الطاقة الشمسية
في الحديث عن تعريف الطاقة الشمسية فاننا نستطيع ان نقول ان الطاقة الشمسية هيالمصدر الرئيسي للطاقة على سطح كوكبنا وهي مصدر كل الطاقات التي نعرفها بعد . فحراراة الشمس هي السبب الرئيسي لتكوين الوقود الحفري كالفحم والبترول والغاز الطبيعي ,والشمس هي المسبب الرئيسي لحركة الرياح على سطح كوكب الأرض , وهي السبب في تبخر مياه البحار والمحيطات لتسقط لنا الأمطار بعد ذلك وهي السبب ي الحفاظ على حرارة الأرض مناسبة لنعيش فيها .
لذلك نستطيع اختصار تعريف الطاقة الشمسية بانها هي المصدر الأساس للطاقة على سطح كوكبنا وهي طاقة نظيفة ومتجددة ومجانية (فلا يمكن لأحد ان يشتري الشمس ويحجبها عن الباقين) و الطاقة الشمسية تصل لنا في صورتين فقط الصورة الأولى هي طاقة حرارية بالإشعاع والصورة الثانية هي طاقة ضوئية وقد استطاع الانسان استنباط بعض التطبيقات لتحقيق الاستفادة المباشرة من الطاقة الشمسية لتلبية احتياجاته المختلفة للتماشي مع متطلبات عصره . وفي هذا الموضوع سنتحدث عن تعريف الطاقة الشمسية بشكل اكثر تفصيلا .
ما أنواع التقنيات المتاحة في مجال الطاقة الشمسية؟
تستخدم تقنية الفولتضوئية لامتصاص الطاقة من الشمس وتحويل الضوء مباشرة إلى طاقة كهربائية . ويتم تجميع الطاقة عن طريق
استخدام الخلايا التي تنتج الكهرباء عند تعرضها إلى طاقة مشعة كالضوء بشكل خاص ، وتستخدم هذه الخلايا المواد شبه الموصله للكهرباء مثل السيلكون حيث تقوم الخلايا الفولتضوئية لتحويل هذه الطاقة على مصدر للتيار المستمر .
وتستخدم هذه الطاقة بدورها في مصادر الكهرباء أو يتم تحويلها إلى تيار متردد عن طريق استخدام عاكس التيار ثم تخزينها لاستخدامها لاحقا في البطاريات كما في شبكة البلدية .
تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركبة عدسات أو مريا لتركيز بقعة كبيرة من ضوء الشمس على مساحة صغيرة بعد ذلك يتم توجيه ضوء الشمس المركز على أسطح فولتضوئية أويتم استخدامها لتسخين سائل ناقل لمحطات توليد الطاقة التقليدية لإنتاج الكهرباء .
محطة الطاقة الحرارية
تستخدم تقنية الطاقة الحرارية لتوليد الطاقة من الشمس عن طريق المستجمعات الشمسية ةالتي بدورها تولد طاقة حرارية ذات درجة حرارة تتراوح ما بين منخفضة ومتوسطة جاهز للاستخدام مباشرة ومن أشهر تطبيقات استخدام هذه الطاقة نظم تسخين المياه بالطاقة الشمسية ، أجهزة التدفئة الشمسية في الفضاء ، وحمامات السباحة إضافة إلى أنظمة التبريد سوا في المباني السكنية أو التجارية
تستخدم هذه التقنية عدسات فرينل لتضخيم أشعة الشمس وتركيزها على خلايا شمسية يبلغ حجمها من 250 حتى 500 مرة أقل من محطات الطاقة الشمسية التي تستخدم الخلايا الفولتضوية التقليدية وتساهم أنظمة الخلايا الفولتضوية المركزة في خفض التكلفة وذلك من خلال الاستبدال بخلايا السيلكون الشمسية المرتفعة الثمن
إضافة إلى ذلك فإن نظم تركيز الشمسية الفولتضوية الحالية تتتبع ضوء الشمس من أجل الاستفادة القصوى من الطاقة التي يتم نقلها إلى الخلايا الشمسية ويتم ذلك بصورة آلية كلية عن طريق استخدام نظم تحكم تتبع متكاملة تعمل هيدروليكا وبذلك تعمل أنظمة الخلايا الفولتضوية المركزة على الدمج بين عدسات فرينل والخلايا الشمسية والألواح المستقبلة للطاقة الشمسية في نظام واحد
يستخدم المصممون و البناؤون ممارسات تصميم خاصة من اجل الاستفادة القصوى من ضوء الشمس في تسخين المناطق الداخلية واجهزة التظليل المانعة من اجل الحماية من الحرارة الزائدة وبذلك يتم الاستفادة القصوى من الطاقة الشمسية في المكان المرغوب فيه .
