تعتبر الطاقة الشمسية الحرارية من أبرز مصادر الطاقة المتجددة التي تسهم في تلبية احتياجات الأرض من الطاقة. تلعب هذه الطاقة دورًا حيويًا في دعم الحياة على كوكبنا، إذ تتميز بإمكانية الحصول على حرارة مرتفعة بفضل الإشعاع الشمسي الذي يتم استغلاله بطرق متنوعة.
الطاقة الشمسية
- هي الطاقة الناتجة عن الشمس والتي تصل إلى الأرض على شكل أشعة ضوئية.
- تستقبل الطبقات العليا من الجو حوالي 174 بيتا واط من هذه الطاقة الشمسية.
- الطاقة المستمدة من الشمس خلال ساعة واحدة تعادل ضعف احتياجات كوكب الأرض من الطاقة على مدار عام كامل، والتي تشمل طاقة الفحم والنفط والغاز الطبيعي.
- يمكن استغلال الطاقة الشمسية عبر طريقتين رئيسيتين، هما:
- الطاقة الشمسية الحرارية، التي تُحوّل إلى طاقة حرارية بواسطة مركزات الطاقة الشمسية.
- الطريقة الثانية هي الطاقة الشمسية الكهربائية، التي يتم تحويلها باستخدام:
- الألواح الشمسية أو الخلايا الشمسية للاستفادة القصوى من أشعة الشمس.
الطاقة الشمسية الحرارية
- عملية حصاد الطاقة الشمسية وتحويلها إلى طاقة حرارية عن طريق استخدام المجمعات الشمسية الحرارية.
- تنقسم المركزات الشمسية الحرارية إلى ثلاثة أنواع، وهي مركزات ذات حرارة منخفضة، ومتوسطة، وعالية، حيث تختلف استخداماتها حسب نوعها.
- تستخدم المركزات الشمسية منخفضة الحرارة السطوح المستوية لإنتاج حرارة مماثلة لحرارة جسم الإنسان، وغالبًا ما تستخدم في أحواض السباحة وكذلك في تطبيقات التدفئة والتهوية.
- أما المركزات متوسطة الحرارة، فتستخدم أيضًا السطوح المستوية لإنتاج مياه ساخنة للاستخدامات المنزلية والتجارية. وقد استخدم الإنسان تقنيات تسخين المياه بواسطة الطاقة الشمسية الحرارية منذ عصور قديمة، وتم تطويرها بشكل كبير منذ ذلك الحين.
- تُستخدم المركزات الحرارية متوسطة الحرارة في عمليات التجفيف والطهي والتقطير، بالإضافة إلى تجفيف الأخشاب لإنتاج الوقود والفحم، وتجفيف الفواكه والحبوب والأسماك.
- في مقابل ذلك، تُستخدم المركزات الشمسية عالية الحرارة العدسات والمرايا لزيادة تركيز أشعة الشمس ولإنتاج درجات حرارة مرتفعة، مما يمكن استخدامها في توليد الطاقة الكهربائية.
- تعتمد محطات الطاقة الحرارية الشمسية على مبادلات حرارية مصممة لضمان استقرار الأداء، حيث تعبر الحرارة عن كمية الطاقة الحرارية الموجودة ضمن نظام معين.
المبادئ الأساسية لتطوير إنتاج الطاقة الشمسية الحرارية
- تحقيق الكسب الحراري عن طريق زيادة تركيز الأشعة الشمسية، وتعزيز استخدام المرايا والعدسات، والبحث عن تصاميم أكثر فعالية وأقل تكلفة.
- تحقيق التحول الحراري من خلال التوصيل أو الإشعاع، مع استخدام الماء أو الهواء كوسائط لنقل الحرارة حسب درجات الحرارة المختلفة.
- تخزين الحرارة يمكّن النظام الشمسي الحراري من العمل بعد غروب الشمس من خلال استخدام أنظمة متنوعة لاختيار الأساليب المثلى.
- نقل الحرارة باستخدام سوائل مختلفة مثل زيت أو محلول ملحي، مع البحث عن وسائط أفضل لنقل الحرارة تكون أقل تكلفة.
