بحث عن الطاقة الشمسية مع المراجع
ما هي الطاقة الشمسية؟ الطاقة الشمسية: Solar Energy وهي الطاقة الناتجة عن تجميع الحرارة والضوء من أشعة الشمس وإيجاد تقنيات مناسبة لاستعمال تلك الطاقة في التسخين المباشر أو ضمن عملية تحويل ميكانيكي لحركة أو لطاقة كهربائية كتسخين الماء للاستعمال المنزلي وتدفئة الفضاءات الداخلية للبيوت والبنايات وتوفير الحرارة للمعالجات الصناعية أو لتوليد الكهرباء عن طريق البخار الساخن (١)، وتعد الشمس المصدر الرئيس لها ولمختلف أنواع الطاقات الاخرى.
مفهوم الطاقة الشمسية: تعد الشمس مصدر طاقة الحياة على سطح الارض ومن أهم موارد استعمال الطاقة في العالم سواء كانت بصورة مباشرة أو غير مباشرة لأغلـب مصادر الطاقة كطاقة الرياح وطاقة الأمواج والطاقة الكهرومائية أو تكون عامل مساعد في تكوين النفط والفحم والكتلة الحيوية للكائنات الحية عن طريق دخولها في عملية التركيب الضوئي والتفاعلات الكيميائية لها (٢)، والشمس كتلة غازية ملتهبة يزيد قطرها عن (۱، ۳۹۲۰۰۰) کم اكبر من قطر الأرض بحوالي (١٠٩) مرة أما كتلة الشمس فتصل إلى (١٠٩٦٠ × ۳۱۰) طن وهي تعادل (۱۳۳,۰۰۰) مرة من كتلة الأرض ، وتبلغ درجة حرارة مركز الشمس حوالي (٢٠) مليون درجة مئوية أما درجة حرارة سطحها فتتراوح (٦) آلاف درجة مئوية، وهذه الحرارة ناتجة عن تفاعلات الاندماج النووي داخل الشمس بسبب تفاعل عنصري الهيدروجين الذي يصل إلى (٨١,٨٦%) وعنصر الهيليوم (۱۸,۱۷%) وتحول ذرات الهيدروجين الى الهيليوم نتج عن هذا التفاعل طاقة وهي الطاقة الشمسية (٣)، ان الاشعة الصادرة من الشمس تعد مصدر رئيس للطاقة الشمسية وتكون على شكل أشعة كهرومغناطيسية ذات أطوال موجية متعددة وطاقات مختلفة كأشعة كاما والأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية والضوئية المرئية تنبعث على هيئة حرارة وضوء فضلاً عن انبعاث جسيمات دقيقة تصـل بنسبة قليلة إلى سطح الارض بفعل الحزام المغناطيسي المحيط بالأرض كالبروتونات والنيوترونات ودقائق الغبار (٤) وتتوزع هذه الطاقة بنسب متفاوتة على سطح الأرض واكثر طاقة تكون في المناطق القريبة من خط الاستواء، وتقدر كمية الطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض ١٧٤ بيتا واط ينعكس إلى الفضاء ما يقارب ٣٠% (٥)، ويتحـول ٤٧% من الاشعاع إلى حرارة وتمتص المحيطات والسحب.
وسطح الأرض مـا يقارب ۲۳% (٦)، ويتراوح متوسط الإشعاع السنوي على سطح الأرض ما بين ٢۰۰۰-٢٥٠٠ كيلو واط/ ساعة في المتر المربع الواحد للمناطق الصحراوية أما العروض العليا فيتراوح معدل الإشعاع السنوي فيها ما بين ۱۰۰۰-١٥٠٠ كيلو واط / ساعة / م٢، وهذا المعدل أخذ بالأرتفاع نتيجة لتشقق طبقة الأوزون في الغلاف الجوي(٧).
تمتاز الطاقة الشمسية بكونها نظيفة دائمة غير معرضة للنضوب ومصدر طاقة مجاني استغلها الإنسان لصالحه وسخرها بالاعتماد على تقنيات تكنولوجية وأكثر التطبيقات استعمالا تسخين المياه واستغلال الأشعة الشمسية في توليد الطاقة الحرارية والفولتوكيميائية وإنتاج الطاقة الكهربائية.
