الطاقة الشمسية
 | * طاقة الشمس: الطاقة الشمسية هى الأشعة التى تنبعث من التفاعلات النووية التى تتم داخل الشمس، والطاقة الشمسية أو أشعة الشمس تصل إلى الأرض من خلال الفضاء فى صورة حزم تسمى “الفوتون”، والفوتون (Photon) هو جسيم أولي، وهو الكم للضوء وجميع الأشكال الأخرى للإشعاع الكهرومغناطيسي، والحامل للقوة الكهرومغناطيسية. |
والشمس من أكبر مصادر الضوء والحرارة، وتتوزع الطاقة المنبعثة منها على الأرض حسب قرب كل مكان من خط الاستواء – وخط الاستواء هو المنطقة التى ينالها أكبر قدر أو نصيب من الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية المنبعثة منها.
- الطاقة المنبعثة من الشمس.
- تقنيات الطاقة الشمسية.
- فوائد الطاقة الشمسية المتجددة.
- استخدامات الطاقة الشمسية.
- إشكاليات مع الطاقة الشمسية.
تشع الشمس طاقتها في الفضاء بسرعة الضوء التي تبلغ 300.000 كيلومتر في الثانية، وأشعة الشمس مهمة وضرورية للغاية لبقاء أي نظام حيوي طبيعي.
تبعد الأرض عن الشمس بمسافات تقاس بملايين الكيلومترات، وحجمها يعتبر صغير بالقياس بحجم الشمس.
عندما تتأمل الشمس تجد نفسك أمام فرن ملتهب بداخله الوقود مشتعل ويبث النار الملتهبة، ولكن الحقيقة أن ما نراه ما هو إلا جزء من سطح الشمس. وبذلك فإن الشمس فرن نووي وقوده الهيدروجين وطريقة اشتعاله هي الاندماج النووي لذرات الهيدروجين لإنتاج كمية كبيرة من الطاقة والحرارة والضوء.
والطاقة الشمسية هى من مصادر الطاقة المتجددة التى لا تنضب، ولم يتم استغلالها فعلياً حتى الآن، الشمس تنتج الطاقة منذ ملايين السنين، هذه الطاقة تتمثل فى الأشعة المنبعثة منها التى تصل الأرض لتُستخدم فى مختلف الأغراض، ويمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى صور أخرى من الطاقة كتحويلها إلى حرارة وكهرباء.
نصف الكرة الأرضية الذى يواجه الشمس نجد أن الكيلومتر المربع الواحد على الحافة الخارجية للغلاف الجوى به يصله ما يقرب من 1400 ميجاوات من الطاقة الشمسية كل دقيقة، نصف هذا الكم فقط يصل سطح الأرض، وكم الضوء الذى يصل أى نقطة فى الأرض يعتمد على التوقيت من النهار، وكم الإشعاعات التى تصل للأرض من الشمس تختلف بشكل طفيف بنسبة 0.2% كل 30 سنة، وأى تغير ضخم قد يتسبب فى وضع نهاية للحياة على سطح الأرض لكافة الكائنات الحية.
وصف الفيزيائي ماكس بلانك فى عام 1900 أن الضوء وكل أشكال الطاقة الاشعاعية أنها تيارات من جسيمات تسمى بالكم، وكل كم من الطاقة حزمة ولا يمكن تقسيمها .. والفوتون كم من الطاقة الكهرومغنطيسية.
– تعريف الطاقة
تعريف الطاقة ببساطة شديدة يمكن إيجازه فى ثلاث كلمات: “القدرة على بذل عمل”، فالطاقة التى يحتاجها جسم الإنسان هى من أجل نشاطه وحركته وقدرته على القيام بمختلف الوظائف الحيوية سواء داخل جسده أو خارجه من الأعمال والأنشطة اليومية، ويحصل الإنسان على طاقته هذه من الأطعمة المتنوعة التي يتناولها، والآلة بالمثل تحتاج الطاقة لكى تعمل .. وهذا يقودنا إلى أمر آخر هام أن الجماد أو الكائن الحي عندما يستخدم الطاقة فهو يحولها من صورة إلى أخرى لكى يستفيد منها، ومن هنا نشأت الحاجة إلى توافر مصادر متعددة للطاقة.
