الطاقة الشمسية

1.ما هي الطاقة الشمسية؟

طاقة الشمس هي إشعاع من الشمس قادر على إنتاج الحرارة، والتسبب في التفاعلات الكيميائية، أو توليد الكهرباء. يزيد إجمالي كمية الطاقة الشمسية الساقطة على الأرض إلى حد كبير عن متطلبات الطاقة الحالية والمتوقعة للعالم. إذا تم تسخير هذا المصدر المنتشر بشكل مناسب، فإن لديه القدرة على تلبية جميع احتياجات الطاقة المستقبلية. في القرن الحادي والعشرين، أصبحت الطاقة الشمسية جذابة بشكل متزايد كمصدر للطاقة المتجددة بسبب إمدادها الذي لا ينضب وخصائصها غير الملوثة، على النقيض من الوقود الأحفوري المحدود مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي.

2. أهمية الطاقة الشمسية و إمكاناتها

الشمس مصدر طاقة قوي للغاية، وضوء الشمس هو أكبر مصدر للطاقة التي تتلقاها الأرض، ولكن شدته على سطح الأرض منخفضة للغاية في الواقع. ويرجع ذلك أسا سً ا إلى الانتشار الشعاعي الهائل للإشعاع من الشمس البعيدة. يحدث فقد إضافي طفيف نسب يًا بسبب الغلاف الجوي للأرض والسحب، والتي تمتص أو تبعثر ما يصل إلى 54 بالمائة من ضوء الشمس الوارد. يتكون ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض من حوالي 50 بالمائة من الضوء المرئي، و 45 بالمائة من الإشعاع تحت الأحمر، وكميات صغيرة من الأشعة فوق البنفسجية والأشكال الأخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

تقوم الطاقة الشمسية بتشغيل وتأثير العديد من العمليات الطبيعية على الأرض. على سبيل المثال، يعتمد التمثيل الضوئي للنباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء على الطاقة من الشمس، ومن المستحيل المبالغة في أهمية هذه العملية في الحفاظ على الحياة على الأرض. إذا توقفت عملية التمثيل الضوئي، فلن يكون هناك قريبًا القليل من الطعام أو المواد العضوية الأخرى على الأرض. سوف تختفي معظم الكائنات الحية، ومع مرور الوقت سيصبح الغلاف الجوي للأرض خاليًا تقري بًا من الأكسجين الغازي. الطاقة الشمسية ضرورية أي ضً ا لبخار الماء في دورة المياه، ودرجات حرارة اليابسة والمياه، وتكوين الرياح، وكلها عوامل رئيسية في أنماط المناخ التي تشكل الحياة على الأرض.

إمكانية تسخير الطاقة الشمسية كطاقة شمسية هائلة، حيث يتم استلام حوالي 200000 ضعف القدرة الكهربائية اليومية الإجمالية للعالم على الأرض كل يوم على شكل طاقة شمسية. لسوء الحظ، على الرغم من أن الطاقة الشمسية نفسها مجانية، إلا أن التكلفة العالية لجمعها وتحويلها وتخزينها لا تزال تحد من استغلالها في العديد من الأماكن. يمكن تحويل الإشعاع الشمسي إما إلى طاقة حرارية )حرارة( أو إلى طاقة كهربائية، على الرغم من أن الأول أسهل في تحقيقه.

3. ما هي استخدامات الطاقة الشمسية؟

تم استخدام الطاقة الشمسية منذ فترة طويلة كمصدر مباشر للطاقة الحرارية. منذ بداية القرن العشرين، أدت التطورات التكنولوجية إلى زيادة عدد استخدامات وتطبيقات الطاقة الحرارية للشمس وفتحت الأبواب لتوليد الطاقة الشمسية.

الطاقة الحرارية

من بين أكثر الأجهزة شيو عًا المستخدمة لالتقاط الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة حرارية، المجمعات المسطحة، والتي تستخدم لتطبيقات التدفئة الشمسية. نظ رًا لأن شدة الإشعاع الشمسي على سطح الأرض منخفضة ج دًا، يجب أن تكون هذه المجمعات كبيرة المساحة. حتى في الأجزاء المشمسة من المناطق المعتدلة في العالم، على سبيل المثال، يجب أن يكون للمجمع مساحة سطحية تبلغ حوالي 40 مت رًا مرب عًا ) 430 قد مً ا مرب عًا( لجمع طاقة كافية لتلبية احتياجات الطاقة لشخص واحد.

تتكون أكثر المجمعات المسطحة استخدا مً ا من لوح معدني أسود اللون، مغطى بورقة أو ورقتين من الزجاج، يتم تسخينه بواسطة ضوء الشمس الساقط عليه. ثم يتم نقل هذه الحرارة إلى الهواء أو الماء، المسمى بسوائل الحمل الحراري، التي تتدفق عبر الجزء الخلفي من اللوح. يمكن استخدام الحرارة مباشرة، أو يمكن نقلها إلى وسط آخر للتخزين. تستخدم المجمعات المسطحة بشكل شائع في سخانات المياه الشمسية وتدفئة المنازل. يتم تحقيق تخزين الحرارة للاستخدام لي لاً أو في الأيام الملبدة بالغيوم عاد ةً باستخدام خزانات معزولة لتخزين الماء الساخن خلال الفترات المشمسة. يمكن لمثل هذا النظام تزويد المنزل بالماء الساخن المأخوذ من خزان التخزين، أو، مع تدفق الماء الدافئ عبر الأنابيب في الأرضيات والأسقف، يمكنه توفير التدفئة المكانية. تقوم المجمعات المسطحة عادة بتسخين سوائل الحمل الحراري إلى درجات حرارة تتراوح من 66 إلى 93 درجة مئوية ) 150 إلى 200 درجة فهرنهايت(. تتراوح كفاءة هذه المجمعات )أي نسبة الطاقة المستلمة التي يحولونها إلى طاقة قابلة للاستخدام( من 20 إلى 80 بالمائة، اعتما دًا على تصميم المجمع.

