درس الطاقة الشمسية PDF

‫الطاقة الشمسية‬ ‫الطاقة الشمسية هي الضوء والحرارة المنبعثان من الشمس ولهذه الطاقة أهمية كبيرة في الكرة األرضية فجميع الكائنات الحية‬ ‫في األرض تعتمد على طاقة الشمس‪ ،‬فهي مصدر أساسي لعملية البناء الضوئي عند النباتات كما تقوم بتوفير الدفء للكائنات‬ ‫س ُحب التي‬ ‫الحية جميعها للبقاء على...

‫الطاقة الشمسية‬ ‫الطاقة الشمسية هي الضوء والحرارة المنبعثان من الشمس ولهذه الطاقة أهمية كبيرة في الكرة األرضية فجميع الكائنات الحية‬ ‫في األرض تعتمد على طاقة الشمس‪ ،‬فهي مصدر أساسي لعملية البناء الضوئي عند النباتات كما تقوم بتوفير الدفء للكائنات‬ ‫س ُحب التي‬ ‫الحية جميعها للبقاء على قيد الحياة‪ ،‬كما تساعد حرارة الشمس بتبخر الماء الموجود على سطح األرض وتشكيل ال ُ‬ ‫توفر في النهاية مياه األمطار العذبة‪.‬‬ ‫كبيرا من‬ ‫قدرا ً‬‫وتنتج الطاقة الشمسية عن طريق تفاعالت االندماج الحراري النووي في أعماق الشمس فَتُصدِر هذه التفاعالت ً‬ ‫الطاقة بحيث تحافظ على حرارة سطح الشمس عند درجة ‪ 10300‬فهرنهايت (‪ 5700‬درجة مئوية)‪ ،‬وبالرغم من أن الطاقة‬ ‫الشمسية هي أكبر مصدر للطاقة التي تتلقاها األرض إال أن شدتها على سطح األرض منخفضة جدًا وذلك بسبب المسافة‬ ‫الكبيرة بين األرض والشمس والغالف الجوي لألرض الذي يمتص وينثر اإلشعاع فالطاقة التي تصل إلى سطح األرض عبر‬ ‫الغالف الجوي في يوم صافٍ تكون فيه الشمس فوق األرض مباشرة ال تتعدى نسبة ‪ ٪30‬تقريبًا وعندما تكون الشمس قريبة‬ ‫من األفق والسماء ملبدة بالغيوم فإن الطاقة الشمسية على مستوى األرض تكون ضئيلة للغاية‪ ،‬كما وتختلف َك ّميَّة األشعة على‬ ‫سطح األرض من نقطة إلى أخرى‪.‬‬ ‫إن ال َك ّميَّة اإلجمالية للطاقة الشمسية التي تتلقاها األرض تتجاوز بشكل كبير ال َك ّميَّة المستخدمة في العالم‪ ،‬لكن إن تم تسخيرها‬ ‫بشكل مناسب فإن هذا المصدر عالي االنتشار لديه القدرة على تلبية جميع احتياجات الطاقة المستقبلية‪ ،‬ففي القرن الحادي‬ ‫والعشرين من المتوقع أن تتزايد استخدامات الطاقة الشمسية بشكل أكبر العتبارها طاقة مستمرة ومتجددة وال تسبب التلوث‪،‬‬ ‫وبالمقابل ستتناقص استخدامات الوقود األحفوري المحدود والذي يسبب التلوث‪ ،‬كالفحم والبترول والغاز الطبيعي‪.‬‬ ‫جمع الطاقة الشمسية وتحويلها‬ ‫ونظرا ألن شدة إشعاع الشمس على‬‫ً‬ ‫تم تطوير عدد من األجهزة لتجميع الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة قابلة لالستخدام‪،‬‬ ‫سطح األرض منخفض جدًا يجب أن تكون المجمعات المصممة اللتقاط الطاقة الشمسية كبيرة في المنطقة‪ ،‬على سبيل المثال‬ ‫مترا مربعًا لجمع طاقة كافية‬ ‫في األجزاء المشمسة من المناطق المعتدلة في العالم يجب أن تبلغ مساحة األلواح حوالي ‪ً 40‬‬ ‫لتلبية احتياجات الطاقة لبيت واحد‪.