الطاقة/مصادر الطاقة المتجددة

من ويكي الكتب
اذهب إلى التنقل اذهب إلى البحث
« الطاقة
مصادر. اخباركم غددة
»
الغاز الطبيعي
الرياح، والشمس، والكتلة الحيوية هي ثلاثة مصادر الطاقة المتجددة.

مصادر الطاقة المتجددة وهي عبارة مصادر طبيعية دائمة وغير ناضبة ومتوفرة في الطبيعة سواء أكانت محدودة أو غير محدودة ولكنها متجددة باستمرار ، وهي نظيفة لا ينتج عن استخدامها تلوث بيئي ومن أهم هذه المصادر الطاقة الشمسية التي تعتبر في الأصل هي الطاقة الرئيسية في تكوّن مصادر الطاقة وكذلك طاقة الرياح وطاقة المد والجزر والأمواج والطاقة الحرارية الجوفية والطاقة وطاقة المساقط المائية وطاقة البناء الضوئي والطاقة المائية للبحار والمحيطات. وكذلك نلاحظ أن المصادر المائية وطاقة المد والجزر وطاقة الرياح هي عبارة مصادر طبيعية للطاقة الميكانيكية.

توجد أنواع كثيرة من المصادر المتجددة الغير ناضبة فنحن نعيش في مرحلة يأتي معظم الطاقة فيها من مناجم الفحم وآباروالنفط وغيرها من الطاقة فإن هذا الوقود سوف يُستهلك بسرعة كبيرة حيث يمكن أن ينضب معها جميع الاحتياطي الموجود خلال مدة لا تتعدى قرناً واحداً من الزمن. لذا فمن الواجب البحث عن مصادر طبيعية متجددة أي غير ناضبة ولا تحدث تلوث بيئي ومن هذه المصادر ما يلي:


مراحل تطور تكنولوجيا توليد الطاقة الكهربائية من الشمس[عدل]

بما أن الطاقة الشمسية تعتبر من المجالات والتخصصات العلمية الحديثة حيث يعود تاريخ الاهتمام بالطاقة الشمسية كمصدر للطاقة في بداية الثلاثينات حيث تركز التفكير حين ذاك علي إيجاد مواد وأجهزة قادرة على تحويل طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية وقد تم اكتشاف مادة تسمى السيلينيوم التي تتأثر مقاومتها الكهربائية بمجرد تعرضها للضوء وقد كان هذا الاكتشاف بمحض الصدفة حيث أن أساس البحث كان لإيجاد مادة مقاومتها الكهربائية عالية لغرض تمديد كابلات للاتصالات في قاع المحيط الأطلسي. وأخذ الاهتمام بهذه الظاهرة يتطور حتى بداية الخمسينات حين تم تطوير شرائح عالية القوة عن مادة السليكون تم وضعها بأشكال وأبعاد هندسية معينة وقادرة على تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية بكفاءة تحويل (6٪) ولكن كانت التكلفة عالية جداً ، هذا وقد كان أول استخدام للألواح الشمسية المصنعة من مادة السليكون في مجال الاتصالات في المناطق النائية ثم استخدامها لتزويد الأقمار الصناعية بالطاقة الكهربائية حيث تقوم الشمس بتزويد الأقمار الصناعية بالطاقة الكهربائية حيث تكون الشمس ساطعة لمدة (24) ساعة في اليوم ولازالت تستخدم حتى يومنا هذا ولكن بكفاءة تحويل تصل إلى ( 16٪) وعمر افتراضي يتجاوز العشرون عاماً.ولقد زاد الاهتمام بالطاقة الشمسية كحل مناسب لأزمة الطاقة مستقبلاً نتيجة لأن النفط والغاز لن يستمرا لمدة طويلة، ولقد كانت أزمة الطاقة العالمية أثناء الحرب بين العرب وإسرائيل وزيادة أسعار النفط دور كبير في الاتجاه إلى اكتشاف مصادر جديدة للطاقة والاهتمام بها خاصة إذا ما قورنت بالأخطار الناتجة عن استخدام الطاقة النووية والتي تعتبر حالياً المصدر الثاني للطاقة بعد النفط.

