بالإضافة إلى التصميمات المعمارية التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية، وهي تقنيات تستطيع المساهمة بشكل بارز في حل بعض من أكثر مشاكل العالم إلحاحا اليوم.
تُعزى
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.. من الأهمية هنا أن نذكر أنه لم يتم استخدام سوى جزء صغير من الطاقة
الشمسية المتوافرة في حياتنا. يتم توليد طاقة كهربية من الطاقة
الشمسيةبواسطة محركات حرارية أو محولات فولتوضوئية.وبمجرد أن يتم
تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربية، فإن براعة الإنسان هي فقط التي تقوم
بالتحكم في استخداماتها.ومن التطبيقات التي تتم باستخدام الطاقة الشمسية نظم
التسخين والتبريد خلال التصميمات المعمارية التي تعتمد على استغلال الطاقة
الشمسية، والماء الصالح للشربخلال التقطير والتطهير،
واستغلال ضوء النهار، والماء الساخن، والطاقة الحرارية في الطهو،
ودرجات الحرارة المرتفعة في أغراض صناعية.
تتسم وسائل التكنولوجيا التي تعتمد الطاقة الشمسية بشكل عام
بأنها إما أن تكون نظم طاقة شمسية سلبية أو نظم طاقة شمسية
إيجابية وفقًا للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من
خلالها.وتشمل التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية الإيجابية
استخدام اللوحات الفولتوضوئيةوالمجمع الحراري الشمسي، مع المعدات
الميكانيكية والكهربية، لتحويل ضوء الشمس إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة.هذا، في حين
تتضمن التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية السلبية توجيه أحد المباني
ناحية الشمس واختيار المواد ذات الكتلة الحرارية المناسبة أو خصائص
تشتيت الأشعة الضوئية، وتصميم المساحات التي تعمل على تدوير الهواء بصورة
طبيعية.
حجم الطاقة الشمسية القادمة
إلى الأرض
يستقبل كوكب الأرض 174 بيتا واط من الإشعاعات الشمسية
القادمة إليه (الإشعاع الشمسي) عند طبقة الغلاف الجويالعليا. وينعكس ما يقرب من 30% من
هذه الإشعاعات عائدة إلى الفضاء بينما تُمتص النسبة الباقية بواسطة السحب
والمحيطات والكتل الأرضية. ينتشر معظم طيف الضوء الشمسي الموجود على سطح الأرض عبر المدى المرئي وبالقرب من مدى الأشعة تحت
الحمراء بالإضافة إلى انتشار جزء
صغير منه بالقرب من مدى الأشعة فوق
البنفسجية. تمتص مسطحات اليابسة والمحيطات والغلاف الجوي الإشعاعات الشمسية، ويؤدي ذلك إلى ارتفاع
درجة حرارتها. يرتفع الهواء الساخن الذي يحتوي على بخار الماء الصاعد من المحيطات
مسبباً دوران الهواء الجوي أو انتقال الحرارة بخاصية الحمل في اتجاه رأسي. وعندما يرتفع الهواء إلى قمم المرتفعات، حيث
تنخفض درجة الحرارة، يتكثف بخار الماء في صورة سحب تمطر على سطح الأرض، ومن ثم تتم دورة الماء في الكون. تزيد الحرارة الكامنة لعملية تكثف الماء من انتقال
الحرارة بخاصية الحمل، مما يؤدي إلى حدوث بعض الظواهر الجوية، مثل الرياح والأعاصير والأعاصير المضادة. وتعمل أطياف ضوء الشمس التي
تمتصها المحيطات وتحتفظ بها الكتل الأرضية على أن تصبح درجة حرارة سطح الأرض في
المتوسط 14 درجة مئوية. ومن خلالعملية التمثيل
الضوئي الذي تقوم به النباتات
الخضراء، يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، مما يؤدي إلى إنتاج الطعام والأخشاب والكتل
الحيوية التي يُستخرج منها الوقود الحفري.
يصل إجمالي الطاقة الشمسية التي يقوم الغلاف
الجوي والمحيطات والكتل الأرضية بامتصاصها إلى حوالي 3.850.000 كونتليون جولفي العام.وفي
عام 2002، زادت كمية الطاقة التي يتم امتصاصها في ساعة واحدة عن كمية الطاقة التي
تم استخدامها في العالم في عام واحد.
يستهلك التمثيل الضوئي حوالي 3.000 كونتليون جول من الطاقة
الشمسية في العام في تكوين الكتل الحيوية.
