الطاقة الشمسية
يُعتبر ضوء الشمس المتجه نحو الأرض واحدًا من المصادر المتجددة للطاقة، القادر على تلبية احتياجات العالم من الطاقة الكهربائية. يتم ذلك من خلال توليد الطاقة الشمسية وتخزينها، مما يتيح استخدامها لاحقًا في مختلف التطبيقات.
وفقًا للتعريف العلمي، تُعرف الطاقة الشمسية (بالإنجليزية: Solar energy) بأنها الطاقة الحرارية والضوئية الناتجة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الشمس، والتي يمكن تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة.
تتقدم الصين في مجال إنتاج الطاقة الكهربائية، عبر استغلال الطاقة الشمسية كبديل فعال للمصادر غير المتجددة، خصوصًا الاعتماد على الوقود الأحفوري. ومن بين الدول الأخرى الرائدة في هذا المجال:
- الولايات المتحدة الأمريكية.
- الهند.
- اليابان.
- فيتنام.
آلية توليد الطاقة الكهربائية من الشمس
تتم عملية توليد الطاقة الكهربائية من الشمس من خلال استخدام الألواح الشمسية المصنعة من خلايا كهروضوئية. تعتمد هذه التقنية على تصميم خلايا تتكون من طبقتين من مادة السيليكون، التي تعتبر من أشباه الموصلات. تتألف كل طبقة من نوع مختلف من السيليكون على النحو التالي:
- طبقة من النوع N
تميل هذه الطبقة إلى فقدان الإلكترونات، ويتم وضعها مباشرة أمام أشعة الشمس.
- طبقة من النوع P
تتمتع هذه الطبقة بقدرة على استقطاب الإلكترونات، حيث تحتوي على فراغات خاصة لاستقبالها وتكون متموضعة أسفل الطبقة الأولى.
تتم عملية توليد الطاقة الكهربائية من الشمس عبر الخطوات التالية:
- تصل حزم الأشعة الشمسية على شكل فوتونات.
- تصطدم الفوتونات بمادة السيليكون في الخلايا الشمسية.
- تفقد الطبقة (N) الإلكترونات، التي تنتقل إلى الفراغات في الطبقة (P).
- تتجمع الإلكترونات المتحركة على طبقة من الألمنيوم الموصّل.
- ينتج عن الحركة والتدفق الكهربي للإلكترونات تيار كهربائي.
تطبيقات الطاقة الشمسية
تدخل الطاقة الشمسية في العديد من الاستخدامات الحيوية، حيث يمكن استغلال ضوءها وحرارتها في التطبيقات الأساسية للحياة اليومية، ومنها:
- توليد الكهرباء
تستخدم الطاقة الشمسية بشكل متزايد في توليد الطاقة الكهربائية لجميع أنواع المنشآت، سواء منازل أو شركات، ويمكن أيضًا تخزينها للاستفادة منها بعد غروب الشمس.
- تسخين المياه
يتم تصميم أنظمة خاصة لتسخين المياه داخل المباني باستخدام خلايا شمسية مثبتة على الأسطح، ويمكن الاعتماد على هذه الطاقة أيضًا في تسخين مياه برك السباحة.
- التدفئة
تستخدم الطاقة الشمسية لتوليد طاقة حرارية للتدفئة، مثل تسخين الأرضيات المشعة، كما تتم هندسة نوافذ المباني للاستفادة القصوى من أشعة الشمس في الأيام الباردة.
- تطبيقات التهوية
تستفيد الطاقة الشمسية في تطبيقات التهوية لتبريد المباني في الصيف، وأيضًا لتدفئة المباني خلال فصل الشتاء.
- توليد الطاقة الضوئية
تطوير تقنيات فعالة من حيث التكلفة لتوليد الطاقة الضوئية، والتي يمكن استخدامها في المنازل والشوارع على حد سواء.
- تخزين الطاقة
الاعتماد على الطاقة الشمسية في تخزين الطاقة المستخدمة في الشواحن المحمولة خلال التنقل.
