الطاقة الشمسية مميزاتها وعيوبها
يقدم اليوم السابع لقرائه كل ما يريدون معرفته عن مميزات الاعتماد على الطاقة الشمسية فى توليد الكهرباء و استخدامها فى الحياة اليومية، و تأتى أهم مميزاتها فى التكلفة، حيث أنها تعد الأقل تكلفة مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى، و فيما يلى أهم مميزات توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية:
1- بناء المحطة الشمسية وتشغيلها لا يتطلب وقتاً كبيراً لأنها تعتمد على خلايا بسيطة ولا تتضمن أى أجزاء متحركة.
2- المحطات الشمسية لا تحتاج لصيانة طوال فترة تشغيلها، ولا تتطلب سوى تنظيفها و بالتالى لا تتطلب تكلفة للصيانة أو التشغيل.
فوائد الطاقة الشمسية
توليد الطاقة الكهربائية يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى الطاقة الكهربائية بشكل مباشر باستخدام تقنيات الطاقة الكهروضوئية PV، فعندما تسقط أشعة الشمس على الوحدات الكهروضوئية، والتي تصنع من مواد شبه موصلة تكون في العادة أشكال مختلفة من السيليكون فإنه يتم تحرير الإلكترونات من روابطها الذرية، مما يؤدي إلى تدفقها، وإنتاج تيار كهربائي، ويكون أعلى إنتاج للطاقة الكهروضوئية في منتصف النهار عند وجود الشمس في أعلى نقطة في السماء، ويمكن تخزين الطاقة الشمسية المركزة لاستخدامها عند الحاجة كما في محطات الطاقة الشمسية المركزة، ومن التطبيقات على إنتاج الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية ما يأتي: يمكن لسكان المنازل تركيب عدد من الألواح الكهروضوئية للحد أو التخلص من تكلفة فواتير الكهرباء الشهرية، كما يمكن لمحطات الطاقة الشمسية إنتاج طاقة كبيرة لتزويد عدد كبير من المنازل بها. تُستخدم أشباه الموصلات في غالبية المنتجات الإلكترونية كمكبرات الصوت، ورقائق الكمبيوتر، والآلات الحاسبة الجيبية. يمكن إنتاج الطاقة الكهربائية لتزويد الأقمار الصناعية الموجودة في الفضاء، بما تتضمنه من أجهزة راديو، وأجهزة كمبيوتر، حيث تعدّ تكلفة إطلاق هذه الأقمار وصعوبة صيانتها سبباً في الحاجة إلى الطاقة الشمسية التي تعدّ مصدراً موثوقاً. توليد الطاقة الحرارية يمكن توليد الحرارة باستخدام الطاقة الشمسية لاستخدامها في مجالات عديدة كتدفئة المنازل، وطهي الطعام في أفران شمسية مصممة لذلك، والتي تعتمد غالباً على تركيز الأشعة الشمسية من منطقة واسعة على نقطة مركزية، بالإضافة إلى تسخين المياه، والتي تفيد في أغراض عدة كالاستحمام، وغسل الملابس، ومياه السباحة، ومن أكثر الأجهزة الشائعة في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية مجمعات الألواح المسطحة (بالإنجليزية: flat-plate collectors)، والتي تمتد على مساحة واسعة لجمع ما يكفي من الطاقة، وتتكون أكثر هذه المجمعات استخداماً من لوحة معدنية سوداء تُغلف بلوح أو لوحين من الزجاج، والتي تُسخن من أشعة الشمس الساقطة، ثم تُنقل الحرارة إلى الماء أو الهواء، ويمكن تخزين الحرارة الناتجة للاستخدام في الأيام الملبدة بالغيوم، أو في أوقات الليل. فوائد أخرى للطاقة الشمسية تستخدم الطاقة الشمسية في أغراض أخرى غير توليد الكهرباء والحرارة ولكن بشكل أقل، فمثلاً يمكن استخدامها في تبخير الماء من مياه البحر لإنتاج الملح، وفي عمليات تحلية المياه، والتي تعني تحويل المياه المالحة إلى مياه صالحة للشرب، كما يمكن استخدام الطاقة الشمسية في إنتاج الهيدروجين كمصدر بديل للطاقة المتجددة النظيفة من خلال فصل الماء إلى عناصر الأكسجين والهيدروجين، والذي يحاكي عملية التمثيل الضوئي في النباتات، ويعدّ استخدام الطاقة الشمسية في الإضاءة مثالاً آخر على فوائد الطاقة الشمسية كاستخدام الطاقة الشمسية لإضاءة إشارات التوقف، أو لوحات الرسائل التي تستخدم في أعمال البناء، أو إشارات السرعة المحددة.
أهمية الطاقة الشمسية
الطاقة الشمسية طاقة نظيفة ومتجددة تزداد أهمية في سوق الطاقة إلى جانب الطاقات المتجددة الأخرى التي يعود مصدرها للرياح والكتل الحيوية. غير أن ارتفاع تكاليف منشآت الطاقة المذكورة ما تزال تحول دون انتشارها بالشكل المطلوب.