تكون كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض كبيرة للغاية،
لدرجة أنها تصل في العام الواحد إلى حوالي ضعف ما سيتم الحصول عليه من مصادر
الطاقة الموجودة على الأرض مجتمعة معًا، كالفحم والبترول والغاز الطبيعي
واليورانيوم الذي يتم استخراجه من باطن الأرض.سوف يظهر في الجدول الخاص بمصادر
الطاقة أن الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أو طاقة الكتلة الحيوية ستكون كافية
لتوفير كل احتياجاتنا من الطاقة، ولكن الاستخدام المتزايد لطاقة الكتلة الحيوية لهتأثير سلبيعلى الاحتباس الحراري وزيادة أسعار الغذاء بصورة ملحوظة بسبب استغلال
الغابات والمحاصيل في إنتاج الوقود الحيوي.
لقد أثارت طاقة الرياح والطاقة الشمسية موضوعات أخرى، باعتبار
أنها من مصادر الطاقة المتجددة.
تطبيقات على استخدام الطاقة
الشمسية
يتطلب متوسط الإشعاع الشمسي الذي يوضح مساحة
اليابس (كنقاط سوداء صغيرة) تصنيف الفائض من الطاقة الأساسية في العالم من ضمن
الطاقة الكهربية التي تولدها الطاقة الشمسية.18 تريليون وات يساوي 568 كونتليون
جول في السنة. يقدر الإشعاع الشمسي بالنسبة لمعظم الناس بما يتراوح من 150 إلى 300
وات / متر مربع، أو 3.5 إلى 7.0 كيلو وات ساعة للمتر المربع في اليوم.
تشير
الطاقة الشمسية بصورة أساسية إلى استخدام الإشعاعات الشمسيةفي أغراض عملية. على أية حال، تستمد كل
مصادر الطاقة المتجددة، باستثناء طاقة المد والجزروطاقة الحرارة الأرضية، طاقتها من الشمس.
تتسم
التقنية التي تعتمد على الطاقة الشمسية بشكل عام بأنها إما أن تكون سلبية أو
إيجابية وفقًا للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من خلالها. وتشمل
تقنية الطاقة الشمسية الإيجابية استخدام اللوحات الفولتوضوئية والمضخات والمراوح
في تحويل ضوء الشمس إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة. هذا، في حين تتضمن تقنية الطاقة
الشمسية السلبية عمليات اختيار مواد ذات خصائص حرارية مناسبة وتصميم الأماكن التي
تسمح بدوران الهواء بصورة طبيعية واختيار أماكن مناسبة للمباني بحيث تواجه الشمس.
تتسم تقنيات الطاقة الشمسية الإيجابية بإنتاج كمية وفيرة من الطاقة، لذا فهي تعد
من المصادر الثانوية لإنتاج
الطاقة بكميات وفيرة، بينما تعتبر تقنيات الطاقة الشمسية السلبية وسيلة لتقليل
الحاجة إلى المصادر البديلة. وبالتالي فهي تعتبر مصادر ثانوية لسد الحاجة إلى
كميات زائدة من الطاقة
التخطيط المدني والمعماري
حازت جامعة دارمشتات للتكنولوجيا على المركز
الأول في مسابقة "سولار دكثلون" بين الجامعات التي نظمت في مقاطعة
واشنطن عن تصميم منزل يعمل بالطاقة الشمسية السلبية والذي صمم خصيصًا مناسبًا
للمناخ الرطب الحار شبه الاستوائي.
