الطاقة الشمسية وطرق استخدامها

] لمحـة عـن الطاقــــة الشمســـــية :
الشمس نجم كبير هائل من ضمن مجموعة هائلة من النجوم الموجودة في الكون تضم حولها مجوعة من الكواكب تعرف مجتمعة بالمجموعة الشمسية أبدعها الله ضمن تركيبة هندسية رائعة تترابط فيما بينها بقوى جاذبة مركزها الشمس( نواة هذه المجموعة) التي تمد كافة كواكب المجموعة الشمسية بطاقة هائلة يكون نصيب كل كوكب منها بحسب بعده عن الشمس ، مايهمنا في مقالنا هذا هو الطاقة الشمسية الواصلة لكوكب الأرض التي هي مصدر الحياة ومصدر الطاقات ،

وتصل أشعة الشمس ألينا بزمن ثمانية دقائق تقريبا بعد أن تقطع حوالي 150 مليون كيلومترا بسرعة الضوء ومعظم الإشعاع الشمسي يحتل مرتبة (0.25 -3) ميكرون من حيث طول الموجة في الطيف الضوئي ويقع حوالي 9% منها في منطقة الأشعة فوق البنفسجية القصيرة الطول وغير المرئية و40% في منطقة الضوء المرئي والبقية هي 51% تقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء الطويلة ، وتأتي حرارة الشمس من الأشعة تحت الحمراء وتستقبل الأرض وبقية الكواكب ما مقداره 1/120 من المليون من الإشعاع الشمسي الكلي وهذا يدلنا على أن الشمس كرة هائلة من النار لا يمكن تصورها
إن 30% من الطاقة الشمسية التي تصدم بالغلاف الجوي للأرض تعود إلى الفضاء على شكل إشعاع قصير الموجه وحوالي 47% تمتص بواسطة الغلاف الجوي وحوالي 23% من هذه الطاقة تستعمل في التبخير وتيارات النقل وجزء من 1% سيستعمل لتحريك الهواء وحركة البحار والمحيطات ، بالإضافة إلى هذا فأن جزءا قليلا من هذه الطاقة (40 بليون كيلو وات) يتحول إلى طاقة كيميائية بواسطة الكلوروفيل الأخضر يستخدم في عملية التمثيل الضوئي الذي يمد كل الكائنات الحية بالغذاء

إن الطاقة الشمسية التي منحنا إياها الله تخضع فقط لمشيئته ومن ثم إلى قوانين الفيزياء والرياضيات ولا يستطيع أحد أن يطوعها للمعتقدات والمذاهب أو لاعتبارات الجنس واللون

يقع الحزام الشمسي بحسب الخريطة الشمسية بين خطي عرض 40 درجة شمالا و40 درجة جنوبا ومعظم دول العالم تقع ضمن هذا الحزام الشمسي ومن رحمة الله إن الكثير من الدول الفقيرة في العالم تستقبل طاقة شمسية أكثر من الدول الغنية

والطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض عبر الغلاف الجوي تتحول إلى ثلاثة أشكال من أشكال الطاقة:
• طاقة كيميائية
• طاقة حرارية
• طاقة ضوئية
وكل منها يتجلى بعدة مظاهر تؤدي لنشوء عدد من الطاقات .
فعند سقوط أشعة الشمس على أوراق النباتات تدخر في النبات على شكل طاقة كيميائية عضوية تكون المحرك الرئيسي لكل العمليات الحيوية التي تحدث ضمن النبات وتشكل هيكلاً للنباتات ومصدراً لغذائه ولغذاء الكائنات الحية التي تتغذى من هذه النباتات .
أما الأثر الحراري للطاقة الشمسية فيتجلى بسقوط الأشعة الشمسية على الغلاف الجوي فيؤدي لتسخينه تسخيناً متفاوتاً وبالتالي لحدوث التيارات الهوائية التي تكون سببا في نشوء طاقة الرياح والتسخين المباشر لسطح البحار والمحيطات يؤدي لارتفاع درجة حرارة السطح مع المحافظة على درجة الحرارة منخفضة في القاع .فالطاقة الناتجة من هذه الظاهرة تعرف بالطاقة الحرارية في البحار والمحيطات ، و الطاقة الكامنة الجوفية في سطح الأرض هي طاقة مستمدة من الشمس لأن معظم النظريات الحديثة تؤكد أن الأرض تعود في منشئها إلى الشمس فهي انفصلت عن الشمس ( الكوكب الأم ) وبردت قشرتها الخارجية أما أعماقها فما زالت ملتهبة تشع الحرارة إلى كافة الجهات .
يبق الأثر الضوئي للطاقة الشمسية والذي يظهر أثره على أرضنا الجميلة مع الدقائق الأولى لشروق الشمس والتي تضفي على الأرض أبدع صورة عرفها الإنسان ويستمر هذا الأثر حتى اللحظات الأخيرة لغروب الشمس التي تشكل منظرا ساحرا يكون الهام الشعراء أحيانا ، وما بين الدقائق الأولى واللحظات الأخيرة تجري عمليات نوعية كثيرة تعتمد على الأثر الضوئي للطاقة الشمسية أحدى هذه العمليات موضوع بحثنا ألا وهو تحويل الأثر الضوئي للشمس لطاقة كهربائية
الحاجة للطاقة الشمسية
إن القلق من تلوث هواء المدن ومن المطر الحمضي وتسرب النفط والمخاطر النووية وارتفاع حرارة الأرض دفع لإعادة البحث عن بدائل الفحم والنفط والطاقة النووية ، وعلى الرغم من أن مصادر الطاقة البديلة ليست خالية من التلويث عموماً ، فإنه يوجد مجال واسع من الخيارات التي يكون ضررها البيئي أقل بكثير من مصادر الطاقة التقليدية .
إن أفضل التقنيات الواعدة هي التي تسخر طاقة الشمس حيث يعتبر التحويل الحراري المباشر للإشعاعات الشمسية إلي طاقة كهربائية عبر الخلايا الشمسية تقنية جديدة ومتطورة وهو صناعة إستراتيجية (باعتبارها مصدر الطاقة في المستقبل) سيكون له الأثر الأكبر في المحافظة على مصادر الطاقة التقليدية
مواصفات الطاقة الشمسية
فهذه الطاقة تتميز بمواصفات وصفات تجعلها الأفضل بدون منازع لجميع أنواع الطاقات الأخرى ، فهي :
1- طاقة هائلة متنقلة يمكن استغلالها في أي مكان
2- تشكل مصدراً مجانياً للحصول على الطاقة الكهربائية .
3- طاقة نظيفة لا تنتج أي نوع من أنواع التلوث البيئي .
4- طاقة متحررة وغير خاضعة لتقلبات الأسواق الاقتصادية .
وربما كان لهدوء الشمس الزائد دور كبير في إهمال الناس لها ونسيانها ، إلا أن أزمة الطاقة الحالية والتهديدات المطروحة أمام الحضارة الحديثة في حال نضوب البترول أعاد الأذهان للتفكير باستغلال الطاقة الشمسية ، حيث نرى أن الأبحاث اليوم جادة لتطوير هذا المصدر ووضعه قيد الاستثمار الفعلي على نطاق واسع ، إذ أن العالم الآن بدأ يدرك أهمية هذه الطاقة وإمكاناتها الكبيرة في حل أزمة الطاقة المقبلة.
أما العنصر الرئيسي في عملية تحويل الطاقة الشمسية لطاقة كهربائية فهو الخلايا الضوئية التي تقوم وبمجرد سقوط الأشعة الشمسية على سطحها بتحوليها إلى طاقة كهربائية يمكن استثمارها بشكل مباشر ويخزن قسم منها ضمن مدخرات للاستفادة منها ليلا (عند انحسار الضوء)
أما على المستوى الصناعي فقد تم التوصل لربط الخلايا الضوئية مع بعضها على التسلسل أو التوازي لتشكيل الخلايا الشمسية والمسطحات الشمسية العملاقة وبالتالي إمكانية الحصول على تيارات وتوترات تفي حاجة المستثمر وتغطي متطلباته وجدير بالذكر ا ن أول استثمار للخلايا الشمسية بشكل عملي تم في مجال أبحاث الفضاء والأقمار الصناعية
حيث لاوجود للطاقة الكهربائية هناك ، فكانت الخلايا الشمسية هي المزود الوحيد للقمر الصناعي بالطاقة الكهربائية وبالتالي تغذية كافة أجهزة التحكم بالقمر الصناعي وحواسيبه وأجهزة القيادة فيه