من الأمثلة الاخرى على تطبيق تقنية الطاقة الشمسة السلبية استخدام بعض المواد والتصميمات الخاصة التي تمتص حرارة الشمس من خلال النهار ثم تحريرها بعد ذلك لتدفئة المبنى خلال أوقات المساء واليل الباردة .
نظرا لتزايد احتمال استخدام الطاقة الشمسية في جميع انحاء العالم فانه يتم انفاق الكثير من الوقت والمال في البحث وتطوير تقنيات الطاقة الشمسية الناشئة ونتوقع زيادة كبيرة في تطوير هذه التقنيات الناشئة فضلا عن استحداث تقنيات اخرى جديدة في مجال الطاقة الشمسة .
يختلف المدى العمري لأنظمة الطاقة الشمسية من نظام لآخر وذلك حسب نوع التقنية المستخدمة . فحاليا تعمل نظم الخلايا الفولتضوئية المركزة والطاقة الشمسية السلبية والطاقة الحرارية بصورة عامة حوالي 25 عاما,ولكن هذا المدى الزمني يختلف من تطبيق لآخر لذا يمكن التحقق من المورد الخاص بكل نظام عن التفاصيل المتعلقة بذلك .
ما أنواع التقنيات المتاحة في مجال الطاقة الشمسية؟
الفولتضوية
تستخدم تقنية الفولتضوئية لامتصاص الطاقة من الشمس وتحويل الضوء مباشرة إلى طاقة كهربائية . ويتم تجميع الطاقة عن طريق
استخدام الخلايا التي تنتج الكهرباء عند تعرضها إلى طاقة مشعة كالضوء بشكل خاص ، وتستخدم هذه الخلايا المواد شبه الموصله للكهرباء مثل السيلكون حيث تقوم الخلايا الفولتضوئية لتحويل هذه الطاقة على مصدر للتيار المستمر .
وتستخدم هذه الطاقة بدورها في مصادر الكهرباء أو يتم تحويلها إلى تيار متردد عن طريق استخدام عاكس التيار ثم تخزينها لاستخدامها لاحقا في البطاريات كما في شبكة البلدية .
الطاقة الشمسية المركبة
تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركبة عدسات أو مريا لتركيز بقعة كبيرة من ضوء الشمس على مساحة صغيرة بعد ذلك يتم توجيه ضوء الشمس المركز على أسطح فولتضوئية أويتم استخدامها لتسخين سائل ناقل لمحطات توليد الطاقة التقليدية لإنتاج الكهرباء .
محطة الطاقة الحرارية
تستخدم تقنية الطاقة الحرارية لتوليد الطاقة من الشمس عن طريق المستجمعات الشمسية ةالتي بدورها تولد طاقة حرارية ذات درجة حرارة تتراوح ما بين منخفضة ومتوسطة جاهز للاستخدام مباشرة ومن أشهر تطبيقات استخدام هذه الطاقة نظم تسخين المياه بالطاقة الشمسية ، أجهزة التدفئة الشمسية في الفضاء ، وحمامات السباحة إضافة إلى أنظمة التبريد سوا في المباني السكنية أو التجارية
الخلايا الفولتضوية المركزة
تستخدم هذه التقنية عدسات فرينل لتضخيم أشعة الشمس وتركيزها على خلايا شمسية يبلغ حجمها من 250 حتى 500 مرة أقل من محطات الطاقة الشمسية التي تستخدم الخلايا الفولتضوية التقليدية وتساهم أنظمة الخلايا الفولتضوية المركزة في خفض التكلفة وذلك من خلال الاستبدال بخلايا السيلكون الشمسية المرتفعة الثمن
إضافة إلى ذلك فإن نظم تركيز الشمسية الفولتضوية الحالية تتتبع ضوء الشمس من أجل الاستفادة القصوى من الطاقة التي يتم نقلها إلى الخلايا الشمسية ويتم ذلك بصورة آلية كلية عن طريق استخدام نظم تحكم تتبع متكاملة تعمل هيدروليكا وبذلك تعمل أنظمة الخلايا الفولتضوية المركزة على الدمج بين عدسات فرينل والخلايا الشمسية والألواح المستقبلة للطاقة الشمسية في نظام واحد
الطاقة الشمسية السلبية
يستخدم المصممون و البناؤون ممارسات تصميم خاصة من اجل الاستفادة القصوى من ضوء الشمس في تسخين المناطق الداخلية واجهزة التظليل المانعة من اجل الحماية من الحرارة الزائدة وبذلك يتم الاستفادة القصوى من الطاقة الشمسية في المكان المرغوب فيه .
