الطاقة الشمسسة

تعتبر الطاقة الشمسية الطاقة الأم فوق كوكب الأرض حيث تنشأ من أشعتها كل الطاقات على الأرض . ومن الطاقة الشـمسية تكوّن كل ما في الأرض مخزون من فحم و نفط عبر ملايين السنين الغابرة . والطاقة تسير كل ماكينات و آلية الأرض بتسخين الجو المحيط واليابسة وتولد الرياح وتصريفها ، وتدفع دورة تدوير المياه ، و تدفيء المحيطات ،و تساعد على نمو النباتات و إطعام 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.كما 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 حرارية Thermal mass(مادةللتخزين). وهذه الحرارة المخزونة تشع بعد ذلك داخل المباني . وتعتبر هذه الكتلة الحرارية نظام تسخين شمسي يقوم بنفس وظيفة البطاريات في نظام كهربائي شمسي يسمى الفولتية الضوئية ( Photovoltaic ).فكلاهما يختزن حرارة الشمس لتستعمل فيما بعد. والمهم معرفة أن الأسطح الغامقة وعلى الأخص الأسطح السوداء تمتص الحرارة بشدة ولا تعكسها كثيرا ، لهذا تسخن . بعكس الأسطح الفاتحة أو البيضاء اللون التي تعكس حرارة الشمس لهذا لا تسخن . و الحرارة تنتقل بثلاث طرق ،إما بالتوصيل conduction من خلال مواد صلبة، أو بالحمل الحراري convection بواسطة الغازات أو السوائل ، أو بالإشعاع radiation. و من هنا نجد الحاجة لإنتقال الحرارة بصفة عامة لنوعية المادة الحرارية التي ستختزنها، لتوفير الطاقة و تكاليفها . و توجد عدة مباديء يتبعها المصممون لمشروعات الطاقة الشمسية ، من بينها قدرة المواد الحرارية المختارة علي تجميع وتخزين الطاقة الشمسية ، وينطبق ذلك أيضا على تصميم البنايات واختيار مواد بنائها حسب مناطقها المناخية سواء في المناطق الحارة أو المعتدلة أو الباردة . كما يكونون علي بيـّنة بمساقط الشمس علي المبني و البيئة من حوله كقربه من المياه مع مراعاة اتجاه الريح والخضرة المحيطة ونوع التربة ، والكتلة الحرارية التي تشمل الأسقف والجدران و خزانات الماء. كل هذه الإعتبارات لها أهميتها في امتصاص الحرارة أثناء النهار وردّها ثانية أثناء الليل.

الشمس والأرض

تستقبل الأرض يوميا 174 بيتا وات من اشعة الشمس في الطبقات العليا للغلاف الجوي ، عند تقابل أشعة الشمس مع الغلاف الجوي تنعكس منها 6% ويُمتص 16% ، مع ملاحظة أن ظروف الطقس الطبيعية كال( سحب ، غيوم ، تلوث) تنقص بشدة من أشعة الشمس أثناء تنقلها عبر الغلاف الجوي بمقدار 20% بسبب الانعكاس و 3% بسبب الامتصاص . هذه الظروف الجوية لا تقلل فقط من كمية الطاقة الواصلة لسطح الأرض ولكن تنشر أيضا قرابة 20% من الضوء القادم وترشح نصيب من طيفه . بعد المرور خلال الغلاف الجوي . نصف أشعة الشمس تقريباً تصبح في الطيف الكهرومغناطيسي المرئي مع النصف الآخر غالبا في طيف الأشعة تحت الحمراء (و جزء صغير يكوّن أشعة فوق بنفسجية) . امتصاص الطاقة الشمسية عن طريق الحمل الحراري بالغلاف الجوي ( ناقل الحرارة الحساسة) و التبخُر والتكثيف لبخار الماء (ناقل الحرارة الكامنة) يدفع دورة الماء الطبيعية ويجري الرياح . ضوء الشمس الممتص عن طريق الرياح والكتل الأرضية يُبقي سطح الأرض على درجة حرارة في معدل 14 درجة مئوية . وتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية بواسطة التمثيل الضوئي في النيات و الطعام المنتج و الأخشاب و الأماكن التي يستخرج منها الوقود الحفري . أشعة الشمس تعمل على الموازاة مع مصادر شمسية ثانوية كالرياح وحركة الأمواج ، وهي المتسببة في تكون الحفريات الحيوية مثل الفحم والبترول . وتقدّر الطاقة الشمسية ب 99.9% من فيض الطاقة المتجددة على الأرض . ويلاحظ أن كمية الطاقة الشمسية في البيئة ضخمة بما يكفي لتلبية احتياجات البشر من الطاقة. كما يرجع الإنتاج كهرومائي من الأنهار أيضاً للشمس.
كمية الطاقة الشمسية الكلية الممتصة بواسطة الغلاف الجوي ، المحيطات ، المتكتلات الأرضية تقدر بحوالي 3850 زيتاجولز (ز.ج) zetta Joule في العام.
طاقة الرياح الكامنة تقدر بحوالي 2.25 (ز.ج) بالعام .

