بحث حول الطاقة الشمسية وطاقة الرياح

الطاقة الشمسية

يعدّ الضوء الساقط من الشمس باتّجاه الأرض من المصادر المتجددة للطاقة، والتي تكفي لإمداد العالم بأسره بالطاقة الكهربائية اللازمة من خلال توليدها ومن ثمّ تخزينها لاستخدامها لاحقًا في التطبيقات المختلفة.[١]

وعلميًا يمكن تعريف الطاقة الشمسية (بالإنجليزية: Solar energy) بأنّها الطاقة الحرارية والضوئية الناتجة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي المُنبعث من الشمس والذي يمكن الاستفادة منه في الحصول على أشكال أخرى من الطاقة.[١]

تتصدّر الصين مجال إنتاج الطاقة الكهربائية من خلال الاستغلال الأمثل للطاقة الشمسية كبديل جيّد للمصادر غير المتجددة المتمثّلة بصورة أساسية في الاعتماد على الوقود الأحفوري، ومن الدول الأخرى الرائدة في هذا المجال:[٢]

• الولايات المتّحدة الأمريكية.
• الهند.
• اليابان.
• فيتنام.

كيفية توليد الطاقة الكهربائية من الشمس

يمكن توليد الطاقة الكهربائية من طاقة الشمس من خلال استخدام الألواح الشمسية المصنوعة من الخلايا الكهروضوئية، وتعتمد هذه الطريقة على تصميم خلايا مكوّنة من طبقتين من مادة السيليكون الطبيعية والتي تصنّف ضمن أشباه الموصلات، وتتكوّن كل طبقة من نوع مختلف من السيليكون كما يأتي:[٣]

• طبقة من النوع N

تميل هذه الطبقة إلى فقد الإلكترونات وتوضع بصورة مباشرة أمام الأشعة الشمسية.

• طبقة من النوع P

تميل هذه الطبقة إلى كسب الإلكترونات وتستقبلها في فراغات خاص ة، وتوضع عند تصميم الخلايا أسفل الطبقة الأولى.

يكون توليد الطاقة الكهربائية من الشمس وفقًا للخطوات الآتية:[٣]

• تصل حزم الأشعة الشمسية على صورة فوتونات.
• تصطدم الفوتونات بمادة السيليكون المكوّنة للخلايا الشمسية.
• تفقد الطبقة (N) الإلكترونات وتنتقل هذه الإلكترونات إلى الفراغات الموجودة لاستقبالها في الطبقة (P).
• تبدأ بجمع الإلكترونات المتحرّكة على طبقة مصنوعة من مادة الألمنيوم الموصلة.
• تؤدي حركة الإلكترونات وتدفّقها إلى إنتاج تيار كهربائي.

استخدامات الطاقة الشمسية

تدخل الطاقة الشمسية في العديد من التطبيقات الهامّة، إذ يمكن الاستفادة من ضوئها وحرارتها في العديد من الاستخدامات الأساسية في الحياة اليومية، ومن ذلك ما يأتي:[٤]

• توليد الكهرباء

إذ تستخدم في توليد الطاقة الكهربائية وبصورة متزايدة حول العالم في المنشآت المختلفة، كالمنازل أو الشركات على سبيل المثال، كما يمكن تخزين هذه الطاقة للاستفادة منها حتى بعد غروب الشمس.

تصميم أنظمة خاص ة بتسخين المياه المستخدم داخل المباني، وذلك من خلال خلايا شمسية مثبتة على الأسطح، كما يمكن الاعتماد على هذه الطاقة في تسخين المياه المستخدمة في برك السباحة.

توليد الطاقة الحرارية المستخدمة في التدفئة الداخلية من خلال الأرضيات المشعة مثلًا، كما يمكن تصميم نوافذ المباني لتطبيق الاستغلال الأمثل للأشعة الشمسية للحصول على الدفء خلال الأيام الباردة.

• تطبيقات التهوية

استخدام الطاقة الشمسية في تطبيقات التهوية لتبريد المباني خلال الصيف، كما يمكن استخدام تقنيات التهوية لتدفئة المباني خلال الشتاء.

• توليد الطاقة الضوئية

تطوير تقنيات مختصّة بتوليد الطاقة الضوئية بصورة اقتصادية قليلة التكاليف، ويمكن استخدام هذه الإضاءة في المنازل والشوارع على حدّ سواء.

الاعتماد على الطاقة الشمسية في تخزين الطاقة المستخدمة في الشواحن الخفيفة المحمولة أثناء التنقّل.

البدء باستخدام الطاقة الشمسية بصورة مفيدة في وسائل النقل المختلفة المعتمدة على الطاقة الكهربائية إذ يمكن استخدامها في شحن هذه المركبات.

