الطاقة الشمسية ( Solar energy )
☰ جدول المحتويات
الطاقة الشمسية طاقة تطلقها الشمس، وتتألف من ضوء الشمس و حرارتها وأشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغنطيسي. ★ تَصَفح: الإشعاع. وتنتج الطاقة الشمسية التفاعلات النووية التي تحدث داخل الشمس. وترسل الشمس في كل 40 دقيقة كمية من الطاقة مساوية للطاقة التي يستهلكها جميع سكان الأرض خلال سنة كاملة. ويستخدم الناس جزءًا من الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض بصورة مباشرة. ويطور العلماء طرقاً جديدة لاستغلال الطاقة الشمسية واستخدامها عند الحاجة.
كيف تؤثر الطاقة الشمسية على الأرض
 |
 كيف تؤثر الطاقة الشمسية على الأرض |
تجعل الطاقة الشمسية مناخ الأرض في تغيّر مستمر. فعلى سبيل المثال، يحدث المطر عندما يتبخر الماء بوساطة حرارة الشمس، ثم يتكثف ويسقط مرة أخرى على الأرض. وتحدث الرياح بسبب أن أشعة الشمس أقوى عند خط الاستواء منها عند القطبين. ولذلك فهي تسخن الهواء في المناطق الاستوائية فيرتفع، مما يتيح الفرصة للهواء البارد من المناطق القطبية ليحلّ محله. وهذه التحركات تسبب تيارات هوائية تدور حول الأرض. وتتأثر هذه التيارات بدوران الأرض، وهيئة سطح اليابسة، واختلاف كمية الرطوبة في الجو. وبالطريقة نفسها تتكون تيارات المحيطات بوساطة الرياح وتدفئة الشمس للمياه الاستوائية مما يؤدي لسريان المياه القطبية الباردة تحتها.
الطاقة الشمسية المختزنة
يمكن النظر إلى التساقط والرياح وتيارات المحيطات جميعها على أنها طاقة شمسية مختزنة. ويصب كثير من المطر النازل على الأرض في الأنهار. وتجمع محطات القدرة الكهرومائية التي تُبنى على ضفاف الأنهار طاقة المياه المتحركة. ويستخدم الناس الرياح لتحريك المراكب الشراعية والطواحين الهوائية. ويمكن إنشاء مجموعة كبيرة من الطواحين الهوائية تسمى حقول الرياح لتوليد الكهرباء في المناطق التي تكون فيها الرياح مستقرة وقوية. ويطور العلماء والمهندسون طرقاً لاستخدام طاقة أمواج المحيطات، كما يقومون بدراسات للاستفادة من الطاقة الحرارية في مياه المحيطات.
والطاقة الشمسية مختزنة أيضًا في النباتات والحيوانات. ويمكن استخدام هذه الطاقة بعدّة طرق مختلفة. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تُحرق الأشجار كحطب للوقود. ويمكن تخمير الغلال كالذرة وقصب السكر لإنتاج الكحول، وهو وقود شبيه بالبترول. والنفط والفحم الحجري والغاز الطبيعي أنواع من الوقود تكوّنت من بقايا النباتات التي عاشت قبل ملايين السنين، لذلك فهي تحتوي على طاقة شمسية كانت مختزنة في الأرض منذ عهود بعيدة. وما لدينا من هذا الوقود يتضاءل بمرور الزمن. لذا فإن الناس يعملون على زيادة الاستخدام المباشر لطاقة الشمس.
