لماذا الطاقة الشمسية
يبحث الإنسان دوماً عن مصادر جديدة للطاقة لتغطية احتياجاته المتزايدة فيتطبيقات الحياة المتطورة التي نعيش، ويعيب الكثير من مصادر الطاقة نضوبها وتكلفةاستغلالها المرتفعة والتأثير السلبي لاستخدامها على البيئة، وقد تنبّه الإنسان فيالعصر الحديث إلى إمكانية الاستفادة من حرارة أشعة أمّنا الشمس والتي تتصف بأنهاطاقة متجددة ودائمة لا تنضب، وأدرك جلياً الخطر الكبير الذي يسببه استخدام مصادرالطاقة الأخرى والشائعة (وخاصةً النفط والغاز الطبيعي) في تلوّث البيئة وتدميرها،مما. يجعل الطاقة الشمسية الخيار الأفضل على الإطلاق.
ولهذا أضحت الطاقة الشمسية في عصرنا الحالي دخلاً قومياً لبعض البلدان حتى أنهفي دول الخليج العربي والتي تعتبر من أكثر بلاد العالم غنىً بالنفط، تستخدم الطاقةالشمسية بشكل رئيسي وفعّال وقد استخدمت الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء في تطبيقات عديدة منها محطات توليدالكهرباء وتحلية المياه، وتشغيل إشارات المرور وإنارة الشوارع، وتشغيل بعض الأجهزةالكهربائية مثل الساعات. والآلات الحاسبة، وتشغيل الأقمار الاصطناعية والمركباتوالمحطات الفضائية، ومؤخراً رأينا على التلفاز سيارة تسير بالطاقة الشمسية تصلسرعتها إلى 60 ميل (96 كم) في الساعة.
وظهرت أهمية الطاقة الشمسية مجدداً كعامل مهم في الاقتصاد العالمي وفي الحفاظعلى البيئة مع استخدام السخانات الشمسية في معظم دول العالم وحتى الغنية منهالتسخين المياه لمختلف الأغراض، وقد زاد في أهميتها نجاحها في التطبيقات العمليةوسهولة تركيبها وتشغيلها وتعد المملكة الأردنية الهاشمية الدولة الأولى في منطقة الشرق الأوسط في تفعيلاستخدام الطاقة الشمسية وتصنيع وإنتاج وتطوير السخانات الشمسية، والتي تصل نسبةاستخدامها إلى 40% من مجموع البيوت السكنية، ويركب فيها سنوياً ما يقارب من 15.000جهاز طبقاً للإحصاءات الرسمية، هذا بالإضافة إلى استخدامها في المستشفيات والمدارسوالفنادق وتدفئة برك السباحة، وفي العديد من التطبيقات الصناعية والخدميةوالزراعية، حيث يتم تركيب السخان الشمسي والذي يتناسب مع جميع التطبيقات على اختلافأحجامها كنظام مستقل ودائم أو كنظام مساعد لأنظمة التدفئة المركزية وأنظمة تسخينالمياه.
إن النجاح في استخدام الطاقة الشمسية يعتمد على العديد من العوامل المتكاملة، نذكر منها:
- الموقع الجغرافي (قوة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة وسرعة الرياح).
- ملائمة النظام الشمسي مع حجم التطبيق.
- نوعية المنتج (النظام الشمسي).
- التقنية المستخدمة في تصنيع المنتج (النظام الشمسي).
- جودة وكفاءة المكونات المستخدمة.
منشأ الشمس
لقد تكونت الشمس من جراء تكاثف سحاب بين النجوم وذلك تحت تأثير الجاذبية . ويتكون هذا السحاب أساسا من الهيدروجين H2 والهليوم He والكربون C و الآزوت N وعناصر أخرى تقل كثافته عن 10000/10 0
وتتحول طاقة الجاذبية في هذا السحاب إلى طاقة حرارية وعندما تصبح كثافة السحاب هامة ترتفع درجة الحرارة في مركز هذا الكوكب البدائي ( الكوكب الذي هو في طور الإنشاء ) حيث تصل إلى عشرة ملايين درجة خلال 10000000 سنة. وتبدأ تفاعلات الاندماج النووي التي تحول الهيدروجينH2 إلى هليومHe. ويعاد الضغط حينئذ قوة الجاذبية فيبرز الكوكب للوجود و تحصل حالة توازن يمكن أن تستمر 10000 مليون سنة وهذا هو الوضع الحالي للشمس التي هي في منتصف العمر.