الأرض الأرض هو أحد كواكب المجموعة الشمسية المعروف بوجود الحياة على سطحه، وهذا يرجع للعديد من الأسباب، ومن أهمها الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض بنسبةٍ معينةٍ، فالشمس هي المصدر الأساسي للطاقة على سطح الأرض، والذي تنشأ منها العديد من الظواهر المختلفة. أهمية الطاقة الشمسية في وجود الحياة إنّ وجود الحياة على سطح الأرض وتأثير الطاقة الشمسية في ذلك يعدّ أهم المزايا التي توفرها الشمس للأرض وسكانها، فتساعد الطاقة الحرارية الواصلة من الشمس بالإبقاء على جوّ الأرض دافئاً، بينما يساعد الغلاف الجوي الذي يحيط بالأرض في حفظ هذه الطاقة بكميةٍ مناسبة. كما تعدّ الطاقة الشمسية عاملاً مهمّاً للحيوانات والنباتات على حدٍّ سواء، إذ إن عملية البناء الضوئي في النبات لا تتم إلا بوجود هذه الطاقة، والتي لولاها لما بقي الأكسجين الذي تتنفسه جميع الكائنات الحية على سطح الكوكب بنسبٍ متوازنة، فتقوم عملية البناء الضوئي بتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين مرةً أخرى لتتمكن الكائنات الحية من تنفسه. أمّا الضوء الذي توفره أشعة الشمس فهل يمكن لك أن تتخيل الحياة على سطح الأرض من دون ذلك الضوء؟ وحتى الضوء الخافت الذي يصلنا في الليل من القمر يكون بفعل انعكاس أشعة الشمس على سطح القمر، فلولا ذلك الضوء لكانت الأرض ظلاماً دامساً، عدا عن أهمية الطاقة الشمسية في دورة المياه في الطبيعة كونها العامل الرئيسي في هذه الدورة وغيرها العديد. كما يتمّ بناء العديد من المواد اللازمة لبقاء الإنسان على قيد الحياة بفعل أشعة الشمس، كفيتامين د على سبيل المثال، والذي يعدّ ذا أهميةٍ كبيرةٍ في تمتع الإنسان بصحته. أهمية الطاقة الشمسية كطاقةٍ متجددة لقد بدأ الإنسان بالاستفادة من كلّ ما حوله منذ أن وجد على سطح الأرض، وكذلك الأمر بالنسبة للطاقة الشمسية التي أصبحت محطّ الأنظار في تطوير الإنسان حول الطاقة النظيفة والمتجددة، فمنذ الثورة الصناعية ازداد الطلب بشكلٍ هائلٍ على أشكال الطاقة المختلفة، وأصبح الوقود الأحفوري هو الخيار الأول لدى الإنسان، إلّا أنّ المضار الذي يشكله هذا الوقود وعدم ديمومته أدت إلى النظر إلى مصادر أخرى للطاقة فكانت الطاقة الشمسية أولى هذه المصادر، حيث إنها طاقة متجددة غير قابلةٍ للنضوب، كما أنها طاقة نظيفة. حتى لو نظرنا إلى أشكال الطاقة المتجددة الأخرى فسيكون أصلها الطاقة الشمسية، فتتكون طاقة الرياح على سبيل المثال بفعل الطاقة الشمسية، إذ إنّ أشعة الشمس تصل إلى المناطق المختلفة على سطح الأرض بكمياتٍ غير متساوية، فيتمّ تسخين خط الاستواء على سبيل المثال أكثر من القطبين، ممّا يسبب فروقاً في الضغط الجوي، ويسبب بالتالي حركة الرياح على سطح الأرض، فبهذا يكون السبب الرئيسي وراء حركة الرياح التي يتمّ استخدامها كطاقة متجددة هي الطاقة الشمسية. كذلك الأمر بالنسبة لاستخدام الأنهار والشلالات كمصدرٍ للطاقة المتجددة، إذ إنّ معظم الأنهار تستمر بالجريان نتيجة دورة المياه في الطبيعة وسقوط الأمطار في منابع الأنهار، وما كانت الأمطار لتحدث لو لم تبخرها أشعة الشمس في المقام الأول من على سطح الأرض.
استخدامات الطاقة الشمسية
تسخين المياه وتطهيرها تُستخدم الطّاقة الشمسية لتسخين المياه عبر السّخان الشمسي، والذي يُعد وسيلة أكثر نظافة وأقل تكلفة تشغيل من المواقد التي كانت تستخدم لهذا الهدف، والتي كانت تعتمد على حرق الخشب أو الفحم، وعلى الرغم من انخفاض تكلفة النفط والغاز الطبيعي في أوائل القرن العشرين، ولجوء بعض البلدان لاستبدال سخّانات الماء الشمسية بهما، إلّا أن بعض البلدان الأخرى كأستراليا، وإسبانيا ما تزال تطلب استخدامها في أي بناء جديد، إلى جانب ذلك فإن ما يُقارب 28 دولة نامية تستغل الطاقة الشمسية في تطهير المياه لجعلها صالحة للشّرب بصورة يوميّة، وذلك عن طريق تعبئة المياه في الزجاجات البلاستيكيّة ثُم تعريضها لأشعة الشمس لعدة ساعات. توليد الكهرباء تقوم العديد من المصانع باستغلال حرارة الشمس لتوليد الطاقة الكهربائية باعتبارها مصدراً وفيراً للطاقة المتجدّدة، وتقوم هذه العملية على استخدام مرايا تتبّع للشمس تعكس أشعتها إلى نقطة مركزيّة في قمة برج يحتوي على أنابيب فيها سائل يقوم بامتصاص الحرارة، ثُم يتم ضخ هذا السائل عندما يُصبح ساخناً في مولد يعمل على تحويله إلى بخار، ويعمل هذا البخار الناتج على قيادة توربين مسؤول عن توليد الكهرباء. تدفئة المنازل يُمكن الاعتماد على الطاقة الشمسية للعمل على تدفئة الغرف والمنازل، ويُمكن توضيح ذلك من خلال نموذج (الغرفة الشّمسية)، ففي هذا النموذج تسمح الغرفة الزجاجية بعبور أشعة الشمس إلى داخلها خلال النهار من خلال ميزة الزجاج الشفاف الجامع لهذه الأشعة؛ للحصول على تدفئة للغرفة، ولاستمرار الحصول على التدفئة في فترة ما بعد مغيب الشمس فإنه من الممكن إضافة النباتات والصخور في الغرفة كنوع من الديكور، حيث سيُستفاد من هذه الصخور في أنها ستعمل على تخزين الحرارة ثُم الاستفادة منها بعد الغروب.
