معلومات عن الطاقة الشمسية

معلومات عن الطاقة الشمسية - معلومات الطاقة الشمسية - الطاقة الشمسية معلومات 

الطاقة الشمسية الإشعاعية الحرارية ( التشميس )

أهمية الطاقة الشمسية الإشعاعية الحرارية :

لا يخفى على أحد ما للطاقة الشمسية الإشعاعية من أهمية عظيمة مباشرة وغير مباشرة في مختلف العمليات الحيوية والفيزيائية المولدة لكافة أنواع الحياة على سطح الأرض والعمليات التي تحافظ على استمرارها. ولولاها لتجمد سطح الأرض وانعدمت الحياة عليه وأصبح كوكباً بارداًَ ميتاً.

ولا شك في أن من أهم هذه العمليات تلك التي تحول هذه الطاقة إلى منتجات بيولوجية مفيدة متمثلة في المحاصيل الغذائية والوقود. فسلاسل الغذاء، مهما كانت طويلة ومعقدة تعود في جذورها إلى امتصاص خلايا النبات الخضراء الطاقة الشمسية الإشعاعية واستخدامها في بناء أنسجتها خلال عملية التمثيل الضوئي، وما الوقود المستحاث ( الأحفوري ) من فحم وبترول، وحطب إلا طاقة شمسية إشعاعية مخزونة تتحرر خلال عمليات الاحتراق.

أما من وجهة النظر المناخية، فالطاقة الشمسية الإشعاعية هي المولد الرئيسي لعناصر الطقس والمناخ كافة فلولاها ما تسخن سطح الأرض ولا الهواء، ولتوقف تدفق الرياح وتبخر المياه وهطول الأمطار، وتوقف جريان المياه في الأنهار. إنها القوة المحركة لنظام دورة الغلاف الجوي ومياه البحار والمحيطات، وبالتالي فإنها المحرك لعمليات نقل بخار الماء والطاقة الحرارية وتبادلها بين المناطق والأقاليم على سطح الأرض. ولذلك فإنها بما يعتريها من تحولات وتباينات مكانية وزمنية تعمل بشكل مباشر على تكوين حالات الطقس والمناخ المتنوعة على سطح الأرض.

تعد الشمس بحق المصدر الوحيد للطاقة الحرارية الواصلة إلى سطح الأرض. ولا شك في أن النجوم والقمر والكواكب الأخرى تطلق طاقة حرارية إشعاعية, وكذلك تفعل الأرض, إذ تنطلق طاقة حرارية من باطنها تعرف بالحرارة الأرضية ( geothermal )، ولكن أشكال هذه الطاقة جميعها ضئيلة جداً ومهملة تماماً إذا ما وازنّاها بما يصل سطح الأرض من طاقة شمسية إشعاعية. ويعود ذلك أولاً إلى البعد الشاسع الفاصل بين الأرض والنجوم الأخرى التي نراها تسطع في السماء, إذ يقع أقرب نجم إلى الأرض بعد الشمس، ذلك المعروف بمجموعة ( اُلفاسينتاري alpha centori ) المكونة من ثلاثة نجوم تدور حول بعضها البعض, على بعد يناهز 3,4 سنة ضوئية منها (1), أي ما يعادل 40.7×¹²10 كم, وهذا ما يزيد عن 260.000 ضعف المسافة بين الأرض والشمس, ويقل التدفق الحراري الأرضي عن 10^-5 من الطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض، ويقل ما يشعه القمر عندما يكون بدراً كثيراً عن ذلك.

الشمس :

أوردت العديد من الدراسات ( 2، 3، 4، 5، 6، 7، 8 ، 9 ) معلومات مستفيضة حول بنية الشمس وتركيبها، استقتها من قياسات ومشاهدات قامت بها التوابع الاصطناعية مثل " سكاي لاب " ( مخبر السماء sky lab  ) و( نمبوس nimbus7 ) و(هابيل  ( habelوغيرها من التوابع والدراسات التي قامت بها وكالة الفضاء الوطنية الأمريكية (Nasa  ) حول الشمس. وبينت, أن الشمس نجم متوسط الحجم, مكون من كرة هائلة ملتهبة تبلغ درجة حرارة سطحها حوالي 6000 ْ مئوية ( 6300^ه كالفانية) ويبلغ طول قرص قطرها المرئي 1391׳10 كم , أي ما يعادل 110 ضعف طول قطر الأرض تقريباً، وتزيد كتلتها عن 1998ײ⁴10 طن, أي ما يعادل 333׳10 كتلة الأرض البالغة 6ײ¹10 طن.

تتمركز الشمس في وسط المجموعة الشمسية، وتبعد عن الأرض بحوالي 149.6×⁶10 كم وسطياَ (1) أو ما يعادل واحدة فلكية "Astronomical Unit " (25ص 3 ). ويظهر قرصها المرئي من سطح الأرض محصوراً في زاوية صغيرة جداً تتراوح بين30 َ – 32 َ. وتدور حول محورها دورة واحدة كل أربع أسابيع تقريباً، لكنها لا تدور كما تدور الأجسام الصلبة إذ تتفاوت دورتها حول محورها بين 27 يوم عند خط استوائها و30 يوم عند قطبيها.

 بنية الشمس:

بينت الدراسات، استناداً إلى التباينات في الكثافة والضغط ودرجة الحرارة السائدة خلال الشمس، إن الشمس تتكون من عدة طبقات متميزة عن بعضها البعض، كما هو موضح في الشكل ( 1 ) ، وهي:

1ـ النواة ( core ):

يقدر طول نصف قطر نواة الشمس بحوالي 23%-28.8% (159.95 ׳10-200׳10 كم ) من نصف قطرها الكلي وتحتوي على ما يزيد عن40% من كتلتها و15% من حجمها، وتزيد كثافتها عن 10^ه- 1.35×10^ه كغ/ م ،ويتولد خلالها ما يزيد عن 90% من الطاقة الشمسية الحرارية الناتجة عن التفاعلات الذرية التي تندمج خلالها ذرات الهدرجين ( H ) متحولة إلى هليوم ( He )  وطاقة. ويعتقد أن معظم الأشعة فيها مكوناً من الأشعة السينية ( X ) ومن أشعة غاما ( γ ) ، وتقدر درجة حرارتها في مركزها بين 15×⁶10-20×⁶10 درجة كالفانية، وبنحو 7×⁶10-8×⁶10 درجة كلفانية عند أطرافها، ويقدر الضغط فيها بين⁶10- 22 ×⁶10 بار.

2 ـ الغلاف الإشعاعي (Radiative Zone):

 تحتل سماكة هذا الغلاف حوالي47% ( 326.9 ׳10 كم ) من نصف قطر الشمس. وتقل الكثافة خلاله تدريجياً حتى تبلغ عند أطرافه حوالي 70-120كغ/ م3. وتصل درجة حرارته إلى حوالي ⁶10 درجة كالفانية. وخلاله تشع الطاقة الشمسية نحو سطح الأرض.

3 ـ الغلاف الحملاني (Convective Zone):

تشغل سماكة هذا الغلاف حوالي 30% (208.7 ׳10 كم ) من نصف قطر الشمس وتتناقص كثافته إلى حوالي 10^-4كغ/ م3 ويصل الضغط فيه إلى أقل من 10^-2 بار عند حده الخارجي، تسود خلاله تيارات حملا نية حرارية تنقل الطاقة الشمسية إلى سطح الشمس.

4 ـ الغلاف المرئي "فوتوسفير" (Photosphere  ):

يشكل غلاف فوتوسفير الحد الخارجي للغلاف الحملاني، وفي الوقت نفسه يشكل سطح الشمس المرئي ذو اللون الفضي اللامع. ويعرف أحياناً بالغلاف الضوئي (light Sphere of)، وتبلغ سماكته عدة كيلو مترات، وهو المصدر الرئيسي للطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إلى سطح الأرض, وتناهز درجة حرارته 6000 ْ كالفانية وتقل كثافته عند الحد الخارجي عن 10 كغ/ م3.

يظهر الفتوسفير مبرغلاًً ، تغطية خلايا حرارية حبيبية لامعة (Granules) غير منتظمة تمثل قمم التيارات والفورانات الحملانية الجارية خلال الغلاف الحملاني، تتراوح أقطارها بين 1000-3000 كم، ولا تزيد مدة بقاء كل منها عن بضع دقائق. وعلى الرغم من تشكل الفوتوسفير من غازات ضئيلة الكثافة فإن حده الخارجي محدد بوضوح، فالغازات المكونة له شديد التأين تمكنه من التصرف كجسم كتيم للأشعة قادر على امتصاص وإطلاق الأشعة الشمسية باستمرار.