معلومات حول الشمس
الشمس هي كرة غازية يبلغ قطرها [1.391.000 km ]
وتفصلها عن الأرض مسافة يبلغ معدلها [ 149.598.00 km ]
و بما أن المدار الأرضي شبه دائري (انحرافه المركزي ضئيل لا يتجاوز 0,0.1675 ) لذا فإن المسافة بين الشمس والأرض لا تتغير إلا قليلا خلال السنة %±1,.65 وتبلغ حدها الأدنى في أوائل شباط وحدها الأقصى و في أوائل تموز مما يؤدي إلى تغير القطر الزاوي مما يودي إلى تغير يسير في شدة الإضاءة المرسلة من الشمس و هذا التغير لا يتجاوز 4% وبشكل عام يمكن اعتبار الشمس كجسم أسود مشع درجة حرارته [5800K]
الشمس باعتبارها جسم أسود
عندما يرسل جزء من سطح مضى ds تدفقاd¢ في وحدة الزمن فإن النسبة M تسمى الانبعاث الطاقي : M=d¢/ds (watt/m)
و يمثل الشكل وضعية الأرض بالنسبة للشمس
و يمثل الشكل وضعية الأرض بالنسبة للشمس
و تتركب طبقات الجو شكليا من أربع طبقات كما في الشكل
موقع الأرض من الشمس
كما هو معروف إن احد مصادر الطاقة المهمة للأرض هي الطاقة الشمسية و نري أن الشمس تصب كمية هائلة من ضوئها علي الفضاء المحيط بها وبما أن كوكب الأرض يدور حول الشمس في مدار محدد قدره مدبر هذا الكون سبحانه وتعالي.
نجد أن هناك كميات متفاوتة من هذه الطاقة تحط علي سطح الأرض يوميا تحدد هذه الكميات بموقع الأرض من الشمس أو بالفصول أربعة للسنة الشكل 1 يوضح موقع الأرض من الشمس في الفصول الأربعة للسنة.
كما هو واضح من الشكل السابق نجد أن الدول التي تقع على خط الاستواء هي الدول التي تتمتع بفصل واحد تقريبا طوال السنة وهوا فصل الصيف أي بمعني أخر تسلط أشعة الشمس علي هذه الدول طوال السنة ومن ثم تتمتع الدول القريبة من خط الاستواء بهذا الطقس وعادة يصعب على سكان هذه المناطق الإحساس بالفصول الأخرى.
علما بان المناطقالشمالية و أيضا الجنوبية لخط الاستواء و القريبة لأقطاب الأرض تكون محسوسة الفصولأي أن سكان هذه المناطق يدركون الفصول الأربعة للسنة.
المقصود بهذه المقدمة هوتحديد أماكن كثافة الطاقةالشمسيةعلى كوكب الأرض خلال دورانه حول الشمس فنجد إن الدول العربية تحضي بقدر كبير من هذه الطاقةيوميا.
كمّية الإشعاعات الشمسية التي تصل سطح الأرض تتفاوت بسبب تغيير الظروف الجوية والموقع المتغير للأرض بالنسبة للشمس، خلال اليوم الواحد وطوال السنة.
الغيوم هي أحد العوامل الجوية الرئيسية التي تقرّر كمّية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض وبالتّالي تتلقى المناطق ذو المناخ الغائم إشعاعات شمسية أقل من المناطق التي يكونمناخها صحراويا.
عموما اكبر كمية إشعاع شمسي تستلم بواسطة الأرض تكون فيفترة الظهيرة عندما يكون ضوء الشمس عامودي على سطح الأرض بخلاف وقتي الشروق والغروب فهما يستقبلان اقل كمية من الإشعاع طوال فترة النهار لكل يوم.