اقرأ أيضا: بحوث جاهزة في جميع الأختصاصات
مميزات وخصائص الطاقة الشمسية
تتصف الطاقة الشمسية بعدة خصائص جعلتها الأفضل مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى التي أخذت بالتناقص المستمر وبصورة واضحة وذلك لما يشهده العالم من زيادة الطلب على الطاقة التقليدية ( النفط - الفحم - الغاز الطبيعي )، وقد نالت اهتمام كبير في الآونة الأخيرة من معظم الدول لكونها طاقة نظيفة وصديقة للبيئة وبالإمكان أن تكون حل جذري لمشكلات الطاقة التي وتعاني منها البلدان ويمكن الإشارة إلى أهم مميزاتها بما يأتي (٨):
- تعد الطاقة الشمسية طاقة متجددة غير قابلة للنفاذ أو النضوب تنتج طاقة نظيفة تستعمل في المكان نفسه دون الحاجة إلى تكاليف للنقل والمواصلات.
- أنها طاقة نظيفة لا تسبب حدوث اي ملوثات بيئية أو إصدار ضوضاء عند انتاج الطاقة لكونها الواح صامتة ثابتة لا تحتوي على اجزاء ميكانيكية وتعمل بكفاءة عالية دون حدوث اي عطل وبعمر افتراضي ٢٠-٢٥ سنة.
- إن التقنية المستعملة فيها بسيطة جدا وغير معقدة مقارنة بالتقنيات المستعملة في مصادر الطاقة التقليدية فهي تعتمد على تركيب الألواح الشمسية والمرايا وإنتاج الطاقة الكهربائية التي تستعمل في المجالات الصناعية و المنزلية والزراعية.
- تقلص تقنية الالواح الشمسية نحو ٥٠% من كلفة سقي الاراضي الزراعية مقارنة بمضخات الديزل كما تستعمل لمعالجة ماء الصرف الصحي في برك الراكدة وتقطير وتعقيم الماء الملوث.
- إن استعمال الطاقة الشمسية تقينا من تقلبات أسعار الوقود الأحفوري فهـي طاقة اقتصادية رخيصة لا يرتفع سعرها ومتوفرة محلياً.
- يدخل استعمال الطاقة الشمسية في تطبيقات مختلفة منها تشغيل اشارات المرور وانارة الشوارع وتحلية المياه وتوليد الكهرباء وتشغيل المحطات والمركبات الفضائية والاقمار الاصطناعية والآلات الحاسبة والساعات وتشغيل بعض السيارات التي وصلت سرعتها إلى ٦٠ ميل في الساعة (٩).
- يمكن استعمال الخلايا الشمسية في المناطق البعيدة والقرى الصغيرة المعزولة التي نشأت بفعل حرفة امتهنها السكان أو بالقرب من الآبار أو المناجم وبهذا لا يعارض استعمالها الخطط العمرانية للمدن (١٠).
- بالإمكان تحويل الطاقة الشمسية الى طاقة أخرى كالطاقة الحرارية والطاقة الكهربائية وبكلف مادية مناسبة إذ لا تتطلب سوى كلفة التأسيسية للألواح الشمسية عند تنفيذ المشروع وكما أن تكاليف صيانتها قليلة جدا (١١).
