تعد الطاقة الشمسية المصدر المباشر الرئيس لأكثر
من بليوني شخص على الكره الأرضية ممن لا تتوفر لديهم الكهرباء . وغالبا ما يعيش
هؤلاء في مناطق نائية , وباستخدام الطاقة الشمسية , يمكنهم التمتع بالتطورات
التكنولوجية التي يحظى بها بقية سكان الكره الأرضية ممن تتوفر لديهم الكهرباء , حيث
يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية تستخدم للتدفئة وتسخين الماء , أو إلى
طاقة كهربائية .
ولهذا تأثير كبير على الحد من هجرة أهالي القرى النائية نحو
المدن , وما يتبع ذلك من مشاكل اجتماعية واقتصادية , أما في الدول المتقدمه فتستخدم
الطاقة الشمسية بالإضافة لمصادر الطاقة التقليدية بشكل محدود نظرا لكلفتها العالية
.
وللطاقة الشمسية أيضا دور فعال في الظواهر الطبيعية التي تحدث على الأرض ,
والطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض أعظم بكثير من الطاقة المستهلكة من قبل
الصناعات المعتمدة على مختلف أنواع الطاقة .
ولعل أهم العمليات الحيوية هي عملية
التمثيل الضوئي والتي يقوم بها النبات ليصنع غذاءة بنفسة وبالتالي يتغذى كل من
الإنسان والحيوان على النبات كما تعد الطاقة الشمسية مصدرا للحصول على طاقة الكتله
الحيوية التي تنتج من مخلفات زراعية وحيوانية وتحللها والمخطط التالي يوضح أهمية
وفوائد الطاقة الشمسية .
مجالات استخدام الطاقة الشمسية
أولا : توليد الطاقة الحرارية
التسخين أو التدفئة
تعتمد كمية الطاقة التي تسقط على بقعة فوق سطح الأرض
على عدة عوامل , منها : وقت سقوطها في النهار , والفصل الذي تسقط فية , ومدى بعد أو
قرب المكان من خط الأستواء ,وعلى الحالة الجويه السائدة .
فالطاقة الساقطة على
سطح الأرض من الشمس تنتشر فوق مساحة كبيرة وواسعة جدا , ولهذا التسخين باستخدام هذه
الطاقة الشمسية مباشرة لا يمكن ان تستخدم دون وسيط ولن تكون فعاله .
من هنا جاءت
الحاجة لاستخدام وسائل تمكننا من تجميع وتركيز أشعة الشمس بحيث يمكن استخدامها بشكل
فعال , ومن أهم هذه الوسائل المجمع الشمسي , ويستخدم لتجميع الطاقة الشمسية
وتحويلها إلى طاقة حرارية .
ولكي نفهم كيف يعمل المجمع الشمسي ممكن نستعرض
مايحدث داخل سيارة في يوم مشمس , عندما تكون مغلقة النوافذ فتسمح بمرور أشعة الشمس
من خلال الزجاج ليتم امتصاصها داخل السيارة وتحويلها إلى طاقة حرارية يصعب خروجها
ثانية عبر النوافذ المغلقة .
ولذلك فالمجمع الشمسي يقوم بمايأتي :
يمسح بدخول
أشعة الشمس وامتصاصها .
يحول اشعة الشمس إلى حرارة
يمنع تسرب الحرارة إلى
الخارج
وتستخدم المجمعات الشمسية في بعض الدول لتسخين المياة للاستخدام البيتي
, فنجد الحمامات الشمسية فوق سطوح المنازل .
مكونات المجمع الشمسي
 |
| المجمع الشمسي |
يتكون من
صندوق معدني مغطى بالزجاج , ويكون مطليا من الداخل باللون الأسود , وعند مرور
الماء في أنابيب داخل المجمع يسخن , ثم ينتقل خلال إنابيب إلى سائر انحاء المنزل
كما هو موضح بالشكل التالي :
ويمكن استخدام مبدأ عمل المجمع الشمسي لتدفئة
البيوت مباشرة عن طريق تصميم نوافذ واسعة تقابل الشمس , ونلاحظ الفرق بين الغرف
المعرضة نوافذها للشمس والغرف المحجوبه عن الشمس والفرق في البرودة فيها .