بالتّالي نتيجة سقوط إشعاع الشمس عموديا علي سطح الأرض خلال فترة الظهيرة نجد أن المفاقيد فيالإشعاع تكون صغيرة جدا هذه المفاقيد عبارة عن امتصاص السحب للإشعاعات الشمسيةأو تبعثر الإشعاعات في الفضاء بواسطة انعكاساتها عنطريق الرماد البركاني المحمول جوا أو الأدخنة المحمولة جوا نتيجة حرق الغابات وغيرها من ملوثات البيئة بهذا تصل إشعاعات شمسية أكثر سطح الأرض في منتصف اليوم.
تتكون مجموع الإشعاعات التي ترتطم بسطح الخلية الضوئية في الوضع الأفقي أو بمساحة معينة علي سطح الأرض كما هوا موضح في الشكل التالي من ثلاثة أجزاء أساسية وهي:
- الحزمة الضوئية المباشرة (Direct Beam Radiation)
- الحزمة الضوئية المبعثرة (Diffuse Radiation )
- الحزمة الضوئية المعكوسة (Albedo Radiation).
ولمعرفة المزيد عن هذه الأجزاء نجد إن الجزء الأول يعرف نفسه وهو عبارة عن شعاعمباشر أي في خط مباشر من الشمس إلي الأرض ويشكل اغلب الأجزاء في الأيام المشمسة.
أما في الأيام الغائمة تكون الشمس محجوبة بالغيوم و الشعاع المباشر فيمثل هذه الأيام يكون تقريبا صفر. ومن ثم تشكل الحزمة الضوئية المبعثرة الأغلبيةالعظمى في ذلك اليوم ولكن تكون جزيئاته متفرّقة خارج مسار الشعاع المباشر. وبما أنهذا الشعاع يأتي من أنحاء متفرقة من السماء فلبعض يطلقوا عليه اسم إشعاعالسماء.
إنّ كمية الشعاع المبعثر يكون حوالي 10 % إلى 20 % للسماء الصافيةوبحدود 100 % للسماء الغائمة. بعض الإشعاع الشمسي يدخل جوّ الأرض يمتصّويبعثر.
أما الجزء الثالث والأخير فهو مكمل للحزمة الضوئية الكاملة التيترتطم بالخلية الضوئية وهو عبارة عن الإشعاعات الضوئية المنعكسة بواسطة الوسائطالمختلفة المحيطة بالخلية ويطلق على هذا الجزءAlbedo Radiation.
إنّ كمّيةالإشعاع المنعكس على سطحالخليةيكون مختلف الكميةبسبب اختلاف الأسطح العاكسة للشعاع الجدول التالي يحتوي على الأسطح العاكسة الموجودةومعاملات كل سطح لان ذلك يؤخذ في الحسبان عندما نريد إيجاد كمية الشعاع الساقط علىنقطة معينة في الأرض. بعد معرفة الأجزاء الثلاثة الأساسية المكونة للشعاع الساقط علىالخليةالضوئية في الوضع الأفقي المعادلة التالية تستخدم لجمع هذه الأجزاء وإيجاد المجموع النهائي لكمية الشعاع الساقط الذي سوف نستخدمه لاحقا و نحسب من خلاله كمية الطاقة الكهربائية التي يمكن أن تنتجه الخلية :
الحزمة الضوئية المعكوسة+الحزمة الضوئية المبعثرة +الحزمة الضوئية المباشرة
GR = Direct Beam radiation (B) + Diffuse radiation (D) + Ground Reflected radiation®بعدتحليل الإشعاع الشمسي الكلي الساقط عليالخلية في الوضع الأفقي يمكننا زيادة كمية الإشعاع التي استعرضناها في الأعلى وذلك بتثبيتالخلايا الضوئية بزاوية ميل يتم اختيارها بدقة بحيث تثبت مباشرة نحو الشمس معظم الوقت و طوال السنة وسوف تحقّق زاوية الميل هذه الحد الأقصى من الطاقة المستلمة.