لقد
أثر ضوء الشمس على تصميم المباني منذ بداية التاريخ المعماري. ولقد تم استخدام وسائل
التخطيط المدني والمعماري المتطورة التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية لأول
مرة بواسطة اليونانيين والصينيين الذين قاموا بإنشاء مبانيهم
بحيث تكون لناحية الجنوب للحصول على الضوء والدفء. من الخصائص الشائعة للتخطيط المعماري
الذي يعتمد على تقنية الطاقة الشمسية السلبية إنشاء المباني بحيث تكون ناحية الشمس معدل الضغط (نسبة
مساحة سطح منخفض إلى حجمه) والتظليل الانتقائي (أجزاء من الأبنية متدلية) والكتلة الحرارية. عندما
تتوفر هذه الخصائص بحيث تتناسب مع البيئة والمناخ المحلي، فمن الممكن أن تنتج عنها
أماكن جيدة الإضاءة ذات مدى متوسط من درجات الحرارة. ويعتبر منزل الفيلسوف اليوناني سقراط الذي
يسمى "ميجارون" مثالاً نموذجيًا للتصميمات المعمارية التي تعتمد على
تقنيات الطاقة الشمسية السلبية. تستخدم التطبيقات الحديثة الخاصة بالتصميمات
المعمارية التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية بتصميمات يتم تنفيذها على
الكمبيوتر بحيث تجمع بين نظم التهوية والتدفئة والإضاءة الشمسية في تصميم واحد لاستغلال الطاقة الشمسية ويكون متكاملاً. من الممكن أن تعوض المعدات
التي تعتمد على الطاقة الشمسية الإيجابية، مثل المضخات والمراوح والنوافذ
المتحركة، سلبيات التصميمات وتحسن من أداء النظام. الجزر الحرارية الحضرية (Urban Heat Islands) هي مناطق يعيش فيها الإنسان وتكون درجة
حرارتها أعلى من درجة حرارة البيئة المحيطة بها. وتُعزى درجات الحرارة المرتفعة في
هذه الجزر إلى الامتصاص المتزايد لضوء الشمس بواسطة المكونات التي تميز المناطق
الحضرية، مثل الخرسانة والأسفلت، والتي تكون ذات قدرة أقل على عكس الضوء وسعة حرارية أعلى من تلك الموجودة في
البيئة الطبيعية. ومن الطرق المباشرة لمعادلة تأثير الجزر الحرارية طلاء المباني
والطرق باللون الأبيض وزراعة النباتات. وباستخدام هذه الطرق، أوضح البرنامج النظري
الذي يحمل عنوان "نحو مجتمعات معتدلة المناخ" الذي نُظم في لوس أنجلوس أن درجات الحرارة في المدن
يمكن أن تنخفض بحوالي 3 درجات مئوية بتكلفة تقدر بواحد مليار دولار أمريكي، كما
أعطى البرنامج تقديرًا لإجمالي الأرباح السنوية التي يمكن تحقيقها من جراء خفض
درجات الحرارة؛ حيث تقدر هذه الأرباح بحوالي 530 مليون دولار أمريكي ناتجة عن خفض
تكاليف استخدام أجهزة تكييف الهواء وتوفير نفقات الدولة الخاصة بالرعاية الصحية.
زراعة النباتات والبساتين
تساعد الصوبات الزجاجية مثل تلك الموجودة في
بلدة ويستلاند في هولندا على زراعة الخضروات والفواكة والزهور.
يسعى
المعنيون بتنمية الزراعة وتطويرها إلى زيادة قدر الاستفادة من الطاقة الشمسية بهدف
زيادة معدل إنتاجية النباتات المزروعة. فبعض التقنيات التي تتمثل في تنظيم مواسم
الزراعة حسب أوقات العام وتعديل اتجاه صفوف النباتات المزروعة وتنظيم الارتفاعات
بين الصفوف وخلط أصناف نباتية مختلفة يمكن أن تحسن من إنتاجية المحصول. بينما يعتبر ضوء
الشمس مصدرًا وفيرًا من مصادر الطاقة، فهناك آراء تلقي بالضوء على أهمية الطاقة
الشمسية بالنسبة للزراعة. في المواسم التي كانت المحاصيل التي تنمو فيها قصيرة
خلال العصر الجليدي القصير، زرع الفلاحون
الإنجليزيونوالفرنسيون مجموعات من أشجار فاكهة طويلة لزيادة كمية الطاقة الشمسية
التي يتم تجميعها إلى الحد الأقصى. تعمل هذه الأشجار ككتل حرارية، كما أنها تزيد
من معدل نضج الفاكهة عن طريق الاحتفاظ بالفاكهة في وسط دافئ. قديمًا كان يتم بناء
هذه الأشجار عمودية على الأرض وفي مواجهة الجنوب، ولكن بمرور الوقت، تم إنشاؤها
مائلة لاستغلال ضوء الشمس على خير وجه. وفي عام 1699، اقترح "نيكولاس فاشيو دي دويليير"استخدام أحد الآلات التي من الممكن
أن تدور على محوربحيث تتبع أشعة الشمس.
تشمل تطبيقات الطاقة الشمسية في مجال الزراعة، بغض النظر عن
زراعة المحاصيل، استخدامها في إدارة ماكينات ضخ الماء وتجفيف المحاصيل وتفريخ
الدجاج وتجفيف السماد العضوي للدجاج.وفي العصر الحديث، تم استخدام الطاقة المتولدة
بواسطة اللوحات الشمسية في عمل عصائر الفاكهة.