عيوب ألواح الطاقة الشمسية
مع أنّ الطاقة الشمسية من أنواع مصادر الطّاقة الطبيعية والمجانية والتي من المُمكن الحصول عليها بسهولة، ولكنها تُعاني من مجموعةٍ من العيوب، وهي: تعتبر تكلفة إنشاءِ أنظمةِ أشعةِ الطّاقةِ الشمسيةِ مرتفعةً جداً، لذلك لا يُفضل العديد مِن الأشخاص استخدامها في الأمور الشخصية كالاستخدام المنزلي. لا يُمكن الحصول على الطّاقة الشّمسية إلا في فترة النّهار، لذلك لا يُمكن استخدامها، أو الاعتماد عليها أثناء الليل. في الأجواء الضبابية والماطرة تقلّ كفاءة استخدام الطاقة الشّمسية كمصدرٍ من مصادرِ توليد الطّاقة. يَجب الحرص على تَنظيفِ ألواح الطاقةِ الشمسية باستمرار، وإزالة الأتربة أو الأشياء التي تحجبها عن أشعة الشمس. لا يُمكن استخدام ألواحِ الطّاقة الشمسية في الأماكن المغلقة، أو الضيّقة، أو التي لا تصلها أشعة الشمس بشكلٍ كُلي.
حذر مختصون سعوديون ومستثمرون في مجال تقنيات الطاقة الشمسية من افتقار ألواح الطاقة الشمسية المبيعة في السوق السعودية لتقنيات التنظيف الذاتي وتخزين الأشعة وقدرات الامتصاص الفعالة للأشعة الشمسية، بما في ذلك المصانع المنشأة حديثا في السوق السعودية لتصنيع الألواح الشمسية. وقال المختصون، إن الألواح الشمسية المنتشرة حديثا في العالم، وفي الأسواق المجاورة مثل السوق الإماراتية، لها آلية معينة في التنظيف، والبعض الآخر تقوم بتنظيف ذاتي من خلال إعطاء نفسها شحنة كهربائية، فيما تتسم تلك التي تباع في السوق المحلية، أو التي تصنعها مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية بعدم وجود تقنية التنظيف الذاتي. وأضافوا: “كما أن الألواح الشمسية المستخدمة محليا غير قادرة على جذب أو امتصاص أشعة الشمس حين تصل درجة الحرارة إلى مستويات مرتفعة جدا، إلى جانب أن البطاريات غير قادرة على تخزين أشعة الشمس أو الكهرباء الناتجة من أشعة الشمس لأكثر من 12 ساعة. من جهته، قال لـ”الاقتصادية” الدكتور هيثم باحيدرة؛ باحث في الطاقة في جامعة الملك فهد للبترول والمعادن، إن الألواح الشمسية التي تباع في السوق أو الموجودة في السعودية أو التي تصنعها مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية لا يوجد فيها تقنية التنظيف الذاتي. وأضاف، أن التنظيف الذاتي أمر مستقل، حيث إن بعضها له آلية معينة في التنظيف والبعض الآخر تقوم بتنظيف نفسها، وذلك من خلال إعطاء نفسها شحنة كهربائية تقوم هذه الشحنة بدفع جميع الحبيبات الصغيرة التي تسقط عليها مثل الغبار والأتربة. وأوضح، أنه في حال كان سطح الألواح جافا يسهل عملية طرد ما يسقط عليها، أما في حال كان السطح رطبا كما هو الأمر في المناطق الساحلية فليس من السهل طرد الأشياء المتساقط عليها ولو حتى بشحنة كهربائية”، مبينا أن الأمر لم ينضج بعد وأنه مازال في مراحله الأولى من التكوين والبحث. وحول قدرة الألواح الشمسية على جذب أو امتصاص أشعة الشمس حين تصل درجة الحرارة مستويات مرتفعة، أبان الباحث في الطاقة في جامعة الملك فهد للبترول والمعادن، أن من الممكن أن تقوم الألواح الشمسية بجذب أو امتصاص أشعة الشمس من خلال التبريد، موضحا أنه “لن يحدث هذا الأمر إلا عن طريق تبريد الخلية الشمسية نفسها من الخلف، من خلال عرض سطح الخلية الأمامي للشمس لسحب حرارة الشمس، ومن ثم الحصول على درجة تركيز عالية”، مشيرا إلى أن الخطوة مرتبطة بارتفاع درجة الحرارة. وبين، أن ارتفاع درجة حرارة الخلية الشمسية يتسبب في حدوث مشكلات في درجة أداء الخلية، مفيدا بأن الحل الوحيد لها هو التبريد للجانب الآخر للسطح”، منوها إلى أن بعض الأبحاث تقوم بالاستفادة منها في الطاقة الحرارية والشمسية في الوقت نفسه. وعن إمكانية قدرة البطاريات على تخزين أشعة الشمس أو الكهرباء الناتجة من أشعة الشمس لعدة ساعات، قال الدكتور هيثم باحيدرة، إن البطاريات قادرة على تخزين أشعة