مشروعات للطاقة الشمسية في الصحراء الكبرى

تسقط الطاقة في المناطق الحارة من إفريقيا وعلي الأخص في الصحراء الكبرى فترتفع درجة الحرارة إلى مايزيد عن 45 درجة مئوية. أي أن كل مترمربع من الصحراء يتلقى من الشمس طاقة تتعدى 1000 وات، الشيئ الذي دعى بلدان أوروبية مثل فرنسا وألمانيا في التفكير في استغلال تلك الطاقة مستقبلا لإمدادها بالطاقة الكهربائية عبر البحر الأبيض المتوسط . وقد بيـّنت الحسابات الأولية أن مساحة من الصحراء قدرها 16.000 كيلومتر مربع مغطاة بالمرايا المقعرة المستطيلة (أنظر الصورة أسفله ) تستطيع انتاج طاقة تكفي لتزويد القارة الأوروبية كلها بالطاقة الكهربائية . ونوقشت تلك المشروعات خلال اجتماعات دول المشاركة العربية الأوروبية . ومن حسن حظ الدول الواقعة في الصحراء الكبرى أنها يمكن أن تستغل تلك الطاقات بنفسها ، فهي لا تحتاج لإنشاء شبكة لكهرباء الضغط العالي بعيدة عن مراكز الانتاج كما هو الحال عند تصدير التيار إلى أوروبا عبر البحر الأبيض المتوسط . حيث يضيع قدر هائل في الطريق . لهذا تفكر البلاد الأوروبية في ابتكار و تنفيذ تكنولوجيا جديدة لنقل التيار الكهربائي عن طريق كابلات التيار المستمر .
انتاج الطاقة بوساطة الطاقة الشمسية يعمل أثناء سطوع الشمس ، وعندما يأتي الليل فهي لا تـُنتج ، لهذا فهذة الطريقة لاستغلال الطاقة المتجددة تحتاج إلى وسيلة لتخزين الطاقة أثناء النهار بحيث يمكن استهلاكها بعد غيات الشمس ، أو يمكن أيضا إنشاء محطات معتادة للطاقة إلى جانب المحطات الشمسية بحيث يستمر إنتاج الكهرباء ليلا و نهارا بدون انقطاع.
ومن ناحية أخرى فوسائل تخزين كتلة حرارية خلال عمل المحطة الشمسية في ساعات النهار عديدة ، أبسطها هو تخزين الماء الساخن للاستعمال في البيوت والمصانع ، هذا في حد ذاته يوفر استهلاك موارد قيمة لهذا الغرض . كذلك يمكن تخزين الحرارة في أملاح ذات درجة ذوبان عالية و يكون لها معامل حرارة كامنة مرتفع ، ويمكن سحب تلك الطاقة في وقت غياب الشمس . كما توجد طريقة تسمح بتخزين الكهرباء ، ألا وهي طريقة الكهرمائية ، ويكون ذلك عن طريق ضخ المياه إلى أعلى في خزانات كبيرة على هيئة بحيرات خلال ساعات النهار ، وانتاج الكهرباء من الخزان بواسطة التوربينات في وقت الليل.
تقوم مصر حاليا بإنشاء محطة مزدوجة للطاقة تربط بين إنتاج الطاقة الكهربائية بالمرايا الشـمسية وبالغاز في منطقة تقع نحو 100 كيلومترات جنوبا من القاهرة. ستعمل المحطة الشمسية ب 53000 وحدة من المراياالمقعرة بارتفاع 6 متر ، حيث تـُركز أشعة الشمس على أنابيب امتصاص مثبتة على طول خط بؤرة المرايا . سترتفع درجة حرارة الماء المار داخل الانابيب إلى نحو 400 درجة مئوية . ويُستغل البخار الناتج في إنتاج التيار الكهربائي بوساطة توربين و مولد كهربائي . سيعمل التيار الكهربائي الناتج على تخفيض طاقة المحطة العاملة بالغاز . فطاقة المحطة الشمسية تقدر بنحو 20 ميجاوات( مليون وات ) ، وبذلك يرتفع الإنتاج الكلي للمحطة إلي 150 ميجاوات . وطبقا لخطة الإنشاء فسوف تعمل المحطة عام 2010 وينضم إنناجها إلى شبكة التوزيع الكهربائي قي تلك المنطقة .

تعريف الخلايا الشمسية

إن الخلايا الشمسية هي عبارة عن محولات فولتضوئية تقوم بتحويل ضوء الشمس المباشر إلي كهرباء ، وهي نبائظ شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء .
لــقد تم إنــماء تقنيات كثيرة لإنـتــاج الخلايـا الشمسيـــة عبر عــــمــليات متسلسلة من المعالجات الكيميائية والفيزيائية والكهربــائيـــة عـــلى شكــل متكاثف ذاتي الآليــــة أو عالي الآلية ، كمـــا تـم إنماء مــــواد مختلفـــة من أشبــاه الموصلات لتصنيع الخلايـــا الشمسية على هيئة عناصر كعنصر السيليكون أو على هيئة مركبات كمركب الجاليوم زرنيخ وكربيد الكادميوم وفوسفيد الأنديوم وكبريتيد النحاس وغيرها من المواد الواعدة لصناعة الفولتضوئيات

تقنية التبريد الشمسي

ظهرت حديثا تقنية جديدة غريبة لاستخدام الطاقة الشمسية ، يمكن ترجمتها باسم التبريد الشمسي . و لقد بدأ بالفكرة وتصميم أول جهاز للتبريد باستعمال الطاقة الشمسية العالم الياباني Sanyo الذي صمم أول لوح من هذه الألواح التي تبلغ مساحتها 16 متر مربع . و يتلخص سر التقنية المذكورة في أن الالواح الشمسية تلتقط وتجمّع الطاقة الشمسية .بعد ذلك يتم تحويله إلى طاقة كهربائية التي تشغل بدورها طلمبة تقوم بدورة التبريد ، كما يمكن بها التدفئة أيضاً.