وتقوم الصوب الزجاجية بتحويل ضوء الشمس إلى حرارة، مما يؤدي إلى إمكانية زراعة
جميع المحاصيل على مدار العام وزراعة (في بيئة مغلفة) أنواع من المحاصيل والنباتات
لا يمكن لها أن تنمو في المناخ المحلي. تم استخدام الصوب الزجاجية البدائية لأول
مرة في العصر الروماني لزراعة الخيار حتى يمكن توفيره على مدار
العام بأكمله للإمبراطور الروماني"تيبريوس". ولقد تم بناء أول صوبة
زجاجية حديثة لأول مرة في أوروبا في القرن السادس عشر من أجل الاحتفاظ بالنباتات
الغريبة التي كان يتم جلبها من خارج البلاد بعد فحصها. من الجدير بالذكر أن الصوب الزجاجية ظلت
تعتبر جزءًا مهمًا من زراعة البساتين حتى وقتنا الحالي، وقد تم استخدام المواد
البلاستيكية الشفافة أيضًا في الأنفاق المتشعبة وأغطية صفوف النباتات المزروعة للهدف نفسه.
الإضاءة الشمسية
يعتبر استخدام ضوء الشمس الطبيعي من أنواع
الإضاءة الأكثر استخدامًا على مر العصور. وقد عرف الرومانيون حقهم في الاستفادة من
الضوءمنذ القرن السادس الميلادي، كما
سار الدستور الإنجليزي على المنوال نفسه مؤيدًا ذلك بإصدار قانون التقادم لعام
1832. وفي القرن العشرين
أصبحت الإضاءة باستخدام الوسائل الصناعية المصدر الرئيسي للإضاءة الداخلية، ولكن
ظلت التقنيات التي تعتمد على استغلال ضوء النهار ومحطات الإضاءةالهجينة التي تعتمد
على ضوء الشمس وغيره من طرق تقليل معدل استهلاك الطاقة.
تقوم
نظم الإضاءة التي تقوم على ضوء
النهار بتجميع وتوزيع ضوء الشمس
لتوفير الإضاءة الداخلية. هذا، وتقوم وسائل التكنولوجيا التي تعتمد على الطاقة
الشمسية السلبية بصورة مباشرة بتعويض استخدام الطاقة عن طريق استخدام الإضاءة
الصناعية بدلاً منها، كما تقوم بتعويض بصورة غير مباشرة استخدام الطاقة غير
الشمسية عن طريق تقليل الحاجة إلى تكييف الهواء. يقدم استخدام الإضاءة الطبيعة أيضًا فوائد عضوية ونفسية بالمقارنة بالإضاءة الصناعية، وذلك على
الرغم من صعوبة تحديد هذه الفوائد بالضبط. ذلك، حيث تشتمل تصميمات الإضاءة التي
تعتمد على ضوء النهار على اختيار دقيق لأنواع النوافذ وحجمها واتجاهها، كما قد يتم
الأخذ في الاعتبار وسائل التظليل الخارجي. وتتضمن التطبيقات الفردية من هذا النوع
من الإضاءة الطبيعة وجود أسقف مسننة ونوافذ علوية للإضاءة وتثبيت أرفف على النوافذ لتوزيع الإضاءة وفتحات إضاءة في أعلى السقف وأنابيب ضوئية. قد
يمكن تضمين هذه التطبيقات في تصاميم موجودة بالفعل، ولكنها تكون أكثر فاعلية عندما
يتم دمجها في تصميم شامل يعتمد على الطاقة
الشمسية بحيث يهتم ببعض العوامل مثل سطوع الضوء وتدفق الحرارة والاستغلال الجيد للوقت. عندما يتم تنفيذ هذه
التطبيقات بصورة سليمة، فمن الممكن أن يتم تقليل حجم الطاقة اللازمة للإضاءة بنسبة
25%. تعتبر نظم الإضاءة الشمسية
الهجينة من سبل استغلال الطاقة الشمسية الإيجابية في الإضاءة الداخلية. تقوم هذه النظم بتجميع ضوء الشمس باستخدام
مرايا عاكسة متحركة تبعًا لحركة الشمس، كما تتضمن أليافًا ضوئية لنقل الضوء إلى داخل المبنى
لزيادة الإضاءة العادية. وفي التطبيقات التي يتم الاستعانة بها في المباني ذات
الطابق الواحد، تكون هذه النظم قادرة على نقل 50% من ضوء الشمس المباشر الذي يتم
استقباله. تعتبر الإضاءة المستمدة من الشمس التي يتم اختزانها في أثناء النهار
واستخدامها في الإضاءة في الليل من الأشياء المألوفة رؤيتها على طول الطرق وممرات
المشاه. وعلى الرغم من أنه يتم استغلال ضوء النهاركإحدى
طرق استخدام ضوء الشمس في توفير الطاقة، فإنه يتم الحد من الأبحاث الحديثة التي
يتم إجراؤها، حيث أوضحت بعض النتائج العكسية: فهناك عدد من الدراسات التي أوضحت أن
هذه الطريقة ينتج عنها توفير للطاقة، بيد أن هناك الكثير من الدراسات التي أظهرت
أن هذه الطريقة ليس لها أي أثر على معدل استهلاك الطاقة، بل وقد تؤدي أيضًا إلى
حدوث فقد في الطاقة، ولا سيما عندما يتم أخذ استهلاك البنزين في الحسبان. يتأثر معدل استهلاك الكهرباء بصورة كبيرة
بالناحية الجغرافية والمناخية والجوانب الاقتصادية، مما يزيد من صعوبة استنباط
نتائج عامة من دراسات فردية.
