استخدام الطاقة الشمسية في تسخير الحرارة

تعتبر الطاقة الشمسية الحرارية من أبرز مصادر الطاقة المتجددة التي تعتمد عليها كوكب الأرض في تأمين احتياجاتها من الطاقة. فهي تعتبر المحرك الأساسي للحياة رغم تنوع أشكالها، إذ يمكن من خلالها الحصول على درجات حرارة مرتفعة نتيجة الإشعاع الشمسي الذي تتمكن من عكسه.

الطاقة الشمسية

• تتجلى في الطاقة التي تنتجها الشمس، حيث تصل إلى سطح الأرض في صورة أشعة شمسية.
  • تستقبل الطبقات العليا المحيطة بكوكبنا حوالي 174 بيتا واط من الطاقة الشمسية.
• تشير الدراسات إلى أن الطاقة التي نستقبلها من الشمس خلال ساعة واحدة تعادل ما يحتاجه كوكب الأرض من الطاقة على مدار عام كامل، وهي ضعف الكمية المستخرجة من الفحم والنفط والغاز الطبيعي.
• يمكن الاستفادة من الطاقة الشمسية عبر طريقتين: تتمثل الأولى في الطاقة الشمسية الحرارية.
  • حيث يتم تحويلها إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات الشمسية الحرارية.
• أما الطريقة الثانية فتتمثل في الطاقة الشمسية الكهربائية التي تُحول من خلال الألواح الشمسية أو خلايا الطاقة الشمسية، بهدف الاستفادة من أشعة الشمس بشكل كامل.

الطاقة الشمسية الحرارية

• تُعرف بأنها عملية حصاد واستخدام الطاقة الشمسية لإنتاج الطاقة الحرارية من خلال مجمعات شمسية حرارية.
• تنقسم المجمعات الشمسية الحرارية إلى ثلاثة أنواع:
  • المجمعات واطئة الحرارة، والمجمعات متوسطة الحرارة، والمجمعات عالية الحرارة، حيث لكل نوع استعمالاته الخاصة.
• تُستخدم المجمعات واطئة الحرارة السطوح المستوية لانتاج حرارة قريبة من درجة حرارة جسم الإنسان.
  • وغالباً ما تُستخدم هذه المجمعات في أحواض السباحة لنقل الحرارة عن طريق الماء أو الهواء، وأيضًا في التدفئة والتهوية.
• بينما تستعمل المجمعات متوسطة الحرارة السطوح المستوية لإنتاج مياه دافئة للاستخدامات المنزلية والتجارية.
  • لقد تم تطوير تقنيات تسخين المياه باستخدام الطاقة الشمسية الحرارية منذ العصور القديمة.
• أما المجمعات الحرارية عالية الحرارة فتستخدم العدسات والمرايا لتركيز أشعة الشمس.
  • وهي قادرة على إنتاج درجات حرارة عالية، تُستخدم في عمليات البخار لتوليد الطاقة الكهربائية.
• تستخدم محطات الطاقة الحرارية الشمسية مبادلات حرارية مصممة للعمل بكفاءة.
  • تُعرف الحرارة بعدد الطاقة الحرارية التي يحتفظ بها نظام معين، حيث تتحدد قيمتها من خلال التصميم.

مبادئ تطوير إنتاج الطاقة الشمسية الحرارية

• زيادة الكسب الحراري من خلال زيادة شدة تركيز الأشعة الشمسية وتطوير صناعة المرايا والعدسات.
  • وذلك عن طريق ابتكار تصميمات أكثر كفاءة وأقل تكلفة للحصول على درجات حرارة مرتفعة.
• عملية التحول الحراري تتم عبر التوصيل أو الإشعاع، ويستخدم الماء أو الهواء في العملية بناءً على درجات الحرارة اللازمة.
  • تتطلب تحسين عملية التحول الحراري اختيار سوائل وغازات تتوافق مع درجات الحرارة المختلفة.
• تتعلق خزانات الحرارة بتمكين الأنظمة الشمسية الحرارية من إنتاج الحرارة بعد غروب الشمس، وقد تم تطوير عدة استراتيجيات لاختيار الأكثر فعالية منها.
• تتضمن عملية نقل الحرارة استخدام سوائل ومحاليل مثل الزيت ومحلول الملح.
  • يستمر البحث لاختيار أفضل المواد منخفضة التكلفة لنقل الحرارة.