تقنيات تحويل الطاقة الشمسية الى طاقة كهربائية
يمكن استغلال الطاقة الشمسية في توليد الطاقة الكهربائية التي أخذت الأخيرة تحتل مكانة كبيرة في خدمة الإنسان بسبب خصائصها المتنوعة التي دخلت في مختلف القطاعات الانتاجية والخدمية المتنوعة وأخذت تنافس مصادر الطاقة الأحفورية وتحل محلها (١٢)، إذ تعد طاقة نظيفة لا تخلف وملوثات ولا تشكل خطورة على البيئة ومتوفر في الطبيعة فلا تحتاج إلى بحث أو تنقيب أو تفجير للحصول عليها، وبالإمكان أن تعطي قدر كبير من طاقة مقارنة بما تقدمه مصادر الطاقة الأخرى (١٣)، وعلى الرغم من أهميتها إلا أن الفائدة الاقتصادية لها في مجال إنتاج الطاقة الكهربائية محددة بكثافة القدرة الساقطة من الإشعاع الشمسي والتي تبلغ ( ۱۰۰۰ ) واط / م ) وهذا يعني أنها تتطلـب مسافات كبيرة لتجميـع الطاقـة والحصـول علـى كميـة اقتصادية كافيـه تسد الاحتياجات الصناعية و الخدمية للطاقة الكهربائية، وعدم استمرارية الطاقة الشمسية في السقوط (١٤)، أدى إلى تباين في كمية الإشعاع الشمسي خلال اليوم الواحد وكذلك من فصل إلى آخر، وكما هو معروف تزداد كمية الطاقة الشمسية بفعل الإشعاع الشمسي الساقط خلال فصل الصيف وتقل خلال فصل الشتاء كما يزداد الإشعاع الشمسي في الايام الصحوة الصافية ويقل في الأيام المغبرة والغائمة، وعلى أثر ذلك يتوجب عند تحويل اشعة الشمس إلى طاقة كهربائية ان تثبت المنظومة الشمسية سواء كانت ثابتة أو متحركة عند زاوية ميل محددة بالنسبة للمستوى الافقي للسطح وموجهة نحو الجنوب، ومن تقنيات التحويل:
أولا: الطريقة غير المباشرة ( التحويل الحراري - الديناميكي)
تعتمد تقنية العالم الحديث على عدد محدود من تكنولوجيا تحويل الطاقة التقليدية التي معظمها مكائن حرارية. ومنذ بداية الثورة الصناعية فإن تكنولوجيا الطاقة اعتمدت على الطاقة الحرارية (Synthetic Fuels) (١٥)، ويعد التوليد الحراري من أكثر الطرق فائدة، إذ تعمل محطات توليد الطاقة الحرارية في معظم دول العالم على أساس دورة (رانكين) يتم فيها استعمال المائع (الغازات والسوائل) لتزويد الخلايا بالطاقة الحراريـة عـن طـريـق حـرق نـوع مـن المحروقات كحـرق احـد المشتقات النفطية (١٦).
ولا يختلف انتاج الطاقة الكهربائية بواسطة التحويل الحراري - الديناميكي للطاقة الشمسية عن انتاجه بالطرائق التقليدية إلا في كون أن الإشعاع الشمسي هو المصدر الرئيس للطاقة، وأن الفرق بين المحطات الطاقة التي تعامل بالوقود والمحطات العاملة بالطاقة الشمسية هو ان الاشعاع الشمسي يحل محل الوقود وتستعمل المجمعات الشمسية بدل الغلاية (١٧)، وتعمل هذه التقنيات على تحويل اشعة الشمس المباشرة إلى طاقة حرارية بواسطة المجمعات والمركزات الشمسية الحرارية عن طريق تجميع و تركيز الطاقة الشمسية الساقطة على عدد من العاكسات المستوية التي تعكـس الاشعة الشمسية على انابيب طويلة أو ابراج لتجميع الحرارة، وان هذه العاكسات أو المرايا يطلق عليها مصطلح (هليوستات) تكون محاذية بعضها البعض وتركز اشعة الشمس على المبدل الحراري وجهاز الاستقبال الموجود في اعلى البرج والذي يحتل موقع البؤرة لعدد كبير من العاكسات فينتج حرارة عاليـة تـدير توربين بخاري بواسطة مولد كهربائي يقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية أكثر قابلية للاستعمال والتخزين (١٨).