الشمس أو الكهرباء الناتجة من أشعة الشمس لأكثر من 12 ساعة، إلا أن الأمر مكلف جداً، لافتاً إلى ضرورة تحديد نوع التخزين أولا، حيث إن هناك عدة أنواع من التخزين منها الكهربائي والحراري. وأشار إلى أن “التخزين الحراري من أنجح أنواع التخزين وذلك لاستخدامه في معظم الأوقات في مواد معينة مثل الأملاح، لما لها من القدرة على تخزين الحرارة والاحتفاظ بها إلى 400 درجة مئوية، ومن ثم إمكانية إعادة استخدامها ليلاً في حال كانت الأجواء باردة. أما فيما يتعلق بتخزين الكهرباء مباشرة في البطاريات، فبين أنه أمر غير مجدٍ، ويعود السبب إلى المدة التي تعيشها البطاريات التي لا تتجاوز السنتين، وأن هذا الأمر يشكل تكلفة مادية عالية”، منوها بأن كثيرا من الباحثين لا يفضلون استخدام البطاريات الكهربائية لعدم جدواها اقتصادياً. من جهته، قال المهندس عبدالله المقهوي مستشار في علم الكهرباء، إن الرياح المصاحبة للغبار التي تهب مرارا في أرجاء السعودية تتسبب في تغطية الألواح الشمسية بالغبار بشكل جزئي، مبينا أن هذا الأمر يسهم في تقليل كمية الكهرباء المتولدة منها، ومن ثم تقليل الموثوقية لهذه الألواح. وأضاف، ولإزالة الغبار يلجأ أغلب مستخدمي هذه الألواح إلى التطبيقات البسيطة التى يتم تنظيفها يدويا بالأدوات المستخدمة في التنظيف مثل “المكنسة أو باستخدام الماء بضغط عال أو منخفض”، حسب الحاجة، لافتا إلى أن التنظيف اليدوي مكلف ويقلل من الجدوى الاقتصادية لتركيب أنظمة الطاقة الشمسية الكبرى والمعروفة بمزارع الطاقة الشمسية. وأوضح ذلك قائلا، “لك أن تتخيل الحاجة، إلى إيفاد صهاريج ماء للصحراء مزودة بمضخات لتنظيف هذه الألواح، حيث إن في هذا زيادة للتكلفة وهدرا للمياه وزيادة في توقف الألواح الشمسية عن إنتاج الكهرباء”. #2# وأبان المقهوي أن هناك تقنيات مختلفة للتعامل مع الأتربة العالقة في الألواح الشمسية، التي من بينها تصميم ألواح بتقنيات تقلل من التصاق الأتربة بالألواح الشمسية، وتقنيات تستخدم الروبوت الآلي الذي يستخدم بـ”مكنسة أو ماء مضغوط لتنظيف الألواح المتسخة”. وأتبع “استخدام أي تقنية يخضع للجدوى الاقتصادية، فليس من المعقول في الوقت الحاضر أن نركب روبوت تنظيف لكل لوح شمسي مخصص لعمود إنارة واحد، لأن هذا الروبوت مكلف ويحتاج أيضا لصيانة”، متوقعا خلال السنوات المقبلة توافر تقنيات تجعل التعامل مع الغبار أكثر كفاءة وأقل تكلفة. وكشف المقهوي عن الأبحاث المشتركة التي تجريها جامعة الملك فيصل في الأحساء مع إحدى الشركات الكبرى ممن لها علاقة بالتنظيف الآلي للألواح الشمسية. وفيما يتعلق بالتحديات التي تواجه استخدام الطاقة الشمسية أفاد المقهوي، بأن من التحديات التي تواجه استخدام الطاقة الشمسية بكفاءة عليا، هي درجة الحرارة المرتفعة جدا التي لا تسمح لخلية الشمس أحيانا بامتصاص الأشعة، وأشار إلى أسعار نظم الطاقة الشمسية، مبيناً أنها تزيد بزيادة عدد البطاريات المطلوبة لتخزين لكهرباء لفترات أطول، ولذلك اتجه بعض مستخدمي الطاقة الشمسية لطرق ذكية لتفادي استخدام البطاريات أو التقليل منها. وأضاف أنه على سبيل المثال ” يلجأ بعض مزارعي الأردن لتشغيل مضخات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية نهارا، حيث يخزن الماء في برك كبيرة، وفي الليل، تفتح تلك البرك لري الزرع، وبهذا يقللون من التكلفة”. وأوضح، أن المملكة تستورد ألواح الطاقة الشمسية من دول عدة منها الصين، اليابان، كوريا، ألمانيا ، الأردن وغيرها، مبينا أن الشركات الكبرى تفضل الاستيراد من شركات لها سمعة متميزة مثل ميتسوبيشي اليابانية، فيما يفضّل الزبائن العاديون ألواح الطاقة الشمسية القادمة من الصين لرخصها، حيث تمتلئ محال ألواح الطاقة الشمسية في الرياض بها، لافتا إلى أن الألواح الشمسية الصينية تعتبر الأرخص. وبشأن صناعة الطاقة الشمسية في السعودية قال المقهوي، إنها