو من أكثر استعمالات الطاقة الحراريّة الشمسيّة شيوعاً
اليوم. وقد أصبحت في بعض البلدان ميّزة شائعة في الأبنية السكنيّة. ووفقاً
للظروف ولبرنامج النظام، يمكن للطاقة الشمسيّة أن تؤمّن قرابة 100% من
الحاجة إلى المياه الساخنة. ويمكن للأنظمة الأوسع أن تغطي جزءاّ هاماً من
الطاقة اللازمة للتدفئة. ثمة نوعان أساسيان من التكنولوجيا: الأنابيب
المفرّغة حيث يعمل الماصّ داخل الأنبوب المفرّغ على امتصاص أشعة الشمس
ويسخّن السائل في الداخل كما في اللوح الشمسي المسطح العادي. ويتم تلقي
المزيد من الإشعاع بفضل العاكس خلف الأنابيب. ومهما كانت زاوية الشمس،
يسمح الشكل الدائري لأنبوب التفريغ للإشعاعات بأن تصل إلى الماص مباشرة.
وحتى في الأيام الغائمة، عندما يأتي الضوء من زوايا متعددة في آنٍ معاً
يبقى جامع الأنبوب المفرّغ فعالاً جداً. شخزّان تجميع الطاقة الشمسيّة ذو
اللّوح المسطّح ـ هو في الأساس صندوق بغطاء زجاجي يوضع على السطح
كالمَنوَر. في داخل الصندوق سلسلة من الأنابيب النحاسيّة مرتبطة ببعضها
ببوصلات من النحاس. إنّ التركيبة كلّها مكسوّة بمادّة سوداء مصممة لحبس
أشعة الشمس. هذه الأشعة تسخّن مياهاً وخليطاً مضاداً للجليد فيتحرّكان من
الخزّان إلى سخّان المياه في القبو.
خاتمة:rolleyes :
تمكن
الإنسان منذ القدم من الاستفادة طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات
عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات
أخرى وردت في كتب العلوم والتاريخ.
إن الطلب لمصادر الطاقة الحالية في
تزايد مستمر ولأن الطلب المتزايد على هذه المصادر يسبب في ارتفاع أسعارها
وما ينشأ عنها من تبعية اقتصادية تثقل كاهل الدول لذلك تستثمر معظم دول
العالم المتقدمة في البحث العلمي عن المصادر البديلة.
والطاقة الشمسية هي أهم المصادر البديلة لوفرتها واتساع رقعة الاستثمار ولخلوها من أضرار مسببة للتلوث.
والعمل
على تطوير استغلال هذه الطاقة يبعث الأمل في تقليص المصدر الحالي وهو
البترول الذي يساهم بشكل ضار في التلوث رغم المنفعة الكبيرة التي يجنيها
العالم منه.
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية التي يمكن تحويلها بدورها في مجالات مختلفة. كما يمكن استغلالها في مجالات واسعة.
فهرس:ee k:
مقدمة
مجال استخدام الطاقة الشمسية
سبل تحويل الطاقة الشمسية
نظم الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء
خلايا الشَّمْس تُكافِح التَّلوُّث
الخلايا الشمسية
الطاقة الشمسية
الفولطائية الضوئية
مصانع الطاقة الحرارية الشمسية
أشعة الشمس للتدفئة والتبريد
التبريد بواسطة أشعة الشمس
وشكرا
