الطاقة الشمسية والطاقة الشمسية المركزة

الطاقة الشمسية والطاقة الشمسية المركزة

الطاقة الشمسية هي الضوء المنبعث والحرارة الناتجان عن الشمس اللذان قام الإنسان بتسخيرهما لمصلحته منذ العصور القديمة باستخدام مجموعة من وسائل التكنولوجيا التي تتطور باستمرار.تُعزى معظم مصادر الطاقة المتجددة المتوافرة على سطح الأرض إلى إشعاعات الطاقة الشمسية بالإضافة إلى مصادر الطاقة الثانوية، مثل طاقة الرياح وطاقة الأمواج والطاقة الكهرومائية والكتلة الحيوية.. من الأهمية هنا أن نذكر أنه لم يتم استخدام سوى جزء صغير من الطاقة الشمسية المتوافرة في حياتنا. يتم توليد طاقة كهربية من الطاقة الشمسية بواسطة محركات حرارية أو محولات فولتوضوئية.وبمجرد أن يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربية، فإن براعة الإنسان هي فقط التي تقوم بالتحكم في استخداماتها.ومن التطبيقات التي تتم باستخدام الطاقة الشمسية نظم التسخين والتبريد خلال التصميمات المعمارية التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية، والماء الصالح للشرب خلال التقطير والتطهير، واستغلال ضوء النهار، والماء الساخن، والطاقة الحرارية في الطهو، ودرجات الحرارة المرتفعة في أغراض صناعية. تتسم وسائل التكنولوجيا التي تعتمد الطاقة الشمسية بشكل عام بأنها إما أن تكون من نظم الطاقة الشمسية السلبية أو نظم الطاقة الشمسية الإيجابية وفقًا للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من خلالها.وتشمل التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية الإيجابية استخدام اللوحات الفولتوضوئية والمجمع الحراري الشمسي، مع المعدات الميكانيكية والكهربية، لتحويل ضوء الشمس إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة.هذا، في حين تتضمن التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية السلبية توجيه أحد المباني ناحية الشمس واختيار المواد ذات الكتلة الحرارية المناسبة أو خصائص تشتيت الأشعة الضوئية، وتصميم المساحات التي تعمل على تدوير الهواء بصورة طبيعية.

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 .

استخدام الطاقة الشمسية

استفاد الإنسان منذ القدم من الطاقة الشمسية عن طريق طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى. 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 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 .

كما تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي :-

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

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. وتم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء 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 ، 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 .

أما التحويل الحراري للطاقة الشمسية فيعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات الشمسية والمواد الحرارية. فإذا تعرض جسم داكن للون 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 .

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 الطاقة الشمسية للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي . وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي 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 .

 

طاقة شمسية مركزة

أنظمة الطاقة الشمسية المركزة هي أنظمة تستخدم المرايا أو العدسات لتركيز مساحة كبيرة من ضوء الشمس على مساحة صغيرة. تنتج الطاقة الكهربائية عندما تُحول الطاقة الشمسية إلى حرارة والتي تقوم بقيادة محرك حراري متصل بمولد طاقة كهربائية.

أنظمة الطاقة الشمسية المركزة يسوق لها بكثرة وقد شهد سوقها القدرة على توليد ما يقارب 740 ميجاواط في الفترة 2007-2010 وأكثر من نصفها (478 ميجاواط تقريبًا) أُضيف خلال 2010 فقط ليصل الإجمالي العالمي إلى 1095 ميجاواط. إسبانيا أضافت 400 ميجاواط في 2010 وماجعلها الأولى عالميًا بـ632 ميجاواط, بينما الولايات المتحدة الأميريكية ودعت 2010 بـ509 ميجاواط بإضافة 78 ميجاواط ومعملين لمولد نظام الطاقة الشمسية المركزة الأحفوري.

من المتوقع أن أنظمة الطاقة الشمسية ستستمر بالأنتشار بنفس السرعة. في أبريل 2011 946 ميجاواط من القدرة كانت تحت الإنشاء في إسبانيا مما يوصل القدرة العالمية إلى 1789 ميجاواط ومن المتوقع أن تبدأ عملها في نهاية 2013. أيضًا 1.5 جيجاواط من معامل الحوض القطعي المكافئ ومعامل أبراج الطاقة كانوا تحت الإنشاء في الولايات المتحدة الأميريكية والعقود موقعة على المزيد من 6.2 جيجاواط. كذلك الأهتمام وصل وبشكل ملاحظ إلى شمال أفريقيا والشرق الأوسط والصين والهند أيضًا. وقد سيطرت معامل الحوض القطعي المكافئ على 90% من السوق العالمي.