وتعد البقع الشمسية (Sunspots ) من المظاهر الهامة التي تعتري سطح الفوتوسفير، وتعرف أيضاً بالكلف الشمسي وتعرف أحياناً بالمسامات (Pores ). وهي بقع داكنة اللون نسبياً، لانخفاض درجة حرارتها عما حولها بحوالي 1000 ^ه -1500 ^ه مئوية، إذ تقدر درجة حرارتها بين4000 ْ- 4500 ْ كالفانية. ولا تتعدى مساحتها مساحة الخلايا الحملانية، لكن تتراوح أطوال أقطار الكبيرة منها بين ⁴10- ⁵10 كم ، ويمكن مشاهدتها عند الغروب بالعين المجردة. ويحيط بالبقع الشمسية خلايا حرارية (Faculae ) لها نفس أبعادها لكنها أشد حرارة منها ولمعاناً ويشتد خلالها الإشعاع الشمسي ويتعاظم ليعوض النقص في الإشعاع الحاصل عند تكاثر البقع الشمسية.

تدوم البقع الشمسية عدة أيام، وتختلف أعدادها وفقاً لدورات زمنية منتظمة تتكرر كل 11 سنة وسطياً وبعضها يصل إلى 22 و89 وحتى 178 سنة. تتميز البقع الشمسية بقوة حقولها المغناطيسية, وبكونها مراكز للأقاليم المضطربة والناشطة على سطح الشمس. وتؤدي حتماً إلى اضطراب في الغلاف المغناطيسي الأرضي.

5 ـ (Reversing Layer ):

تمثل هذه الطبقة الطبقة الأولى من الغلاف الجوي الشمسي,  تتكون من غازات شفافة, تبلغ سماكتها حوالي 560 كم فوق الفوتوسفير, وتقل درجة حرارتها إلى حوالي 4200 ْ كالفانية، ولا تلاحظ إلا في أوقات كسوف الشمس الكلي أو باستخدام أدوات تحجب قرص الشمس.

يلاحظ خلال الطبقة الانقلابية خطوط غامقة اللون, تعرف بخطوط فرون هوفر ( Fraunhofer Lines) نسبة للعالم الألماني جوزيف فرون هوفر الذي اكتشفها. وتشكل هذه الطبقة نطاقاً انتقالياً بين الفوتوسفير وغلاف كروموسفير التالي.

6 ـ طبقة كروموسفير( Chromosphere):

تظهر طبقة كروموسفير فوق الطبقة الانقلابية على شكل هالة تحيط بالشمس تعرف أحياناً بالطبقة الملونة (Colorsphere ) تناهز سماكتها 1000 كم, متكونة من غازات ضئيلة الكثافة من شوارد الهدرجين والكالسيوم (Ca  ), وتتزايد درجة حرارتها تدريجياً باتجاه الخارج من 5000 ْ كالفانية عند قاعدتها إلى حوالي 20.000 ْ  كالفانية عند قمتها. وتمثل كروموسفير الطبقة الثانية من الغلاف الجوي الشمسي. ولا يمكن مشاهدتها إلا في أوقات الخسوف الشمسي فقط.

 وبين الوقت والآخر تثور خلال كروموسفير فورانات أو إندلاعات شمسية (  Flares) تصل ارتفاعها آلاف الكيلومترات. و عادة يزيد عددها عن 100 إندلاع يومياً، تتخللها عدة إندلاعات عظيمة (Prominences ) تحدث سنوياً. تعد هذه الإندلاعات مصدراً لتدفقات شديدة من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية ومختلف أطياف الأشعة، يصاحبها فيض عظيم من البلازما الشمسية المشحونة بطاقة كهربائية كبيرة، ويذكر أنه في يوم 12 أيار / مايو من عام 1980 حدث اندلاع عظيم دام حوالي 40 دقيقة غطى مساحة تقدر بنحو 2.5×10 ⁹ كم2 من سطح الشمس (7).

7 ـ طبقة كورونا ( Corona):

تقع الكرونا فوق طبقة الكروموسفير, مشكلة الطبقة الخارجية للغلاف الجوي الشمسي. ولا يمكن مشاهدتها أيضاً إلا في أوقات كسوف الشمس الكامل. وتتكون من البلازما الشمسية أو ما يعرف بالرياح الشمسية (Solar Wind ). وهي أقل كثافة من الكروموسفير, تتألف من 91.3% بروتونات و8.7% ذرات هيليوم متأنية تصاحبها إلكترونات وأنواع مختلفة من الأشعة الشمسية. تتراوح درجة حرارتها بين 10 ⁶-2×10 ⁶ درجة كلفانية (7), تنطلق الرياح الشمسية بسرعة هائلة تزيد عن 500 كم/ثا, وتزيد عن ذلك في أوقات الإندلاعات الشمسية الحاصلة من طبقة كروموسفير. تنتشر الكرونا خلال مساحات شاسعة في الفضاء الكوني متعدية حدود المجموعة الشمسية. ويعرف الحد الذي تصل إليه بالحد الشمسي.

والحقيقة فإن الأرض تقع في الأجزاء الخارجية من الغلاف الجوي الشمسي, ولذلك يدخل الغلاف المغناطيسي الأرضي في صراع دائم مع الرياح الشمسية التي تضغط عليه باستمرار لكنه يتمكن من صدها ومنعها من الوصول إلى سطح الأرض.

تشكل الطاقة الحرارية وطرق انتقالها:

تتولد الطاقة الحرارية في بادئ الأمر, عندما تمتص الأشياء, مهما كان نوعها. الطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إليها على شكل أمواج كهرومغناطيسية وتحولها إلى طاقة حرارية تخزنها في داخلها فتزيد درجة حرارتها ثم تعود وتطلقها مرة أخرى والأمر نفسه يحدث عندما نعرض أنفسنا إلى نار المدفاة, فعندما تمتص أجسامنا الأمواج الكهرومغناطيسية.

عمليات الإشعاع ونقل الطاقة الحرارية وتبادلها عند سطح الأرض:

عندما تصل الطاقة الشمسية الإشعاعية تحملها فوتونات أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية من سطح الشمس عبر الفضاء إلى الأرض تدخل في عمليات عديدة من التحولات والتبدلات, تبدأ بامتصاص سطح الأرض والغلاف الجوي والأشياء والأجسام فيهما لهذه الطاقة, ومن ثم إشعاعها مرة أخرى لبعضها البعض وتتبادلها فيما بينها.

إذن عند دراسة عمليات الإشعاع الجاري على سطح الأرض وفي الغلاف الجوي, علينا إدراك وجود نوعين من الطاقة الإشعاعية وهما:

1-   الطاقة الشمسية الإشعاعية والتي تشكل المصدر الأساسي لكل الطاقة الواصلة إلينا بمختلف أشكالها.

2- الطاقة الأرضية الإشعاعية بما فيها طاقة الغلاف الجوي الإشعاعية والتي هي أصلاً طاقة مستمدة من الطاقة الشمسية الإشعاعية بالإضافة إلى الطاقة التي تشعها الأجسام والأشياء إلى بعضها البعض, وعلينا أن ندرك أيضاً أن العمليات المتحكمة بالعلاقة بين أنواع الطاقة الإشعاعية كثيرة ومعقدة ومتشابكة, لذلك علينا أن نوجه اهتمامنا إلى تلك العمليات المؤدية إلى تشكل ظواهر الطقس والمناخ على سطح الأرض وطرق تصرفها, والقوانين الضابطة لها والتي تمكن من قياسها كمياً, وقبل كل شيء علينا توضيح بعضا لمفاهيم المتعلقة بهذا الموضوع.

الإشعاع:

يعرف الإشعاع بزنه "عملية نقل الطاقة بواسطة فوتونات الأمواج الكهرومغناطيسية دون الحاجة إلى وسيط أو تماس مع المصدر المشع", وهذه العملية التي تصلنا بواسطتها الطاقة الإشعاعية الشمسية, مع ذلك علينا أن نعلم أن سطع الأرض والغلاف الجوي وأجسامنا وكل الأشياء التي حولنا مهما كانت صغيرة أو كبيرة ومهما كان تركيبها الفيزيائي والكيميائي, ومهما كانت باردة تشع طاقة إشعاعية (Radiant Energy ) تتناسب طرداً مع درجة حرارتها شريطة أن لا تهبط درجة حرارتها إلى دون

-273.15 مئوية أما ما يعرف بالصفر المطلق, فكلما زادت درجة حرارتها عن هذه الدرجة كلما زادت طاقتها الإشعاعية.

