 |
| ما هو مفهوم الطاقة الشمسية ؟ وما هي تقنياتها ؟ |
بحث عن الطاقة الشمسية :
محتويات البحث :
(1) ما هي الطاقات المتجددة ؟ .
(2) مفهوم الطاقة الشمسية .
(3) تقنيات الطاقة الشمسية .
- الطاقة الحرارية الشمسية .
- الطاقة الشمسية الكهروضوئية .
ما هي الطاقات المتجددة ؟
تشكل الطاقات المتجددة مصادر مستقبلية مهمة للطاقة ، وتتواجد بأشكال مختلفة في الطبيعة ، حيث تشمل الأنواع الرئيسية المتمثلة في الطاقة الشمسية ، طاقة الرياح ، طاقة الكتلة الحية ، الطاقة الكهرومائية ، والطاقة الجوفية ومصادر أخرى لا تزال في مرحلة التطوير .
مفهوم الطاقة الشمسية :
والتي مصدرها الشمس ، وهي النجم المركزي في النظام الشمسي ، عبارة عن كرة متوهجة ساخنة من الهيدروجين والهيليوم حيث تتجاوز ردجات حرارة مركزها 15 مليون درجة مئوية ، وتعمل جاذبيتها علي تماسك النظام الشمسي مما يبقي كل شئ من أكبر الكواكب إلى أصغرها في مدار حولها ، وبدون طاقتها لا يمكن أن توجد الحياة كما تعرفها علي كوكب الأرض الذي يبعد عن الشمس بحوالي 150 مليون كيلومتر ، فالطاقة الشمسية هي الضوء والحرارة المنبعثان من الشمس إلى الأرض ، ويصل من الطاقة الشمسية إلى الأرض في غضون ساعة واحدة أكثر مما يستهلكه الإنسان في سنة كاملة ، أي أن الاشعاعات التي تضرب الأرض في ساعة واحدة تساوي إجمالى استخدام الطاقة الأولية السنوي في جميع أنحاء العالم ، حيث ترسل الشمس يومياً كميات طاقة هائلة في صورة إشعاعات شمسية كهرومغناطيسية عند طبقة الغلاف الجوي العليا ، أين يتم امتصاص نحو 70 بالمائة منها بواسطة السحب والمحيطات والكتل الأرضية لينعكس ما يقرب من 30 بالمائة من هذه الإشعاعات عائدة إلى الفضاء .
لقد استخدم الإنسان الطاقة الشمسية منذ آلاف السنين في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية والتدفئة والتبخير ، وبعد تطور استخدام طاقة الإشعاع الشمسي ، أصبحت تستغل بعدة طرق في تدفئة المنازل والشركات من خلال تصاميم معمارية خاصة وذكية ، أو لتسخين المياه بواسطة المجمعات الشمسية ، أو لتزويد الأجهزة والآلات المختلفة بالكهرباء ، ويتم استغلال هذه الطاقة بتقنيتين : الطاقة الحرارية الشمسية والطاقة الكهربائية الشمسية .
تقنيات الطاقة الشمسية :
(1)- الطاقة الحرارية الشمسية ( Solar Thermal ) :
يتم تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجتمعات الشمسية ، حيث يلتقط ضوء الشمس علي عاكسات ( مرايا ) ليتم تركيزه علي جهاز استقبال ، الذي يقوم بامتصاص الإشعاعات ثم يحولها إلى طاقة حرارية التي تستخدم لتسخين الماء وتوليد البخار عبر توربينات بخارية ، حيث تعمل هذه العنفات علي تحويل البخار إلى طاقة ميكانيكية لإمداد المولد بالطاقة ليتنج الكهرباء .
تحتوي أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية علي أنظمة تتبع تحافظ علي تركيز ضوء الشمس علي جهاز الاستقبال طوال اليوم ومع تغيير الشمس لموقعها في السماء ، كما قد تحتوي أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية أيضاً علي مكون نظام تخزين الطاقة الحرارية ، ويتم استخدام الحرارة من نظام التخزين لإنتاج الكهرباء في المساء أو أثناء الطقس الغائم . قد تكون محطات الطاقة الحرارية الشمسية أيضاً أنظمة هجينة تستخدم أنواعاً أخرى من الوقود ( عادة الغاز الطبيعي ) لتكملة الطاقة من الشمس خلال فترات انخفاض الإشعاع الشمسي .
تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية :
يمكن أن نميز العديد من تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية نذكر منها :
1- سخانات المياه الشمسية التي تتم آلية عملها بأن يتمص السطح الماص أشعة الشمس الساقطة فترتفع درجة حرارته ويتبع ذلك ارتفاع في درجة حرارة المياه المارة في أنابيب التسخين ومنها إلى خزان حراري لتخزين المياه الساخنة لحين الاستخدام . تم استخدام سخانات المياه الشمسية لأول مرة في الولايات المتحدة ، حيث أثبتت أنها الأفضل مقارنة باستخدام أفران الخشب والفحم ولأغراض توفير المياه الساخنة للمنازل وأماكن العمل وحمامات السباحة ، وهناك نوعين من السخانات الشمسية ذات الأنابيب المفرغة والمسطحة :
- السخانات الشمسية ذات الأنابيب المفرغة غير المضغوطة Vacuum Tubes :
تعتمد هذه التقنية علي أنابيب مفرغة تمتص الطاقة الحرارية وتحولها إلى طاقة حرارية لتسخين المياه حيث يتألف كل أنبوب مفرغ من أنبوبين من الزجاج ، أحدهما بداخل الآخر ، ويصنعان من زجاج البوروسيلكيت Borosilicate ، يسمح الأنبوب الخارجي بمرور أشعة الشمس من خلاله بانعكاس قليل جداً ، أما الأنبوب الداخلي الماص للحرارة فيطلي بطبقة سوداء أو زرقاء تمتص أشعة الشمس الساقطة عليه بنسبة تصل إلى 95% ، وميزة الشكل الأنبوبي هي أن أشعة الشمس دائما عمودية علي الأنبوب مما يعطيها كفاءة عالية جداً .
وتعتبر تقنية الأنابيب المفرغة أكثر التقنيات استخداماً في دول الشمال ذات المناخ البارد حيث كفاءتها أعلى بكثير كلما انخفضت درجة حرارة الجو .
- السخانات الشمسية المسطحة Flat plate collectors :
المجمع الشمسي في هذه السخانات عبارة عن سطح امتصاص رقيق جداً من الألومنيوم أو النحاص مدهون بمادة ماصة لأشعة الشمس ، ويتدفق الماء المراد تسخينه في مواسير نحاسية داخل هذه اللواقط فيحدث تبادل حراري ، يتم وضع سطح الامتصاص والمواسير داخل هيكل معدني معزول بالصوف الزجاجي أو مادة البول يوريثان محكم الاغلاق من الأعلى بطبقة من الزجاج سمكها 4مم بهدف الاحتفاظ بالحرارة في الداخل وتقليل الفواقد الحرارية ، ميزة هذا النوع من السخانات الشمسية ان عمره الافتراض كبير يصل إلى 25 عام ، إلا أن سعره مرتفع نسبياً نتيجة تكلفة المواسير النحاسية التي تغذي الخزان .
يفضل استخدام هذا النظام في التطبيقات المنزلية والإدارية العادية مع تركيب مضخة لضغط الماء الساخن .
2- تدفئة المساكن والمباني عن طريق ضخ الحرارة المكتسبة في المجمعات الشمسية إلى داخل الحيز المراد تدفئته .
3- تحلية المياه إما عن طريق استخدام الإشعاع الشمسي لتبخير جزء من المحلول الملحي ثم تكثيفه باستخدام المقطرات البسيطة ، أو بالاعتماد علي الكهرباء الناتجة عن محطات الطاقة الشمسية المركزة ( Concentrate Solar Power ) إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة ، حيث يتم استغلالها في عمليات التسخين الصناعي وتوليد الكهرباء بالتوربينات البخارية . وتعتبر محطات الطاقة الشمسية المركزة ( CSP ) أحد أهم تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية التي تسعي العديد من الدول والمؤسسات للاستثمار فيها .
أنظمة الطاقة الشمسية المركزة ( CSP ) :
تعمل هذه التقنية لإنتاج الكهرباء عن طريق ثلاث أنواع من الأنظمة نذكرها فيما يلي :
1- أنظمة التركيز الخطية :
تجمع أنظمة التركيز الخطي أنظمة الأحواض المكافئة وعواكس فرينل الخطية ، حيث تقوم بجمع طاقة الشمس باستخدام مرايا طويلة ومستطيلة ومنحنية علي شكل حرب U ، ما يتيح هذا التكوين للمرايا تتبع الشمس من الشرق إلى الغرب خلال النهار وتركيز ضوء الشمس بشكل مستمر علي أنابيب المستقبل ، تسخن أشعة الشمس المركزة السائل المتدفق عبر الأنابيب ، ثم يتم إرسال السائل إلى مبادل حراري لغلي الماء في مولد توربيني بخاري تقليدي لإنتاج الكهرباء .