‬‬ ‫مجمعات األلواح المسطحة‬ ‫تُع ُّد ألواح الطاقة الشمسية األكثر شيوعًا بين أدوات تحويل الطاقة لجمع الطاقة‪ ،‬وتتكون هذه األلواح من صفيحة معدنية داكنة‬ ‫مغطاة بورقة أو لوحتين من الزجاج تمتص الحرارة‪ ،‬وتنتقل الحرارة إلى الهواء أو الماء وتسمى السوائل الحاملة والتي تتدفق‬ ‫سط آخر وتُستخدم مجمعات األلواح‬ ‫عبر الجزء الخلفي من اللوحة فيمكن استخدام هذه الحرارة مباشرة أو يمكن نقلها إلى َو َ‬ ‫المسطحة لتسخين المنازل والماء‪ ،‬حيث تتراوح درجات حرارة هذه المجمعات من ‪ 150‬درجة إلى ‪ 200‬درجة فهرنهايت‬ ‫(‪ 66‬درجة إلى ‪ 93‬درجة مئوية) وكفاءة أدائها تصل إلى ‪.%80‬‬  ‫الطاقة الشمسية ال ُمر ّكزة‬ ‫جمع ذو تركيز أكبر‪ ،‬حيث تركز هذه األجهزة أشعة الشمس المتلقاة من‬ ‫عند الحاجة إلى درجات حرارة أعلى يتم استخدام ُم ِ ّ‬ ‫منطقة واسعة على ُمستقبل أسود صغير وبالتالي تزداد شدة األشعة بشكل كبير من أجل إنتاج درجات حرارة عالية‪ ،‬ويمكن‬ ‫لمصفوفات المرايا أو األلواح المصفوفة بشكل مدروس والمستخدمة في ما يسمى باألفران الشمسية أن تبلغ درجة تسخينها‬ ‫للسوائل إلى ‪ 3600‬درجة فهرنهايت (‪ 2000‬درجة مئوية) أو أكثر‪ ،‬كما يمكن استخدام هذه الحرارة لدراسة خصائص المواد‬ ‫في درجات حرارة عالية أو يمكن استخدامها لتشغيل الغاليات والتي بدورها تولّد البخار لمحطة توليد الطاقة البخارية‬ ‫التوربينية الكهربائية‪.‬وقد أصبح الفرن الشمسي أداة مهمة في أبحاث درجات الحرارة العالية وإلنتاج البخار حيث يتم ترتيب‬ ‫المرايا المتحركة بحيث تركز كميات كبيرة من اإلشعاع الشمسي على أنابيب سوداء يتم من خاللها تدوير المياه وبالتالي‬ ‫تسخينها‪.‬‬ ‫وتستخدم أبراج الطاقة الشمسية شفرات عاكسة‪ ،‬وهي مرايا مسطحة تدور لتتبع حركة الشمس في السماء‪.‬ويتم ترتيب المرايا‬ ‫حول "برج جامع" مركزي ‪ ،‬وتعكس ضوء الشمس إلى شعاع ضوئي مر ّكز يضيء على نقطة محورية على البرج‪.‬كانت‬ ‫بخارا يعمل على‬ ‫ً‬ ‫التصاميم السابقة ألبراج الطاقة الشمسية تقوم‪.‬على تسخين أشعة الشمس المركزة لخزان من الماء‪ ،‬مما ينتج‬ ‫مؤخرا استخدام الصوديوم السائل في بعض أبراج الطاقة الشمسية‪ ،‬حيث يتمتع بسعة حرارية‬ ‫ً‬ ‫تشغيل التوربينات‪.‬ولكن تم‬ ‫أعلى ويحتفظ بالحرارة لفترة أطول من الوقت‪.‬هذا يعني أن السائل ال يصل فقط إلى درجات حرارة من ‪ 773‬إلى ‪1،273‬‬ ‫كلفن (‪ 500‬إلى ‪ 1000‬درجة مئوية أو ‪ 932‬إلى ‪ 1،832‬درجة فهرنهايت)‪ ،‬ولكن يمكنه االستمرار في غلي الماء وتوليد‬ ‫الطاقة حتى عندما ال تكون الشمس مشرقة‪.‬‬ ‫تم تطوير محطات الطاقة الشمسية المركزة ألول مرة في الثمانينيات‪.‬وتُع ُّد أكبر منشأة في العالم سلسلة من المصانع في‬ ‫صحراء موهافي بكاليفورنيا‪.‬ويولد نظام توليد الطاقة الشمسية (‪ )SEGS‬أكثر من ‪ 650‬غيغا واط في ساعة من الكهرباء‬ ‫كل عام‪.‬تم تطوير مصانع أخرى كبيرة وفعالة في دول أخرى مثل إسبانيا والهند‪.‬‬ ‫يمكن أيضًا استخدام الطاقة الشمسية المركزة على نطاق أصغر‪ً.‬‬ ‫فمثال يمكن أن يتم توليد الحرارة لألفران الشمسية‪.‬يستخدم‬ ‫الناس في القرى في جميع أنحاء العالم المواقد التي تعمل بالطاقة الشمسية لغلي الماء من أجل الصرف الصحي ولطهي‬ ‫الطعام‪.