هذه الحقيقة توصلنا إليها كل من العالمين جوزيف ستيفان(Josif Stefan, 1835-1893 م) ولودوبج بولتزمان (Ludwig Boltzman 1844-1906 م )في أواخر القرن التاسع عشر, وعرفت بقانون ستيفان بولتزمان نسبة لهما.

الاستشعار وامتصاص الطاقة الإشعاعية:

عندما تسقط أمواج الطاقة الإشعاعية الكهرومغناطيسية المنبعثة من الشمس على سطح الأرض وعلى غلافها الجوي وعلى كل الأشياء, تقوم هذه الأشياء يقوم هذه الأشياء بامتصاصها وتحميلها إلى طاقة داخلية Internal Energy)) (3ص 48-55), وخاصة طاقة حرارية تزيد من درجة حرارتها, فتعود وتشعها مرة أخرى على شكل أمواج كهرومغناطيسية إلى ما حولها.

إذن فإن الأشياء عندما تتعرض إلى الطاقة الشمسية الإشعاعية أو الطاقة الإشعاعية التي تشعها الأشياء من حولها وتمتصها فإنها تقوم بعملية (استشعاع) وعندما تقوم بإطلاقها فإنها تقوم بعملية (إشعاع), ويبدو واضحاً أنه كلما ازدادت قدرتها على الإستشعاع وكمية الطاقة الإشعاعية الممتصة كلما تسخنت الأشياء وازدادت قدرتها على الإشعاع, كما ويبدو واضحاً أيضاً أن الأشياء التي تمتص أو تستشع طاقة إشعاعية أكبر مما تشعه فإنها ستسخن, واذا شعت طاقة إشعاعية أكثر مما تستشع فإنها تبرد, وإذا كان مقدار ما تشعهمن طاقة إشعاعية مساوية لما تستشعه فإن درجة حرارتها تظل ثابتة وتكون هذه الأشياء في حالة توازن إشعاعي(  Radiation Equilbrium), وهذا ما يفسر لنا الحالة الطبيعية الإشعاعية لكل الأشياء حولنا بما فيها الشمس, فقد لاحظنا فيما تقدم أنه عندما يشع سطح الشمس (الفوتوسفير) طاقة إشعاعية فإنه في الوقت نفسه يمتص طاقة حرارية تتولد في نواتها معادلة لم يشعه, ومن خلال خبراتنا اليومية نلاحظ أيضاً أن جميع الأجسام والأشياء حولنا تحافظ على توازنها الإشعاعي مع محيطها المتواجد فيه, وفي حالة اكتساب بعضها طاقة إشعاعية إضافية فإنها تسعى إلى إشعاعها والعودة إلى حالة توازنها الإشعاعي, والأمثلة على ذلك كثيرة لا حصر لها.

الطاقة وتحولاتها:

لابد لنا من الإشارة إلى أن الطاقة الإشعاعية الشمسية الساقطة على سطح الأرض تتعرض لتحولات عديدة من الطاقة مثل الطاقة الحرارية ( Heat Energy ), الطاقة الكامنة ( Potential Energy ), الطاقة الحركية ( Energy  Kinetie), الطاقة الكيميائية ( Energy Chemical ) لكن تظل الطاقة الحرارية أهمها وأكثرها حضوراً بالنسبة للعمليات المؤدية إلى تكوين طقس الأرض ومناخها, بالإضافة إلى أن أشكال الطاقة الأخرى تبقى ضئيلة نسبياً وستتحول بعملية أو أخرى إلى طاقة حرارية, وفي نهاية المطاف إلى طاقة إشعاعية تشعها الأشياء والأجسام التي تمتصها

بحث عن الطاقة الشمسية

بحث عن الطاقة الشمسية - بحث الطاقة الشمسية - الطاقة الشمسية

عندما نفكر في مصادر الطاقة المتجددة، فإن الشمس هى أول مصدر يتبادر إلى الأذهان. فضوء الشمس دافئ، وساطع، ومتاح بشكل دائم. لكن المشكلة هي: كيف نحصل على الطاقة من ضوء الشمس ونحولها إلى أشكال يستطيع الناس استخدامها، مثل الماء الساخن، أو البخار، أو الكهرباء.

فنحن نعرف منذ القرن السابع قبل الميلاد تقريبًا، أننا إذا ركزنا أشعة الشمس من خلال عدسة مكبرة، فإن ذلك من شأنه أن يتسبب في إشعال النار. ولقد استخدم كلٌ من اليونانيين، والرومان، والصينيين المرايا لتركيز وعكس ضوء الشمس على المشاعل في المناسبات الدينية. ولكن توليد الطاقة على مستوى أكبر يكون أكثر تعقيدًا.

ولقد عمل العلماء والمخترعون عليه على مدار 200 عام. ولكن في السبعينيات من القرن العشرين بدأت أسعار الوقود الحفري في الارتفاع. وفي هذا الوقت نفسه، كانت هناك مخاوف متزايدة بشأن تأثر المناخ بالتلوث الذي يسببه الوقود الحفري. ولزمن طويل كانت الطاقة الشمسية غير فعالة. وكانت أيضًا مكلفة من حيث تركيبها. ولم تصبح الطاقة الشمسية شائعة الاستخدام إلا بحلول الثمانينيات من القرن العشرين. وبالتدريج وببطء دخلت الطاقة الشمسية إلى جميع أنواع الاستخدامات اليومية. وأصبحت الوحدات الشمسية تمد كل شيء بالطاقة بدايةً من شبكات الطاقة الرئيسية في بعض المناطق إلى إنارة الشوارع، وحمامات السباحة، والآلات الحاسبة.

والطاقة الشمسية ليست مجرد نوع واحد من التكنولوجيا. ففي واقع الأمر هناك ثلاث طرق شائعة، وكل منها يتناسب تمامًا مع الاستخدامات الخاصة بها. وبعض هذه التقنيات قائم على مفاهيم تطورت منذ سنوات، وبعضها يعد تقنيات حديثة. فلنلق نظرة على كيفية تطور هذه التقنيات، وعلى ما هو متاح منها الآن.
التاريخ

لطالما انشغل العلماء بإمكانات الطاقة الشمسية على مر العصور. وكانت أولى محاولات استخدام التكنولوجيا لاستغلال طاقة الشمس في القرن التاسع عشر. ففي مطلع ستينيات القرن التاسع عشر، استطاع الفرنسي أوجست موشو أن يضع غلاية حديدية مملوءة بالماء تحت عدسة. وقام ضوء الشمس بتسخين الغلاية حتى وصل الماء الموجود بها إلى درجة الغليان. ووجد موشو أن إضافة عاكس من معدن مطلي قام بتركيز ضوء الشمس ورفع درجة حرارة الماء إلى درجة الغليان بسرعة أكبر. وأدى ذلك إلى زيادة كمية البخار الناتجة. وبإدخال تغييرات بسيطة على هذا النظام، استطاع أن يحصل على كمية بخار تكفي لإدارة محرك صغير. وكانت هذه الخطوة الأولى نحو المجمع الشمسي المعاصر.


في أواخر الثمانينيات من القرن التاسع عشر، استطاع مساعد موشو، آبيل بيفر، أن يستخدم صحنًا شمسيًا ليدير آلة طباعة.

وفي أواخر السبعينيات من القرن التاسع عشر، قام ويليام آدامز، وهو موظف بريطاني في الهند، بتطوير أفكار موشو. فقام باستبدال العاكس المعدني اللامع بمجموعة من المرايا مرتبة بشكل شبه دائري حول الغلاية. وقامت هذه المجموعة من المرايا بتجميع وتركيز الضوء، على نحو رفع درجة حرارة الماء إلى الغليان بسرعة أكبر. ولا يزال تصميم آدامز مستخدمًا إلى الآن في صورة برج الطاقة. وقد ألف آدامز كذلك أول كتاب عن الطاقة الشمسية، أسماه: Solar Energy: A Substitute for Fuel in Tropical Countries

في بداية الثمانينيات من القرن التاسع عشر، قام المخترع الأمريكي تشارليز فريتس ببناء أول خلية شمسية مستخدمًا عنصر السلينيوم في ذلك. وقام هذا الجهاز بتحويل نسبة تقل عن 1% من الضوء إلى كهرباء، وهي نسبة غير فعالة وليست ذات نفع كبير.