2- أبراج الطاقة الشمسية :
يستخدم نظام برج الطاقة الشمسية مجالاً كبيراً من المرايا المسطحة تسمي " Heliostats " التي تتبع أشعة الشمس لعكس ضوء الشمس وتركيزه علي جهاز استقبال أعلى البرج ، تستخدم بعض أبراج الطاقة الماء كسائل لنقل الحرارة كما تقوم التصميمات المتقدمة بتجربة ملح النترات المنصهر نظراً لقدراته الفائقة في نقل الحرارة وتخزين الطاقة . تسمح قدرة تخزين الطاقة الحرارية للنظام بإنتاج الكهرباء أثناء الطقس الغائم أو في الليل .
3- أنظمة الأطباق أو أنظمة الحوض المكافئ ( المرايا الشمسية المقعرة ) :
تستخدم هذه الأنظمة طبقاً عاكساً يشه طبق القمر الصناعي الكبير جداً ، عادة ما يتكون الطبق من العديد من المرايا المسطحة الأصغر .
يواجه السطح المصمم علي شكل طبق أشعة الشمس ويركزها علي مستقبل حراري يمتص الحرارة ويجمعها وينقلها إلى مولد المحرك .
وأكثر الأنواع شيوعاً من المحركات الحرارية المستخدمة في أنظمة الأطباق هو محرك ستيرلنغ ( Stirling ) ، الذي يقوم بتسخين السائل بواسطة جهاز الاستقبال وإنشاء طاقة ميكانيكية ثم إنتاج الكهرباء .
(2) الطاقة الشمسية الكهروضوئية ( Photovoltaique ):
يعزي اكتشاف التأثير الكهروضوئي عادة إلى العالم الفرنسي إدموند بيكريل سنة 1839 ، حيث لاحظ العالم الظاهرة الفيزيائية التي سمحت لتحول الضوء إلى كهرباء ، أي أن الضوء يستطيع تحرير إلكترونات عبر بعض المعادن ، وبعد التطوير الناجح في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي لطرق المعالجة الجيدة لأشباه الموصلات من مادة السيليكون ، فقد أصبحت التطبيقات العملية لتوليد الطاقة في متناول اليد ، حيث لا تزال معظم الخلايا الشمسية تصنع من هذه المادة ، لكن رغم الإمكانات الكبيرة للطاقة الكهروضوئية التي أدركها العديد من الباحثين آنذاك ، ظل عدد التطبيقات وحجمها متواضعاً جداً حتى نهاية الثمانينيات ، أين انتشر استخدام الطاقة الكهروضوئية لتشغيل الاقمار الصناعية ، والتي بدأت بنجاح في عام 1958 وظلت مصدر طاقتها القياسي .
وتعرف الظاهرة الفوتو فولطية ( PV ) بأنها عملية تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية مباشرة بواسطة الخلايا الشمسية ، وذلك باستخدام الخواص الإلكترونية لأشباه الموصلات مثل السيليكون ، وتعمل الخلية الشمسية بواسطة طبقتي الفسفور والسيليكون ، حيث تمتص طبقة الفسفور جزء من الضوء الساقط ، أما أغلبية الضوء فتمتصه طبقة السيليكون ، التي تعمل علي امتصاص طاقة الفوتونات المكونة للإشعاع الشمسي .
ثم تقوم بتحفيز الإلكترونات في الخلية الشمسية مما يولد جهداً كافياً لدفع هذه الإلكترونات في دوائر الحمل ، وخلال هذه العملية تتكون إلكترونات حرة يمكنها السريان خلال الموصل المتصل في أطراف الخلية ، ومع زيادة كثافة الضوء الساقط علي الخلية تزداد حركة الإلكترونات ليتشكل تيار كهربائي مستمر .
