مقدمـة:
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. 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 في ميدان استغلال الطاقة الشمسية فتحت آفاقا علمية جديدة.
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.
استخدامات الطاقة الشمسية:
☼ تسخين المياه الواصلة للمنازل والمصانع والمؤسسات من خلال استخدام السخانات الشمسية، ويعد هذا الاستخدام من الأشياء المكتشفة منذ قديم الزمان، ولكن طرأت الكثير من التطويرات على هذه السخانات عبر الأزمان حتى يتناسب مع الحاجة للإنسان، فأصبحت السخانات ذات أشكال وأحجامٍ مختلفة.
☼ تدفئة المنازل في المناطق الباردة من خلال التطبيقات المختلفة، وتبريد المناطق الساخنة من خلال استخدام أنظمة التبريد.
☼ تسخين المياه في أحواض السباحة مما يجعلها مناسبةً للسباحة والاستجمام والاسترخاء.
☼ تحلية مياه البحر للحصول على المياه الصالحة للشرب، ويمكن تطوير الأدوات والأجهزة المستخدمة في تحلية المياه.
☼ توليد الكهرباء، من خلال تركيز أشعة الشمس على أنابيب ومواسير تسير فيها المياه، فيتحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية ويصل إلى توربينات مثبتة ليتم توليد الكهرباء من حركتها، ويمكن استخدام الألواح الشمسية الفولتوضوئية الحديثة التي تم تصميمها مؤخراً مما سمح بتوليد كميات كبيرة من الكهرباء في زمن قليل.
☼ صهر المواد وطهي الطعام.
☼ تدفئة الجو وجعل حرارة كوكب الأرض مناسبةً لحياة الكائنات الحية، فليست بالحرارة العالية لتنعدم معها الحياة، وليست بالقليلة التي تسبب برودة الأرض وعدم ملاءمتها للحياة.
☼ تسخين المياه الواصلة للمنازل والمصانع والمؤسسات من خلال استخدام السخانات الشمسية، ويعد هذا الاستخدام من الأشياء المكتشفة منذ قديم الزمان، ولكن طرأت الكثير من التطويرات على هذه السخانات عبر الأزمان حتى يتناسب مع الحاجة للإنسان، فأصبحت السخانات ذات أشكال وأحجامٍ مختلفة.
☼ تدفئة المنازل في المناطق الباردة من خلال التطبيقات المختلفة، وتبريد المناطق الساخنة من خلال استخدام أنظمة التبريد.
☼ تسخين المياه في أحواض السباحة مما يجعلها مناسبةً للسباحة والاستجمام والاسترخاء.
☼ تحلية مياه البحر للحصول على المياه الصالحة للشرب، ويمكن تطوير الأدوات والأجهزة المستخدمة في تحلية المياه.
☼ توليد الكهرباء، من خلال تركيز أشعة الشمس على أنابيب ومواسير تسير فيها المياه، فيتحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية ويصل إلى توربينات مثبتة ليتم توليد الكهرباء من حركتها، ويمكن استخدام الألواح الشمسية الفولتوضوئية الحديثة التي تم تصميمها مؤخراً مما سمح بتوليد كميات كبيرة من الكهرباء في زمن قليل.
☼ صهر المواد وطهي الطعام.
☼ تدفئة الجو وجعل حرارة كوكب الأرض مناسبةً لحياة الكائنات الحية، فليست بالحرارة العالية لتنعدم معها الحياة، وليست بالقليلة التي تسبب برودة الأرض وعدم ملاءمتها للحياة.
إيجابيات وسلبيات الطاقة الشمسية
تعتبر الطاقة الشمسية من أهم مصادر الطاقة، وكغيرها من أشكال الطاقة فإنَّ لها مجموعة من الإيجابيات والسلبيات.
إيجابيات الطاقة الشمسية:
تتمتع الطاقة الشمسية بمجموعة من الإيجابيات والتي تشجّع على الاعتماد عليها واستغلالها، ومن أهم هذه الإيجابيات:
• مصدر متجدد للطاقة، فأشعة الشمس لا تنضب ومتوفرة دوماً وفي جميع أنحاء العالم.
إمكانية استخدامها لعدة تطبيقات، مثل: إنتاج الكهرباء والحرارة، وتحلية وتقطير المياه خاصة في الأماكن التي لا تتوفر فيها مياه نظيفة، ومن الممكن استخدامها لتزويد الأقمار الصناعية بالطاقة، وغيرها من الاستخدامات.
• انخفاض تكاليف صيانتها، فبالرغم من ارتفاع تكاليف إنشائها إلّا أن صيانتها مُتاحة ورخيصة، وبالمحافظة عليها وعلى نظافتها يمكن أن تدوم عدة سنوات.
• التطوّر المستمر في مجال تكنولوجيا الطاقة الشمسية، وخصوصاً تكنولوجيا النانو وفيزياء الكم والتي تسعى لتحسين كفاءة وفعالية أنظمة توليد الطاقة الشمسية مستقبلاً.