تاريخ الطاقة الشمسية المركزة

الطاقة الشمسية المركزة تستخدم لتأدية مهمات مفيدة منذ عهد الصين القديم وهناك أسطورة تقول أن أرخميدس استخدم "الزجاج المحترق" لتركيز ضوء الشمس على الجيش الروماني أثناء غزوهم مدينة صقلية في إيطاليا وأيضًا في 1973 قام عالم نيوناي بمحاولة إعادة تنفيذ أسطورة أرخميدس ليتحقق من صحتها حيث جعل 60 بحار يوناني يقفون بجانب بعضهم وكل بحار يحمل مرآة مستطيلة ممالة لالتقاط أشعة الشمس وموجهة نحو سفينة خشبية مغطاة بالقطران وتبعد 160 قدمًا ولم يمر الكثير من الوقت قبل أن تحترق السفينة بالكامل ومع ذلك يشك المؤرخون بحقيقة أسطورة أرخميدس. في1866 . وأول براءة اختراع مجمع طاقة شمسية كانت لأليساندرو باتاجليا في إيطاليا, جنوة عام 1886. وخلال السنوات اللاحقة قام مخترعون منهم جون إيريكسون وفرانك شومان بتطوير أجهزة للري والتبريد تعمل عن طريق الطاقة الشمسية المركزة وفي عام 1913 قام فرانك شومان بإنهاء محطة في مصر تعمل عن طريق الطاقة الشمسية الحرارية. أول نظام يعمل عن طريق الطاقة الشمسية باستخدام مرايا كان من صناعة روبرت جودارد والذي كان معروفًا من قبل بأبحاثه عن الصواريخ ذات الوقود السائل وقد كتب مقالًا عن أن جميع العقبات في مجال الطاقة الشمسية المركزة وجد لها حل مناسب.وقد صمم وبنى البروفيسور جيوفاني فرانسيا أول معمل لترطيز الطاقة الشمسية بالقرب من مدينة جنوة في إيطايا عام 1968. ومعامل ولا تزال معامل الطاقة الشمسية تبنى بنفس تصميمه.

التكنولوجيا الطاقة الشمسية المركزة الحالية

أنظمة تركيز الطاقة الشمسية تستخدم لإنتاج الكهرباء وتستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة المرايا أو العدسات لتركيز كمية كبيرة من أشعة الشمس على منطقة صغيرة. ثم تستخدم الطاقة الشمسية المركزة كمصدر حرارة لمعمل كهرباء تقليدي.

تكلفتها أنظمة الطاقة الشمسية المركزة

منذ 9 سبتمبر2009  تكلفة بناء محطة أنظمة الطاقة الشمسية المركزة هي 2,50-4 دولار أمريكي لكل واط. إذا محطة تولد 250 ميجاواط تكلف 600-1000 مليون دولار أمريكي.

مستقبل أنظمة الطاقة الشمسية المركزة

في دراسة قامت بها منظمة السلام الأخضر العالمية والرابطة الأوربية للطاقة الشمسية الحرارية الكهربائية تحقق في إمكانية أنظمة الطاقة الشمسية المركزة في المستقبل وتوصلت الدراسة إلى أن أنظمة الطاقة الشمسية المركزة قد توفر 25% من الطاقة التي يحتاجها العالم بحلول عام 2050.

الطاقة الشمسية الحرارية

الطاقة الشمسية الحرارية هى نهج حيث يتم استخدام الطاقة الشمسية مباشرة لتسخين محول الطاقة في معظم الأحيان تكون مياه. الماء الساخن الناتج يمكن أن يستخدم للأغراض المنزلية والصناعية ، هناك نظم لطاقة حرارة الشمس متطورة قادرة على تجميع الطاقة الشمسية لانتاج بخار لادارة التوربينات لانتاج الكهرباء.

تعتبر انظمة التسخين الشمسى للمياه هى اكثر اشكال الطاقة الشمسية المستخدمة حاليا فى المملكة المتحدة ويمكن لنظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية تركيبها بسهولة. ويمكن أن توفر أكثر من نصف احتياجات الأسرة في الماء الساخن على مدار السنة. يوجد حاليا نوعين مختلفين من اجهزة تجميع الطاقة الشمسية لتسخين المياه.

نظام التدفئة الشمسية السلبية مميز حيث يتم تصميم المبانى بطريقة تجعلها قادرة على امتصاص و الاحتفاض بحرارة الشمس و هذا ما يؤدى الى تقليل الحاجة الى التدفئة بشكل كبير , وزيادة كفاءة استخدام الطاقة فى المبنى. وفي البلدان الحارة يمكن أن تستخدم تقنيات مشابهة للمساعدة فى الحفاظ على المباني باردة ، وبالتالي تقليل الحاجة إلى استخدام الكهرباء في أنظمة تكييف الهواء. التصميم الشمسي السلبي هو نهج اثبت انه يمكن أن تقلل إلى حد كبير تكاليف الطاقة للمباني.

يوجد حاليا مجموعة كبيرة و متنوعة من التصاميم فى مرحلة اختبار لانتاج الكهرباء عن طريق الطاقة الشمسية الحرارية. و احد الامثلة المثيرة التى تم انشائها حديثا خارج مدينة اشبيلية بجنوب اسبانيا. و المشار اليه هو برج الطاقة الشمسية و هذه محطة للطاقة غير عادية تتكون من برج ضخم من 40 طابقا محاطا بمنطقة واسعة مغطاة بحوالي 600من المرايا الضخمة ، كل منها في حجم حافلة تقوم المرايا بتجميع ضوء الشمس على الأجزاء العلوية للبرج وخلق درجة حرارة تصل إلى عدة مئات من درجات الحرارة المئوية و تستخدم تللك الحرارة لادارة المراجل البخارية و انتاج البخار و الذى بدوره يكون مسئول عن ادارة التوربينات و انتاج الكهرباء بشكل مشابه كثيرا لمحطاة الطاقة التقليدية و تقوم حاويات كبيرة على الارض بتخزين الحرارة المتولدة من البرج. لذا تستطيع المحطة توليد الكهرباء حتى فى الليل هذا النظام قادر على انتاج كميات كبيرة من الكهرباء . اما بالنسبة للتكلفة فهى حاليا 3 اضعاف تلك المتولدة من محطة طاقة الفحم التقليدية.

ويقال انه فى يوم من الايام سيأتي بناء مثل تلك المحطات فى الصحراء لتنتج كميات هائلة من الكهرباء من الطاقة الشمسية الحرارية.