الخلايا الشمسية
بدأت صناعة هذه الخلايا في الخمسينات وقد صنعت الخلية الشمسية الأولى من السليكون ومنذ ذلك الوقت وحتى الآن أدخلت تعديلات عديدة في كيفية صناعة هذه الخلايا وكذلك توسيع قاعدة المواد التي تصلح لهذه الخلايا .
ولا زالت الأبحاث جارية في هذا المضمار وذلك لتخفيض تكلفة هذه الخلايا التي لا زالت عالية حتى الآن ، ويتم حالياً البحث عن مكونات أخرى للخلايا الشمسية مثل : - كادميوم سيلينيوم - كبريتيد النحاس - كبريتيد كادميوم
الخلايا الشمسية محولات تأخذ طاقة من أشعة الشمس وتحولها إلى كهرباء وتطرد كمية كبيرة من الحرارة بدون أي أجزاء مؤثرة ( ضوضاء أو تلوث أو إشعاع أو صيانة .. ) والمادة المكونة لهذه الخلايا لا تتعرض للتآكل وهذه نقطة هامة جداً حيث تصنع غالبية الخلايا الشمسية من السليكون وهو نصف معدن لديه إمكانية التشكل على حالتين: 1 معدن 2 عازل.
في حالته كمعدن لا تكون إلكترونات ذراته مرتبطة بإحكام مما يؤدي إلى جريانها بسهولة عندما يطبق عليها ضغط كهربائي ، بينما تكون الكترونات ذراته في حالة نشكله كعازل مرتبطة بشدة ولا يحدث جريان عندما يطبق عليها الضغط الكهربائي .
ومن أسباب اختيار المواد السيليكونية :
1- أنـه عالي التوصـــيل الحراري .
2- الثبات الجيد مع الطقس المحيط .
3- عـــــازل ممتـــاز للكهربــــــاء .
4- عـــــــــــالي الـــــــــــــــــقدرة .
إن السبب الرئيسي لعدم انتشار الخلايا الكهروضوئية المصنعة من أنصاف النواقل في الماضي هو ارتفاع أسعارها ، حيث أنه عام 1970 كانت الكلفة لإنتاج واحد وات تساوي ( 50 $ ) أما في عام 1988 وبفضل تقدم تكنولوجيا إنتاج الخلايا الكهروضوئية وتحسين نوعية العمل فقد انخفضت هذه الكلفة حتى ( 5 $ ) ، وفي الوقت الحالي فإن ثمن الخلايا الكهروضوئية ينخفض باستمرار .
وتشير أحدث التوقعات إلى أن تكلفة الطاقة الكهربائية المولدة بواسطة الخلايا الكهروضوئية ستصل قريباً إلى أقل من ( 0.10 $ / Kwh ) ، وبذلك ستصبح منافسة بشكل كبير للكهرباء المولدة بالطرق التقليدية .

لاقت مركزات الأشعة الشمسية في السنوات الأخيرة استخداماً واسعاً لأنها تساعد على زيادة كثافة الأشعة الساقطة على الخلية الكهروضوئية وذلك نتيجة لعمليات الانكسار ، الانعكاس ، تحويل طول الموجة والانعراج .
وجدير بالذكر أنه باستخدام مركزات الأشعة تتناقص حاجة الخلايا الكهروضوئية من مادة السيلكون النصف ناقل طرداً مع درجة التركيز المذكورة
آلية عمل الخلية الشمسية:
تصنع الخلايا الشمسية بدمج نوعين من أشباه المعدن أحدهما سلبي(-) والآخر إيجابي(+) ، حيث أن نصف المعدن الإيجابي يصنع لاحتواء أيونات سلبية ونصف المعدن السلبي يصنع لاحتواء أيونات إيجابية ، وهذه الأيونات الإيجابية والسلبية تهيئ البيئة الضرورية لمرور تيار كهربائي يتحرك ضمن الخلية الشمسية ، والضوء الصادر من الشمس هو عبارة عن شعاع من جزيئات تحمل طاقة صافية نسمى( فوتونات) .
تتدفق هذه الطاقة الصافية من الشمس على الخلية الشمسية فتقوم هذه الفوتونات باختراق السيلكون وتضرب ذراته بشكل عشوائي مما يؤدي إلى تأين ذرات السيلكون حيث يؤدي ذلك إلى إفلات إلكترون خارجي من مداره محولاً طاقته إلى طاقة حركية موجهه للإلكترونات ، وتسمى حركة هذه الالكترونات الموجهة بالتيار الكهربائي .
أن أي خلية شمسية مثالية تتألف من غطاء زجاجي لحماية الخلية وإلكترودين أحدهما خلفي والآخر أمامي وطبقات من شبه المعدن ، حيث تكون أشعة الشمس مجمعة على الالكترود الأمامي فيمر التيار الكهربائي عائداً إلى الخلية الشمسية عبر الالكترود الخلفي .
من الجدير بالذكر أن الخلايا الشمسية لا تستطيع لوحدها إنتاج القوة الصالحة للاستعمال فمن الضروري ربطها بمكونات النظام الأخرى ، وتبين الصور في الأشكال التالية توضيح لعمل هذه الخلايا :

الطاقة الشمسية وطرق استخدامها 15780272uz7.th

شكرا لك استاذ نسيم

الطاقة الشمسية وطرق استخدامها

الطاقة الشمسية وطرق استخدامها

رد: الطاقة الشمسية وطرق استخدامها