فوائد استخدام الطاقة الشمسية

تتعدّد الفوائد التي تشجّع الدول والأفراد للاستفادة من الطاقة الشمسية، ومن ذلك ما يأتي:[٥]

• توفّرها في جميع أنحاء العالم بصورة متجدّدة يومية غير قابلة للنفاذ، إذ يعتمد وجودها على وجود الشمس.
• يؤدي الاعتماد عليها في توليد الطاقة الكهربائية في تخفيف فواتير استهلاك الكهرباء، كما يمكن الاستفادة مادّيًا من فائض توليدها في المنازل من خلال تصديرها إلى شبكات الكهرباء.
• تنوّع الفوائد التي يمكن الحصول عليها من خلال الطاقة الشمسية، فمن خلالها يمكن الحصول على الكهرباء والحرارة، فضلًا عن إمكانية تقطير المياه وتشغيل الأقمار الصناعية.
• قلّة الحاجة إلى الصيانة وانخفاض تكاليفها، إضافةً إلى مدة ضمان تتراوح عادةً بين (20-25) عام، باستثناء العاكس المعرّض للتغير بعد مرور 5 سنوات أو أكثر من التركيب والتشغيل.
• قابليتها للتطوير والتحسين للاستفادة من مزاياها بصورة أفضل وأكثر فاعلية بالاعتماد على فيزياء الكم لمضاعفة نواتجها.

معيقات استخدام الطاقة الشمسية

من أبرز المعيقات التي تحدّ من استخدامات الطاقة الشمسية ما يأتي:[٥]

• تكاليف التركيب الابتدائية المرتفعة التي تشمل على سبيل المثال كل من: الألواح وبطاريات التخزين، مع ضرورة العلم بتوقّع انخفاض هذه التكاليف في المستقبل.
• تأثرها بالحالة الجويّة، إذ تنخفض فاعليتها في الأجواء الغائمة في فصل الشتاء على سبيل المثال بسبب انخفاض الأشعة الواصلة إليها.
• تكاليف التخزين المرتفعة للطاقة التي يتم توليدها، إذ يتطلّب ذلك بطاريات ذات كفاءة عالية، لتخزين الطاقة المتولّدة خلال النهار والاستفادة منها ليلًا بعد غروب الشمس.
• الحاجة إلى مساحات تركيب واسعة، وتناسب المساحة المطلوبة طرديًا مع مقدار الطاقة المراد توليدها، إذ يجب الاستغناء عن عدد من الألواح والاكتفاء بعدد قليل منها إذا كانت المساحة لا تسمح بغير ذلك.
• ارتباطها بانبعاثات ملوّثة للهواء ومتسبّبة في زيادة خطر مشكلة الاحتباس الحراري، كما أنّ بعض الانبعاثات أثناء عملية التصنيع من المممكن أن تكون سامّة.

طاقة الرياح

تنتشر طاقة الرياح (بالإنجليزية: Wind energy) بصورة واسعة في العالم حاليًا، وكانت بداياتها قبل قرن من الزمان تقريبًا، ويمكن تعريفها بأنّها أحد أكثر أشكال الطاقة المتجدّدة المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية بنسبة وصلت إلى 16% من إجمالي الطاقة المتجددة بحلول عام 2016م، كما يعتمد توليد هذه الطاقة على وجود توربينات الرياح أساسًا، وتكون أقوى ما يمكن في الأماكن البعيدة وخصوصًا البحرية منها.[٦]

تتصدّر الصين مجال استخدام طاقة الرياح بقدرة استيعابية تُشكّل ما يفوق ثلث قدرة دول العالم مجتمعةً، تليها الولايات المتّحدة الأميريكية في ذلك، ومن الدول الأخرى الرائدة في هذا المجال ما يأتي:[٧]

• ألمانيا.
• الهند.
• إسبانيا.
• الممكلة المتّحدة.
• فرنسا.
• البرازيل.
• كندا.
• إيطاليا.

كيفية توليد الطاقة الكهربائية من الرياح

يعتمد توليد الطاقة الكهربائية من الرياح على وجود طواحين بشفرات ذات تصميم معين تسمح بتحويل الطاقة الحركية الميكانيكية للرياح إلى طاقة دورانية ومن ثمّ إلى طاقة كهربائية،[٨] وتسير العملية وفقًا للخطوات الآتية:[٩]

• تدفّق الرياح واصطدامها بشفرات الطواحين، ممّا يتسبّب في دوران هذه الشفرات.
• تتصل هذه الشفرات بمولّدات الطاقة الكهربائية من خلال محرك عمودي.

يعتمد مقدار الطاقة الكهربائية المتولدة من طاقة الرياح على سرعة دوران شفرات الطواحين، وتكون العلاقة بين الطاقة المنتجة والسرعة طردية، كما يمكن تفسير ذلك بمبدأ حفظ الطاقة التي لا تفنى ولا تُستحدث، فمقدار ما ينتج من طاقة كهربائية يرتكز على الطاقة الميكانيكية المدخلة بصورة مباشرة.[٨]

تتفاوت متطلبات إنشاء وتركيب مولّدات الطاقة الكهربائية من الرياح تبعًا لعدد من العوامل، ومن ذلك ما يأتي:[١٠]

• مساحة المزرعة المراد تخصيصها لتوليد الطاقة، ويختلف هذا العامل حسب أعداد الطواحين المتوفرة .
• الطبيعة الجغرافية للمنطقة، إذ تلعب التضاريس الأرضية دورًا رئيسيًا في ذلك.
• التباعد المطلوب بين الطواحين اعتمادًا على حجم الشفرات وقطر دوارنها حول المركز، كما يُنصح بترك مسافة بين الطواحين تتراوح بين (5-10) أضعاف قطر الدوران.

