بحث عن الطاقة الشمسية

 الشّمس

الشّمس أو قلب المجموعة الشمسية وهي النّجم الأقرب إلى الأرض والتي تقّدر ب 26000 سنة ضوئية ويقدّر عُمر هذا النّجم ب 4.5 مليار سنة، تعتبر الجاذبية الضخمة الموجودة في الشّمس مسؤولة عن ثبات المجموعة الشمسية بحيث تثبّت كل مكونات المجموعة الشمسية من الكواكب الكبيرة وإلى الأجزاء الصغيرة كلٍ في مدارِه.

الطاقة الشمسية

الطاقة الشّمسية أو ما يسمّى بالإشعاع الشمسيّ، وهي الطاقة المنبعثة من أشعّة الشّمس بشكلٍ رئيسيّ على شكل حرارة وضوء وهي نتاج التفاعلات النووية داخل النجم الأقرب إلينا وهو الشّمس، ولهذه الطاقة أهمية كبيرة في الكرة الأرضية والكائنات الحية الموجودة على سطحها وتعتبر كمية هذه الطاقة الناتجة تفوق بكثير متطلّبات الطاقة الحالية في العالم بشكل عام، وإذا تم تسخيرها واستغلالها بشكلٍ مناسب فقد تلبي جميع احتياجات الطاقة المستقبلية.

تعريف الطاقة الشمسية

تُعرف الطاقة الشمسية بأنّها الطاقة الناتجة عن تحويل أشعة الشمس إلى كهرباء عن طريق استخدام الخلايا الشمسية الكهروضوئية، وتُعدّ إحدى أهم مصادر الطاقة المتجددة، والأسرع نمواً من بينها؛ حيث تَعِد بمستقبل واعد في توفير الطاقة للاستعمالات المختلفة.

يتلقّى كل موقع على الأرض كمية من ضوء الشمس على مدار العام، إلّا أنّ كمية الإشعاع الشمسي التي تتلقاها بقعة واحدة تختلف من مكان إلى آخر على سطح الأرض، وتُسمى تلك الكمية الإشعاع الشمسي الذي يُعرف أيضاً بالإشعاع الكهروضوئي؛ حيث ينبعث من الشمس على شكل ضوء تلتقطه تقنيات الطاقة الشمسية، وتحوله إلى أشكال مفيدة من الطاقة.

أهمية الطاقة الشمسية

تكمن أهمية الطاقة الشمسية بدايةً بأن أشعة الشّمس سهّلت عمليات التطور في الكائنات الحية وهي المسؤولة عن عمليات البناء الضوئي في النباتات لإنتاج الغذاء والكتلة الحيوية بالإضافة إلى دور هذه الأشعة في الطاقة المائية وطاقة الرياح.وأيضاً هنالك أهمية كبيرة للطاقة الشمسية في زراعة الأرض وإنتاج ونمو المحاصيل وتجفيف الطعام لمنعه من التلف بالإضافة إلى استخدام البيوت البلاستيكية لرفع الحرارة.إضافة إلى ذلك تعتبر الطاقة الشّمسية هي المسؤولة عن ما يسمى بمجموعة مصادر الطاقة المتجددة وأهمها، ومن الملاحظ زياده أهمية الطاقة الشمسية كمصدر من مصادر الطاقة المتجددة لأنها لا تتناقص وذي طابع غير ملوث، في الوقت الذي أصبح فيه تناقص ملحوظ في مستويات الوقود الأحفوري والنفط والفحم وبالإضافة إلى الغاز الطبيعي.

مجالات استخدام الطاقة الشمسية

أنظمة الطاقة الكهروضوئية

تُعتبر أنظمة الطاقة الكهروضوئية من أكثر طرق استخدام الطاقة الشمسية شيوعاً، وتُعرف أيضاً بأنظمة الخلايا الشمسية وهي تُنتج الكهرباء مباشرةً من ضوء الشمس، عندما تتعرض الألواح الشمسية لأشعة الشمس، تقوم هذه الخلايا بامتصاص الطاقة من ضوء الشمس، وتولد هذه الطاقة شحنات كهربائية تتحرك استجابة لمجال كهربائي داخلي في الخلايا مما يؤدي إلى تدفق الكهرباء.[٢]

يتكون هذا النظام من خلايا شمسية مصنوعة من مواد شبه موصلة، وعندما تتعرض هذه المواد إلى أشعة الشمس، فإنّ الطاقة الشمسية تُحفّز الإلكترونات الموجودة في ذرات هذه المواد للابتعاد عن الأنوية؛ مما يتسبب في حركتها خلال المادة شبه الموصلة، وبالتالي توليد الكهرباء التي يُمكن استخدامها مباشرةً أو تخزينها في بطاريات، وتُسمى عملية تحويل أشعة الشمس (الفوتونات) إلى كهرباء (فولتية) بعملية التأثير الكهروضوئي.