تعد بكرا قياسا على مثيلاتها في المنطقة من ناحية اكتمال التشريعات والنظم، التي تتمثل في المواصفات والمعايير الهندسية والجودة والسلامة والتدريب وغيرها. وتابع “قد أتاح ذلك الفراغ لبعض أصحاب المحال غير المؤهلين دخول سوق الطاقة الشمسية عن طريق بيع ألواح شمسية وبطاريات ومحولات غير مطابقة للمواصفات والمقاييس السعودية، بل إن بعض المحال يوصي باستخدام بطاريات ومحولات وأسلاك كهربائية غير ملائمة لطبيعة استخدامها. وأضاف، أن البعض يستخدم بطاريات السيارات لتخزين الطاقة الكهربائية بدلا من البطاريات المصنعة للطاقة الشمسية المعروفة بالدورة العميقة المصممة للطاقة الشمسية التي هي أكثر تكلفة من بطاريات السيارات، حيث إن بطاريات الدورة العميقة أكثر اعتمادية وأداء”. وعلى صعيد أسعار الألواح الشمسية في السوق السعودية، أفاد بأن الأسعار متقاربة نسبيا (4 ريالات لكل واط). بدوره، قال أحد المستثمرين في الطاقة الشمسية داخل المملكة، إن هناك نوعين للطاقة الشمسية، وهي “طاقة تعتمد على الخلايا الكهربائية، وطاقة تعتمد على النظام المركز”. وأشار إلى الأحجام والأسعار التي يستخدمها، بالقول، “تتفاوت أسعار الطاقة بحسب التقنية المستخدمة وحجم الاستهلاك، فهناك منازل تقوم بتركيب الطاقة بمبلغ 20 ألفا ومنازل أخرى بمبلغ 40 ألفا”. وأوضح المستثمر، أنه ليس هناك إقبال كبير على استخدام الطاقة الشمسية من قبل المواطنين حتى بعد أن تم رفع الدعم عن الكهرباء.
مشاكل الطاقة الشمسية وحلولها
أصبحت تطبيقات محطات الطاقة الشمسية واسعة الانتشار بحيث يُعتمد عليها الآن لإنتاج كميات هائلة من الطاقة المستخدمة في المصانع والمنازل.ويتم توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية بطريقتين مختلفتين: إما عن طريق محطات الطاقة الشمسية الحرارية التي تقوم باستغلال الحرارة الناتجة من الإشعاع الشمسي، أو عن طريق محطات المصفوفات الضوئية الجهدية، التي تقوم باستغلال الضوء الساقط على الأرض من الشمس.
وتتكون “محطات الطاقة الشمسية المُركزة” من أبراج مرتفعة بداخلها خزان مياه وتوربين، تحيطها مرايا تسمى الهيليوستات، وظيفتها امتصاص وتجميع وتركيز أشعة الشمس في نقطة واحدة وتوجيها لتسقط مباشرةً على مستقبل شمسي مركزي مُثبت أعلى البرج.
يحتوي المستقبل الشمسي على سائل موصل للحرارة، يقوم بامتصاص حرارة الشمس المُركزة لتصل درجة حرارتها إلى 600 درجة مئوية أو أكثر.
يمر السائل عبر مبادل حراري لتسخين مياه الخزان حتى تبلغ مرحلة الغليان عند 100 درجة مئوية، ومن ثم يتصاعد البخار الذي بدوره يدير التوربين فتتولد الكهرباء.
تُصنع المستقبلات الشمسية من عدة مواد، أهمها مادة كربيد السيليكون، وهي مادة مسامية خزفية تتسم بنفاذيتها وقدرتها على الامتصاص ومقاومة الأكسدة، كما تتميز بكثافتها المرتفعة وصلابتها، ولكنها تتأثر بالبيئة القاسية التي تخلفها الأملاح المنصهرة، وهو ما قد يقصر من عمر المحطة.
من أجل ذلك، طورباحثون من مركز بحوث وتطوير الفلزات المصري، وكلية العلوم بجامعة عين شمس في القاهرة -بالتعاون مع باحثين من الجامعة الوطنية للعلوم والتكنولوجيا في روسيا ومن مركز الطيران والفضاء الألماني- مادة كربيد السيليكون الكيميائية، المسؤولة عن امتصاص أشعة الشمس في الأبراج الشمسية، وذلك بإضافة مادة نيتريد الألومنيوم إليها، ما يسمح بإضافة سنتين إلى خمس سنوات إلى العمر الافتراضي لتلك الأبراج.
وتُعد مشكلة “نفاد الطاقة” واحدةً من المشكلات الكبرى التي تمثل تحديًا كبيرًا لعالمنا في المستقبل، ويسعى العلماء بلا ملل لإيجاد حلول لهاعن طريق تطويرمحطات الطاقة المتجددة.
المواد المتراكبة
تفيد نتائج الدراسة أن الباحثين أضافوا مادة نيتريد الألومنيوم إلى كربيد السيليكون لإنتاج مادة متراكبة لها خصائص كيميائية جديدة قد تساعد في إطالة العمر الافتراضي للمستقبلات الشمسية.