وفي أواخر الثمانينيات من القرن التاسع عشر تمكن الفرنسي تشارلز تيلير من بناء مجمع شمسي مشابه إلى حد كبير للمجمّع الشمسي ذي اللوح المسطح المستخدم حاليًا. فقد وضع عشرة ألواح، كل لوح يتكون من لوحين من الحديد مثبتين معًا بإحكام. وقام بتوصيل هذه الألواح بأنابيب مملوءة بالنشادر. وكان اختيار تيلير للنشادر راجعًا إلى أنها تغلي أسرع من الماء. وبالفعل تسببت الحرارة الناتجة عن ضوء الشمس المنعكس على الألواح في تحويل النشادر إلى بخار النشادر. وأدار هذا البخار محرك مضخة مياه. بعد ذلك قام تيلير بتغليف الجزء العلوي من الجهاز بالزجاج وعزل الجزء السفلي منه ليزيد من الفاعلية. لكنه لم يتابع العمل على هذا المشروع أكثر من ذلك، بل اتجه لتطوير تكنولوجيا التبريد.



في عام 1891 سجل كلارينس كيمب من مدينة بالتيمور بولاية ميريلاند براءة اختراع أول سخان مياه شمسي تجاري. وبدأ ذلك السخان بجهاز يسمى الصندوق الساخن - وهو عبارة عن صندوق معزول مطلي باللون الأسود من الداخل وله غطاء زجاجي. ونظرًا لعلمه بأن الأوعية المعدنية تسخن ما بداخلها، وضع كيمب خزان ماء معدنيًا داخل الصندوق الساخن. وساعدت الخصائص المتمثلة في صندوق معدني مغلق مطلي باللون الأسود، على جعل الماء داخل الخزان يحتفظ بحرارة النهار لمدة أطول من الماء في خزان لا يتمتع بهذه الخصائص.

بعد حوالي عشر سنوات من التجارب على المحركات الشمسية، تمكن أوبري إنيس من ولاية بوسطن من تأسيس شركة محركات شمسية، وهي Solar Motor Co، في عام 1900. وفي عام 1904 أعلن عن الجهاز الخاص به. والعاكس العملاق، الذي اتسع قطره ليصل إلى 10 أمتار (33 قدمًا)، احتوى على 1788 مرآة عاكسة. واستوعبت هذه الغلاية 378.5 لترًا (100 جالون) من المياه وأنتج طاقة بخارية تقدر بـ 2.5 حصان. وباع إنيس ماكينتين. لكن للأسف، لم تستطع هذه المحركات الشمسية الصمود أمام العواصف: فالمحرك الأول دُمّر في عاصفة هوائية، والثاني دمرته عاصفة برد.
المجمِّع الشمسي ذو القطع المكافئ


في عام 1912، قام المقاول الأمريكي فرانك شومان ببناء أول محطة طاقة شمسية ليدير مضخة ري في صحراء مصر خارج القاهرة. وقامت شركته للطاقة الشمسية ببناء صفوف متتالية من أحواض التجميع على شكل قطع مكافئ مهمتها تركيز الطاقة الشمسية على أنابيب مملوءة بالماء ومغلفة بالزجاج. وفي ذلك النظام الذي يشبه محطات الطاقة الشمسية الحديثة على نحو مذهل، تحولت المياه في الأنابيب إلى بخار، وذلك البخار أدار مضخة مياه. ونجحت محطة شومان أثناء فترة الاختبارات، ولكن قبل بدء التشغيل الفعلي، اندلعت الحرب العالمية الأولى. ودُمّرت المحطة أثناء المعارك التي دارت في شمال إفريقيا.


قام المهندس الأمريكي فرانك شومان ببناء المُجمّعات ذات القطع المكافئ في مصر عام 1912.

وبعد الحرب العالمية الثانية، تراجع الاهتمام بالطاقة الشمسية. فقد كان الوقود الحفري متاحًا وغير مكلف. وتوقفت التنمية التجارية لتقنيات الطاقة الشمسية. ومع ذلك، استمرت الأبحاث على الطاقة الشمسية. فالأنظمة المُستخدمة الآن، أو تلك التي تحت التطوير، قائمة على أعمال هؤلاء الرواد الأوائل وإنجازاتهم في مجال الطاقة الشمسية.
المجمعات الشمسية المركزة

تستخدم المجمعات الشمسية المركزة المرايا لتجميع وتركيز ضوء الشمس لتوليد كميات كبيرة من الكهرباء. فيقوم ضوء الشمس المُجمّع بتسخين الماء أو بعض السوائل الأخرى لإنتاج البخار. ويقوم البخار بتدوير مولد يقوم بدوره بإنتاج الكهرباء. وتتنوع كميات الطاقة التي تنتجها أنظمة المجمّع الشمسي. فالأنظمة الأصغر بإمكانها إنارة قرية ريفية كاملة. أما الأنظمة الأكبر، فيمكنها إمداد محطة طاقة أساسية في إقليم ما بالكهرباء.


هناك ثلاثة أنواع للمجمّعات الشمسية. وتستخدم محطات الطاقة الشمسية الكبيرة أحواضًا ذات قطع مكافئ طويلة لجمع وتركيز ضوء الشمس وتحويله إلى طاقة. وتنتظم الأحواض على محور شمالي - جنوبي لتتبع حركة الشمس. ويوجد في مركز الحوض أنبوبة ممتلئة بسائل ناقل للحرارة، غالبًا ما يكون زيتًا. ويقوم الحوض الانعكاسي هذا بتركيز حرارة الشمس على الأنبوبة. ومن ثم يقوم السائل الساخن بتسخين الماء ليتحول إلى بخار. وهذا البخار يقوم بتدوير مولد بخاري. ويتم ترتيب الأحواض في صفوف متوازية لتكون مجالا تجميعيًا. وبعض المحطات يكون لديها قدرات تخزينية لحفظ الطاقة الحرارية ليتم استخدامها أثناء الليل. وتقوم أنظمة الأحواض الكبيرة بتوليد طاقة تصل إلى 80 ميجاوات. وهذا يُعد كافيًا لتشغيل محطة طاقة أساسية لمنطقة كاملة!

أما نظام محرك الصحن المضغوط، فإنه يستخدم مجموعة من المرايا مرتبة على شكل صحن. ويتحرك هذا الصحن مع حركة الشمس، فيجمع ويركز الطاقة الشمسية. وتقوم المرايا بتركيز تلك الطاقة على مستقبل. ويقع ذلك المستقبل في النقطة البؤرية للصحن، ويحتوي على وسيط ناقل للحرارة - إما أنابيب مملوءة بالهيدروجين أو غاز الهيليوم أو مملوءة بسائل يغلي حتى يتحول إلى غاز ثم يتكثف - لنقل الحرارة إلى محرك صغير، غالبًا يسمى محرك ستيرلينج. وذلك المحرك مركب أيضًا في النقطة البؤرية، ويقوم بإنتاج طاقة ميكانيكية لتدوير مولد وإنتاج الكهرباء. ويعمل نظام محرك الصحن بكفاءة تصل إلى حوالي 30%، وهو أكثر المجمعات الشمسية كفاءة.

يرتكز برج الطاقة الشمسية الطويل في منتصف المرايا المرتبة لتتبع الشمس وتركز ضوءها على مستقبل في أعلى ذلك البرج. وتكوّن المرايا التي تسمي هيليوستات ترتيبًا دائريًا متحركًا حول البرج. ويقوم سائل النقل الحراري داخل المستقبل بتوليد البخار لتدوير مولد. وفي أبراج الطاقة المستخدمة في وقت سابق، كان سائل النقل الحراري هو البخار. والآن حلت أملاح النترات الذائبة محل البخار، وذلك لأنها أفضل في نقل الحرارة وتخزينها للاستخدام في وقت لاحق. ويمكن لمحطات برج الطاقة أن تنتج مقدار طاقة يتراوح ما بين 50 و 200 ميجاوات. ويخضع استخدام برج الطاقة للتجربة في جنوب إفريقيا، وفي أجزاء أخرى من العالم أيضا.

يستخدم برج الطاقة الشمسية مرايا على الأرض تركز ضوء الشمس على المستقبل في أعلى ذلك البرج.
   


الأنظمة الشمسية الفولتية الضوئية :
تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية الفولتية الضوئية (PV) أشباه الموصلات - نفس المواد التي تستخدم في تصنيع رقائق الكمبيوتر الإلكترونية - في توليد الكهرباء من ضوء الشمس. وتعد الخلية الفولتية الضوئية هي الأساس للنظام الفولتي الضوئي. وتتكون هذه الخلية من رقاقتين متلاصقتين من أشباه الموصلات، تحتويان على المواد الكيماوية اللازمة لتوليد مجال كهربائي. وعندما يقع ضوء الشمس على سطح الخلية الفولتية الضوئية، يحرك المجال الكهربائي الإلكترونات في اتجاه محدد. ويؤدي ذلك إلى توليد تيار كهربائي. وتنتج كل خلية وات أو اثنين فقط. لكن يمكن أن توضع الخلايا مع بعضها البعض في وحدات للحصول على مزيد من الطاقة؛ وللاستخدامات الأكبر، يمكن الربط بين الوحدات في صورة مجموعات مرتبة. ويمكن لكل مجموعة أن تحتوي على وحدة أو وحدتين، بناءً على كم الطاقة المطلوبة. وتعمل الأنظمة الفولتية الضوئية بكفاءة 10%، ومن المنتظر أن تزيد الأبحاث التي تجرى الآن من هذه الكفاءة لتصل إلى 20%.