استخدامات الطاقة الشمسية
-
تسخين المياه: يتم استخدام السخانات الشمسية لجمع أشعة الشمس وتحويلها إلى طاقة حرارية.
- يتم تخزين هذه الطاقة في خزانات حرارية للحفاظ على حرارة المياه.
-
التدفئة: يتم ضخ الحرارة المكتسبة إلى داخل المباني عبر أنظمة الهواء والماء.
- في حال استخدام الهواء، يتم تسخينه في المجمعات الشمسية ثم إدخاله إلى المبنى. أما استخدام الماء، فيتضمن مبادلات حرارية لنقل الحرارة.
-
التبريد الشمسي: تتمثل في ضخ الحرارة من داخل الفضاء الخارجي، مما يعد العكس لعملية التدفئة.
- يتم ذلك باستخدام أدوات ميكانيكية لضخ الحرارة خارجًا، وبالتالي توفير هواء بارد للداخل.
- تجفيف المحاصيل لتحقيق سلامتها ومنع تلفها، مما يجعلها صالحة لفترات التخزين الطويلة.
-
تحلية المياه: تعتبر أزمة نقص المياه العالمية دافعاً رئيسياً لاستكشاف طرق جديدة للحصول على مياه صالحة للشرب، حيث يعد تحلية مياه البحر من الوسائل المثلى لذلك.
- تعد الطاقة الشمسية من بين أكثر الطرق فعالية لتحلية المياه باستخدام عملية التقطير الشمسي، وهي تعتمد على تبخير الماء.
مجمعات الطاقة الشمسية
- تعتبر مجمعات الطاقة الشمسية وسيلة فعالة لاستغلال الطاقة الشمسية بدلاً من تبديدها. المجمع الشمسي الحراري مصمم لجمع الحرارة من أشعة الشمس.
- هو جهاز يحوّل الطاقة الموجودة في الإشعاع الشمسي إلى شكل قابل للتخزين والاستخدام.
- مصطلح “المجمع الشمسي” يشير أيضًا إلى الألواح الشمسية المستخدمة لتخزين المياه، والتي قد تكون أكثر تعقيدًا، مثل أجهزة المكافئات الشمسية وأحواض الطاقة الشمسية.
أنواع المجمعات الشمسية المستخدمة لتجميع الحرارة
تنقسم المجمعات الشمسية إلى نوعين: المجمعات المركزة وغير المركزة.
- المجمعات الشمسية غير المركزة: تشمل منطقة تجمع الإشعاع الشمسي، والتي تتوافق مع منطقة الامتصاص، حيث تمتص لوحات الطاقة الشمسية الضوء بشكل كامل.
- المجمع الشمسي المسطح: يُعتبر استخدام المجمعات السطحية أحد أبسط الأساليب لتحويل أشعة الشمس، وهو يتكون من ألواح مسطحة ذات سطح داكن غير لامع، ويعد الأكثر شيوعاً في تطبيقات الطاقة الشمسية.
تأثير الطاقة الشمسية على البيئة
- تمتاز الطاقة الشمسية بأنها صديقة للبيئة، نظراً لأنها طاقة متجددة ونظيفة وغير قابلة للنضوب، بعكس الغاز الطبيعي الذي يعد طاقة تقليدية غير متجددة تتطلب فترات زمنية طويلة للتعويض.
- لا يمكن تجاهل آثار المصادر التقليدية للطاقة من ناحية التغير المناخي والاحتباس الحراري وضرر البيئة، بالإضافة إلى الأضرار الناتجة عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
الطاقة الشمسية: منتج نظيف وصامت
- تتميز المجمعات الشمسية وألواح الخلايا الشمسية بعدم التسبب في تلوث الضوضاء عند تحويل الضوء الشمسي إلى طاقة قابلة للاستخدام.
- يمكن لدور الطاقة الشمسية ألا يتطلب الكثير من أعمال الصيانة بعد التركيب، مما يجعل توليد الطاقة بها مستدامًا بغض النظر عن ظروف الطقس.