استخدامات الطاقة الشمسية

• تسخين المياه: يتم استخدام المسخن الشمسي لجمع الأشعة الشمسية وتحويلها إلى طاقة حرارية.
  • تُخزن المياه في خزانات حرارية للاحتفاظ بحرارة الماء.
• التدفئة: تتضمن هذه العملية ضخ الحرارة المعالجة في المكان المراد تدفئته باستخدام الماء أو الهواء.
  • عند استخدام الهواء ، يتم تسخينه في المجمعات ومن ثم دفعه إلى الفضاء الداخلي.
  • تشمل عمليات التدفئة بالماء استخدام المبادلات الحرارية لنقل حرارة الماء إلى الهواء المحيط.
• التبريد الشمسي: يتضمن ضخ الحرارة من الفضاء لتبريد المنطقة.
  • يمكن تنفيذ ذلك عن طريق أدوات ميكانيكية تنقل الحرارة إلى الخارج.
  • تنتج عملية التبريد هواء بارد يتم دفعه إلى الداخل، مما يسهل تخفيض الحرارة في الفضاء.
• تجفيف المحاصيل: تُستخدم الطاقة الشمسية لتجفيف المحاصيل وتقليل نسبة الرطوبة بها للحفاظ عليها وتخزينها لفترات طويلة.
• تحلية المياه: تعتبر أزمة نقص المياه في العالم حافزًا للبحث عن حلول جديدة لتوفير مياه شرب تلبي متطلبات الحياة.
  • تساهم زيادة عدد السكان وتوسيع الصناعات الزراعية في تفاقم المشكلة.
  • تُعد عملية تحلية مياه البحر واحدة من أنسب الحلول، حيث تلعب الطاقة الشمسية دوراً مهماً فيها باستخدام تقنيات التقطير الشمسي.

مجمعات الطاقة الشمسية

• تمثل مجمعات الطاقة الشمسية وسيلة فعالة لاستغلال الطاقة الناتجة من الشمس، حيث تستغني عن الطاقة المبددة.
• المجمع الشمسي الحراري هو جهاز مُصمم لجمع الطاقة الحرارية عبر امتصاص الأشعة الشمسية.
  • جهاز المجمع يحول الطاقة الموجودة في الأشعة الشمسية إلى شكل يمكن تخزينه واستخدامه لاحقًا.
• يمكن أن تشير المجمعات الشمسية أيضًا إلى الألواح الشمسية المستخدمة في تخزين المياه.
  • تشمل المجمعات الأكثر تعقيدًا أجهزة مكافئ الطاقة الشمسية وأحواض الطاقة الشمسية وغيرها.

أنواع المجمعات الشمسية المستخدمة لتجميع الحرارة

تقسم المجمعات الشمسية إلى نوعين: المركزة وغير المركزة:

• المجمعات الشمسية غير المركزة: يكون فيها منطقة التجميع هي نفسها منطقة الامتصاص، حيث تمتص اللوحة الشمسية الضوء بالكامل.
• المجمع الشمسي المسطح: يُعتبر استخدام المجمعات المسطحة من أبسط الطرق لتحويل الأشعة الشمسية.
  • هي ألواح مستوية بلون أسود غير لامع، تُعتبر الأكثر استخدامًا في تطبيقات الطاقة الشمسية.
  • يمتاز هذا النوع من المجمعات بسطح امتصاص يتعرض مباشرة للأشعة الشمسية.

تأثير الطاقة الشمسية على البيئة

• تُعتبر الطاقة الشمسية صديقة للبيئة، حيث إنها طاقة متجددة ونظيفة ولا يمكن استنفادها، على عكس الغاز الطبيعي الذي يُعتبر طاقة تقليدية تحتاج إلى فترات طويلة لتعويضها.
• لا يمكن تجاهل الأثر السلبي للمصادر التقليدية للطاقة على البيئة، إذ تساهم في تغير المناخ والاحتباس الحراري وتدهور البيئة.
  • كما تسبب العديد من الكوارث الطبيعية والأضرار الناتجة عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.

الطاقة الشمسية منتج نظيف وصامت

• تحاشي المجمعات الشمسية وألواح الخلايا الشمسية أي نوع من أنواع التلوث الضوضائي أثناء تحويل الضوء الشمسي إلى طاقة قابلة للاستخدام.
• لا تحتاج الطاقة الشمسية إلى الكثير من أعمال الصيانة بعد تركيب الألواح والأحواض الشمسية.
  • بإمكان المنشآت الكبيرة إنتاج الطاقة الشمسية بغض النظر عن حالة الطقس، مما يجعلها مصدرًا مستدامًا لتوليد الكهرباء.