تحلية ماء البحر
حيث يتم تحويل مياه البحر المالحة إلى مياه عذبه صالحة للشرب والري
كما في الشكل التالي :
ويوضع ماء البحر في حوض ضحل ضمن بيت زجاجي حيث ينفذ قسم كبير من أشعة الشمس إلى
البيت الزجاجي ثم تمص من قبل لوح معدني أسود موضوع أسفل الحوض , ويمتص ماء البحر
هذه الطاقة وترتفع درجة حرارتة فيتبخر , ومن ثم يتكاثف الماء المتبخر على الجدران
الداخلية للبيت الزجاجي , ويتم جمع الماء العذب المتكثف في قناتين على جانبي البيت
ويوزع للاستهلاك , ومن عيوب هذه الطريقة أنها بطيئة وكمية الماء العذب التي يمكن
الحصول عليها تعتمد على مساحة الأحواض , وهناك طرق حديثة أكثر كفاءة في تحلية مياه
البحر .
البيوت الزجاجية
 |
| البيوت الزجاجية |
كثير من النباتات لا تستطيع مقاومة البرودة في فصل
الشتاء فتوضع داخل بيوت خاصة تعمل على خزن كمية هائلة من الحرارة الآتية من الأشعة
الشمسية , وتعرف بالبيوت الزجاجية , كما تحصل هذه النباتات على الطاقة الضوئية
اللازمه للقيام بعملية البناء الضوئي والشكل التالي يوضح كيفية تصميم البيت الزجاجي
بحيث تتوفر فية الشروط اللازمه لنمو النبات داخله من حيث توفر الحرارة والضوء ,
وثاني أكسيد الكربون .
الأفران الشمسية
 |
| الأفران الشمسية |
وتتكون من مرآة مقعرة كبيرة مصنوعة من الألمنيوم
اللامع , وتقوم هذه المرايا بتجميع الأشعة الشمسية في بؤرتها على حامل أسود ليمتص
كمية هائلة من الأشعة الشمسية التي تتحول إلى حرارة تستخدم في المواقد الشمسية لطهي
الطعام , حيث يوضع الطعام على الحامل في المرايا الصغيرة , أو بصهر المعادن في
الأفران الشمسية الكبيرة المستخدمة لصهر المعادن .
ثانيا : توليد الطاقة الكهربائية
أستغل الانسان ضوء الشمس لحرق الخشب
باستخدام قطع زجاجية مع بداية القرن السابع قبل الميلاد وحاليا تستخدم المرايا
والعدسات لتركيز وتجميع أشعة الشمس في بؤرة صغيرة
ويتم الاستفادة من هذا
المبدأ في تسخين الماء او السوائل الأخرى كالزيت ومزيج من الأملاح إلى درجات حرارة
مرتفعة عند مرورها بنقطة تجميع أشعة الشمس لتوليد بخار يستعمل لتحريك توربينات مولد
كهربائي .
ويتم صناعة المحركات الشمسية المكونه من غلاية مائية مثبته فوق برج
وتوضع حولها عدد كبير من المراي المقعرة تعمل على تجميع وتركيز اشعة الشمس على
الغلاية باستمرار .
وعندما يغلي الماء في الغلاية يتحول إلى بخار يخرج بسرعة
كبيرة من فتحة في أعلى الغلاية ليدير توربينا ويدير التوربين مولدا كهربائيا ,
وبهذا نكون قد حصلنا على الطاقة الكهربائية بطريقة مباشرة غير مباشرة .