تم تطوير الخلية الفولتية الضوئية في عام 1953. وبعد خمس سنوات من الأبحاث والتطوير، تم استخدام الخلايا الفولتية الضوئية المصنعة من السيليكون والمقاومة للإشعاع في الأقمار الصناعية. وكان القمر الصناعي الأمريكي فانجارد 1، الذي أطلق في 17 مارس، 1958، يعمل بطاقة فولتية ضوئية. ومعظم الكهرباء المستخدمة في الفضاء الآن مصدرها هو الخلايا الفولتية الضوئية. أما على الأرض، فإنه يشيع استخدام طاقة الخلايا الفولتية الضوئية في الآلات الحاسبة التي تعمل بالطاقة الشمسية، وفي إنارة الشوارع، وفي العلامات الإرشادية في الطرق. ولكن يمكن تصميم الأنظمة الفولتية الضوئية بأي حجم، بناءً على كم الكهرباء المطلوبة. ويجري تطوير منتجات مثل الأسقف الفولتية الضوئية المستخدمة في دعم الطاقة التقليدية. ويعمل العديد من الأنظمة الفولتية الضوئية بالمرافق المحلية أو نظام البطارية، وذلك لضمان الطاقة الاحتياطية أثناء الليل أو في الأيام الغائمة.
الأنظمة الشمسية الحرارية


الطاقة الشمسية - الخلية الفولتية الضوئية

تنتج الخلية الفولتية الضوئية الطاقة من الشمس من خلال تفاعلات فيزيائية. وتحتوي الخلية على أشباه موصلات تولد تيارًا كهربائيًا عندما يسقط عليها ضوء الشمس. والخلايا المفردة لا تولد الكثير من الكهرباء، لكن يمكن وضع الخلايا في مجموعات مرتبة وبأي حجم مطلوب.


تقوم الأنظمة الشمسية الحرارية بتسخين الماء في حمامات السباحة، أو المنازل، أو المكاتب. وهناك نوعان من المجمعات: المجمعات ذات اللوح المسطح والمجمعات ذات الأنبوب المفرغ.


أما المجمعات ذات اللوح المسطح، فإنها تناسب الاستخدامات المنزلية البسيطة، مثل تسخين الماء أو تدفئة الهواء. ويتكون الجهاز من صندوق معدني معزول يحتوي على لوح ماص مصنوع من النحاس أو الألومونيوم ومطلي بلون داكن. واللون الداكن للوح الماص هو عبارة عن طلاء خاص يمتص الحرارة ويحتفظ بها على نحو أفضل من المعدن غير المطلي أو المطلي باللون الأسود المعتاد. ويغطي الصندوق غطاء من الزجاج أو البلاستيك المصقول. ويسقط ضوء الشمس على المجمع ذو اللوح المسطح ويقوم بتسخين اللوح الماص.

وتستخدم المجمعات ذات اللوح المسطح لتسخين الماء في المنازل أو في تركيب أجهزة التدفئة الهيدرونية.

رسم توضيحي للمجمع الشمسي ذي اللوح المسطح.

يعتمد اختيار الوسيط المستخدم بين الغطاء المصقول واللوح الماص على ما إذا كان المجمع ذو اللوح المسطح سائلاً أو مجمع ذو لوح مسطح هوائي. ويحتوي المجمع ذو اللوح المسطح السائل، والذي يستخدم في تسخين الماء، على حامل من الأنابيب يستقر على اللوح الماص. وتحتوي الأنابيب على ماء تم تسخينه بواسطة اللوح الماص. ويمكن استخدام الماء المسخن هذا في المنازل أو حمامات السباحة. والمجمعات ذات اللوح المسطح المستخدمة في حمامات السباحة الخارجية عادةً تكون غير مغطاة لتقليل النفقات. وذلك لأن ماء حمامات السباحة يتطلب أن يكون أكثر دفئا من درجة حرارة الهواء المحيط به بمقدار طفيف؛ أما حمامات السباحة الداخلية والمنتجعات الصحية، فإنها تستخدم مجمعات مغطاة وهى ذات تكلفة أعلى. أما المجمعات ذات اللوح المسطح الهوائية، فإنها تحتوي على لوائح من المعدن أو تلتصق بالألواح الماصة، لتسخين الهواء في المجمع. وهذه المجمعات تستخدم في تدفئة الهواء، وهي عادة أقل كفاءة من المجمعات ذات اللوح المسطح السائلة. وتقوم المجمعات ذات اللوح المسطح بتسخين السائل أو الهواء لدرجة حرارة أقل من 180 فهرنهايت (82.2 سيليزيوس). وهذه المجمعات يتم إعدادها في مجموعات، لذا فإن حجم النظام يعتمد على كمية الماء الساخن المطلوبة، سواء لحمام سباحة، أو لمنزل، أو لمبنى مكتبي.
تُستخدم المجمعات ذات اللوح المسطح الهوائية في تدفئة الهواء.
تستطيع المجمعات ذات الأنبوب المفرغ أن تسخن الهواء لدرجة حرارة تتراوح بين 77 إلى 177 درجة مئوية (170 إلى 350 درجة فهرينهايت). وهذا يعني أنها تنتج طاقة أكبر من المجمع ذي اللوح المسطح القياسي. وتتكون الأنظمة ذات الأنبوب المفرغ من صفين متوازيين من الأنابيب الزجاجية. وتحتوي كل أنبوبة زجاجية على أنبوبة أخرى بداخلها. وهذه الأنبوبة الداخلية هى الأنبوبة الماصة، وتكون مصنوعة من معدن مطلي بدهان ماص للحرارة. ويتحول ضوء الشمس إلى طاقة حرارية، يتم نقلها إما مباشرة للماء المخزن أو إلى السائل الذي يقوم بتسخين الماء. والمجمعات ذات الأنبوب المفرغ تستخدم في تدوير تطبيقات التبريد وأيضًا في التطبيقات الصناعية أو التجارية.

والميزة الفريدة التي يتمتع بها النظام ذو الأنبوب المفرغ هي أن المساحة بين الأنبوبتين عبارة عن فراغ من الهواء. وهذا الفراغ يعطي نوعًا من العزل، مما يحافظ على الحرارة الشمسية المجمعة داخل الأنابيب لمدة أطول. وهذا يعني أن الأنابيب تفقد أقل مقدار فقط من الحرارة للبيئة المحيطة. وهذا النوع من النظام يمكن استخدامه في المناخ البارد أو المناطق ذات الجو الغائم.

كما أن المجمعات ذات الأنبوب المفرغ تعمل بكفاءة في درجات الحرارة العالية.
   

كما هو الحال في الأنظمة الفولتية الضوئية، تكون حرارة الزيت أو الغاز الطبيعي هي مصدر الطاقة الاحتياطي للأنظمة الشمسية الحرارية، للحفاظ على مستوى سخونة الماء المطلوب.

قضايا
إن أكبر عقبة تقف في طريق الطاقة الشمسية منذ سنوات هي تكلفة التركيب؛ وهذا صحيح حتى الآن. فمعدات الطاقة الشمسية تكلف أكثر من معدات الطاقة التقليدية. ويستغرق الأمر سنوات كثيرة لجني نتائج هذا الاستثمار. فمثلاً، يزيد ثمن النظام ذي الأنبوب المفرغ مرتين عن ثمن المجمع ذي اللوح المسطح. وبالإضافة إلى ذلك، فإن عمر الأنظمة عشرون عاما تقريبا. وفي الولايات المتحدة، قد تقدم كل ولاية خصومات للأشخاص الذين يتحولون لاستخدام أي من منتجات التسخين باستخدام الطاقة الشمسية.
خطط مستقبلية

لا تزال الإضاءة الشمسية الهجينة تحت التطوير. وهذه التكنولوجيا تستخدم مجمعات مركبة على السطح لنقل الطاقة مباشرة إلى كابلات من الألياف البصرية، والتي يتم توصيلها بتركيبات ضوء خاصة مركبة في الحجرة. وتنتج هذه التركيبات الخاصة بعد ذلك الضوء. هذا النظام يتم توصيله بنظام كهربائي تحسبًا للأيام الغائمة. وهو يوفر الكهرباء، خاصة في الأوقات التي يزيد فيها استخدم الطاقة.