ثانياً: الطريقة المباشرة ( الخلايا الشمسية )
تستعمل تقنية الخلايا الشمسية في تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى طاقة كهربائية وتعرف آلية التحويـل هـذه بالتحويل الكهروضوئي أو التحويل الفوتوضـوئي (photovoltaic conversion)(١٩) ، وتعد من أفضل تطبيقات الطاقة المتجددة في مجال توليد الكهرباء إذ تتميز بمحدودية كلفة الصيانة والتشغيل وبعمر افتراضي يصل الى (٢٠- ٢٥) سنة (٢٠)، وهي نبائض شبه موصلة وحساسة ضوئياً محاطة بغلافين أمامي وخلفي موصل للكهرباء أجريت عليها العديد من المعالجات الكيميائية والفيزيائية والكهربائية بشكل مكثف وذاتي (٢١)، تتكون الخلايا الشمسية من محولات فولتوضوئية مصنوعة من مادة السيلكون المعالج كيميائياً إذ تلتقط اشعة الشمس الساقطة على سطحها فيتحرر منها الكترون، وتتدفق هذه الالكترونات المحررة إلى اسلاك موصلة بالخلية فينتج عنها طاقة كهربائية، وتتكون الخلايا الشمسية من ألواح حرارية زجاجية توضع بزاوية مائلة على الأسطح لاكتساب أكبر قدر من الطاقة وتوصل بأسلاك كهربائية وموصلات ذات مواصفات خاصة لنقل التيار (٢٢)، ويتم ربط الخلايا الشمسية بطريقتي اما أن تكون مستقلة تسمى (of - grid) إذ تعمل المنظومة ليلا ونهاراً بواسطة عدد من الأجهزة كالأجهزة المنظمة للشحن التي تعمل على زيادة أو خفض التيار الكهربائي والتي يتجه منها التيار إلى البطاريات التي تقوم بحفظ وخزن الطاقة الكهربائية ومن ثم ينقل إلى محولات خاصة لتحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب تعمل علية اغلبية الاجهزة الكهربائية، اما طريقة الثانية فتسمى (on- grid) طريقة الربط المباشر تنتج فيها الالواح الشمسية طاقة كهربائية خلال وقت النهار فقط إذ لا تستعمل فيها بطاريات التخزين لحفظ الطاقة واستعمالها في اوقات الحاجة او الظروف المناخية السيئة.
أنواع الخلايا الشمسية
١- خلية شمسية أحادية البلورة: ( monocrystalline )
تصنع هذه الخلايا من السيليكون أحادي البلورة المفرد ذات الاتجاه الواحد، يلاحظ شكل رقم (٥-١)، تمتاز بالشكل المستطيل أو المربع مساحتها عادة ما بين ( ۰ ٫ ۳ م ) أو ( ٥-١ م )، وهي من أكثر البنيات البلورية انتظاماً وذات تفاوت وكفاءة عالية جدا (٢٣)، وتتراوح كفاءتها من (١٥ - ۲۰ %) وهذه الكفاءة ناتجة عن قدرة هذه الخلايا على إنتاج طاقة تبلغ (١١٠-١٦٠واط)، بفعل قدرتها على امتصاص الإشعاع الشمسي الساقط فوق السطح في يوم مشمس الذي تبلغ قوته ( ۱۰۰۰ واط لكل م ) ان عامل أرتفاع الكفاءة جعل أسعار هذه الخلايا عالية مقارنة بالأنواع الأخرى ومكلفة اقتصاديا، كما تتميز بأنها تحتاج إلى مساحة أقل ويتراوح عمرها الافتراضي (٢٥ سنة)، وتميل إلى أداء أفضل في ظروف الإضاءة المنخفضة كما أنها أكثر كفاءة في الطقس الدافئ مع المعاناة في الأداء في ظل الارتفاع بدرجات الحرارة.
۲- خلايا شمسية متعددة البلورة: ( polycrystalline )
هي رقائق من بلورات السليكون تبدو كقطع متكسرة غير منتظمة منشرة في اتجاهات مختلفة تعالج كيميائياً في أفران خاصـة لزيادة خواصها الكهربائية ومن ثم تطلى أسطح الخلايا بمضاد الانعكاس لتمنع انعكاس الاشعة وامتصاصها بكفاءة عالية وتتراوح كفاءتها من ( ١١-١٦%) وهو أقل كفاءة من البلورة الأحادية، وأن عملية تصنيعها بسيطة وغير مكلفة اقتصادياً فهي أقل ثمناً وقابلية تحملها لدرجات الحرارة المرتفعة وتحتاج إلى مساحة سطح كبيـرة مقارنـة مـع الخلايا الأحادية (٢٤).
