تمثل الطاقة الشمسية الحرارية أحد المصادر الرئيسية الرائدة في إمداد كوكب الأرض بطاقة تحتاجها الحياة. تعتبر هذه الطاقة أهم مصادر الحياة لما تقدمه من حرارة مرتفعة بفعل الإشعاع الشمسي الذي تتمكن من استقباله.
مفهوم الطاقة الشمسية
- تعرف الطاقة الشمسية بأنها الطاقة الناتجة عن الشمس، والتي تصل إلى الأرض في شكل إشعاع شمسي.
- تستقبل الطبقات العليا من الغلاف الجوي حوالي 174 بيتا واط من الطاقة الشمسية.
- تشير التقديرات إلى أن الطاقة المتاحة من الشمس خلال ساعة واحدة تعادل ما تحتاجه الأرض من طاقة على مدار عام كامل، وهو ما يفوق بكثير الطاقة المستخرجة من الفحم والنفط والغاز الطبيعي.
- يمكن استغلال الطاقة الشمسية من خلال طريقتين رئيسيتين: الطاقة الشمسية الحرارية و الطاقة الشمسية الكهربائية.
- الطاقة الشمسية الحرارية يتم تحويلها إلى طاقة حرارية باستخدام مركزات الطاقة الشمسية الحرارية.
- تتمثل الطريقة الثانية في الطاقة الشمسية الكهربائية، والتي تم تحويلها بوساطة الألواح الشمسية أو الخلايا الشمسية، مما يتيح الاستفادة المثلى من أشعة الشمس.
ما هي الطاقة الشمسية الحرارية؟
- تعني الطاقة الشمسية الحرارية عملية حصاد الشمس واستغلال أشعتها في إنتاج الطاقة الحرارية، وذلك الاستعانة بالمجمعات الشمسية الحرارية في هذا السياق.
- تقسم المركزات الشمسية الحرارية إلى ثلاثة أنواع: مركزات واطئة، متوسطة، وعالية الحرارة، ويعتمد استخدام كل نوع على احتياجات محددة.
- تستخدم المركزات واطئة الحرارة السطوح المسطحة لإنتاج حرارة تصل إلى حدود حرارة جسم الإنسان، وغالباً ما تُستخدم في أحواض السباحة، وتستخدم الماء أو الهواء لنقل الحرارة.
- فيما تتولى المركزات الحرارية متوسطة الحرارة استخدام السطوح المستوية لتحضير مياه ساخنة للأغراض المنزلية والتجارية. هذه الأساليب تطورت من تقنيات قديمة لاستغلال الطاقة الشمسية في تسخين المياه.
- تستخدم المركزات ذات الحرارة العالية العدسات والمرايا لتركيز أشعة الشمس، مما يؤدي إلى إنتاج درجات حرارة مرتفعة تستفيد منها في تطبيقات مختلفة مثل التبخير وإنتاج الطاقة الكهربائية من خلال مراحل البخار.
- تستعمل محطات الطاقة الحرارية الشمسية مبادلات حرارية مصممة للعمل بكفاءة، حيث تميّز الحرارة بكونها كمية الطاقة الحرارية المحتملة في نظامٍ معين تحدد من خلاله قيمتها الحرارية.
مبادئ تطوير إنتاج الطاقة الشمسية الحرارية
- يشمل الكسب الحراري استخدام تركيز الأشعة الشمسية وتطوير صناعة العدسات والمرايا، إلى جانب البحث عن تصاميم أكثر فاعلية وأقل تكلفة للحصول على درجات حرارة مرتفعة.
- يتعلق التحول الحراري بالتوصيل أو الإشعاع، مستخدماً الماء أو الهواء وفقاً لدرجات الحرارة في النظام. ويتم تحسين هذا التحول عن طريق اختيار سوائل وغازات مناسبة لكل درجة حرارة.
- تتضمن تقنيات التخزين الحراري قدرة النظام الشمسي على إنتاج الحرارة بعد غروب الشمس، وقد تم البحث عن أفضل الطرق لذلك.
- فيما يخص نقل الحرارة، تُستخدم سوائل محاليل متنوعة مثل الزيت أو محلولات الملح، مما يتطلب البحث عن خيارات أفضل وأقل تكلفة لنقل الحرارة.
استخدامات الطاقة الشمسية المتنوعة
- تسخين المياه: يتم استخدام السخان الشمسي لتجميع الأشعة الشمسية وتحويلها إلى طاقة حرارية، حيث يتم تخزين المياه في خزان حراري للحفاظ على حرارتها.
-
التدفئة: يقوم نظام التدفئة بضخ الحرارة المكتسبة في المجمعات داخليًا لتدفئة المباني، سواء باستخدام الهواء أو الماء.
- عند استخدام الهواء، يتم تسخين الهواء في المجمعات ثم دفعه إلى داخل المبنى.
- أما بالنسبة للتدفئة بالمياه، فإن ذلك يتضمن تبادل الحرارة بين الماء القادم من المجمع الشمسي والهواء داخل المكان.
- التبريد الشمسي: وهو عكس عملية التدفئة، حيث يُستخدم لدفع الحرارة من داخل مكان إلى الخارج باستخدام أجهزة ميكانيكية لضخها خارجاً.
- تجفيف المحاصيل: تستخدم الطاقة الشمسية لتجفيف المحاصيل وزيادة مدة صلاحيتها للتخزين.
-
تحلية المياه: تعد أزمة المياه العالمية دافعاً للبحث عن طرق جديدة للحصول على مياه صالحة للشرب، وتعتبر عملية تحلية مياه البحر من الحلول المناسبة.
- تُستخدم الطاقة الشمسية عبر طريقة المقطر الشمسي في تبخير المياه وتحليتها.
مجمعات الطاقة الشمسية
- تمثل مجمعات الطاقة الشمسية أجهزة مصممة لاستغلال الطاقة الشمسية المستمدة من الشمس مباشرة بدلاً من إهدارها.
- المجمع الشمسي الحراري هو جهاز يعمل على امتصاص الحرارة من أشعة الشمس.
- ويُحول هذه الطاقة إلى شكل يمكن تخزينه واستخدامه.
- يمكن أن تشمل مجمعات الطاقة الشمسية الألواح الشمسية التي تُستخدم لتخزين المياه، وغيرها من الأجهزة الأكثر تعقيدًا مثل المكافئات الشمسية.
أنواع المجمعات الشمسية المستخدمة لتجميع الحرارة
تنقسم المجمعات الشمسية إلى نوعين: المركزة وغير المركزة.
- المجمعات الشمسية غير المركزة: حيث تمتص ألواح الطاقة الشمسية الإشعاع الشمسي بالكامل.
- المجمع الشمسي المسطح: يُعتبر من أبسط أدوات تحويل الطاقة الشمسية، وهو عبارة عن ألواح مسطحة ذات لون داكن تُستخدم بكثرة في التطبيقات الشمسية.
تأثير الطاقة الشمسية على البيئة
- تعد الطاقة الشمسية مصدراً طبيعياً ونظيفاً، حيث تساهم في تقليل التأثيرات البيئية السلبية المرتبطة بالاحتباس الحراري و تغير المناخ، والتي تنجم عن استخدام مصادر الطاقة التقليدية.
الطاقة الشمسية كمنتج نظيف وصامت
- لا تنتج المجمعات الشمسية أي تلوث ضوضائي أثناء تحول الضوء الشمسي إلى طاقة قابلة للاستخدام.
- تتميز الطاقة الشمسية بكونها تحتاج إلى القليل من أعمال الصيانة، ويمكن للمنشآت الضخمة إنتاج الطاقة الشمية بكفاءة في مختلف ظروف الطقس، مما يجعلها مصدرًا مستدامًا لتوليد الكهرباء.