الطاقة الشمسية بديلة عن الوقود

الطاقة الشمسية بديلة عن الوقود

خلق الله الشمس والقمر كآيات دالة على كمال قدرته وعظم سلطانه وجعل خلق الله الشمس والقمر كآيات دالة على كمال قدرته وعظم سلطانه وجعل شعاع الشمس مصدراً للضياء على الأرض وجعل الشعاع المعكوس من سطح شعاع الشمس مصدراً للضياء على الأرض وجعل الشعاع المعكوس من سطح القمر نوراً . قال الله تعالى في كتابه العزيز ( هو الذي جعل الشمس ضياء والقمر القمر نوراً . قال الله تعالى في كتابه العزيز ( هوالذي جعل الشمس ضياء والقمرنوراً وقدره منازل لتعلموا عدد السنين والحساب ما خلق الله ذلك إلا بالحق يفصل الآيات لقوم يعلمون ) سورة يونس الآية(5) فالشمس تجري في الفضاء الخارجي بحساب دقيق الآيات لقوم يعلمون ) سورة يونس الآية(5) فالشمس تجري في الفضاء الخارجي بحساب دقيق حيث يقول الله سبحانه وتعالى في سورة الرحمن ( الشمس والقمر بحسبحيث يقول الله سبحانه وتعالى في سورة الرحمن ( الشمس والقمر والقمر بحسبان ) الآية(5) . أي أن مدار الأرض حول الشمس محدد وبشكل دقيق ، وآي اختلاف فوالقمر بحسبان ) الآية(5) . أي أن مدار الأرض حول الشمس محدد وبشكل دقيق ، وآي اختلاف في مسار الأرض سيؤدي إلى تغيرات مفاجئة في درجة حرارتها
وبنيتها وغلافها الجوي ، وقد تحدث كوارث إلى حد لآيكن عندها وبنيتها وغلافها الجوي ، وقد تحدث كوارث إلى حد لآيكن عندها بقاء الحياة فقدرة الله تعالى وحدها جعلت الشمس الحارقة رحمة ودفئاً ومصدراً بقاء الحياة فقدرة الله تعالى وحدها جعلت الشمس الحارقة رحمة ودفئاً ومصدراً للطاقة حيث تبلغ درجة حرارة مركزها حوالي (8ْ-40ْ) x 10 درجة مطلقة ( كفن ) ثم تتدرج درجة حرارتها في الانخفاض حتى تصل عند السطح إلى 5762ْ مطلقة ( كفن ) ثم تتدرج درجة حرارتها في الانخفاض حتى تصل عند السطح إلى 5762ْ مطلقة ( كفن )

استخدام الطاقة الشمسية :

استفاد الإنسان منذ القدم من طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى وردت في كتب العلوم التاريخية فقد أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الروماني في حرب عام 212 ق م عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من الدروع المعدنية . وفي العصر البابلي كانت نساء الكهنة يستعملن آية ذهبية مصقولة كا لماريا لتركيز الإشعاع الشمسي للحصول على النار . كما قام علماء أمثال تشرنهوس وسويز ولافوازييه وموتشوت وأريكسون
وهاردنج وغيرهم باستخدام الطاقة الشمسية في صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير الماء وتسخين الهواء . كما أنشئت في مطلع القرن الميلادي الحالي أول محطة عالمية للري بوساطة الطاقة الشمسية كانت تعمل لمدة خمس ساعات في اليوم وذلك في المعادي قرب القاهرة . لقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية .

بالإضافة لما ذكر تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي :-

إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة
الأخرى.
توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة
لا تلوث الجو وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم.

تحويل الطاقة الشمسية :
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ، ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ،وكما هو معلوم هناك بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم وغيرها . وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات
من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا . وقد نال العالم اينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة.
وقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة ،وهي لا تستهلك وقوداً ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة . ويتحقق أفضل وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة . ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت
تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية )أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه . كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها .
أأما التحويل الحراري للطاقة الشمسية فيعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية .فإذا تعرض جسم داكن اللون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص لإشعاع وترتفع درجة حرارته . يستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها
وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية . يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها كذلك يمكن الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام ،حيث أن هناك أبحاث تجري في هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس تحت أشعة الشمس أثناء الطهي .
ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة ،إلا أن مدى الاستفادة منها يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية. وعليه يبدو أن المطلوب من تقنيات بعد تقنية وتطوير التحويل الكهربائي والحراري للطاقة الشمسية هو تقنية تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي . وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراريالكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي . وتعد بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع ، حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها متوفرة إلا نها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعني المفهوم . فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية . وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة . ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها أخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية .

مشاكل استخدام الطاقة الشمسية

 مشاكل استخدام الطاقة الشمسية - مشكلة استخدام الطاقة الشمسية - استخدام الطاقة الشمسية

 بعض مشاكل استخدام الطاقة الشمسية
إن أهم مشكلة تواجه الباحثين في مجالات استخدام الطاقة الشمسية هي وجود الغبار ومحاولة تنظيف أجهزة الطاقة الشمسية منه وقد برهنت البحوث الجارية حول هذا الموضوع أن أكثر من 50 % من فعالية الطاقة الشمسية تفقد في حالة عدم تنظيف الجهاز المستقبل لأشعة الشمس لمدة شهر .
إن أفضل طريقة للتخلص من الغبار هي استخدام طرق التنظيف المستمر أي على فترات لا تتجاوز ثلاثة أيام لكل فترة وتختلف هذه الطرق من بلد إلي آخر معتمدة على طبيعة الغبار وطبيعة الطقس في ذلك البلد.
أما المشكلة الثانية فهي خزن الطاقة الشمسية والاستفادة منها أثناء الليل أو الأيام الغائمة أو الأيام المغبرة ويعتمد خزن الطاقة الشمسية على طبيعة وكمية الطاقة الشمسية ، و نوع الاستخدام وفترة الاستخدام بالإضافة إلي التكلفة الإجمالية لطريقة التخزين ويفضل عدم استعمال أجهزة للخزن لتقليل التكلفة والاستفادة بدلاً من ذلك من  الطاقة الشمسية مباشرة حين وجودها فقط ويعتبر موضوع تخزين   الطاقة الشمسية من المواضيع التي تحتاج إلي بحث علمي أكثر واكتشافات جديدة .
ويعتبر تخزين الحرارة بواسطة الماء والصخور أفضل الطرق الموجودة في الوقت الحاضر . أما بالنسبة لتخزين الطاقة الكهربائية فما زالت الطريقة الشائعة هي استخدام البطاريات السائلة ( بطاريات الحامض والرصاص ) وتوجد حالياً أكثر من عشر طرق لتخزين  الطاقة الشمسية كصهر المعادن والتحويل الطوري للمادة وطرق المزج الثنائي و غيرها .
والمشكـلة الثـالثة في استخدامات الطاقة الشمسية هي حدوث التـآكل في المجمعـات الشمسيــة بسبب الأمـلاح الموجودة في الميــاه المستخدمــة في دورات التسخــين وتعتبر الــدورات المغلقـة واستخـــدام مــاء خـال من الأملاح فيها أحسن الحلول للحد من مشكلة التآكل والصدأ في المجمعات الشمسية .


المقترحات و التوصيات:
إن البحث والمثابرة في إيجاد بدائل للطاقة الإحفورية ما هو إلا جزء مكمل لاستمرارية دور الدول العربية كدول مصدرة للطاقة والحفاظ على المستوى الاقتصادي الذي تنعم به هذه الدول الآن ومن أجل مواكبة بقية دول العالم في هذا المجال ، يقترح مراعاة التوصيات التالية :

     الدعم المادي والمعنوي وتنشيط حركة البحث في مجالات الطاقة الشمسية
     القيام بإنشاء بنك لمعلومات الإشعاع الشمسي ودرجات الحرارة وشدة الرياح وكمية الغبار وغيرها من المعلومات الدورية الضرورية لاستخدام الطاقة الشمسية
     القيام بمشاريع رائدة وكبيرة نوعاً ما وعلى مستوى يفيد البلد كمصدر آخر من الطاقة وتدريب الكوادر العربية عليها بالإضافة إلي عدم تكرارها بل تنويعها في البلدان العربية للاستفادة من جميع تطبيقات الطاقة الشمسية
     تنشيط طرق التبادل العلمي والمشورة العلمية بين البلدان العربية وذلك عن طريق عقد الندوات واللقاءات الدورية .
     تحديث دراسات استخدامات الطاقة الشمسية في الوطن العربي وحصر وتقويم ما هو موجود منها.
    تطبيق جميع سبل ترشيد الحفاظ على الطاقة ودراسة أفضل طرقها بالإضافة إلي دعم المواطنين اللذين يستعملون الطاقة الشمسية في منازلهم.
    تشجـيع التعاون مع الـــدول المتقدمــة في هـذا المجال والاستفــادة من خبراتهــا على أن يكـون ذلك مبنيــاً على أســاس المســاواة والمنفعة المتبادلة.

