الطاقة الشمسيه Energy Solar

الطاقة الشمسيه Energy Solar

تشرق الشمس يوميا في كل صباح وتمدنا بالطاقة على شكل ضوء وحرارة , وقد أظهرت الدراسات ان الوطن العربي , يتمتع بإشعاع شمسي مهم جدا حيث يبلغ معدل عدد ساعات سطوع الشمس مابين ثمان إلى تسع ساعات ونصف مشعة في اليوم الواحد .
وتسمى الطاقة التي تصلنا عن طريق الشمس بالطاقة الشمسية , وهي طاقة متجدده إلى ماشاء الله , حيث ان الشمس عبارة عن نجم نجم تبتعد عن الأرض حوالي مائة وخمسون مليون كيلومتر , ويبلغ حجمها واحد وثلث مليون مره قدر حجم الأرض , وما يصل لنا من طاقتها يكفي الحياه ويكفلها بكل صورها على سطح الأرض حيث يقول الله تعالى ( وجعلنا سراجا وهاجا ) .

طبيعة الطاقة الشمسية

تعد الشمس مثل بقية النجوم , كره غازيه ضخمة مكونة من غازي الهيدروجين والهيليوم , وتمثل مصدر كبير وهائل للطاقة , فهي تطلق في الثانية الواحدة كميه من الطاقة تفوق كل التي استخدمها الإنسان منذ فجر التاريخ حتى الآن .
وللتتعرف على بعض خصائص الشمس تمعن الجدول التالي :

القطر	1.39 x 104 km
الكتله	1.989 x 1030 kg
درجة الحرارة : على السطح : في المركز	5800x5 1.56 x 107 x 5km
الضغط في المركز	250 بليون ضغط جوي

وتنتج الطاقة الشمسية من التفاعل الاندماجي النووي يحدث في باطن الشمس عند تحول نوى ذرات الهيدروجين إلى نوى ذرات الهليوم , وفي هذه العملية يحدث نقص في الكتله حيث يتحول هذا النقص إلى كمية هائلة من الطاقة الإشعاعية نتيجة الاندماج النووي الذي يتم .
فاذا كان الضغط في باطن الشمس يصل إلى عدة ترليونات قدر قيمة الضغط الجوي , ودرجة حرارة باطن الشمس تبلغ حوالي ثلاثة عشر مليون درجة مطلقة , فإنه مثل هذه الظروف من الضغط ودرجة الحرارة يحدث اندماج نووي لنوى ذرات الهيدروجين مكونه نوى ذرات الهليوم ويصاحب ذلك نقص في الكتله , لأن :
كتلة نواة ذرة الهيدروجين (H=1.008 u ) u : تعني وحده كتله ذريه
وبالتالي فإن 4 أنوية هيدروجين تساوي (H=4.032 u)
وتكون كتله نواه الهليوم هي 4.003 u
وتبين ذلك المعادلة التالية :


ومما سبق نلاحظ ان اندماج أنوية أربع ذرات هيدروجين يكون نواة ذرة واحدة من الهليوم ويصاحبة نقص في الكتله يعادل 0.029 وحدة كتله ذرية , أي مايعادل 27.035 مليون إلكترون فولت , ويتحول هذا القدر من الطاقة إلى طاقة إشعاعية هائله .
وبالتالي فإن عدد عمليات الاندماج النووي في الثانية الواحده يكون كبير جدا , وبالتالي ينتج عنه طاقة شمسية , لكنها ليست سريعة بما يكفي لا ستهلاك جميع الهيدروجين الموجود في الشمس , حيث تحتاج الشمس حسب تقدير العلماء لأكثر من خمسة بلايين سنه لاستهلاك ما تبقى من وقودها من الهيدروجين .
ولعلك تتخيل كم من ذرات الهيدروجين التي تتحول أنويتها إلى أنوية لذرات الهليوم وكم الطاقة التي ستنتج , وسوف ينتقل من هذه الطاقة إلى الأرض جزء بسيط جدا بدون وجود وسط مادي بسرعة تصل إلى 3 x 10⁸ m\s .
وقد ثبت أن سبعون في المائة من كتلة الشمس هيدروجين وثمانية وعشرون من كتلتها هليوم واثنان في المائة من كتلتها عناصر أخرى .
إن جزءا من الطاقة التي تصل إلى الأرض تنعكس نحو الفضاء بعيدا عنها , وجزء آخر يستهلك في عملية تبخر المياه السطحيه لتصعد إلى الغلاف الجوي , وتعود بعد ذلك أمطار وثلوج إلى سطح الأرض .
وتقوم النباتات واليابسة والمحيطات بامتصاص جزء أخر من تلك الطاقة , فيشكل الجزء المتبقي مصدر الطاقة الشمسية التي من الممكن استخدامها في الحياه اليوميه .
وللتعرف على العلاقة بين شدة إشعاع الشمس على سطح الكوكب وبعده عن الشمس تمعن الجدول التالي :