– مصادر الطاقة المتعددة
أصل الطاقة على سطح الكرة الأرضية هى الشمس، ومازالت حتى الآن تمد الكائنات الحية من النباتات والحيوانات بالطاقة اللازمة للوظائف الحيوية. إلا أنه ظهرت المصادر الأخرى التي استطاع الإنسان اكتشافها.
وتنقسم مصادر الطاقة إلى قسمين رئيسيين:
ا- مصادر الطاقة التقليدية، وتضم:
– البترول:
يُطلق على البترول الذهب الأسود ويحتل قائمة مصادر الطاقة بمختلف أنواعها، وتتعدد استخداماته سواء لإنتاج الطاقة وتوليد الكهرباء أو الصناعات الأخرى مثل صناعة البلاستيك أو البتروكيماويات.
تتعدد مشتقات البترول، فعند استخراجه من باطن الأرض لا يتم استخدامه على صورته الخام كما هى وإنما يمر بمراحل للمعالجة فى معامل التكرير، ومن هذه المشتقات: البنزين والسولار والكيروسين والجاز.
وعلى الرغم من فوائد البترول الكثيرة إلا أن له آثاره الضارة على البيئة فى انبعاث غازات ضارة مثل أول وثاني أكسيد الكربون.
– الغاز الطبيعي:
يمكننا أن نشير إلى الغاز الطبيعي على أنه مصدراً بديلاً عن البترول، بل أن الآثار السلبية منه على البيئة قليلة مقارنة بتلك الانبعاثات من البترول والفحم لذا فهو يُطلق عليه “غاز صديق البيئة”.
وعن استخدامات الغاز الطبيعي: توليد الكهرباء، الاستهلاك المنزلي فى المواقد والسخانات، مادة خام فى صناعة السماد والبلاستيك، فى وسائل النقل بديلاً عن الوقود من البنزين حيث يتميز برخص ثمنه.
– الفحم:
يُستخدم الفحم النباتي في الحرق المباشر للحصول على الطاقة. ويستخدم في بعض الإغراض المنزلية أيضا يستخدم بالتدفئة والطهي والشواء. أما البلاد التي يتوافر لديها فائض من خشب الغابات، فيمكن تحويله إلى فحم نباتي ثم استعماله في بعض المشاريع الكبيرة كتوليد الكهرباء.
صحيح أن مصادر الطاقة التقليدية هى المستخدمة على نطاق أكبر من مصادر الطاقة المتجددة إلا أنها تنفذ مع الاستخدام وتحتاج إلى ملايين السنين لكى تتكون مرة أخرى، لذا ألحت الحاجة إلى التنقيب عن مصادر متجددة “الطاقة المتجددة”.
ب- مصادر الطاقة المتجددة، وتضم:
– الطاقة الشمسية:
من أهم استخدامات الطاقة الشمسية المتجددة توليد الكهرباء، ومن أهم تطبيقاتها السخانات الشمسية والتي تستخدم فى: تسخين المياه، صناعة منتجات الألبان، صناعة الغزل والنسيج، تسخين الهواء لأغراض التدفئة وتجفيف الحاصلات الزراعية.
– طاقة الرياح:
تم اكتشاف طاقة الرياح منذ آلاف السنين لتوليد الطاقة وهى من المصادر الصديقة للبيئة أيضاً، من تطبيقات طاقة الرياح: قديماً كانت تستخدم لدفع القوارب الشراعية فى الماء ولرفع مياه الآبار، أما الآن فيتم استخدامها لتوليد الكهرباء حيث تدير الرياح مروحة كبيرة تشغل بدورها مولد كهربائي.
– الطاقة المائية:
الطاقة المائية هى الطاقة التى يتم الحصول عليها من حركة المياه، والمياه تم استخدامها منذ القدم فى توليد الطاقة لتشغيل مطاحن الدقيق أو لتسيير ماكينات رى الأراضى الزراعية ولتشغيل آلات النسيج منذ عهد الإمبراطورية الرومانية.
– الغاز الحيوي (البيوجاز):
الغاز الحيوي هو غاز أخف من الهواء عديم اللون وغير سام. يتم إنتاجه عن طريق التحلل اللاهوائى للمخلفات العضوية الحيوانية والنباتية والآدمية.