الطاقة الشمسية وفوائدها

فوائد الطاقة الشمسية - فائدة الطاقة الشمسية - مميزات الطاقة الشمسية

يتزايد الحديث والاهتمام عن فوائد الطاقة الشمسية التي تتولى الجهات الحكومية الدعوة لها وذلك عبر اعلانات مستمرة تدعو المواطنين لتحصيل التوفير في صرفيات الكهرباء والمازوت واجاز والسلار والبنزين
ولاسيما بعد الارتفاعات الأخيرة لأسعار الكهرباء والمازوت والتي دفعت بجدوى استعمال الطاقة الشمسية لتصبح ضرورة لازمة لجميع المواطنين في بلدنا وكيف لا والشمس تسطع في سمائها غالبية أيام السنة وتؤمن للجميع مياه ساخنة وبأقل التكاليف الممكنة .‏‏

من أجل التقليل من الإعتمـاد على الطاقة المولدة بواسـطة الوقود التقليدي من منتجـات البترول.
 الطاقة الشمسية تعد تقريبــا خـالية من التلوث أو غير ملوثـة للبيئـة، إنهـا طاقة متجددة ومتوفرة تقريبـا في كافة المناطق المـأهولة من العـالم، وهي طاقة مجـانية وإقتصـادية تمحنحنا الحرية والأمـان بالمجـان، دائمـا وبدون التسـبب بالأذى للطبيعة أو للبيئـة التي نعيـش ضمنهـا.
وللحقيقة فإن الاهتمام بهذا الموضوع موضوع الطاقة الشمسية سابقاً لم يكن بالدرجة المطلوبة ولا سيما اننا في بلاد تسطع فيها الشمس طيلة أيام العام الأمر الذي يسهل عملية ترشيد استهلاك الطاقة وهي مسألة وطنية هامة على الجميع مسؤولين ومواطنين جهات وأفراد التعاون معها لاستنتاج الطاقة الشمسية بشكل جدي خاصة وأن مصادر الطاقة البديلة والمتجددة متوفرة وتساهم في تحقيق وفر اقتصادي لكل من الدولة التي تتحمل أعباء الدعم الحقيقي لتأمين الطاقة بأسعار مقبولة وللمواطنين الذين يسعدهم انخفاض المبالغ المتوجب عليهم دفعها ثمناً لاستهلاك الكهرباء .‏‏

ولقد فعلت الحكومة خيراً عندما أصدرت مؤخراً قرارات من شأنها تسهيل الإجراءات الإدارية وآليات دعم ناظمة لتطبيق المشروع الذي اعتمدته الحكومة بشكل رسمي باصدارها تعليمات للوحدات الإدارية بعدم منح أية إجازة سكن للأبنية الجديدة وغير المشغولة ما لم يكن منفذ فيها أجهزة طاقة شمسية وطالبت مؤسسات الإسكان والجمعيات التعاونية السكنية بتنفيذ ذلك على مشاريعها المستقبلية .‏‏

وللعلم فإن كثيراً من الدول قد خطت في هذا المجال مجال الطاقة الشمسية خطوات واسعة وعلى سبيل المثال ففي تركيا الدولة الجارة والصديقة لا يتم ايصال الكهرباء الى أي منزل ما لم تكن أجهزة الطاقة الشمسية متوفرة فيه وهذا أمر إيجابي وضروري ويخدم مصلحة الحكومة والمواطن بآن معاً وحري بنا جميعاً أن ندعم مثل هذه الخطوات والإجراءات التي تدفع باتجاه الاستفادة مما هو متاح من الطاقة البديلة او الطاقة الشمسية والمتوفرة مجاناً في ظل التسهيلات التي تقدمها الحكومة عبر قروض بدون فوائد لجميع المواطنين الراغبين بتركيب أجهزة الطاقة الشمسية وبشكل يخدم مصلحة المواطن أولاً .‏‏

الطاقة الشمسية في مصر

الطاقة الشمسية في مصر - الطاقة الشمسية - الطاقة المتجددة "الطاقة الشمسية

إن مصر تتمتع بثراء كبير من الطاقة الشمسية وأن الاتجاه الحالي لاستغلال هذا الثراء من خلال استخدام التكنولوجيا النظيفة لتوليد الكهرباء..منوها بأن قطاع الكهرباء بدأ بالفعل في إعداد خطة شمسية مصرية حتى عام 2027 لتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية .

جاء ذلك في تقرير لقطاع الكهرباء والطاقة تضمن العديد من الإيجابيات لاستخدامات الطاقة الشمسية من حيث التحسن البيئي وخفض غازات الاحتباس الحراري والتغلب على نضوب الموارد الطبيعية للإنتاج التقليدي للطاقة.

وذكر التقرير أن الخطة الشمسية المصرية تأتى في إطار إستراتيجية قطاع الكهرباء لدعم ونشر استخدامات الطاقة المتجددة والوصول بمشاركتها إلى نسبة 20% مع عام 2020 في ظل نضوب مصادر الطاقة الأحفورية.

وأفاد بأن الخطة تأتى بعد أن انتهى قطاع الكهرباء من إعداد إستراتيجية استغلال مصادر الرياح وبعد نجاح القطاع فى استغلال كافة المصادر المائية المتاحة في مصر باعتبارها مصادر طبيعية لتوليد الكهرباء.

وأكد التقرير أن خطة قطاع الكهرباء تهدف إلى إضافة قدرات تولد من الطاقة الشمسية تصل إلى حوالي 3500 ميجاوات (تنتج حوالى 14 مليار كيلو وات /ساعة سنويا) تسهم في توفير حوالي 3 ملايين طن بترول مكافئ والحد من انبعاث حوالي 7.7 مليون طن ثاني أكسيد الكربون.

وأوضح أن من أهم المحاور لتلك الخطة يتمثل في العمل على استثمار وتعميق الخبرة الوطنية في مجال الطاقة الشمسية وتطوير الصناعة المحلية لمعداتها بما يسهم في إحداث تنمية اقتصادية.

وقال التقرير إن هذه الخطة تسهم في توفير فرص عمل وإكساب خبرة في عمليات التصنيع والتشغيل والصيانة والتسويق وخلق مجتمعات عمرانية جديدة بالإضافة إلى تقليل الغازات الملوثة للبيئة.

وأكد أن قطاع الكهرباء والطاقة لا يدخر جهدا لإضافة مشروعات وتكنولوجيات جديدة من أجل تحقيق الأهداف الإستراتيجية لقطاع الكهرباء وتأمين الإمداد بالطاقة الكهربائية وتنويع مصادرها لخدمة المواطنين ودفع عمليات التنمية فى مصر.

وأكد التقرير أن مستقبل مشروعات الطاقة الشمسية في مصر سيخطو خطى سريعة نظرا للدعم التي تلقاه تلك المشروعات من الاتحاد الأوروبي كونه يتبنى مشروعات الشمس المتوسطية بهدف استغلال منطقة المتوسط فى توليد الكهرباء لتصديرها إلى دول الشمال.

وتحظى هذه المشروعات باهتمام كبير من مصر حيث ستتدخل مستقبلا ضمن مشروعات الربط الكهرباء إلى أوروبا من خلال كابلات بحرية إلى أوروبا عبر مجموعة الجزر اليونانية.

وتقوم مصر حاليا بتنفيذ عدد من المحطات الشمسية مثل محطة كوم أمبو الشمسية التى يشارك فى تمويلها بعض جهات التمويل العالمية.

وتبلغ قدرة المحطة 100 ميجاوات وستضاف قدرتها إلى الشبكة القومية لمواجهة التطور في الأحمال الكهربائية ومتطلبات عملية التنمية .. ومن المنتظر أن يساهم البنك الدولي فى تمويل مشروع إنشاء المحطة الشمسية بكوم فضلا مساهمته فى تمويل العديد من الدراسات الخاصة بالمشروع.
وأوضح أن محطة كوم أمبو تعتبر أول محطة كهرباء طاقة شمسية فتوفولتية في إطار برنامج قطاع الكهرباء بالتوسع فى استغلال  الطاقة الشمسية في توليد الكهرباء باعتبارها طاقة نظيفة وصديقة للبيئة.