ويتميز نيتريد الألومنيوم بأنه موصل جيد للكهرباء ويقاوم درجات الحرارة المرتفعة، كما أنه لا يتمدد بالحرارة. وفي الوقت الراهن، يُستخدم كلٌّ منAlNوSiCبشكلٍ أساسي في العديد من الصناعات، مثل صناعة الإلكترونيات، ولكن يُحتمل أن يتم استخدامهما معًا في مجالاتٍ أخرى، منها صناعة مستقبلات الطاقة الشمسية.
يوضح “عماد عويس” -رئيس مركز بحوث الفلزات والباحث الرئيس في الدراسة- لـ”للعلم” أهمية هذا الخليط، إذ يقول: “إن عملية الأكسدة تتسبب في تقليل العمر الافتراضي للمستقبلات الشمسية؛ إذ يتأكسد السليكون كربيد ليتحول إلى ثاني أكسيد السيليكون، وهنا يأتي دور نيتريد الألومنيوم، الذي يتأكسد هو الآخر، ليتحول إلى أكسيد الألومنيوم، فيشكل طبقة عازلة تحافظ على التركيب الكيميائي للمستقبلات لمدة زمنية أطول.
سابقًا، حضّر العلماء مادة مركبة من نيتريد الألومنيوم وكربيد السيليكونAlN/SiCبطرقٍ متباينة، بيد أنها كانت مرتفعة التكلفة، كما كانت تستغرق وقتًا طويلًا في تحضيرها.
على النقيض من ذلك، اعتمد العلماء في الدراسة الجديدة على استخدام أسلوب أسهل في التحضير يعرف بالتلبيد، وقد طبقه الباحثون في إنتاج نسب مختلفة من مادة الـAlN/SiC؛ إذ كانت تتراوح نسبة الـAlNمن صفر%إلى 40% من تكوينها.
يشدد “عويس” على أن تكلفة الإنتاج متوسطة بمقاييس التجارب المعملية، ولكنها قد تنخفض في حال اعتمادها صناعيًّا من قِبَل الهيئات المعنية بمحطات الطاقة الشمسية.
ويتم إنتاج مادة الـAlN/SiCعن طريق تبخير الـAlNثم ترسيب بخاره على سطح حبيبات الـSiC، وأخيرًا يتم الحصول على المادة المركبة.
وللتأكد من تكوينها، لجأ الباحثون إلى المجهر الإلكتروني الماسح، الذي يُستخدم في تصوير تضاريس وسطح المواد المتراكبة ومعرفة حجم المسام على السطح.
وفي تصريحات خاصة لـ”للعلم”قال “دانيال كامين” -رئيس قسم الطاقة والموارد بجامعة كاليفورنيا- معلقًا على نتائج الدراسة: “إنه من الرائع أن نرى محاولات السعي الحثيثة التي يقوم بها العلماء من أجل إطالة العمر الافتراضي للمحطات الشمسية، والتي تُعَد عملًا عظيمًا سيعود بالنفع على الصناعة.
ويقول “دانيال”: “إنه يجب على الفريق البحثي إخضاع المادة التي تم تعيينها في البحث للاختبارات المعملية والميدانية في المحطات الشمسية، مشيرًا إلى ضرورة العمل على إيجاد حلول لمشكلة تراكم الأتربة والمواد الأخرى على المرايا والمستقبلات الشمسية”.
وتعقيبًا على تعليق “دانيال” قال “عويس”: “إن مادة الـAlN/SiCيجري الآن بالفعل اختبارها على أبراج الطاقة الشمسة المركزة بألمانيا، وتشير النتائج الأولية إلى كفاءة بعض التركيزات، مضيفًا أنه يمكن استخدامها كذلك في مجالاتٍ أخرى كالتعدين والهندسة الفضائية؛ لما لها من خصائص كيميائية حرارية وكهروميكانيكية جيدة”.
وفيما يتعلق بمشكلة تراكُم الأتربة، قال “عويس”: “لسنا معنيين هنا بحل تلك المشكلة؛ فدورنا في هذا البحث هو تطوير التركيب الكيميائي للمستقبلات الشمسية فحسب”، مستطردًا أن ما يسعى له العلماء في أبحاث أخرى، في هذا الصدد، هو تصنيع مادة ذاتية التنظيف تدخل في تركيب المرايا، تكون مهمتها طرد الأتربة وكأنها أقطاب مغناطيسية متنافرة.
وبخصوص الخطوة القادمة، صرح “عويس” لـ”للعلم”: إن ثمة مشروعًا بحثيًّا كبيرًا سيبدأ في الشهور القليلة القادمة تحت مظلة الاتحاد الأوروبي، ويضم كلًّا من مصر وتونس واليونان ومعهد الفضاء الألماني للعمل على طرق تُمكِّن من تخزين الطاقة الشمسية لاستخدامها ليلًا. واختتم حديثه قائلًا: إن هذا المشروع البحثي يتضمن تطبيقات أخرى، منها الاستعانة بالطاقة الشمسية في فصل مكونات الماء إلى أكسجين وهيدروجين، وهي عملية بالغة الصعوبة، ولكنها في الوقت ذاته شديدة الأهمية.