۳- خلايا شمسية غير متبلورة: ( Thin solar cells )
تتميز هذه الخلايا بسهولة صنعها إذ إن مادة السيليكون تترسب على شكل طبقات رفيعة صلدة أو خلايا خفيفة على أسطح من الزجاج أو البلاستيك وتتصف بمرونتها وخفة وزنها وقابليتها للطي ويمكن استعمالها فوق السطوح المائلة تتراوح كفاءتها (۷- ٩%)، وتنتج طاقة تصل إلى (٤٠ واط ) وهي ذات كفاءة وتكلفة أقل من الأنواع السابقة (٢٥).
تأثير استعمال الطاقة الشمسية على البيئة
ماهي تأثيرات أستعمال الطاقة الشمسية على البيئة؟ تعد الطاقة الشمسية ذات تأثير إيجابي على البيئة فهي طاقة صديقة للبيئة متوفرة ومجانية ومتجددة مصدرها الشمس، تنتج طاقة كهربائية نظيفة تستعمل في مختلف المجالات والانشطة البشرية سواء كانت عن طريق نصب منظومات شمسية الحرارية أو نصب الألواح الفولتوضوئية، ويساعد استعمالها في تقليل الاعتماد على الطاقة المنتجة من مصادر الوقود الأحفوري التي هي طاقة مضرة بالبيئة ومكلفة اقتصادياً، وكما تعمل الطاقة الشمسية على التقليل من نسب تلوث الهواء وانبعاثات غاز ثاني اؤكسيد الكاربون وبالتالي التقليل من غازات الاحتباس الحراري (٢٦)، فهي لا تسبب حدوث تلوث بيئي أو ضوضائي كما الحال في المحطات التي تعتمد على مصادر الطاقة التقليدية في إنتاج الكهرباء، وبالإمكان استعمالها للقطاعات السكنية كبديل مناسب للكهرباء والافادة منها إلى اقصى درجات الاستعمال بتكلفة منخفضة ومعقولة دون الوصول إلى فاتورة باهظة الثمن (٢٧)، ومن ثم تعمل كسقف عازل يمنع من وصول الحرارة إلى السطح عندما توضع فوق أسطح المنازل وبالتالي تخفف من شدة الحرارة.
قائمة المراجع:
١- مثنى فاضل علي، جغرافية الطاقة أسس ومشكلات، الطبعة الأولى، دار صفاء للنشر والتوزيع، عمان، ٢٠١٨، ص ٤١.
٢- سعود يوسف عياش، تكنولوجيا الطاقة البديلة، دار عالم المعرفة، الكويت، ١٩٨٠، س ١٧٩.
٣- مثنى فاضل علي، جغرافية الطاقة أسس ومشكلات، مصدر سابق، ص ١٤٤.
٤- علي صاحب طالب الموسوي، جغرافية الطقس والمناخ، الطبعة الأولى، دار ضياء، النجف الاشرف، ٢٠٠٩، ص ١١٧-١١٨.
٥- سهيل فاضل والياس كبة، مبادئ الطاقة الشمسية وتطبيقاتها، الطبعة الأولى، دار الحداثة للطبع، بيروت، ١٩٨٠، ص ٢٧.
٦- صبحي احمد الدليمي، جغرافية الطاقة، الطبعة الأولى، دار أمجد للنشر والتوزيع، عمان، ٢٠١٨، ص ٤٩.
٧- عادل سعيد الراوي وقصي عبد المجيد السامرائي، المناخ التطبيقي، جامعة بغداد، مطابع الحكمة، الموصل، ١٩٩٠، ص ٢٨٧.