كل هذه الأمور أدت إلى الاهتمام بالطاقة الشمسية ، كذلك نجد أن الطاقة الشمسية تتميز عن غيرها من أنواع الطاقة بمميزات منها:

  • استخدام الطاقة النووية يؤدي أحياناً إلى أخطار جسيمة وذلك ناتج عن استخدام المواد المشعة التي تشكل خطراً على الإنسان والبيئة مما يشكل تهديداً لأمن وسلامة البلدان ، أما الطاقة الشمسية فهي طاقة نظيفة لا تلوث البيئة ولا تحتاج لكميات كبيرة من المياه مثلما تحتاجه الطاقة النووية خلال عمليات التبريد اللازمة.
  • استخدام الطاقة الشمسية لا يحتاج إلى تقنية معقدة مثلما تحتاجه الطاقة النووية وخاصة ما يرتبط منها ينظم التحكم والأمان الدقيقة.
  • من المشاكل الرئيسية التي تواجه الطاقة النووية صعوبة التخلص من النفايات النووية الناتجة عن استهلاك المواد المشعة بينما الطاقة الشمسية لا تترك مخلفات أو فضلات كبيرة تلوث البيئة.
  • صعوبة توفير الوقود التقليدي اللازم لتشغيل مولدات الكهرباء في المناطق النائية والمناطق الجبلية الوعرة حيث تكون الطاقة الشمسية ميزة مهمة لهذه المناطق من الناحية الاقتصادية حيث توفر تكاليف الوقود واليد العاملة وصيانة الآلات في تلك المناطق.
  • يؤدي استخدام الطاقة الشمسية إلى عدم الاعتماد على الدول الصناعية وتدّعم من الاستقلالية السياسية والاقتصادية بينما الطاقة النووية تحتاج إلى وقود اليورانيوم المخصب مما يؤدي إلى اعتماد دول العالم الثالث على الدول الصناعية للحصول على اليورانيوم المخصب بصورة مستمرة.

نأسف لازعاجك

لا يوجد معلومات

جهازالبيروهليومتر[عدل]

يستخدم البيروهليومتر لقياس الشمسي والطاقة الشمسية الساقطة ، وهو يتكون من سطحين متماثلتين تماماً من البلاتين المطلي باللون الأسود وفي نهاية كل سطح مجموعة من الازدواجيات الحرارية لقياس درجة حرارتها.

التطبيقات الممكنة للطاقة الشمسية: الإشعاع الشمسي يساهم في استعمالات مختلفة تبعاً لنوع وكمية الطاقة المراد إنتاجها، والمبادئ المتبعة في تحويل الطاقة الإشعاعية إلى قدرة كهربية هي كما يلي:

  • التحويل الكهروضوئي.
  • التحويل الحراري الأيوني.
  • التحويل الحراري الكهربي.

التحويل الحراري[عدل]

تتركز فكرة تحويل طاقة الشمس إلى طاقة حرارية في مبدأ امتصاص الأجسام الداكنة للإشعاع وتحويله إلى حرارة ، وعلى هذا الأساس يمتص الجسم الإشعاع الصادر من الشمس ويحوله إلى طاقة حرارية ، حيث ترتفع درجة حرارته ، وتستخدم هذه الحرارة الممتصة في العديد من الاستخدامات المنزلية والصناعية ، وعلى سبيل المثال تسخين المياه والتدفئة ، أو تجفيف المنتجات الزراعية. ويعتبر تسخين المياه لغرض الاستعمال المنزلي من أكثر تطبيقات التحويل الحراري انتشاراً ، ويتكون نظام تسخين المياه من مجمعات تقوم بتحويل طاقة الشمس إلى طاقة حرارية ، وهذه المجمعات عبارة عن صفائح سوداء اللون تعمل على توصيل الحرارة إلى سائل يتدفق في أنابيب ملاصقة لها ومثبتة عليها ويقوم السائل الساخن في الأنابيب بتسخين المياه المستعملة في المنازل وباستخدام مبادل حراري.