- وسائل النقل
بدأت استخدامات الطاقة الشمسية تتوسع في وسائل النقل المعتمدة على الطاقة الكهربائية، حيث يمكن استخدامها في شحن المركبات.
فوائد استخدام الطاقة الشمسية
تتعدد الفوائد التي تشجع الدول والأفراد على استغلال الطاقة الشمسية، ومنها:
- تتواجد في جميع أنحاء العالم بشكل متجدد يوميًا، لذا فهي غير قابلة للنضوب طالما كانت الشمس مشرقة.
- يُساهم الاعتماد على الطاقة الشمسية في خفض فاتورة استهلاك الكهرباء، علاوة على إمكانية الاستفادة المادية من فائض الإنتاج عبر تصديره إلى شبكة الكهرباء.
- تتنوع الفوائد الممكن الحصول عليها من خلال الطاقة الشمسية، حيث يمكن الحصول على الكهرباء والحرارة، بالإضافة إلى قدرة تقطير المياه وتشغيل الأقمار الصناعية.
- تتطلب صيانة بسيطة وتكاليف منخفضة، بالإضافة إلى ضمان يصل عادةً إلى (20-25) عامًا، مع استثناء العاكس الذي قد يتطلب تغييره بعد حوالي 5 سنوات من التركيب.
- يمكن تطويرها وتحسينها للاستفادة بشكل أكثر فعالية بالاعتماد على تقنيات فيزياء الكم.
معيقات استخدام الطاقة الشمسية
تتضمن أبرز التحديات التي تعيق استخدام الطاقة الشمسية ما يأتي:
- تكاليف التركيب الأولية المرتفعة، والتي تشمل الألواح وبطاريات التخزين. ومع ذلك، من المتوقع أن تنخفض هذه التكاليف في المستقبل.
- تأثرها بالعوامل الجوية، حيث تنخفض كفاءتها في الأجواء الغائمة خلال فصل الشتاء بسبب نقص الأشعة الشمسية.
- تكاليف التخزين العالية للطاقة المنتجة، مما يتطلب استخدام بطاريات ذات كفاءة عالية لتخزين الطاقة المتولدة خلال النهار لاستخدامها ليلاً.
- الحاجة إلى مساحات تركيب كبيرة، حيث يتناسب حجم المساحة المطلوبة طرديًا مع كمية الطاقة المراد توليدها، مما قد يتطلب تقليل عدد الألواح في المساحات الصغيرة.
- ينجم عنها انبعاثات قد تلوث الهواء وتزيد من خطر ظاهرة الاحتباس الحراري، حيث قد تنتج بعض انبعاثات التصنيع مواد سامة.
طاقة الرياح
تتوسع استخدامات طاقة الرياح (بالإنجليزية: Wind energy) بشكل ملحوظ حول العالم في الوقت الحالي، حيث يعود استخدام هذه الطاقة إلى ما يقرب من مئة عام. تُعتبر طاقة الرياح واحدة من أكثر مصادر الطاقة المتجددة استخدامًا في توليد الطاقة الكهربائية، حيث بلغت نسبتها نحو 16% من إجمالي الطاقة المتجددة حتى عام 2016. وتعتمد هذه العملية بشكل أساسي على وجود توربينات الرياح، التي تُظهر أقوى أداء لها في الأماكن النائية، وبالأخص البحرية.
تتصدر الصين استخدام طاقة الرياح بقدرة تثبت أكثر من ثلث القدرة الكلية للدول في جميع أنحاء العالم، تليها الولايات المتحدة الأمريكية، ومن بين الدول الأخرى الرائدة في هذا المجال:
- ألمانيا.
- الهند.
- إسبانيا.
- المملكة المتحدة.
- فرنسا.
- البرازيل.
- كندا.
- إيطاليا.