٨- عبد الجبار عبود الحلفي، خلود موسى عمران، دارسة أولية للجدوى الاقتصادية لاستخدام الطاقة الشمسية في بعض المباني في محافظة البصرة، مشروع بحث قدم إلى وزارة التعليم العالي، دائرة البحث والتطوير، ٢٠١٢.
٩- مثنى فاضل علي، جغرافية الطاقة أسس ومشكلات، مصدر سابق، ص ١٤٧.
١٠- سيد عاشور أحمد، الطاقة المتجددة والبديلة وآفاق أستخدامها في الموطن العربي، مطبعة جامعة أسيوط، ٢٠٠٩، ص ١٠٦.
١١- سوسن صبيح حمدان، العناصر المناخية المتاحة في العراق وإمكانيات الاستفادة منها في أنتاج الطاقة البديلة، مجلة المستنصرية للدراسات العربية والدولية، العدد ٤٢، ص ١٥٣.
١٢- سماء طاهر حمود عبد العبودي، كفاءة أستخدام الطاقة الشمسية في محافظتي النجف وكربلاء واستراتيجية تنميتها، رسالة ماجستير، كلية الآداب، جامعة بغداد، ٢٠١٧، ص ٤٥.
١٣- عادل رشيد حسن الدليمي، الطاقة الكهربائية في محافظة الأنبار، رسالة ماجستير (غير منشورة)، كلية الآداب، جامعة بغداد، ١٩٩٧، ص ٤٧.
١٤- علي أحمد هارون، جغرافية ومصادر الطاقة، الطبعة الأولى، دار الفكر العربي، مصر، ٢٠٠٧، ص ٢٧٩.
١٥- ميسل ويتلر، الطاقة الشمسية، ترجمة عاصم عبد الكريم عزوز، دار الكتب للطباعة والنشر، جامعة الموصل، ١٩٨٢، ص ٢٥٩.
١٦- إدوارد س. كاسيدي، ترجمة صباح صديق الدملوجي، مدخل إلى الطاقة المصادر والتكنولوجيا والمجتمع، الطبعة الأولى، المنظمة العربية للترجمة، بيروت، ٢٠١١، ص ٧٣.
١٧- ميخائيل عبد الاحد، الطاقة الشمسية سلاح المستقبل، مجلة العالم والحياة، العدد ٣٠، بغداد، ١٩٧٣، ص ٢٩.
١٨- سعد إبراهيم الجوراني، تكنولوجيا الطاقة الشمسية، دار الشؤون الثقافية العامة، بغداد، ١٩٩٥، ص ٣٣.
١٩- الجهاز المركزي للتعبئة العامة والإحصاء، دراسة مستقبل الطاقة في مصر، رقم المرجع (٨٠-٣٣٤١١)، ٢٠١٥، ص ١٤.
٢٠- علي عبد العباس البكري، وليد خالد الجبوري، وسائل دعم شبكة الكهرباء الوطنية من خلال تحسين كفاءة الخلايا الشمسية وإيجاد منافذ تطبيق عملية لها في العراق، مجلة جامعة كربلاء العلمية، العدد الثالث، المجلد الثامن، ص ١٦٦.
٢١- سيد عاشور أحمد، الطاقة المتجددة والبديلة وآفاق استخدامها في الوطن العربي، مصدر سابق، ص ١٠٧-١٠٨.
٢٢- Thomas, Randay “Photovoltaic and architecture”, London, GBR: Routledge (2001) P.73.
٢٣- http://basemkhrais.blogspot.com.
٢٥- http://Sdeem.org
٢٦- https://deem-solar-medium.com
٢٧ -https://alghad.com.
٢٨- هذا البحث ومراجعه هو من: تقييم إمكانية استخدام الطاقة الشمسية في محافظة بغداد ودورها في تحقيق التنمية المستدامة في قطاع الطاقة الكهربائية، رسالة ماجستير تقدمت بها الطالبة مثال طالب فرج الساعدي إلى مجلس كلية الآداب جامعة بغداد وهي جزء من متطلبات نيل شهادة الماجستير آداب في الجغرافية، ٢٠٢٠.
تعليقات
إرسال تعليق