الضوء والظاهرة الكهروضوئية[عدل]

الضوء هو عبارة عن موجات كهرومغناطيسية ينقل الطاقة ، فعندما يصل كمّ من الطاقة إلى سطح المعدن ما فإنه يقتلع عنه إلكتروناً واحداً ، وهناك حد أدنى من الطاقة التي يجب تأمينها لفعل ذلك تدعى الاستخراج أي بمعنى آخر هناك حد لقيمة التردد المطلوب لإحداث الظاهرة الكهروضوئية. فعندما تزداد طاقة الفوتون على الطاقة اللازمة لقلع الإلكترون ينتزع هذا الأخير الفائض من الطاقة ويتخذ من الطاقة شكل طاقة حركية وفقاً لمعادلة محددة. وهكذا فإن الظاهرة الكهروضوئية تقوم بتحويل الإشعاع الضوئي إلى جزئيات مشحونة يمكن التقاطها بواسطة سلك كهربي موجب فينشأ من جراء ذلك تيار كهربي ، وهكذا يتم تحقيق مولد لا يمكن لقدرته ومردوده الضعيفين أن يجعلا منه مولداً كهربائياً فعّالاً لذلك فإن تطبيقات الكهرباء الضوئية لا تخرج عن إطار التيارات الكهربية الضعيفة : الخلية الكهروضوئية، مضخات الفوتونات ..الخ.

تعطي فيزياء نصف النواقل حلاً ذا أهمية ، خاصة لمسألة تحويل الطاقة المباشر من الضوء إلى الكهرباء ، وهو التأثير الضوئي الفولطي الذي شهدت مئات من الأقمار الصناعية والبرامج الفضائية التي استعملت البطاريات الشمسية بمقدرته التامة على الاشتعال. فالمادة نصف الناقلة هي جسم تتراوح مقاومته النوعية Resistivity بين مقاومة الأجسام العازلة ومقاومة الناقلات الجيدة (المعادن) فعند درجات الحرارة المنخفضة تكون الإلكترونات في المادة النصف ناقلة في حالة ارتباط وثيق بذرات الشبكة البلورية التي تؤلفها، وبالتالي ليس هناك من شحنات تقوم بعمليات الاتصال الكهربي. وفي هذه الحالة يكون الجسم جسماً عازلاً فإذا ارتفعت درجة الحرارة أو اكتسب الجسم شكلاً من أشكال الطاقة فإن الإلكترونات سوف تحاول الإفلات من الشبكة وبالتالي المساهمة في عملية النقل الكهربي. وهنا أيضا لابد من وجود حد أدنى من الطاقة لتحرير الإلكترونات من شبكتها وهذا الحد الأدنى يطلق عليه القطاع المحظور وينتج عن الترتيب لمستويات الطاقة الإلكترونية في الجسم الصلب البلوري فمن المعلوم أن الإلكترونات في الذرة المعزولة تتوزع على مستويات مختلفة من الطاقة أما في الأجسام البلورية المكونة من ذرات موزعة حسب شبكة منتظمة فإن مستويات الطاقة هذه تتحد وتؤلف قطاعات من الطاقة.

والقطاع الذي يملك مستوى منخفض من الطاقة يدعى قطاع التكافؤ أما القطاع ذو المستوى الأعلى فهو قطاع التوصيل ويفصل بين هذين القطاعين القطاع المحظور الذي ذُكر سابقاً. يكون قطاع التكافؤ مشبعاً عند درجات الحرارة المنخفضة في مادة نصف ناقلة. أما قطاع التوصيل فيكون فارغاً ويمكن نقل الإلكترونات من أحد هذين القطاعين إلى الآخر بإعطائه طاقة مقدارها تساوي الفرق بين القطاعين. والطاقة الحرارية تسمح بتحقيق إمكانية هذا التحول لكن الطاقة الضوئية تملك فعالية أكثر أهمية ،وذلك أن المقاومة النوعية لبعض أنصاف النواقل تنقل كلما تعرضت لتدفق من الضوء أنها عملية التوصيل الضوئي . التي تستخدم في خلايا المقاومات الضوئية. أما في البطاريات الشمسية فينشأ التيار الكهربي من إفلات الإلكترونات بواسطة الفوتونات الساقطة عند اختراقها للوصلة الموجودة بين المنطقة الموجبة والسالبة P-N Junction) )

التحويل الكهروضوئي[عدل]

شكل يوضح أن إطلاق الإلكترونات من صفيحة معدنية يتطلب طاقة من فوتونات قادمة أكبر من الطاقة العاملة للمادة.

تعتمد هذه الطريقة على مبدأ تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى تيار كهربي وذلك باستخدام ظاهرة التأثير الكهروضوئي وتعتبر هذه الظاهرة الصورة الأساسية لما يسمى بالخلايا الشمسية حيث تعتمد الخلايا الشمسية في عملها على ظاهرة التأثير الكهروضوئي. وينقسم التأثير الكهروضوئي إلى نوعين:

  • التأثير الكهروضوئي الخارجي.
  • التأثير الكهروضوئي الداخلي.