أسر الطاقة الشمسية
اخترع الناس عدة طرق لاستخدام الطاقة الشمسية بصورة مباشرة. وتشمل هذه الاستخدامات، تسخين المياه، وتدفئة المباني وتبريدها، وتوليد الكهرباء وطبخ الطعام.
 |
كيف تسخن الطاقة الشمسية البيت |
التسخين الشمسي:
يسخن كثير من الناس في المناطق الدافئة الماء بسخانات دفعية بسيطة قليلة التكلفة. ويتألف السخان الدفعي بصورة رئيسية من صهريج معزول مع عدة طبقات من الزجاج تغطي جانب الصهريج المتجه نحو الجنوب. ويصبغ المصنعون الجزء الخارجي من الصهريج باللون الأسود، وذلك لأن اللون الأسود يمتص ضوء الشمس أكثر من الألوان الأخرى. وتحوّّل السطوح السوداء أشعة الشمس إلى حرارة تسخن المياه. ويمنع الزجاج الجزء الأكبر من الحرارة من التسرب من الصهريج. ويرتفع الماء الساخن إلى أعلى الصهريج ويسير من هناك مباشرة إلى الصنبور.وتُُستخدم نبائط تسمى المجمعات المستوية الألواح لتسخين الماء والهواء داخل المباني. ويتألف المجمع المستوي اللوح بصورة رئيسية، من صندوق معزول مغطى بطبقة واحدة أو عدة طبقات من الزجاج النظيف أو البلاستيك. وفي داخل الصندوق لوح من حديد أسود أو بلاستيك أسود. ويمتص اللوح أشعة الشمس ويحولها إلى حرارة تحبس تحت الزجاج. ويدور الهواء أو الماء أو سائل آخر خلال أنابيب ملتحمة مع اللوح ويمتص الحرارة من اللوح، ثم ينساب الماء الساخن إلى مبادل حراري حيث ينقل حرارته الى الماء. ويُخزن الماء الساخن في صهريج يُضخ منه إلى الصنابير في البيت.
وتستخدم مبانٍ عديدة أنظمة الطاقة الشمسية المنفعلة لتسخين الهواء. ولهذه المباني، في معظم الحالات، نوافذ واسعة باتجاه الجنوب لأسر الحرارة. وأثناء النهار يمر ضوء الشمس خلال هذه النوافذ ويسخّن الجدران والأرضيات المصنوعة من الحجر أو الطوب. وتطلق هذه الجدران والأرضيات الحرارة أثناء الليل. ويمكن تخزين مزيد من الحرارة بوضع الماء أو بعض المواد متغيرة الطور داخل الجدران. وتنصهر المواد متغيرة الطور عند درجة حرارة الغرفة تقريباً. وعند انصهارها، تخزن هذه المواد كميات كبيرة من الطاقة. ★ تَصَفح: الحرارة. وتطلق هذه المواد فيما بعد هذه الحرارة عندما تصبح صلبة مرة أخرى. وفي المباني التي تحتوي على أنظمة طاقة شمسية سلبية، تساعد الأغطية والستائر العازلة على حفظ الحرارة ومنعها من التسرب خلال الشبابيك أثناء الليل.
التكييف الشمسي:
تستخدم أغلب أنظمة التكييف الشمسي مجمّعات شمسية ومواد خاصة تسمى المجفّفات باستطاعتها أن تمتص كميات كبيرة من الماء. وتبدأ عملية التكييف عندما تدفع المراوح الهواء من الخارج خلال المجفّفات التي تزيل الرطوبة من الهواء. ويسير بعدها الهواء خلال عجلة دوارة تعمل كمبادل حراري يزيل الحرارة. ويمر الهواء بعدها فوق سطح مبلل بالماء. وعندما يلامس الماء الهواء الجاف يتبخر ويمتص مزيداً من الحرارة من الهواء. ويمرّ الهواء البارد خلال المبنى، وعندما يغادر الهواء المبنى يسخنه المجّمع الشمسي مرة أخرى. ويُجفِّف المجفف بدفع الهواء الساخن خلاله مرة أخرى، وتبدأ العملية من جديد. |
منشأة للقدرة الشمسية تستخدم المرايا لتركيز أشعة الشمس وعكسها. يُسخن ضوء الشمس المنعكس الماء لإنتاج البخار الذي بدوره يدير التوربينات التي تولد الكهرباء. أما المرايا المقوسة التي تظهر في الصورة فتعمل على توجيه ضوء الشمس إلى الاسطوانات المركبة فوقها. تسري المياه عبر الأنابيب إلى داخل الاسطوانات ويخرج البخار والماء الساخن منها. وقد تستخدم مئات المرايا في منشآت القدرة الشمسية. |
إنتاج الكهرباء:
يمكن استخدام الطاقة الشمسية المباشرة لتوليد كهرباء. ويُستخدم نوعان أساسيان من النبائط لهذا الغرض هما الخلايا الضوئية ومجمّعات الحرارة العالية.الخلايا الضوئية الفلطية. وتسمى كذلك الخلايا الشمسية. تتألف من شرائح رقيقة من مواد شبه موصلة. ★ تَصَفح: شبه الموصل. عندما تسطع الشمس على الخلايا الضوئية الفلطية، فإن هذه الخلايا تغيّر جزءاً من الطاقة الشمسية الساقطة عليها إلى طاقة كهربائية. ويمكن استخدام صف من هذه الخلايا لتشغيل الأجهزة الإلكترونية. وتُستخدم الخلايا الضوئية في معظم الأقمار الصناعية وفي بعض الحاسبات الإلكترونية.
