ما هي الطاقة الشمسية

ما هي الطاقة الشمسية

الطاقة الشمسية هي الضوء والحرارة المنبعثان من الشمس اللذان قام الإنسان باستغلالهما منذ العصور القديمة باستخدام مجموعة من وسائل التكنولوجيا التي تتطور باستمرار. وتضم تقنيات استخدام الطاقة الشمسية استخدام الطاقة الحرارية للشمس سواء للتسخين المباشر أو ضمن عملية تحويل ميكانيكي لحركة أو لطاقة كهربائية، أو لتوليد الكهرباء عبر الظواهر الكهروضوئية باستخدام ألواح الخلايا الضوئية الجهدية بالإضافة إلى التصميمات المعمارية التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية، وهي تقنيات تستطيع المساهمة بشكل بارز في حل بعض من أكثر مشاكل العالم إلحاحا اليوم.

تُعزى معظم مصادر الطاقة المتجددة المتوافرة على سطح الأرض إلى الإشعاعات الشمسية بالإضافة إلى مصادر الطاقة الثانوية، مثل طاقة الرياح وطاقة الأمواج والطاقة الكهرومائية والكتلة الحيوية. من الجدير بالذكر أنه لم يتم استخدام سوى جزء صغير من الطاقة الشمسية المتوافرة في حياتنا. يتم توليد طاقة كهربية من الطاقة الشمسية بواسطة محركات حرارية أو محولات فولتوضوئية. وبمجرد أن يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربية، فإن براعة الإنسان هي فقط التي تقوم بالتحكم في استخداماتها. ومن التطبيقات التي تتم باستخدام الطاقة الشمسية نظم التسخين والتبريد خلال التصميمات المعمارية التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية، والماء الصالح للشرب خلال التقطير والتطهير، واستغلال ضوء النهار، وتسخين المياه، والطهو بالطاقة الشمسية، ودرجات الحرارة المرتفعة في أغراض صناعية.

تتسم وسائل التكنولوجيا التي تعتمد الطاقة الشمسية بشكل عام بأنها إما أن تكون نظم طاقة شمسية سلبية أو نظم طاقة شمسية إيجابية وفقًا للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من خلالها. وتشمل التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية الإيجابية استخدام اللوحات الفولتوضوئية والمجمع الحراري الشمسي، مع المعدات الميكانيكية والكهربية، لتحويل ضوء الشمس إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة. هذا، في حين تتضمن التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية السلبية توجيه أحد المباني ناحية الشمس واختيار المواد ذات الكتلة الحرارية المناسبة أو خصائص تشتيت الأشعة الضوئية، وتصميم المساحات التي تعمل على تدوير الهواء بصورة طبيعية.

مقدار الطاقة الشمسية القادمة إلى الأرض

يستقبل كوكب الأرض 174 بيتا واط من الإشعاعات الشمسية القادمة إليه (الإشعاع الشمسي) عند طبقة الغلاف الجوي العليا. وينعكس ما يقرب من 30% من هذه الإشعاعات عائدة إلى الفضاء بينما تُمتص النسبة الباقية بواسطة السحب والمحيطات والكتل الأرضية. ينتشر معظم طيف الضوء الشمسي الموجود على سطح الأرض عبر المدى المرئي وبالقرب من مدى الأشعة تحت الحمراء بالإضافة إلى انتشار جزء صغير منه بالقرب من مدى الأشعة فوق البنفسجية.