وباستخدام زاوية ميل للخلية سوف تتغير المعادلة الأولى ويضاف إليها الزاوية ويتغير وضع الخلية من أفقي إلى شبه عامودييحدد ذلك مكان الخلية علي سطح الأرض
فكرة مبسطة عن كيفية العمل:
يتضمن التصميم المقترح للمحطة الشمسية المتكاملة بالشبكة الكهربائية يتكون التصميم من ثلاث مراحل حيث تضم مجموعة من الخلايا الشمسية هذا بالإضافة إلى المحطة الثانوية للطاقة الكهربائية ومحولات للتيار الكهربائي المستمر إلى تيار متناوب ثلاثي الطور. وبذلك يتم تجهيز الطاقة الكهربائية المنتجة في المحطة . التي تعمل على تغذية الشبكة الكهربائية بالطاقة الكهربائية المنتجة خلال فترة وجود الإشعاع الشمسي تجهز الطاقة الكهربائية المنتجة المصفوفة الألواح الشمسية إلى المحطة الثانوية للطاقة الكهربائية (بالإضافة إلى شحن مجموعة من المجمعات الكهربائية<بطاريات>)… وثم يتم بعد ذلك تغير نوعية هذه الطاقة عن طريق محولات التيار الكهربائي و رفع التوتر بحيث يساوي توتر الشبكة.
وتعمل المحطة في فترة الليل أو في فترة غياب الإشعاع الشمسي عن طريق المجمعات الكهربائية التي تم شحنها في فترة ظهور الإشعاع الشمسي فان تصميم المنظومة الشمسية المباشرة يمكن أن يتكون منمصفوفة ألواح شمسية مثبته عند زاوية ميل محددة بالنسبة للمستوي الأفقي وموجه نحو الجنوب أو مصفوفات للألواح الشمسية المجهزة بأنظمة التحكم لتوجيه هذه المصفوفات ومتابعة الحركة الظاهرية للشمس
الطاقة الشمسية وتحديات البيئة :
يواجه سكان الأرض اليوم أكثر التحديات صعوبة على مر التاريخ متمثلة بالارتفاع الملحوظ بدرجات الحرارة نتيجة للتلوث الذي أحدثه الإنسان بفعالياته المختلفة التي تبعث غازات ماصة للحرارة مثل ثاني اوكسيد الكربون2 CO ,الميثان , النتروز ,اوكسيد النتروز والهالو كربونات إلى طبقة الاتوم سفير ( Atmosphere. )
هذه الغازات تمتص الأشعة فوق الحمراء ( Infrared radiation ) من الأرض ثم تبعثها ثانية إلى سطحها مسببة تغيرات بطيئة بموازين الطاقة .
لقد سجل القرن العشرين زيادة مقدارها نصف درجة سليزية في معدل درجات الحرارة , وحسب تقارير لجنة الخبراء الدوليين في مجال التغيرات المناخية فقد تبين إن غاز CO2 المنبعث كناتج للوقود العضوي يمثل ثلاثة أرباع منه أما الربع الباقي فينبعث نتيجة التغيرات التي يحدثها الإنسان في اليابسة
الطاقة الشمسية وأزمة الوقود العضوي:
كما أن الوقود العضوي ماض ِ في نفاذه بنسبة 100 ألف مرة عن سرعة تكوينه لذلك زادت الحاجة لمصادر طاقة جديدة للطاقة ومنها إنتاج الطاقة الكهربائية بواسطة التحويل المباشر في الخلايا الشمسية .
الطاقة الشمسية والجدوى الاقتصادية منها:
كلفة كهرباء الخلايا الشمسية :
تتراوح تكلفة الوات ذروة في الأسواق العالمية ما بين 8 إلي 10 دولارات بـــالنسبة للــدول المستوردة بينما تصل تكلفة الوات ذروة بالنسبة للتطبيقات ذات القدرة المتوسطة والقدرة المتوسطة و العالية إلي 30 دولار و تزيد هذه التكلفة وفق التصميم و أجهزة التحكم والتخزين الساكن و الإلكترونـات المساعدة إلا أن تكلفة الـوات ذروة بالنسبة للقدرة العاليــة (المحطات الكهـروشمسية ذات سعة الميجاوات) تقل قليلاً عن 20 دولار .
إن الاقتصاديات الحالية لتطبيقات ومنظومات الخلايا الشمسية وبعضها فعال التكلفة وبعضها الآخر غير ذلك وهي صورة ديناميكية تماماً حيث الأسعار و انخفضت خلال العقد الماضي .