تطبيقات استغلال الطاقة الشمسية

يوجد عدد كبيرمن التطبيقات على استغلال الطاقة الشمسية في حياتنا منها القديمة والحديثة التي تواكب تكنولوجيا العصر، ومن أشهرها:

• تطبيقات قديمة:
  • توجيه البيوت ونوافذها باتجاه أشعة الشمس، بحيث يستفاد من الضّوء والحرارة في المنازل، بالإضافة إلى اختيار نوع المواد في البناء بحيث تكون قادرة على امتصاص وتخزين الحرارة.
  • الزراعة في البيوت البلاستيكية أو الحرارية، حيث تقوم بتحويل أشعة الشّمس إلى طاقة حرارية، والتي أسهمت في تسهيل عملية زراعة ونمو النباتات في غير موسمها.
  • الطبخ باستخدام الطّباخ الشمسي، وهو عبارة عن صندوق يتم فيه جمع أشعة الشّمس واستغلال حرارتها في طبخ الطّعام، حيث صنع لأول مرة سنة 1767 من قبل الفيزيائي السويسري .
  • تعقيم الأدوات، ذُكر أنه في بعض المناطق كان يُستخدم طباخ شمسي معدل ومتخصص لغرض تعقيم الأدوات الطبية في العيادات.
  • التسخين باستخدام السّخان الشمسي، الذي يَستَغل الأشعة الشمسية ويستخدمها لتسخين المياه في المنازل والمباني عن طريق نظام متخصص من الألواح الشمسية والمثبت على أسطح المباني.
  • تعقيم المياة، ذكرت الدراسات أنه عند تعرض المياه لعدة ساعات لأشعة الشّمس يقلّل وجود البكتيريا والفيروسات والطفيليات الموجودة فيها، حيث أن هنالك أكثر من 2 مليون شخص في الدول النامية يستخدمون هذه الطريقة يومياً.
• التطبيقات الحديثة: عملية توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية وأشهر طريقتين لتوليدها:
  • الخلايا الشّمسية، والتي تحوّل أشعه الشّمس إلى كهرباء مباشرةً، تعتبر كمية الطاقة المولّدة في الخلية الواحدة قليلة نسبياً لذلك من الضروري جمع عدد كبير من الخلايا معاً كالموجودة في الألواح الشمسية على أسطح المباني لتوليد الطاقة الكافية، واستُخدم هذا النوع من الخلايا في الأقمار الصناعية وشبكات الاتصال على مستوى الفضاء، وعلى مستوى الأرض فقد استخدمت هذه الخلايا في الآلات الحاسبة والساعات والمنازل والمباني التجارية وحتى الملاعب، حيث بني ملعب Kaohsiung World Stadium في تايوان عام 2009 وتم استخدام 8800 لوح شمسي في أعلى الملعب.
  • تكنولوجيا تركيز الطاقة الشمسية، تستخدم هنا حرارة الشمس بدلاً من الأشعة كما في الخلايا الشمسية، بحيث يوجد مجموعة عدسات أو مرايا تركز الضوء من الشمس على شكل شعاع يستخدم لجعل سخان مياه يبدأ بالعمل والذي بدوره ينتج بخار يحفز توربينات للبدء في إنتاج الكهرباء.

مميزات الكهرباء الناتجة من الطاقة الشّمسية

هنالك العديد من المميزات والإيجابيات التي تمتاز فيها الطاقة الشمسية والكهرباء المولدة منها، ومن أهمها:

• كلفة إنتاج وتوليد الطاقة منخفضة.
• ضمان التخلّص من ارتفاع أسعار الكهرباء لأصحاب البيوت.
• مصدر طاقة متجدد ودائم حيث قدرت وكالة ناسا بأن الشمس ستستمر بالإشعاع لمدة 6.5 مليار سنة.
• تعتبر صديقة للبيئة فهي غير مسببة للتلوث.
• الإشعاع متاح جغرافياً بشكل واسع.
• تقليل تكلفة الكهرباء المستهلكة (حيث يمكن لمالكي البيوت بيع الفائض عن حاجتهم بعد إنتاج الطاقة).
• استخدام الألواح الشمسية الجماعيه يقلل ويتغلب على مشاكل التثبيت والتركيب الفردي لكل منزل.
• قلّة الأجزاء المتحركة فبالتالي قلّة الحاجة للصيانة بالمقارنة مع الطاقة اللمولدة من الرياح.
• الدعم المادي من الحكومات والبلدان.

