الطاقة الحرارية الشمسية الجزء الأول " دراسة بحثية فى استغلال الطاقة الشمسية"

الطاقة الحرارية الشمسية الجزء الأول " دراسة بحثية فى استغلال الطاقة الشمسية"

الطاقة الحرارية الشمسية على استخدام حرارة الشمس مباشرة، حيث يمكن لمنظومات الطاقة الحرارية الشمسية أن تؤمن المياه الساخنة لمجموعة واسعة من الاستعمالات، بدءا من المياه الساخنة في المنازل إلى تدفئة الأبنية السكنية والتجارية و أحواض السباحة و التدفئة الصناعية و الزراعية. ويمكن للأنظمة الطاقة الحرارية الشمسية أن تغطي جزءا هاما من الطاقة اللازمة المياه لتسخين المياه للتدفئة بتكلفة اقل مقارنتا مع الأنظمة التي يتم تلبيتها حاليا عن طريق سخانات المياه الغازية أو الكهربية.

منظومة تسخين المياه بالطاقة الشمسية هي منظومة متكاملة تتكون من عدة أجزاء تستخدم في تجميع الأشعة الشمسية الساقطة عليها وتحويلها إلى طاقة حرارية يستفاد منها في تسخين المياه خلال ساعات سطوع الشمس،حيث تخزن المياه الساخنة في خزان حرارى تمهيدا لإستخدامها خلال اليوم. تتكون هذه منظومة من مجمعات شمسية مخصصة لتسخين الماء من ألواح إطارية و صفائح ماصة مطلية بألوان داكنة تتوزع داخلها قنوات سريان معدنية و مغطاة بعوازل حرارية لمنع تسرب الحرارة المكتسبة في وسيط التسخين إلى الوسط المحيط .

تعريفات الطاقة الحرارية الشمسية :
الطاقة الشمسية الساقطة على سطح الأرض: هي الجزء من الإشاعات المنبعثة من الشمس والتي تصل عبرالغلاف الجوى إلى سطح الأرض وتقدر عادة بكمية الطاقة الساقطة على المستوى الأفقي لكل متر مربع خلال اليوم، وتبلغ القيمة اليومية المتوسطة لها بالدول العربية على مدار العام حوالي 6 كيلووات ساعة لكل متر مربع.

السخان الشمسي ( منظومة تسخين المياه بالطاقة الشمسية ): هي منظومة متكاملة تتكون من عدة أجزاء تستخدم في تجميع الأشعة الشمسية الساقطة عليها وتحويلها إلى طاقة حرارية يستفاد منها في تسخين المياه خلال ساعات سطوع الشمس، حيث تخزن المياه الساخنة في خزان حرارى تمهيدا لإستخدامها خلال اليوم.

الحمل الحرارى المطلوب من السخان الشمسي:
الطاقة الحرارية اللازمة لتوفير كمية المياه الساخنة يوميا تعادل السعة التخزينية للمنظومة عند درجات حرارة تتراوح ما بين 50 إلى 60 درجة وذلك على مدار العام الكامل، ويصل هذا الحمل الحراري إلى حوالي 3000 كيلووات ساعة سنويا لسخان شمسي تبلغ سعته التخزينية 200 لتر من المياه الساخنة.

معامل المشاركة الشمسية :
هو المعامل الذي يعتمد على جودة وكفاءة السخان الشمسي، ويمثل النسبة بين كمية الطاقة الفعلية المستفادة من المنظومة والمنقولة إلى الماء خلال فترة زمنية محددة إلى كمية الطاقة اللازمة للوفاء بالحمل الحراري المطلوب من المنظومة خلال نفس الفترة الزمنية ويزيد هذا المعامل إذا ما حسب لمدة عام كامل عن 90% في كافة مناطق الدول العربية

طاقة الشمسية تعني تحويل ضوء الشمس إلى طاقة حرارية أو كهربائية لكي نستخدمها. الانواع الأساسيين لاستخدامات الطاقة الشمسية هما : "الفولطائية الضوئية" و"الطاقة الحرارية الشمسية".
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ، والتحويل الكهروضوئية هو تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ، و هناك بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم وغيرها . وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض المعادن . وقد نال العالم اينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة .

يتم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة ، وهي لا تستهلك وقوداً ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة . ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي 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 وغيرها كذلك يمكن الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام ، حيث أن هناك أبحاث تجري في هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس تحت أشعة الشمس أثناء الطهي .

الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة ، إلا أن مدى الاستفادة منها يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام. وعليه يبدو أن المطلوب هو تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي . وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي .

يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية وطاقة حرارية بوساطة المجمعات الشمسية

تعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية

طاقة المتجددة Renewable Energy
هي عبارة عن مصادر طبيعية دائمة تتجدد باستمرار، وهي نظيفة لا ينتج عن استخدامها تلوث بيئي. ومن أهم هذه المصادر الطاقة الشمسية التي تعتبر في الأصل الطاقة الرئيسة في تكوّن مصادر الطاقة, وكذلك طاقة الرياح وطاقة المد والجزر والأمواج, والطاقة الحرارية الجوفية وطاقة المساقط المائية وطاقة البناء الضوئي (او التمثيل الضوئي Photosynthesis, وهو ظاهرة بيولوجية هامة تؤثر في حياة جميع المخلوقات الحية، وهو المصدر الرئيس لتكوين الأوكسجين)، كذلك هناك الطاقة المائية للبحار والمحيطات.

ما هي الطاقة الشمسية؟
الطاقة الشمسية هي تحويل الضوء المنبعث والحرارة الناتجة عن الشمس الى طاقة كهربائية, مباشرة، وذلك باستخدام «الالواح الضوئية الجهدية» (PV panels Photovoltaics)، أو بشكل غير مباشر عبر تركيز «القدرة الشمسية» (Concentrated Solar Power CSP)، وقد قام الإنسان بتسخير هذه الطاقة لمصلحته منذ العصور القديمة باستخدام مجموعة من الوسائل التي كانت تتطور باستمرار. وتُعزى معظم مصادر الطاقة المتجددة المتوافرة على سطح الأرض إلى الإشعاعات الشمسية بالإضافة إلى مصادر الطاقة الثانوية، مثل طاقة الرياح وطاقة الأمواج والطاقة الكهرومائية والكتلة الحيوية... ومن المهم هنا أن نذكر أنه لم يتم حتى اليوم استخدام سوى جزء صغير من الطاقة الشمسية المتوافرة.
يقدر العلماء أن كوكب الأرض يستقبل نحو 174 بيتاواط من الإشعاعات الشمسية القادمة إليه عند طبقة الغلاف الجوي العليا، (كل بيتاواط تساوي مليار ميغاواط).
ويعود ما يقارب 30% من هذه الإشعاعات إلى الفضاء، بينما تمتص السحب والمحيطات والكتل الأرضية النسبة الباقية، وينتشر معظم طيف الضوء الشمسي الموجود على سطح الأرض عبر المدى المرئي وبالقرب من مدى الأشعة تحت الحمراء، بينما ينتشر جزء صغير منه بالقرب من مدى الأشعة ما فوق البنفسجية.
 كذلك يقدر العلماء أن الطاقة الشمسية التي تسقط على صحارى العالم كل ست ساعات هي أكبر مما يستهلك العالم منها في سنة كاملة. ويقول خبراء الطاقة إن كل «مزرعة» من المزارع الشمسية في أفريقيا تنتج ما بين 50 و200 ميغاواط من الطاقة.