مميزات وعيوب طاقة الرياح
يُشير علم الطقس إلى الرياح بأنّها حركة الهواء القريب من سطح الأرض، وتلعب الرياح دورًا مهمًا جدًا في تحديد المُناخ والطّقس والتحكّم بهما، وتتشكّل بفعل الاختلاف العموديّ والأفقيّ للضغط الجويّ؛ حيث يرتبط اضطراب الريّاح به بشكلٍ كبيرٍ، وتتدفّق الريّاح بشكلٍ عامٍ حول المناطق التي تمتلك ضغطًا عاليًا نسبيًا ومنخفضًا نسبيًا، وعلى الرّغم من الآثار السلبيّة للرياح إلى أنّها تعود على الأرض بطاقةٍ مهمةٍ تُسمّى طاقة الرياح؛ وهي أحد مصادر الطّاقة المُتجددة. طاقة الرياح يُشير مفهوم طاقة الرياح إلى أحد أشكال تحويلات الطّاقة؛ حيث تقوم طواحين الهواء أو المحرّكات التوربينيّة بتحويل الطّاقة الحركيّة للرياح إلى طاقةٍ كيميائيّةٍ أو كهربائيةٍ يُمكن استخدامها كأحد مصادر الطّاقة، وقد استُخدمت طاقة الريّاح المُنتجة عبر الطواحين منذ قرونٍ من أجل طحن الحبوب وضخ المياه، كما استُخدمت الرياح كأحد مصادر الطّاقة تاريخيًا للنقل أو إنتاج الطعام؛ حيث استُخدمت الريّاح التّجارية وهي الريّاح التي تتدفق بنفس الاتجاه في معظم الأوقات لنقل السفن والحمولات عبر المحيطات، وما زالت بعض السفن الضخمة تستخدم طاقة الرياح إلى هذا اليوم. طريقة عمل توربينات الريّاح تُعدّ توربينات الريّاح -وهي المحركّات التي تولّد الطاقة من الريّاح- أحد أسرع مصادر الطّاقة في العالم والأكثر نموًّا، كما أنّها تتميّز بتوليدها للطاقة الكهربائيّة دون بعث غازات الدفيئة إلى البيئة كتلك الناتجة من الوقود الأحفوري، وتُستخدم طواحين الهواء في الوقت الحالي لتحويل الطّاقة الميكانيكيّة القادمة من الريّاح إلى طاقةٍ كهربائيّةٍ، وتتكوّن توربينات الرياح من ثلاثة أجزاء رئيسة كما يأتي: البرج: وهو السّاق الطويل الذي يرتبط بالأرض. الشّفرات: وترتبط بالمركز الرئيس أو الدّوار. الباسنة: وهي غطاء المحرّك وتُوجد على شكل صندوق خلف الشّفرات وتحتوي على المولّد. يدور الدّوار أو المركز الرئيس في التوربينات في حالة تعرّضه لرياح قويةٍ بشكلٍ كافٍ، ويرتبط الدّوار بقضيب للدفع، ويصل هذا القضيب بدوره إلى الباسنة خلف الشفرات ويشغّل المولّد، ويقوم المولّد بدوره بإنتاج الطّاقة الكهربائيّة التي يُمكن تحويلها إلى الجهد الكهربائيّ المُناسب لشبكة الكهرباء، وعادةً ما تُوضع توربيتات الرياح التي تستخدمها الشركات المزوّدة للطاقة في مجموعات أو صفوف تسمّى مزارع الريّاح للاستفادة من المناطق التي تُوجد بها الرياح. فوائد طاقة الرياح تتميّز طاقة الريّاح بأنّها تمتلك طاقة ذات كثافة عاليّة بالنسبة لحجم الحيز الذي تتّخذه؛ حيث سيتطلّب الموقع الذي يحتوي على رياح ثابتة ومستمرة كمية أقل من محطات الطاقة مقارنةً مع الموقع الذي تصله رياح قليلة، وعلى الرّغم من عدم توفّر الرياح بشكلٍ دائمٍ؛ وهو أحد الأمور المرتبطة بسلبيات طاقة الرياح إلّا أنّ هُناك العديد من الفوائد التي ترتبط بها ومنها الآتي: يتميّز استهلاك طاقة الرياح للمياه بأنّه الأقل بين المصادر الأخرى؛ وهو أمر مهم جدًا نظرًا لانخفاض مصادر المياه في العالم. تسهم طاقة الريّاح في دفع البشر لاستهلاك واحتياج كميات أقل من مصادر الوقود. تتميّز طاقة الريّاح بعدم إصدارها لأي نوع من أنواع غازات الدفيئة، وتسهم في تقليل كميات الكربون التي تُطلق في البيئة. استخدام طاقة الرياح تنتُج الريّاح بسبب تسخين الشّمس لسطح الأرض بشكلٍ غير متساوٍ؛ حيث يرتفع الهواء الساخن ويتحرّك الهواء الأبرد لملىء الأماكن الخاليّة، وسيستمر تدفّق الهواء تزامنًا مع إشراق الشّمس، الأمر الذي يسهم في استخدام الريّاح كأحد أشكال الطّاقة، وما يأتي بعض الحقائق حول استخدام طاقة الرياح: ارتفع استخدام توربينات الرياح أكثر من 25% في السّنة الواحدة خلال العقد الماضي، وعلى الرّغم من ارتفاع هذه النسبة إلّا أنّ الطاقة الناتجة من هذا القطاع لا تزال تُزوّد كميةٍ قليلةٍ من الطّاقة العالمية. يولّد