وعن تطبيقاته: وقود مباشر فى الطهي والإنارة والتدفئة، وبشكل غير مباشر لإدارة الآلات وتوليد الكهرباء.
– طاقة الكتلة الحيوية:
قد لا يعرفها الكثير لأنها ليست من أنواع مصادر الطاقة الشائعة، وطاقة الكتلة الحيوية هى تلك الطاقة المستخرجة من المخلفات الزراعية والحيوانية والآدمية حيث يتم تحويلها إلى وقود يتم استخدامه فى الصناعات المختلفة وفى الاستهلاك المنزلي بل والتجاري.
وكما يتضح من اسمها هى مصادر متجددة لا تنضب ولا تنتهي وتدوم بدوام الحياة، والميزة الأخرى التي تتميز بها مصادر الطاقة المتجددة أنها مصادر غير ضارة لا ينبعث منها أية ملوثات للبيئة.
* تقنيات الطاقة الشمسية:
إن تقنيات الطاقة الشمسية التى تستخدم أشعة الشمس وحرارتها يمكن أن تمدنا بالحرارة والضوء والماء الساخن والكهرباء، وحتى القيام بمهام التبريد فى مختلف الأغراض المنزلية والصناعية والزراعية، وهناك العديد من التقنيات التى تم تطويرها ليتم الاستفادة من الطاقة الشمسية بأقصى ما يمكن وحسب المتاح من الإمكانات التى تسخر استخدامها، ومنها:
– الخلايا الشمسية (Photovoltaic systems):
يتم تحويل أشعة الشمس بشكل مباشر إلى طاقة كهربائية عن طريق ما يُسمى بالخلايا الشمسية وهى عبارة عن محولات “فولتوضوئية” تقوم بتحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء، والخلايا الشمسية هى خلايا شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء .
الخلايا الشمسية هى عبارة عن رقائق رفيعة من السيليكون بها شوائب بمقادير صغيرة لإعطاء جانب واحد شحنة موجبة والجانب الآخر شحنة سالبة.
تبلغ القدرة الكهربية المنتجة للخلية الشمسية عادة واحد وات.
يتم تصنيع الخلايا الشمسية من مواد مختلفة إلا أن هذه المواد تتميز بندرتها أو بسُميتها التى تلحق الضرر بالبيئة وبالإنسان، ومن أكثر المواد استخداماً فى تصنيع الخلايا الشمسية هى مادة “السيليكون” نظراً لتوافرها ومازال البحث جارياً لاكتشاف مزيداً من المواد الأخرى التى لا تسبب ضرراً للبيئة.
يتم استخدام الخلايا الشمسية فى العديد من التطبيقات سواء فى مجال الزراعة أو الصناعة أو السكن وفى مجال استخراج النفط.
– الطاقة الشمسية ومحطات توليد الكهرباء (Power plants):
يمكن استخدام الطاقة الشمسية فى تشغيل توربينات الكهرباء ببخار الماء، حيث يتم إنشاء مجمع لتوليد الكهرباء عن طريق أشعة الشمس، يتضمن هذا المجمع على عدد كبير من المرايا التى تعكس أشعة الشمس وتركزها على غلاية كبيرة موضوعة أعلى برج.
– تسخين الماء بواسطة الشمس (Solar hot water):
والتى يتم فيها تسخين الماء بفعل حرارة الشمس لاستخدامها فى الأغراض المتعددة. ومفاد هذه التقنية تقوم على الفكرة التالية: أن الماء الضحل فى البحيرات عادة ما يكون أدفأ من المياه العميقة وذلك لأن أشعة الشمس تعمل على تدفئة قاع البحيرات فى الأماكن الضحلة بها (أى تصل إلى القاع لعدم عمق المياه)، وبالتالى تدفئة المياه ككل وهى طريقة طبيعية لتسخين المياه عن طريق الطاقة الشمسية، وبنفس الطريقة يتم استخدام الطاقة الشمسية فى تسخين المياه المستخدمة داخل المبانى وفى حمامات السباحة.