‬‬ ‫توفر المواقد التي تعمل بالطاقة الشمسية العديد من المزايا على مواقد حرق األخشاب‪ :‬فهي ال تشكل خطر الحرائق وال تنتج‬ ‫دخانًا وال تتطلب وقودًا وال تتسبب في القضاء على بسبب قطع األشجار للحصول على الوقود‪.‬‬ ‫الخاليا الضوئية‬ ‫يمكن تحويل اإلشعاع الشمسي مباشرة إلى كهرباء بواسطة الخاليا الكهروضوئية أو الخاليا الشمسية‪ ،‬في مثل هذه الخاليا‬ ‫عندما يصطدم الضوء بالتقاطع بين المعدن وأشباه الموصالت (مثل السيليكون) أو التقاطع بين نوعين مختلفين من أشباه‬ ‫الموصالت يتم توليد جهد كهربائي صغير‪ ،‬وعادةً ما تكون الطاقة التي تولدها خلية كهروضوئية واحدة حوالي ‪ 2‬واط فقط‬ ‫لكن من خالل توصيل أعداد كبيرة من الخاليا الفردية م ًعا كما هو الحال في مصفوفات األلواح الشمسية يمكن توليد مئات أو‬ ‫حتى آالف الكيلوواطات من الطاقة الكهربائية في محطة كهربائية تعمل بالطاقة الشمسية‪.‬وتبلغ كفاءة الطاقة لمعظم الخاليا‬ ‫الكهروضوئية في الوقت الحاضر حوالي ‪ %15‬إلى ‪ %20‬فقط وبما أن شدة اإلشعاع الشمسي منخفضة في البداية فإن‬ ‫التجمعات الضخمة والمكلفة لهذه الخاليا مطلوبة إلنتاج كميات معتدلة من الطاقة ونتيجة لذلك وجدت الخاليا الكهروضوئية‬ ‫التي تعمل على ضوء الشمس أو الضوء االصطناعي حتى اآلن استخدا ًما فقط في التطبيقات منخفضة الطاقة مثالً كمصادر‬ ‫طاقة لآلالت الحاسبة والساعات‪.‬وقد تم استخدام وحدات أكبر لتوفير الطاقة لمضخات المياه وأنظمة االتصاالت في المناطق‬ ‫النائية واألقمار الصناعية الخاصة بالطقس واالتصاالت‪.‬‬ ‫تخزين الطاقة الشمسية‬ ‫ب المناخ لذلك من الصعب توفير احتياجات الطاقة بشكل دائم‪ ،‬وبالتالي من الضروري‬ ‫س َ‬ ‫يتغير مستوى جمع الطاقة الشمسية َح َ‬ ‫ً‬ ‫وجود شكل من أشكال تخزين الطاقة لتوفيرها لالستخدام في األوقات التي يكون فيها ضوء الشمس قليال أو منعد ًما‪.‬فيمكن‬ ‫تخزين الطاقة الكهربائية من الخاليا الكهروضوئية في بطاريات تخزين كهربائية‪ ،‬وفي األنظمة التي تستخدم الطاقة المجمعة‬ ‫سط تخزين آخر مثل طبقة من‬ ‫لتسخين السوائل يمكن تخزين السوائل مباشرة في خزانات معزولة أو يمكن نقل الطاقة إلى َو َ‬ ‫الصخور‪.‬‬ ‫قدرات الطاقة الشمسية‬ ‫إن إمكانات الطاقة الشمسية هائلة حيث تتلقى األرض كل يوم طاقة شمسية حوالي ‪ 200000‬ضعف إجمالي قدرة توليد‬ ‫الكهرباء في العالم‪.‬وعلى الرغم من أنها طاقة مجانية إال أن التكلفة العالية لجمعها وتحويلها وتخزينها حدت من استغالل هذه‬ ‫الطاقة‪ ،‬ومع ذلك يقوم الباحثون بتجارب الطاقة الشمسية للكثير من المشاريع لالستفادة من هذه الطاقة‪ ،‬وأحد المشاريع التي تم‬ ‫اقتراحها للمستقبل هو استخدام محطات الطاقة الشمسية عبر األقمار الصناعية لتزويد األرض بالطاقة وفي هذا المشروع يقوم‬ ‫القمر الصناعي المجهز بألواح شمسية كبيرة بجمع الطاقة الشمسية باستمرار دون التأثر بالغالف الجوي وبعد ذلك يتم تحويل‬ ‫الكهرباء إلى أفران ميكروويف ثم يتم بثها إلى األرض حيث يتم تحويل طاقة الميكروويف مرة أخرى إلى كهرباء للتوزيع‪.‬‬