الطاقة المتجدّدة
Wind Turbine
طاقة حيوية
طاقة حرارية جوفية
طاقة كهرمائية
طاقة شمسية
طاقة مدجزرية
طاقة موجية
طاقة بحرية
طاقة الرياح
تمتص مسطحات اليابسة والمحيطات والغلاف الجوي الإشعاعات الشمسية، ويؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارتها. يرتفع الهواء الساخن الذي يحتوي على بخار الماء الصاعد من المحيطات مسبباً دوران الهواء الجوي أو انتقال الحرارة بخاصية الحمل في اتجاه رأسي. وعندما يرتفع الهواء إلى قمم المرتفعات، حيث تنخفض درجة الحرارة، يتكثف بخار الماء في صورة سحب تمطر على سطح الأرض، ومن ثم تتم دورة الماء في الكون. تزيد الحرارة الكامنة لعملية تكثف الماء من انتقال الحرارة بخاصية الحمل، مما يؤدي إلى حدوث بعض الظواهر الجوية، مثل الرياح والأعاصير والأعاصير المضادة. وتعمل أطياف ضوء الشمس التي تمتصها المحيطات وتحتفظ بها الكتل الأرضية على أن تصبح درجة حرارة سطح الأرض في المتوسط 14 درجة مئوية. ومن خلال عملية التمثيل الضوئي الذي تقوم به النباتات الخضراء، يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، مما يؤدي إلى إنتاج الطعام والأخشاب والكتل الحيوية التي يُستخرج منها الوقود الحفري.

يصل إجمالي الطاقة الشمسية التي يقوم الغلاف الجوي والمحيطات والكتل الأرضية بامتصاصها إلى حوالي 3.850.000 كونتليون جول في العام. وفي عام 2002، زادت كمية الطاقة التي يتم امتصاصها في ساعة واحدة عن كمية الطاقة التي تم استخدامها في العالم في عام واحد. يستهلك التمثيل الضوئي حوالي 3.000 كونتليون جول من الطاقة الشمسية في العام في تكوين الكتل الحيوية. تكون كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض كبيرة للغاية، لدرجة أنها تصل في العام الواحد إلى حوالي ضعف ما سيتم الحصول عليه من مصادر الطاقة الموجودة على الأرض مجتمعة معًا، كالفحم والبترول والغاز الطبيعي واليورانيوم الذي يتم استخراجه من باطن الأرض. سوف يظهر في الجدول الخاص بمصادر الطاقة أن الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أو طاقة الكتلة الحيوية ستكون كافية لتوفير كل احتياجاتنا من الطاقة، ولكن الاستخدام المتزايد لطاقة الكتلة الحيوية له تأثير سلبي على الاحتباس الحراري وزيادة أسعار الغذاء بصورة ملحوظة بسبب استغلال الغابات والمحاصيل في إنتاج الوقود الحيوي. لقد أثارت طاقة الرياح والطاقة الشمسية موضوعات أخرى، باعتبار أنها من مصادر الطاقة المتجددة.

تطبيقات على استخدام الطاقة الشمسية

يتطلب متوسط الإشعاع الشمسي الذي يوضح مساحة اليابس (كنقاط سوداء صغيرة) تصنيف الفائض من الطاقة الأساسية في العالم من ضمن الطاقة الكهربية التي تولدها الطاقة الشمسية.18 تريليون وات يساوي 568 كونتليون جول في السنة. يقدر الإشعاع الشمسي بالنسبة لمعظم الناس بما يتراوح من 150 إلى 300 وات / متر مربع، أو 3.5 إلى 7.0 كيلو وات ساعة للمتر المربع في اليوم.
تشير الطاقة الشمسية بصورة أساسية إلى استخدام الإشعاعات الشمسية في أغراض عملية. على أية حال، تستمد كل مصادر الطاقة المتجددة، باستثناء طاقة المد والجزروطاقة الحرارة الأرضية، طاقتها من الشمس.
تتسم التقنية التي تعتمد على الطاقة الشمسية بشكل عام بأنها إما أن تكون سلبية أو إيجابية وفقًا للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من خلالها. وتشمل تقنية الطاقة الشمسية الإيجابية استخدام اللوحات الفولتوضوئية والمضخات والمراوح في تحويل ضوء الشمس إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة. هذا، في حين تتضمن تقنية الطاقة الشمسية السلبية عمليات اختيار مواد ذات خصائص حرارية مناسبة وتصميم الأماكن التي تسمح بدوران الهواء بصورة طبيعية واختيار أماكن مناسبة للمباني بحيث تواجه الشمس. تتسم تقنيات الطاقة الشمسية الإيجابية بإنتاج كمية وفيرة من الطاقة، لذا فهي تعد من المصادر الثانوية لإنتاج الطاقة بكميات وفيرة، بينما تعتبر تقنيات الطاقة الشمسية السلبية وسيلة لتقليل الحاجة إلى المصادر البديلة. وبالتالي فهي تعتبر مصادر ثانوية لسد الحاجة إلى كميات زائدة من الطاقة