حرارة الشمس
من الممكن أن يتم استخدام التقنيات التي
تعتمد على استغلال حرارة الشمس في تسخين الماء وتدفئة وتبريد الأماكن وعملية توليد
حرارة.
تسخين الماء
تستخدم نظم التسخين التي تعمل بالطاقة
الشمسية ضوء الشمس في تسخين الماء. ففي المنخفضات الجغرافية التي تقع (تحت 40
درجة)، يمكن أن يتم توفير ما يتراوح من 60 إلى 70% من الماء الساخن المستخدم في
المنازل بدرجات حرارة ترتفع إلى 60 درجة مئوية بواسطة نظم التسخين التي تعمل
بالطاقة الشمسية. ويعتبر من أكثر أنواع سخانات المياه
التي تعمل بالطاقة الشمسية الأنابيب المفرغة (44%) والألواح المستوية المصقولة
(34%) التي تستخدم بصفة عامة لتسخين الماء في المنازل، وكذلك الألواح البلاستيكية
غير المصقولة (21%) التي تستخدم بصفة رئيسية في تدفئة مياه حمامات السباحة. بالنسبة لعام 2007، كان
إجمالي سعة نظم تسخين الماء التي تعمل بالطاقة الشمسية حوالي 154 جيجا وات.
التدفئة والتبريد والتهوية
في الولايات المتحدة الأمريكية، تحتل نظم التدفئة والتبريد
والتكييفنسبة 30% (4.65 كونتليون جول) من الطاقة المستخدمة في أماكن العمل وحوالي
50% (10.1 كونتليون جول) من الطاقة المستخدمة في المباني السكنية. يمكن استخدام
تقنيات نظم التدفئة والتبريد والتهوية التي تعتمد على الطاقة الشمسية لتعويض قدر
من هذه الطاقة.
يُقصد بالكتلة الحرارية أية مادة يمكن
استخدامها لتخزين الحرارة – الحرارة المنبعثة من الشمس إذا كنا نخص الطاقة الشمسية
بالذكر. وتشتمل هذه المواد على الحجارة والأسمنت والماء. ومن الناحية التاريخية،
لقد تم استخدام هذه المواد في المناطق ذات المناخ الجاف أو المناخ المعتدل الدافئ
للاحتفاظ ببرودة المباني في فترات النهار عن طريق امتصاص الطاقة الشمسية في أثناء
النهار وإطلاق الحرارة المخزنة في الأجواء الباردة في فترات الليل. على أية حال،
يمكن استخدام هذه المواد أيضًا في المناطق الباردة بشكل متوسط للاحتفاظ بالدفء
فيها. ويتوقف حجم ومكان الخامات المستخدمة في تخزين حرارة الشمس على عدة عوامل،
مثل الظروف المناخية والإضاءة في فترات النهار والظل. وعندما يتم تضمين هذه المواد
في التصميمات، تعمل الكتلة الحرارية على الحفاظ على درجة حرارة المكان في مدى
مناسب وتقلل من الحاجة إلى وسائل إضافية للتدفئة أو التبريد. تعتبر المدخنة التي تعمل
بالطاقة الشمسية (أو المدخنة الحرارية، في هذا السياق) إحدى نظم التهوية التي تعمل
بالطاقة الشمسية السلبية والتي تتألف من عمود رأسي متصل بداخل المبنى وخارجه.