اسم الكوكب	عطارد	الزهرة	الأرض	المريخ	المشتري	زحل	أورانوس	نيبتون	بلوتو
شدة الإشعاع(واط/م2 )	9116	2611	1366	587	51	15	3.7	1.5	0.9
البعد(مليون كم )	58	108	150	228	778	1430	2875	4500	5900

متوسط الطاقة الشمسية على وحدة المساحات من سطح الأرض

لا حظ من الشكل السابق أن الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض لا تمتص كلها ولكن حوالي ( ٪ 47) فقط من الإشعاع الشمسي تمتصه الأرض يوميا في اليابسة والمسطحات كما ذكرنا سابقا , ويتحول إلى طاقة داخلية مخزونه تدفئ الأرض , وجزء من هذه الطاقة يشع راجعا إلى الفضاء ليلا في صورة اشعة فوق بنفسجيه , فيبرد سطح الأرض ليلا عنه نهارا , وينعكس حوالي اربعه وثلاثين بالمائة من ذلك الإشعاع مرتدا إلى الفضاء الخارجي , وتسعة عشر منه يتم امتصاصة في الغلاف الجوي المحيط بالأرض .
ويعمل الإشعاع النافذ المقدر بسبعه واربعين من الإشعاع الشمسي الواصل إلى الآرض على تدفئة الأرض , وتبخير المياه كالبحاروالمحيطات والانهار التي تتصاعد في صورة بخار الماء مكونه السحب .
ولقد وجد ان السنتيمتر مربع من سطح الارض يستقبل ما متوسطة 2 سعر في الدقيقة الواحدة .
وعندها سيكون متوسط مقدار الطاقة الشمسية الساقطه على وحدة المساحات في الثانية يساوي :
2X4.18 مقسوما على 60 ويساوي 0.14جول / الثانية .سم ²
إذن يمكننا حساب الطاقة الإشعاعية الكلية الصادره عن الشمس في الثانية , وذلك بحساب كمية الطاقة الساقطه على سطح كره وهمية محيطة بالشمس, أي مركزها الشمس ونصف قطرها المسافة بين الشمس والأرض وتساوي 150 مليون كم .
وبالتالي فإن الطاقة الصادرة من الشمس = مساحة سطح الكره الوهمية (سم² ) × الطاقة الساقطة على السنتيمتر المربع من سطح الأرض :
= 4π (n\2)² x 0.14
=4 x 22\7 (150x10⁶ x10⁵) ² x 0.14
= 3.96 X 10²⁶ J\S

العوامل التي يتوقف عليها متوسط الطاقة الواصله إلى سطح الأرض :

تختلف كمية الإشعاع الشمسي الواصل إلى نقطه ما على سطح الأرض وفقا للموقع الجغرافي من سطح الأرض أي بعدها أو قربها من خط الأستواء ومن مستوى سطح البحر , ودرجة ميل الأشعة , ومدى صفاء السماء , ومقدار ما يمتص منها في الغلاف الجوي .

أنواع الإشعاعات الشمسية

ترسل الشمس أنواعا كثيرة من الإشعاعات وتعرف باسم الإشعاعات الشمسية , وهي تشكل ما يسمى بالطيف الشمسي الكهرومغناطيسي , وبعض هذه الإشعاعات تمتص باصطدامها بجزيئات الهواء مثل أشعة جاما والأشعة السينية , وبعضها الآخر يمتص من قبل الأوزون كالأشعة فوق البنفسجية ويمتص معظم الأشعة تحت الحمراء من قبل طبقات بخار الماء والغازات الخامله الموجودة في الجو .