مجمعات الألواح المسطحة

تُعدُّ ألواح الطاقة الشمسية الأكثر شيوعًا بين أدوات تحويل الطاقة لجمع الطاقة، وتتكون هذه الألواح من صفيحة معدنية داكنة مغطاة بورقة أو لوحتين من الزجاج تمتص الحرارة، وتنتقل الحرارة إلى الهواء أو الماء وتسمى السوائل الحاملة والتي تتدفق عبر الجزء الخلفي من اللوحة فيمكن استخدام هذه الحرارة مباشرة أو يمكن نقلها إلى وَسَط آخر وتُستخدم مجمعات الألواح المسطحة لتسخين المنازل والماء، حيث تتراوح درجات حرارة هذه المجمعات من 150 درجة إلى 200 درجة فهرنهايت (66 درجة إلى 93 درجة مئوية) وكفاءة أدائها تصل إلى 80%.

الطاقة الشمسية المُركّزة

عند الحاجة إلى درجات حرارة أعلى يتم استخدام مُجمِّع ذو تركيز أكبر، حيث تركز هذه الأجهزة أشعة الشمس المتلقاة من منطقة واسعة على مُستقبل أسود صغير وبالتالي تزداد شدة الأشعة بشكل كبير من أجل إنتاج درجات حرارة عالية، ويمكن لمصفوفات المرايا أو الألواح المصفوفة بشكل مدروس والمستخدمة في ما يسمى بالأفران الشمسية أن تبلغ درجة تسخينها للسوائل إلى 3600 درجة فهرنهايت (2000 درجة مئوية) أو أكثر، كما يمكن استخدام هذه الحرارة لدراسة خصائص المواد في درجات حرارة عالية أو يمكن استخدامها لتشغيل الغلايات والتي بدورها تولّد البخار لمحطة توليد الطاقة البخارية التوربينية الكهربائية. وقد أصبح الفرن الشمسي أداة مهمة في أبحاث درجات الحرارة العالية ولإنتاج البخار حيث يتم ترتيب المرايا المتحركة بحيث تركز كميات كبيرة من الإشعاع الشمسي على أنابيب سوداء يتم من خلالها 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 مركّز يضيء على نقطة محورية على البرج. كانت التصاميم السابقة لأبراج الطاقة الشمسية تقوم. على تسخين أشعة الشمس المركزة لخزان من الماء، مما ينتج بخارًا يعمل على تشغيل التوربينات. ولكن تم مؤخرًا استخدام الصوديوم السائل في بعض أبراج الطاقة الشمسية، حيث يتمتع بسعة حرارية أعلى ويحتفظ بالحرارة لفترة أطول من الوقت. هذا يعني أن السائل لا يصل فقط إلى درجات حرارة من 773 إلى 1،273 كلفن (500 إلى 1000 درجة مئوية أو 932 إلى 1،832 درجة فهرنهايت)، ولكن يمكنه الاستمرار في غلي الماء وتوليد الطاقة حتى عندما لا تكون الشمس مشرقة.