وهناك ثلاث طرق رئيسية لتجميع أشعة الشمس :
أحواض قطع مكافئ
تتكون هذه الأحواض من
مرايا مقعرة ويتم تجميع أشعة الشمس في خط يمر ببؤرة المرايا , وعادة ما يتم استخدام
أعداد كبيرة من هذه المرايا , حيث تمتد من الشمال إلى الجنوب حتى تتمكن من استخدام
حركة الشمس الظاهرية من الشرق إلى الغرب لإبقاء البؤرة ساخنة طوال النهار , ويمكن
الحصول على درجات حرارة تتعدى 400 سo باستخدام هذه التصميم
وللعلم :
أكبر
حقل لاحواض القطع المكافئ يقع في صحراء كاليفورنيا في الولايات المتحده الأمريكية ,
ويتكون من مليون ونصف المليون مرآة تستخدم لتوليد 95 في المائة من الطاقة
الكهربائية المنتجة باستخدام الطاقة الشمسية في أمريكا .
الصحن الشمسي
 |
| الصحن الشمسي |
يستخدم الصحن الشمسي , الذي يشبة تلك المستعمله لا ستقبال
القنوات الفضائية , لتجميع أشعة الشمس في نقطة واحدة عند بؤرة الصحن .
ويكون
السطح الداخلي للصحن عاكسا لأشعة الشمس , ويتم تسخين سائل ما عند البؤرة لدرجات
حرارة قد تصل إلى أكثر من 1500 سo, ويستخدم البخار الناتج في دفع توربينات مولد
كهربائي .
أبرا ج الطاقة الشمسية
 |
| الأبراج الشمسية |
وتتكون هذه الأبراج من آلاف المرايا
التي تعكس أشعة الشمس , وتجمعها في نقطة واحدة تقع عند قمة البرج , وهناك يتم تخزين
الحرارة العالية في خزانات مليئة بمزيج من الأملاح , ليتم استخدامها فيما بعد
لتوليد بخار الماء الذي يستخدم في دفع توربينات مولد كهربائي , ويمكن الوصول إلى
درجات حرارة تتعدى 1000 سo باستخدام هذه الابراج
الخلايا الشمسية
تعمل الخلايا الشمسية على تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة
كهربائية بطريقة مباشرة ومن أنواع الخلايا الشمسية :
خلايا تتكون من لوح
نحاس أحد وجهيه مغطى بطبقة رقيقة من اكسيد النحاس , وهو مغطى بطبقة رقيقة من الذهب
.
خلايا تتكون من لوح حديد أحد وجهيه مغطى بطبقة من السيلينيوم , وطبقة
السيلينيوم مغطا ه بطبقة رقيقة من الذهب لتسمح بنفاذ الضوء
ويتلخص عمل الخليتين في أنه عند سقوط الضوء على طبقة الذهب ينفذ خلالها ويتسبب في إزاحة بعض
الإلكترونات من طبقة اكسيد النحاس ( في الأولى ) وطبقة السيلينيوم ( في الثانية )
نحو طبقة الذهب , فينشأ فرق في الجهد بين طبقة الذهب ولوح النحاس في الأولى أو لوح
الحديد في الثانية , وبالتالي إذا وصلت طبقة الذهب الرقيقة ولوح النحاس أو لوح
الحديد بجلفانومتر حساس يمر في دائرتة تيار كهربائي , ويتحرك مؤشر الجلفانومتر ,
ويستمر مرور التيار باستمرار سقوط الضوء .
الخلايا الشمسية السيليكونيه
 |
| الخلايا الشمسية السيليكونيه |
وتتكون من ست طبقات حيث تتكون القاعدة من
طبقتين واحدة تمثل القطب السالب للخلية والثانية تقع فوقها , وهي عبارة
عن طبقة عاكسة تحفظ الضوء في الجزء الحامل من الخلية , ثم من طبقتين من السيليكون
المطعم بالشوائب تكونان قلب الخلية أو قلب الخلية الشمسية , أما الطبقة الخامسة
فهي عبارة عن غشاء رقيق شفاف يحمي طبقة السيليكون العليا , وتكتمل الخلية بالطبقة
السادسة , وهي لوح معدني دقيق يمثل القطب الموجب للخلية .
وتتحول الطاقة في الخلية الشمسية كالتالي :
طاقة ضوئية ←خلية شمسية ← طاقة كهربائية