تجربه

للتعرف على مكونات الطيف الشمسي , نقوم بتنفيذ التجربه التاليه :


- عند أسقاط حزمه ضوئية أو نقول أشعة ضوئية بيضاء على جانب منشور كما هو موضح في الصورة ومنه على حائل سنلاحظ تكون شريطا من الالوان التالية :
أحمر , برتقالي , أصفر , اخضر , أزرق , نيلي , بنفسجي
وكذلك في حال استخدام المطياف Spectroscope في تحليل الطيف الشمسي سنحصل على نفس الألوان , وقد تم أثبات أن ما يصل للأرض من إشعاعات شمسية تنقسم إلى منطقتين أساستين هما :

1- الأشعة المرئية أو الطيف المرئي:

والتي تضم المنطقة الطيفية ذات الأطوال الموجية من 0,4 ميكرومتر إلى 0,7 ميكرومتر ومايصل منها إلى الأرض هو جزء ضئيل جدا من الطيف الشمسي , وهي التي تبث النور وتهب الحياه لكل الكائنات الحيه , كما يصل إلى سطح الأرض جزء بسيط وضئيل من أشعة المنطقة القريبة من الأشعة فوق البنفسجية ذات الأطوال الموجيه :
0.4 ميكرومتر و0.3 ميكرومتر
وعلى الرغم من قلة تلك الأشعة لكن التعرض لها لمدة طويله يؤدي إلى حروق جلدية .

2- الأشعة غير المرئية

وتضم منطقة طيفية أطوالها الموجية مابين سبعة ميكرومتر إلى مائة ميكرومتر , وهي خارج حدود الطيف المرئي في منطقة ما قبل الأحمر والمعروفة باسم منطقة الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة الحرارية وهي التي تعطينا الدفء والحرارة , كما تضم الأشعة غير المرئية منطقة ما بعد البنفسجي والمسمى الأشعة فوق البنفسجية .
المنطقة الثانية
وتسمى منطقة الأمواج الراديويه Radio Waves Region وتضم الأطوال الموجية من واحد ملليممتر إلى عشرة أمتار
وهنا نسأل هل تصل الإشعاعات الشمسية إلى الأرض بصورة مباشرة ؟
نستطيع ان نجيب على التساؤل السابق من الشكل :
حيث أن الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض ينقسم وفقا للطريقة التي يصل بها إلى:


1- الإشعاع المباشر Direct Radiation
وهو إشعاع يصدر من الشمس ولكن لا يتعرض لأي تغيير في مسارة واتجاهه سوى ما يحدث له من انكسار في الغلاف الجوي .
2- الإشعاع المنتشر Diffused Radiation
وهو جزء الإشعاع الشمسي المشتت في الجو بسبب الانعكاسات والانكسارات التي تحدث له , والذي يسقط على سطح ما من جميع الاتجاهات وتزداد كمية الاشعة المنتشرة بزيادة الغيوم والغبار في الجو .
طرق تجميع الطاقة الشمسية
نظرا لفوائد الطاقة الشمسية واهميتها الكبيره , يتم استغلالها في ميادين كثيرة وكبيرة فهي تجمع بطريقتين مختلفتين ليتم الاستفاده منها في شتى التطبيقات في الحياه وهاتان الطريقتان هما :
1- المسطحات المستوية
عند سقوط أشعة الشمس على صندوق معتم من الداخل وله غطاء من الزجاج الشفاف يسمح بنفاذ الأشعة الشمسية إلى داخل الصندوق , ولكن لا يسمح بخروجها , فيمتص السطح الداخلي المعتم للصندوق هذه الأشعة , وتخرن في شكل طاقة حرارية في الهواء المحبوس بداخل الصندوق تنتقل بالتوصيل إلى أنابيب يمر فيها ماء مثبتة في قاع الصندوق فوق سطح معدني اسود فيسخن الماء ويستخدم لأغراض مختلفة مثل تدفئة الغرف , وتدفئة المياه المستخدمة للأستحمام .
2- المرايا المجمعة
وهي مرايا على شكل قطع مكافئ ولها أحجام مختلفة , وتقوم هذه المرايا بتجميع أشعة الشمس في بؤر متقاربة وعند نقاط معينه , فترتفع درجة الحرارة عند نقاط التجميع إلى حد كبير قد يصل إلى أربعه آلاف درجه مئويه , حيث يتم تبخير الماء أو أي سائل أخر تكون درجة غليانه أقل من درجة غليان الماء , ثم يوجة البخار ليستخدم في مجالات مختلفة مثل إدارة توربين أو إدارة ملف المولد الكهربائي .