طريقة أخرى لتحويل الطاقة الحرارية توجد في البرك الشمسية، وهي عبارة عن أجسام من المياه المالحة مصممة لجمع وتخزين الطاقة الشمسية. تتيح الحرارة المستخرجة من هذه البرك إنتاج المواد الكيميائية والأغذية والمنسوجات والمنتجات الصناعية الأخرى، ويمكن استخدامها أي ضً ا لتدفئة الدفيئات والمسابح ومباني الماشية. تستخدم البرك الشمسية أحيا نًا لإنتاج الكهرباء من خلال استخدام محرك دورة رانكين العضوي، وهي وسيلة فعالة واقتصادية نسبيا لتحويل الطاقة الشمسية، والتي تكون مفيدة بشكل خاص في المناطق النائية. البرك الشمسية مكلفة للغاية في التثبيت والصيانة وهي مقتصرة بشكل عام على المناطق الريفية الدافئة.

على نطاق أصغر، يمكن أي ضً ا تسخير طاقة الشمس لطهي الطعام في الأفران الشمسية المصممة خصي صً ا. تركز الأفران الشمسية عاد ةً ضوء الشمس من منطقة واسعة إلى نقطة مركزية، حيث يحول وعاء أسود السطح ضوء الشمس إلى حرارة. تكون الأفران عاد ةً محمولة ولا تتطلب مدخلات وقود أخرى.

توليد الكهرباء

يمكن تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى الطاقة الشمسية )الكهرباء( بواسطة الخلايا الشمسية أو الخلايا الضوئية. في مثل هذه الخلايا، يتم توليد جهد كهربائي صغير عندما يضرب الضوء الوصلة بين معدن وشبه موصل )مثل السيليكون( أو الوصلة بين شبه موصلين مختلفين. وجدت الخلايا الضوئية الصغيرة التي تعمل على ضوء الشمس أو الضوء الصناعي استخدا مً ا رئيس يًا في التطبيقات منخفضة الطاقة - على سبيل المثال، كمصدر طاقة للآلات الحاسبة والساعات. تم استخدام الوحدات الأكبر لتوفير الطاقة لمضخات المياه وأنظمة الاتصالات في المناطق النائية ولأقمار الطقس والاتصالات. ومع ذلك، من خلال توصيل أعداد كبيرة من الخلايا الفردية م عًا، كما هو الحال في مصفوفات الألواح الشمسية، يمكن توليد مئات أو حتى آلاف الكيلووات من الطاقة الكهربائية في محطة الطاقة الشمسية أو في مصفوفة منزلية كبيرة.

تستخدم محطات الطاقة الشمسية المركزة مجمعات تركيز أو تركيز لتركيز ضوء الشمس المستلم من منطقة واسعة على مستقبل أسود صغير، مما يزيد بشكل كبير من شدة الضوء من أجل إنتاج درجات حرارة عالية. يمكن لمصفوفات المرايا أو العدسات المجهزة بعناية أن تركز ما يكفي من ضوء الشمس لتسخين الهدف إلى درجات حرارة تصل إلى 2000 درجة مئوية ) 3600 درجة فهرنهايت( أو أكثر. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الحرارة لتشغيل المرجل، والذي بدوره يولد البخار لمحطة توليد الكهرباء بتركبين البخار. لإنتاج البخار مباشرة، يمكن ترتيب المرايا المتحركة بحيث تركز كميات كبيرة من الإشعاع الشمسي على الأنابيب السوداء التي يتم فيها تعميم الماء وبالتالي تسخينها.

4. تطبيقات أخري

تستخدم الطاقة الشمسية أي ضً ا على نطاق صغير لأغراض أخرى غير تلك المذكورة أعلاه. في بعض البلدان، على سبيل المثال، يتم استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج الملح من مياه البحر عن طريق التبخر. وبالمثل، تقوم وحدات تحلية المياه بالطاقة الشمسية بتحويل المياه المالحة إلى مياه الشرب عن طريق تحويل طاقة الشمس إلى حرارة، بشكل مباشر أو غير مباشر، لدفع عملية تحلية المياه. كما ظهرت تقنية الطاقة الشمسية لإنتاج الهيدروجين النظيف والمتجدد كمصدر طاقة بديل. تقلي دًا لعملية التمثيل الضوئي، فإن الأوراق الاصطناعية هي أجهزة قائمة على السيليكون تستخدم الطاقة الشمسية لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين، دون ترك أي ملوثات تقري بًا. هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتحسين كفاءة هذه الأجهزة وتكلفتها من أجل الاستخدام الصناعي.

5. مصادر إضافية

• https://www.eia.gov/energyexplained/solar/
• https://www.enelgreenpower.com/learninghub/renewable-energies/solarenergy/advantages-solar-energy
• https://www.britannica.com/science/solarenergy/Electricity-generation