استخدامات طاقة الرياح

يمكن الاستفادة من طاقة الرياح بالاعتماد على سرعتها وكثافتها، كما تتنوّع هذه الاستخدامات بصورة كبيرة، ومن ذلك:[١١]

• ضخّ المياه من خلال الاستفادة من الطاقة الميكانيكية.
• توليد الطاقة الكهربائية بقدرة عالية تصل إلى 5 ميجاواط.
• طحن الحبوب.[١٢]

فوائد استخدام طاقة الرياح

يعدّ تنوّع الفوائد المتحقّقة باستخدام طاقة الرياح من أهم الأمور التي ساهمت في انتشارها، ومن ذلك:[١٣]

• التكلفة الثابتة والمنخفضة مقارنةً بالمصادر الأخرى للطاقة، إضافةً إلى وقودها المجاني.
• توفير فرص عمل متنوعة في محطات توليد الطاقة ومن ذلك: التركيب والصيانة والتصنيع.
• اعتبارها من الاستثمارات الاقتصادية والصناعية الهامّة في العالم.
• صديقة للبيئة لا تؤدي إلى تشكّل أي انبعاث أو غازات ضارّة على عكس المصادر غير المتجددة للطاقة الملوِّثة.
• عدم الحاجة إلى استيرادها من أي دولة إذ يمكن توليدها في أي مكان بصورة محلية دائمة.
• استدامتها وعدم تعرّضها للنضوب مع الاستخدام المتكرّر.
• دعم الاقتصاد في الأماكن الريفيّة كما أنّها لا تستهلك مساحات كبيرة من أراضي المزارعين.

معيقات استخدام طاقة الرياح

يمكن تلخيص أبرز التحديات التي تعيق الاعتماد على طاقة الرياح في توليد الكهرباء بما يأتي:[١٣]

• عدم قدرتها على منافسة المصادر الأخرى إذا كانت التكلفة معيارًا للمقارنة، إذ يحدّ من ذلك عدم توافرها أحيانًا بكمية تمكّنها من ذلك.
• بُعد المسافة بين الأماكن التي يمكن استخدامها في توليد طاقة الرياح وبين الأماكن التي تستفيد منها فعليًا، مما يؤدي إلى تكاليف إضافية تتطلّب وجود شبكة لنقل الكهرباء.
• استنزاف مولّدات الطاقة الخاصة بالرياح لمساحات شاسعة يمكن استخدامها بطريقة أكثر فاعلية وأفضل من الناحية الاقتصادية.
• الضوضاء الناجمة عن حركة طواحين الرياح والتأثير سلبًا على المنظر الطبيعي العام للمنطقة.
• التأثيرات السلبية على الكائنات البرية المنتشرة في المناطق الطبيعية، ومن ذلك تأثيرها على حياة الطيور والخفافيش عند اصطدامها بشفرات الطواحين.

المراجع

1. ^ أ ب “How Does Solar Work?”, Energy, Retrieved 28/09/2021. Edited.
2. ↑ JUSTIN WALTON (09/04/2021), “The 5 Countries That Produce the Most Solar Energy”, Investopedia, Retrieved 28/09/2021. Edited.
3. ^ أ ب “Generating Electricity: Solar Cells”, Lets Talk Science, Retrieved 28/09/2021. Edited.
4. ↑ “7 USES OF SOLAR ENERGY”, Freedom solar power, 12/07/2018, Retrieved 28/09/2021. Edited.
5. ^ أ ب “Pros and Cons of Solar Energy”, Green Match, Retrieved 28/09/2021. Edited.
6. ↑ “Wind Energy”, Irena, Retrieved 28/09/2021. Edited.
7. ↑ “Wind energy by country: The top 10”, Power Technology, Retrieved 28/09/2021. Edited.
8. ^ أ ب “Wind Turbine”, Museum of Chicago, Retrieved 28/09/2021. Edited.
9. ↑ “Electricity generation from wind”, EIA, Retrieved 28/09/2021. Edited.
10. ↑ “Wind energy”, Open EI, Retrieved 28/09/2021. Edited.
11. ↑ Unknown, Wind Energy, Page 1. Edited.
12. ↑ “Examples of Wind Energy”, Your dictionary, Retrieved 28/09/2021. Edited.
13. ^ أ ب “Advantages and Challenges of Wind Energy”, Energy, Retrieved 28/09/2021. Edited.