فعندما ترتفع درجة حرارة المدخنة، فإن الهواء الموجود داخل المبنى يتم تسخينه لذلك
ينتج عنه تيار هواء صاعد يرتفع لأعلى ويحل محله هواء
بارد. يمكن أن يتم تحسين نتائج المدخنة عن طريق استخدام مواد ذات كتلة حرارية
وأسطح مصقولة بطريقة تحاكي كيفية عمل الصوب الزجاجية. تم استخدام النباتات والأشجار النفضية كوسيلة للتحكم في نظم
التدفئة والتبريد التي تعمل بالطاقة الشمسية. فعندما تمت زراعة هذه النباتات على
الناحية الجنوبية من أحد المباني، قامت أوراقها بتوفير الظل للمكان في أثناء فصل
الصيف، بينما سمحت الأغصان غير المورقة لضوء الشمس بالدخول في المبنى في أثناء فصل
الشتاء. ونظرًا لأن الأشجار غير
المورقة تقوم بحجب من 1/3 إلى 1/2 الإشعاعات الشمسية الساقطة، فهناك توازن بين
فوائد الظل في فصل الصيف والطرف المناظر له والمتمثل في الافتقار إلى التدفئة في
فصل الشتاء. وبالنسبة للمناخ الذي تزيد
فيه درجات التدفئة بصورة ملحوظة، لا ينبغي أن تتم زراعة الأشجار النفضية على
الناحية الجنوبية من المبنى لأنها ستؤثر على الطاقة الشمسية المتاحة في فصل
الشتاء. على أية حال، تمكن زراعة مثل هذه الأشجار على الناحيتين الشرقية والغربية
من المبنى لتوفير قدر من الظل في فصل الصيف دون التأثير بشكل ملحوظ على الطاقة
الشمسية التي يتم الحصول عليها في فصل الشتاء.
معالجة الماء
يُستخدم التقطير الشمسي لجعل الماءالمالح والماء الغث صالحًا للشرب. وأول من
استخدم هذا الأسلوب علماء الكيمياء العرب في القرن السادس عشر. هذا، وقد تم تأسيس أول مشروع
تقطير شمسي ضخم في عام 1872 في مدينة "لاس ساليناس"الشيلية المتخصصة في التعدين. ويستطيع المصنع الذي تبلغ
منطقة تجميع الطاقة الشمسية الموجودة به 4.700 متر مربع إنتاج ما يصل إلى 22.700 لتر ماء نقي يوميًا لمدة 40
عامًا. ومن أنواع التصميمات الفردية
لأجهزة التقطير الشمسي الأجهزة ذات السطح
المنحدر المفرد والمزدوج (التي تشبه الصوبة الزجاجية) والأجهزة الرأسية والمخروطية
وذات الألواح الماصة العكسية ومتعددة التأثير. ومن الممكن أن تعمل هذه الأجهزة في
أوضاع "Active" أي نشط و"Passive"
أي غير
نشط و"Hybrid" أي مختلط. وتُعد أجهزة التقطير ذات
السطح المنحدر المزدوج الأقل تكلفة ويمكن استخدامها في الأغراض المنزلية، بينما
تُستخدم الأجهزة متعددة التأثير في التطبيقات واسعة النطاق. تعتمد عملية تطهير الماء باستخدام الطاقة
الشمسية على تعريض زجاجات بلاستيكية من ترفتالات البولي إثيلين مملوءة بالماء الجاري تطهيره لضوء الشمس لعدة ساعات. وتختلف مدة تعريضها للشمس
على حالة الجو؛ من 6 ساعات كحد أدنى إلى يومين في أسوأ الظروف الجوية. وتنصح منظمة الصحة العالمية بالقيام بعملية تطهير الماء
باستخدام الطاقة الشمسية كأسلوب بسيط لمعالجة الماء في المنازل والتخزين الآمن لها. ومن الجدير بالذكر أن أكثر
من 2 مليون شخص في البلاد النامية يستخدمون عملية تطهير الماء باستخدام الطاقة
الشمسية لمعالجة ماء الشرب العادية المستخدمة يوميًا.
يمكن استخدام الطاقة الشمسية مع برك الماء
الراكد لمعالجة الماء المتسخدون استخدام مواد كيميائية أو كهرباء. ومن
المميزات البيئية الأخرى لهذا الأسلوب أن الطحالب تنمو في مثل هذه البرك وتستهلك ثاني أكسيد الكربونفي عملية
البناء الضوئي.
علاوة على ذلك، يتم استخدام الطاقة الشمسية
أيضًا في إزالة السموم من الماء الملوث بواسطة التحلل الضوئي.ولكن
تكاليف هذه العملية محل نقاش وجدل.
توليد الكهرباء
يمكن تحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء
باستخدام محولات فولتوضوئية (PV) وعملية تركيز الطاقة الشمسية (CSP) والعديد
من الأساليب التجريبية الأخرى. وتُستخدم المحولات الفولتوضوئية بشكل أساسي لإمداد
الأجهزة الصغيرة والمتوسطة بالكهرباء، بدءًا من الآلة الحاسبة التي يتم تشغيلها بواسطة خلية شمسية واحدة إلى المنازل التي
لا تحتوي على شبكة كهرباء والتي يتم إمدادها بالكهرباء بواسطة مجموعة من الخلايا
الفولتوضوئية. وكان يتم توليد الكهرباء على نطاق واسع بواسطة محطات تركيز الأشعة الشمسية، ولكن الآن أصبحت محطات المصفوفات الضوئية الجهدية التي تنتج كمية كبيرة من
الكهرباء مثل محطات "إس إي جي إس" أكثر شيوعًا. وفي عام 2007
أصبحت محطة الطاقة التي تنتج الكهرباء بقدرة 14 ميجاواط الموجودة في كلارك كاونتي في نيفادا، وكذلك المحطة التي تعمل بقدرة 20 ميجاواط في
بينيكساما في إسبانيا أوضح سمتين على الاتجاه نحو إنشاءمحطات طاقة شمسية جهدية عملاقة في الولايات المتحدة وأوروبا.
وكمصدر
طاقة متجدد، تتطلب الطاقة الشمسية مصدرا داعما، والذي يمكن أن يتمثل في طاقة ريحية بشكل جزئي. ويتم عادةً
الحصول على هذا الدعم من البطاريات، ولكن الأجهزة عادةً ما تستخدم طاقة كهرومائية التي يتم تخزينها عن طريق
الضخ. ويقوم معهد تكنولوجيا توليد الطاقة الشمسية في جامعة كاسل باختبار محطة طاقة افتراضية متصلة بنظام لتخزين الطاقة، حيث
يمكن توليد الطاقة من الطاقة الشمسية أو طاقة الرياحأو الغاز العضوي والطاقة الكهرومائية التي يتم تخزينها عن طريق الضخ، لتوفير طاقة كافية
للاستخدام بشكل مستمر؛ بحيث يعتمد المشروع على مصادر متجددة فقط.
تحويل الطاقة الشمسية
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة
كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل
الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ، ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل
الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية (
الكهروضوئية ) ، وكما هو معلوم 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 كما عرفوا أن الضوء
الأزرق له قدرة أكبر من الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا . وقد نال
العالم اينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة .
وقد تم 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 ( وحدة شمسية ) أي
بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا 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 ( الأطباق ) 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 .
ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان
هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة ، إلا أن مدى الاستفادة منها يرتبط
بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية. وعليه يبدو أن
المطلوب من تقنيات بعد تقنية وتطوير التحويل الكهربائي والحراري للطاقة الشمسية هو
تقنية تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي . وهناك
عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي
والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي . وتعد بحوث تخزين الطاقة
الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على
مدى واسع ، حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها متوفرة إلا نها ليست في متناول اليد
وليست مجانية بالمعني المفهوم . فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها
من طاقة كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية . وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة . ورغم أن هذه التكاليف حالياً
تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب
أنها أخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية
استخدامات الطاقة الشمسية
إن البركة الشمسية عبارة عن بركة من المياه المالحة (غالبًا ما يتراوح عمقها
بين 1 و2 متر) تعمل
على تجميع وتخزين الطاقة الشمسية. وكان أول من طرح فكرة البرك الشمسية الدكتور
"رودولف بلوك" في عام 1948 بعد أن قرأ تقارير حول بحيرة في المجر ترتفع فيها درجة الحرارة
كلما اتجهنا إلى الأعماق. نتج ذلك عن الأملاح الموجودة في ماء البحيرة، والتي أدت
إلى زيادة الكثافة ومنع تيارات الحمل الحراري. وتم عمل نموذج أولي في عام
1958 على شاطئ البحر الميت بالقرب من مدينة القدس. كانت هذه البركة تتكون من طبقات من
المياه تتدرج درجة ملوحتها من محلول ملحي ضعيف في الأعلى إلى محلول ملحي قوي في الأسفل. وكانت هذه البركة
الشمسية تتسم بإمكانية رفع درجة حرارة طبقاتها السفلية إلى 90 درجة مئوية كما
تتمتع بالقدرة على توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية بنسبة 2%. تقوم الأجهزة الكهربائية الحرارية أو الفولتوضوئية بتحويل
الفرق في درجة الحرارة بين المواد المختلفة إلى تيار كهربي. في البداية، تم
استخدام هذا الأسلوب لتخزين الطاقة الشمسية بواسطة أحد رواد هذه الصناعة
"موتشوت" في القرن التاسع عشر. ثم عادت الأجهزة الكهربائية الحرارية
إلى الظهور في الاتحاد السوفييتي خلال ثلاثينيات القرن العشرين. وتحت إشراف العالم
السوفييتي "أبرام لوف" تم استخدام نظام تركيز
لتوليد الكهرباء باستخدام الأجهزة الكهربائية الحرارية لتوليد طاقة لإدارة محرك
قدرته 1 قدرة حصانية. بعد ذلك، تم استخدام مولدات
الكهرباء الحرارية في برنامج الفضاء الأمريكي كأسلوب لتحويل الطاقة لإمداد مهمات
فضائية لمسافات بعيدة بما يلزمها من طاقة، مثل مهمات كاسيني وجاليليو وفايكينج. وعملت الأبحاث الخاصة في هذا
المجال على زيادة كفاءة هذه الأجهزة من 7-8% إلى 15-20%. كما يمكن توليد الطاقة الكهربائية من
الطاقة الشمسية وذلك باستخدام نظام المرايا الخاص والذي استخدم في إسبانيا لتوليد
الكهرباء وذلك باستخدام قوة اشعة الشمس على تبخير المياه والاستفاده من البخار
بتوليد التيار الكهربائي.