أنظمة الطاقة الشمسية المركزة

تعتمد أنظمة الطاقة الشمسية المُركَّزة على استخدام المرايا والعدسات لتركيز كمية كبيرة من ضوء الشمس على منطقة صغيرة، ثمّ تُحوّل الطاقة الشمسية إلى حرارة، ويتكون نظام الطاقة الشمسية المركزة من 3 وحدات رئيسية، وهي كما يأتي:

• المجال الشمسي: يحوّل المجال الشمسي الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية.
• خزان الحرارة: يعمل على تخزين الطاقة الحرارية باستخدام الملح المصهور كوسيط لتخزين الحرارة.
• وحدة إنتاج الطاقة: تُولّد الطاقة الكهربائية في هذه الوحدة باستخدام توربينات بخارية تعمل على البخار الناتج من الطاقة الشمسية.

أشهر استخدامات منزلية للطاقة الشمسية

بعد البدء باستخدام تطبيقات الطاقة الشمسية ومع توافقها مع التكنولوجيا الحديثة تم استخدامها في المنازل في عدة أشكال ومن أشهرها:

• مراوح التهوية الخارجية المعتمدة على الشمس.
• التسخين الشمسي لبرك السباحة عن طريق استخدام نظام تسخين شمسي خاص.
• أنظمة التسخين الشمسي لمياه المنازل.
• أنظمة التسخين الشّمسي لاستخدامه في التدفئة المنزلية.
• مضخات المياه المنزلية عن طريق احتوائها على ألواح شمسية صغيرة.
• شحن البطاريات عن طريق الطاقة الشمسية.
• تغذية المنزل بالكهرباء عن طريق الألواح الشمسية.
• الطبخ باستخدام الطّباخ الشّمسي والمعتمد على أشعة الشّمس والطّاقة الشّمسية.
• الإضاءة الخارجية، كالإضاءة في الحديقة والأماكن البعيدة عن كهرباء المنزل فيمكن استخدام ألواح الطاقة الشمسية لتزويدها بالكهرباء.

معيقات استخدام الطاقة الشمسية

 يُوجد هناك الكثير من الأسباب للتحول إلى خيار استخدام مصادر الطاقة المتجددة كبديل عن المصادر التقليدية، ولكن هناك بعض المعيقات التي لا تُمكّن العالم من الاعتماد عليها بشكل رئيسي، ومنها ما يأتي:

• تكلفة الإنشاء الأولية: تعتمد تكلفة إنشاء نظام للطاقة الشمسية على الموقع، وعدد الألواح المطلوبة، ومتطلبات التركيب، ورسوم العمالة، وغيرها، وتكون هذه التكلفة عالية؛ بالتالي لا تستطيع بعض الأسر تحملها دون اللجوء للقروض.
• الاستخدام الليلي: تحتاج أنظمة الطاقة الشمسية إلى الشمس لكي تعمل، لذلك في الليل لا تستطيع هذه الأنظمة توليد الكهرباء، ويحتاج الشخص إلى الاعتماد على مصادر أخرى للحصول على الطاقة، ومن الجدير بالذكر أنّ بعض أنظمة الألواح الشمسية تحتوي على بطاريات احتياطية إلا أنّها اختيارية، ولا تأتي مع جميع الأنظمة.
• الحاجة إلى مساحة: تحتاج الألواح الشمسية إلى مساحةٍ لتركيبها، وكلما زاد حجم الاستهلاك المطلوب زادت المساحة اللازمة لتركيب نظام الطاقة الشمسية.
• الموقع: تختلف شدة وتُوفر الشمس من مكان لآخر، ففي بعض أجزاء العالم لا تظهر الشمس لعدة أيام في فصل الشتاء؛ الأمر الذي يُؤدّي إلى التعرّض لمشكلة عدم القدرة على التزوّد بالكهرباء لمن يعتمد على الطاقة الشمسية، كما يُؤثّر كسوف الشمس أيضاً على مولدات الطاقة الشمسية.