ويقول التقرير إن البنك الدولي سيسهم بحوالي 1.7 مليار دولار لتمويل المشروعات الحالية والمستقبلية للطاقة الشمسية التي يقوم بتنفيذها قطاع الكهرباء وفى مقدمتها مشروعات الطاقة المتجددة.
محطة كهرباء كوم أمبو بالطاقة الشمسية‏!‏
تدرس وزارة الكهرباء والطاقة بالتعاون مع بنك التعمير الألماني والمفوضية الأوروبية‏,‏ زيادة القدرة التصميمية لإنشاء مشروع محطة توليد كهرباء كوم امبو الشمسية بأسوان 100ميجاوات الي‏250 ميجاوات لانتاج الكهرباء‏,‏ بنظام تكنولوجيا التسخين الشمسي ليلا ونهارا دون استخدام أية وقود لأول مرة في مصر‏.‏

 إن قطاع الكهرباء يعمل علي تنويع مصادر انتاج الكهرباء بجميع انواعها للحفاظ علي قدرة الشبكة الكهربائية القومية تحسبا لنضوب أحد مصادر الانتاج, خاصة بعد أن تم استغلال جميع المصادر والمساقط المائية الموجودة في مصر لإنتاج الكهرباء.
وأوضح الدكتور أكثم أبوالعلا المتحدث الرسمي وكيل وزارة الكهرباء, أنه سيتم تمويل المحطة من جهات التمويل الدولية والعربية بشروط مصرية بقرض ميسر يتم سداده علي40عاما, منها10سنوات فترة سماح وبفائدة0.57% أقل من1% بعد موافقتها مبدئيا لتمويل المحطة, وهي: بنك التنمية الإفريقي, وبنك التعمير الفرنسي, والتعمير الألماني, والاتحاد الأوروبي, والبنك الدولي وصندوق تكنولوجيا الطاقة بالبنك الدولي.

موضوع عن الطاقة الشمسية

موضوع عن الطاقة الشمسية - موضوع الطاقة الشمسية - موضوعات عن الطاقة الشمسية

الطاقة الشمسية هي الطاقة الام فوق كوكب الارض حيث انها تبعث اشعتها كل الطاقات. لأنها تسير كل ماكينات و آلية الأرض بتسخين الجو المحيط واليابسة وتولد الرياح وتصريفها ، وتدفع دورة تدوير المياه ، و تدفيء المحيطات ،و تنمي النباتات وتطعم الحيوانات . و مع الزمن تكون الوقود الإحفوري في باطن الأرض .
 وهذه الطاقة يمكن تحويلها مباشرة أو بطرق غير مباشرة لحرارة و برودة و كهرباء و قوة محركة .وأشعة الشمس أشعة كهرومغناطيسية.و طيفها المرئي يشكل 49% و الغير مرئي كالأشعة الفوق بنفسجية يشكل 2% و الأشعة دون حمراء 49%.

و الطاقة الشمسية تختلف حسب حركتها و بعدها من الأرض.والطاقة الشمسية تصل إلى المنازل عبر الألواح الشمسية و تختلف كثافة أشعة الشمس و شدتها فوق خريطة الأرض حسب فصول السنة فوق نصفي الكرة الأرضية و بعدها عن الأرض و ميولها و وضعها فوق المواقع الجغرافية طوال النهار أو خلال السنة، و حسب كثافة السحب التي تحجبها. لأنها تقلل أو تتحكم في كمية الأشعة التي تصل لليابسة . عكس السماء الصحوة الخالية من السحب أو الأدخنة. وأشعة الشمس تسقط علي الجدران والنوافذ واليابسة والبنايات والمياه، وتمتص الأشعة وتخزنها في كتلة (مادة) حرارية Thermal mass.

وهذه الحرارة المخزونة تشع بعد ذلك داخل المباني . وتعتبر هذه الكتلة الحرارية نظام تسخين شمسي يقوم بنفس وظيفة البطاريات في نظام كهربائي شمسي(الفولتية الضوئية ).فكلاهما يختزن حرارة الشمس لتستعمل فيما بعد. والمهم معرفة أن الأسطح الغامقة تمتص الحرارة و لا تعكسها كثيرا ، لهذا تسخن . عكس الأسطح الفاتحة التي تعكس حرارة الشمس لهذا لا تسخن .


و الحرارة تنتقل بثلاث طرق ،إما بالتوصيل conduction من خلال مواد صلبة، أو بالحمل convection من خلال الغازات، أوالسوائل ، أو بالإشعاع radiation. و من هنا نجد الحاجة لإنتقال الحرارة بصفة عامة لنوعية المادة الحرارية التي ستختزنها، لتوفير الطاقة و تكاليفها .لهذا توجد عدة مباديء يتبعها المصممون لمشروعات الطاقة الشمسية، من بينها قدرة المواد الحرارية المختارة، علي تجميع وتخزين الطاقة الشمسية حتي في تصميم البنايات واختيار مواد بنائها حسب مناطقها المناخية سواء في المناطق الحارة أو المعتادة أو الباردة . كما يكونون علي بينة بمساقط الشمس علي المبني و البيئة من حوله كقربه من المياه واتجاه الريح والخضرة ونوع التربة، والكتلة الحرارية التي تشمل الأسقف والجدران و خزانات الماء. كل هذه الإعتبارات لها أهميتها في امتصاص الحرارة أثناء النهار و تسربها أثناء الليل.

 تقنية التبريد الشمسي le froid solaire لقد ظهرت حديثا تقنية جديدة غريبة باستخدام الطاقة الشمسية .يمكن ترجمتها باسم *التبريد الشمسي*.و لقد بدا بالفكرة وتصميم أول جهاز للتبريد باستعمال الطاقة الشمسية على يد العالم الياباني Sanyo لذي صمم أول لوح من هذه الالواح التي تبلغ مساحتها 16m² . و يتلخص سر التقنية المذكورة في ان الالواح الشمسية تلتقط وتجمع الطاقة الشمسية .بعد ذلك يتم تحويله إلى طاقة كهربائية التي تشغل بدورها الضاغط الذي يقوم بدورة التبريد. 

الطاقة الشمسية واستخدماتها
خلق الله الشمس والقمر كآيات دالة على كمال قدرته وعظم سلطانه وجعل شعاع الشمس مصدراً للضياء على الأرض وجعل الشعاع المعكوس من سطح القمر نوراً . قال الله تعالى في كتابه العزيز ( هو الذي جعل الشمس ضياء والقمر نوراً وقدره منازل لتعلموا عدد السنين والحساب ما خلق الله ذلك إلا بالحق يفصل الآيات لقوم يعلمون ) سورة يونس الآية(5) فالشمس تجري في الفضاء الخارجي بحساب دقيق حيث يقول الله سبحانه وتعالى في سورة الرحمن ( الشمس والقمر بحسبان ) الآية(5) . أي أن مدار الأرض حول الشمس محدد وبشكل دقيق ، وآي اختلاف في مسار الأرض سيؤدي إلى تغيرات مفاجئة في درجة حرارتها وبنيتها وغلافها الجوي ، وقد تحدث كوارث إلى حد لآيكن عندها بقاء الحياة فقدرة الله تعالى وحدها جعلت الشمس الحارقة رحمة ودفئاً ومصدراً للطاقة حيث تبلغ درجة حرارة مركزها حوالي (8ْ-40ْ) x 10 درجة مطلقة ( كفن ) ثم تتدرج درجة حرارتها في الانخفاض حتى تصل عند السطح إلى 5762ْ مطلقة ( كفن ) .

استخدام الطاقة الشمسية
استفاد الإنسان منذ القدم من طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى وردت في كتب العلوم التاريخية فقد أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الرماني في حرب عام 212 ق م عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من الدروع المعدنية . وفي العصر البابلي كانت نساء الكهنة يستعملن آية ذهبية مصقولة كا لماريا لتركيز الإشعاع الشمسي للحصول على النار .

كما قام علماء أمثال تشرنهوس وسويز ولافوازييه وموتشوت وأريكسون وهاردنج وغيرهم باستخدام الطاقة الشمسية في صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير الماء وتسخين الهواء . كما أنشئت في مطلع القرن الميلادي الحالي أول محطة عالمية للري بوساطة الطاقة الشمسية كانت تعمل لمدة خمس ساعات في اليوم وذلك في المعادي قرب القاهرة . لقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية .

بالإضافة لما ذكر تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي :-
إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى .

توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم.