الطاقة الشمسية
يعُتبر الضوء الذي يرسله الشمس نحو الأرض من المصادر المتجددة للطاقة، حيث يمتلك القدرة على تزويد كوكب الأرض بكميات هائلة من الطاقة الكهربائية، يتم توليدها وتخزينها للاستخدام فيما بعد في مختلف التطبيقات والمجالات.
علميًا، يمكن تعريف الطاقة الشمسية (بالإنجليزية: Solar Energy) بأنها الطاقة الضوئية والحرارية الناتجة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي المنطلق من الشمس، الذي يمكن استغلاله للحصول على مصادر أخرى من الطاقة.
تتصدّر الصين قائمة الدول الرائدة في إنتاج الطاقة الكهربائية باستخدام الطاقة الشمسية، مما يجعلها بدلًا محوريًا للمصادر غير المتجددة والتي تعتمد بالأساس على الوقود الأحفوري. وفيما يلي بعض الدول الأخرى التي تعتبر رائدة في هذا المجال:
- الولايات المتحدة الأمريكية.
- الهند.
- اليابان.
- فيتنام.
كيفية توليد الطاقة الكهربائية من الشمس
يمكن توليد الطاقة الكهربائية انطلاقًا من الطاقة الشمسية من خلال استخدام الألواح الشمسية المصنوعة من خلايا كهروضوئية. تعتمد هذه الطريقة على تصميم خلايا تحتوي على طبقتين من مادة السيليكون، المصنفة ضمن أشباه الموصلات، وتتكون كل طبقة من نوع مختلف من السيليكون كما يلي:
- طبقة من النوع N
تعتبر هذه الطبقة مائلة لفقد الإلكترونات وتم وضعها بحيث تتعرض مباشرة لأشعة الشمس.
- طبقة من النوع P
تميل هذه الطبقة إلى كسب الإلكترونات وتأتي في تصميم الخلايا في الأسفل، حيث تستقبل الإلكترونات في الفراغات الخاصة بها.
تمر عملية توليد الطاقة الكهربائية من الشمس بالخطوات التالية:
- تصل حزم الأشعة الشمسية على شكل فوتونات.
- تصطدم الفوتونات بمادة السيليكون التي تُشكل خلايا الطاقة الشمسية.
- تفقد الطبقة (N) الإلكترونات، التي تنتقل إلى الفراغات الموجودة في الطبقة (P).
- يتم جمع الإلكترونات المتحركة على طبقة مصنوعة من الألمنيوم الموصلة.
- تؤدي حركة الإلكترونات إلى توليد تيار كهربائي.
استخدامات الطاقة الشمسية
تستخدم الطاقة الشمسية في العديد من التطبيقات المهمة، حيث يمكن الاستفادة من ضوءها وحرارتها في الاستخدامات الأساسية للحياة اليومية، مثل:
- توليد الكهرباء.
تستخدم في توليد الطاقة الكهربائية بشكل متزايد في المنشآت مثل المنازل والشركات، ويمكن أيضًا تخزين الكهرباء لاستخدامها بعد غروب الشمس.
- تسخين المياه.
يتم تصميم أنظمة خاصة لتسخين المياه في المباني باستخدام خلايا شمسية مثبتة على الأسطح، ويمكن الاعتماد على الطاقة الشمسية أيضًا في تسخين مياه برك السباحة.
- التدفئة.
يمكن استخدام الطاقة الشمسية لتوليد حرارة تدفئة داخل المنازل عبر أنظمة مثل الأرضيات المشعة، كما يمكن تصميم النوافذ لاستغلال الأشعة الشمسية للحصول على الدفء في الأيام الباردة.
- تطبيقات التهوية.
تستخدم الطاقة الشمسية في تطبيقات التهوية لتبريد المباني في الصيف، ويمكن أيضًا استخدام تقنيات التهوية لتدفئة المباني في الشتاء.
- توليد الطاقة الضوئية.
تطوير تقنيات لزيادة كفاءة توليد الطاقة الضوئية بتكاليف منخفضة، مما يتيح استخدامها في المنازل والشوارع.
- تخزين الطاقة.
تستخدم الطاقة الشمسية في تخزين الطاقة لشحن الأجهزة المحمولة أثناء التنقل.
- وسائل النقل.
بدأت تُستخدم الطاقة الشمسية بشكل فعال في وسائل النقل المعتمدة على الطاقة الكهربائية، حيث يمكن استخدامها لشحن المركبات.
فوائد استخدام الطاقة الشمسية
هناك العديد من الفوائد التي تشجع الدول والأفراد على الاستفادة من الطاقة الشمسية، منها:
- توفر الطاقة الشمسية بشكل يومي غير محدود في جميع أنحاء العالم، حيث تعتمد على وجود الشمس فقط.
- يساعد الاعتماد على الطاقة الشمسية في تقليل فواتير الكهرباء، ويمكن للمنازل تصدير الفائض إلى شبكات الكهرباء.
- تنوع الفوائد الناتجة عن الطاقة الشمسية، حيث يمكن الحصول على الكهرباء والحرارة بالإضافة إلى تقطير المياه وتشغيل الأقمار الصناعية.
- الحاجة القليلة للصيانة وانخفاض تكاليفها، مع ضمان يمتد عادةً بين (20-25) عامًا، باستثناء العاكس الذي قد يتطلب تغييره بعد 5 سنوات.
- القدرة على تطوير وتحسين تقنيات الطاقة الشمسية للاستفادة منها بصورة أفضل وأكثر فاعلية.
معيقات استخدام الطاقة الشمسية
توجد عدة تحديات قد تعيق استخدام الطاقة الشمسية، منها:
- تكاليف التركيب الأولية العالية، والتي تشمل الألواح والبطاريات، لكن يُتوقع انخفاض هذه التكاليف في المستقبل.
- تأثر الأداء بالحالة الجوية، حيث تنخفض كفاءة الألواح في الطقس الغائم.
- تكاليف التخزين المرتفعة للطاقة التي يتم توليدها، مما يتطلب استخدام بطاريات ذات كفاءة عالية.
- الحاجة إلى مساحات تركيب واسعة، مما يزيد من عبء التحمل المالي إذا كانت المساحة محدودة.
- بعض الانبعاثات الناتجة عن التصنيع قد تكون ملوثة للبيئة وتزيد من تفاقم ظاهرة الاحتباس الحراري.
طاقة الرياح
أصبحت طاقة الرياح (بالإنجليزية: Wind Energy) شائعة الاستخدام على مستوى العالم حاليًا، بعد أن بدأت منذ حوالي قرن. يمكن وصفها بأنها أحد أهم مصادر الطاقة المتجددة، حيث شكلت نحو 16% من إجمالي الطاقة المتجددة في عام 2016. تعتمد هذه الطاقة بشكل رئيسي على وجود توربينات الرياح، والتي تكون أكثر كفاءة في المواقع البعيدة، وخاصة البحرية.
تحتل الصين المرتبة الأولى في استخدام طاقة الرياح، حيث تمثل أكثر من ثلث القدرة الإجمالية في الدول حول العالم. تليها الولايات المتحدة الأمريكية. ودول أخرى رائدة في هذا المجال مثل:
- ألمانيا.
- الهند.
- إسبانيا.
- المملكة المتحدة.
- فرنسا.
- البرازيل.
- كندا.
- إيطاليا.
كيفية توليد الطاقة الكهربائية من الرياح
يستند توليد الطاقة الكهربائية من الرياح إلى استخدام طواحين ذات شفرات مصممة بشكل معين لتحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة دورانية، ثم إلى طاقة كهربائية. تتكون العملية من الخطوات التالية:
- تدفق الرياح واصطدامها بشفرات الطواحين، مما يؤدي إلى دوران هذه الشفرات.
- تتصل هذه الشفرات بمولدات الطاقة الكهربائية عبر عمود عمودي.
يتأثر مقدار الطاقة الكهربائية المنتجة بناءً على سرعة دوران شفرات الطواحين، حيث تعتبر هذه العلاقة طردية. بناءً على مبدأ حفظ الطاقة، أي مقدار من الطاقة الكهربائية يعتمد على الطاقة الميكانيكية المدخلة.
تختلف متطلبات بناء وتركيب مولدات الطاقة الكهربائية من الرياح وذلك بناءً على عدد من العوامل مثل:
- مساحة مزرعة توليد الطاقة، والتي تختلف باختلاف عدد الطواحين.
- الطبيعة الجغرافية للمنطقة، حيث تلعب التضاريس دورًا مهمًا.
- المسافات المطلوبة بين الطواحين، حيث يُوصى بأن تكون المسافة بين الطواحين بين (5-10) أضعاف قطر الشفرات.
استخدامات طاقة الرياح
يمكن استغلال طاقة الرياح بناءً على سرعتها وكثافتها، وتتنوع تطبيقاتها، بما في ذلك:
- ضخ المياه باستخدام الطاقة الميكانيكية.
- توليد الطاقة الكهربائية بقدرة عالية تصل إلى 5 ميجاواط.
- طحن الحبوب.
فوائد استخدام طاقة الرياح
تعتبر الفوائد المتعددة لاستخدام طاقة الرياح من العوامل التي أدت إلى انتشارها، ومنها:
- تكلفتها المنخفضة نسبيًا مقارنةً بالمصادر الأخرى للطاقة، بالإضافة إلى كونها تعتمد على وقود مجاني.
- خلق فرص عمل متنوعة في محطات توليد الطاقة، تشمل التركيب والصيانة والتصنيع.
- تعتبر استثمارًا اقتصاديًا وصناعيًا مهمًا عالمياً.
- تعتبر صديقة للبيئة، حيث لا تصدر غازات ضارة كما هو الحال مع المصادر غير المتجددة.
- لا تحتاج إلى استيرادها من أي دولة، إذ يمكن توليدها محليًا في أي مكان.
- تمتاز بالاستدامة وعدم تعرضها للنضوب مع استخدامها المتكرر.
- تعزز الاقتصاد في المناطق الريفية دون أن تستهلك مساحات واسعة من أراضي المزارعين.
معيقات استخدام طاقة الرياح
توجد بعض التحديات التي تعيق الاعتماد على طاقة الرياح في توليد الكهرباء، مثل:
- عدم قدرتها على المنافسة مع المصادر الأخرى من حيث التكلفة إذا كان هذا هو المعيار الرئيسي للمقارنة، حيث يصعب توفير كميات كافية أحيانًا.
- المسافات البعيدة بين أماكن توليد طاقة الرياح ومواقع الاستهلاك، مما يتطلب استثمارات إضافية لإنشاء شبكة نقل الكهرباء.
- استهلاك المساحات الكبيرة من الأراضي لرصد مولدات الطاقة، مما قد يؤدي إلى استخدامات أقل فعالية.
- الضوضاء الناتجة عن حركة الطواحين وتأثيرها على المشهد الطبيعي.
- التأثيرات السلبية المحتملة على الحياة البرية، بما في ذلك تأثيرها على الطيور والخفافيش.