تم تطوير محطات الطاقة الشمسية المركزة لأول مرة في الثمانينيات. وتُعدُّ أكبر منشأة في العالم سلسلة من المصانع في صحراء موهافي بكاليفورنيا. ويولد نظام توليد الطاقة الشمسية (SEGS) أكثر من 650 غيغا 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 أصغر. فمثلًا يمكن أن يتم توليد الحرارة للأفران 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 الأخشاب: فهي لا تشكل خطر الحرائق ولا تنتج دخانًا ولا تتطلب وقودًا ولا تتسبب في القضاء على بسبب قطع الأشجار للحصول على الوقود.

الخلايا الضوئية

يمكن تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى كهرباء بواسطة الخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الشمسية، في مثل هذه الخلايا عندما يصطدم الضوء بالتقاطع بين المعدن وأشباه الموصلات (مثل السيليكون) أو التقاطع بين نوعين مختلفين من أشباه الموصلات يتم توليد جهد كهربائي صغير، وعادةً ما تكون الطاقة التي تولدها خلية كهروضوئية واحدة حوالي 2 واط فقط لكن من خلال توصيل أعداد كبيرة من الخلايا الفردية معًا كما هو الحال في مصفوفات الألواح الشمسية يمكن توليد مئات أو حتى آلاف الكيلوواطات من الطاقة الكهربائية في محطة كهربائية تعمل بالطاقة الشمسية. وتبلغ كفاءة الطاقة لمعظم الخلايا الكهروضوئية في الوقت الحاضر حوالي 15% إلى 20% فقط وبما أن شدة الإشعاع الشمسي منخفضة في البداية فإن التجمعات الضخمة والمكلفة لهذه الخلايا مطلوبة لإنتاج كميات معتدلة من الطاقة ونتيجة لذلك وجدت الخلايا الكهروضوئية التي تعمل على ضوء الشمس أو الضوء الاصطناعي حتى الآن استخدامًا فقط في التطبيقات منخفضة الطاقة مثلاً كمصادر طاقة للآلات الحاسبة والساعات. وقد تم استخدام وحدات أكبر لتوفير الطاقة لمضخات المياه وأنظمة الاتصالات في المناطق النائية والأقمار الصناعية الخاصة بالطقس والاتصالات.

تخزين الطاقة الشمسية

يتغير مستوى جمع الطاقة الشمسية حَسَبَ المناخ لذلك من الصعب توفير احتياجات الطاقة بشكل دائم، وبالتالي من الضروري وجود شكل من أشكال تخزين الطاقة لتوفيرها للاستخدام في الأوقات التي يكون فيها ضوء الشمس قليلًا أو منعدمًا. فيمكن تخزين الطاقة الكهربائية من الخلايا الكهروضوئية في بطاريات تخزين كهربائية، وفي الأنظمة التي تستخدم الطاقة المجمعة لتسخين السوائل يمكن تخزين السوائل مباشرة في خزانات معزولة أو يمكن نقل الطاقة إلى وَسَط تخزين آخر مثل طبقة من الصخور.

قدرات الطاقة الشمسية

إن إمكانات الطاقة الشمسية هائلة حيث تتلقى الأرض كل يوم طاقة شمسية حوالي 200000 ضعف إجمالي قدرة توليد الكهرباء في العالم. وعلى الرغم من أنها طاقة مجانية إلا أن التكلفة العالية لجمعها وتحويلها وتخزينها حدت من استغلال هذه الطاقة، ومع ذلك يقوم الباحثون بتجارب الطاقة الشمسية للكثير من المشاريع للاستفادة من هذه الطاقة، وأحد المشاريع التي تم اقتراحها للمستقبل هو استخدام محطات الطاقة الشمسية عبر الأقمار الصناعية لتزويد الأرض بالطاقة وفي هذا المشروع يقوم القمر الصناعي المجهز بألواح شمسية كبيرة بجمع الطاقة الشمسية باستمرار دون التأثر بالغلاف الجوي وبعد ذلك يتم تحويل الكهرباء إلى أفران ميكروويف ثم يتم بثها إلى الأرض حيث يتم تحويل طاقة الميكروويف مرة أخرى إلى كهرباء للتوزيع