مجمعات الحرارة العالية.وتسمى أيضاً الأفران الشمسية. تولد هذه المجمّعات كميات كبيرة من الكهرباء. وفي أحد أنواع مجمعات الحرارة العالية، يركِّز عدد كبير من المرايا المسطحة أو المنحنية قليلاً أشعة الشمس على هدف، مثل قطعة فلزية. ويُضخّ سائل مثل الماء، داخل الهدف حيث يسخن. ويحمل البخار أو الغاز الناتج من تسخين السائل الطاقة الحرارية إلى التوربينات التي تولد الكهرباء.
الطبخ الشمسي:
يتم الطبخ الشمسي باستخدام عاكسات مكافئية الشكل (على شكل صحن) لتركيز أشعة الشمس على الطعام أو على القدر الذي يحتوي عليه. ويمكن كذلك استخدام الفرن الشمسي وهو صندوق معزول يحتوي على نافذة وعدة سطوح عاكسة داخلية. ويسخن الفرن عندما توضع النافذة باتجّاه الشمس.نبذة تاريخية
 |
أستراليا متقدمة جدًا في استخدام الطاقة الشمسية حيث يقوم مجمّع أشعة الشمس بمنطقة هوايت كليف، بنيوساوث ويلز بمدها بالطاقة لتوليد الكهرباء للمدينة. |
وتطورت مجمعات اللوحات المستوية الحديثة من التجارب الأولية على الصناديق الحارة. وبنى العالم السويسري هورس بيندكت دي سوسير أول صندوق حراري في سنة 1767م، مستخدماً صندوقاً خشبياً مغطى بالزجاج، مع عازل من الفلين، لتجميع ضوء الشمس. وطوّر المهندس الأمريكي ويليم ج. بيلي أول مجمع لوحي مسطح حديث في كاليفورنيا سنة 1909م.
وفي سنة 1940م، بنى المهندس المعماري الأمريكي جورج فرد كيك أول بيت شمسي سلبي في إحدى ضواحي مدينة شيكاغو، وغطى الجزء الأكبر من الجدار الجنوبي بنوافذ مصنوعة من طبقتين من الزجاج بينهما طبقة رقيقة من الهواء محبوسة بإحكام. وفي عام 1954م، صنع مهندسو معامل بل للهاتف خلية ضوئية فلطية ذات كفاءة عالية.
وخلال السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين الميلادي، أدى النقص في البترول والغاز الطبيعي إلى تطوير تقنية الخلايا ذات الكفاءة الأفضل. وفي بعض مناطق العالم أصبحت البيوت الشمسية الجديدة بديلاً اقتصادياً عن البيوت التي تدفأ بوساطة الغاز أو الكهرباء. يعتقد المختصون أن استخدام الناس للطاقة الشمسية المباشرة في زيادة مطردة. وإنتاج الأجهزة الشمسية بالجملة وتطوير أجهزة أفضل، سوف يحسِّن باطراد الميزات الاقتصادية لاستخدام الطاقة الشمسية المباشرة.
★ تَصَفح أيضًا: البيوت المحمية.