– الطاقة السلبية التى تم اختزانها من حرارة الشمس وأشعتها نهاراً (Passive solar heating and day lighting):
يتم تصميم المبانى للاستفادة من هذا المصدر الطبيعى للطاقة من خلال الاستخدام السلبى لحرارة الشمس وضوئها النهارى.
فالجانب الجنوبى من المبانى دائماً ما يتلقى غالبية أشعة الشمس، ولذا فإن المبانى التى تُصمم من أجل اختزان حرارة الشمس السلبية عادة ما يكون لديها نوافذ كبيرة مواجهة للجنوب، ويتم وضع مواد تمتص وتخزن حرارة الشمس على أرضيات الحجرات التى تصلها الشمس وفى الحوائط، وعليه فإن الأرضيات والحوائط تسخن على مدار النهار ثم تطلق هذه الحرارة ليلاً.
ومن بين استخداماتها: تدفئة المبانى وإنارتها.
* فوائد الطاقة الشمسية بوصفها إحدى مصادر الطاقة المتجددة:
– طاقة الشمس طاقة متجددة لا تنضب ومستمرة.
– طاقة الشمس طاقة خالية من النفايات التى تدعو معها الحاجة إلى ضرورة التخلص الآمن منها كما الحال مع مصادر الطاقة التقليدية التى تلحق ضرراً بالغاً بالبيئة.
– الطاقة الشمسية الهدف من وراء استخدامها هو الحفاظ على صحة الإنسان وتقديم الحماية ولبيئته، فهى تحمل شعار من أجل بيئة خضراء.
– الطاقة الشمسية هى طاقة متوافرة بدون تكلفة.
– الطاقة الشمسية والعمل فى مجالات إنتاجها لها مدلول اقتصادى من توفير فرص عمل والقضاء على البطالة.
– الطاقة الشمسية تساعد على وفرة فى المحاصيل الزراعية وبالتالى وفرة المواد الغذائية وانخفاض أسعارها.
– التقنيات المستخدمة فى الحصول على الطاقة الشمسية هى تقنيات بسيطة غير معقدة مقارنة بتقنيات الحصول على أنواع الطاقة الأخرى.
وغيرها من الفوائد المتعددة الأخرى ..
* استخدامات الطاقة الشمسية:
الشمس لها استخدامات متعددة بخلاف استخدامها كمصدر من مصادر توليد الطاقة الكهربائية بواسطتها أو تحويلها إلى شكل آخر من اشكال الطاقة المتجددة:
– مصدر للطاقة كما ذكر سابقاً.
– فالشمس تستخدم فى تجفيف الأطعمة ومختلف المواد الغذائية.
– الشمس تساعد على تدفئة الجو.
أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الرماني في حرب عام 212 قبل الميلاد عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من الدروع المعدنية.
– تستخدم الشمس فى صهر المواد.
– فى طهى الطعام (قديماً).
– تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية يتم عن طريق تحويل أشعة الشمس إلى طاقة حرارية بواسطة المجمعات الشمسية والمواد الحرارية، فإذا تعرض جسم داكن للون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص أشعة الشمس وترتفع درجة حرارته.
* إشكاليات مع الطاقة الشمسية:
الإشكالية الأولى
بما أن الحصول على الطاقة من الشمس يعتمد فى المقام الأول على وجود أشعة الشمس – وهذا ما لا يتوافر فى أماكن عدة أو لعدم سطوعها أيام الشتاء القارس – يتم التغلب على ذلك بتخزين أشعة الشمس وهو يتضمن على: “التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي”.
الإشكالية الثانية
هو وجود الغبار الذى يتراكم على الأجهزة المستخدمة لتجميع الطاقة الشمسية، هذا الغبار يعوق الأجهزة عن عملها ويحتاج الأمر إلى تنظيفها كل ثلاثة أيام .. ويعتمد طبيعة الغبار على كمه وعلى الطقس الذى يسود هذا المكان.
الإشكالية الثالثة
تآكل المجمعات الشمسية بسبب الأملاح التى تتواجد فى المياه المستخدمة فى دورات التسخين.
* المراجع:
- “Solar basics” – “eia.gov”.
- “Solar” – “energy.gov”.
- “Solar Energy” – “solarenergy.org”.
- “Solar energy” – “energy.gov”.
Bushra
0