أكبر التوربينات في العالم طاقةٍ كافيةٍ لعامٍ واحدٍ؛ أي 12 ميغاواط ساعي، وبالتّالي فإنّه يُزوّد 600 بيت تقريبًا بالطّاقة في الولايات المتّحدة الأمريكيّة، وتتميّز التوربينات الأصغر حجمًا بقدرتها على توليد طاقة كهربائيّة كافية لمنزل واحد أو محل تجاري واحد. تتميّز طاقة الريّاح بأنّها لا تحتاج لكلفة تشغيلية بعد عمليّة نصب التوربين، وتسهم التكنولوجيا المتقدّمة بصناعة توربينات بتكلفة أقل أيضًا. تحتوي التوربينات على بعض السلبيات والعيوب؛ حيث اشتكى بعض السّكان من أنّها صاخبة، كما يُمكن أن تقتل الشفرات ذات الدوران البطيء الطيور والخفافيش. تزدهر طاقة الرياح بفضل الجهود العالميّة لمكافحة تغيّر المُناخ؛ كاتفاقيّة باريس، وقد زادت طاقة الرياح الكليّة في حميع أنحاء العالم من 17000 ميغاواط إلى أكثر من 430000 ميغاواط، وقد تجاوزت الصين الاتحاد الأوروبي في عدد التوربينات في عام 2015. يعتقد الخبراء أنّه في حالة تطوّر قطاع طاقة الريّاح فإنّها ستحتل المرتبة الثالثة من مصادر تزويد الكهرباء بحلول عام 2050. يُشكّل التغيّر أو التقلّب المُستمر في سرعة الرياح من شهرٍ إلى آخرٍ أو من يومٍ إلى آخرٍ وحتّى في ساعات اليوم الواحد تحدٍ كبيرٍ في هذا المجال، وخاصّةً أنّ الطّاقة النّاتجة يصعب تخزينها. قد تضطرب طاقة الريّاح أو تتداخل مع الأولويات الأخرى؛ نظرًا لأنّ الزيادة في استخدام هذه الطّاقة يتطلّب مساحاتٍ كبيرةٍ من الأرض؛ الأمر الذي يُمثّل أحد عقبات استخدامها. تتميّز الطاقة الصادرة من الرياح بأنّها متعددة الاستخدامات؛ حيث تؤدّي حركة الريّاح لإنتاج الطاقة الحركيّة؛ وهي الطّاقة التي تنتج بسبب تحرّك أي كتلة، ويُمكن تحويل هذه الطّاقة إلى أحد أشكال الطاقة الأخرى ومنها الطاقة الميكانيكيّة والطاقة الكهربائيّة وغيرها بحسب الاستخدام.
عيوبها
تهديد الحياة البرية تُشكل طاقة الرياح خطراً محدقاً على العديد من الطيور والمخلوقات الطائرة الأخرى كالخفافيش؛ إذ يؤدي اصطدام أحد هذه الكائنات بالشفرات الموجودة على التوربينات المُولِدة لطاقة الرياح إلى القضاء عليها، وتشير الدراسات إلى أن عدد الطيور التي تُقتل سنوياً في الولايات المتحدة الأمريكية بفعل التوربينات المولدة لطاقة الرياح يتراوح ما بين 10 آلاف إلى 440 ألف طير. الضوضاء تُعتبر الضوضاء والإزعاج من الأمور الضارة التي تترتب على استخدام طاقة الرياح؛ إذ تُشكل التوربينات التي تُستخدم لتوليد الطاقة من الرياح عامل إزعاج للأشخاص والسكان الذين يعيشون بالقرب منها، لذا فإنه يوصى بعدم بناء هذه التوربينات في المناطق المأهولة بالسكان، وتجدُر الإشارة إلى أن مشكلة الضوضاء لا تكون ذات أهمية على الإطلاق عندما يتم الحديث عن التوربينات الموجودة في البحار. وميض الظل يُمكن أن تتسبب طاقة الرياح بما يُعرف بوميض الظل (بالإنجليزية: Shadow Flicker)، وهو الأمر الذي يحدث عند دوران شفرات توربينات لإنتاج طاقة الرياح؛ إذ يتسبب هذا الدوران المُتكرر بما يُشبه الوميض الناتج من حَجْب هذه الشفرات للضوء بشكل مستمر ومتغير، وتشير الدراسات إلى أن هذا الوميض يمكن أن يؤثر على صحة الأشخاص المجاورين لهذه التوربينات، والذين يتعرضون له بما مجموعه 100 دقيقة في السنة الواحدة. تعرية التربة يمكن أن تتسبب طاقة الرياح بالإضرار بالتربة؛ من خلال عمليات التعرية التي قد تحدث نتيجةً لتشييد مشاريع بناء المحطات المخصصة لتوليدها، ويمكن تجنُب حدوث هذا الأمر من خلال عدم جَرْف الطرق والعمل على تجميع هذه المحطات وبنائها في موقعها. التأثير الجمالي يرى بعض الأشخاص بأن التوربينات الضخمة المنصوبة لإنتاج طاقة الرياح تُمثل تشوهاً جمالياً بالنسبة للمناظر الجميلة الموجودة في الطبيعة، فهي تصرف نظر المرء عمّا هو جميل في البيئة المحيطة بها.
بحث عن الطاقة الشمسية pdf
لتحميل الملف اضغط هنا
مميزات وعيوب الطاقة الشمسية pdf
لتحميل الملف اضغط هنا