آلية توليد الطاقة الكهربائية من الرياح
يتم توليد الطاقة الكهربائية من الرياح عبر استخدام المولدات المزودة بشفرات مصممة خصيصًا لتحويل الطاقة الحركية الميكانيكية للرياح إلى طاقة دورانية، ومن ثم إلى طاقة كهربائية. تتضمن العملية الخطوات التالية:
- تدفق الرياح واصطدامها بشفرات المولدات، مما يؤدي إلى دوران هذه الشفرات.
- ترتبط الشفرات بمولدات الطاقة الكهربائية عبر محرك عمودي.
يعتمد مقدار الطاقة الكهربائية الناتجة عن طاقة الرياح على سرعة دوران شفرات المولدات، وتكون العلاقة بين الإنتاج والسرعة مباشرة؛ أي أن ارتفاع السرعة يؤدي إلى زيادة إنتاج الكهرباء، مما يوضح مبدأ حفظ الطاقة الذي ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث.
تختلف متطلبات إنشاء وتركيب مولدات الطاقة الكهربائية من الرياح بناءً على عدة عوامل، منها:
- مساحة الأرض المستخدمة لتوليد الطاقة، حيث يتحدد ذلك وفقًا لعدد المولدات المتاحة.
- الطبيعة الجغرافية للمنطقة، إذ تلعب التضاريس دورًا رئيسيًا.
- التباعد اللازم بين المولدات مستندة إلى حجم الشفرات وقطر دورانها، حيث يُنصح بفصل بين المولدات بمقدار يتراوح بين (5-10) أضعاف قطر الدوران.
استخدامات طاقة الرياح
تتعدد استخدامات طاقة الرياح استنادًا إلى سرعتها وكثافتها، ومنها:
- ضخ المياه باستخدام الطاقة الميكانيكية.
- توليد الطاقة الكهربائية بطاقة تصل إلى 5 ميجاواط.
- طحن الحبوب.
فوائد استخدام طاقة الرياح
تعتبر الفوائد المتعددة لاستخدام طاقة الرياح واحدة من أهم الأسباب التي أدت إلى انتشارها، ومنها:
- انخفاض تكلفتها مقارنة بالمصادر الأخرى للطاقة، بالإضافة إلى كونها تعتمد على وقود مجاني.
- توفير فرص عمل مختلفة في محطات توليد الطاقة مثل: التركيب والصيانة والتصنيع.
- تُمثل استثمارًا اقتصاديًا وصناعيًا هامًا عالميًا.
- تُعتبر صديقة للبيئة ولا تؤدي إلى انبعاث أي غازات ضارة، بعكس المصادر غير المتجددة الملوثة.
- إمكانية توليدها محليًا في أي مكان دون الحاجة لاستيرادها.
- استدامتها وعدم تعرضها للنضوب مع الاستخدام المتكرر.
- دعم الاقتصاد المحلي في المناطق الريفية، حيث لا تحتاج لمساحات شاسعة من أراضي المزارعين.
معيقات استخدام طاقة الرياح
من أبرز التحديات التي تعيق استخدام طاقة الرياح في توليد الكهرباء ما يلي:
- صعوبة المنافسة مع المصادر الأخرى إذا كان التكلفة هي العامل الحاسم، بسبب عدم توفرها دائمًا بكميات يدعم هذا الأمر.
- المسافة البعيدة بين المواقع التي يمكن استغلالها على نحو فعّال وفي نفس الوقت المواقع المستفيدة منها، مما ينتج عنه تكاليف إضافية تتطلب بنية تحتية لنقل الطاقة.
- استنزاف المساحات الواسعة لتوليد الطاقة، والتي يمكن أن تُستخدم بطرق أكثر فاعلية من ناحية التكلفة.
- الضوضاء الناتجة عن حركة المولدات وتأثيرها السلبي على المظهر الطبيعي للمنطقة.
- التأثيرات السلبية المحتملة على الحياة البرية، مثل تأثر الطيور والخفافيش عند اصطدامها بشفرات المولدات.