أساليب تخزين الطاقة
بالطبع، لا يمكن الحصول على الطاقة الشمسية
خلال الليل. ومن ثم، يُعد تخزين الطاقة أمرًا ضروريًا لأن أنظمة الطاقة الحديثة
تحتاج إلى مصدر طاقة متاح طوال الوقت.
إن نظم الكتل الحرارية تستطيع تخزين الطاقة
الشمسية في صورة حرارة في درجات حرارة مفيدة للأغراض المنزلية سواءً بشكل يومي أو
على مدار الموسم. وتستخدم
أجهزة تخزين الحرارة بشكل عام المواد المتاحة بالفعل ذات سعة حرارية نوعية عالية، مثل الماء والتراب والأحجار. وتستطيع الأجهزة جيدة
الصنع أن تقلل توقعات الطلب القصوى من الطاقة وتحول مدة
الاستخدام إلى الاستخدام في غير ساعات الذروة وتقلل من متطلبات التسخين والتبريد الكلية. تُعد المواد متغيرة الطور
مثل شمع البارافين وملح جلوبر من مصادر تخزين الطاقة
الحرارية أيضًا. وهذه المواد تكون غير مكلفة وجاهزة للاستخدام ويمكنها الوصول إلى
درجات حرارة مفيدة للأغراض المنزلية (64 درجة مئوية تقريبًا). وكان فندق
"دوفر هاوس" في مدينة "دوفر" في ماساتشوستس أول من استخدم جهاز تخزين
حرارة يعمل بملح جلوبر في عام 1948. يمكن تخزين الطاقة الشمسية بدرجات حرارة
عالية جدًا باستخدام الأملاح المذابة. وتُعد الأملاح وسيلة فعالة للتخزين لأنها
منخفضة التكلفة ولها سعة حرارية نوعية عالية ويمكن أن تجعل درجة الحرارة تصل إلى
درجات مناسبة لتلك الخاصة بأجهزة تخزين الطاقة العادية. وقد استخدم مشروع "سولار تو" هذا الأسلوب لتخزين الطاقة،
مما سمح له بتخزين 1.44 تريليون جول في خزان سعته 68 متر مكعب بكفاءة تخزين سنوية نسبتها 99%.من المعتاد أن تستخدم الأجهزة
الفولتوضوئية غير المتصلة بالشبكة البطاريات القابلة للشحن لتخزين الكهرباء الزائدة. وبواسطة
الأجهزة المتصلة بالشبكة، يمكن إرسال الكهرباء الزائدة إلى شبكة النقل. وبرامج قياس الشبكة تمنح هذه الأجهزة بيان بكمية الكهرباء التي تقوم
بتوصيلها إلى الشبكة. وهذا البيان يكون معادلاً للكهرباء التي توفرها الشبكة عندما
لا يستطيع الجهاز تلبية الاحتياجات الكهربائية، باستخدام الشبكة كوسيلة تخزين
فعالة. إن الطاقة الكهرومائية التي يتم تخزينها عن طريق الضخ تعمل على تخزين الطاقة في
صورة ماء يتم ضخه عندما يكون هناك مصدر للطاقة من خزان قليل الارتفاع إلى خزان
مرتفع. ويتم استعادة الطاقة عندما تكون هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة عن طريق
تحرير الماء لتجري خلال مولد طاقة كهربي مائي.
نرجوا ان نكون قد افدنا حضراتكم ,, وليصلكم كل جديد
قوموا بالاعجاب بصفحتنا على الفيس بوك.
المصدر : ويكيبيديا ومعلومات مجمعة من كتب خارجية
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق
قم باضافة
مقترحاتك ,تعليقاتك ,ارائك , او ما تحتاجه من مقالات لتزويدك بها
نتلقهاها بصـدر رحب من حضراتكم... حتى المـجـهـولـة منهـا
^_^ بـانـتـظـار تـعـلـيـقـاتــــكمـ :-