تعمل الخلية الشمسية علي خطوتين علي النحو التالي :
- امتصاص الضوء ( الذي يتكون من جزئيات الضوء ، أو الفوتونات ) ، في مادة مناسبة ( عادة أشباه الموصلات كالسيليكون ) ، والتي بواسطتها يتم تحفيز الإلكترونات سالبة الشحنة وتعبئتها . تترك الإلكترونات المثارة وراءها " إلكترونات مفقودة " موجبة الشحنة ، تسمي الثقوب ، والتي يمكنها أيضاً التحرك خلال المادة .
- التجميع للإلكترونات المتولدة في واجهة انتقائية ، مما يؤدى إلى تراكم شحنة سالبة علي جانب واحد من الواجهة وشحنة موجبة علي الجانب الآخر ، ونتيجة لفصل الشحنة هذا ، يتراكم جهد ( فرق الجهد الكهربي ) علي الواجهة . في معظم الخلايا الشمسية ، يتم تشكيل الواجهة الانتقائية ( الوصلة ) عن طريق تكديس طبقتين مختلفتين من أشباه الموصلات - إما شكلين مختلفين من نفس أشباه الموصلات ( في الخلايا المتجانسة ) أو اثنين من أشباه الموصلات المختلفة ( في الخلايا غير المتجانسة ) .
أنواع الخلايا الشمسية :
تم تصنيع أنواع متعددة من الألواح الشمسية بتقنيات مختلفة ومتنوعة لتوليد واستخدام وتخزين الطاقة الشمسية ، ومن هذه الأنواع نجد :
- الألواح الشمسية أحادية البلورة :
تمتاز هذه الألواح بالكفاءة العالية نسبة إلى الألواح الأخرى ، حيث إنها تنتج كميات أكبر من الطاقة ، بالرغم من أنها تشغل مساحة أقل ، لكن تكلفتها مرتفعة جداً .
- الألواح الشمسية الكريستالية :
تعد هذه الألواح أقل سعراً من الألواح الشمسية أحادية البلورة ، إلا أن كفاءتها أقل وعمرها أقصر .
- الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة :
تتسم هذه الخلايا بسهولة صنعها ، وسعرها المنخفض جداً ، إلا أن عمرها قصير وكفاءتها هي الأقبل نسبة إلى الألواح الشمسية الأخرى .
- الخلايا الشمسية غير المتبلورة للسيليكون :
تستخدم هذه الخيا كمصدر للطاقة للآلات الحاسبة الصغيرة ، إذ أنها رخيصة السعر ، ولكن كفاءتها منخفضة جداً .
- الخلايا الشمسية البيولوجية :
تقوم هذه الخلايا بمضاهاة عملية التمثيل الضوئي في الطبيعة ، إلا أنها تزال تحت الدراسة ولم تطبق علي أرض الواقع .
- خلايا الكادميوم تيلورايد الشمسية :
تساعد هذه الخيا علي إنتاج الطاقة باستخدام كمية قليلة من الماء ، ولكنها تستخدم الكربون الضار صحة الإنسان إذا تم استنشاقه أو تناوله .
- الخلايا الكهروضوئية المركزة :
تقوم هذه الخلايا بتوليد الطاقة بالطريقة ذاتها التي تستخدم في الأنظمة الكهروضوئية التقليدية ، لكنها تمتاز بأنها الأعلى كفاءة .
تطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية وأنظمتها :
تعتبر تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية من أكثر تقنيات الطاقات المتجددة انتشاراً وذلك نظراً لكونها تقنية معيارية للغاية ولا تتضمن أجزاء متحركة ، حيث يمكن دمجها في المباني ( الأسطح والواجهات ) وأغراض البنية التحتية مثل السكك الحديدية والطرق ، ما يجعلها تقنية مناسبة للاستخدام في المناطق الحضرية والصناعية . ويمكن تقسيم الأنظمة الكهروضوئية إلى فئتين رئيسيتين :
1- الأنظمة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة :
والتي يمكن أن تكون أنظمة متكاملة ومتكيفة مع البناء ( أنظمة موزعة ) وأنظمة أرضية ( محطات توليد الطاقة ) .
2- الأنظمة الكهروضوئية خارج الشبكة ( القائمة بذاتها ) :
يمكن أن تكون خلايا شمسية مدمجة في المنتجات الاستهلاكية ( السيارات ، الهواتف ، .... ) والأنظمة المهنية ( الاتصالات ) ، والأنظمة الكهروضوئية الريفية ، وأنظمة الشبكات الصغيرة وغيرها .
تعليقات