المزارع الشمسية
أشهر مشروع قدّم بهذا الصدد كان مشروع مدير مركز الأبحاث البصرية في جامعة اريزونا آدن مينيل، فقد وضع تصميمًا لمفاعل شمسي تبلغ طاقته 1000 ميغاواط، ويقضي هذا المشروع بتجميع أشعة الشمس بواسطة صفائح مغطاة بطبقات ماصة للأشعة، ثم تضاف إليها أنواع من المصافي تعطي بخارًا عند درجة 540 مئوية. تجمع الحرارة التي تلتقطها هذه الصفائح بواسطة سائل صوديوم، ثم تنتقل إلى خزان من الملح السائل المنعزل عن الخارج بشكل يتيح له تخزين كمية الحرارة كلها وضغطها لإنتاج البخار الذي يسيّر التوربينات ويعطي الكهرباء. وحسب تقديرات مينيل نفسه فإن مردود هذا المفاعل يصل إلى 30%، بالإضافة إلى ذلك يمكن تخطي الصعوبات التي تطرأ في الأيام الممطرة لعملية تخزين الحرارة التي بإمكانها أن تستمر لساعات عديدة.
يبدو حتى الآن أن محاولات الاستفادة من الطاقة الشمسية على نطاق واسع وبشكل اقتصادي تواجه بعض المشكلات وتحتاج إلى مزيد من الدراسات والوقت. أما أسباب ذلك فهي:
• قلة كمية الأشعة الشمسية الساقطة على وحدة السطح، حيث أنه لا بد من استخدام مساحات واسعة من المجمعات الشمسية لاستقبال مقدار كافٍ من الإشعاع لتحويله إلى طاقة مفيدة.
• انخفاض كفاءة المجمعات الشمسية المستخدمة، وفقدان قسم من طاقة الشمس الساقطة.
• تغير كمية الطاقة المجمعة خلال اليوم وعلى مدار فصول السنة، وذلك بسبب التغير في كمية إشعاع الشمس.

مشاريع لبناء مزارع الطاقة
إن عدد ساعات الشمس التي ينعم بها لبنان والمنطقة العربية وقسم من أوروبا تفوق الثلاثة آلاف ساعة سنويًا، أي أن أشعة الشمس لا تغيب عن هذه المناطق طوال أيام السنة تقريبًا، بينما ثمة منــاطق ككندا أو روسيا لا يتجاوز فيها عدد ساعات الشمس

المشـرقة الألف ساعة سنويًا.
وتسجل صناعة الطاقة الشمسية ازدهارًا متواصلاً، حيث تقدر الجمعية الأوروبية لقطاع صناعة الطاقة الشمسية المتخصص في تحويلها مباشرة إلى طاقة كهربائية، أن يوفر هذا المصدر المتجدد 12% من إمدادات الاتحاد الأوروبي من الكهرباء بحلول العام 2020.
لقد باشر الاتحاد الاوروبي خطوات جادة لإنشاء مزارع للطاقة الشمسية في عدد من دول شمال أفريقيا (دول الصحراء الكبرى، المغرب، تونس والجزائر)، وكذلك في بعض مناطق المملكة العربية السعودية. وستتولى شركة «سيمنس» الألمانية مهمة نقل الطاقة باستخدام كابلات كهربائية حديثة، وهي الكابلات التي تقل فيها نسبة الفقد عن 3 في المائة.
وكشف بعض المصادر في قطاع إنتاج الطاقة الشمسية السعودي، أن المشروع الأوروبي خضع لدراسة مستفيضة، وسيكون قيد التنفيذ خلال السنوات المقبلة، بعد أن أثبتت الدراسات أن المملكة ستكون أكبر مصدر للطاقة الشمسية في العالم، وهي أهم الدول في «الحزام الشمسي».كما سجلت ألمانيا طلبات لتوليد الطاقة الشمسية تتجاوز 5000 ميغاواط، فضلًا عن تسجيل طلبات أخرى في كل من اليابان، الولايات المتحدة الأميركية، الصين، إسبانيا، إيطاليا، وعدد من الدول العربية