نجد أنه في حالة التأثير الكهروضوئي الخارجي يتم انبعاث الإلكترونات الحرة من سطح المادة بامتصاص الفوتونات.

في حالة التأثير الكهروضوئي الداخلي فتتم عن طريق تحرير حاملات الشحنة داخل المادة عند امتصاص الفوتونات ذات الطاقة المحددة. وترتبط ظاهرة التأثير الكهروضوئي الخارجي بالمعادن وتتميز المعادن وبعض المركبات بظاهرة عدم الإنفاذية للفوتونات في حيز الضوء المرئي وحيز الأشعة فوق البنفسجية بدرجة كبيرة وذلك يعني امتصاص الفوتونات بالقرب من السطح وفي حالة كون طاقة الفوتونات أعلى من دالة الشغل لسطح الجسم الماص فإن الإلكترون يحصل على طاقة كافية تجعله يتحرر من السطح وتحدث هذه الظاهرة نتيجة لانبعاث الإلكترونات من بعض الأسطح كالمعادن عند سقوط طاقة ضوئية كافية عليها حيث تمنح طاقة الفوتونات للإلكترونات مما يؤدي لحدوث ظاهرة الانبعاث الكهروضوئي.

أما ظاهرة التأثير الكهروضوئي الداخلي فتحدث في أشباه الموصلات حيث أن عدم الإنفاذية لها أقل من المعادن ولذلك يحدث التأثير على عمق حيث يمكن لعدد قليل من الفوتونات النفاذ من السطح وحيث أن الطاقة الموجودة في الفوتونات تنشأ زوجاً من الإلكترونات والفجوات أي إلكترون وفجوة وفي حالة كون طاقة الفوتونات أعلى من طاقة القطاع المحظور للمادة المستعملة فإن حاملات الشحنة تكون حرة الحركة في قطاع التوصيل للمادة وذلك لمدة قصيرة يتم بعدها الاتحاد مرة أخرى. حيث يتم تحويل أشعة الشمس مباشرة إلى تيار كهربي. وتستخدم الخلايا الشمسية في العديد من التطبيقات العملية مثل ساعات اليد والآلات الحاسبة وفي تشغيل أبراج الإرسال والاتصالات الهاتفية ومحطات الإذاعة والتلفزيون كما أنها تستخدم حالياً بشكل محدود في إنارة الطرق والمنشآت وتشغيل المحركات الكهربية الصغيرة ولأغراض الري ، كما بدأ استخدامها في تزويد الشبكات الكهربية بالطاقة.

المفاعلات الشمسية[عدل]

تم إنشاء أول مفاعل شمسي في العالم في مختبر أود يلو (ODEILLO) موصول بشبكة توزيع كهربية . ويستخدم هذا المفاعل لاقطات للضوء مؤلفة من مرايا تعمل لتركيز أكبر قدر من الأشعة واستخدامها أما التجربة فكانت تهدف إلى تجميع كافة المعطيات التجريبية حول مسألتين دقيقتين تتعلقان بشكل أو بآخر بالمفاعلات الشمسية: عمل مولّد البخار الشمسي وتنظيم عملية تخزين الكهرباء. كانت منشآت أود يلو بمثابة صورة للمفاعلات الشمسية التي أنشئت حالياً في فرنسا والولايات المتحدة الأمريكية واليابان والتي تتراوح قدرتها بين عشرات الكيلو وات وعشرات الميغاوات. وجميع هذه المفاعلات تستخدم المرايا العاكسة لتركيز أشعة الشمس وبالتالي الحصول على كمية من الحرارة مرتفعة بإمكانها حمل سائل معين إلى درجة الغليان وإدارته لمحرك بخاري أو توربين مولّد الكهرباء. وبالرغم من أن المفاعلات الشمسية كان معروفاً منذ زمن بعيد فإنها لم تحتل مكانة مرموقة .

نموذج لمفاعل شمسي[عدل]

تتجمع أشعة الشمس في البؤرة " أ " وتعمل على تسخين سائل ما في الأنبوب " ب " وهذا بدوره يعطي حرارته إلى سائل آخر في الأنبوب " ج " فيحوله إلى بخار داخل التوربين " د " الذي يدير المولد الكهربي " هـ ".