تعريف بالطاقة الشمسية:

تبدأ عملية إنتاج الطاقة من الشمس بتفاعل الاندماج، يحدث ذلك عندما تتصادم سحب من الغازات والجزيئات نتيجة قوة الجاذبية في الشمس، يتجمع الهيدروجين بمركز الشمس ويبدأ بالاندماج ويُسمى هذا بالاندماج النووي، هذا التفاعل ينتج عنه الكثير من الطاقة الضوئية والحرارية؛ تنتقل الطاقة الحرارية المتمثلة في الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء من سطح الشمس الذي تبلغ حرارته 4230 – 5730 درجة مئوية، وتعبر الطاقة الشمسية غلاف الأرض لتمنحها الكثير من الطاقة الحرارية، بالاضافة إلى الطاقة الضوئية -التي يقع ترددها فوق الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية- ينتقل جزء منها للأرض في حين تمتص طبقة الأوزون الجزء الآخر.

(3)

نبذة تاريخية:

أول ظهور للخلايا الشمسية كان في القرن التاسع عشر وصُنِعت من السيلينيوم، وفي عام 1953م اكتشف ثلاثة علماء (كالفين فولير- جيرالد بيرسون- داريل اتشابين) الخلية الشمسية المصنوعة من السيليكون. (2)

أول محطة توليد بالطاقة الشمسية قام بها المخترع الأمريكي فرانك شومان-Frank Shuman عام (1912-1913م)، واعتمدت في توليدها للكهرباء على الحرارة -باستخدام المرايا العاكسة- لا على الضوء

وسنتعرض للفرق بينهما لاحقًا؛ تم إنشاء هذه المحطة في مصر (المعادي)، فكانت المحطة تنتج طاقة لمحرك قدرته 60-70 حصان، يُستخدَم هذا المحرك في رفع 6000 جالون/ الدقيقة من مياه النيل لري

مزارع القطن. (1)

الآن تطور الأمر كثيرًا، ففي عام1960م تم الاتفاق على استخدام الخلايا الشمسية في توليد الطاقة للأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، وبدأت تقل تكلفة استخدام هذه الطاقة تدريجيًا حتى أصبح استخدامها في أغراض مختلفة وبطرق عديدة في عصرنا الحالي.

(2)

استخدامات الطاقة الشمسية:

تُستخدَم طاقة الشمس لأغراض مختلفة مثل: حفظ الفواكه والخضراوات واللحوم عن طريق تجفيفها بالحرارة، أو في تحلية المياه المالحة للحصول على الأملاح وتنقيتها، أو استخدامها لتسخين المياه في المنازل باستخدام جهاز مُجَمِع للحرارة على سطح المنزل يقوم بتسخين الأنابيب التي تعبر من خلاله، أو في المحطات الضخمة لتوليد الكهرباء من الحرارة أو الضوء (الخلايا الشمسية)، وسنتحدث في هذا المقال عن الطريقتين في توليد الكهرباء. (4)

توليد الكهرباء بحرارة الشمس:

يتم استخدام عدد كبير من المرايا مرتبة بشكل منظم لتعكس أشعة الشمس على نقطة واحدة، هذه النقطة هي برج يُسمَّى الفرن الشمسي (كما ترى في الصورة)؛ وبتركيز آلاف المرايا على الفرن الشمسي تقوم أشعة الشمس المعكوسة بتسخين البرج لدرجة حرارة تصل إلى 3300 درجة مئوية، ويتم التحكم في زوايا المرايا آليًا ليتم تركيز أشعة الشمس بدقة عالية لتحقيق أكبر استفادة من الطاقة لتسخين البرج، فالبرج يُشبه وعاءً يحتوى على الماء حيثُ تتجمع الحرارة لتسخين المياه لدرجات حرارة مرتفعة جدًا، يتحول الماء لبخار ذو ضغط عالي يحرك توربينة بخارية لتوليد الكهرباء، كما أنَّه تم استخدام هذا الفرن الشمسي لدراسة تأثيرات الحرارة المرتفعة للاستفادة منها في صناعات أخرى.

فيديو للتوضيح: https://www.youtube.com/watch?v=LMWIgwvbrcM

كيف تعمل الخلايا الشمسية؟

تحول الخلايا الشمسية ضوء الشمس إلى طاقة كهربية مباشرًة، حيث تتم صناعة الخلايا من مواد شبه موصلٍة غالبًا يكون السيليكون، ويتم تخزين الطاقة في بطاريات للاستخدام في الليل، ولكن لا تجد الخلايا الشمسية منتشرة في البيوت بسبب ثمنها الباهظ، لذلك تعمل الأبحاث الحالية على رفع كفاءة الخلايا الشمسية وتقليل تكلفتها؛ بالإضافة أيضًا توجد أنواع أخرى من الخلايا الشمسية غير السيليكون مثل الخلايا المصنوعة من المركبات العضوية سنتحدث عنها في المقالات القادمة.

يتم استخدام السيليكون لأنَّه يتمتع بخصائص كيميائية فريدة، ذرةالسيليكون تحتوي على 14 إلكترون موزعة على 3 مستويات مختلفة، أول مستويان يحملان 10 إلكترونات، أما المستوى الخارجي يكون غير مستقر فهو نصف ممتلئ ويحتوي على 4 إلكترونات، لذلك يرغب المستوى الأخير في الحصول على 4 إلكترونات ليصبح مستقرًا، فيقوم بمشاركة ذرة أخرى فيحصل كل منهما على 4 إلكترونات مع بعضهم البعض، لذا فالسيليكون قادر على أن يستقر ذاتيًا.

تظهر مشكلة أخرى لأنَّ السيليكون ليس بموصٍل جيٍد للكهرباء، لذلك لا تتم صناعة الخلية من السيليكون فقط؛ ولكن يتم وضع بعض الشوائب لتوصيل الكهرباء، فيتم استخدام الفسفور مثلًا لأنه يحتوي على 5 إلكترونات في المستوى الخارجي، وبذلك عندما يتحد الفوسفور مع السيليكون يتبقى إلكترون واحد زائد عن هذا المستوى حيث يتشبع المستوى ب 8 إلكترونات فقط، ليتحرر الإلكترون الزائد مما يسمح بمرور التيار الكهربي .(5)

المصادر:

-1. Frank Shuman. In: Wikipedia, the free encyclopedia [fusion_builder_container hundred_percent=”yes” overflow=”visible”][Internet]. 2015 [cited 2016 Jan 23]. Available from: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Frank_Shuman&oldid=688979386

2. The History Of Solar Power – Experience.com [Internet]. [cited 2016 Jan 23]. Available from: https://www.experience.com/alumnus/article?channel_id=energy_utilities&source_page=additional_articles&article_id=article_1130427780670

3. How Does The Sun Produce Energy? [Internet]. Universe Today. [cited 2016 Jan 23]. Available from: http://www.universetoday.com/75803/how-does-the-sun-produce-energy/

4. Solar Energy [Internet]. HowStuffWorks. [cited 2016 Jan 23]. Available from: http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/solar-energy-info.htm

5. How Solar Cells Work [Internet]. HowStuffWorks. [cited 2016 Jan 23]. Available from: http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/solar-cell.htm

مصدر الصور:

http://i.dailymail.co.uk/i/pix/2011/06/03/article-0-0C627CF400000578-958_964x548.jpg

http://myrealestateny.com/files/solar-panel-diagram-large.jpg

إعداد وترجمة: مالك المغربي

مراجعة: محمد سلامه