من الأمثلة الاخرى على تطبيق تقنية الطاقة الشمسة السلبية استخدام بعض المواد والتصميمات الخاصة التي تمتص حرارة الشمس من خلال النهار ثم تحريرها بعد ذلك لتدفئة المبنى خلال أوقات المساء واليل الباردة .
التقنيات الناشئة
نظرا لتزايد احتمال استخدام الطاقة الشمسية في جميع انحاء العالم فانه يتم انفاق الكثير من الوقت والمال في البحث وتطوير تقنيات الطاقة الشمسية الناشئة ونتوقع زيادة كبيرة في تطوير هذه التقنيات الناشئة فضلا عن استحداث تقنيات اخرى جديدة في مجال الطاقة الشمسة .
هل تستخد الطاقة الشمسية اثناء الليل ؟
نعم يمكن استخدام الطاقة الشمسية المجمعة اثناء ساعات النهار مباشرة او من خلال نقلها في أدوات تخزين الطاقة مثل البطاريات أو شبكة اليلدية وبذلك يمكن استخدام الطاقة التي تم تجميعها أثناء النهار لتوليد الطاقة في المنشآت السكنية أو التجارية أثناء الليل.كم يبلغ المدى العمري لأنظمة الطاقة الشمسية ؟
يختلف المدى العمري لأنظمة الطاقة الشمسية من نظام لآخر وذلك حسب نوع التقنية المستخدمة . فحاليا تعمل نظم الخلايا الفولتضوئية المركزة والطاقة الشمسية السلبية والطاقة الحرارية بصورة عامة حوالي 25 عاما,ولكن هذا المدى الزمني يختلف من تطبيق لآخر لذا يمكن التحقق من المورد الخاص بكل نظام عن التفاصيل المتعلقة بذلك .
نبذة تاريخية عن مراحل تطور تكنولوجيا توليد الطاقة الكهربائية من الشمس :
استفاد الإنسان منذ القد من طاقة الغشعاع الشمسي في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات اخرى وردت في كتب العلوم التاريخية فقد أحرق أرخميدس الأسطول حربي الروماني 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 آنية ذهبية مصقولة كالمرايا لتركيز الإشعاع الشمسي للحصول على النار كما قام العلماء أمثال تشرنهوس وسويز ولافوازييه وموتشوت واريكسون وهاردنج وغيرهم باستخدام الطاقة الشمسية في صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير الماء تسخين الهواء كما أنشئت في مطلع القرن الميلادي الحالي أول محطة عالمية للري بواسطة الطاقة الشمسية كانت تعمل لمدة خمس ساعات في اليوم وذلك في المعادي قرب القاهرة ز ولقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل اليه الانسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية ز
يعود اكتشاف الأثر الكهروضوئية إلى القرن الماضي الميلادي عندما قام العالم بكيرل(Becquerel) في عام 1839 م بدرسته تأثير الضوء على بعض المعادن والمحاليل وخصائص التيار الكهربائي الناتج عنها ز كما أدخل اعلالمان أدم وسميث (adams &smith ) مفهوم الناقلية الكهربائية الضوئية لأول مرة 1877 م وت تركيب أول خلية شمسية من مادة السيلينيوم (se)
من قبل العالم فريتز عام 1883 م حيث توقع لها ان تساهم في إنتاج الكهرباء مستقبلا من جهة أخرى فقد ساعد تطوير نظريات ميكانيكا الكم على تفسير الكثير من الظواهر الفيزيائية وخاصة المرتبطة بالكهرباء الضوئية في فترة الثلاثينيات وأالأربعينيات من القرن الحالي وذلك عند ماتم تفسير ظاهرة الحساسية الضوئية المواد السيليكون وأكسيد النحاس وكبريت الرصاص وكبريت الثاليوم ، وقد سجل عالم 1941م تصنيع أول خلية شمسية سيليكونية بكفاءة لا تتجاوز (1%) ، ثم لحق ذلك إنجاز مختبرات بل الأمريكية ( Bell Lab ) في تصنيع البطارية الشمسية ( Solar Battery ) في منتصف الخمسينيات بكفاءة بلغت (6% ) استخدمت آنذاك في التطبيقات الفائية . كما تم في نفس الفترة تركيب أول خلية شمسية من مواد كبريت الكاديوم وكبريت النحاس أطلق عليها فيما بعد الخلايا الشمسية ذات الأفلام الرقيقة ( Thin –Film Solar) . بعد تلك الفترة ازداد تسارع بحوث التطوير في العلوم الفيزيائية والهندسة لاشتباه الموصلات ( Semiconductors) وخاصة ما يرتبط بدراسة التبادلات الكهربائية الضوئية مما ساعد على تطور الخلايا الكهروضوئية وتقنياتها باتجاه تحسين كفاءتها وخفض تكلفتها . وقد أدى ذلك إلى ازدياد مستوى إنتاج الخلايا الكهروضوئية بقدرات تتراوح بين الميلي وات إلى الكيلوات . أما الفترة الهامة للخلايا الكهروضوئية فقد حدثت في عقدي السبعينيات والثمانينات وخاصة بعد تطور علوم التركيب المجهرية الدقيقة لأشباه المواصلات وقد اعتبرت الخلايا الكهروضوئية حينئذ بأنها إحدى الطرق العلمية الطموحة لتوليد الكهرباء في المصادر المتجددة للطاقة . وقد ساعد ازدياد الطلب على استخدام مجمعات الخلايا الكهروضوئية حيث انخفضت نسبياً تكلفة إنتاجها بصورة معقولة ووصل إنتاجها إلى عشرات الميجاوات .
- إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى.
المصادر :
http://www.arabsolarenergy.com/2014/12/blog-post.html
http://saudi-sia.com/solar-basics/?lang=ar
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.
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 كالسيليسيون 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 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. 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 اللون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص الإشعاع وترتفع درجة حرارته. يستفاد 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 مكانة 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 أنها 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 أخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية .
بما أن الطاقة الشمسية تعتبر من المجالات والتخصصات العلمية الحديثة حيث يعود تاريخ الاهتمام بالطاقة الشمسية كمصدر للطاقة في بداية الثلاثينات حيث تركز التفكير حين ذاك علي إيجاد مواد وأجهزة قادرة على تحويل طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية وقد تم اكتشاف مادة تسمى السيليسيوم التي تتأثر مقاومتها الكهربائية بمجرد تعرضها للضوء وقد كان هذا الاكتشاف بمحض الصدفة حيث أن أساس البحث كان لإيجاد مادة مقاومتها الكهربائية عالية لغرض تمديد كابلات للاتصالات في قاع المحيط الأطلسي. واخذ الاهتمام بهذه الظاهرة يتطور حتى بداية الخمسينات حين تم تطوير شرائح عالية القوة عن مادة السليكون تم وضعها بأشكال وأبعاد هندسية معينة وقادرة على تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية بكفاءة تحويل (6?) ولكن كانت التكلفة عالية جداً ، هذا وقد كان أول استخدام للألواح الشمسية المصنعة من مادة السليكون في مجال الاتصالات في المناطق النائية ثم استخدامها لتزويد الأقمار الصناعية بالطاقة الكهربائية حيث تقوم الشمس بتزويد الأقمار الصناعية بالطاقة الكهربائية حيث تكون الشمس ساطعة لمدة (24) ساعة في اليوم ولازالت تستخدم حتى يومنا هذا ولكن بكفاءة تحويل تصل إلى ( 16?) وعمر افتراضي يتجاوز العشرين عاماً.
ثم تلت فترة الخمسينات والستينات فترة مهمة أخرى في مجال الاهتمام بالطاقة الشمسية كمصدر بديل للطاقة وفي النصف الثاني للسبعينات حينما أعلن العرب حظر تصدير النفط إلى الغرب بدأت دول عديدة تعطي اهتمام بالغ بالطاقة الشمسية واستخدامها وقد أثمرت هذه الفترة في نشر وتطور تكنولوجيا الطاقة الشمسية حيث انتشر استخدامها في مجالات عديدة مثل: الاتصالات - والنقل - والإنارة ... وغيرها ، وقد أصبحت الطاقة الكهربائية المولدة من الشمس في المناطق التي تكون فيها الطاقة الشمسية عالية مثل اليمن تنافس المصادر التقليدية للطاقة من ناحية التكلفة الاقتصادية ويتطلب ذلك تصميم أنظمة الطاقة الشمسية المتكاملة لتوليد وخزن الكهرباء ومن ثم تحويلها من تيار مستمر إلى تيار متردد مثل الكهرباء التي نستخدمها في منازلنا جميعاً ، ويبقى الدور المهم في كيفية نشر المعارف العلمية والتطبيقية بأهمية الطاقة الشمسية بين أوساط الطلاب في المرحلة الجامعية فما فوق وكيفية تطوير ونقل التكنولوجيا بأساليب سهلة وتكلفة اقتصادية ممكنة بحيث تساهم في حل بعض المشكلات الناجمة عن نقص الطاقة.
المصادر :
http://saudi-sia.com/solar-basics/?lang=ar
تعليقات بلوجر
تعليقات فيسبوك