سلبيات الطاقة الشمسية:
بالرغم من الإيجابيات التي تتمتع بها الطاقة الشمسية، إلّا أنّ هناك مجموعة من السلبيات لها ومنها:
• تغيُّر الطقس، فاختلاف الطقس صيفاً وشتاءً يقلل من نسبة الاستفادة منها.
• عدم القدرة على الاستفادة منها في المساء، بالتالي لا بد من وجود جهاز يخزن الطاقة مثل البطارية.
• لا بد من توفير مساحات واسعة لتجميع أكبر قدر من الطاقة الشمسية؛ حتى يتم الاستفادة من الطاقة الشمسية بشكل مثالي.
• كلفتها العالية لأنها تحتاج لتقنيات وتكنولوجيا لتطوير أنظمة توليد الطاقة الشمسية، حيث إنَّ توليد الكهرباء من توليد الطاقة الشمسية تساوي خمسة أضعاف توليد الكهرباء باستخدام الوقود الأحفوري.
تحويل الطاقة الشمسية الى طاقة كهربائية
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 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.
تقنيات توليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية
أولاً: تقنية المركزات الشمسية ذات القطع المكافئ الدائري:
ويتكون من مرايا عاكسة تكون متموضعة بحيث تشكل صحنا على شكل قطع مكافئ تقوم هذه المرايا بتركيز أشعة الشمس في محرق هذا الصحن حيث يتوضع هناك محرك يقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.
المحرك الحراري المستخدم هنا عادةً يسمى محرك ستيرلينغ "محرك الاحتراق الخارجي" حيث انه يتم تأمين الحرارة من مصدر حراري خارج المحرك ليتم تحويلها داخل المحرك إلى فعل ميكانيكي عن طريق تمدد وتقلص مائع تشغيل يكون أحد أنواع الزيوت الحرارية عادةً و منه إلى طاقة كهربائية).
و تكون هذه اﻷنظمة عادة مجهزة بنظام لملاحقة الشمس للحصول على كفاءة عالية.
 |
| محرك الاحتراق الخارجي |
ثانياً: تقنية المركزات الشمسية ذات القطع المكافئ الاسطواني:
ويتكون من مرايا عاكسة بشكل قطع مكافئ أسطواني تكون متموضعة بصفوف متوازية حيث تقوم بتركيز اﻷشعة الشمسية في محارقها. يتوضع في محرق هذه المرايا أنابيب مفرغة تحتوي على سائل ناقل حراري يعمل عند درجات حرارة تصل حتى 400 درجة مئوية. يتم الاستفادة من الحرارة العالية لمائع التشغيل عبر مبادل حراري ليعطي حرارته للماء الذي يتحول إلى بخار ويمرر هذه البخار على عنفة ليقوم بتدويرها وتوليد الكهرباء انطلاقاً من الحركة الميكانيكية للعنفة.
ثالثاً: تقنية البرج المركزي:
تتألف هذه التقنية من مجموعة من المرايا الموجهة و تسمى “هيليوستات” و التي تقوم بتوجيه أشعة الشمس إلى برج مركزي يركب على قمته مستقبل حراري يكون داخله محلول ملحي تصل درجة حرارته حتى 600 درجة مئوية ومن ثم يمرر هذا المحلول على مبادل حراري ليعطي حرارته إلى الماء محولا إياه إلى بخار و تمرير هذا البخار على عنفة لتحويل الطاقة الميكانيكية للعنفة إلى كهرباء.
رابعاً: تقنية البركة الشمسية:
هي عبارة عن بركة ماء مالح تقوم بالتقاط وتخزين الحرارة الشمسية حيث أن الماء المالح يشكل وبشكل طبيعي تدرجاً تبعاً لدرجة تركيز الملح حيث أن التركيز الملحي اﻷقل يكون في اﻷعلى, وبناءاً عليه يتشكل في البركة ثلاثة طبقات : الطبقة العلوية وتكون ذات تركيز ملحي منخفض ، و الطبقة الوسطى وتملك تركيز ملحي متدرج نحو اﻷسفل و تمنع هذه الطبقة التبادل الحراري للطبقة السفلى مع العليا ، و الطبقة السفلية التي يكون محتواها الملحي عالياً .
يكون الماء عادة نصف شفاف ويكون قعر البركة ماصاً جيداً للحرارة و عليه فان سقوط اﻷشعة الشمسية يسخن الطبقة السفلى و بما أنها ذات تركيز ملحي عالي فان الماء الساخن لا يطفو بل يبقى في القعر حيث تصل درجة حرارته لحدود ال90 درجة مئوية بينما تبقي درجة حرارة السطح حوالي 30 درجة مئوية فيستخدم الفرق الحراري لتوليد الكهرباء عبر مضخة حرارية أو محرك ستيرلينغ.
خاتمــة
رغم 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 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 نها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعني المفهوم. فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية. 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.
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق